体外消化通过在体外模拟消化道关键生理条件，用于研究食品中营养物质的转化、相互作用与生物可及性。近年来，静态、半动态与动态体外消化模型不断完善，应用范围从消化率与稳定性评价拓展至结构变化、生物活性评价与过敏原研究。不同模型在设备复杂度、通量与生理相关性方面存在显著差异，标准化与参数披露成为提升可比性与可重复性的关键。

        关键词：体外消化模型；食品；过敏原；抗氧化；功能性

一、体外消化模型概述

        体外消化模型旨在重建消化道的关键物理化学条件，以研究食物在消化过程中的结构变化、成分释放、水解转化及其生物可及性。真实消化过程涉及多器官协同以及激素与神经调控，但从过程属性上可概括为两条主线：胃阶段以储存、混合、研磨与排空等机械过程为主，小肠阶段以酶促水解与吸收相关过程为主。体内研究受伦理与成本约束，使得体外消化成为食品消化研究的重要方法学平台。

        当前上消化道体外模拟研究较为成熟，依据参数是否随时间变化、是否引入分泌与排空等动态过程，常将模型分为静态、半动态与动态三类。不同模型的差异主要体现在消化阶段覆盖范围、消化液组成与酶体系设定、以及混合剪切与流体动力条件等方面，这些差异决定了模型在通量、成本与生理相关性之间的取舍。

1.1 静态模型

        静态体外消化模型是实验室应用最广的体外消化体系之一，通常可用锥形瓶、烧杯、离心管等基础器材搭建，通过加入模拟消化液并配合恒温与搅拌或振荡实现模拟消化。体系一般置于37℃水浴或空气浴中，结合磁力搅拌或摇床振荡等机械条件，并通过滴加酸碱调节pH即可运行。静态模型的核心特征是参数固定，即在每一消化阶段内，分泌物比例、pH与酶或胆汁等生物活性组分浓度保持恒定，常用于端点取样与横向比较。

【静态模型的搭建与运行要点】

        ①控温与容器：采用基础反应容器并在37℃恒温条件下运行即可满足多数需求。

        ②混合方式：常用磁力搅拌、摇床振荡或间歇摇晃；对结构敏感样品需评估非生理性强混合导致的结构破坏偏差。

        ③pH控制：多为阶段内恒定，通过人工滴定维持目标pH，更适用于端点评价与比较研究。

【典型模拟消化液与条件设定示例】

        ①口腔阶段：可用机械研磨模拟咀嚼；模拟唾液SSF可包含唾液酶、NaCl、KCl、黏蛋白及抑菌剂等，pH多设定6.5～7.5，温度37℃。

        ②胃阶段：可用水浴摇床振荡约2h模拟胃蠕动；模拟胃液SGF可包含胃蛋白酶、酸化体系与NaCl及抑菌剂等，pH多设定1～2，温度37℃。

        ③小肠阶段：模拟肠液SIF可基于磷酸盐缓冲体系并加入Ca2+、胆盐与胰酶体系相关组分，pH多设定6.5～7.5，温度37℃；小肠阶段常以恒定pH并振荡约2h进行模拟。

【INFOGEST静态模型的标准化价值与局限】

        ①标准化价值：通过对胃肠液配制、温度、pH、离子成分、酶种类与含量、消化时间等关键参数进行规范，提升跨实验室可比性与复现性，适合并行比较与多样品筛选。

        ②主要局限：体内胃pH存在动态变化，食物进入胃后的瞬时pH与后续演变会影响结构转变与水解路径；固定pH设定可能导致生物可及性或动力学表征偏差。

        ③体系稳定性风险：当实验周期较长时，体系内酶活可能发生衰减或漂移，从而影响消化能力与结果稳定性。

1.2 半动态模型

        半动态模型介于静态与动态模型之间，至少引入一种胃肠道动态特征，常见实现方式包括动态调节胃阶段pH、控制酸或酶分泌速率，或引入受控排空过程。相较静态模型，半动态模型可提供胃阶段营养物消化与食物结构变化的动力学信息，更适合用于过程解释与机制解析。

【半动态模型的关键模拟要素】

        ①胃液pH动态变化：pH变化影响蛋白质构象与胃蛋白酶活性，进而改变水解速率与产物谱，并可能影响其他营养素消化行为。

        ②胃动力与剪切条件：蠕动、剪切与混合方式影响食糜结构演变；工程实现常以搅拌或振荡替代真实蠕动，需要评估对结构的非生理性扰动。

        ③几何形态与混合机制：胃呈J形且结构模拟困难，半动态系统常采用圆柱容器；容器形状会改变剪切场分布并影响结构破坏程度。

【半动态模型的适用范围与优势】

        ①可获得胃阶段过程数据与动力学信息，适合研究对pH敏感或易排空食品体系。

        ②成本与复杂度通常低于多隔室动态系统，参数可调性更强，便于实验室推广。

        ③更便于扩展至不同年龄段或特定生理条件的模拟研究。

【半动态模型的局限】

        ①多聚焦胃阶段，阶段覆盖不完整，对跨阶段耦合效应解释有限。

        ②混合装置与形状设计可能引入偏差，对结构敏感样品需进行力学条件对照与验证。

1.3 动态模型

        动态模型通过系统引入分泌、pH演变、蠕动剪切、转运与排空等过程，使模拟更接近体内消化环境。相较静态与半动态模型，动态系统设备要求高、成本高、运行维护复杂，但可进行过程取样与阶段性追踪，更适合开展动力学与机制研究。动态模型通常可分为单室与多室两类。

【单室动态模型的结构与机制要点】

        ①系统定位：单室模型多聚焦胃或结肠等单一阶段，强调力学过程与动态分泌排空的复现。

        ②DGM模型特征：桶体结构可区分胃底与胃窦区域，胃底可实现周期性加压形成动态环境，胃窦可提供较强剪切与研磨以提高混合效率并降低颗粒尺寸；可通过阀门与计算机控制实现胃排空节律的模拟。

        ③适用边界：可提供较高时间分辨率的过程取样与力学-水解耦合信息，但阶段覆盖有限，涉及全程生物可及性或跨阶段机制时常需与其他系统联用。

【多室动态模型的结构与控制逻辑要点】

        ①TIM平台：典型配置包含胃、十二指肠、空肠与回肠隔室；可实现37℃控温、蠕动模拟、pH闭环控制与分泌供给，并衍生多种型号以适配不同研究需求。

        ②TIM优势：可在时间与位置维度联动控制分泌、pH、胃排空与吸收过程，具有较高可控性与可重复性，并可参数化构建不同人群或物种的平均胃肠道状况。

        ③SHIME系统：多隔室覆盖胃与小肠并延伸至结肠，结肠段通过粪菌接种建立稳定微生物群落并配置pH调控与恒定体积系统，可用于研究食品成分在微生态作用下的代谢转化。

        ④局限与应用边界：多室系统生理相关性更强，但经济性与实用性较弱，运行维护复杂，通常不适用于普通实验室的高通量筛选；不同平台与参数细节差异也可能降低跨研究可比性。

图1 静态INFOGEST消化模型和动态SHIME消化模型示意图

二、体外消化模型的应用

2.1 营养物质消化研究与功能性食品开发

        体外消化模型可用于评估蛋白质、碳水化合物、脂肪及植物化学物质等在消化过程中的转化与生物可及性，并用于比较不同配方、加工与结构条件下的差异。总体上，静态模型更适合筛选与端点比较，半动态模型更适合胃阶段动力学与结构变化研究，动态模型更适合过程追踪与跨阶段耦合问题。

（1）淀粉与碳水化合物消化研究

        ①淀粉消化动力学是常见研究重点，消化速率与释放行为与餐后血糖反应密切相关。

        ②胃排空与小肠阶段释放动力学对血糖反应影响显著；若仅采用静态端点评价，可能低估水解量或难以解释结构导致的动力学差异。

        ③在需要建立可比性或开展样本筛选时，标准化静态框架更利于并行比较；当需要解释结构-消化-吸收的因果链条时，宜采用引入排空与pH动态的（半）动态体系。

（2）蛋白质消化与消化产物功能性评价

        ①除消化率与氨基酸相关指标外，蛋白质消化产物的潜在生物活性与作用机制受到更多关注。

        ②pH动态变化与蠕动剪切对蛋白质水解动力学影响显著，使半动态与动态模型在蛋白质动力学研究中更具优势。

        ③将体外消化与细胞模型耦合，可进一步评价消化产物的跨膜转运与吸收潜力，为功能性证据链构建提供支撑。

（3）功能性食品开发中的应用路径

        ①配方筛选：通过体外消化比较益生菌存活、活性成分释放与体系稳定性，可用于筛选更适宜的载体与组合策略。

        ②工艺优化：结合包埋、纳米化等加工策略与消化模拟，可比较不同材料体系对稳定性与释放行为的影响。

        ③逆向设计：基于结构-消化行为数据优化食品结构与加工参数，形成特定消化速率或释放曲线以满足差异化营养需求。

2.2 消化后抗氧化性评价

        多酚、维生素与类胡萝卜素等生物活性化合物的抗氧化效果与消化后可释放、可转运和可吸收的有效部分密切相关，但研究中常出现活性物质含量变化与抗氧化性变化关系不一致的现象，甚至出现不同研究结论相互矛盾。

（1）矛盾结果的可能原因

        ①基质效应：颗粒尺度、结构破坏程度与成分结合状态影响活性物质的释放与转化路径。

        ②消化条件差异：不同模型在pH、胆盐、酶体系与力学条件上的差异会改变活性物质稳定性、溶解性与反应机制，从而影响抗氧化性表征。

        ③方法学差异：取样阶段、样品前处理与抗氧化测定体系不同，可能导致结果不可直接比较。

（2）模型选择与评价策略建议

        ①机制解析与动力学研究：优先考虑半动态或动态系统，必要时与细胞模型耦合以提高证据链完整性。

        ②样本筛选与假设验证：采用标准化静态模型更利于并行比较与跨实验室复现。

        ③报告规范：明确披露酶底物比、pH控制方式、混合条件、取样节点与检测方法，降低方法学差异带来的表观冲突。

2.3 食物过敏原消化性研究

        食物过敏通常分为IgE介导与非IgE介导两类。过敏原与消化稳定性并非严格对应关系，消化可能降低、无影响甚至增强致敏性，因此仅依据消化稳定性判断风险存在局限。尽管如此，在缺乏可明确区分过敏原与非过敏蛋白的统一理化特征背景下，体外消化仍是评估新蛋白潜在致敏性的重要工具之一。

（1）影响消化评价结果的关键因素

        ①消化体系差异：pH、表面活性剂、食物基质以及加工改性因素可能改变蛋白结构与酶切路径。

        ②酶与底物比率及酶活测定差异：会显著改变表观消化稳定性与产物谱。

        ③终点评价差异：蛋白完整性、IgE结合能力或致敏能力等指标体系不同，导致研究间难以直接比较。

（2）标准化的必要性与研究建议

        ①在相似研究需求下优先采用标准化程度更高的体外消化条件，避免随意调整关键参数而削弱可比性。

        ②当研究目的需要更接近小肠端降解与暴露环境时，可考虑将体外消化与刷状缘膜酶或细胞模型耦合以提高生理相关性。

        ③建立统一的参数披露与数据报告规范，为跨研究整合与风险评估一致性提供基础。

三、常见体外消化模型的建立

3.1 实验搭建与关键参数

（1）基础设置

①在37℃恒温条件下运行，并全程记录温度。

②固定混合方式与强度，记录容器类型、反应体积、转速或振荡频率。

③按“口腔-胃-小肠”顺序建立体系；必要时扩展至结肠阶段。

（2）关键参数

①pH控制：静态模型在阶段内维持恒定；半动态模型在胃阶段按设定曲线调节；动态模型采用闭环控制。

②酶体系：统一以酶活单位与酶底物比表述，并在实验批次前进行活性核验或等效校准。

③小肠阶段：记录胆盐浓度、关键离子（如Ca2+）与缓冲体系，确保批间一致。

（3）对照与版本选择

①无酶对照：用于区分“pH/离子/胆盐环境效应”与“酶促水解效应”。

②无菌体系：用于污染敏感或长周期运行场景（如过敏原评估、细胞模型耦合、结肠段研究）。

③方法对齐：需要与标准方案或既往数据对齐时，选用对应口径体系并避免随意更改关键参数。

3.2 操作流程与取样终止

（1）样品预处理

①称量并统一干基或可食质量口径，记录样品含水率或换算方式。

②固体样品研磨或分散至一致状态，记录粒径范围或均质条件与时间。

（2）运行与取样

①口腔阶段：加入模拟唾液体系，短时混合；到点取样并标记为口腔阶段样品。

②胃阶段：加入模拟胃液并酸化至目标pH；加入胃蛋白酶后开始计时；按预设节点取样，并同步记录pH变化。

③小肠阶段：将体系调至近中性；加入模拟小肠液、胰酶体系与胆盐后开始计时；按节点取样；必要时分离胶束相与非胶束相并记录分离条件。

（3）终止与保存

①取样后立即终止反应（如调pH至失活区间或冰浴），并记录终止方式、终止时pH与处理时间。

②离心或过滤澄清样品，分装、避光、低温保存，并记录冻融次数与保存时长。

（4）最小报告集

①披露消化液来源与版本（如无菌、无酶）、酶活与酶底物比、pH控制方式、混合条件、取样时间点与样品处理流程。

②披露终止反应与前处理关键条件（离心/过滤参数、分相方法等），以保证结果的可重复性与可比性。

四、阿拉丁相关产品

        总体而言，体外消化模型在食品消化机制研究与功能性开发中具有不可替代的价值。未来通过更一致的标准化框架、更充分的体内对照验证以及动态调控与多模型耦合策略的成熟，体外消化模型将更有能力在不同食品体系间提供可比较、可解释且更接近体内的预测结果，为营养健康研究与食品创新提供更可靠的方法学支撑。

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