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体外消化系统及其应用介绍
Time:2017-08-08 17:24:59 点击数: 分享到:
体外消化系统(Simulated digestive system in vitro)是基于人体体内消化系统的仿生模拟而建立的体外消化模型,用于预测或评估化合物的可消化性、生物利用率、释放动力学特性及结构变化等研究。

体外消化系统 

体外消化系统(Simulated digestive system in vitro)是基于人体体内消化系统的仿生模拟而建立的体外消化模型,用于预测或评估化合物的可消化性、生物利用率、释放动力学特性及结构变化等研究。体外消化过程中,人工消化液主要由人工唾液(Simulated Salivary Fluid  SSF)、人工胃液(Simulated Gastric Fluid  SGF)和人工肠液(Simulated Intestinal Fluid  SIF)等消化液组成。体外消化系统可以完全或部分替代活体实验,具有降低成本和时间,提高实验重复性和准确性,人工可监控等优点。 

体外消化系统主要由四个组件构成,分别为咀嚼系统、仿生胃组件、小肠组件、大肠组件组成。咀嚼系统,可以根据不同膳食类型(如液体、固体、半固体等)模拟人体咀嚼,模拟真实人体口腔内消化过程。仿生胃,具有真实胃的形态和生理结构,可模拟胃液流动情况,模型采用液体硅橡胶制成,动态透明,通过添加人工胃液可重现胃内真实消化环境(模型无粘性,不溶于水,不与酸碱液起反应,可耐高低温)。小肠组件中,可通过添加消化液模拟小肠内消化过程。大肠组件,可添加人工肠道菌群后监测微生物的消化代谢过程,分析消化物的成分及变化情况,进而模拟人体肠道菌群的代谢情况。 

体外消化系统可应用到营养学、毒理学、生理学及微生物学等各领域以及食品、药品、保健品等各个行业。国内外对利用体外消化模型进行相关研究的认可度也越来越高。体外消化系统已被广泛应用于食品消化过程中物理化学变化,营养物质的生物利用率,肠道运输和代谢,脂质体等功能活性物质释放与代谢,益生菌和益生元代谢分析,药物缓释释放研究,重金属污染物、真菌毒素等有毒物质的代谢研究,动物营养及代谢特性分析等多个领域。

体外消化系统的应用

1. 碳水化合物的体外消化

碳水化合物是供应人体能量的主要物质。近年,由于碳水化合物摄入量不当造成如糖尿病等内分泌疾病,对碳水化合物消化与吸收、淀粉消化特性及血糖指数(Glycemic indexGI)等的研究是近年的一个热点研究。淀粉的结构特征,膳食的加工方式等因素会显著影响碳水化合物的血糖响应值。通过体外模拟碳水化合物类营养物质的消化,进而对其葡萄糖释放曲线及GI值的探究是近年的研究重点。

淀粉类碳水化合物根据人体内消化特点,分为快消化淀粉(rapidly digestible starchRDS),慢消化淀粉(slow digestible starchSDS)和抗性淀粉(resistant starch, RS)。RDS是指那些能在小肠中被迅速消化吸收的淀粉;SDS是能够在小肠中被完全消化吸收但速度较缓慢的淀粉,大多数为谷物淀粉。抗性淀粉和慢消化消费含量较高的食物具体较低的血糖指数(glycemic indexGI),对控制餐后血糖有重要意义。

影响食物中淀粉消化的因素很多,如食物中淀粉自身理化性质、食物中淀粉与其他组分相互作用。目前研究不同来源淀粉及不同优化制备的淀粉的消化性质是一个研究重点。针对不同种类淀粉的消化性能对比和评价可采用体外模拟消化的实验技术。通过体外消化模型可以预测淀粉类碳水化合物消化速度,可以有效预测餐后血糖反应。相比于动物实验和人体实验具有降低成本和时间,提高重复性和准确性,可以快速优化消化过程及分析过程等优点。

2蛋白质的体外消化

蛋白质是一类结构复杂的有机化合物,是人体所需三大营养物质之一。食品蛋白质消化后水解为氨基酸和肽类物质,蛋白质的消化主要在胃和小肠进行。人体消化蛋白质的酶主要是蛋白酶,食物经口腔的咀嚼、经咽、食道、进入胃、小肠中,在蛋白酶作用下开始消化。体外模型中的酶活及浓度、pH、反应时间、电解质组成及浓度都是影响蛋白质消化的重要因素。并且体外消化时,不同食物来源的蛋白质采用的酶活及浓度有所差异,需要的酶消化时间不同。研究表明模拟食物消化过程中食物的多种营养物质相互作用,彼此影响,模拟消化采用复合酶体系更能真实反映体内消化状况。

蛋白质体外消化模型一般选取蛋白质的消化率(Protein digestibilityPD)作为测定指标。消化率是动物从食物中所消化吸收的蛋白质占总摄入量的百分比,该指标反映了蛋白质食物在消化道被分解和吸收的程度,是评价食物营养价值的重要指标。蛋白质的消化率计算公式如下:蛋白质的消化率=(原样中的蛋白质含量-消化样中蛋白质含量)/原样中的蛋白质含量×100%

3脂类的体外消化

 脂类是人体能量的重要来源。食物中的脂类以多种形式存在,如活性脂质、结构脂肪、脂质乳液等。多数的脂肪在口腔、胃或小肠中收到机械应力或消化液,分解成水包油乳化液。饮食摄入的脂肪,消化以水包油乳状结构进行。与蛋白质、碳水化合物消化的不同是胆汁盐对脂质的消化有影响,适量的胆汁盐可以解析脂质颗粒表面吸附的成分,是酶吸附到胆汁盐界面,加快脂质的消化。脂肪的体外消化通常需要添加胆汁盐构成复合酶的混合体系。

脂质体(liposome)是脂类分子(类脂)的自组装体,具有一个或多个具有类似生物膜结构的脂类双分子层中间包覆微水相的结构,是一种被广泛研究的递送系统。脂质体在食品营养、药品、化妆品、农业等诸多领域已有广泛运用。脂质体的体外消化是近期的一个研究热点。如脂质体在不同人群胃肠道消化过程的结构完整性、释放动力学研究,功能活性物质的体外消化稳定性研究等。

4益生菌的体外消化

益生菌(Probiotics)是一类通过适量摄取而对宿主产生有益作用的活性微生物。益生菌发挥益生作用是通过人体上消化道,以一定数量活菌定植于大肠处,但是人胃部较低的酸性环境对益生菌的存活和转运具有巨大阻碍。益生菌微胶囊化技术作为一种有效的保护策略被广泛应用提高益生菌在人体消化系统的存活率。益生菌通过微胶囊化后,可减小外界不利环境因素的破坏,改善稳定性,延长货架期,解决益生菌不耐胃酸等难题。

目前研究人员可通过体外消化模型比较不同壁材对益生菌的包埋和保护效果。体外消化系统可模拟接近人体消化液的真实环境,从口腔组件,仿生胃组件,小肠组件,大肠组件,整体反应益生菌从口腔到大肠的代谢环境,从而对不同壁材对益生菌的保护效果进行系统研究。

5益生元的体外消化

2004Gibson给出益生元定义:益生元是一种可被选择性发酵且专一性地改变肠道中对宿主健康有益菌群的组成和活性的配料。益生元在通过消化道时,大部分不被人体消化,它可以增殖益生菌,并有益促进肠道菌群平衡。2011年国际益生菌与益生元研究会对益生元部分有新的描述:1)益生元具有抗胃酸、抗消化酶和不被肠道吸收的功能;2)能被肠道细菌发酵;3)能选择性的刺激肠道菌群的生长或活性。国际认可的益生元包括菊粉(Inulin)、低聚木糖(XOS)、低聚果糖(FOS)、低聚半乳糖(GOS)。

益生元有益于宿主健康的确切机制尚在研究进行中。肠道菌群对益生元的发酵并促进有益菌数量的增长是影响宿主的主要因素。通过肠道菌群对益生元的代谢产物分析及菌群的结构分析,可对益生元对肠道微生态的益生作用进行评估及研究。体外消化模型可通过添加人工肠道菌群模拟人体真实消化环境。体外消化系统可通过对不同种类益生元、富含益生元营养物质、或益生元复配益生元组合等的模拟消化,比较其消化产物对肠道菌群数量、菌群结构变化及代谢产物成分分析等研究不同益生元的益生效果。

6重金属、真菌毒素等污染物体外消化

膳食摄入时人体暴露于真菌毒素、重金属物质等污染物的主要途径。污染物在胃肠道环境内经消化作用从基质中释放出来,成为机体可吸收部分的过程即为生物可及性。生物可及性的数值是胃肠道内污染物释放量占原食品基质中污染物水平的百分比。研究表明不同食物组成、不同烹饪方式、不同外源物质添加等污染物的生物可及性均有所差异。

近年来,模拟食物中污染物如重金属、真菌毒素等,经口腔、胃和小肠消化过程的体外消化模型成为探究污染物生物可及性、肠转运和代谢的热点,已成为评估食品、土壤和玩具中真菌毒素、重金属、有机污染物风险的重要技术手段。体外消化模型是基于生理条件如消化液成分、pH值、两餐间隔时间、残留物滞留时间等模拟人类胃肠道消化过程的一种方式,可研究各种污染物在模拟人体内的代谢过程,是一种可重复测定食品中污染物和真菌毒素生物可及性的有用工具。传统的体外消化模型只是对污染物在胃、小肠消化器官进行环境和消化液模拟。更为接近人体真实情况的体外消化模型应增加人体肠道菌群,反应大肠部分及肠道微生物对消化物质的真实作用,可以完整的模拟污染物经口摄入后在人体胃肠道中的代谢情况。

研究表明体外模拟实验和细胞吸收实验有机耦合得到的结果与人体更加接近,数据更加科学可靠。近年来,细胞模型是研究食物重金属生物可及性提供新的研究方法。Caco-2细胞源自人结肠癌细胞,具有类似小肠吸收细胞的特征。Caco-2细胞早期研究应用于药物在小肠吸收的评价和转运机制的研究中,后研究发现Caco-2单细胞层的转运吸收量与人体口服吸收实验的结果表现良好的相关性,先被用于研究金属离子在小肠上的吸收和转运机制。利用Caco-2细胞模型耦合体外消化模型研究食物中重金属在人体的生物可及性,可得到真实客观的研究结果。

 

肠道微生物的构建也是体外消化模型进行污染物评价的一个有效手段。在人体胃肠道中,大肠中含有数量庞大的微生物菌群,每克大肠内含有约1011个微生物。许多有机污染物可以在微生物作用下代谢生成高生物富集性、高毒性的代谢产物。如果污染物的体外消化过程中增加大肠环境的模拟,体外人工构建肠道菌群,将会得到更加真实科学的污染物风险评估结果。

 


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