使用普通豆（Phaseolus vulgaris L.）作为模型，比较了具有不同复杂性和样品质量要求的模拟胃肠道消化平台

《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Comparison of simulated gastrointestinal digestion platforms with varying complexity and sample mass requirements, using common bean (Phaseolus vulgaris L.) as a model

本研究开发了四种模拟胃消化模型（静态、PS、简化HGS和全HGS），并比较了其在豆类样品中的营养素释放效果。结果表明，动态模型（PS和简化HGS）比静态模型显著提高了淀粉和蛋白质的水解率，其中简化HGS在240分钟消化时间点与全HGS无显著差异。基因型与环境因素（如Davis和Pescadero的生长环境）对总酚类和抗氧化能力有显著影响，UC Southwest Red在Davis环境下蛋白质水解效率更高。动态模型的高通量和小样本特性使其适用于植物育种和食品开发中的高通量测试。

　　### 生物可利用营养素测量在植物育种与食品开发中的重要性

在植物育种和食品产品开发过程中，测量生物可利用营养素水平仍然是一个关键挑战。生物可利用营养素指的是在消化过程中被释放到消化道液体中并可供人体吸收的营养物质。这种测量不仅影响对作物营养品质的理解，也对优化食品配方和提高人体营养摄入具有重要意义。然而，传统方法通常依赖于复杂的实验设计，需要较大的样本量，且往往难以准确反映人体消化过程的动态特性。因此，开发一种更符合生理条件、操作简便且适合小样本量的模拟消化方法，对于推动植物育种和食品工业的发展具有重要价值。

为了应对这一挑战，本研究首先探讨了四种模拟胃部消化模型与静态小肠阶段的组合，旨在评估其在小样本量条件下的表现。这些模型包括三种动态模型和一种静态模型。动态模型通过模拟胃部的蠕动收缩以及消化液的分泌和流动，能够更真实地反映人体胃部的物理和生化过程。相比之下，静态模型仅通过混合和震荡的方式进行消化，未能充分模拟胃部的动态特性。研究结果表明，即使是最简单的动态模型，其在某些关键营养素（如淀粉和蛋白质水解、总酚类物质和抗氧化能力）的生物可利用性方面也优于静态模型。这一发现为动态模拟消化方法在高通量研究中的应用提供了支持。

此外，本研究还关注了常见豆类（*Phaseolus vulgaris* L.）样本的生物可利用营养素水平，特别是那些在基因型和生长环境上具有不同种皮颜色和酚类物质特征的样本。种皮颜色与植物中的酚类物质密切相关，而酚类物质不仅是植物中数量最多的代谢物之一，还在营养吸收、抗氧化能力和健康效应方面具有重要作用。因此，研究不同基因型和生长环境对生物可利用营养素释放的影响，有助于理解植物在不同条件下的营养价值变化，并为育种工作提供数据支持。

### 模拟消化方法的比较与选择

在本研究中，四种模拟消化方法被用于评估生物可利用营养素的释放情况。静态模型的性能相对较弱，因为它无法模拟胃部的动态过程，如蠕动收缩和消化液的持续分泌。相比之下，动态模型能够更好地还原人体胃部的复杂环境，从而提高营养素的释放效率。然而，动态模型通常需要更大的样本量，这对研究机构来说可能是一项挑战。因此，研究团队开发了多种动态模型，以在保持高模拟度的同时，提高操作的便利性和效率。

其中，一种动态多通道蠕动模拟器（PS）被设计为能够同时处理12个样本，这使得其在高通量研究中具有显著优势。而另一种称为“人类胃部模拟器”（HGS）的模型则具有更复杂的模拟功能，包括动态分泌模拟胃液和胃排空模拟。HGS还能够对不同时间点的胃内容物进行分析，从而提供更详细的消化过程信息。研究发现，HGS在模拟胃部消化方面表现最佳，能够显著提高营养素的释放量，尤其是在淀粉和蛋白质水解方面。然而，由于其较高的样本要求，HGS可能不适用于处理大量小样本的情况。相比之下，PS在保持模拟精度的同时，降低了对样本量的需求，使其更适合高通量分析。

在实际操作中，模拟胃部消化的条件被严格控制，以确保与人体消化过程尽可能相似。例如，所有消化液在实验前均被调节至37°C，并在实验当天进行温控处理。同时，模拟胃液的pH值也被调整，以模拟人体胃部环境的变化。这些细节对于确保实验结果的可靠性至关重要。

### 模拟消化对生物可利用营养素释放的影响

研究发现，不同模拟消化方法对营养素的释放程度存在显著差异。例如，在胃部消化阶段，HGS和PS在某些营养素的释放量上明显高于静态模型。这表明，动态模型在模拟胃部蠕动和消化液分泌方面具有更高的再现性，从而能够更准确地反映营养素在人体内的释放过程。此外，研究还发现，不同基因型和生长环境的样本在生物可利用营养素的释放方面也存在差异。例如，UC Southwest Red和UC Southwest Gold这两个品种在不同生长环境下表现出不同的种皮颜色特征，这可能进一步影响其酚类物质的释放和吸收。

值得注意的是，尽管HGS和PS在模拟胃部消化方面表现良好，但它们在小肠阶段的表现并不完全一致。HGS在小肠阶段的营养素释放能力更强，而PS则在某些方面表现出更高的效率。这种差异可能源于不同模型在模拟消化过程中的物理和化学条件设置。例如，HGS的胃排空模拟使得营养素在小肠中更充分地释放，而PS则通过更高效的混合和流动模拟提高了消化效率。这些结果表明，模拟消化方法的选择需要根据研究目标和样本量来权衡。

### 生物可利用营养素的定量分析

为了评估不同模拟消化方法对生物可利用营养素释放的影响，研究团队采用了一系列定量分析方法。其中包括总酚类物质（TPC）和抗氧化能力（FRAP）的测定，以及淀粉和蛋白质水解的评估。这些分析方法在实验过程中被优化，以确保其在不同时间点的准确性。例如，在模拟胃部消化结束后，消化液被收集并用于后续的小肠阶段分析，而消化过程中的酶活性则通过加入碳酸钠溶液和低温保存来终止。

研究结果表明，TPC和FRAP的释放量在模拟胃部和小肠阶段均受到消化方法的影响。其中，HGS和PS在某些时间点表现出更高的TPC和FRAP值，而静态模型则相对较低。这一现象可能与模拟胃部蠕动和消化液流动的动态特性有关，因为这些过程能够更有效地释放酚类物质和其他营养素。此外，研究还发现，某些酚类物质（如卡姆费罗尔3-葡萄糖苷）在特定条件下表现出更高的生物可利用性，这为后续研究提供了新的方向。

### 营养素释放与植物特性之间的关系

本研究进一步探讨了植物特性（如种皮颜色、酚类物质组成）与生物可利用营养素释放之间的关系。结果表明，种皮颜色与酚类物质含量之间存在显著相关性，尤其是在不同生长环境下。例如，UC Southwest Red和UC Southwest Gold在不同地点种植时，其种皮颜色和酚类物质水平存在差异。这可能意味着，植物的遗传背景和生长环境共同决定了其在消化过程中的营养素释放能力。

此外，研究还发现，某些营养素（如蛋白质和淀粉）的释放受到消化方法的显著影响。例如，在胃部阶段，HGS和PS能够更有效地促进蛋白质和淀粉的水解，而在小肠阶段，这些营养素的释放能力则进一步提高。这表明，模拟消化方法不仅能够反映胃部环境，还能够准确预测营养素在小肠中的吸收情况。

### 模拟消化方法在植物育种中的应用前景

本研究的成果对于植物育种和食品开发具有重要意义。首先，它表明动态模拟消化方法在小样本量条件下仍能有效评估营养素的生物可利用性。这一发现为植物育种者提供了新的工具，使他们能够在不依赖大规模样本的情况下，对作物的营养特性进行更精确的分析。其次，研究结果揭示了不同基因型和生长环境对营养素释放的影响，这有助于优化育种策略，以提高作物的营养价值。

此外，研究还强调了模拟消化方法在食品开发中的应用潜力。例如，PS作为高通量模型，能够在不牺牲模拟精度的前提下处理更多的样本，这使得其成为食品行业进行大规模营养评估的理想选择。同时，HGS虽然在模拟精度上具有优势，但其对样本量的要求较高，限制了其在某些研究场景中的应用。因此，未来的研究需要进一步优化这些模型，以满足不同实验需求。

### 模拟消化方法的局限性与未来研究方向

尽管本研究在模拟消化方法的比较和应用方面取得了重要进展，但仍存在一些局限性。例如，模拟消化方法在某些营养素的释放预测上可能存在偏差，尤其是在酚类物质的释放方面。这可能是因为模拟消化过程未能完全复制人体消化中的复杂化学反应，或者某些实验条件（如pH值、温度）与实际消化环境存在差异。此外，研究中使用的样本量较小，这可能影响结果的代表性，尤其是在某些营养素的提取和分析方面。

为了克服这些局限性，未来的研究可以考虑使用更广泛的样本来源，并结合多种分析方法（如质谱技术）来提高模拟消化的准确性。同时，研究还可以扩展到更多种类的植物和食品，以验证模拟消化方法的普适性。此外，进一步优化模拟消化模型的设计，使其能够更好地模拟人体消化的动态过程，也将是未来研究的重要方向。

### 结论

本研究通过比较不同模拟消化方法，揭示了动态模型在提高生物可利用营养素释放方面的优势。同时，研究还发现，植物的基因型和生长环境对营养素的释放具有显著影响，这为植物育种和食品开发提供了重要的理论依据。动态模拟消化方法不仅能够更准确地预测营养素的生物可利用性，还能够支持高通量研究，这对于处理大量样本的育种和食品开发项目具有重要意义。未来的研究应进一步优化这些模型，并探索其在不同植物和食品中的应用潜力，以更好地满足营养评估的需求。