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體外消化系統及其應用介紹
Time: 2020/4/8 0:00:00 點擊數: 分享到:
體外消化系統(Simulated digestive system in vitro)是基于人體體內消化系統的仿生模擬而建立的體外消化模型,用于預測或評估化合物的可消化性、生物利用率、釋放動力學特性及結構變化等研究。

體外消化系統 

體外消化系統(Simulated digestive system in vitro)是基于人體體內消化系統的仿生模擬而建立的體外消化模型,用于預測或評估化合物的可消化性、生物利用率、釋放動力學特性及結構變化等研究。體外消化過程中,人工消化液主要由人工唾液(Simulated Salivary Fluid  SSF)、人工胃液(Simulated Gastric Fluid  SGF)和人工腸液(Simulated Intestinal Fluid  SIF)等消化液組成。體外消化系統可以完全或部分替代活體實驗,具有降低成本和時間,提高實驗重復性和準確性,人工可監控等優點。 

體外消化系統主要由四個組件構成,分別為咀嚼系統、仿生胃組件、小腸組件、大腸組件組成。咀嚼系統,可以根據不同膳食類型(如液體、固體、半固體等)模擬人體咀嚼,模擬真實人體口腔內消化過程。仿生胃,具有真實胃的形態和生理結構,可模擬胃液流動情況,模型采用液體硅橡膠制成,動態透明,通過添加人工胃液可重現胃內真實消化環境(模型無粘性,不溶于水,不與酸堿液起反應,可耐高低溫)。小腸組件中,可通過添加消化液模擬小腸內消化過程。大腸組件,可添加人工腸道菌群后監測微生物的消化代謝過程,分析消化物的成分及變化情況,進而模擬人體腸道菌群的代謝情況。 

體外消化系統可應用到營養學、毒理學、生理學及微生物學等各領域以及食品、藥品、保健品等各個行業。國內外對利用體外消化模型進行相關研究的認可度也越來越高。體外消化系統已被廣泛應用于食品消化過程中物理化學變化,營養物質的生物利用率,腸道運輸和代謝,脂質體等功能活性物質釋放與代謝,益生菌和益生元代謝分析,藥物緩釋釋放研究,重金屬污染物、真菌毒素等有毒物質的代謝研究,動物營養及代謝特性分析等多個領域。

體外消化系統的應用

1. 碳水化合物的體外消化

碳水化合物是供應人體能量的主要物質。近年,由于碳水化合物攝入量不當造成如糖尿病等內分泌疾病,對碳水化合物消化與吸收、淀粉消化特性及血糖指數(Glycemic index,GI)等的研究是近年的一個熱點研究。淀粉的結構特征,膳食的加工方式等因素會顯著影響碳水化合物的血糖響應值。通過體外模擬碳水化合物類營養物質的消化,進而對其葡萄糖釋放曲線及GI值的探究是近年的研究重點。

淀粉類碳水化合物根據人體內消化特點,分為快消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS),慢消化淀粉(slow digestible starch,SDS)和抗性淀粉(resistant starch, RS)。RDS是指那些能在小腸中被迅速消化吸收的淀粉;SDS是能夠在小腸中被完全消化吸收但速度較緩慢的淀粉,大多數為谷物淀粉??剐缘矸酆吐M含量較高的食物具體較低的血糖指數(glycemic index,GI),對控制餐后血糖有重要意義。

影響食物中淀粉消化的因素很多,如食物中淀粉自身理化性質、食物中淀粉與其他組分相互作用。目前研究不同來源淀粉及不同優化制備的淀粉的消化性質是一個研究重點。針對不同種類淀粉的消化性能對比和評價可采用體外模擬消化的實驗技術。通過體外消化模型可以預測淀粉類碳水化合物消化速度,可以有效預測餐后血糖反應。相比于動物實驗和人體實驗具有降低成本和時間,提高重復性和準確性,可以快速優化消化過程及分析過程等優點。

2蛋白質的體外消化

蛋白質是一類結構復雜的有機化合物,是人體所需三大營養物質之一。食品蛋白質消化后水解為氨基酸和肽類物質,蛋白質的消化主要在胃和小腸進行。人體消化蛋白質的酶主要是蛋白酶,食物經口腔的咀嚼、經咽、食道、進入胃、小腸中,在蛋白酶作用下開始消化。體外模型中的酶活及濃度、pH、反應時間、電解質組成及濃度都是影響蛋白質消化的重要因素。并且體外消化時,不同食物來源的蛋白質采用的酶活及濃度有所差異,需要的酶消化時間不同。研究表明模擬食物消化過程中食物的多種營養物質相互作用,彼此影響,模擬消化采用復合酶體系更能真實反映體內消化狀況。

蛋白質體外消化模型一般選取蛋白質的消化率(Protein digestibility,PD)作為測定指標。消化率是動物從食物中所消化吸收的蛋白質占總攝入量的百分比,該指標反映了蛋白質食物在消化道被分解和吸收的程度,是評價食物營養價值的重要指標。蛋白質的消化率計算公式如下:蛋白質的消化率=(原樣中的蛋白質含量-消化樣中蛋白質含量)/原樣中的蛋白質含量×100%。

3脂類的體外消化

 脂類是人體能量的重要來源。食物中的脂類以多種形式存在,如活性脂質、結構脂肪、脂質乳液等。多數的脂肪在口腔、胃或小腸中收到機械應力或消化液,分解成水包油乳化液。飲食攝入的脂肪,消化以水包油乳狀結構進行。與蛋白質、碳水化合物消化的不同是膽汁鹽對脂質的消化有影響,適量的膽汁鹽可以解析脂質顆粒表面吸附的成分,是酶吸附到膽汁鹽界面,加快脂質的消化。脂肪的體外消化通常需要添加膽汁鹽構成復合酶的混合體系。

脂質體(liposome)是脂類分子(類脂)的自組裝體,具有一個或多個具有類似生物膜結構的脂類雙分子層中間包覆微水相的結構,是一種被廣泛研究的遞送系統。脂質體在食品營養、藥品、化妝品、農業等諸多領域已有廣泛運用。脂質體的體外消化是近期的一個研究熱點。如脂質體在不同人群胃腸道消化過程的結構完整性、釋放動力學研究,功能活性物質的體外消化穩定性研究等。

4益生菌的體外消化

益生菌(Probiotics)是一類通過適量攝取而對宿主產生有益作用的活性微生物。益生菌發揮益生作用是通過人體上消化道,以一定數量活菌定植于大腸處,但是人胃部較低的酸性環境對益生菌的存活和轉運具有巨大阻礙。益生菌微膠囊化技術作為一種有效的保護策略被廣泛應用提高益生菌在人體消化系統的存活率。益生菌通過微膠囊化后,可減小外界不利環境因素的破壞,改善穩定性,延長貨架期,解決益生菌不耐胃酸等難題。

目前研究人員可通過體外消化模型比較不同壁材對益生菌的包埋和保護效果。體外消化系統可模擬接近人體消化液的真實環境,從口腔組件,仿生胃組件,小腸組件,大腸組件,整體反應益生菌從口腔到大腸的代謝環境,從而對不同壁材對益生菌的保護效果進行系統研究。

5益生元的體外消化

2004Gibson給出益生元定義:益生元是一種可被選擇性發酵且專一性地改變腸道中對宿主健康有益菌群的組成和活性的配料。益生元在通過消化道時,大部分不被人體消化,它可以增殖益生菌,并有益促進腸道菌群平衡。2011年國際益生菌與益生元研究會對益生元部分有新的描述:1)益生元具有抗胃酸、抗消化酶和不被腸道吸收的功能;2)能被腸道細菌發酵;3)能選擇性的刺激腸道菌群的生長或活性。國際認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確切機制尚在研究進行中。腸道菌群對益生元的發酵并促進有益菌數量的增長是影響宿主的主要因素。通過腸道菌群對益生元的代謝產物分析及菌群的結構分析,可對益生元對腸道微生態的益生作用進行評估及研究。體外消化模型可通過添加人工腸道菌群模擬人體真實消化環境。體外消化系統可通過對不同種類益生元、富含益生元營養物質、或益生元復配益生元組合等的模擬消化,比較其消化產物對腸道菌群數量、菌群結構變化及代謝產物成分分析等研究不同益生元的益生效果。

6重金屬、真菌毒素等污染物體外消化

膳食攝入時人體暴露于真菌毒素、重金屬物質等污染物的主要途徑。污染物在胃腸道環境內經消化作用從基質中釋放出來,成為機體可吸收部分的過程即為生物可及性。生物可及性的數值是胃腸道內污染物釋放量占原食品基質中污染物水平的百分比。研究表明不同食物組成、不同烹飪方式、不同外源物質添加等污染物的生物可及性均有所差異。

近年來,模擬食物中污染物如重金屬、真菌毒素等,經口腔、胃和小腸消化過程的體外消化模型成為探究污染物生物可及性、腸轉運和代謝的熱點,已成為評估食品、土壤和玩具中真菌毒素、重金屬、有機污染物風險的重要技術手段。體外消化模型是基于生理條件如消化液成分、pH值、兩餐間隔時間、殘留物滯留時間等模擬人類胃腸道消化過程的一種方式,可研究各種污染物在模擬人體內的代謝過程,是一種可重復測定食品中污染物和真菌毒素生物可及性的有用工具。傳統的體外消化模型只是對污染物在胃、小腸消化器官進行環境和消化液模擬。更為接近人體真實情況的體外消化模型應增加人體腸道菌群,反應大腸部分及腸道微生物對消化物質的真實作用,可以完整的模擬污染物經口攝入后在人體胃腸道中的代謝情況。

研究表明體外模擬實驗和細胞吸收實驗有機耦合得到的結果與人體更加接近,數據更加科學可靠。近年來,細胞模型是研究食物重金屬生物可及性提供新的研究方法。Caco-2細胞源自人結腸癌細胞,具有類似小腸吸收細胞的特征。Caco-2細胞早期研究應用于藥物在小腸吸收的評價和轉運機制的研究中,后研究發現Caco-2單細胞層的轉運吸收量與人體口服吸收實驗的結果表現良好的相關性,先被用于研究金屬離子在小腸上的吸收和轉運機制。利用Caco-2細胞模型耦合體外消化模型研究食物中重金屬在人體的生物可及性,可得到真實客觀的研究結果。

 

腸道微生物的構建也是體外消化模型進行污染物評價的一個有效手段。在人體胃腸道中,大腸中含有數量龐大的微生物菌群,每克大腸內含有約1011個微生物。許多有機污染物可以在微生物作用下代謝生成高生物富集性、高毒性的代謝產物。如果污染物的體外消化過程中增加大腸環境的模擬,體外人工構建腸道菌群,將會得到更加真實科學的污染物風險評估結果。

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