CN108088966B - 一种胃体可视化仿生消化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种胃体可视化仿生消化反应器，属于仿生反应器领域，包括第一转接头、第二转接头、反应瓶、乳胶仿生胃、取样瓶和恒温循环水槽；反应瓶包括竖直直型反应瓶、球形反应瓶和水平直型反应瓶；乳胶仿生胃包括乳胶仿生胃体、乳胶仿生胃窦和乳胶仿生幽门，分别放置在竖直直型反应瓶、球形反应瓶和水平直型反应瓶内；恒温循环水槽通过硅胶管与反应瓶上的输入管和输出管连接，硅胶管中间接阀门，控制循环水流量。本发明胃体可视化仿生消化反应器结构简单，方便拆卸，密封性好，可视性强，可逼真的模拟人胃的蠕动，模拟消化的重复性好。

Description

一种胃体可视化仿生消化反应器

技术领域

本发明涉及一种胃体可视化仿生消化反应器，属于仿生反应器领域。

背景技术

人类消化道体外模拟装置的不断推广，为食品科学、人类营养学的研究提供了巨大的方便，并逐渐被学术界接受。在现代食品加工的研究过程中，客观精确地评定食物在人体内的消化过程对于确定食物组分至关重要，而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。

现有技术通常使用三角瓶或烧杯作为胃模拟消化装置。进行模拟消化实验时，先将一定量的食物装入三角瓶或烧杯中，然后向三角瓶中加入模拟胃液或肠液；然后，将三角瓶或烧杯放置在恒温水浴摇床上振动消化一段时间，此过程即为模拟人胃的消化过程，待消化结束后，再离心或过滤分离出已消化与未消化物质。采用三角瓶或烧杯作为胃模拟消化装置时，由于三角瓶或烧杯中的消化产物对消化反应有抑制作用，导致这类消化实验的测定结果不准确。

与以一个三角瓶或烧杯为人胃模拟消化装置相比，1993年，比利时的Molly等人开发出一个多腔室的动态消化道模拟装置。在研制初期，该模拟装置只包括5个由计算机控制的反应器串联组成，分别模拟人的十二指肠/空肠、回肠、盲肠/升结肠、横结肠和降结肠。随后，2001年De Boever等人在十二指肠/空肠反应器前增加了一个模拟胃的反应器，使之成为一个完整的体外消化道模型。此外，由美国学者Kong和Singh设计制造的动态胃消化系统，主要由弹性乳胶腔室、机械传动系统、胃液分泌和食糜排空系统以及保温盒等部分组成。CN104851346A公开了一种模块化动物消化道体外模拟系统及其人类肠道模拟方法，包括胃、小肠、升结肠、横结肠和降结肠五个部分，每个部分的核心为反应罐；反应罐存储消化液及肠菌培养基，是模拟食物消化、肠菌生长的场所；每个反应罐的水夹层均与恒温水浴相通实现37℃恒温效果；每个反应罐的蠕动由磁力搅拌模拟。CN105974066A公开了一种立式动物胃肠道仿生消化装置，包括模拟消化管、搅拌棒、电机和磁力传动装置；模拟消化管为一中空管体，该管体的两端各设有一磨口，该管体的侧面设有输入管和输出管，模拟消化管内放置有透析管，该透析管的两端分别从该玻璃管的两个磨口处伸出而外翻，外翻露于磨口外侧的透析管端部被橡皮条捆扎固定在磨口上，捆扎透析管端部后的两个磨口分别塞有一橡胶塞和一带有输液管的橡胶塞。

以上几种人类和动物胃肠道模拟消化装置，采用搅拌作为模拟胃蠕动的方式，搅拌产生的食物在胃内的运动与真实胃相差较大，不能逼真地模拟真实胃的蠕动情况。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种胃体可视化仿生消化反应器。

本发明提供的胃体可视化仿生消化反应器，包括第一转接头、第二转接头、反应瓶、乳胶仿生胃、取样瓶和恒温循环水槽；所述反应瓶包括竖直直型反应瓶、球型反应瓶和水平直型反应瓶，并反应瓶上均开有输出管和输入管，通过硅胶管与所述恒温循环水槽相接，所述第一转接头、所述竖直直型反应瓶、所述球型反应瓶、所述取样瓶、所述水平直型反应瓶和所述第二转接头通过法兰片依次相接；所述乳胶仿生胃包括乳胶仿生胃体、乳胶仿生胃窦和乳胶仿生幽门，分别放置在所述竖直直型反应瓶、所述球型反应瓶和所述水平直型反应瓶内。

在一种实施方式中，所述第一转接头和所述第二转接头均为中空半球体，在中空半球体的开口处均设有法兰片，所述第一转接头的弧顶设有输入管，所述第二转接头的弧顶设有输出管。

在一种实施方式中，所述球型反应瓶为一中空球体，所述中空球体上设有两个相互垂直的开口，两开口将所述中空球体的大圆分成一优弧和一劣弧，球型反应瓶的输入管和输出管在优弧上；所述乳胶仿生胃窦两端各与一段乳胶管相通，两段乳胶管的端口分别从所述中空球体的两个开口处伸出而外翻，外翻露于法兰片外侧的乳胶管端部套在法兰片上。

在一种实施方式中，所述取样瓶为一中空管体，其左右端开口处各设有一法兰片，侧身开有三个与中空管体垂直相通的玻璃管；其中两个玻璃管竖直且开口朝上，其端口设有外螺纹；另一个玻璃管水平设置，其端口设有磨口，磨口处塞有橡胶塞。

在一种实施方式中，所述第一转接头、所述竖直直型反应瓶、所述球型反应瓶、所述取样瓶、所述水平直型反应瓶和所述第二转接头通过法兰片依次相接后，通过夹具夹紧相接的两个法兰片。

在一种实施方式中，与所述竖直直型反应瓶、所述球型反应瓶和所述水平直型反应瓶的输入管连通的三根硅胶管汇合成一根总输入硅胶管，与所述恒温循环水槽的出水口连通，三根输入硅胶管上各设有一阀门，所述总输入硅胶管上设有齿轮泵。

在一种实施方式中，并且所述竖直直型反应瓶竖直放置，所述水平直型反应瓶水平放置。

在一种实施方式中，所述胃体可视化仿生消化反应器的各部件的材质均为玻璃。

本发明提供的一种胃体可视化仿生消化反应器，采用三个反应瓶分别模拟人胃的三个部分：胃体、胃窦和幽门，通过循环水的压力对瓶内乳胶仿生胃的挤压，从而模拟在真实胃的蠕动的情况下食物的消化，与现有的胃肠道模拟消化装置相比，具有更高的相似性。采用齿轮泵提高循环水压力，解决恒温循环水槽循环供水的压力不足以对乳胶仿生胃产生挤压的问题；取样瓶设有可拧盖的螺口；设有带橡胶塞的磨口，可以用注射器取样。实现对样品在模型内变化过程的实时观测，得到过程数据，所述过程数据的收集为优化模型的操作参数提供参考；并且各部分相对独立，方便拆卸。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的胃体可视化仿生消化反应器结构示意图；

图2为胃体可视化仿生消化反应器剖面示意图；

图3为取样瓶的示意图；

图4为对照例二提供的仿生消化反应器、现有的仿生反应器和小鼠胃内消化结果对比图。

其中，1第一转接头、2第二转接头、3竖直直型反应瓶、4球型反应瓶、5取样瓶、6水平直型反应瓶、7法兰片、8乳胶仿生胃体、9乳胶仿生胃窦、10乳胶仿生幽门。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种胃体可视化仿生消化反应器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本实施例一提供一种胃体可视化仿生消化反应器，包括第一转接头1、第二转接头2、反应瓶、乳胶仿生胃、取样瓶5和恒温循环水槽(图中未示出)。所述反应瓶包括竖直直型反应瓶3、球型反应瓶4和水平直型反应瓶6，所述第一转接头1、所述竖直直型反应瓶3、所述球型反应瓶4、所述取样瓶5、所述水平直型反应瓶6和所述第二转接头2通过法兰片7依次相接。并且所述竖直直型反应瓶3开有输出管31和输入管32、所述球型反应瓶4开有输出管41和输入管42，所述水平直型反应瓶6开有输出管61和输入管62。与所述竖直直型反应瓶3、所述球型反应瓶4和所述水平直型反应瓶6的输入管连通的三根输入硅胶管汇合成一根总输入硅胶管，与所述恒温循环水槽的出水口连通。并且三根输入硅胶管上各设有一阀门，所述总输入硅胶管上设有齿轮泵。与所述竖直直型反应瓶3、所述球型反应瓶4和所述水平直型反应瓶6的输出管连通的三根输出硅胶管汇合成一根总输出硅胶管，与所述恒温循环水槽进水口连通。

所述乳胶仿生胃包括乳胶仿生胃体8、乳胶仿生胃窦9和乳胶仿生幽门10。所述乳胶仿生胃体8放置在所述竖直直型反应瓶3内，所述乳胶仿生胃体8的两端分别从所述竖直直型反应瓶3的两个开口处伸出而外翻，外翻露于法兰片外侧的乳胶管端部套在法兰片上。所述第一转接头1开口的法兰片与所述竖直直型反应瓶3上端开口的法兰片对接，然后用夹具夹紧所述两法兰片；所述乳胶仿生胃窦9放置在所述球型反应瓶4内，所述乳胶仿生胃窦9两端各与一段乳胶管相通，两段乳胶管的端口分别从所述球型反应瓶4的两个开口处伸出而外翻，外翻露于法兰片外侧的乳胶管端部套在法兰片上，所述球型反应瓶4上端开口的法兰片与所述竖直直型反应瓶3下端开口的法兰片对接，然后用夹具夹紧所述两法兰片；所述球型反应瓶4左端开口的法兰片与所述取样瓶5右端的法兰片对接，然后用夹具夹紧两法兰片；所述乳胶仿生幽门10放置在所述水平直型反应瓶6内，所述乳胶仿生幽门10的两端分别从所述水平直型反应瓶6两个开口处伸出而外翻，外翻露于法兰片外侧的乳胶管端部套在法兰片上，所述水平直型反应瓶6右端的法兰片与所述取样瓶5左端的法兰片对接，然后用夹具夹紧所述两法兰片；所述水平直型反应瓶6左端的法兰片与所述第二转接头2开口的法兰片对接，然后用夹具夹紧所述两法兰片。

所述第一转接头1和所述第二转接头2均为中空半球体，在中空半球体的开口处均设有法兰片，所述第一转接头1的弧顶设有输入管11，所述第二转接头2的弧顶设有输出管21。所述球型反应瓶4为一中空球体，所述中空球体上设有两个相互垂直的开口，两开口将所述中空球体的大圆分成一优弧和一劣弧，球型反应瓶的输入管和输出管在优弧上。所述取样瓶5为一中空管体，其左右端开口处各设有一法兰片，侧身开有三个与中空管体垂直相通的玻璃管；其中两个玻璃管竖直且开口朝上，其端口设有外螺纹；另一个玻璃管水平设置，其端口设有磨口，磨口处塞有橡胶塞。

胃体可视化仿生消化反应器模拟消化食物样品主要包括以下步骤：

第一步：制备食物悬浊液

称取适量的食物粉末，用0.2％(w/v)的黄原胶溶液稀释成悬浊液。

食物粉末配方：小麦粉100g，浓缩乳清蛋白粉40g，食用盐1g。

第二步：加样品

参见图1，食物悬浊液从所述第一转接头1的输入管11以一定流速注入，然后从输入管11注入一定量的0.1mol/L的盐酸和一定量的由胃蛋白酶、KCl、NaCl组成的模拟胃液。

第三步：工作过程

①关闭与输入管11和输出管21，打开所述竖直直型反应瓶3上的输出管31和输入管32、所述球型反应瓶4上的输出管41和输入管42，所述水平直型反应瓶6上的输出管61和输入管62，打开与恒温循环水槽出水口连接的总输入硅胶管上的齿轮泵，使反应瓶与乳胶仿生胃之间的夹层充满循环水；②关闭与输出管31、输入管32、输出管41和输出管61，使循环水持续流入所述球型反应瓶4和所述水平直型反应瓶6的夹层，在循环水压力下，所述乳胶仿生胃窦9和所述乳胶仿生幽门10受到挤压，内部的样品被挤入所述乳胶仿生胃体8里；③打开输入管32，关闭与输出管31、输出管41、输入管42、输出管61和输入管62，使循环水持续流入所述竖直直型反应瓶3的夹层，在循环水压力下，所述乳胶仿生胃体8受到挤压，其内部的样品被挤入所述乳胶仿生胃窦9和所述乳胶仿生幽门10；④打开输入管32和输入管42，关闭输出管31、输出管41、输出管61和输入管62，使循环水持续流入所述竖直直型反应瓶3和所述球型反应瓶4的夹层，在循环水压力下，所述乳胶仿生胃体8和所述乳胶仿生幽门10受到挤压，其内部的样品被挤入所述水平直型反应瓶6内的乳胶仿生幽门里。重复操作所述步骤②～④。

第四步：取样

参见图2，所述取样瓶5为一中空管体，所述中空管体左右端开口处各设有一法兰片，其侧身开有三个与中空管体垂直相通的玻璃管；其中两个玻璃管51竖直且开口朝上，在中空管体的同一母线上，其端口设有外螺纹，为pH电极插入管，其与设内螺纹且盖上设圆孔的塑料盖搭配，可以使pH电极插入其中且连接处密封。另一个玻璃管2为取样口，水平设置在中空管体上，其端口设有磨口，磨口塞有橡胶塞，重复操作所述步骤②～④多次直至样品混合均匀后，进行步骤②的操作。在两个玻璃管51放置有pH电极，读取pH电极读数。采用针筒注射器从玻璃管2处取样，然后测定还原糖和蛋白质含量。

对照例一

设计了一组对照实验，来探究循环水通入与否对所述反应器模拟消化效果的影响。

参照图2，利用所述胃体可视化仿生消化反应器进行对照实验，对照为循环水输入管32、42、62关闭，使各反应瓶不流入循环水；实验参照实施例一第三步操作。

当玻璃反应瓶不流入循环水时，样品仅能停留在一个反应瓶的乳胶仿生胃中。例如样品和消化液从输入管11流入所述胃体可视化仿生消化反应器，则样品和消化液几乎全部沉积在球形反应瓶的乳胶仿生胃窦9内，此时只能依靠外部的蠕动泵使样品和消化液流到所述乳胶仿生幽门10中，再经输出管21流出。以这种形式，样品和消化液不能充分混合，样品中含有的颗粒物不会受到压力的作用而磨碎和溶解，模拟消化效果差。

当反应瓶流入循环水时，样品和消化液可以在三个反应瓶的乳胶仿生器官中实现往复流动。例如样品和消化液从输入管11流入所述胃体可视化仿生消化反应器，则样品和消化液流入到乳胶仿生胃窦9内，此时打开循环水输入管42、62，则乳胶仿生胃窦9和乳胶仿生幽门10受到循环水挤压，样品和消化液流入到乳胶仿生胃体8内；再打开循环水输入管32，关闭循环水输入管62，则乳胶仿生胃体8和乳胶仿生胃窦9收到循环水挤压，样品和消化液流入到乳胶仿生幽门10内。重复此类操作，就可以实现样品和消化液在三个反应瓶之间的往复运动，达到混合样品和消化液、磨碎和溶解样品中颗粒物的目的。

经对照实验发现，当所述胃体可视化仿生消化反应器不通入循环水时，流经反应器的样品不能充分混合，样品中的颗粒物不溶解；当所述胃体可视化仿生消化反应器通入循环水并执行实施例一第三步操作时，流经反应器的同一批次样品得到充分混合，样品中颗粒物溶解，样品呈均一的状态。

对照例二

人体胃的消化是一个复杂的过程，传统的胃模拟消化反应器是静态消化模拟，它不能模拟食物在体内发生的物理和生理过程，比如pH的变化、胃壁的蠕动、胃内食糜的排空等。一般采用恒温水浴摇床、磁力搅拌器和上下移动混合器等仪器简单的将食物和模拟胃液进行一次性混合后，置于37℃水浴中搅拌1-2h来模拟食物的胃消化过程。

本发明是更接近真实胃肠道的动态消化模型，可对胃内的流体动力学、蠕动收缩及食糜排空等进行很好的重现，全面地模拟了胃肠道内的物理作用和生理学过程。

第一步：制备食物悬浊液

称取适量的食物粉末，用0.2％(w/v)的瓜尔胶溶液稀释成悬浊液。

食物粉末配方：玉米粉100g，浓缩乳清蛋白粉40g，食用盐1g。

第二步：加样品

参见图1，食物悬浊液从所述第一转接头1的输入管11以一定流速注入所述人胃体外可视化仿生消化反应器，然后从输入管11向所述人胃体外可视化仿生消化反应器内注入一定量的0.1mol/L的盐酸和一定量的由胃蛋白酶、KCl、NaCl组成的模拟胃液。

第三步：工作过程

加入食物样品之前，注入0.6mL模拟胃液以模拟禁食状态下胃液的残留。为了更加真实的模拟摄入玉米粉的过程和口腔消化过程，采取分批方式将食物样品从模拟食管加入到胃模型内，进样时间持续为5min。进样期间，通过注射泵精确控制模拟胃液的输入速率。进样结束后，封闭模拟胃窦和幽门，以模拟食物在无胃排空时的消化过程。同时通过水压对胃模型的幽门和胃窦进行压缩，压缩频率为3次/分钟，压缩幅度为2.5mm。待食物样品分别消化60min后，将胃内消化物全部取出，测其还原糖和蛋白质含量。本发明的胃体可视化仿生消化反应器、现有的仿生反应器和小鼠胃内消化结果对比如图4所示。

由图4可见，采本发明的仿生反应器与传统仿生反应器相比，能够更加逼真地模拟与活体小鼠胃内消化食物的过程结果，体现出了本发明仿生反应器的明显优势。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种胃体可视化仿生消化反应器，其特征在于，包括第一转接头、第二转接头、反应瓶、乳胶仿生胃、取样瓶和恒温循环水槽；所述反应瓶包括竖直直型反应瓶、球型反应瓶和水平直型反应瓶，并且反应瓶上均开有输出管和输入管，通过硅胶管与所述恒温循环水槽相接，所述第一转接头、所述竖直直型反应瓶、所述球型反应瓶、所述取样瓶、所述水平直型反应瓶和所述第二转接头通过法兰片依次相接；所述乳胶仿生胃包括乳胶仿生胃体、乳胶仿生胃窦和乳胶仿生幽门，分别放置在所述竖直直型反应瓶、所述球型反应瓶和所述水平直型反应瓶内；所述球型反应瓶为一中空球体，所述中空球体上设有两个相互垂直的开口，两开口将所述中空球体的大圆分成一优弧和一劣弧，球型反应瓶的输入管和输出管在优弧上。

2.如权利要求1所述的胃体可视化仿生消化反应器，其特征在于，所述第一转接头和所述第二转接头均为中空半球体，在中空半球体的开口处均设有法兰片，所述第一转接头的弧顶设有输入管，所述第二转接头的弧顶设有输出管。

3.如权利要求1所述的胃体可视化仿生消化反应器，其特征在于，所述乳胶仿生胃窦两端各与一段乳胶管相通，两段乳胶管的端口分别从所述中空球体的两个开口处伸出而外翻，外翻露于法兰片外侧的乳胶管端部套在法兰片上。

4.如权利要求1所述的胃体可视化仿生消化反应器，其特征在于，所述取样瓶为一中空管体，其左右端开口处各设有一法兰片，侧身开有三个与中空管体垂直相通的玻璃管；其中两个玻璃管竖直且开口朝上，其端口设有外螺纹；另一个玻璃管水平设置，其端口设有磨口，磨口处塞有橡胶塞。

5.如权利要求1所述的胃体可视化仿生消化反应器，其特征在于，所述第一转接头、所述竖直直型反应瓶、所述球型反应瓶、所述取样瓶、所述水平直型反应瓶和所述第二转接头通过法兰片依次相接后，通过夹具夹紧相接的两个法兰片。

6.如权利要求1所述的胃体可视化仿生消化反应器，其特征在于，与所述竖直直型反应瓶、所述球型反应瓶和所述水平直型反应瓶的输入管连通的三根输入硅胶管汇合成一根总输入硅胶管，与所述恒温循环水槽的出水口连通，三根输入硅胶管上各设有一阀门，所述总输入硅胶管上设有齿轮泵。

7.如权利要求1所述的胃体可视化仿生消化反应器，其特征在于，并且所述竖直直型反应瓶竖直放置，所述水平直型反应瓶水平放置。

8.如权利要求1-7任一所述的胃体可视化仿生消化反应器，其特征在于，所述胃体可视化仿生消化反应器的各部件的材质均为玻璃。