《Scientific Reports》：A tool for predicting pH and temperature effects on porcine and human pepsin activity during in vitro gastric digestion
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本研究旨在解决体外消化模型中胃蛋白酶活性受pH与温度变化影响尚不明确的问题。研究人员系统探究了pH 1-7与温度4-60°C对猪和人胃蛋白酶活性的综合效应，并构建了预测模型。研究发现人胃蛋白酶具有更广的活性保留范围，并确定了其完全灭活所需的热处理条件。该成果提升了体外消化模型的准确性，促进了体外与体内(2)消化数据的可比性，并为样品前处理中的酶灭活方案提供了科学依据。
想象一下，科学家在实验室里模拟食物在人体胃中的消化过程，这是一项至关重要的研究，它能替代部分复杂的活体实验，帮助我们理解食物如何被分解和吸收。这种被称为体外消化的研究方法，因其标准化操作流程以及与体内数据的一致性验证而应用日益广泛。在这个模拟过程中，胃蛋白酶扮演了核心角色，它是在消化初期负责分解蛋白质的关键酶。然而，在众多体外消化模型中，出于成本和可获得性的考虑，研究者通常使用来自猪的胃蛋白酶来替代人胃蛋白酶。这里就隐藏着一个关键的未知数：在真实的消化过程中，胃内的环境并非一成不变，其酸碱度(pH)和温度会因摄食、个体差异等因素发生波动。那么，这些波动究竟如何影响猪和人这两种来源不同的胃蛋白酶的活性？此前，关于二者在动态变化的pH和温度综合作用下的活性差异，科学界掌握的信息非常有限。这种认知的空白，直接影响了不同研究之间体外消化结果的可比性，也阻碍了将体外实验结果准确推演至人体内的实际消化情况。此外，在食品科学研究中，有时需要在分析前让消化反应停止，即对酶进行灭活，而针对胃蛋白酶的有效灭活方案也缺乏精确的指导。正是为了解决这些问题，一项深入探究pH与温度如何塑造胃蛋白酶活性的研究应运而生。
为了回答这些问题，研究人员设计了一系列实验，核心是测定在不同pH值（从强酸性的1到接近中性的7）和不同温度（从冷藏温度的4°C到较高温的60°C）条件下，猪胃蛋白酶和人胃蛋白酶的活性变化。基于这些数据，他们建立了能够预测两种酶在各种条件下活性的数学模型。此外，研究还评估了不同温度和时间组合的热处理方案对酶完全灭活的效果。
结果
pH和温度对胃蛋白酶活性的影响
通过系统测量，研究人员量化了pH和温度对两种胃蛋白酶活性的综合效应。研究发现，在相同条件下，人胃蛋白酶表现出比猪胃蛋白酶更宽广的活性保留范围。具体而言，在pH 3时，人胃蛋白酶能维持80%的活性，而猪胃蛋白酶仅保留47%的活性；在pH 4时，人胃蛋白酶的活性保留率为46%，相比之下，猪胃蛋白酶只有13%。这表明在模拟胃内pH可能升高的环境下，人胃蛋白酶可能具有更强的功能韧性。
预测模型的建立
基于实验数据，研究团队成功开发了针对猪胃蛋白酶和人胃蛋白酶的预测模型。这些模型能够量化在研究者设定的pH 1-7和温度4-60°C范围内，两种酶的相对活性。这为不同体外消化研究设定参数提供了定量化的参考工具，使得在不同条件下获得的实验结果有可能被放在同一标准下进行比较和解读。
胃蛋白酶的热灭活
在确定酶灭活方案的研究中，团队发现要实现猪胃蛋白酶的完全失活，需要将其加热至75°C并至少维持5分钟。而65°C下处理15分钟被证明是不充分的，无法确保酶活性的彻底消除。这一结果为食品科学和生物化学实验中需要终止胃蛋白酶反应的样品前处理步骤，提供了精确的温度-时间参数指导。
本研究得出结论，人胃蛋白酶相较于猪胃蛋白酶，在变化的胃部环境模拟条件下（尤其是较高pH时）展现出更优越的活性稳定性。所建立的预测模型为标准化体外消化实验提供了关键工具，能显著提升不同研究间数据的可比性。明确的热灭活条件（75°C ≥5分钟）则为相关实验的样品制备提供了可靠方案。这些发现共同增强了体外消化模型模拟真实人体消化过程的准确性，从而更好地支持其在食品营养、消化生理及新型食品开发等领域的研究与应用。
