胡婕倫，嵇海華，張珊珊，聶啟興，謝明勇，聶少平

（南昌大學(xué) 食品科學(xué)與資源挖掘全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南昌 330047）

1 全自動(dòng)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(guó)國(guó)民健康的最大威脅，最新數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)各類慢性病人已超3 億，每年死于慢性病人數(shù)占總死亡人數(shù)的88.5%，慢性病引發(fā)的危險(xiǎn)因素在人群中已呈井噴趨勢(shì)[1]。研究表明，慢性病的發(fā)展與膳食結(jié)構(gòu)失衡緊密相關(guān)。全球疾病負(fù)擔(dān)研究顯示，不合理膳食是中國(guó)人疾病發(fā)生和死亡的最主要因素[2]?！吨袊?guó)居民膳食指南科學(xué)研究報(bào)告（2021）》也指出，我國(guó)居民營(yíng)養(yǎng)不足、膳食結(jié)構(gòu)不平衡問題仍然突出[3]。因此，優(yōu)化膳食結(jié)構(gòu)，挖掘食物營(yíng)養(yǎng)功效，對(duì)提高國(guó)民營(yíng)養(yǎng)健康水平具有重要意義。

食物在人體內(nèi)發(fā)揮的營(yíng)養(yǎng)功能很大程度上取決于其經(jīng)人體消化酵解的過程及產(chǎn)物。人體的消化酵解過程極其復(fù)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(gè)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(jìn)食物團(tuán)的形成和酶的浸漬，這對(duì)整個(gè)消化過程至關(guān)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(jī)械切割、擠壓和研磨）分解成團(tuán)狀（0.3～3 mm），咀嚼的持續(xù)時(shí)間（10～60 s）主要取決于食物的類型。口腔消化可進(jìn)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(zhì)起到關(guān)鍵作用[4]。

1.2 胃消化

經(jīng)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(duì)食物進(jìn)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(jìn)消化、調(diào)節(jié)營(yíng)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(huì)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(jīng)過胃部排空到小腸，小腸作為人類最長(zhǎng)的消化器官，具有水解和吸收大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的功能，主要包括十二指腸、空腸和回腸3 個(gè)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(duì)食物進(jìn)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(dòng)脈供應(yīng)和環(huán)狀褶皺，是吸收營(yíng)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(zhì)的平衡。同時(shí)，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(dāng)?shù)膒H 值（禁食狀態(tài)pH 值：5.4～6.5；進(jìn)食狀態(tài)pH值：5.5～7.5），這些過程可進(jìn)一步將碳水化合物、蛋白質(zhì)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(huì)進(jìn)入大腸。大腸是最后一個(gè)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(zhì)，再吸收膽汁酸以及形成和排泄糞便。這其中，結(jié)腸因與人類健康相關(guān)的微生物群和高代謝活性而被越來越多地認(rèn)可，主要分為3 個(gè)部分：近端結(jié)腸、橫結(jié)腸和遠(yuǎn)端結(jié)腸。結(jié)腸中的微生物能夠?qū)⑽幢恍∧c消化吸收的食糜發(fā)酵產(chǎn)生多種代謝物[5-8]，如短鏈脂肪酸。

然而，由于受人體體內(nèi)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(yíng)養(yǎng)功能研究的關(guān)鍵技術(shù)問題，因?yàn)檫@能最大限度地接近人體真實(shí)生理環(huán)境并系統(tǒng)評(píng)價(jià)食物的消化酵解過程。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)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(duì)口腔和大腸部位的模擬較少，同時(shí)缺乏滲透吸收裝置，精準(zhǔn)模擬吸收。因此，本團(tuán)隊(duì)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(dòng)模擬人體胃腸道消化酵解的裝置（授權(quán)10 余件國(guó)家專利），實(shí)現(xiàn)了從口腔到胃、小腸、大腸的全過程模擬，可對(duì)動(dòng)物或臨床試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，助力挖掘食物營(yíng)養(yǎng)功能與健康產(chǎn)品開發(fā)。

2 全自動(dòng)模擬人體胃腸道消化酵解裝置創(chuàng)制

2.1 關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)

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(jié)合，針對(duì)口腔到胃、小腸、大腸的人體胃腸道生理環(huán)境特點(diǎn)，確定動(dòng)態(tài)模擬裝置構(gòu)建的依據(jù)，自主設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)（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(dòng)、胃部排空、小腸蠕動(dòng)、小腸吸收、小腸排空、膽汁分泌、腸液分泌、大腸蠕動(dòng)等模擬過程的技術(shù)瓶頸，建立了胃腸道消化酵解吸收的核心模擬技術(shù)。例如，結(jié)合雙層夾空設(shè)計(jì)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(shí)結(jié)合弧形與氣動(dòng)排空設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)胃腸排空率99.7%，最大限度地實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)與實(shí)物圖Fig.2 Design and physical image of digestion simulation digestion tank

3）構(gòu)建了胃腸道任意部位的取樣、監(jiān)測(cè)、預(yù)警的AI 智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在任何消化酵解時(shí)刻均能準(zhǔn)確收集各個(gè)部位的消化、酵解、吸收產(chǎn)物，并能全自動(dòng)低溫保藏所有消化、酵解、吸收產(chǎn)物。采用AI 智能化芯片和集控裝置完成全自動(dòng)仿真模擬消化酵解吸收過程，突破智能化控制技術(shù)瓶頸。

圖3 全自動(dòng)取樣、保藏、清洗、滅菌設(shè)計(jì)與實(shí)物圖Fig.3 Design and physical images of fully automatic sampling，preservation，cleaning，and sterilization

基于上述關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建的全自動(dòng)模擬人體胃腸道消化酵解裝置，實(shí)現(xiàn)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(dòng)模擬人體胃腸道系統(tǒng)裝置實(shí)物圖，該裝置的創(chuàng)制入選2022年度中國(guó)食品科技十大進(jìn)展（首屆）。

圖4 全自動(dòng)模擬人體胃腸道系統(tǒng)裝置實(shí)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(dòng)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(yíng)養(yǎng)組分在人體胃腸道消化酵解吸收途徑，并對(duì)動(dòng)物/臨床試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行體外驗(yàn)證。2）結(jié)合動(dòng)物體內(nèi)/臨床試驗(yàn)形成不同食物營(yíng)養(yǎng)組分消化酵解吸收途徑的體內(nèi)、外評(píng)價(jià)體系，為不同食物營(yíng)養(yǎng)組分消化酵解吸收提供研究模型，并對(duì)食物營(yíng)養(yǎng)組分功能研究提供數(shù)據(jù)支持。3）分析不同食物營(yíng)養(yǎng)組分在胃腸道中的相互作用及其健康效應(yīng)，為不同食物營(yíng)養(yǎng)組分間的互作機(jī)制研究提供模型，并為優(yōu)化膳食結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(chǎn)生的代謝產(chǎn)物及其相關(guān)效應(yīng)，并系統(tǒng)評(píng)價(jià)不同食品在胃腸道消化酵解吸收過程中的健康效應(yīng)，助力系列健康產(chǎn)品的開發(fā)。

3 實(shí)際應(yīng)用

1）基于構(gòu)建的全自動(dòng)模擬人體胃腸道消化酵解裝置，建立了不同營(yíng)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(yīng)，發(fā)現(xiàn)了不同食源性多糖、蛋白等體內(nèi)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(chǎn)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(duì)胃腸消化酶的影響，研究發(fā)現(xiàn)，車前子阿拉伯木聚糖由于胃酸的作用會(huì)有少量降解，并能顯著促進(jìn)腸道菌群中雙歧桿菌、擬桿菌等的增加，同時(shí)產(chǎn)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(duì)淀粉消化速率具有抑制作用。這些結(jié)果的發(fā)現(xiàn)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(yīng)提供數(shù)據(jù)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(píng)價(jià)體系，發(fā)掘了不同食品中營(yíng)養(yǎng)成分的胃腸道消化酵解吸收方式，解析了不同營(yíng)養(yǎng)成分在胃腸道中的相互作用及其健康效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了系列食品最優(yōu)配方的構(gòu)建并成功推向市場(chǎng)。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(duì)象，比較其與標(biāo)準(zhǔn)嬰幼兒配方奶粉（SF）和母乳（BM）的體外消化吸收特性，并根據(jù)總氨基酸模式和消化后氨基酸模式分別計(jì)算氨基酸得分和可消化氨基酸得分，以評(píng)價(jià)蛋白質(zhì)質(zhì)量。結(jié)果表明，兩種配方奶粉的蛋白質(zhì)含量高于母乳，氨基酸組成與母乳接近，EF、SF 和BM 的蛋白質(zhì)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(zhì)吸收率可達(dá)BM 水平的78%。可消化必需氨基酸得分結(jié)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(rèn)為其蛋白質(zhì)質(zhì)量良好。這些結(jié)果的發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(chǎn)生的代謝產(chǎn)物及其作用機(jī)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(yīng)，完成了改善胃腸道功能系列健康新產(chǎn)品研發(fā)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)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(jìn)胃排空、減緩降低胃部pH 等健康效應(yīng)，完成米稀、餅干等形式的“養(yǎng)胃”健康新產(chǎn)品產(chǎn)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(duì)口腔、胃、小腸、大腸的人體胃腸道生理環(huán)境特點(diǎn)，創(chuàng)制了全自動(dòng)模擬人體胃腸道消化酵解裝置，實(shí)現(xiàn)了口腔-胃-小腸-大腸的全自動(dòng)仿真模擬。未來可進(jìn)一步形成針對(duì)不同人群特點(diǎn)、不同食物特性的系列胃腸道消化酵解模擬裝置。推廣和擴(kuò)大該裝置的應(yīng)用范疇，促進(jìn)減少或替代傳統(tǒng)方法上的采用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行食物/營(yíng)養(yǎng)組分/產(chǎn)品胃腸道消化酵解途徑及健康效應(yīng)的研究，積極響應(yīng)國(guó)家對(duì)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物“減少、替代、優(yōu)化”的原則要求?；谠撃M裝置加大對(duì)不同食物營(yíng)養(yǎng)組分在機(jī)體內(nèi)發(fā)揮的健康效應(yīng)研究及安全性評(píng)價(jià)，為開發(fā)系列營(yíng)養(yǎng)健康食品提供技術(shù)支持，助力“健康中國(guó)2030”國(guó)家戰(zhàn)略。