一种可连续化进行的胃肠仿生消化装置的设计＊

李玉珍 ， 肖怀秋 ， 兰立新 ， 姜明姣 ， 刘 军 ， 周 全

（1.湖南化工职业技术学院制药与生物工程学院，湖南 株洲 412000；2.湖南中威制药有限公司，湖南 株洲 412000）

研究食品营养基质（或生物活性物质）或药物的胃肠道消化行为对了解其消化代谢具有重要意义，然而利用人体胃肠道进行消化行为或药代动力学分析常存在伦理问题[1]。动物消化模型实验结果虽更贴近生理，但耗时长，试验成本高，且动物存在个体差异，试验结果重复性差。体外胃肠仿生消化系统可有效解决上述问题[2]。目前，体外模拟消化方法主要采取模拟胃消化和模拟胃—小肠消化，前者是用胃蛋白酶模拟蛋白质成分在胃内的消化情况，因缺乏小肠阶段模拟，结果评价失真；后者是用胃蛋白酶和胰酶（或小肠胰液）分别模拟食物在胃及肠道中的消化吸收过程，与人体内消化过程相似，可广泛用于食品营养基质代谢与药物代谢的研究[3-5]。目前，胃肠仿生消化主要分阶段研究，无法实现连续化的胃仿生模拟消化和肠仿生模拟消化，而且仿生消化过程温度、pH值、搅拌等实时消化参数的监测也较难实现，仿生消化过程取样也极为不便[6-7]，设计一套可连续进行胃肠仿生消化的装置具有重要的现实意义。

1 设计思路

胃肠仿生模拟消化装置包括消化桶及消化控制系统2个部分。消化桶内部均设置有中间腔体结构并配备搅拌装置，分为胃仿生消化桶（一号桶）和肠仿生模拟桶（二号桶），中间腔体外围均设置有加热仓。消化桶顶端上面和底端面上均设置与中间腔体连通的进料口与出料口，消化桶间通过输送管道相连。消化桶前端外表面均设置有玻璃观察窗、取样装置、酸液存储槽和碱液存储槽。消化桶内部分别设置有pH传感器、加热管及温度传感器，二号消化桶右侧配备配电箱，配电箱前端外表面嵌有控制面板（内含单片机），用于接收pH传感器和温度传感器传输信号并控制搅拌机构作业。

2 胃肠仿生消化装置结构图及结构说明

2.1 胃肠仿生消化装置结构正面剖视图及结构说明

胃肠仿生消化装置结构正面剖视图如图1所示。该胃肠仿生模拟消化装置包括中间为腔体结构的一号消化桶1和二号消化桶3，分别用于胃仿生模拟消化和肠仿生模拟消化，且均设置有加热仓2及外部保温套20，胃肠仿生消化桶结构相同。一号消化桶顶端面上设置有与桶内部腔体相连通的进料口10，底端面上设置有与消化桶内部腔体相连的出料口27，二号消化桶同样设置有进料口28和出料口29。出料口27与进料口28之间通过输送管道24相连通，输送管道中部设置有输送泵25。进料口10右侧设有伺服电机4，伺服电机底端设有搅拌轴5，伺服电机通过联轴器连接有减速器30，搅拌轴两侧皆焊接有叶片6，伺服电机底端通过联轴器与搅拌轴连接，使伺服电机转动带动搅拌轴进行转动，进而带动叶片进行搅拌。一号消化桶前端外表面设有玻璃观察窗13，其上设有酸液存储槽7与碱液存储槽14，酸液存储槽7底端设有下料口16，下料口上表面设有活动板15，酸液存储槽7内侧通过转轴连接有调节转盘9，调节转盘底端与活动板齿合，通过将调节转盘底端与活动板顶端齿合连接能够使调节转盘转动并带动活动板移动，通过活动板移动能使下料口16露出，从而使酸液存储槽7内液体流出，碱液存储槽结构相同。玻璃观察窗13下方设有取样装置8，取样装置紧邻设置在消化桶中间腔体结构底壁的上方，以便取样监测内部仿生消化情况。一号消化桶1的右侧固定有配电箱11。二号消化桶出料口29上设置有二号电动开关阀26，用于控制二号消化桶出料口29通断，二号电动开关阀26的受控端连接于单片机21的输出端。出料口27上设置有用于控制出料口27通断的一号电动开关阀31，一号电动开关阀的受控端连接于单片机21的输出端。一号消化桶的局部剖视图如图2所示。酸（碱）液存储槽局部俯视剖面图如图3所示。

图1 胃肠仿生消化装置结构正面剖视图

图2 一号消化桶的局部剖视图

图3 酸（碱）液存储槽的局部俯视剖面图

2.2 取样装置的正视图与剖视图及结构说明

图4 取样装置的正视图与剖视图结构

取样装置正视图与剖视图如图4所示。取样装置8包括套仓81、套筒82、密封塞83、弹簧84，套仓81、密封塞83、弹簧84皆设置于套筒82内侧，且弹簧84设置于密封塞83的左端，套仓81设置于密封塞83的右端，通过将套仓81翻转，能够使一号消化桶1内部液体流入套仓81内，通过取出套仓81即可获得样本，且套仓81抽出后，利用弹簧84形变产生弹力施加于密封塞83，能够将密封塞83向前顶动将套筒82的出口堵住。

2.3 胃肠仿生消化装置电路框图及结构说明

本设计电路框图如图5所示。配电箱11的内侧固定有单片机21，单片机左侧固定有温度控制器22，温度控制器下方固定有计时器23，控制面板12的输出端通过导线分别与温度传感器18、pH传感器19、单片机21电连接，温度传感器与pH传感器的输出端均通过导线与单片机21电极连接，单片机输出端通过导线分别与温度控制器22和计时器23电连接，通过将单片机21与温度控制器22电连接，能够使单片机21可以控制温度控制器22工作，温度控制器22起到控制加热管17输电开关的作用，计时器23的型号为D016-100M，计时器23起到计时的作用。配电箱11前端外表面设有控制面板12，加热仓2内侧设有加热管17与温度传感器18，温度传感器18设置于加热管17两侧，一号消化桶1内侧固定有pH传感器19，控制面板12起到控制温度传感器18与pH传感器19输电开关作用，温度传感器18起到检测温度并将温度数值信号转换成电信号传输给单片机21的作用，pH传感器19起到检测pH值并将pH值转换成电信号传输给单片机21的作用。

图5 胃肠仿生消化装置电路框图

3 工作原理与使用方法

1）将一号消化桶1与加热仓2接入外接电源，使其处于通电工作状态，将配制好的仿生模拟胃消化液通过进料口10加入一号消化桶1内部并加入拟仿生消化食物，操作控制面板12中的单片机21模块，通过单片机控制伺服电机4工作转动，并带动搅拌轴5和叶片6转动，实现消化桶1内部仿生模拟胃消化与消化对象的混合均匀，并控制合适搅拌速度。

2）通过操作控制面板中单片机来对温度控制器22进行控制，使加热管17工作发热，加热管17发热后通过加热仓2内部的导热油将温度均匀散发给一号消化桶1内部进行加热，通过温度传感器18监控温度达到预期温度，并通过温度传感器将温度信号传输至单片机21。

3）通过单片机21控制温度控制器22工作，通过保温套20能够提高一号消化桶1的保温效果，保温套20内部填充有保温棉。

4）通过pH传感器19能够监控一号消化桶1内部的pH数值，酸液存储槽7或碱液存储槽14存放的酸或碱通过拨动调节转盘9能够带动活动板15移动，通过调节活动板15对下料口16的遮挡大小控制酸碱量，来调节消化桶1内部pH值。

5）取样时，通过转动套仓81能够使套仓81翻转，套仓翻转能使一号消化桶内部液体流入套仓内，取出套仓即可获得样本，且套仓抽出后，利用弹簧84形变产生弹力施加于密封塞83，密封塞83向前顶动将套筒82出口堵住，避免消化桶内部消化液体流出。

6）通过计时器23能记录消化工作时间并通过控制面板12显示屏显示，一号消化桶1与二号消化桶3的结构完全相同，消化桶间通过输送管道连接，出料口27上设置有一号电动开关阀31，一号消化桶1消化完毕后，可以打开管道上的一号电动开关阀31，再由输送泵25将消化物泵送到二号消化桶3内进行肠仿生消化，在二号消化桶3内加入仿生模拟十二指肠或小肠消化液，可以模拟肠消化效果，消化过程可取消化液监测，达到仿生模拟连续消化且消化过程可监测的效果，非常实用。

4 设计实施预测效果

所设计的胃肠仿生模拟消化装置可实现胃肠仿生模拟消化过程的pH值、温度、搅拌速度的控制与调整，便于消化液的取样分析及消化过程的观察监测，便于观察消化桶内食品营养基质或生物活性物质的仿生消化情况，能实现连续的人胃肠仿生模拟消化，且操作方便，操控性好。