体外消化模型
简介
食品在生产、加工、包装、贮存、运输、销售直至食用的过程中，都有可能接触或产生污染物的风险，进而对人体造成不良影响。因此我们需要关注这些污染物的有无和含量。
不过，人体是一个非常复杂的体系。食品中的重金属以及真菌毒素等污染物，主要通过消化系统进入人体，但是大多数不能100%被人体吸收。人体胃肠的消化吸收能力，污染物质的结构和理化性质以及食品的加工处理方式等均会影响污染物通过胃肠壁转运进入血液循环的比例。
传统的食用健康风险主要依托体外暴露，未曾深入考虑污染物在经过消化系统后所能释放的实测含量，往往造成实际风险的高估。为了更加准确的表征污染物的风险，随后引入了Bioaccessibility这一概念，国内翻译为生物可及性、生物可给性、生物有效性、生物利用度、生物可接受率等，以下为引用环境科学领域的定义:
Bioaccessibility is defined as the fraction of total metal that is accessible (or soluble) in the gastrointestinal tract, and is generally determined in vitro by incubating samples in solutions that mimic, successively, chemical conditions encountered in the human stomach and intestine.
目前研究食品中的生物可及性的方法有体内试验（in vivo）和体外试验（in vitro）。由于肠胃消化是一个连续的过程，如果使用体内则需要使用与人类具有相似生物学特征的灵长类动物。一则贵，二则不人道，体外消化系统（in vitro simulated digestive system）因为具有试验快速、易于控制、重现性好、成本低等优点而备受青睐。为此，本文收集了一些体外消化模型的成分配置【全是静态消化模型】以下则简要介绍一些体外消化模型。
按照消化模型是否包含动态特征，其可分为静态体外消化模型、半动态消化模型和动态消化模型。
| 名称 | 特点 | 应用 |
|---|---|---|
| 静态体外消化模型 | 应用广泛，实验材料廉价易得，可仅含有胃相或肠相的单隔室和包括口腔、胃、小肠的多隔室，且模拟参数都是固定的，吴机械力、流动动力及生化环境的变化 | 主要用于条件假设和目的筛选 |
| 半动态消化模型 | 至少模拟一个胃肠道的动态特征，介于动态和静态模型之间，主要用于胃阶段，模拟了食糜的pH值变化或控制酶释放等动态过程，包含胃如动力、剪切力等力学研究 | 对于一些容易排空或者对胃消化中pH敏感的食物，该模型可更好地了解食品的分解和营养释放，以便更好的涉及膳食 |
| 动态模型 | 更复杂也更接近人体内的消化过程，可简单分为单隔室和多隔室，且主要集中在几何学、物理力学和生物化学三方面的模拟 | 简单的推荐几个模型Dynamic Gastric Model、HGS、Artificial colon（ARCOL）等模型 |
对于静态消化模型，其中目前比较成熟的是，生理原理提取模型（the physiologically based extraction test， PBET）、生物有效性简化提取模型（SBET）、欧洲生物可给性标准模型（UBM）、荷兰公共卫生与环境国家研究院建立的RIVM模型（national institute of public health and the environment）、德国标准化学会认可的DIN模型（Deutsches Institut für Normung）、婴儿人体肠道微生物生态系统模拟器（Simulator of Human Intestinal Microbial Ecosystem of Infants，SHIME）、荷兰应用科学研究院营养与食品研究所（the Netherlands Organization, TNO）研发的TIM模型（TNO Gastrointestinal Model）等体外消化模型，其中DIN模型的应用主要集中在环境污染物的研究，而TIM动态模型由于其复杂性在应用过程中具有较高难度。在实际应用过程中，研究者会根据情况将不同模型的消化液成分、消化时间等参数进行调整而形成新的体外消化实验方法。
以下分别简要介绍一些体外消化模型
RIVM
RIVM是Oomen等人创建的，由饱腹和饥饿阶段共同发展而来，包括三个消化部分：口腔、胃部和小肠三个阶段。其中这个消化模型是为模拟儿童对污染土壤的摄入和消化。给予儿童在禁食条件下的生理状态，由于胃酸、胆汁和胰液的分泌，以及肠胃运动模式和血液淋巴流动的的改变，会使得胃肠道发生改变，其对口服生物利用率的影响最显著。
如在测定铜锈环棱螺中重金属的实验中，就使用了RIVM模型。其模拟消化液的配置如下，其中唾液应调节pH至6.8、胃液调节pH至1.0、十二指肠液、胆汁和Na2CO3溶液混匀后调pH至8.0.
| “组分 Constituent” | “唾液 Saliva” | “胃液 Gastric juice” | “十二指肠液 Duodenal juice” | “胆汁 Bile” |
|---|---|---|---|---|
| NaCl | 0.60 | 5.50 | 14.02 | 10.52 |
| KCl | 1.79 | 1.65 | 1.13 | 0.75 |
| KSCN | 0.40 | — | — | — |
| NaH2PO4 | 1.78 | 0.53 | — | — |
| Na2SO4 | 1.14 | — | — | — |
| KH2PO4 | — | — | 0.16 | — |
| NaHCO3 | 3.39 | — | 6.78 | 11.57 |
| CaCl2 | — | 0.80 | 0.40 | 0.80 |
| MgCl2 | — | — | 0.10 | — |
| NH4Cl | — | 0.61 | — | — |
| HCl | — | 5.72 | 0.16 | 0.13 |
| 尿素Urea | 0.40 | 0.17 | 0.20 | 0.50 |
| 葡萄糖Glucose | — | 1.30 | — | — |
| “D-葡萄糖醛酸 D-Glucuronic acid” | — | 0.04 | — | — |
| “D（+）-氨基葡萄糖盐酸盐 D（+）-Glucosamine hydrochloride” | — | 0.66 | — | — |
| 胃粘膜素Mucin | 0.05 | 6.00 | — | — |
| α-淀粉酶α-Amylase | 0.58 | — | — | − |
| 尿酸Uric acid | 0.03 | — | — | — |
| “牛血清蛋白Bovine serum albumin” | — | 2.00 | 2.00 | 3.60 |
| 胃蛋白酶Pepsin | — | 5.00 | — | — |
| 胰酶Pancreatin | — | — | 18.00 | — |
| 脂肪酶Lipase | — | — | 3.00 | — |
| 猪胆盐Pig bile salt | — | — | — | 60.00 |
SHIME消化模型
SHIME是Molly等人在1993年开发的人类肠道多隔间动态模拟器。本模型的开发源于人们意识到粪便微生物的群落组成和代谢活性方面与体内结肠微生物群显著不同。因此开发出该模型，这种模型分别包括不同的胃肠液和结肠阶段。 该模型可对初级及次级产物进行量化，对准确测定易在体内发生代谢的污染生物可及性十分必要。
但是该模型的操作和维护相对复杂。
其他静态消化模型
口腔消化模型
模拟唾液的主要成分及量如下：
| 成分 | 含量/mg |
|---|---|
| KCl | 896 |
| KSCN | 200 |
| 一水合磷酸二氢钠 | 1021 |
| 硫酸钠 | 570 |
| 氯化钠 | 298 |
| 氢氧化钠 1M | 1.8 ml |
| 尿素 | 200 |
| α-淀粉酶 | 145 |
| 尿酸 | 15 |
| 粘蛋白 | 50 |
随后水定容至500 mL，并调pH至6.8±0.2
胃模型
模拟胃液的成分和量如下：
| 成分 | 含量/mg |
|---|---|
| 氯化钠 | 2752 |
| 一水合磷酸二氢纳 | 306 |
| 氯化钾 | 824 |
| 氯化钙 | 302 |
| 氯化铵 | 306 |
| 氯化氢 37% | 6.5 ml |
| 葡萄糖 | 650 |
| 葡萄糖醛酸 | 20 |
| 尿素 | 85 |
| 盐酸葡萄糖胺 | 330 |
| 牛血清蛋白 | 1000 |
| 胃蛋白酶 | 1000 |
| 粘蛋白 | 3000 |
随后水定容至500 mL，并调节pH至1.3±0.1
小肠消化模型
小肠消化模型按照消化部分又可分为十二指肠液和胆汁，这里会分别介绍一下
十二指肠液成分及量如下
| 成分 | 量/mg |
|---|---|
| 氯化钠 | 7012 |
| 碳酸氢钠 | 3388 |
| 磷酸二氢钾 | 80 |
| 氯化钾 | 564 |
| 六水合氯化镁 | 50 |
| 37%盐酸 | 180 μl |
| 尿素 | 100 |
| 氯化钙 | 151 |
| 牛血清白蛋白 | 1000 |
| 胰酶 | 9000 |
| 脂肪酶 | 1500 |
随后水定容至500 mL，并调pH至8.1±0.1
胆汁模拟液
| 成分 | 含量 /mg |
|---|---|
| 氯化钠 | 5259 |
| 碳酸氢钠 | 57785 |
| 氯化钾 | 376 |
| 37%盐酸 | 150 μl |
| 尿素 | 250 |
| 氯化钙 | 167.5 |
| 牛血清白蛋白 | 1800 |
| 胆汁 | 3g |
随后水定容至500 mL，并调节pH至8.2±0.1