全自動模擬人體胃腸道消化酵解裝置創(chuàng)制

胡婕倫，嵇海華，張珊珊，聶啟興，謝明勇，聶少平

（南昌大學 食品科學與資源挖掘全國重點實驗室 南昌 330047）

1 全自動模擬人體胃腸道消化酵解裝置創(chuàng)制背景

慢性病已成為我國國民健康的最大威脅，最新數據顯示，我國各類慢性病人已超3 億，每年死于慢性病人數占總死亡人數的88.5%，慢性病引發(fā)的危險因素在人群中已呈井噴趨勢[1]。研究表明，慢性病的發(fā)展與膳食結構失衡緊密相關。全球疾病負擔研究顯示，不合理膳食是中國人疾病發(fā)生和死亡的最主要因素[2]?！吨袊用裆攀持改峡茖W研究報告（2021）》也指出，我國居民營養(yǎng)不足、膳食結構不平衡問題仍然突出[3]。因此，優(yōu)化膳食結構，挖掘食物營養(yǎng)功效，對提高國民營養(yǎng)健康水平具有重要意義。

食物在人體內發(fā)揮的營養(yǎng)功能很大程度上取決于其經人體消化酵解的過程及產物。人體的消化酵解過程極其復雜，主要包括口腔、胃、小腸和大腸不同消化過程。

1.1 口腔消化

口腔是第1 個接觸食物的消化過程，口腔功能是通過咀嚼將食物分解成小顆粒，并通過將顆粒與分泌的唾液混合來促進食物團的形成和酶的浸漬，這對整個消化過程至關重要。尤其，咀嚼和唾液在分解食物中發(fā)揮著重要作用。食物在吞咽前的咀嚼過程中通過物理力（機械切割、擠壓和研磨）分解成團狀（0.3～3 mm），咀嚼的持續(xù)時間（10～60 s）主要取決于食物的類型。口腔消化可進行食物的初步消化，在此過程中，物理的咀嚼力與唾液中的酶、蛋白和電解液等物質起到關鍵作用[4]。

1.2 胃消化

經過口腔消化后，胃部消化是通過胃酸、胃蛋白酶和胃脂肪酶等對食物進一步降解，形成半消化食糜。胃作為顆粒分解和選擇的最后階段，在促進消化、調節(jié)營養(yǎng)和控制食欲方面發(fā)揮著重要作用，健康的成年人通常平均每天每餐分泌0.7 L 胃液。隨著胃竇收縮波，食物會變成小顆粒（＜3 mm），并通過胃幽門輸送到小腸。

1.3 小腸消化

胃部消化后，食糜經過胃部排空到小腸，小腸作為人類最長的消化器官，具有水解和吸收大部分營養(yǎng)物質和微量營養(yǎng)物質的功能，主要包括十二指腸、空腸和回腸3 個部分。小腸消化主要是通過胰蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和膽汁等來對食物進行消化、吸收，其中，十二指腸分泌胰液和膽汁來中和胃酸以平衡pH 值，空腸和回腸擁有豐富的動脈供應和環(huán)狀褶皺，是吸收營養(yǎng)素的主要部位。尤其，在小腸前部，胰液（每天1.2～1.5 L）和膽汁（每天0.6～1.0 L）被分泌到十二指腸中，這可使得小腸保持水和電解質的平衡。同時，十二指腸可分泌碳酸氫鹽以中和胃酸，并為胰蛋白酶提供適當的pH 值（禁食狀態(tài)pH 值：5.4～6.5；進食狀態(tài)pH值：5.5～7.5），這些過程可進一步將碳水化合物、蛋白質和脂肪等分解成小分子。

1.4 大腸消化

小腸消化后，未被小腸消化吸收的食糜會進入大腸。大腸是最后一個消化部位，可發(fā)酵在小腸無法消化和吸收的食物成分，吸收水和電解質，再吸收膽汁酸以及形成和排泄糞便。這其中，結腸因與人類健康相關的微生物群和高代謝活性而被越來越多地認可，主要分為3 個部分：近端結腸、橫結腸和遠端結腸。結腸中的微生物能夠將未被小腸消化吸收的食糜發(fā)酵產生多種代謝物[5-8]，如短鏈脂肪酸。

然而，由于受人體體內研究道德倫理的限制，體外模擬人體胃腸道消化酵解成為食物營養(yǎng)功能研究的關鍵技術問題，因為這能最大限度地接近人體真實生理環(huán)境并系統(tǒng)評價食物的消化酵解過程。目前國內外針對胃腸道消化酵解過程的模擬及其裝置主要集中在胃部和小腸部，針對口腔和大腸部位的模擬較少，同時缺乏滲透吸收裝置，精準模擬吸收。因此，本團隊聚焦智能化模擬人體胃腸道消化酵解過程，自主發(fā)明了全自動模擬人體胃腸道消化酵解的裝置（授權10 余件國家專利），實現了從口腔到胃、小腸、大腸的全過程模擬，可對動物或臨床試驗結果進行系統(tǒng)驗證，助力挖掘食物營養(yǎng)功能與健康產品開發(fā)。

2 全自動模擬人體胃腸道消化酵解裝置創(chuàng)制

2.1 關鍵技術特點

1）本裝置將人體胃腸道消化酵解原理、全方位模擬與人工智能相結合，針對口腔到胃、小腸、大腸的人體胃腸道生理環(huán)境特點，確定動態(tài)模擬裝置構建的依據，自主設計完成消化/發(fā)酵罐、胃腸排空裝置、消化液分泌裝置、吸收裝置等核心模擬部件。

圖1 消化罐設計（a）、樣品收集裝置（b）和吸收滲透裝置（c）Fig.1 Digestive tank design（a），sample collection device（b）and absorption permeation device（c）

2）突破了口腔咀嚼、胃酸分泌、胃部蠕動、胃部排空、小腸蠕動、小腸吸收、小腸排空、膽汁分泌、腸液分泌、大腸蠕動等模擬過程的技術瓶頸，建立了胃腸道消化酵解吸收的核心模擬技術。例如，結合雙層夾空設計與智能控溫系統(tǒng)，使得消化罐中的消化模擬過程更貼近人體溫度，同時結合弧形與氣動排空設計，實現胃腸排空率99.7%，最大限度地實現零殘留和在固定消化部位的恒溫消化。

圖2 消化模擬消化罐設計與實物圖Fig.2 Design and physical image of digestion simulation digestion tank

3）構建了胃腸道任意部位的取樣、監(jiān)測、預警的AI 智能系統(tǒng)，實現在任何消化酵解時刻均能準確收集各個部位的消化、酵解、吸收產物，并能全自動低溫保藏所有消化、酵解、吸收產物。采用AI 智能化芯片和集控裝置完成全自動仿真模擬消化酵解吸收過程，突破智能化控制技術瓶頸。

圖3 全自動取樣、保藏、清洗、滅菌設計與實物圖Fig.3 Design and physical images of fully automatic sampling，preservation，cleaning，and sterilization

基于上述關鍵技術構建的全自動模擬人體胃腸道消化酵解裝置，實現了口腔－胃－小腸－大腸一體化的智能模擬，可完全智能化模擬人體胃腸道消化、酵解、吸收全過程。圖4 為全自動模擬人體胃腸道系統(tǒng)裝置實物圖，該裝置的創(chuàng)制入選2022年度中國食品科技十大進展（首屆）。

圖4 全自動模擬人體胃腸道系統(tǒng)裝置實物圖Fig.4 Device of fully automatic simulated human gastrointestinal system

2.2 解決的主要問題

采用該全自動模擬人體胃腸道消化酵解裝置，可主要解決以下問題：1）最大限度地模擬人體胃腸道生理環(huán)境并系統(tǒng)解析食物的消化酵解過程，全面分析食物營養(yǎng)組分在人體胃腸道消化酵解吸收途徑，并對動物/臨床試驗結果進行體外驗證。2）結合動物體內/臨床試驗形成不同食物營養(yǎng)組分消化酵解吸收途徑的體內、外評價體系，為不同食物營養(yǎng)組分消化酵解吸收提供研究模型，并對食物營養(yǎng)組分功能研究提供數據支持。3）分析不同食物營養(yǎng)組分在胃腸道中的相互作用及其健康效應，為不同食物營養(yǎng)組分間的互作機制研究提供模型，并為優(yōu)化膳食結構提供基礎數據支持。4）解析不同配方下的食品在胃腸道消化酵解吸收過程中的變化、其產生的代謝產物及其相關效應，并系統(tǒng)評價不同食品在胃腸道消化酵解吸收過程中的健康效應，助力系列健康產品的開發(fā)。

3 實際應用

1）基于構建的全自動模擬人體胃腸道消化酵解裝置，建立了不同營養(yǎng)組分（如食源性多糖、蛋白等）的消化酵解吸收途徑研究體系，系統(tǒng)研究了不同食源性多糖、蛋白在人體胃腸道消化酵解吸收途徑及在胃腸道中發(fā)揮的效應，發(fā)現了不同食源性多糖、蛋白等體內消化酵解與代謝途徑規(guī)律，成功助力開發(fā)出富含多糖、蛋白等的健康產品。例如，解析了車前子阿拉伯木聚糖胃腸道消化酵解途徑及對胃腸消化酶的影響，研究發(fā)現，車前子阿拉伯木聚糖由于胃酸的作用會有少量降解，并能顯著促進腸道菌群中雙歧桿菌、擬桿菌等的增加，同時產生大量乙酸和丁酸；車前子阿拉伯木聚糖由于其黏度的作用，能抑制胃腸消化過程中的淀粉酶的水解能力，并能對淀粉消化速率具有抑制作用。這些結果的發(fā)現可為車前子阿拉伯木聚糖在人體胃腸道消化酵解變化及在胃腸道中發(fā)揮的效應提供數據支持[9-10]。

2）建立了不同食品（如嬰幼兒配方奶粉、控糖粥、雜糧粥等）消化、酵解與吸收評價體系，發(fā)掘了不同食品中營養(yǎng)成分的胃腸道消化酵解吸收方式，解析了不同營養(yǎng)成分在胃腸道中的相互作用及其健康效應，實現了系列食品最優(yōu)配方的構建并成功推向市場。例如，以開發(fā)的一款含部分水解蛋白的嬰幼兒配方奶粉（EF）作為對象，比較其與標準嬰幼兒配方奶粉（SF）和母乳（BM）的體外消化吸收特性，并根據總氨基酸模式和消化后氨基酸模式分別計算氨基酸得分和可消化氨基酸得分，以評價蛋白質質量。結果表明，兩種配方奶粉的蛋白質含量高于母乳，氨基酸組成與母乳接近，EF、SF 和BM 的蛋白質體外消化率分別為（33.50±0.39）%、（33.07±0.83）%和（38.49±0.51）%，其中EF的蛋白質吸收率可達BM 水平的78%?？上匦璋被岬梅纸Y果表明，EF 的限制氨基酸為蘇氨酸和組氨酸，而其它氨基酸得分均在75 分以上，可認為其蛋白質質量良好。這些結果的發(fā)現可為含部分水解蛋白的嬰幼兒配方奶粉的消化吸收性能提供數據支撐[11]。

3）全面解析了“食藥同源”食材（如猴頭菇、燕麥、茯苓等）中的活性組分在胃腸道消化酵解吸收過程中的變化，其產生的代謝產物及其作用機制，闡明了不同“食藥同源”食材在胃腸道中發(fā)揮的健康效應，完成了改善胃腸道功能系列健康新產品研發(fā)并實現產業(yè)化[12-16]。例如，基于解析猴頭菇、燕麥等10 余種食材多糖組分在胃腸道消化酵解吸收過程中的變化及其發(fā)揮的促進胃排空、減緩降低胃部pH 等健康效應，完成米稀、餅干等形式的“養(yǎng)胃”健康新產品產業(yè)化。

4 展望

聚焦“人體胃腸道消化酵解智能化模擬”，本創(chuàng)制成果針對口腔、胃、小腸、大腸的人體胃腸道生理環(huán)境特點，創(chuàng)制了全自動模擬人體胃腸道消化酵解裝置，實現了口腔-胃-小腸-大腸的全自動仿真模擬。未來可進一步形成針對不同人群特點、不同食物特性的系列胃腸道消化酵解模擬裝置。推廣和擴大該裝置的應用范疇，促進減少或替代傳統(tǒng)方法上的采用動物實驗進行食物/營養(yǎng)組分/產品胃腸道消化酵解途徑及健康效應的研究，積極響應國家對于實驗動物“減少、替代、優(yōu)化”的原則要求?；谠撃M裝置加大對不同食物營養(yǎng)組分在機體內發(fā)揮的健康效應研究及安全性評價，為開發(fā)系列營養(yǎng)健康食品提供技術支持，助力“健康中國2030”國家戰(zhàn)略。