17分钟详解"全方位仿生"模拟消化道
陈晓东 | 热心肠智库专家 2020-10-08
时长:17:23 字幕:余莉 审校:李丹宜
来自苏州大学的顶尖化学工程师,谈如何利用模拟消化道助力脖子以下的食品工程研究。
陈晓东
苏州大学化工与环境工程学院院长
苏州大学杰出教授,博士生导师
 陈晓东 苏州大学杰出教授(全职),苏州大学化学与环境工程院院长。苏州大学基础医学与生物科学学院兼职教授、厦门大学兼职教授、蒙纳士与奥克兰大学客座教授。1987年毕业于清华大学工程力学系本科;1991年获Canterbury 大学化工博士;2014年获University of New South Wales 应用数学硕士。 2000年当选新西兰皇家科学院院士;2007年当选澳大利亚工程与技术科学院院士。2015年第12届国际食品工程大会终生成就奖。2017年法国国立农业与食品高级学院荣誉博士;2017年苏州大学‘我最喜爱的老师’奖。主要研究领域为生物与食品工程, 仿生化工,颗粒技术,干燥技术,化工原理在农业的应用,换热器的结垢与清洗,低温浓缩技术等。陈是科技部中澳乳品工程研究中心中方主任;中粮营养健康中心院士工作站院士。到2019年底,已发表约600篇科学期刊文章,230多篇会议文章,做过七十个主题和大会报告。
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图文实录

我叫陈晓东,是苏州大学化工与环境工程学院的老师,是个化学工程师。今天给大家讲《体外仿生消化道模型的发展与应用》。

首先我讲讲大背景。做任何事情,我们都要知道为什么要做。

我给大家看这么一张图,可能你们没有见过这张图,这是我的原创。

在你的左边,你看到 t=0,实际上是在你出生的时候;在右边是 t=100,大概是 100 岁,100 岁够长了吧。那么我们现在谈什么?谈生活质量。

我们平常都知道 IQ(智商)和 EQ(情商)对我们的孩子、对我们自己都非常重要,但是我们很少谈到 LQ,LQ 就是 Life Quality(生活质量)。

Life Quality 对我们每个人来说都是重要的,不管你是聪明也好,不聪明也好,LQ对你都非常重要。在这张图上,我们看到纵坐标就是 LQ,或者打个比方,就是开心与否。

每个人都有一个 100%的 LQ,那么看看我们这个曲线是怎么走的?

很有趣,我们在前面一半的生活里边,明显 LQ 一直在增加。你的知识在增加,你的爱好在增加,你的身体状态在增加,你个子在长高,你的朋友在增多,所以在这一段时间内,你的 LQ 一定是上升的,或者说在这个过程里边,你想要让 LQ 升高是非常容易的。

那么在这之后我们会发现,这事情没有那么简单。意思就是说,我们的LQ可能是要朝下走的。像刚才说的,在年轻的时候,你想让 LQ 增加很容易,有时候几天不睡觉,你也挺开心的。但是在这段时间以后,你想要维持你的 LQ、你的生活质量,那么这个时候就非常难了。

在这个情况下,实际上有很多的机会能够让你去发明创造,可以把 LQ 的水平提高。什么意思呢?我们可以在这个阶段,发明各种有人文关怀的创新产品,在这我不过多介绍。

我的目的是要谈食品,食品是不是 LQ 因子里最重要的呢?

我相信如果你吃饭吃得不舒服,吃得不愉快,那么你 LQ 肯定不会太高;但是吃多了,吃太多了,也不一定太好,所以这是个双刃剑。

那么双刃剑之一,我简单介绍一下所谓的糖尿病。我们大家都知道糖尿病,但是我们可能没有那么了解,那么在意。

糖尿病在中国实际上是非常重要的一个疾病,它占人口的比例超过 10%。中国得糖尿病的人加上印度得糖尿病的人的数量,是世界上第三大国家的人口数量,所以说是非常可怕的一个数字。

当然得了糖尿病,你不会马上就过去,所以好像很多人有糖尿病但还不是那么重视。

糖尿病最关键的一点是什么呢?不光是一个治愈不治愈的问题,难受不难受的问题,LQ 高和低的问题,还有一个就是糖尿病本身会给这个国家带来非常多的费用,一定要支撑你的 LQ,所以可能会导致一个国家在经济上的巨大损失。

那我们看看食品到底是什么呢?从工程角度去看,我们制作食品就需要从分子到分子去考虑问题。

首先,任何食物都是有它的化学组成、分子组成和各种功能。我们设计食品的时候,也是这么考虑的,就是说它哪个分子可能起到什么样的作用。

但是我们不是每天只喝汤,我们需要有各种体验。因为食品是 LQ 的一个重要的部分,那么我们就要加工形成一个结构。只有有了结构,我们才有体会,才有真正所谓的 LQ 体会,那么这个时候我们才能谈产品和功能。

产品功能如何实现呢?一定是要从嘴里吃进去的,那么一定要有一个体内的过程。因为如果不是体内的过程,只是针对营养、健康的角度,可能注射就可以了。但是食品是我们享受的最大部分之一,所以一定要从体内体会。

上图也是另外一个方式去描述,所谓“从分子到分子”那么一个过程。意思就是说,食品到体内的时候,实现我们最终的设计的功能,无论是自然采集的,还是加工过的,最终都要从口入。

那么我有一个非常简单的想法,就是把食品工程分成所谓“脖子以上的食品工程”和“脖子以下的食品工程”。我估计大家还是比较能够理解的。对大部分的工程来说或者加工生产的厂家来说,他们主要的关注点就是所谓的“脖子以上”,就是色香味。

“脖子以上”的食品加工已经有非常大的规模,非常的自动化,而且高技术、跨学科,关注色香味,在工程的水平上是非常高的。

但是“脖子以下”的历程就是非常艰难的。经过 N 年的发展,我们体会到这是一个多学科的过程。从工程上面去理解体内的消化吸收过程,也是在近几年的事情。

在国际上有一个非常大的组织,叫 Infogest,有几百个营养科学家、食品科学家 、工程师在一起合作。我们实验室就是其中的一个。

那么我现在再回退100步考虑,为什么化学工程师对于理解消化吸收食品这东西,有任何作用或者有任何贡献?我在这简单的解释一下。

在实验室里做的很多东西是在试管里面进行,我们叫化学。

如果我们让更多的人去体会在实验室里得出来的这个结果的话,就需要更大的一个试管。然后你会发现,在实验室里控制的温度、浓度等等,都非常容易均匀,但是在这种巨大的试管情况下,我如何把它做成非常均匀的产品呢?非常难!

如果我把自己再继续缩小,意思就是说,我们更加放大这个过程的时候,你会发现这个难度就极其地高了。那么这个工程上边是需要科学的。

从另一个角度看看所谓“从小到大”这个放大的过程,化工跟医学或者营养学有什么差距呢?

在左边,我们先看一个小鼠。化工的放大是同样的一个种群,如果小鼠太小,就把它变得更大,如果不够大就更大,直到最大的一个老鼠。

但是在医学上放大,你就看很有趣。从小鼠开始,小鼠不够大可能变成兔子,兔子不够大可能变成猪,如果猪完了以后,我们最后一个才放大到人。

你看这两种放大,好像都是科学的放大,但它们之间有很大的区别,所以在这之中一定有它的窍门。

我接下来谈的是,生物学启示下的化学工程研究,专门针对消化吸收的。那么,你会明白化学工程师在里边可能会起到什么样的作用,我做进一步展示。

我们现在看人体消化过程,基本都体现在这张图上。

我们的嘴是一个非常惊人的系统,它可以混合、破碎,有酶在里边起作用。最重要一点是,对我们LQ非常重要的是,它形成一个食团。如果没有食团,我们就没有吞的问题。没有吞的问题,就没有吃东西这么开心的事情。吃起来并不开心,一列一列地吞下去这种吃法是多么的不开心。

我们再往下看到有一个食管,食管是个非常牛的一个管道。绝大部分情况下,它是不会堵的。如果它经常容易堵塞的话,那我们LQ是不会高的。

再往下就发现有一个人胃,人胃也是一个混合、生化反应器,非常惊人。惊人到什么程度?它里边没有任何旋转键,没有我们人类非常骄傲的一个设计——就是没有一个转动设备在里边,也没有什么声音,不会说你开始吃饭了,它就产生各种嗡嗡的声音。实际上它是非常优秀的一个反应器。

再往下,我们就有小肠系统,后面还有大肠系统,蠕动、膜分离、酶固定、菌群、发酵等等所有这些东西,都在一个几乎一维的反应器系统里面。这在我们人类设计的系统里面,目前来说还并不存在。

那么它的分泌也是非常有意思的,因为它是分级的分泌。在不同的级的时候放不同的物质进去进行反应,所以这个是非常惊人的一个系统。

还有各种检测器、控制器,我们的神经系统等等,还有非常重要的解剖学的结构,在它任何的出口或者接口的地方,有很多事情我们都不知道。

如果把它工程化的话,你看着非常粗,但是非常有趣。嘴是搅拌器、破碎机等等,胃就是反应器,肠子就是膜分离,也是膜反应器等等。

大肠系统就非常有趣,升结肠是固体往上移,液体往下降,你想过没有液体到底去哪里了?液体存在那里到底干什么?比如,液体是不是在一个存老汤的地方,打个比方。

那么工程上还能做什么呢?现实中很难把人体解剖,然后理解这些非常多的细节,但是我们可以在计算机上实现这些细节,我们仔细地研究各个部位、各个解剖学的关键,到底起什么样的作用。

比如小肠绒毛,这是我们实验室做的模拟。绒毛到底起什么样的作用,可以做非常精细的研究。它的长短、运动方式、频率、吸收面积,还有它的各种酶的存在等等。

这张图给大家演示一下,在小肠系统里面的混合是多么的复杂。实际上不是简单的想象它是一个锅、一个桶,实际上这个过程是非常复杂的。

在胃里边这个过程是不是也很复杂?非常复杂!

想象一下大块的食品进去,你享受的很大一部分程度,在这里是一个解决的方式。如果很大块的食品没有在这进行破碎的话,那么它不会被非常有效地进行消化,然后传递到你的更下一边,比如小肠系统。

所以这个过程也可以模拟的,进行一些非常仔细的研究。

总之,我们这些系统,胃也好,小肠也好,大肠也好,它一定不是简单的一个搅拌器能解决的。

那么下一步就是说,我们如何能够在体外有效地研究动物和人的消化吸收过程?

对于我个人来说,对我们很多人来说,动物们实在是太可爱了,如果能不用它们去做这些实验是最好的。所以,关键是我们能不能建立一个非常有效的仿生系统。

建立有效的仿生系统要求非常多。

首先,应该越像越好。其次,理解上下游的关系,上游发生了什么,下游发生了什么,这是化工的强项。

还有一个就是,上面吃进去的东西一定要从下面出来。你觉得这个设备上要求高吗?实际上非常高!

还要同时实现生化反应,还要建立消化-吸收联动,建立消化-发酵联动,而且能够随时随地可以测量、控制、取样——其实这个是仿生系统的优点,因为在我们人体的实验、动物实验里,这一步非常难实现。

已经有的体外消化系统,你可以看出,我这是非常简单的举例,都是坛坛罐罐,跟真的系统差距非常大。

那么我们的系统是在几乎 17 年、18 年以前就开始进行研究的。叫什么呢?就叫结构、形态、运动、生化仿生集成一体。

这个是荷兰最近的产品。你可以看出,在某种意义上,它的胃好像比较像胃了。

这是智利的一个产品,你看他也是在研究胃,他把它建的更加仿生。

但是我们的系统,这个是鼠的系统,已经进入了全方位的仿生 ,还有自动化。它包括两部分,一个部分是柔性器官的建立,柔性器官这个模子等等都是从真实动物身上直接做出来的。

这张图上可以看到,我们制作的从婴幼儿到成年人的胃的系统。你可以看出,无论它的沟回也好,它的胃液的输送也好,都已经在里边体现出来了。

我们已经做到了将仿生体外消化吸收过程,这个人的系统,做到真正市场化。做市场开发的、做产品开发的、做产品检测的、做科学研究的等等,都可以利用这个设备进行开发。

现在请大家看一个录像。这是我们的这个系统,人胃和十二指肠系统在运作,你可以看出,它在运动仿生上面,已经实现了非常有效的方法。

这些是我们的一些产品,你可以看出,它是消化之后的产品,或者消化吸收之后的产品。我们的用户跟我们讲,这是非常像的。

我们最近发展了所谓大肠的反应器。在我们的大肠里边,它既不是固体发酵,也不是液体发酵,实际上是介于二者之间的,所以难度还是比较大的。那么在这个系统里边,作为人体消化系统重要的一部分,我们也是需要分析蠕动的影响和对蠕动的研究。

看了我们的系统,或者看了世界各地的系统,你会发现这些系统都很复杂。为什么要这么折腾,这么复杂呢?那是因为在实际的消化吸收系统里面,所经历的工程的参数,和实验室搅拌器里经历的工程参数,是有非常大的区别。

比如在仿生体外系统里面,做咀嚼也好,做消化也好,它里边的剪切力的数量级是5000以上,而实验室的搅拌器只能大概达到几十的Pascal(压强单位)。所以你可以看出,基本像一个大象和一个老鼠之间的比较。

还有一个就是样品的代表性和准确性,如果不是很现实、很仿生的系统,那么你取得这些样品去进行检测,那么你检测什么呢?

我再讲一下,不同的动物里边的系统是非常不同的。某种意义上,我们的仿生系统制造出来也应该反映这些不同。

牛一定是跟狗狗是完全不同的,跟猪也是完全不同的,老鼠跟这个系统非常不同。鱼的系统跟这一样吗?也非常非常的不同。鸡有个嗉子,那里边它的咀嚼系统跟我们是完全不同的。

所以不同的动物,一定要用不同的体外模拟系统,进行仔细的研究。

我们目前在做什么?目前我们在积极地这些事情,比如建立消化吸收与发酵的联动,还有随时随地的检测系统,控制、取样,包括把生物芯片植入到这个系统里面进行采样。

还有,作为吃来讲,非常重要的就是在口腔里面的过程。所以我们现在也在开发仿生的口腔,它能咀嚼、能分泌、能形成食团,最重要的是它能吞,能够反映我们的LQ的现象。

再次说明我来自苏大的化工,欢迎大家来苏州跟我们合作。

谢谢。

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