《Journal of Food Engineering》：In situ rheological monitoring during
in vitro gastric digestion: Linking viscosity dynamics with lipid bioaccessibility in oil-in-water emulsions
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本研究开发并验证了新型体外胃消化系统（iGD-isRM），实现乳液粘度变化的实时原位监测。通过比较皂树胶和卵磷脂稳定、不同油/表面活性剂比例的油包水乳液，发现粘度在初始15分钟内因胃液稀释剧降，皂树胶体系（O:S=5:1）因小液滴尺寸导致更高游离脂肪酸释放（44.4%），而卵磷脂体系（O:S=10:1）粘度下降较慢且释放率低（37.5%）。系统有效揭示了粘度动态与结构分解、脂类生物可及性的关联，为功能性食品设计提供工具。
卡罗莱纳·克萨达（Carolina Quezada）| 安德烈斯·阿鲁埃（Andrés Arrué）| 卡米拉·梅拉（Camila Mella）| 卡拉·佩雷斯（Karla Pérez）| 罗米·N·苏尼加（Rommy N. Zú?iga）| 伊丽莎白·特龙科索（Elizabeth Troncoso）
智利圣地亚哥拉斯帕梅拉斯3360号都市技术大学（Universidad Tecnológica Metropolitana）材料科学与工艺工程博士项目
摘要
了解食物在消化过程中的粘度变化对于预测营养物质的释放、胃排空以及食物基质的功能表现至关重要。然而，传统的离体流变测量方法需要停止酶的活性，这可能会改变样品的性质，从而限制其生理相关性。在这项研究中，我们开发并测试了一种新型的体外胃消化系统，结合了原位流变监测技术（iGD-isRM），以连续跟踪油水（O/W）乳液在消化过程中的表观粘度。使用刺槐皂苷（Quillaja saponin）或大豆卵磷脂（soy lecithin）稳定的乳液，并通过改性淀粉增稠（油与表面活性剂的比例为5:1和10:1），在模拟的胃条件下进行了研究，包括动态酸度调节、分泌驱动的稀释以及可控的胃排空过程。结果表明，在最初的15分钟内，表观粘度急剧下降，这主要是由胃分泌物引起的稀释作用，而非酶的水解作用。皂苷稳定的乳液初始粘度较高（2495-2771 mPa·s），但在胃消化过程中下降得更快，接近零值。其较小的液滴尺寸（0.19-0.34 μm）也有助于在肠道阶段释放更多的游离脂肪酸（FFA，40.6-44.4%）。相比之下，卵磷脂稳定的乳液初始粘度较低（551-1146 mPa·s），下降速度较慢，液滴尺寸较大（0.51-0.94 μm），因此FFA的释放量也较低（36.6-37.5%）。此外，较低的粘度和表面活性剂浓度（O:S = 10:1）增强了酶的扩散，提高了脂质的生物可利用性。iGD-isRM系统实现了可靠的实时流变测量，并揭示了食糜粘度动态、结构分解与肠道脂肪分解之间的明确关系。这项研究展示了原位流变监测技术在改进我们对消化过程的机制理解以及指导结构化食品基质的设计方面的潜力，以实现目标营养物质的输送。
引言
食物的粘度是其在胃肠道（GIT）内行为的关键属性，是在食品的设计、优化和监测中必须考虑的重要参数，因为它影响食物的分解、营养物质的释放甚至饱腹感（Jin等人，2023a；Jin等人，2023b）。胃食糜的流变特性在很大程度上取决于摄入的食物类型，其中颗粒特性（如浓度、形状和大小）起着重要作用。在胃中，幽门部的蠕动波促进了食物与胃分泌物的混合，胃分泌物的体积会调整以维持流变稳定性（Acevedo-Fani & Singh，2022；Wu等人，2017）。胃分泌物的量会根据食物的粘度增加，这会由于胃液的稀释作用而显著降低测得的食糜粘度（Marciani等人，2001；Moxon等人，2017）。随着分泌物的增加，食物胶体的密集排列因润滑和流化作用而改变，从而降低粘度和结构阻力（Jin等人，2023b）。
此外，胃排空通过强直性和蠕动性收缩以及反推作用将食糜输送到十二指肠，促进了与胃分泌物的混合和再乳化（Acevedo-Fani & Singh，2022）。因此，由于粘度随食物类型而变化，它直接影响胃内容物的粘度，进而影响远端胃部的反推射流、食欲调节、幽门区域和胃排空（Koziolek等人，2018；Jin等人，2023a）。这决定了食物水解的程度，因为较高的粘度会阻碍胃部的混合和酶-底物相互作用，从而延迟水解过程（Acevedo-Fani & Singh，2022；Jin等人，2023a）。因此，预测食糜粘度的变化可以预见到对胃排空、饱腹感和营养素生物可利用性的影响（Moxon等人，2017）。
研究食糜粘度变化的一种方法是进行体内实验，这仍然是评估生物利用度的首选方法。然而，对人类和动物的采样需要侵入性操作，通常涉及技术、经济和伦理方面的挑战（Jin等人，2023a）。相比之下，体外消化模型是一个有价值的替代方案，因为它们更快、成本更低，可以控制实验条件，并且重要的是，能够在特定感兴趣的位置进行采样（Mackie等人，2020）。然而，大多数这些方法依赖于离体采样，即在外部提取和分析消化后的样本（Pinho等人，2022）。这种方法可能会产生不具代表性的结果，因为它需要停止或减缓酶的活性以确保结果的可靠性，通常是通过中和pH值或添加阻断剂来实现的（Minekus等人，2014）。如果抑制不充分，可能会留下残留的酶活性，影响样本的完整性，而抑制剂本身也可能干扰后续分析（Brodkorb等人，2019）。因此，开发原位方法是必要的，以便在连续数据收集的情况下改进消化物的表征（Bains & Pal，2019；Ptaszek，2015），特别是对于像乳液这样的食物，因为表观粘度等物理化学性质会影响胃消化过程中的乳化和稳定性（Koziolek等人，2018；Rees，2014）。它们的不稳定性使得原位测量对于准确表征这些性质的变化至关重要。
在体外牛奶消化过程中已经原位监测了表观粘度的变化，发现60分钟内粘度随着蛋白质沉淀和凝固而发生变化（Devle等人，2012）。此外，还报道了用乳清壳聚糖蛋白稳定的乳液的原位表观粘度测量结果，发现在pH 2时粘度由于液滴聚集而降低，在十二指肠中由于聚集而降低（Sreedhara等人，2014）。Jeong等人（2016）开发了一种直接连接到流变仪的定制容器，用于监测体外淀粉消化过程中米线的流变变化，模拟了口腔、胃和肠道阶段。Zhang等人（2021）使用类似的流变仪连接装置评估了体外消化过程中淀粉-纤维混合物的粘度。在体外消化菜籽蛋白凝胶的过程中也原位监测了振荡流变现象，发现在较高pH值下弹性模量增加（Napieraj等人，2022）。Iqbal等人（2024）研究了不同类型UHT牛奶的体外消化过程，并使用实时旋转粘度计在受控条件下研究了它们的流变行为对消化过程的影响。
乳液被广泛用作模型食品系统，用于研究结构变化如何影响消化行为，因为它们提供了可控的条件，并显著影响胃肠道中的脂质消化（Acevedo-Fani & Singh，2022）。一个典型的系统是油水（O/W）乳液，由分散在连续水相中的油滴组成，常见于调味品、酱料和饮料等食品中（Hu等人，2025）。乳液的不稳定性是胃传输过程中的一个关键因素，因为液滴大小或分布的变化可能导致分层、絮凝或聚集，从而增加胃内容物的异质性（Acevedo-Fani & Singh，2022）。这种行为主要受乳液粘度和液滴大小的控制，这些因素又影响稳定性、乳化作用以及食糜向十二指肠的传输（Koziolek等人，2018）。稳定的乳液通常比不稳定的乳液胃排空速度更慢，特别是在酸性条件下（Kupikowska-Stobba等人，2025）。此外，表面活性剂的类型可以调节乳液的粘度响应。某些表面活性剂会促进更刚性的界面层的形成，增加粘度，如皂苷所示（Tsibranska等人，2020），而卵磷脂则由于磷脂在变形下的快速重组而形成柔性的界面（Chu等人，2009）。此外，加入增稠剂可以改变乳液的流变和结构性质，从而限制脂质分解并延迟胃排空（Iqbal等人，2022）。因此，食糜在胃中的行为在很大程度上取决于O/W乳液的成分，特别是表面活性剂和增稠剂，以及液滴大小和表观粘度，后者是影响混合、乳化、基质分解以及营养素释放的关键因素。
尽管取得了这些进展，但在生理相关消化条件下流变变化如何实时演变以及这些动态变化如何影响脂质生物可利用性方面，我们仍存在关键的理解空白。目前的体外研究要么依赖于静态的离体测量方法，这些方法会干扰酶的活性过程，要么缺乏捕捉分泌、酸度变化和机械力引起的快速粘度变化所需的时间分辨率。因此，食糜的流变演变与脂质消化动力学以及胃分泌物稀释之间的直接机制联系仍不清楚。因此，原位监测胃表观粘度对于捕捉与分泌、胃排空和乳液不稳定相关的变化至关重要。本研究旨在开发并评估一种结合了原位流变监测（iGD-isRM）的体外胃消化系统，为稳定用皂苷或卵磷脂并使用改性淀粉增稠的O/W乳液在消化过程中的连续和生理相关实时粘度测量提供了一种新工具。鉴于这类食品基质的固有不稳定性以及它们在胃阶段经历的多种结构变化，这一点尤为重要。该研究还试图阐明流变动力学和稀释如何影响肠道中游离脂肪酸（FFA）的释放，从而弥合结构演变、物理化学行为和营养素生物可利用性之间的差距。此外，iGD-isRM代表了一个研究胃动态的创新平台，其中内容物的异质性和粘度变化决定了食物在肠道中的分解和排空。通过实现原位测量，该系统避免了离体技术的局限性，减少了样本处理，并消除了在异质消化物中预先确定提取体积或采样位置的需要。这一功能对于设计具有可控降解和目标营养素释放的结构化食品至关重要。
材料
亚麻籽油购自Fontevita（智利）。刺槐皂苷（Quillaja saponin，84510-500G），含有8-25%（w/w）的皂苷元，从Sigma-Aldrich（Merck KGaA，德国）获得；大豆卵磷脂（Metarin P），含有20-25%（w/w）的磷脂，从Blumos S.A.（智利）获得。这两种表面活性剂都分散在含有单碱性和双碱性磷酸钠（Sigma-Aldrich，Merck KGaA，德国）、叠氮化钠（Merck KGaA，德国）和纯净水（RO150，Vipure，智利）的5 mM磷酸盐缓冲液中。
胃pH曲线
< />系统成功再现了生理胃酸度曲线，与体内和体外研究结果一致（图2）。pH值在90分钟内从7.0降至约2.0，模拟了空腹状态的条件。与Luo等人（2023）使用人类胃模拟器（HGS）消化含有凝胶剂和Tween 80的乳液的结果相比，pH值下降速度较慢，这是由于增稠剂的缓冲作用所致
结论
本研究展示了iGD-isRM系统的开发和验证，这是一个创新的平台，能够在体外消化过程中原位监测胃食糜的流变行为。与之前报道的原位粘度测量系统相比，iGD-isRM提供了非侵入性和更具代表性的动态胃条件下流变变化的监测。其设计最大限度地减少了对消化环境的干扰，同时提供了实时的、全局的
CRediT作者贡献声明
罗米·N·苏尼加（Rommy N. Zú?iga）：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源准备、方法学、数据分析、概念化。伊丽莎白·特龙科索（Elizabeth Troncoso）：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源准备、项目管理、方法学、资金获取、数据分析、概念化。卡拉·佩雷斯（Karla Pérez）：验证、数据分析。安德烈斯·阿鲁埃（Andrés Arrué）：研究。卡米拉·梅拉（Camila Mella）：验证、方法学、研究、数据分析。卡罗莱纳·克萨达（Carolina Quezada）：
未引用的参考文献
Cameron-Smith等人，1994；Nordlund等人，2018；Sandoval-Cuellar等人，2020；Wang等人，2020。
利益冲突声明
? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：
作者声明没有利益冲突。
致谢
本研究由智利国家研究与发展局（ANID）通过FONDECYT项目编号1191858资助。
