本论文基于胃解剖的基本特征和摄入食品后生理变化,利用3D打印技术,设计及构建了一种用于模拟人体胃消化的人工胃系统,用于研究食物(或模拟食物)在成人胃里的受力和分解情况。该系统能够在不同情况下模拟胃的动力、频率和胃液分泌的参数及图形,以及胃的运动产生的蠕动波。人工胃的测量参数与人体胃的生理参数比较结果表明,人工胃可在体外环境下非线性模拟人胃中食物的消化过程,为食品工业中营养与消化的体外实验提供理论基础和技术支撑。该论文具体研究内容及结果如下:(1)全数字化人胃物理模型的构建。用水溶性材料和3D打印技术制作了胃的硅胶模型,并以此为基础设计和构建人工胃消化系统。该系统主要包含以下结构:机械传动系统、电动压缩系统、胃液的分泌及进样系统、温度控制系统和计算机控制系统。其中,机械传动系统可为人工胃运动提供动力,电动压缩装置可模拟胃的蠕动,有规律的挤压胃壁,压力范围为2.52±0.15 N和3.32±0.16 N,且每分钟产生3次压缩循环,胃液的分泌及食物的进样均由计算机控制的注射泵和蠕动泵按特定的程序进样,温度控制系统可使整个模型处在37℃的恒温条件。(2)凝胶小球模型在人工胃中的消化评价。为探究食物在胃消化过程中的真实受力大小,定量重现体内人胃的磨削力,设计并定制了直径为1.27 cm的正球形铝模具,以琼脂和瓜尔胶为原料,制作了破碎力为0.65±0.15 N硬度梯度的凝胶小球。将小球在人工胃中进行高黏度和低黏度食品体系的模拟消化实验,统计每个时间点残留在胃中完整小球的数量,得到残留在胃中的完整小球的数量与消化时间的关系,对重复测量的数据采用多元函数方差分析,进而从小球的破裂数量和平均破裂时间推测其在人工胃中的实际受力。人工胃中测得数据与文献中报道的人体志愿者中的观测数据具有明显相关性,高粘度和低粘度两种食品体系中的相关系数分别为0.8578和0.6778,实现了人工胃通过挤压胃壁产生的力在真实人胃的收缩力0.35 N~0.95 N的范围内。(3)真实食物在人工胃中的消化评价。以煮熟的米饭为消化对象,利用人工胃实时观察和研究米饭的消化过程,分析蠕动时米饭颗粒间的解体和相互作用。同时,对消化过程中的食物成分(包括消化后典型粒级图像、固形物含量、平均粒径等)和胃电解质溶液的物理特性(包括运动黏度、剪切黏度)进行研究,提供米饭在人工胃中消化的动态信息,表明了人工胃与现有的体外模型在消化过程中(尤其是固体食物)的优越性,进一步证实了人工胃能够模拟真实的人胃消化中蠕动对食物产生的剪切力。综上所述,本文设计并构建了体外模拟人胃消化的人工胃系统,并通过定量控制作用于人工胃胃壁的压缩力和模拟胃的运动频率,程序化控制胃液的分泌和温度,基本再现了在体外模拟真实人胃的消化过程中的动态条件;其次,用凝胶小球模拟消化证实体内人胃的磨削力能够用人工胃实现;最后,对真实食物米饭的消化情况做出定量分析,进一步评价了人工胃在模拟胃消化过程中的积极作用。