体外动态评估人体消化过程中食物凝胶对物质转运的影响

1、体外动态评估人体消化过程中食物凝胶对物质转运的影响摘要：过去十年食品配料在健康成人体内消化的机制越来越得到科学界的关注。这类研究需要包括医药、化学和工程等范围在内的相关学科。这项研究中，我们的目标是建立简单的体外肠道模型来研究食物消化和营养吸收中一系列食物凝胶对物质转运的影响。这个模型完成了肠道运动的模仿并且主要研究在毫米级尺度上反应出的消化过程中所发生的现象。结果表明凝胶物质在阻碍葡萄糖吸收方面具有重要意义，而且在粘度为0.001Pa时最为明显（在物质转运和模拟的葡萄糖吸收上有5倍的阻碍作用）。这表明食品物料中凝胶物质有调节葡萄糖利用率的潜质。1.介绍据估计，食物中凝胶的应用占世界上水状凝胶

2、应用的三分之一（总共约有1千5百万种）。尽管食品中凝胶首先被用来做胶状制剂，但它也越来越多的与众多重要的健康因素联系在一起，其中包括2型糖尿病患者的血糖和胰岛素的控制，体重控制和心血管疾病的预防。这些功能与增稠，水化，疏水和食物凝胶的原生特性以及他们在食物消化过程中的影响有关。可能的作用机制是随着食物的消化，体内凝胶物质积累，粘度增加而阻碍物质在内脏器官中的转运。这将导致胃排空速度减慢和一定的营养吸收。但是，目前还不能完整的知道影响营养的生物吸收率尤其是凝胶在物质转运和食物消化过程中的影响的详细机理。量化人体消化过程是一个有挑战性的研究领域。虽然“人造消化系统”的重要性一直被重视，但直到最近十

3、年体外技术的应用才使其有了一个明显的增加。依据是否生动体现出消化过程（流体混合、模拟消化道分泌物的增加和消化产物的移除）中形象的时间脉冲波形，体外系统已经被广泛应用于“批量化”和“动力学”。典型的“批量化”处理模型由一系列的血管组成，每一个血管模拟消化系统（如嘴、胃、小肠、结肠）内不同的条件（如pH、酶、温度、生物活性剂等）。这个系统已经被Englyst，Veenstra和 Hudsonto用来测量植物性食品中葡萄糖的快速有效的利用，Oomen，Tolls，Sips和Van den Hoop也评估了消化道的机制。类似的系统也包括模拟4步消化（口腔的，胃的、小肠的和大肠的）的多级的pH恒定方法，

4、De Boever，Deplancke和Verstraete的五步消化模型由五个双夹套容器组成。尽管这些模型提供了有价值的信息，但是它们没有体现可能影响消化动力学的机械力的作用、流体流动和混合。有动态元素的模型包括口腔的、胃的和肠道的消化可能有特殊的应用。口腔消化部分复杂而且难以模仿。很多研究者将这个步骤简化，用商业的绞肉机来模拟口腔消化过程。也有人建立模型来研究口腔消化过程中的咀嚼，舌头运动，剪切和挤压。动态胃部消化模型通常要考虑在合适的生理条件下（pH、混合和流动、酶浓度等）食团在胃部的混合机制。在Kong和Singh的模型中，这种混合由提供了食物样本中需要的机械压力的塑料小球的运动来模拟

5、。在Chen，Gaikwad，Holmes，Murray，Povey，Wang和Zhag的模型中，食团混合由放置在夹套式容器轴向中心的球形探头进行可控制的垂直运动来模拟。现在英国的诺维奇的食品研究所用的动态胃部模型（DGM）用一个圆锥形的柔性管壁和一个有一定食物剪切率的圆筒状物质来模拟胃部消化过程。动态胃部模型模拟食物在胃部特定的生理条件下（pH梯度和相关酶）的物理混合、运输和分解。肠道消化在食物混合过程中是必不可少的部分，但在文献中少有关于建立肠道模型的研究。在被报道的Tharakan和Tharakan建立的模型中，分段是由有弹性的透析袋在两个充气可控橡胶封套的帮助下挤压来模仿肠壁的运动。在

6、这种模型中，流动状态能够影响模拟器中溶解在水中和瓜尔胶中化学元素的吸收。Nahar研究了模拟的蠕动过程（弹性管道的挤压）中流体的剪切由于稀化所表现的流动特性。在20世纪中期，荷兰组织（TNO）介绍了TNO肠道模型（TIM），TIM是一个电脑控制的体外消化系统，其中用不同的隔室代表了消化道的不同组成部分（胃，十二指肠、空肠、回肠和结肠）。每个组成部分配有柔性膜用来模拟消化场所，柔性膜外部用两个玻璃外套来控制所需温度和压力。现在共有两个TIM模型：TIM1（胃和小肠）和TIM2（大肠）。有“批量化处理”和“动力学”元素在内的模型文献中也有报道。例如，“批量化处理”胃部消化已经结合了透析膜和透析袋的

7、功能来模拟化学物质透过小肠细胞壁的过程。在其它系统中，用蠕动泵来控制与成人和婴儿分泌物相关的被消化食物的流动。总之，有证据表明人类消化系统的动态特性对食物的可消化率有重要的决定作用。特别是在消化道中的流动和混合很大程度上影响消化进程，但是物质转运和食物消化之间的关系仍然需要大量的探索。在这样一个框架中，我们建立了体外模型来模拟消化道壁的收缩，并使用一定范围的食物凝胶（瓜尔胶、羧甲基纤维素、果胶），以此来探究肠动力对模拟溶剂中葡萄糖的可利用率影响。通过用工程学和无量纲数分析实验数据表征了在消化道内的食物流动（雷诺数）和物质转运（舍伍德数）的特征。我们发现不考虑水状凝胶的利用或者分段模型的应用对结

8、果的影响，所有不同研究消化条件下的雷诺数和舍伍德数与食糜溶液的浓度成线性关系。随着雷诺数的增加，流体层流减弱，物质转运增加。在溶剂中的粘度为0.1Pas时流体物料的转运数据与Tharakan所报道的结果相吻合。这个粘度值在对动物进行研究发现的细胞腔粘度值范围之内。低粘度的系统（雷诺系数高）所表现出的物料转运水平高。这表明瓜尔胶在减少餐后血糖水平上是应用广泛、相对昂贵而且消费者接受率高的水状凝胶。2.材料与方法2.1样品准备这项研究评估不同粘度的浓度为1% wt/vol（55mM）的葡萄糖溶液对模拟葡萄糖吸收过程中物质转运的影响。这个浓度接近于加了半小袋糖一杯咖啡的糖浓度，并且是体内血糖平衡时浓

9、度的10倍。通过加入不同的凝胶（瓜尔胶、果胶、羧甲基纤维素钠）来调节浓度。实验中所使用的水为蒸馏水。瓜尔胶和果胶来自Fluka，英国，使用过程中缓慢加入80的不断搅拌的葡萄糖溶剂中并保温5分钟。羧甲基纤维素钠使用时也是缓慢加入不断搅拌的葡萄糖溶剂中但温度为60，保温时间为10分钟。混合物在室温下过夜并用高架搅拌器搅拌充分水合，并在24小时内使用。实验中用旋转流变仪测量粘度（图1）。2.2体外模型：SIM和DDuo2.2.1体外模型：SIM和DDuo用于这项研究的小肠模型（SIM）是由伯明翰大学化学工程院研制，在其它地方有详细叙述。模型（图2）由一个代表肠道内腔（平均成人的小肠直径为32毫米）的

10、内部透析袋组成，外部用同轴的不透硅胶管（软管，英国，直径50毫米，厚3毫米）连接外面区域。毛孔大小为薄膜能够阻止物质转运的最小孔径。在这个典型实验中，物质进入内腔的末端然后在蠕动泵的作用下会进入再循环。容器内的流体（最初是蒸馏水）也进入再循环，通过一个收集罐进行取样。肠动力的模拟是通过充气控制两个橡胶封套进行充放气实现的。封套膨胀时导致软管压缩，以此模拟肠壁收缩。封套放气时释放了压力，使软管恢复至最初的圆柱状。目前的研究工作，是用浓度为1% wt/vol (55 mM)的葡萄糖溶液加或者不加凝胶物质（瓜尔胶，羧甲基纤维素钠，果胶）来作为食糜系统的模型，之后在接收区接收葡萄糖进行测量。第二，进一

11、步的体外模型（动态十二指肠模型，DDuo）被研制出，最初结果在这里也给予呈现。为了更加系统的研究消化过程中蠕动和切割运动的影响，新的模拟器械自动化程度更高而且设计更加灵活。十二指肠模型（图3）同样和小肠模型一样采用双筒设计，小的活性化学物质通过透析袋透过模拟食糜中物质透过毛细孔到接收区。在距离加料端100mm处设计一个固定的分泌物端口用来注射小肠分泌物（例如胰脏和肝脏的分泌物）。这段距离代表了人体内从幽门到胰管之间空缺的平均距离。分割和蠕动通过8个可独立控制的部分进行挤压来完成。这表明设计的模型是专门用来研究人类消化的工程学方面（物质转运），这在现有的文献上是很少见的。到目前为止，其它生理条件

12、例如消化道膜上的营养物质的运输或者反馈机制的影响还不清楚。2.2.2方法除非另作说明，小肠模型的2个套依次循环6秒（膨胀2秒，放弃2秒，保持2秒），每分钟循环10次。混合对葡萄糖吸收的影响在系统中详细研究（表1）（无剪切度的条件也加以研究）。透析袋最后关闭，食糜不再进行循环。实验结果总共有三份，误差率的平均值在表中给出。在蠕动泵的帮助下，食糜以1.6×10-4m3s-1的速度进行再循环，用这种开放式结构研究分割频率在模拟葡萄糖吸收方面上的影响（表2）。端口分别以3、6、9s的速度进行循环，其中膨胀、放气以及保持的频率相同分别为1、2、3s。葡萄糖在接收区的增加取决于所采用的DNS方法

13、，在2.3部分有叙述。实验结果有三份，误差率平均值在表中给出。十二指肠模型的初始试验采用浓度为1% w/w的葡萄糖溶液加或不加1%的瓜尔胶作为食糜系统。除非另作说明，分割出现在4个位置（图3中蓝色箭头），且每10s交替一次。虽然为了得到更进一步的结论还需要继续研究，但是初始结果已经可以表明新模型和小肠模型SIM相比较而言的潜质。2.3样品分析DNS用二硝基水杨酸法（DNS）分析接收区处样品中的葡萄糖。将相同体积（1mL）的样品（空白加水）与DNS试剂加入试管中，混合，放入沸水浴5分钟。生成物立即冷却至室温，在540nm处测量分光光度值。2.4数据分析2.4.1物质转运系数传质系数由前述所定。图

14、4是在接收区葡萄糖随着时间变化的吸收率用来估计消化道模型中的传质速率.通过膜的摩尔通量用方程式1和方程式2计算。传质系数由方程式3得出。r 代表膜半径，L是长度，A是总吸收面面积，molglucose是是葡萄糖接收面，MT是总摩尔通量，C是膜两侧浓度差（初始浓度差为0.055M，假设时间改变无影响），Koverall是总传质系数。葡萄糖分子的检测需要从内腔运输到透析膜，通过透析膜，再转运到接收流体中。这三个过程通过细胞腔的传质系数来体现(Klumen,m s-1 )，通过薄膜扩散，接收面的传质系数(Krec, ms-1)体现。方程式4给出了该部分和总传质系数间的关系。为了得出测试的食糜样品的K

15、lumen，首先必须估算出Ksystem，Ksystem在整个实验过程中看作常数。因为通过整个实验过程中内腔侧传质系数的阻力最小化实现的，所以1/Klumen会比1/Ksystem小得多。在内管中增加流量使内腔侧面阻力最小化，流体为含1%葡萄糖的水溶液，直至Koverall系数不再增加。这个值即为Ksystem。2.4.2雷诺兹和舍伍德常数为了更进一步表示出物质转运的过程和研究流动和扩散在模拟消化道中的重要性，由方程式5和方程式6表示出无量纲量雷诺兹数(Re)和舍伍德数(Sh)。是流体密度(kg m-3)，u流体流速(m s-1)，r是膜半径(m)，m是溶液粘度(Pa s)，Dglucosei

16、s是果糖扩散率(6.9×10-10m2s-1)。速率u决定因素如下：每次腔口收缩排出的水体积与管内直径为2r，长度为Lcuff的水体积相等。用膨胀时间除以体积得到体积流率，在除膜的横截面积得到速率值。3.结论3.1SIM中物质转运模拟含1%葡糖糖的水溶液的葡萄糖吸收率在瓜尔胶含量为0.1%，羧甲基纤维素钠0.1%或0.5%，有或没有分段作用下都呈线性关系，如表4所示，并且没有任何的平台期。所有相关传质系数由方程式3计算。结果在图5 中给出，作为剪切度为0时的结果。图5说明分割运动有助于葡萄糖吸收率的提高，可能是因为管口的挤压运动使膜壁葡萄糖吸收率提高的原因。对水溶液来说，影响远不止这

17、些，分段应用能导致传质系数增长30%。含0.1%瓜尔胶和0.1%羧甲基纤维素钠的稠度更高的溶液能够在挤压过程中使Koverall值增加20%。这个Tharakan提出的通过增加稠度减少挤压对物质转运的影响的结果不谋而合。图5也说明分段运动过程中粘度系数最低时液体传质系数最高，表明粘度最低时对物质转运的阻力最小。食糜粘度增加导致物质转运减慢。有趣的是，在羧甲基纤维素钠浓度为0.5%时，没有分段运动的条件下，在一定的时间内，葡萄糖的转运相当受抑制。这些估计的结果与从志愿者口服加或不加浓度为3.6% wt/ vol 瓜尔胶的葡萄糖后得出的Koverall值相关。虽然葡萄糖和瓜尔胶在目前研究中所使用的

18、浓度不同，但值得注意的是目前试验和人体的Koverall值是处在相同的数量级且添加水状胶质都使Koverall值减少。瓜尔胶在降低餐后葡萄糖水平上主要是在肠动力作用下通过增加食糜粘度抑制食糜流体流动。图6是分割运动频率对瓜尔胶和果胶溶液物质转运的影响。在所有试验条件下，增加速率导致转运减慢。且瓜尔胶和果胶效果有同样的趋势：系统中含瓜尔胶含量从0.02 Pa s 到 1.2 Pa s或果胶含量从0.05 Pa s 到1.9 Pa s时，Koverall数值呈3倍减少。在同样的系统中，分割频率最后确定，总传质系数由研究草案估计。进一步增加瓜尔胶浓度对物质转运则无太大影响，这与之前Tharakan

19、所研究的结果相同。有趣的是，分段收缩希望能增加食糜混合从而是传质系数增加。这也可能通过减少“没有被搅动的水”与邻近层消化道壁物质交换阻碍分子扩散和营养吸收而进一步加强物质转运。根据“表面恢复”理论也可得出相似的结论。但是，收缩频率对瓜尔胶或果糖溶液在所研究的浓度范围内试验Koverall值无影响。试验过程中，挤压肠壁造成搅动的时间比管壁松弛的时间少。挤压频率的任何轻微改变都希望能对物质传递有一定影响。这可能是SIM的一种限制，在下一代的DDuo中将会考虑到这一点。表5和表6证明了食物配方和分段运动在控制消化过程中的潜质。从这些结果中可以得出正确规划对食物可消化性的影响相当复杂，除了粘度外，其它

20、流变学变量在决定营养的生物可利用率方面发挥重要作用。此外，食品配方有望在体外分段模型试验上有更大的影响。（例如：流体食物能刺激更大程度的收缩，但是高粘度食物通常与肌肉浅层运动有关）。图7给出了雷诺兹数和舍伍德数，有方程式5和方程式6计算的出。从大体趋势可以看出，雷诺兹数增加到100或以上时，对流传送比扩散增加的速度更快。这表明在高雷诺兹荤数促进了物质转运的对流传递速率。有趣的是，在瓜尔胶溶液中雷诺兹数在1000附近时对流传递过程出现了一个明显的台阶。这可能是因为流体流态从层流状态过度到断流状态，导致物质混合和转运加剧。雷诺兹数低于100是，流体完全成层状，雷诺系数的增加不能导致舍伍德数的明显增

21、加。不同的分段模型好像轻微的影响雷诺兹数和舍伍德数之间的关系。3.2DDuo中物质转运建立有规划的混合的条件在消化道中物质转运和营养生物可利用率上有重要的决定作用，如同2.2.1部分所介绍的一样，我们建了一个更加功能化和自动化的新模型。这个新模型旨在发现SIM中的局限性方面，提供更加灵活的肠动力再生系统：有8种不同的分段未知，每个只有1厘米长（按照SIM中共有12厘米的长度算）。分段点能单独的进行控制，所以每部分能够按要求的时间和频率进行运动。DDuo模型获得的原始数据如图8-10。图8可以看出混合条件下含1%葡萄糖和1%瓜尔胶的水溶液对葡萄糖吸收的影响。混合通过4个不同位置相互变换的挤压或1

22、个位置的挤压诱导。结果可以与SIM模型所获得的结果将比较。当混合减少到仅在一个分段点进行，则不论在水溶液中还是在瓜尔胶溶液中，葡萄糖进入最终接收区的时间都将延迟10分钟。这个结果表明，体外模型肠动力减少能影响物质转运的效率。DDuo模型结果表明，增加分段点数量能增加混合，从而改变葡萄糖的可利用率。图9中可以估计不同分段点所有的传质系数。结果表明1个分段点时物质转运在水溶液中减少25%，在瓜尔胶溶液中减少45%。除此之外，分段点数量在高粘度混合（1%瓜尔胶溶液中减少40%）时的影响比低粘度（水中仅有15%减少）时大得多。图10可以看出在含1%葡萄糖的水溶液或1%瓜尔胶的溶液中，混合频率对Koverall值的影响。结果表明，在所研究的条件下，增加分段频率可以加强物质转运。在所有情况下，流体流速低可以使物质转运速度更大（可增加30%）。然而，在12 cpm下，水溶液和胶体溶液的差别最小（10%），表明它们在这种情况下