全自动口胃肠体外模拟系统的制作方法

1.本发明属于生物学技术领域，具体涉及一种全自动口胃肠体外模拟系统。


背景技术：

2.通过对食物中的营养物质进行生物可给性研究可确定其营养物质可被机体吸收的能力，是营养科学领域重要的研究内容。生物可给性研究通常通过动物或人体的进行活体实验，但研究时间长，费用高，且对人体进行活体实验存在一定的风险和伦理道德问题，目前此方面的研究较少。而另外一种研究方法则是通过模拟配制人体的消化液，如唾液、胃液、肠液等和人体消化道的相关消化过程，如口、食管、胃和小肠等。将被检测的食物加入到消化液中，在模拟人体消化的条件下反应对应时间，反应结束后释放到消化液中的营养物质的量和加入的总量之比即为该营养物质的生物可给性。这种方法具有操作简单、时间短、费用少、所需实验空间小和实验结果重复性好等优点，成为目前研究生物可给性的主要研究方法。
3.通过模拟食物在人体胃肠中消化过程，测定食物中有效成分在胃肠中释放进入胃液或肠液的量，可评价食物中有效成分潜在的吸收能力，但目前通常采用静态胃肠模型，使用rc-8型药物溶出仪小杯法进行人工模拟，但人工口胃肠模拟实验繁琐复杂，耗时耗力，很难实现各环节反应条件的精准把控。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种全自动口胃肠体外模拟系统，以更好地对口胃肠进行体外模拟实验，通过测定食物中有效成分在胃肠中释放进入胃液或肠液的量，评价食物中有效成分潜在的吸收能力。该装置具有操作简单、精准省力、应用广泛的优点。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种全自动口胃肠体外模拟系统，包括至少一个口胃肠体外连续模拟装置；所述口胃肠体外连续模拟装置包括反应区及前置液体区；
6.所述反应区包括：
7.口腔模拟单元，其包括口腔反应器；
8.胃模拟单元，其包括胃反应器，所述胃模拟单元与口腔模拟单元连接；
9.肠道模拟单元，其包括肠道反应器，所述肠道模拟单元与胃模拟单元连接；
10.所述前置液体区包括前置液体单元；
11.所述前置液体单元包括至少六个液体罐，所述前置液体单元与口腔模拟单元、胃模拟单元及肠道模拟单元分别连接。
12.优选地，其中所述口胃肠体外连续模拟装置的数量为至少两个，至少两个所述口胃肠体外连续模拟装置为水平并列分布。
13.优选地，其中所述口腔模拟单元、胃模拟单元及肠道模拟单元为由上至下垂直连接分布。
14.优选地，其中还包括控制单元，所述控制单元与口腔模拟单元、胃模拟单元、肠道模拟单元及前置液体单元分别连接。
15.优选地，其中所述口腔反应器、胃反应器及肠道反应器均为中空圆柱型结构，其包括玻璃本体及包覆于所述玻璃本体外周的电热丝加热层，所述玻璃本体与电热丝加热层之间设置有温度传感器。
16.优选地，其中所述口腔反应器、胃反应器及肠道反应器的顶部均设置有进料口，所述口腔反应器、胃反应器及肠道反应器的底部均设置有出料口。
17.优选地，其中所述口腔反应器的出料口与胃反应器的进料口连接为一体，所述胃反应器的出料口与肠道反应器的进料口连接为一体。
18.优选地，其中所述口腔反应器、胃反应器及肠道反应器三者的连接处设置有电磁阀。
19.优选地，其中所述口腔反应器及肠道反应器的一侧分别设置有注液口，所述胃反应器及肠道反应器的另一侧分别设置有取液口。
20.优选地，其中所述前置液体单元包括唾液罐、胃液罐、肠液罐、酸液罐、碱液罐及备液罐，均为有机玻璃材质。
21.优选地，其中所述唾液罐、胃液罐、肠液罐、酸液罐、碱液罐及备液罐的底部开设有出口，所述出口通过软管与所述口腔反应器及肠道反应器的注液口连接，所述软管上设有蠕动泵。
22.优选地，其中所述唾液罐、胃液罐、肠液罐、酸液罐、碱液罐及备液罐放置于水罐中，所述水罐内设置有加热器及温度传感器。
23.优选地，其中所述口腔反应器、胃反应器及肠道反应器内均设置有搅拌器；所述肠道反应器内还设有ph传感器。
24.优选地，其中所述控制单元为多模块集成的结构。
25.优选地，其中所述控制单元包括控制器，所述控制器包括温度控制模块、体积控制模块、ph控制模块及搅拌器控制模块，所述温度控制模块与温度传感器和加热器电连接，所述体积控制模块与蠕动泵、电磁阀电连接，所述ph控制模块与ph传感器和体积控制模块电连接，所述搅拌器控制模块与搅拌器电连接。
26.相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
27.本发明所述的全自动口胃肠体外模拟系统，规避了活体实验成本高、风险高、周期长的问题，同时也解决了人工模拟实验费时费力，精准度低的问题。其利用工业自动化设备代替人工自动模拟消化系统，可精确控制人体体温、酸碱度等条件，模拟口胃肠反应过程，减轻实验人员负担，也使得实验数据更为精准，可以很好地对食物中营养物进行生物可给性评价与分析。
28.本发明所述的全自动口胃肠体外模拟系统，其可模拟消化系统的温度和ph环境，实现口腔-胃-肠道模拟器皿的样品转移，口腔唾液、胃液、肠液等精确加样、设定时间自动取样及一键排水(管道清洗)、自动清洗(反应器清洗)等系列功能。而且该全自动口胃肠体外模拟系统具有操作简单、精准省力、应用广泛的优点。
29.本发明所述的全自动口胃肠体外模拟系统，设置有6路并行的连续模拟装置，具有良好的仿生结构设计，可同时开展6组模拟实验，以满足样本量较大的实验需求；设备各项
参数设置自由度较高，并预留备用液体罐，可满足进一步的探索性试验需求；与此同时，该装置设有管道、反应器一键清洗功能，反应罐也为可拆卸结构，整体上具有良好的实用性和应用潜力。
附图说明
30.图1为本发明实施例的全自动口胃肠体外模拟系统的结构示意图；
31.其中，口腔反应器-1；胃反应器-2；肠道反应器-3；唾液罐-4；胃液罐-5；肠液罐-6；酸液罐-7；碱液罐-8；备液罐-9；水罐-10；11-进料口；出料口-12；注液口-13；取液口-14；温度传感器-15；ph传感器-16；搅拌器-17；加热器-18；电热丝加热层-19。
具体实施方式
32.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的全自动口胃肠体外模拟系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
33.若没有特殊说明，所涉及的组分均为本领域技术人员熟知的市售商品，若没有特殊说明，所涉及的方法皆为常规方法。
34.实施例1
35.如图1所示，本发明的实施例提供了一种全自动口胃肠体外模拟系统，包括六个口胃肠体外连续模拟装置；
36.所述口胃肠体外连续模拟装置包括反应区100及前置液体区200；
37.所述反应区100包括：
38.口腔模拟单元，其包括口腔反应器1；
39.胃模拟单元，其包括胃反应器2，所述胃模拟单元与口腔模拟单元连接；
40.肠道模拟单元，其包括肠道反应器3，所述肠道模拟单元与胃模拟单元连接；
41.所述前置液体区200包括前置液体单元；
42.所述前置液体单元六个液体罐，所述前置液体单元与口腔模拟单元、胃模拟单元及肠道模拟单元分别连接。
43.在上述的技术方案中，六个所述口胃肠体外连续模拟装置为水平并列分布。考虑到常规实验的需要，一般设置六个口胃肠体外连续模拟装置同时运行，这样可以同时测六个样品。
44.此处需要说明的是，所述口腔模拟单元、胃模拟单元及肠道模拟单元为由上至下垂直连接分布，如此更符合人体口胃肠的相对位置结构，同时节省空间，可预留多路连续模拟装置。
45.根据本发明实施例，所述口胃肠体外连续模拟装置还可以包括控制单元，所述控制单元与口腔模拟单元、胃模拟单元、肠道模拟单元及前置液体单元分别连接，通过控制模块精准调控反应器的温度和ph环境，模拟口腔-胃-肠道模拟器皿的样品转移，口腔唾液、胃液、肠液等精确加样，并实现自动取样等各项功能。其中，六个所述口胃肠体外连续模拟装
置，可独立执行工作命令，但共用一个控制单元。
46.此外，所述口腔反应器1、胃反应器2及肠道反应器3均为中空圆柱型结构，其可以包括玻璃本体及包覆于所述玻璃本体外周的电热丝加热层19，所述玻璃本体与电热丝加热层19之间设置有温度传感器15，中空圆柱玻璃容器可作为良好的反应容器，而外包设有温度传感器的加热层，可精准升温控温，维持特定的反应温度(37℃)。作为示例，所述口腔反应器1的体积可以为0.25l，胃反应器2的体积可以为1.5l，肠道反应器3的体积可以为2l。
47.具体实施时，所述口腔反应器1、胃反应器2及肠道反应器3的顶部均设置有进料口11，所述口腔反应器1、胃反应器2及肠道反应器3的底部均设置有出料口12。所述口腔反应器1的出料口12与胃反应器2的进料口11连接为一体，所述胃反应器2的出料口12与肠道反应器3的进料口11连接为一体，如此更为节省空间，同时可借助重力实现反应器之间反应物的转移，并实现反应过程的连续模拟。
48.进一步的，所述口腔反应器1、胃反应器2及肠道反应器3三者的连接处可以设置有电磁阀，如此可精准控制反应物在不同反应器之间转移时的速率。
49.另外，所述口腔反应器1及肠道反应器3的一侧分别设置有注液口13，所述胃反应器2及肠道反应器3的另一侧分别设置有取液口14，借助注液口可向反应器注入相应的液体，以模拟反应的液体环境，并借助取液口在特定时间进行取样，通过测定食物中有效成分在胃肠中释放进入胃液或肠液的量，评价食物中有效成分潜在的吸收能力。
50.在本发明实施例的技术方案中，所述前置液体单元包括唾液罐4、胃液罐5、肠液罐6、酸液罐7、碱液罐8及备液罐9，均为有机玻璃材质，可拆卸清洗、更换溶液。作为示例，所述唾液罐4的体积可以为1l，胃液罐5的体积可以为5l，所述肠液罐6的体积可以为5l，所述酸液罐7的体积可以为1l，所述碱液罐8的体积可以为1l，所述备液罐9的体积可以为1l。另所述唾液罐4、胃液罐5、肠液罐6、酸液罐7、碱液罐8及备液罐9放置于水罐10中，在唾液罐4、胃液罐5、肠液罐6、酸液罐7、碱液罐8及备液罐9外设置固定式套杯(可拆卸)，避免液体罐外壁与水罐中水直接接触；所述水罐内设置有加热器18(例如可以为双u型不锈钢电热管)及温度传感器15，水罐10的体积可以为20l，一方面可以用于清洗，另一方面充当加热罐体，加热前述各罐，使得其温度保持在37℃左右。
51.具体地，所述唾液罐4、胃液罐5、肠液罐6、酸液罐7、碱液罐8及备液罐9的底部开设有出口，所述出口通过软管与所述口腔反应器1及肠道反应器3的注液口13连接，所述软管上设有蠕动泵，通过蠕动泵可向反应器中定量注入反应液体，进而精准模拟反应条件。例如，所述软管可以为耐酸碱特制氟胶管等。
52.另外，所述口腔反应器1、胃反应器2及肠道反应器3内均设置有搅拌器17，其从反应器侧方接入；所述肠道反应器3内还设有ph传感器16，其从反应器侧方接入，如此可充分利用装置空间，同时模拟口腔咀嚼、胃肠蠕动消化功能，并精准调控肠道的酸碱环境。
53.具体实施时，所述控制单元为多模块集成的结构，由中央处理器接受并处理控制模块的信号，发出工作指令，执行各项流程；所述控制单元可以包括显示屏、中央处理器、控制器及其配套的数字量输出、数字量输入、模拟量输入模块，所述控制器可以包括温度控制模块、ph控制模块、体积控制模块及搅拌器控制模块，所述温度控制模块与温度传感器通过导线电连接，将实时采集的温度数据经过外部世界模拟信号和控制器连接的a/d转换后，传输到控制器的计算单元，经过与温度设定值比较将模拟信号转换为可识别的数字信号，并
通过命令识别控制程序传输到控制单元的中央处理器，所述的中央处理器发出命令控制对应的加热机构(例如水罐内的加热器18及电热丝加热层19)工作，从而改变各反应器或前置罐的液体温度；所述ph控制模块与ph传感器16通过导线电连接，将实时采集的ph数据经过可将外部世界模拟信号和控制器连接的a/d转换后，传输到控制器的计算单元，经过与ph设定值比较后将模拟信号转换为可识别的数字信号，并通过命令识别控制程序传输到中央处理器，所述的中央处理器发出命令控制酸液或碱液蠕动泵工作，所述酸液蠕动泵与调ph值的酸液罐7连接，碱液蠕动泵与调ph值的碱液罐8连接；所述体积控制模块与蠕动泵、电磁阀通过导线电连接，根据设定值控制蠕动泵内流体的速度，由中央处理器发出命令控制各前置罐液体的蠕动泵工作；所述搅拌器控制模块与搅拌器17通过导线电连接，由中央处理器发出命令控制各搅拌器对应的电机工作。
54.具体实施时，所述显示屏上还分别设有自动清洗触摸按键及一键排水触摸按键，所述自动清洗触摸按键与水罐10、电磁阀、蠕动泵、搅拌器17以及体积控制模块连接，以实现一键清洗功能；所述一键排水触摸按键与水罐10、电磁阀、蠕动泵以及体积控制模块连接，以实现一键排水功能。
55.上述全自动口胃肠体外模拟系统的反应温度、注液量、取液量、反应时间、取样时间、ph、搅拌时间、速率均可于操作端灵活设定，参数设定完成，人工投料后可一键自动执行工作流程。
56.所述全自动口胃肠体外模拟系统的反应温度可由用户在0-60℃范围自行设置，默认值37℃，搅拌速率默认值为200r/min。
57.所述的口腔反应器1的注液量可设范围为5-100ml，默认值为50ml，选项间隔为5ml，口反应时间可设范围为0-60min，默认值为5min，选项间隔为1min。
58.所述的胃反应器2的注液量可设范围为50-500ml，默认值为250ml，选项间隔为50ml(胃液由口反应器分三次注入)；胃反应时间可设范围为0-180min，默认值为120min，选项间隔为10min，胃反应取样时间可自行设置(小于反应时间)，不超过20次，选项间隔为5min，取液量默认值为5ml，胃反应阶段ph默认值为4，可自行调节，选项间隔为0.1。
59.所述肠液反应器3的注液量可设范围为50-1000ml，默认值为500ml，选项间隔为50ml，肠反应时间可设范围为0-24h，默认值为7h，选项间隔为0.5h，肠反应取样时间可自行设置(小于反应时间)，不超过20次，选项间隔为5min，取液量默认值为5ml，肠反应阶段ph默认值为7，可调节，选项间隔为0.1。
60.所述全自动口胃肠体外模拟系统除基本工作流程外，还具有一键清洗功能，进料口人工加入清洁剂(例如市售的洗洁精)后由中央处理器发出命令配合体积控制模块执行反应器清洗流程。配合体系控制模块和搅拌器控制模块，清洗水由口腔反应器1的注液口13分次注入，单次清洗默认时间为5min，默认次数为3次，执行程序完成三个反应器的清洗。
61.所述全自动口胃肠体外模拟系统除工作流程、清洗外，还具有一键排水功能，水罐10人工加入纯水后由中央处理器发出命令配合体积控制模块发出命令执行导管清洗流程。
62.上述全自动口胃肠体外模拟系统的使用方法，包括以下步骤：
63.1.启动系统：打开“电源”；
64.2.设置参数，点击“开始”；
65.3.温度控制模块工作，待稳定至反应温度，系统提示“请添加待评估样品”；
66.4.点击“完成加样，开始工作”；
67.5.系统运行，自动完成口、胃、肠道三个连续模拟反应过程以及样液采集；
68.6.系统提示“反应结束”，点击“结束流程”，排出反应样品；
69.7.点击“一键排水”，运行完毕，系统提示“排水完成”；
70.8.点击“自动清洗”，运行完毕，系统提示“清洗完成”；
71.9.关闭装置：关闭“电源”。
72.实施例2实施例1的全自动口胃肠体外模拟系统的模拟效果评估
73.本实施例对市售的富硒玉米粉进行口胃肠体外模拟，评估全自动口胃肠体外模拟系统的模拟效果。
74.1.配置前置罐液体
75.唾液配制：准确称取0.4g nacl，0.4g nacl，0.795g cacl2·
2h2o，0.78gna2hpo4·
2h2o，0.005g na2s
·
2h2o，1g ch4n2o溶解于纯水中并定容至1000ml。
76.胃液配制：准确称取1g胃蛋白酶，3g nacl，5g khco3溶解于纯水中并定容至1000ml。
77.肠液配制：准确称取0.9g胰酶，6g胆盐，0.9g nahco3溶解于纯水中并定容至1000ml。
78.酸液配制：精准量取98wt％的h2so
4 28ml溶解于纯水中并定容至1000ml。
79.碱液配制：准确称取naoh 40g溶解于纯水中并定容至1000ml。
80.2.启动系统，设定参数，待温度稳定至预设温度37℃。
81.3.向进料口投入15g富硒玉米粉样品(该实验样品为湖北恩施富硒特产，在淘宝店铺(巴东神农溪林间山货铺)采购，该玉米在湖北恩施州富硒土壤上种植，硒含量范围是0.48～12.75mg/kg)。
82.4.一键启动，执行口胃肠三级连续模拟流程，并完成自动取样。
83.5.将取得的样品溶液在5000转离心10min后取上清液过0.45微米水洗膜(市购)，4℃保存用于总硒测定样品硒含量(国家标准《食品中硒的测定gb5009.93-2017》)，计算分析口胃肠三个模拟阶段食物溶出液中硒含量的变化，进行生物可给性评价(体外口胃肠模拟实验中的生物可给性指的是通过模拟食物在人体口胃肠中消化过程，食物中有效成分在胃肠中释放进入胃液或肠液的量，可反应食物中有效成分潜在的吸收能力)。
84.6.经检测，该玉米粉样品总硒浓度4.47mg/kg，15g样品中总硒含量为67.05微克，胃反应阶段0.5h、1.0h、2.0h所取得的样品溶液的总硒浓度经体积折算，实际溶出的硒含量分别为30.84、37.28、43.05微克，对应的生物可给性分别为46.0％、55.6％、64.2％，结果表明，富硒玉米粉中硒的生物可给性在胃阶段呈现随时间线性上升的趋势，至口、胃反应阶段结束，生物可给性达到64.2％；肠反应阶段0.5h、1.0h、2.0h、4.0h、6.0h所取得的样品溶液的总硒浓度经体积折算，实际溶出的硒含量分别为51.83、54.98、52.63、51.23、53.17微克，对应的生物可给性分别为77.3％、82.0％、78.5％、76.4％、79.3％。结果表明，富硒玉米中硒生物可给性在进入肠阶段后迅速上升，但在整个肠阶段变化不大，说明在胃阶段不易被消化的成分在进入肠阶段可在0.5h内得到很好的消化溶出，肠消化模拟阶段结束时生物可给性达到80.2％。此结果与人工口胃肠模拟实验结果基本接近。
85.7.排出食物残渣，执行一键排水命令。
86.8.实验完毕，执行一键清洗命令。
87.9.关闭系统。
88.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
89.可以理解的是，上述装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。
90.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。