一种早产/低出生体重婴儿配方食品的体外时空消化动态检测和功能评价方法

本发明涉及一种早产/低出生体重婴儿配方食品的体外时空消化动态检测和功能评价方法，属于仿生、食品检测领域以及生物。

背景技术：

1、我国人口老龄化程度加深将会进一步提升特医食品在中国市场的需求量特医食品能够改善病人营养不良状态。其具有的免疫调控、减轻氧化应激、维护胃肠道功能与结构、降低炎症反应、促进伤口愈合等功能，最终能够对患者起到提高生存率、缩短住院时间、减少相关花费、减少再住院次数、减少并发症等作用。在食品组分的研究过程中，客观精确地评定食物特一组分在人体内的消化过程对于确定食物组分所产生产物以及它们对人体消化道的作用至关重要。

2、人类消化道体外模拟技术在不断完善，为食品科学、人类营养学研究提供大量数据，使得该领域快速发展，逐渐进入各大实验室。在现代食品加工过程中，客观精确评定一种早产/低出生体重婴儿配方食品在人体内的消化过程对于确定所产生产物以及它们对人体消化道的作用至关重要。人类消化道体外模拟装置的运用在评定食物在人体内的消化过程中会起到关键作用。这种体外完整模拟消化过程，为研究早产/低出生体重婴儿配方食品这一营养物质提供极大方便。通过研究早产/低出生体重婴儿配方食品在体外模型中不同仿生系统的消化过程以及产物组成，为早产/低出生体重婴儿配方食品这一营养物质在新型特医功能食品的研究提供大量有价值的数据，这是人类志愿者以及动物实验不能比拟的。

3、现目前对早产/低出生体重婴儿配方食品的人体消化研究主要是在体外进行研究，利用脂肪酶和蛋白酶以及乳化剂处理待测油液，模拟口腔、胃和小肠等环境的消化阶段，如ph值和酶活性。烧杯是用来模拟胃消化装置。通常是将食物和胃液以及模拟肠液混合后恒温水浴摇床上振动消化一段时间，这个过程模拟人体肠道的消化过程；而在模拟消化完成后，消化和未消化的物质通过离心或过滤分离。

4、然而，这些方法尽管模型在某些方面表现出色，但本系统方法着重于对健康成人的肠道模拟，所以它们在模拟婴儿配方食品在婴儿肠道的消化上有所欠缺，无法分析该婴儿食品在胃，小肠，大肠等的产气情况，无法模拟各发育时期婴儿具体消化系统发育情况以及无法模拟真实肠道环境中微生物群落的复杂性，无法模拟消化系统中容受性扩张对于婴儿食品消化的影响等。

5、目前也仅有例如公开号cn108426982a、cn112557607a等专对蛋白质消化率或血糖支数进行检测的方法。但是现有的这些手段，不仅无法检测早产/低出生体重婴儿配方食品在某一消化系统的进程以及产物，也不能实施完整的人体消化模拟，并且对于整个过程中产生的气体，短链早产/低出生体重婴儿配方食品酸等生成产物无法进行鉴定分析。

6、因此，急需对早产/低出生体重婴儿配方食品的体外消化模拟检测创新以提升对早产/低出生体重婴儿配方食品在人体消化产物(气体，液体)对消化系统的影响。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的第一目的是提供了一种早产/低出生体重婴儿配方食品的体外时空消化动态检测和功能评价方法，所述方法是通过在仿生消化系统模型加入含有早产/低出生体重婴儿配方食品、恒温水浴预热调整后的人工胃液的样品并进行蠕动压缩和消化反应以模拟早产/低出生体重婴儿配方食品在消化系统中的消化、排空过程，并在过程中对早产/低出生体重婴儿配方食品进行取样检测以获取所述仿生消化系统模型对于早产/低出生体重婴儿配方食品的消化破碎情况、还原糖消化率、脂肪消化率、蛋白质消化率、菌群组成情况的动态结果；

2、所述仿生消化系统模型包括相互连接且通过plc控制的仿生胃消化系统、仿生小肠消化系统、仿生结肠消化系统，所述仿生胃消化系统包括由第一蠕动泵驱动的第一进样系统、与所述第一进样系统连接的仿生胃消化模型，所述仿生胃消化模型包括用于模拟胃底、胃体、胃窦的仿生结构的第一反应器组；所述仿生小肠消化系统包括由第二蠕动泵驱动的第二进样系统、与所述第二进样系统连接的仿生小肠消化模型，所述仿生小肠消化模型包括用于模拟十二指肠、空肠、回肠的仿生结构的第二反应器组；所述仿生结肠消化系统包括由第三蠕动泵驱动的第三进样系统、与所述第三进样系统连接的仿生结肠消化模型，所述仿生结肠消化模型包括用于模拟升结肠、横结肠、降结肠的仿生结构的第三反应器组。

3、进一步地，所述方法包括具体如下步骤：

4、s1：调整仿生胃消化系统的所述第一反应器组的ph为1.0～2.1；

5、s2：通过第一进样系统向第一反应器组中加入样品并调整所述第一反应器组的ph为2.1～4.0，所述样品的成分包括早产/低出生体重婴儿配方食品和胃液；

6、s3：通过第一蠕动泵驱动第一反应器组进行蠕动压缩并进行消化反应，得到仿生胃消化产物，3小时后将仿生胃消化产物运转至仿生小肠消化系统的第二进样系统以模拟胃中消化物排空，同时在排空过程中对仿生胃消化产物进行取样检测，从而获取仿生胃消化系统对于早产/低出生体重婴儿配方食品的消化破碎情况、还原糖消化率、脂肪消化率、蛋白质消化率；

7、s4：通过第二进样系统向第二反应器组中加入肠液透析后的仿生胃消化产物并再次透析，随后向第二反应器组加入胰液、胆汁的混合物，同时调整所述第二反应器组的ph为5.1～7.0；

8、s5：通过第二蠕动泵驱动第二反应器组进行蠕动压缩并进行消化反应，得到仿生小肠消化产物，3小时后将仿生小肠消化产物运转至仿生结肠消化系统的第三进样系统以模拟小肠中消化物排空，同时在排空过程中对仿生小肠消化产物进行取样检测，从而获取仿生小肠消化系统对于早产/低出生体重婴儿配方食品的消化破碎情况、还原糖消化率、脂肪消化率、蛋白质消化率；

9、s6：通过第三进样系统向第三反应器组中加入仿生小肠消化产物、含有粪便的混合物、肠道菌群及其培养基，并调整所述第三反应器组的ph为6.0～7.4；

10、s7：通过第三蠕动泵驱动第三反应器组进行蠕动压缩并进行恒温发酵，发酵12小时后每隔6小时对仿生结肠消化产物进行取样检测，从而获取仿生结肠消化系统对于早产/低出生体重婴儿配方食品的消化破碎情况、还原糖消化率、脂肪消化率、蛋白质消化率以及肠道气体。

11、关于所述培养基，可以参考《中国居民膳食营养素参考摄入量(2013版)》，配置4种模拟逃脱小肠消化的食糜培养基，向近端结肠中的肠道菌群提供营养。蛋白质培养基(pom)中降低了碳水化合物(11％)和脂肪(9％)的含量，保持了高水平的蛋白质含量(71％)。此外，实际人体消化时，小肠中的分泌的胰酶、胆汁盐和脱落的粘蛋白等成分会和食糜一起被转运到结肠，因此培养基营养成分中添加了粘蛋白、胰酶和胆汁盐(均采用猪源)。添加半胱氨酸和硫酸钠是为了更好地研究含硫氨底物被肠道菌群代谢产h2s含量的差异。

12、进一步地，所述第一反应器组包括用于模拟胃体的球形反应器，所述球形反应器通过法兰和中间体分别连接对称设置的第一筒形反应器和第二筒形反应器，所述第一筒形反应器和所述第二筒形反应器分别用于模拟胃底和胃窦，所述球形反应器、所述第一筒形反应器、所述第二筒形反应器均具有进气口和出气口；

13、所述第二反应器组包括结构相同且并联的十二指肠模块、空肠模块、回肠模块，所述十二指肠模块包括直型反应器、分别与直型反应器两端通过法兰连接的第三筒形反应器和第四筒形反应器，所述第三筒形反应器和所述第四筒形反应器均具有进气口出气口；

14、所述第三反应器组包括悬浮于第三水槽的仿生结肠消化模型、与所述仿生结肠消化模型连接的第三进样系统，所述仿生结肠消化模型包括结构相同且并联的升结肠模块、横结肠模块、降结肠模块，所述升结肠模块包括弧形反应器、分别与弧形反应器两端通过法兰连接的第五筒形反应器和第六筒形反应器，所述第五筒形反应器和所述第六筒形反应器均具有进气口和出气口。

15、在本发明的一种实施方式中，

16、所述s1中，调控所述第一筒形反应器和所述球形反应器之间的ph为1.0-1.6、所述第二筒形反应器和所述球形反应器之间的ph为1.6-2.1；

17、所述s2中，调控所述第一筒形反应器和所述球形反应器之间的ph为2.1-3.0、所述第二筒形反应器和所述球形反应器之间的ph为3.0-4.0；

18、所述s4中，调控所述十二指肠模块的ph为5.1-5.6、空肠模块的ph为5.6-6.3、回肠模块的ph为6.3-7.0；

19、所述s6中，调控所述升结肠模块的ph为6.0-6.4、横结肠模块的ph为6.4-6.9、降结肠模块的ph为6.9-7.4。

20、在本发明的一种实施方式中，所述仿生胃消化产物与仿生小肠消化系统之间、仿生小肠消化产物与仿生结肠消化系统之间通过系统间连接泵进行运转；所述第一进样系统包括第一蠕动泵、与所述第一蠕动泵连接的第一样品瓶和第一酸碱瓶，所述第一蠕动泵连接两个中间体；所述第二进样系统包括第二蠕动泵、与所述第二蠕动泵连接的第二样品瓶和第二酸碱瓶，所述第二蠕动泵连接所述直型反应器；所述第三进样系统包括第三蠕动泵、与所述第三蠕动泵连接的第三样品瓶和第三酸碱瓶、气体瓶，所述第三蠕动泵连接所述弧形反应器；所述第一蠕动泵、所述第二蠕动泵、所述第三蠕动泵相互连接且均连接循环气箱。

21、优选地，

22、所述s3中，通过第一蠕动泵驱动第一反应器组进行蠕动压缩时，第一筒形反应器和第二筒形反应器的蠕动压缩频率为3-6次/分钟，流速为2-5l/min，空气的充气量为500ml-1l，压缩幅度为3cm；而球形反应器的蠕动压缩频率为4次/分钟，流速为3l/min，空气的充气量为750ml-1.25l，压缩幅度为3-6cm；

23、所述s5中，通过第二蠕动泵驱动第二反应器组进行蠕动压缩时，第二反应器组的蠕动压缩频率为4次/分钟，流速为3l/min，空气的充气量为500ml-1l，压缩幅度为3-5cm；所述s7中，通过第三蠕动泵驱动第三反应器组进行蠕动压缩时，第三反应器组的蠕动压缩频率为3-5次/分钟，流速为2-4l/min，空气的充气量为500ml-1l，压缩幅度为2-4cm。

24、优选地，所述s6中，向第三反应器组中加入的肠道菌群规格为10-30ml。

25、在本发明的一种实施方式中，所述s6中，所述含有粪便的混合物包括新鲜粪便样本、10％的磷酸盐缓冲液、5％粪便浆液；所述s7中采用新型阵列肠道气体传感器技术agst实时检测第三反应器组中肠道气体分布和浓度得到agst数据，并利用气相色谱飞行时间质谱联用仪离线检测第三反应器组中肠道气体分布和浓度与agst数据做对比；利用16s rna技术检测肠道菌群的多样性和丰富度；利用拟靶向代谢组学技术检测肠道菌群的代谢物成分和含量。

26、本发明的第二目的是提供所述方法在食品、医药、饲料领域的应用。

27、本发明的有益效果：

28、本发明通过在仿生消化系统模型加入含有早产/低出生体重婴儿配方食品的样品并进行蠕动压缩以模拟早产/低出生体重婴儿配方食品在消化系统中的消化、排空过程，不仅能够真实的模拟人肠胃道内的消化环境，极大的重现消化环境，在食品药品的研究过程中具有极大的研究前景，而且也明确了膳食在结肠中的发酵位置(升结肠、横结肠和降结肠)，能够解析膳食调控肠道气体分布、通过调节大量营养素摄入来控制膳食结构可以改变肠道气体，进一步地，本发明可以分析婴儿食品在胃，小肠，大肠等的产气情况，可以模拟各发育时期婴儿具体消化系统发育情况以及无法模拟真实肠道环境中微生物群落的复杂性，可以模拟消化系统中容受性扩张对于婴儿食品消化的影响，可在对肠道疾病的预防、检查和诊断等方面提供一定的参考价值；同时，本发明为生物工程技术、食品科学技术、生物反应器工程、微生物代谢工程、传感器技术和人工智能等领域的交叉研究作出了贡献，构建特定膳食成分对肠道气体分布调控模型，有助于建立公开的膳食与肠道气体分布对应数据库，为健康和疾病等人群的个性化膳食提供参考。