宏量营养素体外消化模型的研究进展

马田田 张一凡 任雪 冯欢欢 徐彩红

摘要：体外消化模型基于人体胃肠生理过程，在体外条件下模拟体内消化吸收情况，用于预测或评价化合物的可消化性、释放特性及结构变化等研究。该模型具有简便易行的特点，因而在食品、药品以及保健品等行业中的应用越来越多。系统地介绍近年来蛋白质、脂类和碳水化合物三大宏量营养素体外消化模型的构建，以及影响其构建的重要因素，并总结该模型的优缺点和适用范围，为该领域的研究奠定基础。

关键词：体外消化模型；宏量营养素；研究进展

中图分类号：R151 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）06-0057-03

体外消化模型（In vitro digestion model，IDM）是以人体胃肠生理情况为依据，采用适宜条件，体外模拟人体胃肠环境，并通过检测目标物质的浓度变化，反映摄入物质的生物利用情况。近几年，IDM的研究越来越受到重视，这主要是因为体内试验有许多缺点，如耗资多、效率低、重复性差和可比性低等[1]，而IDM具有简单、快速、耗资少等优点，已被广泛用于研究、检测和评价食品、药品及保健品等，如用于研究食物消化的稳定性、肠道运输和代谢、预测食物中不同成分的生物利用率以及药品缓释等领域。但是，由于物质体内消化的复杂性，致使模型的建立存在一定的困难[2]，所以完善其模拟的准确度和提高其与体内情况的一致性问题一直是该方面研究的焦点。

本课题参阅大量的文献，以研究对象、酶的种类和体系复杂程度为分类标准，总结近年来关于蛋白质、脂类、碳水化合物三大宏量营养素的IDM，希望对IDM的建立、使用和改进有所帮助，同时也为其在相关领域的应用提供一定的支持。

1 蛋白质的体外消化模型

蛋白质是一类具有复杂化学结构的有机化合物，是人体必需的宏量营养素之一。国内外对蛋白质的IDM研究比较深入，主要是体外模拟蛋白质在体内的消化环境和过程，来测定其消化率，以此为指标评价蛋白质的利用情况。

1.1 蛋白质体外消化模型的依据

一般而言，食品蛋白质水解为氨基酸和小肽后被吸收利用，未消化的蛋白质不易被吸收。因为唾液不含水解蛋白的水解酶，所以体外模拟从胃开始，以小肠为主。由于食物在胃中停留时间短，蛋白质不能完全消化；未被消化的蛋白质在小肠中的胰液及肠粘膜细胞分泌的多种蛋白质酶（主要是胰蛋白酶）和肽酶的联合作用下，进一步水解为氨基酸。人胃液主要含盐酸、胃蛋白酶原、粘蛋白和内因子，激活后的胃蛋白酶是消化蛋白质的主要酶，其最适宜pH值为1.5～2.0。

1.2 蛋白质体外消化模型的评定指标

评价食物中蛋白质营养价值一般采用蛋白质消化率（Protein digestibility，PD）作为指标，该指标反映了蛋白质食物在消化道被分解和吸收的程度，计算时采用吸收的蛋白质占摄入蛋白质总量的百分比。研究发现食物PD受酶的种类及酶作用的顺序和过程等因素影响，并且复合酶体系更符合体内消化状况[3]。

1.3 蛋白质体外消化模型的研究方法

IDM中常采用蛋白酶来模拟人体食物蛋白质的水解消化过程，主要有胃蛋白酶消化法、胃蛋白酶和胰蛋白酶消化法、多步酶促消化法、胃和十二指肠消化法等。1） 胃蛋白酶消化法。直接选用胃蛋白酶作为水解蛋白酶，该法所用的酶比较单一，操作步骤简单，但是胃蛋白酶达不到将某蛋白质完全水解成氨基酸，因此该法测得的PD偏低。2） 胃蛋白酶和胰蛋白酶消化法。采用胃蛋白酶和胰蛋白酶作为水解蛋白酶，该法先在模拟胃酸性条件下，借助胃蛋白酶消化处理食物，而后用碱使酶钝化，再在中性条件下用胰蛋白酶模拟肠的消化，该法可将已消化的成分与未消化的成分分别测定，能够很好地反映食物蛋白质在不同消化阶段被消化的情况，测得的PD较高。3） 多步酶促消化法。一般采用胰蛋白酶、糜蛋白酶和肽酶的混合酶作为水解蛋白酶，由于混合酶的协同作用，能将蛋白质充分水解，因此该法测得的PD相对较高，缺点是操作相对复杂，混合酶中3种酶的不同比例也会造成PD的改变[4]。4） 胃和十二指肠促消化法。采用人消化产生的胃和十二指肠汁液为介质，直接测得PD率，该法测定的PD较高，但消化液的收集较难，而且蛋白酶的类别与活性受年龄差异、胃肠消化功能差异等因素的影响，导致试验的可重复性比较差，所以该法实际应用较少。比较而言，胃蛋白酶和胰蛋白酶消化法，所用酶质高易得，试验条件稳定，重现性好，操作较简单，因此较为实用。

2 脂类的体外消化模型

脂类是人体能量的重要来源，一般将脂肪和类脂总称为脂类。脂类是脂溶性维生素和人体一些重要生理活性物质的载体。目前，脂类IDM在食品中的研究和应用匮乏，很大程度上制约了脂类作为营养素运载体系的研究和应用。

2.1 脂类体外消化模型的依据

食物在口腔中已经开始消化脂肪，该过程主要由唾液分泌的脂肪酶进行，它可水解食物中膳食脂肪的一小部分。膳食脂肪在胃内的消化很有限，小肠才是脂肪消化的主要场所。该消化过程首先是胆囊分泌胆汁，胆汁开始乳化脂肪为甘油三酯和游离脂肪酸，再借助胰腺和小肠分泌的脂肪酶来水解单甘酯。磷脂的消化吸收与甘油三酯相似。

2.2 脂类体外消化模型的评定指标

脂类水解速率是评价脂类IDM的重要指标，是指脂类在有水条件下，在酸、盐的作用下水解为游离脂肪酸的速度。食物中存在多种形式的脂类，主要有活性脂质、结构脂肪、脂质乳液等。大多数脂肪在口腔、胃或小肠中由于受到机械力、表面活性剂和稳定剂的作用，而被分解为水包油乳化液。因此，饮食摄入的脂肪，其消化是以水包油型乳液进行的，这是脂质消化不同于其他物质的主要特点[5]。

2.3 脂肪体外消化模型的研究方法

脂肪在消化过程中受到多种因素的影响，如温度、介质pH值、胆汁盐浓度、Ca2+浓度、酶的种类及用量等。Anette Mullertz等人在建立脂类的IDM时采用胰脂酶作为水解酶，试验中用1 mol/L的NaOH调节介质pH值，温度37 ℃，消化溶液中加入胆汁盐和Ca2+溶液，研究发现，可通过控制胆汁盐和Ca2+浓度以及酯酶活性控制脂类水解率来构建一种可行的脂类IDM。目前，脂类IDM在食品方面的研究尚需完善，Hermida等人指出脂肪在胃肠消化后结构和行为少有关注，理论也不健全[6]。

3 碳水化合物的体外消化模型

碳水化合物（Carbohydrate，CD）是一类具有醛或酮多羟基化合物，是供应人体能量的主要物质，也是构成人体组织的重要材料。近年来，由于CD摄入量不当造成的疾病，如糖尿病等，引发了人们对CD消化和吸收的关注。饮食指标以碳水化合物与血糖生成指数（Glycemic index，GI）的特性关系为重要参考。食品的来源、加工方式差异等因素都会显著影响碳水化合物的血糖响应值，因此，WHO 建议有必要测定每种食物的GI值。但GI值的测定易受伦理、个体差异和技术等因素制约。因此，通过完善碳水化合物的IDM，进而评价其GI，已经成为近年来研究的重点[7]。

3.1 碳水化合物体外消化模型的依据

由于食物在口中停留时间短，CD仅有少部分被唾液淀粉酶消化。胃液不含能够水解CD的任何酶，胃酸对碳水化合物的水解作用很有限。CD消化分解的主要部位是小肠，其在小肠内的消化可分为肠腔和肠粘膜上皮细胞表面上的消化两种。在肠腔消化中，通过结肠发酵消化的非淀粉多糖只有非常小的一部分，肠腔中的a-淀粉酶主要来自胰液，即为胰淀粉酶；在口腔和肠腔淀粉消化的各种中间产物之后，最终在小肠粘膜上皮细胞表面上完成消化。

3.2 碳水化合物体外消化模型的评定指标

CD经消化后最终形成大量的葡萄糖，因此，葡萄糖量可作为CD在IDM中的重要指标。食物粉碎程度及方式、消化时间、水解酶种类等因素，均影响模型模拟的准确度。目前，构建CD的IDM常忽略粘度对CD消化速率的影响，主要考虑酶、食物成分、颗粒大小和pH值。

3.3 碳水化合物体外消化模型的研究方法

构建CD的IDM主要模拟人体口腔、胃部和肠部。口腔消化时间一般选5 min，pH值为7.0；胃部消化时间选2.0 h左右，pH值为2.0；肠部为CD消化的主场所，消化时间一般选4.0 h左右，pH值为5.0左右，并且根据模拟部位添加相应的酶。另外，根据研究目的和对象不同，如针对抗性淀粉和纤维素含量较高的食物，可适当模拟食物在大肠、回肠中的发酵过程。闵芳芳等人[8]采用CD的IDM研究多糖的吸收利用，结果表明，胃部对多糖的消化吸收利用无显著影响，但多糖的物理性质在一定程度上受pH值影响。目前，构建准确、简单、快速的IDM去模拟CD在体内的消化情况存在困难，还需不断完善。

4 结语

本课题参考大量文献，总结了食品中主要营养成分IDM的构建方法，发现构建IDM主要面临两个问题：一是在构建模型时，仍需进行大量的体内试验来验证其是否与体内的消化吸收情况一致，以便于提高其模拟准确度；二是在构建模型时，既要考虑其针对性，也要考虑其通用性，即模型中要针对不同的研究对象，做相应环节的调整，并且在此基础上可以尝试构建适用一般研究对象的IDM，来提高模型的通用性。

参考文献

[1] 刘选珍，乐国伟，施用晖.饲料蛋白体外消化率及影响因素的研究[J].四川农业大学学报，1996（14）：51-57.

[2] 余应新，张帆，李琛，等.体外条件下重现人体胃肠道及微生态系统的模拟装置：200910195443.X[P].2010-03-10.

[3] SUN JH，BEONG OL，DECKER EA，et al.In vitro human digestion models for food applications[J].Food Chem，2011，125（1）：1-12.

[4] 孙敏杰，木泰华.蛋白质消化率测定方法的研究进展[J].食品工业科技，2011（2）：382-385.

[5] SINGH H，YE A，HORNE D.Structuring food emulsions in the gastrointestinal tract to modify lipid digestion[J].Prog Lipid Res，2009，48（2）：92-100.

[6] HERMIDA LG，XAMANI S，BARNADAS RR.Combined strategies for liposome characterization during in vitro digestion[J].J Liposome Res，2009，19（3）：207-219.

[7] 王竹，杨月欣，刘静.建立碳水化合物体外消化标准操作程序的必要性[C]//中国营养学会营养与保健食品分会.第五届学术研讨会论文集.北京：中国营养学会营养与保健食品分会，2007.

[8] 闵芳芳，聂少平，万宇俊，等.青钱柳多糖在体外消化模型中的消化与吸收[J].食品科学，2013（21）：24-29.

Abstract： Based on human gastrointestinal physiological process， in vitro digestion model was used to the research of predicting or evaluating digestibility， releasing characteristic and the structure changes and so on by simulating the in vivo digestive absorption under in vitro condition. The model has the characteristics of simple and easy to operate， therefore it was more and more used in food， medicine， health care products and so on industries. This article systematically introduced the establishment of in vitro digestion model with proteins， lipid and carbohydrate， which are three macro nutrients， in recent years and the key factors affecting the model establishment， and summarized the advantages， disadvantages and applicable scope of this model， laying the foundation for further research in this field .

Key words： in vitro digestion model； macro nutrient； research progress