CN209625582U - 一种半透膜法人体消化道模拟器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种半透膜法人体消化道模拟器，包括透析袋、反应罐和恒温震荡箱；反应罐设置在恒温震荡箱中，透析袋设置在反应罐中，且透析袋的上端与反应罐上端密封连接，使透析袋的外壁与反应罐的内壁之间围成独立密封的夹层空腔；反应罐上设有与消化液进口，消化液进口的输入端与消化液提供装置连通，输出端与夹层空腔连通；反应罐上还设有消化液出口，消化液出口的输入端与夹层空腔连通，输出端与消化液收集装置连通；反应罐上还设有物料进口，物料进口的输入端与食物提供装置连通，输出端与透析袋连通。本实用新型选用半透膜模拟人体细胞膜构造，同时模拟人体消化道的内环境，使消化道模拟器能真实反映食物被消化的过程。

Description

一种半透膜法人体消化道模拟器

技术领域

本实用新型属于食物消化吸收技术领域，具体为一种半透膜法人体消化道模拟器。

背景技术

消化系统由消化道和消化腺两部分组成。消化道起自口腔延续至咽、食道、胃、小肠、大肠、到肛门，是一条很长的肌性管道，其中经过的器官包括口腔、咽、食管、胃、小肠(十二指肠、空肠、回肠)及大肠(盲肠、结肠、直肠)等部分。食物的消化从口腔开始，食物在口腔内以机械性消化(食物被磨碎)为主。食物从食道进入胃后，即受到胃壁肌肉的机械性消化和胃液的化学性消化作用，此时，食物中的蛋白质被胃液中的胃蛋白酶(在胃酸参与下)初步分解，胃内容物变成粥样的食糜状态，小量多次通过幽门向十二指肠推送。食糜由胃进入十二指肠后，开始小肠内的消化。小肠是消化、吸收的主要场所。食物在小肠内受到胰液、胆汁和小肠液的化学性消化以及小肠的机械性消化，各种营养成分逐渐被分解为简单可吸收的小分子物质，在小肠内被吸收。因此，食物通过小肠后，消化过程已基本完成，只留下难于消化的食物残渣，从小肠进入大肠。

近年来，体外消化模型已被广泛应用到营养学、毒理学、生理学及微生物学等各领域以及食品、药品、保健品等各个行业，国内外对利用体外消化模型进行相关研究的认可度也越来越高，在食品营养吸收、药物代谢、污染物生物可及性、食品摄入安全评价等方面的应用越来越受到重视。体外模拟消化系统在食品工业方面，例如益生菌、益生元、生物活性肽、脂肪酶抑制剂、脂肪和胆固醇的粘合剂、抗氧化剂的开发和对潜在的食物过敏原、重金属等有毒化合物以及转基因产品的稳定性进行安全性分析上将发挥巨大优势。体外模型的主要研究有以下三个方面：一是不同消化器官的模拟研究，如口腔、胃、肠道等；二是不同器官的消化液的模拟研究，如酶、缓冲剂、盐离子、微生物培养基等；三是消化过程中机械动力与流质流体动力学的研究，如液体流速、流向、压力控制等。1993年，第一个人体多重消化模拟系统建立，1996年，Havenaar和Minekus研制出电控人体消化系统——胃肠道模拟消化系统(TNO)，该系统模拟了人体胃、小肠、结肠和直肠部位。近年来，为了尽可能真实得模仿消化环境，在2006年，Almaas等收集了从人体获得的胃液和十二指肠消化液用于实验，获得了不错的消化结果。与以往模拟成年人体胃肠道消化不同，Olivia等学者采用计算机软件控制模拟了猪幼崽体内的蛋白质消化过程，并将实验结果与体内实验作对比，发现了相似的结果，印证了体外模拟实验的可行性。在体外模拟中，主要测量的参数有代谢分子的消化率或者分解程度、样品稳定性、结构变化情况等。随着多重学科的相互支持，生物学、计算机学、化学等分析方法均可用于食品领域这个平台上来模拟体内环境的多样性。由此可见，体外模拟消化也在不断探索和完善之中，这个过程也将会使体内代谢研究从深不可测的神秘中逐渐走进人们了如指掌的领域。体外模拟消化相比于动物实验，具有更加可控、可重复、更接近人体真实情况等优点。

目前，已经公开的体外模拟消化器，是模拟胃消化器、小肠消化器和胃肠道消化器，这些已经公开的体外消化模拟装置均具有以下相似设计理念：模拟胃、小肠等不同消化道部位的核心部件均为数量不等的密闭反应器，通过向密闭反应器内添加不同的消化液、调控合适的pH值进而大致简单模拟人类及动物消化道的内环境。但是这些体外模拟消化器是将食物直接置于消化液中，即食物直接与消化液接触，而人体中消化液位于细胞中，食物并没有直接置于消化液中，而是消化液渗透细胞壁再与食物接触消化；可见现有的体外模拟消化器与实际的人体消化器官还是有很大区别，导致模拟结果不真实。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种半透膜法人体消化道模拟器，选用半透膜模拟人体细胞膜构造，同时模拟人体消化道的内环境，使消化道模拟器能真实反映食物被消化的过程。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种半透膜法人体消化道模拟器，包括透析袋、反应罐和恒温震荡箱；

反应罐设置在恒温震荡箱中，透析袋设置在反应罐中，且透析袋的上端与反应罐上端密封连接，使透析袋的外壁与反应罐的内壁之间围成独立密封的夹层空腔；

反应罐上设有与消化液进口，消化液进口的输入端与消化液提供装置连通，输出端与夹层空腔连通；反应罐上还设有消化液出口，消化液出口的输入端与夹层空腔连通，输出端与消化液收集装置连通；反应罐上还设有物料进口，物料进口的输入端与食物提供装置连通，输出端与透析袋连通。

优选的，反应罐上下两端开口，反应罐上开口端连接有第一末端连接机构，下开口端连接有第二末端连接机构；透析袋上下两端开口，上开口端通过第一末端连接机构与反应罐上开口端密封连接；透析袋的下开口端通过第二末端连接机构与反应罐下开口端密封连接。

进一步的，消化液进口设置在第一末端连接机构上，消化液出口设置在第二末端连接机构上。

优选的，消化液提供装置包括口腔消化液储存罐、胃消化液储存罐和小肠消化液储存罐；消化液收集装置包括口腔消化液收集罐、胃消化液收集罐和小肠消化液收集罐。

进一步的，还包括消化液输入泵和消化液输出泵；消化液进口的输入端通过消化液输入泵与口腔消化液储存罐、胃消化液储存罐和小肠消化液储存罐分别连通，且连通管道上均设有阀门；消化液出口的输出端通过消化液输出泵与口腔消化液收集罐、胃消化液收集罐和小肠消化液收集罐分别连通，且连通管道上设有阀门。

优选的，还包括物料输入泵，物料进口的输入端通过物料输入泵与食物提供装置连通。

优选的，反应罐内上下两端分别设有透析袋固定机构，用于支撑固定透析袋。

优选的，还包括控制器，恒温震荡箱内设置有用于测量夹层空腔内消化液温度的温度传感器，控制器与温度传感器和恒温震荡箱分别电连接。

优选的，反应罐为玻璃材质。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

与传统的食物直接接触消化器内反应液的体外模拟消化器不同，本实用新型中采用透析袋模拟人体细胞膜结构，消化液位于夹层空腔中，食物位于透析袋内，消化液从夹层空腔渗透到透析袋中，食物被消化酶分解所得的小分子物质和金属离子从透析袋内渗透到夹层空腔的消化液中，相当于人体消化器中消化液位于细胞膜内，而食物位于细胞膜外，接近人体真实消化状态，同时模拟人体消化道的内环境，模拟真实、重现性好，能够得到更加真实的结果；同时也适用于单消化系统的动物，实用性高。

进一步的，增设口腔消化体系，使体外模拟人体消化系统更加具体化，也能完整体现在口-胃-肠道的消化过程。

进一步的，采用透析袋固定机构支撑和固定透析袋，使透析袋在震荡过程中保持稳定。

附图说明

图1是本实用新型示意图。

其中，1是口腔消化液储存罐，2是胃消化液储存罐，3是小肠消化液储存罐，4是口腔消化液收集罐，5是胃消化液收集罐，6是小肠消化液收集罐，7是消化液进口，8是物料进口，9是透析袋固定机构，10是消化液出口，11是第一末端连接机构，12是第二末端连接机构，13是夹层空腔， 14是透析袋，15是反应罐，16是恒温震荡箱。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

如图1所示。本实用新所述的半透膜法人体消化道模拟器，包括口腔消化液储存罐1、胃消化液储存罐2、小肠消化液储存罐3、口腔消化液收集罐4、胃消化液收集罐5、小肠消化液收集罐6、消化液进口7、物料进口8、透析袋固定机构9、消化液出口10、第一末端连接机构11、第二末端连接机构12、透析袋14、反应罐15、恒温震荡箱16、控制器、物料输入泵和压力蠕动泵。

反应罐15设置在恒温震荡箱16中，反应罐15上下两端均开口设置，上开口端连接可旋紧的第一末端连接机构11，下开口端连接可旋紧的第二末端连接机构12。透析袋14设置在反应罐15中，且透析袋14的上端通过第一末端连接机构11与反应罐15上开口端密封连接，透析袋14的下端通过第二末端连接机构12与反应罐15下开口端密封连接；透析袋14的外壁与反应罐15的内壁之间围成独立的夹层空腔13。夹层空腔13用于容纳消化液，在不同的消化阶段会注入所对应的消化液来模拟内环境。透析袋14 的上下两端在反应罐15的开口处外翻。

第一末端连接机构11上设有消化液进口7，消化液进口7一端与夹层空腔13连通，另一端通过消化液输入泵与口腔消化液储存罐1、胃消化液储存罐2和小肠消化液储存罐3分别连通，且连通管道上均设有阀门。第二末端连接机构12上设有消化液出口10，消化液出口10的一端与夹层空腔 13连通，另一端通过消化液输出泵与口腔消化液收集罐4、胃消化液收集罐5和小肠消化液收集罐6分别连通，且连通管道上设有阀门。第一末端连接机构11上还设有物料进口8，物料进口8一端与透析袋14连通，另一端通过物料输入泵与物料罐连通。

口腔消化液储存罐1储存口腔消化液，胃消化液储存罐2储存胃消化液，小肠消化液储存罐3储存小肠消化液，口腔消化液收集罐4收集经模拟器消化后的口腔消化液，胃消化液收集罐5收集经模拟器消化后的胃消化液，小肠消化液收集罐6收集经模拟器消化后的小肠消化液。

透析袋14模拟人体细胞膜，为使消化酶与食物充分反应，将食物以及各消化阶段所对应的生物酶等生物大分子样品溶液通过物料进口8加入透析袋14内，夹层空腔13中通入各阶段消化液，生物大分子样品溶液中的生物大分子被截留在透析袋14内，被消化酶分解所得的小分子物质和重金属离子不断扩散到透析袋14外。

反应罐15内上端开口处设有可通过旋转改变孔径大小的透析袋固定机构9，用于支撑和固定透析袋14。透析袋固定机构9具体采用虹膜式光圈结构。

恒温震荡箱16内设置有用于测量消化液温度的温度传感器，控制器与温度传感器和恒温震荡箱16分别电连接。控制器设定恒温震荡箱16内消化液温度的目标值、最大值和最小值，由温度传感器检测恒温震荡箱16内温度并传送给控制器，若检测到的温度低于预设的最小值，则控制器控制恒温震荡箱16加热直至达到预设的目标值；若检测到的温度温度高于预设的最大值，则控制器控制恒温震荡箱停止加热。消化过程中，控制器控制恒温震荡箱16保持恒温37℃和持续震动状态。

控制器还与物料输入泵、消化液输入泵和消化液输出泵分别电连接，以控制物料输入泵、消化液输入泵和消化液输出泵的动作。

本实施例中透析袋14为高稳定性、高透明度的半透膜；反应罐15为圆柱形罐；反应罐15为新型耐高温耐高压的玻璃材质。

本实用新型的工作原理为：模拟人体口腔—胃—肠道消化过程时，物料输入泵将食物样品和生物酶通过物料进口8注入透析袋14中，恒温震荡箱 16控制夹层空腔13内温度和震荡，以模拟人体内环境温度和消化器官的消化蠕动；第一消化阶段：开启消化液输入泵将口腔消化液储存罐1中的口腔消化液注入夹层空腔13中，食物在反应罐15内与口腔消化液充分反应后，消化液输出泵启动，将消化后的口腔消化液排出至口腔消化液收集罐4中；第二消化阶段：开启消化液输入泵将胃消化液储存罐2中的胃消化液注入夹层空腔13中，食物在反应罐15内与胃消化液充分反应后，消化液输出泵启动，将消化后的胃消化液排出至胃消化液收集罐5中；第三消化阶段：开启消化液输入泵将小肠消化液储存罐3中的小肠消化液注入夹层空腔13中，食物在反应罐15内与小肠消化液充分反应后，消化液输出泵启动，将消化后的小肠消化液排出至小肠消化液收集罐6中；停止恒温震荡箱16工作，从而完成了消化过程；各阶段消化后收集的消化液用于各类分析研究。

Claims (9)

1.一种半透膜法人体消化道模拟器，其特征在于，包括透析袋(14)、反应罐(15)和恒温震荡箱(16)；

反应罐(15)设置在恒温震荡箱(16)中，透析袋(14)设置在反应罐(15)中，且透析袋(14)的上端与反应罐(15)上端密封连接，使透析袋(14)的外壁与反应罐(15)的内壁之间围成独立密封的夹层空腔(13)；

反应罐(15)上设有与消化液进口(7)，消化液进口(7)的输入端与消化液提供装置连通，输出端与夹层空腔(13)连通；反应罐(15)上还设有消化液出口(10)，消化液出口(10)的输入端与夹层空腔(13)连通，输出端与消化液收集装置连通；反应罐(15)上还设有物料进口(8)，物料进口(8)的输入端与食物提供装置连通，输出端与透析袋(14)连通。

2.根据权利要求1所述的半透膜法人体消化道模拟器，其特征在于，反应罐(15)上下两端开口，反应罐(15)上开口端连接有第一末端连接机构(11)，下开口端连接有第二末端连接机构(12)；透析袋(14)上下两端开口，上开口端通过第一末端连接机构(11)与反应罐(15)上开口端密封连接；透析袋(14)的下开口端通过第二末端连接机构(12)与反应罐(15)下开口端密封连接。

3.根据权利要求2所述的半透膜法人体消化道模拟器，其特征在于，消化液进口(7)设置在第一末端连接机构(11)上，消化液出口(10)设置在第二末端连接机构(12)上。

4.根据权利要求1所述的半透膜法人体消化道模拟器，其特征在于，消化液提供装置包括口腔消化液储存罐(1)、胃消化液储存罐(2)和小肠消化液储存罐(3)；消化液收集装置包括口腔消化液收集罐(4)、胃消化液收集罐(5)和小肠消化液收集罐(6)。

5.根据权利要求4所述的半透膜法人体消化道模拟器，其特征在于，还包括消化液输入泵和消化液输出泵；消化液进口(7)的输入端通过消化液输入泵与口腔消化液储存罐(1)、胃消化液储存罐(2)和小肠消化液储存罐(3)分别连通，且连通管道上均设有阀门；消化液出口(10)的输出端通过消化液输出泵与口腔消化液收集罐(4)、胃消化液收集罐(5)和小肠消化液收集罐(6)分别连通，且连通管道上设有阀门。

6.根据权利要求1所述的半透膜法人体消化道模拟器，其特征在于，还包括物料输入泵，物料进口(8)的输入端通过物料输入泵与食物提供装置连通。

7.根据权利要求1所述的半透膜法人体消化道模拟器，其特征在于，反应罐(15)内上下两端分别设有透析袋固定机构(9)，用于支撑固定透析袋(14)。

8.根据权利要求1所述的半透膜法人体消化道模拟器，其特征在于，还包括控制器，恒温震荡箱(16)内设置有用于测量夹层空腔(13)内消化液温度的温度传感器，控制器与温度传感器和恒温震荡箱(16)分别电连接。

9.根据权利要求1所述的半透膜法人体消化道模拟器，其特征在于，反应罐(15)为玻璃材质。