體外人胃腸模擬系統(tǒng)在食物消化行為研究中的應(yīng)用進(jìn)展

李玉珍，肖懷秋，*，姜明姣，趙謀明

（1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院制藥與生物工程學(xué)院，湖南株洲412000；2.湖南中威制藥有限公司，湖南株洲412000；3.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640）

體外人胃腸模擬系統(tǒng)在食物消化行為研究中的應(yīng)用進(jìn)展

李玉珍1，肖懷秋1，3*，姜明姣2，趙謀明3

（1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院制藥與生物工程學(xué)院，湖南株洲412000；2.湖南中威制藥有限公司，湖南株洲412000；3.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640）

人體胃腸道在食物消化和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收過程中具有非常重要且關(guān)鍵的作用，在對人體胃腸道功能進(jìn)行研究過程中常存在倫理問題，而體外人胃腸模擬系統(tǒng)可有效解決該問題，對促進(jìn)胃腸道功能的研究和食物消化行為的研究也起著非常重要的作用。該文對體外人胃腸模擬系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、研究局限性等進(jìn)行了綜述，并對體外人胃腸模擬系統(tǒng)的應(yīng)用研究進(jìn)行展望，提出一些發(fā)展建議和意見，以期促進(jìn)體外人胃腸模擬系統(tǒng)在食物消化行為研究方面的工作。

人胃腸模擬系統(tǒng)；食物消化；人工模擬

體外人胃腸模擬系統(tǒng)（in vitrohuman gastrointestinal simulation system，ivHGSS）是一種基于人體胃腸道生理機(jī)能進(jìn)行模擬食物消化行為的生物研究系統(tǒng)，常用于生物活體的替代試驗研究，具有操作簡單、便捷、安全、快速，且不受醫(yī)學(xué)研究的倫理桎棝[1-3]。目前體外胃腸模擬系統(tǒng)主要分為單相靜態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)[4]、半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)[5]和連續(xù)動態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)[6]三大類，在食物重金屬殘留安全性評價、食物胃腸代謝動力學(xué)、營養(yǎng)物質(zhì)生物利用度量化評估等方面有廣泛研究[7-9]。體外人胃腸模擬系統(tǒng)成為食物消化行為研究的重要研究平臺，也逐漸引起研究人員的重視[10-11]。本文對體外人胃腸模擬系統(tǒng)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和研究局限性等進(jìn)行了綜述，并對其應(yīng)用研究進(jìn)行展望，同時，提出一些發(fā)展性建議，以期促進(jìn)體外人胃腸模擬系統(tǒng)在食物消化行為研究方面的工作。

1 ivHGSS在食物消化研究中的現(xiàn)狀

1.1 單相靜態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)

單相靜態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)（single-phasestaticgastrointestinalsimulation system，ssGSS）是通過模擬單純的人體胃腸道生理條件，將食物暴露于所構(gòu)建模擬相中，以研究食物消化行為的模擬系統(tǒng)[4]。常通過調(diào)節(jié)模擬相pH、添加含胃（胰）蛋白酶的人工模擬胃腸液、構(gòu)筑好（或厭）氧胃腸生理條件等來研究食物消化行為。利用單相靜態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)，KAFAOGLU B等[12]系統(tǒng)研究了堅果和種子中的9種金屬元素的生物利用度，經(jīng)過胃腸模擬消化，金屬更易被機(jī)體吸收利用；杜芬等[13]研究了鱈魚皮膠原蛋白源金屬螯合肽（Ala-Gly-Pro-Ala-Gly-Pro-Arg）在體外人模擬胃腸系統(tǒng)中的消化耐受性，研究發(fā)現(xiàn)，在體外模擬胃腸消化過程中其多肽鏈氨基酸組成不變，空間構(gòu)象發(fā)生改變，但鈣鐵配位螯合差異不顯著，體外模擬胃腸消化耐受性高；秦曉佩等[14]以菜籽餅粕為原料，模擬胃、腸（十二指腸和小腸）消化行為，研究菜籽餅粕蛋白的胃腸消化行為，研究發(fā)現(xiàn)，抗氧化肽產(chǎn)生集中于模擬胃腸消化的十二指腸階段，該階段產(chǎn)物中游離氨基酸比原料中多出5種，各種游離氨基酸含量也明顯增加；周存山等[15]采用二酶三階段體單相靜態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)研究綠鰭馬面鲀魚皮蛋白體外消化行為及相關(guān)表征，研究發(fā)現(xiàn)，模擬胃腸消化液富含抗氧化氨基酸，其中抗氧化肽集中在模擬胃腸消化的十二指腸階段；MUIR J G等[16]研究了抗性淀粉在腸道中的消化行為，并系統(tǒng)研究了大米淀粉、米粉、大麥淀粉、玉米片和甜豆3種食物中抗性淀粉在構(gòu)建的腸道模擬系統(tǒng)的酶促消化形為，研究結(jié)果表明，在抗性淀粉的消化理化性質(zhì)與數(shù)量與體內(nèi)消化結(jié)果較為接近，構(gòu)建的人腸道模擬系統(tǒng)可以較好的用于淀粉消化行為的分析并用于食物消化評估。單相靜態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)作為早期人體外胃腸模擬單相靜態(tài)系統(tǒng)就是單純模擬人體消化道胃部或腸道生態(tài)環(huán)境，通過調(diào)節(jié)模擬系統(tǒng)pH和酶解環(huán)境，將食物置于該模擬系統(tǒng)進(jìn)行消化行為的研究，主要用于食物的消化模擬和微生物的初步篩選，研究系統(tǒng)組成簡單，可操作性強(qiáng)，但所模擬的消化環(huán)境的仿真性不強(qiáng)，而且未考慮胃部和腸部的消化微生態(tài)和胃腸蠕動對食物消化的影響，試驗結(jié)果受到所構(gòu)建的胃腸模擬系統(tǒng)影響較大[17]。

1.2 半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)

半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)（semi-continuoushomeostatic gastrointestinal simulation system，shGSS）是指在模擬系統(tǒng)中添加淀粉酶、黏液素、無機(jī)鹽、胃蛋白酶、有機(jī)酸、膽汁、胰蛋白酶等逐級模擬口腔（可選模擬項）和胃腸道生理條件，構(gòu)建基于人體生理條件下的穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)[8]。INTAWONGSE M等[18]利用所構(gòu)建的半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)研究果蔬中的重金屬和有機(jī)污染物在模擬胃腸道的消化行為，并評估了其安全風(fēng)險與生物利用風(fēng)險?；羝G姣等[19]以鱈魚魚肉蛋白肽為研究對象，構(gòu)建體外半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)胃和Caco-2細(xì)胞吸收模型，研究鱈魚魚肉蛋白肽在模擬條件下的消化行為和抗氧化活性及生物利用率，研究發(fā)現(xiàn)，魚肉蛋白肽經(jīng)胃腸消化吸收后，具有一定的抗氧化活性且生物利用度較高；LAIRD B D等[20]在模擬人體胃腸微生物菌群條件下，利用半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)研究了泰國4個受重金屬離子污染的大米中重金屬的胃腸消化行為，對比分析了大米全粉和粒徑在38 μm以下兩個樣本的消化行為，研究發(fā)現(xiàn)，在小腸部位，有2%～20%重金屬可被生物轉(zhuǎn)化，在結(jié)腸部位有4%～70%可被生物轉(zhuǎn)化，結(jié)腸微生物能增加受污染的金屬的生物利用率。半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)可應(yīng)用于分析食品安全因子及安全風(fēng)險評估。半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的單相靜態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)，考慮了胃腸微生物生態(tài)對胃腸模擬結(jié)果的影響，其仿真性有明顯改善，但在模擬系統(tǒng)中仍未考慮到胃腸蠕動的影響。

1.3 連續(xù)動態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)

連續(xù)動態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)（continuous dynamic gastroin testinal simulation system，cdGSS）在模擬胃腸生理環(huán)境條件下將胃腸微生物生態(tài)對食品消化行為的影響考慮進(jìn)來，在胃腸模擬過程中接種正常健康人的糞便菌群，并且是連續(xù)流動的，更加真實模擬人體胃腸微生態(tài)環(huán)境，是最接近人體胃腸道微生態(tài)環(huán)境的人工模擬系統(tǒng)[6]。體外連續(xù)人胃腸模擬系統(tǒng)成為了胃腸道及胃腸微生物生態(tài)研究的重要研究手段，特別是哺乳動物胃腸模擬系統(tǒng)是值得研究的重要食物消化模擬平臺[21-23]。目前，最常用體外連續(xù)動態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)有荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院（TNO）三相連續(xù)胃腸模擬系統(tǒng)和模擬人胃腸微態(tài)系統(tǒng)五相連續(xù)胃腸模擬系統(tǒng)。

1.3.1 三相連續(xù)胃腸模擬系統(tǒng)

三相連續(xù)模擬胃腸系統(tǒng)在時空、營養(yǎng)吸收及生理環(huán)境等方面對結(jié)腸近端、末端的微生物群組進(jìn)行模擬，通過對模擬系統(tǒng)內(nèi)微生物種群豐度和數(shù)量及次級代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析，研究食物消化行為對結(jié)腸微生物種群的影響[6]。利用該系統(tǒng)，PAYNE A N等[24]通過模擬結(jié)腸近端、橫結(jié)腸和結(jié)腸末端生理環(huán)境，接種兒童糞便微生物菌群，研究食物中糖、蛋白質(zhì)及膳食纖維的消化對兒童結(jié)腸微生物異化作用的影響。研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物種群豐度、微生態(tài)對食物消化有顯著影響。FERIA-GERVASIO D等[6]利用三相胃腸模擬系統(tǒng)研究厭氧條件下研究食物的代謝與胃腸微生物生態(tài)，研究認(rèn)為，體外胃腸模擬系統(tǒng)可以作為胃腸道微生物結(jié)構(gòu)與代謝的替代模型，可用于營養(yǎng)代謝動力學(xué)，益生菌等研究；MACFARLANE G T等[25]應(yīng)用三相連續(xù)胃腸模擬系統(tǒng)在空間、時間、營養(yǎng)及理化特點，接種人體結(jié)腸微生物菌群對結(jié)腸近端（V1）、末端（V2和V3）的微生物組進(jìn)行模擬，研究了在不同滯留時間條件下（21.7 h和66.7 h）結(jié)腸微生物種群對不同碳源和氮源物質(zhì)在結(jié)腸部位的消化行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)，大部分碳水化合物和短鏈脂肪酸在結(jié)腸近端（V1）可被生物降解，而異化的氨基酸則以形成長鏈脂肪酸和酚類化合物在結(jié)腸末端（V2和V3）被消化分解，芳香族氨基酸代謝受系統(tǒng)滯留時間顯著影響（P＜0.01）。在模擬系統(tǒng)中，除雙歧桿菌外，結(jié)腸近端、末端的微生物菌群未見顯著差異（P＞0.05）。

1.3.2 五相連續(xù)胃腸模擬系統(tǒng)

五相連續(xù)胃腸模擬系統(tǒng)模擬人胃腸道的生理環(huán)境，監(jiān)測和分析不同模擬相中微生物的數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)和次級代謝產(chǎn)物在整個模擬過程中的變化，在微生物數(shù)量、種群豐度及次級代謝產(chǎn)物功能發(fā)揮方面能夠更加穩(wěn)定且真實地模擬人胃腸道微生態(tài)環(huán)境[2]。POSSEMIERS S等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在SHIME胃腸模擬系統(tǒng)中，微生物數(shù)量、種群豐度和次級代謝產(chǎn)物在培養(yǎng)10 d左右達(dá)到人胃腸道真實環(huán)境的各項指標(biāo)并維持穩(wěn)定。LAIRD B D等[5]利用SHIME體外人胃腸道模擬系統(tǒng)，模擬人胃腸道各項生物與理化條件，分別添加塊狀和粉末狀的砷，研究重金屬砷在模擬胃腸道系統(tǒng)中的消化行為，研究發(fā)現(xiàn)，小腸和大腸微生物對砷的生物利用率分別為2%～20%和40%～70%。

連續(xù)動態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)在模擬人體胃腸道對食物消化行為的應(yīng)用研究中充分考慮了胃腸道微微生物生態(tài)系統(tǒng)對食物消化的影響，仿真性更高，與人體真實的胃腸道消化較為接近，可很好的用于食物消化的體外胃腸模擬研究[27-28]。

2 ivHGSS在食物消化研究中的局限性

單相靜態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)在早期胃腸模擬食物消化行為方面發(fā)揮了重要作用，但該模擬手段僅對單一消化部位進(jìn)行生理模擬，沒有考慮胃腸道微生物菌群的協(xié)同和（或）拮抗作用，研究結(jié)果與人體真實胃腸環(huán)境存在一定差異；半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)雖然基于人體生理學(xué)機(jī)能進(jìn)行胃腸道的模擬，仍然沒有將胃腸道微生物菌群的消化生態(tài)考慮進(jìn)來，研究結(jié)果雖然比單相靜態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)要真實，但與人體天然胃腸消化環(huán)境仍然存在一定的差距；而連續(xù)動態(tài)模擬系統(tǒng)，特別是第二代無溢出腸道模型和人腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)模擬體系等將腸道微生物群落考慮到模擬系統(tǒng)中，研究結(jié)果與真實胃腸生理環(huán)境較為接近，但體外胃腸模擬系統(tǒng)仍存在許多局限性，如重復(fù)性與生物穩(wěn)定性的局限、連續(xù)胃腸模擬系統(tǒng)中胃腸微生物群落對食物消化行為的影響認(rèn)識的局限。如何提高微生物生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性成為體外人胃腸道模擬系統(tǒng)需亟待解決的關(guān)鍵問題[29]。如OTT S J等[30]研究發(fā)現(xiàn)，糞便在不同溫度條件下儲存不同時間再接種到體外胃腸模擬系統(tǒng)中，會造成結(jié)果的差異顯著；機(jī)體神經(jīng)刺激和免疫調(diào)節(jié)等對胃腸模擬結(jié)果也有一定影響；此外，目前所構(gòu)建的體外人胃腸模擬系統(tǒng)對病態(tài)胃腸道（如患有克羅恩病、潰瘍性腸炎等）等研究還存在較大差距。目前，在體外人胃腸道模擬系統(tǒng)的研究中，研究者試圖通過調(diào)控模擬系統(tǒng)中對人胃腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的各項因素，以提高人胃腸道微生物生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性[31]。

3 展望

當(dāng)前，國內(nèi)外進(jìn)行體外人胃腸系統(tǒng)模擬的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究較少，且缺乏國際公認(rèn)的量化評價模型，因此，構(gòu)建能盡量真實地模擬人胃腸道環(huán)境，且操作方便、穩(wěn)定性好的離體模擬系統(tǒng)將成為今后較長一段時間的研究重點。針對不同的體外人胃腸模擬系統(tǒng)，可以從以下幾個方面進(jìn)行系統(tǒng)完備性的創(chuàng)新研究：

（1）在單相靜態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)應(yīng)用中，建議開發(fā)與模擬系統(tǒng)配套的“胃動力”輔助消化裝置，用于模擬胃壁蠕動與收縮、以及胃壁蠕動和收縮的幅度及頻率，同時，通過調(diào)控胃動力輔助消化裝置來模擬胃內(nèi)食物的流體力學(xué)與流體剪切作用力，從而實現(xiàn)真實的胃腸消化行為[4]。

（2）在應(yīng)用半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)進(jìn)行食物消化行為研究時，接種健康人群胃腸微生物種群，并優(yōu)化接種時間、接種量等關(guān)鍵參數(shù)，將腸道微生物生態(tài)對消化行為的影響考慮進(jìn)來[5]。

（3）連續(xù)動態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)除可控制系統(tǒng)的溫度、pH、溶氧水平、營養(yǎng)組分及消化酶類別等關(guān)鍵參數(shù)外，還可以考察胃腸道微生物菌群，特別是前述的SHIME胃腸模擬系統(tǒng)。POSSEMIERS S等[26]利用SHIME五相連續(xù)模擬系統(tǒng)對胃腸理化條件進(jìn)行模擬，控制結(jié)腸部位pH并維持pH恒定以研究食物的消化行為，研究發(fā)現(xiàn)，SHIME系統(tǒng)在微生物數(shù)量、種群豐度及次級代謝產(chǎn)物功能發(fā)揮方面能夠更加穩(wěn)定且真實地模擬人胃腸道微生態(tài)環(huán)境。

人胃腸道模擬系統(tǒng)從最初的靜態(tài)短暫模擬到當(dāng)前的動態(tài)多相連續(xù)模擬，系統(tǒng)的真實性、仿真性和安全性越來越高。然而，面對人體胃腸模擬系統(tǒng)研究中諸多許多亟待解決的難點，筆者相信，加強(qiáng)體外人胃腸模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究將會在食物代謝動力學(xué)、食品中藥物殘留安全性評價、營養(yǎng)物質(zhì)生物利用率評估等方面發(fā)揮更大、更積極的貢獻(xiàn)。

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Application progress ofin vitrohuman gastrointestinal simulation system in food digestion behavior study

LI Yuzhen1,XIAO Huaiqiu1,3*,JIANG Mingjiao2,ZHAO Mouming3
(1.School of Pharmaceutical and Bioengineering,Hunan Vocational Technical College of Chemical and Industrial Technology,Zhuzhou 412000,China;2.Hunan Zonwe Pharmaceutical Co.,Ltd.,Zhuzhou 412000,China;3.College of Light Industry and Food Science, South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Human gastrointestinal tract plays an important role in food digestion and nutrition absorption,and there are ethical issues in the human gastrointestinal tract functional research filed.The establishment ofin vitrohuman gastrointestinal simulation system(ivHGSS)can solve the issue and promote the researches on gastrointestinal function and food digest behavior.The research status and research limitations of ivHGSS were summarized,some development suggestions for ivHGSS research filed were put forward,to promote the application of ivHGSS in food digestion.

human gastrointestinal simulation system;food digestion;artificial stimulation

R114

0254-5071（2017）07-0153-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.07.033

2017-03-07

湖南省教育廳科研項目（16C0550）；湖南省高?？蒲许椖浚?2C1049）；湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目（HNHY2015002）

李玉珍（1981-），女，講師，碩士，主要從事蛋白質(zhì)生物化學(xué)方面的教學(xué)與研究工作。

*通訊作者：肖懷秋（1981-），男，副教授，碩士，主要從事蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改性、酶解機(jī)理及活性多肽金屬配位螯合及功效活性等方面的研究工作。