宏量營養素體外消化模型的研究進展

馬田田 張一凡 任雪 馮歡歡 徐彩紅

摘要：體外消化模型基于人體胃腸生理過程，在體外條件下模擬體內消化吸收情況，用于預測或評價化合物的可消化性、釋放特性及結構變化等研究。該模型具有簡便易行的特點，因而在食品、藥品以及保健品等行業中的應用越來越多。系統地介紹近年來蛋白質、脂類和碳水化合物三大宏量營養素體外消化模型的構建，以及影響其構建的重要因素，并總結該模型的優缺點和適用范圍，為該領域的研究奠定基礎。

關鍵詞：體外消化模型；宏量營養素；研究進展

中圖分類號：R151 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）06-0057-03

體外消化模型（In vitro digestion model，IDM）是以人體胃腸生理情況為依據，采用適宜條件，體外模擬人體胃腸環境，并通過檢測目標物質的濃度變化，反映攝入物質的生物利用情況。近幾年，IDM的研究越來越受到重視，這主要是因為體內試驗有許多缺點，如耗資多、效率低、重復性差和可比性低等[1]，而IDM具有簡單、快速、耗資少等優點，已被廣泛用于研究、檢測和評價食品、藥品及保健品等，如用于研究食物消化的穩定性、腸道運輸和代謝、預測食物中不同成分的生物利用率以及藥品緩釋等領域。但是，由于物質體內消化的復雜性，致使模型的建立存在一定的困難[2]，所以完善其模擬的準確度和提高其與體內情況的一致性問題一直是該方面研究的焦點。

本課題參閱大量的文獻，以研究對象、酶的種類和體系復雜程度為分類標準，總結近年來關于蛋白質、脂類、碳水化合物三大宏量營養素的IDM，希望對IDM的建立、使用和改進有所幫助，同時也為其在相關領域的應用提供一定的支持。

1 蛋白質的體外消化模型

蛋白質是一類具有復雜化學結構的有機化合物，是人體必需的宏量營養素之一。國內外對蛋白質的IDM研究比較深入，主要是體外模擬蛋白質在體內的消化環境和過程，來測定其消化率，以此為指標評價蛋白質的利用情況。

1.1 蛋白質體外消化模型的依據

一般而言，食品蛋白質水解為氨基酸和小肽后被吸收利用，未消化的蛋白質不易被吸收。因為唾液不含水解蛋白的水解酶，所以體外模擬從胃開始，以小腸為主。由于食物在胃中停留時間短，蛋白質不能完全消化；未被消化的蛋白質在小腸中的胰液及腸粘膜細胞分泌的多種蛋白質酶（主要是胰蛋白酶）和肽酶的聯合作用下，進一步水解為氨基酸。人胃液主要含鹽酸、胃蛋白酶原、粘蛋白和內因子，激活后的胃蛋白酶是消化蛋白質的主要酶，其最適宜pH值為1.5～2.0。

1.2 蛋白質體外消化模型的評定指標

評價食物中蛋白質營養價值一般采用蛋白質消化率（Protein digestibility，PD）作為指標，該指標反映了蛋白質食物在消化道被分解和吸收的程度，計算時采用吸收的蛋白質占攝入蛋白質總量的百分比。研究發現食物PD受酶的種類及酶作用的順序和過程等因素影響，并且復合酶體系更符合體內消化狀況[3]。

1.3 蛋白質體外消化模型的研究方法

IDM中常采用蛋白酶來模擬人體食物蛋白質的水解消化過程，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、胃和十二指腸消化法等。1） 胃蛋白酶消化法。直接選用胃蛋白酶作為水解蛋白酶，該法所用的酶比較單一，操作步驟簡單，但是胃蛋白酶達不到將某蛋白質完全水解成氨基酸，因此該法測得的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為水解蛋白酶，該法先在模擬胃酸性條件下，借助胃蛋白酶消化處理食物，而后用堿使酶鈍化，再在中性條件下用胰蛋白酶模擬腸的消化，該法可將已消化的成分與未消化的成分分別測定，能夠很好地反映食物蛋白質在不同消化階段被消化的情況，測得的PD較高。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為水解蛋白酶，由于混合酶的協同作用，能將蛋白質充分水解，因此該法測得的PD相對較高，缺點是操作相對復雜，混合酶中3種酶的不同比例也會造成PD的改變[4]。4） 胃和十二指腸促消化法。采用人消化產生的胃和十二指腸汁液為介質，直接測得PD率，該法測定的PD較高，但消化液的收集較難，而且蛋白酶的類別與活性受年齡差異、胃腸消化功能差異等因素的影響，導致試驗的可重復性比較差，所以該法實際應用較少。比較而言，胃蛋白酶和胰蛋白酶消化法，所用酶質高易得，試驗條件穩定，重現性好，操作較簡單，因此較為實用。

2 脂類的體外消化模型

脂類是人體能量的重要來源，一般將脂肪和類脂總稱為脂類。脂類是脂溶性維生素和人體一些重要生理活性物質的載體。目前，脂類IDM在食品中的研究和應用匱乏，很大程度上制約了脂類作為營養素運載體系的研究和應用。

2.1 脂類體外消化模型的依據

食物在口腔中已經開始消化脂肪，該過程主要由唾液分泌的脂肪酶進行，它可水解食物中膳食脂肪的一小部分。膳食脂肪在胃內的消化很有限，小腸才是脂肪消化的主要場所。該消化過程首先是膽囊分泌膽汁，膽汁開始乳化脂肪為甘油三酯和游離脂肪酸，再借助胰腺和小腸分泌的脂肪酶來水解單甘酯。磷脂的消化吸收與甘油三酯相似。

2.2 脂類體外消化模型的評定指標

脂類水解速率是評價脂類IDM的重要指標，是指脂類在有水條件下，在酸、鹽的作用下水解為游離脂肪酸的速度。食物中存在多種形式的脂類，主要有活性脂質、結構脂肪、脂質乳液等。大多數脂肪在口腔、胃或小腸中由于受到機械力、表面活性劑和穩定劑的作用，而被分解為水包油乳化液。因此，飲食攝入的脂肪，其消化是以水包油型乳液進行的，這是脂質消化不同于其他物質的主要特點[5]。

2.3 脂肪體外消化模型的研究方法

脂肪在消化過程中受到多種因素的影響，如溫度、介質pH值、膽汁鹽濃度、Ca2+濃度、酶的種類及用量等。Anette Mullertz等人在建立脂類的IDM時采用胰脂酶作為水解酶，試驗中用1 mol/L的NaOH調節介質pH值，溫度37 ℃，消化溶液中加入膽汁鹽和Ca2+溶液，研究發現，可通過控制膽汁鹽和Ca2+濃度以及酯酶活性控制脂類水解率來構建一種可行的脂類IDM。目前，脂類IDM在食品方面的研究尚需完善，Hermida等人指出脂肪在胃腸消化后結構和行為少有關注，理論也不健全[6]。

3 碳水化合物的體外消化模型

碳水化合物（Carbohydrate，CD）是一類具有醛或酮多羥基化合物，是供應人體能量的主要物質，也是構成人體組織的重要材料。近年來，由于CD攝入量不當造成的疾病，如糖尿病等，引發了人們對CD消化和吸收的關注。飲食指標以碳水化合物與血糖生成指數（Glycemic index，GI）的特性關系為重要參考。食品的來源、加工方式差異等因素都會顯著影響碳水化合物的血糖響應值，因此，WHO 建議有必要測定每種食物的GI值。但GI值的測定易受倫理、個體差異和技術等因素制約。因此，通過完善碳水化合物的IDM，進而評價其GI，已經成為近年來研究的重點[7]。

3.1 碳水化合物體外消化模型的依據

由于食物在口中停留時間短，CD僅有少部分被唾液淀粉酶消化。胃液不含能夠水解CD的任何酶，胃酸對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腸，其在小腸內的消化可分為腸腔和腸粘膜上皮細胞表面上的消化兩種。在腸腔消化中，通過結腸發酵消化的非淀粉多糖只有非常小的一部分，腸腔中的a-淀粉酶主要來自胰液，即為胰淀粉酶；在口腔和腸腔淀粉消化的各種中間產物之后，最終在小腸粘膜上皮細胞表面上完成消化。

3.2 碳水化合物體外消化模型的評定指標

CD經消化后最終形成大量的葡萄糖，因此，葡萄糖量可作為CD在IDM中的重要指標。食物粉碎程度及方式、消化時間、水解酶種類等因素，均影響模型模擬的準確度。目前，構建CD的IDM常忽略粘度對CD消化速率的影響，主要考慮酶、食物成分、顆粒大小和pH值。

3.3 碳水化合物體外消化模型的研究方法

構建CD的IDM主要模擬人體口腔、胃部和腸部。口腔消化時間一般選5 min，pH值為7.0；胃部消化時間選2.0 h左右，pH值為2.0；腸部為CD消化的主場所，消化時間一般選4.0 h左右，pH值為5.0左右，并且根據模擬部位添加相應的酶。另外，根據研究目的和對象不同，如針對抗性淀粉和纖維素含量較高的食物，可適當模擬食物在大腸、回腸中的發酵過程。閔芳芳等人[8]采用CD的IDM研究多糖的吸收利用，結果表明，胃部對多糖的消化吸收利用無顯著影響，但多糖的物理性質在一定程度上受pH值影響。目前，構建準確、簡單、快速的IDM去模擬CD在體內的消化情況存在困難，還需不斷完善。

4 結語

本課題參考大量文獻，總結了食品中主要營養成分IDM的構建方法，發現構建IDM主要面臨兩個問題：一是在構建模型時，仍需進行大量的體內試驗來驗證其是否與體內的消化吸收情況一致，以便于提高其模擬準確度；二是在構建模型時，既要考慮其針對性，也要考慮其通用性，即模型中要針對不同的研究對象，做相應環節的調整，并且在此基礎上可以嘗試構建適用一般研究對象的IDM，來提高模型的通用性。

參考文獻

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[7] 王竹，楊月欣，劉靜.建立碳水化合物體外消化標準操作程序的必要性[C]//中國營養學會營養與保健食品分會.第五屆學術研討會論文集.北京：中國營養學會營養與保健食品分會，2007.

[8] 閔芳芳，聶少平，萬宇俊，等.青錢柳多糖在體外消化模型中的消化與吸收[J].食品科學，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