维生素D3在肠道体外消化过程中的浓度行为：实验与动力学建模研究

《Journal of Agriculture and Food Research》：Vitamin D 3 concentration behavior during intestinal in vitro digestion: an experimental and kinetic modelling approach

　　

维生素D₃在肠道体外消化过程中的浓度行为：一种实验与动力学建模方法
•初始浓度不影响维生素D₃的生物可及性特征
•最低初始浓度显示出最高的生物可及性
•除10 μg/mL外，所有初始浓度的生物可及性相似
•释放、脂解和胶束化被结合用于描述生物可及性

维生素D₃（胆钙化醇）是人体必需的脂溶性微量营养素，其生物可及性受胃肠道条件与食物基质组成共同影响。作为亲脂性化合物，维生素D₃必须从食物基质中释放、进入膳食脂肪相，并在肠道消化过程中掺入由胆汁盐、脂解产物、胆固醇和磷脂组成的混合胶束才能被吸收。因此，明确其释放轮廓和胶束掺入行为对于开发具有可控释放、高稳定性和高生物可及性的补充剂及强化食品至关重要。然而，既往动力学模型多孤立地模拟释放、脂解或胶束化等单一过程，例如使用零级、一级或Higuchi模型描述释放动力学，用一级动力学描述脂解，或将胶束相作为脂解产物的函数，却忽略了这些过程在肠道消化中相互依赖、相互制约的特点。单一速率方程难以捕捉浓度依赖的交互效应，导致预测能力有限。为弥补这一不足，研究人员采用标准化INFOGEST体外消化协议与基于常微分方程（ODE）的动力学建模相结合的策略，将释放、脂解和胶束化三个物理化学过程整合到统一ODE系统中，系统探究不同初始浓度下维生素D₃在肠道消化过程中的浓度变化规律。据研究人员所述，此前尚无研究应用集成ODE框架模拟维生素D₃浓度依赖的生物可及性。该技术有望为开发具有更高生物可及性的新型补充剂和强化食品提供理性设计依据。

研究采用葵花籽油制备含维生素D₃（10、25、50、75、100 μg/mL）的粗乳液，经超声均质后测定液滴粒径分布；依照INFOGEST标准静态体外消化协议进行口腔、胃和肠道模拟，在肠道阶段每隔5分钟取样，通过离心分离胶束相，经皂化、正己烷萃取和HPLC定量维生素D₃，并计算生物可及性指数（BI）。脂解实验通过pH滴定法监测胃和肠道阶段游离脂肪酸（FFA）释放量。动力学建模方面，构建了两个ODE模型：模型1为经验模型，包含未释放、释放和胶束三个隔室并引入损失项；模型2为半经验模型，额外引入随时间变化的胶束数量及维生素D₃负载容量。参数估计采用增强分散搜索算法（eSS），通过留一法交叉验证（LOOCV）评估模型，以平均绝对百分比误差（MAPE）和变异系数（CV）评价性能。

### 3.1 乳液表征（Emulsion characterization）
通过激光遮光粒度分析仪测定乳液的索特平均直径D[2,3]。结果显示，10、50和100 μg/mL初始浓度乳液的液滴直径分别为2.51±0.52、2.28±0.31和2.25±0.29 μm，三者无统计学显著差异（p>0.05），表明不同样品间乳液制备具有良好的一致性。所得液滴粒径处于粗乳液的典型范围下端，而粒径大小可影响脂解速率，进而可能影响营养素的最终生物可及性。

### 3.2 肠道体外消化过程中维生素D₃浓度（Vitamin D₃ concentration during intestinal in vitro digestion）
实验发现，在肠道消化最初5分钟内，10、50和100 μg/mL样品的胶束维生素D₃浓度即分别达到初始浓度的60%、36%和32%。上升阶段中，未归一化的绝对浓度上升速率随初始浓度显著增加（0.093、0.323和1.112 μg/mL/min，p<0.05），但经初始浓度归一化后的上升速率（0.008、0.006和0.01 min^-1）无显著差异（p>0.05），说明上升阶段的曲线形态不受初始浓度影响。约30分钟后，所有浓度均进入平台期（35–120 min），平台期浓度行为亦与初始浓度无关。10 μg/mL样品的平均生物可及性指数最高（0.69±0.01），其余浓度（25–100 μg/mL）的BI在0.53–0.61之间，总体趋于稳定。这一现象归因于系统中胆汁盐浓度固定，限制混合胶束数量；高初始维生素浓度导致胶束饱和、过量维生素无法掺入，可能发生自聚集或干扰载体膜，从而使低初始浓度样品表现出更高的生物可及性。

### 3.3 体外消化过程中的脂解（Lipolysis during in vitro digestion）
胃脂解实验显示，游离脂肪酸在胃消化最初5分钟内即达最大值，最大脂肪水解程度仅为1.68%，拟合速率常数为0.96 min^-1，表明以Tween-80为乳化剂时胃脂解程度较低。肠脂解实验中，两种动力学模型均估计出相同的肠道脂解速率常数0.04 min^-1，且该参数在两个模型中均强可识别，为模型提供了可靠的基础参数。

### 3.4 模型结果（Model results）
模型拟合与交叉验证表明，模型1的训练集MAPE为17.7±3.1%，测试集为20.6±14.0%；模型2的训练集MAPE为12.3±1.7%，测试集为16.9±9.6%。模型2在训练集上显著优于模型1（p<0.01），测试集差异虽未达显著（p=0.24），但模型2的绝对不确定性更小，预测性能更稳定。参数推断显示，模型1中释放常数、胶束化常数和损失常数的CV分别高达68.6%、47.2%和46.7%，可识别性差；模型2中释放常数、最大胶束数量和每胶束维生素D₃负载量的CV分别为35.7%、92.7%和80.2%，同样可识别性差，但胶束化常数和半饱和常数的可识别性中等。尽管存在部分参数不可辨识问题，模型2凭借更合理的结构更好捕捉了数据动态特征，展示了更强的解释能力。

讨论部分指出，静态INFOGEST消化中胆汁盐在肠道阶段开始时一次性加入，产生有限且固定的胶束数量，这是高初始浓度下生物可及性相对较低的主要原因；粗乳液粒径较大以及消化过程中pH无法动态调节也可能限制维生素D₃向胶束相的转运。针对模型，建议未来实验直接测定消化体系中的胶束数量，并整合消化全过程中的维生素D₃总浓度以完善质量平衡，从而降低参数不确定性和提高模型的可辨识性。

研究结论可概括为：理解维生素D₃在肠道消化过程中的生物可及性和动力学行为，对于设计和制造具有改善释放特征和更高生物可及性的食品与补充剂具有重要意义。本研究表明，在所有测试的初始浓度下，维生素D₃浓度随时间呈相同趋势，并在肠道消化30分钟时达到平台；10 μg/mL样品具有最高的生物可及性指数。所提出的两个动力学模型整合了基质释放、脂解和混合胶束掺入三大物理化学过程，其中模型1作为经验模型适合简单解释主要过程，适合在数据有限、快速筛选时使用；模型2作为半经验模型能更机制性地描述维生素D₃的动力学行为和胶束化过程，适用于优化递送系统或整合到基于生理学的消化模型中。实际应用时，应根据具体需求选择模型类型。