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模拟胃肠道反应器的开发及其初步应用

模拟胃肠道反应器的开发及其初步应用

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作者：张文龙江南大学

学位级别：硕士

胃肠道反应器(Gastrointestinal Reactor)在人体消化道、肠道微生物和益生菌等研究领域具有较大的应用价值。除了具备普通生物反应器的特征和功能,胃肠道反应器还需要模拟胃肠道的生理环境和动态特征。模拟胃和小肠的动态消化模型反应... 详细信息

胃肠道反应器(Gastrointestinal Reactor)在人体消化道、肠道微生物和益生菌等研究领域具有较大的应用价值。除了具备普通生物反应器的特征和功能,胃肠道反应器还需要模拟胃肠道的生理环境和动态特征。模拟胃和小肠的动态消化模型反应器和模拟大肠的动态发酵模型反应器是两类结构复杂、功能完善且模拟效果好的胃肠道反应器,近年来国内外多个科研团队对其进行了研究和开发,其中某些反应器已广泛应用于肠道微生物和益生作用等领域的研究。然而,现有的动态消化模型反应器和动态发酵模型反应器的结构各异且不通用,组合多个独立反应器则增加了实验的复杂程度和设备成本。为解决这一问题,本研究集成了上述两类反应器的优势特征,开发了一种采用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的模拟胃肠道反应器(Gastrointestinal Simulation Reactor,GSR),验证了GSR模拟胃和小肠消化功能的效果,并将其初步应用于嗜酸乳杆菌的发酵过程中。首先,通过结构比较和数学计算优化设计了反应容器。设计了一种尾气排放与收集装置,通过此装置收集反应器内10 mL空气的收集时间为15 min,体积回收率为85.7%;收集50 mL的收集时间为7 min,体积回收率为96.4%。此装置可防止外部空气进入反应器,维持了反应器的厌氧环境。目前报道的胃肠道反应器中未见有功能相同的装置。此外,我们搭建了基于PLC的控制系统,实现了GSR运行的自动控制。其次,通过冷模实验测试了GSR模拟胃肠道蠕动、排空和混合的效果。以提高GSR内压力变化曲线与体内压力曲线的相似度为目的,对GSR模拟蠕动的参数进行了优化,使其在模拟胃、小肠和结肠蠕动时的收缩频率和压力变化形式都符合体内状况。其中,模拟胃、小肠和结肠时的收缩频率分别为3次·min、10～11次·min和12次·h。通过分析GSR排空曲线与胃肠道排空模型拟合的好坏,优化了反应器结构和控制参数,经优化后,GSR的排空曲线与胃肠道排空模型的拟合效果明显改善。对GSR的混合效果进行了分析,结果表明在GSR内菊粉溶液的混合过程符合完全混合的理论模式和低粘度无营养食物在人胃内的混合过程。再次,通过pH自动调节过程和无菌实验验证了GSR作为体外发酵装置的可靠性。在GSR中实现了基于PID算法的pH自动调节功能。在pH值4.0.0范围内,在线pH值与离线pH值的最大相对误差为2.88%,将pH值从4.6自动调节并稳定至5.7需100min。通过连续4 d的无菌培养实验,验证了GSR在使用过程中不会染菌。最后,将GSR应用于嗜酸乳杆菌的发酵实验中。在6.5 d内,活菌浓度维持在3×10cfu·mL左右,说明GSR具有在较长时间内保持菌体活力的优点。发酵过程中的在线pH值变化被用作判断菌体生长状况的指标,实验结果表明这一方法具有可靠性。此外在发酵过程中,稀释液循环功能可有效防止活菌浓度的下降,表明其对菌体活力的保持具有重要作用。以上结果初步显示了GSR应用于肠道微生物体外发酵方面研究的潜力。

关键词：胃肠道反应器模拟 PLC 体外消化体外发酵

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传统米酒固形物功能糖及活性成分挖掘和益生功能研究

传统米酒固形物功能糖及活性成分挖掘和益生功能研究

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作者：孙武江南大学

学位级别：硕士

传统米酒是一种以糯米为原料,经半固态发酵而成的商品酒精饮料,可以分为酿造米酒和蒸馏米酒。蒸馏米酒是在酿造米酒的基础上经蒸馏制得的米白酒,但是在蒸馏过程中会产生大量的蒸馏残液,同时会将酒精与可溶性固形物分离,导致大量的固形... 详细信息

传统米酒是一种以糯米为原料,经半固态发酵而成的商品酒精饮料,可以分为酿造米酒和蒸馏米酒。蒸馏米酒是在酿造米酒的基础上经蒸馏制得的米白酒,但是在蒸馏过程中会产生大量的蒸馏残液,同时会将酒精与可溶性固形物分离,导致大量的固形物如糖类物质、有机酸和微量元素等溶解在蒸馏残液中,因此蒸馏残液具有巨大的经济潜力。然而目前还没有关于从蒸馏残液中回收多糖和低聚糖的报道,为降低蒸馏米酒的生产成本,减少对环境的污染,同时基于绿色生物制造理念,本研究从蒸馏残液中分离纯化得到一种新型多糖并命名为CRWP1,然后对其进行了初步结构表征和益生活性研究,为其在经济型、环境友好型的食品行业中的潜在应用奠定了基础。主要研究结果如下:(1)从蒸馏残液中分离得到粗多糖(CRWPs),得率为4.23 g·L,总糖含量为84.30±0.23%。紫外全光谱扫描表明利用Sevag试剂已除去CRWPs中的蛋白质;接着利用DEAE-Sepharose Fast Flow柱对CRWPs进一步分离纯化,经浓缩、透析和冻干后,得到DEAE-Sepharose FF组分CRWP1、CRWP2和CRWP3,比例分别为90.30%、4.67%和5.03%。(2)选择主要组分CRWP1进行初级结构表征,CRWP1的重均分子量为8554 Da,主要由葡萄糖、半乳糖、甘露糖和葡萄糖醛酸组成,质量比例为91.56:2.13:1.61:1.84。通过傅里叶变换红外光谱和核磁共振光谱分析得出CRWP1是同时含有a-和b-型糖苷键的吡喃型杂多糖,甲基化分析推测出CRWP1的糖苷键连接方式主要有(1→)-Glcp、(1→4)-Glcp、(1→3,6)-Manp、(1→6)-Galp和(1→6)-Glcp。原子力显微镜结果可以看到单条或多条糖链通过分子间作用力形成的螺旋结构,推测CRWP1具有多分支的结构。流变学特性结果表明CRWP1溶液表现出典型的剪切变稀行为,同时具有假塑性流体的特征,热特性实验测得CRWP1的熔融温度是70.06℃,熔融焓变为6.343 mJ·mg。(3)通过CRWP1的体外模拟消化实验得出,CRWP1的分子量和还原糖的含量在模拟消化过程中均无显著变化,呈现了较高的抗消化性。通过两株双歧杆菌和两株乳杆菌的体外静态发酵评估CRWP1促进益生菌生长的潜力,结果表明,CRWP1能够显著促进这四株菌的生长和短链脂肪酸(Short-chain fatty acids,SCFAs)的产生,其中短双歧杆菌的总酸产量提高了37.81%,以上结果表明CRWP1可以很好的促进益生菌的生长,在促短双歧杆菌生长效果上甚至优于菊粉。(4)利用仿生胃肠道反应器(Bionic Gastrointestinal Reactor,BGR)开展健康人的粪便菌群体外动态发酵实验,探究CRWP1对健康人肠道菌群的影响。结果表明,CRWP1可显著增加有益菌属如拟杆菌属(Bacteroides)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)和柯林氏菌属(Collinsella)的相对丰度,抑制致病菌属如巨单胞菌属(Megamonas)、大肠杆菌-志贺氏菌属(Escherichia-Shigella)和罗斯氏菌属(Roseburi)的相对丰度,进而重塑肠道菌群的组成。CRWP1还增加了SCFAs的产量,总酸产量从49.91±4.21 mmol·mL提升到89.36±6.43 mmol·L,尤其是显著增加了丁酸的含量,此外还促进了其他有益代谢物的产生。综上所述,CRWP1可以调控肠道菌群的代谢,进而影响其组成,具有促进有益菌生长和抑制病原菌生长的益生元潜能。

关键词：蒸馏米酒多糖结构表征益生元胃肠道反应器

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