一種可連續(xù)化進(jìn)行的胃腸仿生消化裝置的設(shè)計(jì)＊

李玉珍 ， 肖懷秋 ， 蘭立新 ， 姜明姣 ， 劉 軍 ， 周 全

（1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院制藥與生物工程學(xué)院，湖南 株洲 412000；2.湖南中威制藥有限公司，湖南 株洲 412000）

研究食品營養(yǎng)基質(zhì)（或生物活性物質(zhì)）或藥物的胃腸道消化行為對了解其消化代謝具有重要意義，然而利用人體胃腸道進(jìn)行消化行為或藥代動(dòng)力學(xué)分析常存在倫理問題[1]。動(dòng)物消化模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖更貼近生理，但耗時(shí)長，試驗(yàn)成本高，且動(dòng)物存在個(gè)體差異，試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性差。體外胃腸仿生消化系統(tǒng)可有效解決上述問題[2]。目前，體外模擬消化方法主要采取模擬胃消化和模擬胃—小腸消化，前者是用胃蛋白酶模擬蛋白質(zhì)成分在胃內(nèi)的消化情況，因缺乏小腸階段模擬，結(jié)果評價(jià)失真；后者是用胃蛋白酶和胰酶（或小腸胰液）分別模擬食物在胃及腸道中的消化吸收過程，與人體內(nèi)消化過程相似，可廣泛用于食品營養(yǎng)基質(zhì)代謝與藥物代謝的研究[3-5]。目前，胃腸仿生消化主要分階段研究，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)化的胃仿生模擬消化和腸仿生模擬消化，而且仿生消化過程溫度、pH值、攪拌等實(shí)時(shí)消化參數(shù)的監(jiān)測也較難實(shí)現(xiàn)，仿生消化過程取樣也極為不便[6-7]，設(shè)計(jì)一套可連續(xù)進(jìn)行胃腸仿生消化的裝置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 設(shè)計(jì)思路

胃腸仿生模擬消化裝置包括消化桶及消化控制系統(tǒng)2個(gè)部分。消化桶內(nèi)部均設(shè)置有中間腔體結(jié)構(gòu)并配備攪拌裝置，分為胃仿生消化桶（一號桶）和腸仿生模擬桶（二號桶），中間腔體外圍均設(shè)置有加熱倉。消化桶頂端上面和底端面上均設(shè)置與中間腔體連通的進(jìn)料口與出料口，消化桶間通過輸送管道相連。消化桶前端外表面均設(shè)置有玻璃觀察窗、取樣裝置、酸液存儲(chǔ)槽和堿液存儲(chǔ)槽。消化桶內(nèi)部分別設(shè)置有pH傳感器、加熱管及溫度傳感器，二號消化桶右側(cè)配備配電箱，配電箱前端外表面嵌有控制面板（內(nèi)含單片機(jī)），用于接收pH傳感器和溫度傳感器傳輸信號并控制攪拌機(jī)構(gòu)作業(yè)。

2 胃腸仿生消化裝置結(jié)構(gòu)圖及結(jié)構(gòu)說明

2.1 胃腸仿生消化裝置結(jié)構(gòu)正面剖視圖及結(jié)構(gòu)說明

胃腸仿生消化裝置結(jié)構(gòu)正面剖視圖如圖1所示。該胃腸仿生模擬消化裝置包括中間為腔體結(jié)構(gòu)的一號消化桶1和二號消化桶3，分別用于胃仿生模擬消化和腸仿生模擬消化，且均設(shè)置有加熱倉2及外部保溫套20，胃腸仿生消化桶結(jié)構(gòu)相同。一號消化桶頂端面上設(shè)置有與桶內(nèi)部腔體相連通的進(jìn)料口10，底端面上設(shè)置有與消化桶內(nèi)部腔體相連的出料口27，二號消化桶同樣設(shè)置有進(jìn)料口28和出料口29。出料口27與進(jìn)料口28之間通過輸送管道24相連通，輸送管道中部設(shè)置有輸送泵25。進(jìn)料口10右側(cè)設(shè)有伺服電機(jī)4，伺服電機(jī)底端設(shè)有攪拌軸5，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器連接有減速器30，攪拌軸兩側(cè)皆焊接有葉片6，伺服電機(jī)底端通過聯(lián)軸器與攪拌軸連接，使伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)攪拌軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)葉片進(jìn)行攪拌。一號消化桶前端外表面設(shè)有玻璃觀察窗13，其上設(shè)有酸液存儲(chǔ)槽7與堿液存儲(chǔ)槽14，酸液存儲(chǔ)槽7底端設(shè)有下料口16，下料口上表面設(shè)有活動(dòng)板15，酸液存儲(chǔ)槽7內(nèi)側(cè)通過轉(zhuǎn)軸連接有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤9，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤底端與活動(dòng)板齒合，通過將調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤底端與活動(dòng)板頂端齒合連接能夠使調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)活動(dòng)板移動(dòng)，通過活動(dòng)板移動(dòng)能使下料口16露出，從而使酸液存儲(chǔ)槽7內(nèi)液體流出，堿液存儲(chǔ)槽結(jié)構(gòu)相同。玻璃觀察窗13下方設(shè)有取樣裝置8，取樣裝置緊鄰設(shè)置在消化桶中間腔體結(jié)構(gòu)底壁的上方，以便取樣監(jiān)測內(nèi)部仿生消化情況。一號消化桶1的右側(cè)固定有配電箱11。二號消化桶出料口29上設(shè)置有二號電動(dòng)開關(guān)閥26，用于控制二號消化桶出料口29通斷，二號電動(dòng)開關(guān)閥26的受控端連接于單片機(jī)21的輸出端。出料口27上設(shè)置有用于控制出料口27通斷的一號電動(dòng)開關(guān)閥31，一號電動(dòng)開關(guān)閥的受控端連接于單片機(jī)21的輸出端。一號消化桶的局部剖視圖如圖2所示。酸（堿）液存儲(chǔ)槽局部俯視剖面圖如圖3所示。

圖1 胃腸仿生消化裝置結(jié)構(gòu)正面剖視圖

圖2 一號消化桶的局部剖視圖

圖3 酸（堿）液存儲(chǔ)槽的局部俯視剖面圖

2.2 取樣裝置的正視圖與剖視圖及結(jié)構(gòu)說明

圖4 取樣裝置的正視圖與剖視圖結(jié)構(gòu)

取樣裝置正視圖與剖視圖如圖4所示。取樣裝置8包括套倉81、套筒82、密封塞83、彈簧84，套倉81、密封塞83、彈簧84皆設(shè)置于套筒82內(nèi)側(cè)，且彈簧84設(shè)置于密封塞83的左端，套倉81設(shè)置于密封塞83的右端，通過將套倉81翻轉(zhuǎn)，能夠使一號消化桶1內(nèi)部液體流入套倉81內(nèi)，通過取出套倉81即可獲得樣本，且套倉81抽出后，利用彈簧84形變產(chǎn)生彈力施加于密封塞83，能夠?qū)⒚芊馊?3向前頂動(dòng)將套筒82的出口堵住。

2.3 胃腸仿生消化裝置電路框圖及結(jié)構(gòu)說明

本設(shè)計(jì)電路框圖如圖5所示。配電箱11的內(nèi)側(cè)固定有單片機(jī)21，單片機(jī)左側(cè)固定有溫度控制器22，溫度控制器下方固定有計(jì)時(shí)器23，控制面板12的輸出端通過導(dǎo)線分別與溫度傳感器18、pH傳感器19、單片機(jī)21電連接，溫度傳感器與pH傳感器的輸出端均通過導(dǎo)線與單片機(jī)21電極連接，單片機(jī)輸出端通過導(dǎo)線分別與溫度控制器22和計(jì)時(shí)器23電連接，通過將單片機(jī)21與溫度控制器22電連接，能夠使單片機(jī)21可以控制溫度控制器22工作，溫度控制器22起到控制加熱管17輸電開關(guān)的作用，計(jì)時(shí)器23的型號為D016-100M，計(jì)時(shí)器23起到計(jì)時(shí)的作用。配電箱11前端外表面設(shè)有控制面板12，加熱倉2內(nèi)側(cè)設(shè)有加熱管17與溫度傳感器18，溫度傳感器18設(shè)置于加熱管17兩側(cè)，一號消化桶1內(nèi)側(cè)固定有pH傳感器19，控制面板12起到控制溫度傳感器18與pH傳感器19輸電開關(guān)作用，溫度傳感器18起到檢測溫度并將溫度數(shù)值信號轉(zhuǎn)換成電信號傳輸給單片機(jī)21的作用，pH傳感器19起到檢測pH值并將pH值轉(zhuǎn)換成電信號傳輸給單片機(jī)21的作用。

圖5 胃腸仿生消化裝置電路框圖

3 工作原理與使用方法

1）將一號消化桶1與加熱倉2接入外接電源，使其處于通電工作狀態(tài)，將配制好的仿生模擬胃消化液通過進(jìn)料口10加入一號消化桶1內(nèi)部并加入擬仿生消化食物，操作控制面板12中的單片機(jī)21模塊，通過單片機(jī)控制伺服電機(jī)4工作轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)攪拌軸5和葉片6轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)消化桶1內(nèi)部仿生模擬胃消化與消化對象的混合均勻，并控制合適攪拌速度。

2）通過操作控制面板中單片機(jī)來對溫度控制器22進(jìn)行控制，使加熱管17工作發(fā)熱，加熱管17發(fā)熱后通過加熱倉2內(nèi)部的導(dǎo)熱油將溫度均勻散發(fā)給一號消化桶1內(nèi)部進(jìn)行加熱，通過溫度傳感器18監(jiān)控溫度達(dá)到預(yù)期溫度，并通過溫度傳感器將溫度信號傳輸至單片機(jī)21。

3）通過單片機(jī)21控制溫度控制器22工作，通過保溫套20能夠提高一號消化桶1的保溫效果，保溫套20內(nèi)部填充有保溫棉。

4）通過pH傳感器19能夠監(jiān)控一號消化桶1內(nèi)部的pH數(shù)值，酸液存儲(chǔ)槽7或堿液存儲(chǔ)槽14存放的酸或堿通過撥動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤9能夠帶動(dòng)活動(dòng)板15移動(dòng)，通過調(diào)節(jié)活動(dòng)板15對下料口16的遮擋大小控制酸堿量，來調(diào)節(jié)消化桶1內(nèi)部pH值。

5）取樣時(shí)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)套倉81能夠使套倉81翻轉(zhuǎn)，套倉翻轉(zhuǎn)能使一號消化桶內(nèi)部液體流入套倉內(nèi)，取出套倉即可獲得樣本，且套倉抽出后，利用彈簧84形變產(chǎn)生彈力施加于密封塞83，密封塞83向前頂動(dòng)將套筒82出口堵住，避免消化桶內(nèi)部消化液體流出。

6）通過計(jì)時(shí)器23能記錄消化工作時(shí)間并通過控制面板12顯示屏顯示，一號消化桶1與二號消化桶3的結(jié)構(gòu)完全相同，消化桶間通過輸送管道連接，出料口27上設(shè)置有一號電動(dòng)開關(guān)閥31，一號消化桶1消化完畢后，可以打開管道上的一號電動(dòng)開關(guān)閥31，再由輸送泵25將消化物泵送到二號消化桶3內(nèi)進(jìn)行腸仿生消化，在二號消化桶3內(nèi)加入仿生模擬十二指腸或小腸消化液，可以模擬腸消化效果，消化過程可取消化液監(jiān)測，達(dá)到仿生模擬連續(xù)消化且消化過程可監(jiān)測的效果，非常實(shí)用。

4 設(shè)計(jì)實(shí)施預(yù)測效果

所設(shè)計(jì)的胃腸仿生模擬消化裝置可實(shí)現(xiàn)胃腸仿生模擬消化過程的pH值、溫度、攪拌速度的控制與調(diào)整，便于消化液的取樣分析及消化過程的觀察監(jiān)測，便于觀察消化桶內(nèi)食品營養(yǎng)基質(zhì)或生物活性物質(zhì)的仿生消化情況，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的人胃腸仿生模擬消化，且操作方便，操控性好。