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原文传递程控猪仿生消化系统及使用该系统快速测定猪饲料消化能值的方法

专利名称：	程控猪仿生消化系统及使用该系统快速测定猪饲料消化能值的方法
摘要：	本发明公开了一种程控猪仿生消化系统及使用该系统进行快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，包括如下步骤：将饲料样品粉碎过标准筛；制备胃缓冲液及肠道缓冲液；制备模拟胃液、模拟小肠液、模拟大肠液；将粉碎好的饲料样品装入程控猪仿生消化系统的模拟消化器中，通过电脑程控按顺序分别加入模拟胃液进行模拟胃消化；加入肠道缓冲液后再加入模拟小肠液进行模拟小肠消化；加入模拟大肠液进行模拟大肠消化；消化结束后进行灭活；然后进行清洗，获得未消化残渣后，测定残渣及饲料样品的总能值，计算饲料消化能值。本发明方法简单、精度高、实施成本低，可在72小时内准确地测定猪饲料的消化能值。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	中国农业科学院北京畜牧兽医研究所
发明人：	赵峰;高庆涛;王钰明;廖睿
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-26T00:00:00+0800
申请号：	CN201910360566.8
公开号：	CN110057964A
代理机构：	北京北新智诚知识产权代理有限公司
代理人：	张晶
分类号：	G01N31/00(2006.01);G;G01;G01N;G01N31
申请人地址：	100193 北京市海淀区圆明园西路2号
主权项：	1.一种程控猪仿生消化系统，其特征在于，由反应单元和清洗单元组成；其中，该反应单元包括模拟消化器、配套搅拌装置、消化液储存瓶、缓冲液储存瓶、去离子水试剂瓶、废液收集瓶；该模拟消化器至少为一个，该消化液储存瓶、缓冲液储存瓶的数量与该模拟消化器的数量分别对应；该模拟消化器由内外两层玻璃管套设计而成，其中，内层玻璃管向上开口，外层玻璃管管口收缩连接于内层玻璃管上部，使得内层玻璃管开口部高于外层玻璃管，并且外层玻璃管与内层玻璃管之间形成一封闭空间；外层玻璃管靠近底部的侧壁设有一去离子水输入管，外层玻璃管的侧壁相对于去离子水输入管的侧面靠近与内层玻璃管相交处设有一去离子水输出管；内层玻璃管上部高于外层玻璃管的位置设有消化液输入端和缓冲液输入端；该配套搅拌装置由固定架、步进电机、多个皮带轮、皮带及模拟消化器夹具组成；其中，步进电机位于固定架的后部，皮带套装于多个皮带轮、步进电机的旋转轴上，使得步进电机的旋转轴带动皮带轮的转动；每一皮带轮下连接有一搅拌夹具，搅拌夹具下设有一可拆卸的搅拌杆，安装时将搅拌杆下端伸入到模拟消化器底部，上端固定到搅拌夹具的卡槽中；模拟消化器夹具包括固定块和可拆卸块，固定块水平螺固于固定架中部，可拆卸块通过螺丝与固定块连接，可拆卸块与固定块接触位置分别开设有与模拟消化器大小相当的半圆缺口，当可拆卸块与固定块螺固时，二者之间正好可以垂直夹固模拟消化器；固定架两端还设有用于固定于一空气浴摇床的固定螺丝；一消化液输送塑料管一端插入对应的该模拟消化器的消化液输入端的孔中，并一直伸入到该模拟消化器的内层玻璃管的底部，另一端连接一硅胶泵管，该硅胶泵管经由一消化液输送蠕动泵连接到消化液储存瓶，该消化液储存瓶设置于一空气浴保温室内；一缓冲液输送塑料管一端插入对应的该模拟消化器的缓冲液输入端的孔中，并一直伸入到该模拟消化器的内层玻璃管的底部，另一端连接一硅胶泵管，该硅胶泵管经由一缓冲液输送蠕动泵连接到缓冲液储存瓶；该模拟消化器的去离子水输出管经由一第一单向阀和一第一电磁阀与放置于超级恒温水浴槽中的去离子水试剂瓶连接；该模拟消化器的去离子水输入管经由一水循环蠕动泵和一第二电磁阀与去离子水试剂瓶连接，使得该模拟消化器与去离子水试剂瓶连接之间形成一个循环回路；在水循环蠕动泵和第二电磁阀之间经由一第三电磁阀连接一废液收集瓶；该第一电磁阀的控制端、该第二电磁阀的控制端、该第三电磁阀的控制端、该空气浴保温室的控制端、该超级恒温水浴槽的控制端、该消化液输送蠕动泵的控制端、该缓冲液输送蠕动泵的控制端、该水循环蠕动泵的控制端与一第一可编程控制器的控制端连接；该第一空气浴摇床的控制端与一第二可编程控制器的控制端连接；该步进电机的控制端与一第三可编程控制器的控制端连接；该第一可编程控制器的通讯端、该第二可编程控制器的通讯端、该第三可编程控制器的通讯端与PC的通讯端连接；该清洗单元包含：清洗管、清洗液试剂瓶、清洗液储存瓶和清洗残留液收集瓶；该清洗管的数量与反应单元中模拟消化器的数量对应；该清洗管水平放置于一第二空气浴摇床中；该清洗管包括透析管和玻璃管，该玻璃管为一中空管体，该管体的两端各设有一磨口，该管体的侧面靠近两端处分别设有一清洗液输入管和一清洗液输出管，该透析管放置在该玻璃管内，该透析管的两端分别从该玻璃管的两个磨口处伸出而外翻，外翻露于磨口外侧的透析管端部被橡皮条捆扎固定在磨口上，捆扎透析管端部后的两个磨口分别塞有硅胶塞；该清洗管的清洗液输出管经由一第二单向阀和一第四电磁阀与清洗液试剂瓶连接，该清洗管的清洗液输入管经由一清洗液循环蠕动泵和一第五电磁阀与清洗液试剂瓶连接，使得该清洗管和该清洗液试剂瓶之间形成一循环回路；在清洗液循环蠕动泵和第五电磁阀之间经由一第六电磁阀连接一第一清洗残留液收集瓶；该清洗液试剂瓶下端放置一第二清洗残留液收集瓶，该第二清洗残留液收集瓶的端口经由一第七电磁阀与该清洗液试剂瓶的开口连接；一清洗液储存瓶经由一清洗液输入蠕动泵与该清洗液试剂瓶连接；该第四电磁阀的控制端、该第五电磁阀的控制端、该第六电磁阀的控制端、该第七电磁阀的控制端、该清洗液循环蠕动泵的控制端、该清洗液输入蠕动泵的控制端与该第一可编程控制器的控制端连接；该第二空气浴摇床的控制端与该第二可编程控制器的控制端连接；该第一可编程控制器的通讯端、该第二可编程控制器的通讯端与该PC的通讯端连接。 2.如权利要求1所述的程控猪仿生消化系统，其特征在于：所述模拟消化器的数量为两个或两个以上，各所述模拟消化器的去离子水输入管、去离子水输出管之间为串联连接；所述清洗管的数量为两个或两个以上，各所述清洗管的清洗液输入管、清洗液输出管之间为串联连接。 3.一种使用如权利要求1或2所述的程控猪仿生消化系统快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，包括如下步骤： 1)样品预处理：将猪饲料样品粉碎过0.25mm的标准筛，然后将粉碎后的饲料样品低温储存备用； 2)缓冲液的制备：以稀盐酸、磷酸盐、氯化钠、氯化钾和去离子水制备胃缓冲液，以无水磷酸氢二钠、无水磷酸二氢钠、山梨酸钾、青霉素溶解于去离子水中制备肠道缓冲液； 3)模拟胃液的制备：根据猪体内胃液中胃蛋白酶的活性，将胃蛋白酶粉剂溶于步骤2)所配制的胃缓冲液中以制备模拟胃液； 4)模拟小肠液的制备：根据猪体内空肠液中主要消化酶的活性，以α-淀粉酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶和去离子水制备浓缩模拟小肠液； 5)模拟大肠液的制备：根据猪体内盲肠液中纤维素酶活性，以复合碳水化合物酶溶于去离子水制备模拟大肠液； 6)上样：将饲料样品装入所述程控猪仿生消化系统的反应单元的模拟消化器中； 7)上机：将所述程控猪仿生消化系统的反应单元的配套搅拌装置的搅拌杆伸入步骤6)中装有饲料样品的模拟消化器内，然后将模拟消化器固定在配套搅拌装置的固定架的模拟消化器夹具上，将搅拌杆与搅拌夹具的卡槽固定，最后将固定架放入第一空气浴摇床中螺接固定； 8)胃模拟消化：在消化液储存瓶中加入模拟胃液，开启空气浴保温室、开启超级恒温水浴槽、开启第一空气浴摇床，开启第一电磁阀、开启第二电磁阀，开启消化液输送蠕动泵将一预定量的贮存于消化液储存瓶中的步骤3)制备的模拟胃液泵入模拟消化器，并开启步进电机带动搅拌杆对饲料样品进行搅拌；开启水循环蠕动泵将去离子水试剂瓶中的去离子水从该模拟消化器的去离子水输入管泵入到该模拟消化器内外两层玻璃管之间，再通过该模拟消化器的去离子水输出管回到去离子水试剂瓶中形成水循环，为胃的模拟消化提供适宜的温度环境；通过搅拌杆的搅拌和第一空气浴摇床的回旋震荡提供模拟胃液与饲料样品的混合动力；待一预定量的模拟胃液泵入模拟消化器后，关闭该消化液输送蠕动泵，该饲料样品与该模拟胃液进行消化反应； 9)小肠模拟消化：胃模拟消化结束前，在缓冲液储存瓶中加入步骤2)制备的肠道缓冲液，将消化液储存瓶中的模拟胃液更换为步骤4)制备的模拟小肠液；胃模拟消化结束时，将一预定量的所述肠道缓冲液从缓冲液储存瓶经由缓冲液输送蠕动泵泵入到该模拟消化器中，通过搅拌和回旋震荡提供肠道缓冲液与饲料样品的混合动力，使消化管中反应液的pH值自动变为体内小肠液的pH值，然后关闭缓冲液输送蠕动泵；再将一预定量的模拟小肠液从消化液储存瓶经由消化液输送蠕动泵泵入到该模拟消化器中，关闭消化液输送蠕动泵，开始小肠的模拟消化； 10)大肠模拟消化：小肠模拟消化结束前，将消化液储存瓶中的模拟小肠液更换为步骤5)制备的模拟大肠液；小肠模拟消化结束时，将一预定量的所述模拟大肠液从消化液储存瓶经由消化液输送蠕动泵泵入到该模拟消化器中，然后关闭消化液输送蠕动泵，开始大肠的模拟消化，消化过程中通过搅拌和回旋震荡提供模拟大肠液与饲料样品的混合动力； 11)模拟大肠液消化酶的灭活：在缓冲液储存瓶中加入消化酶灭活液，在大肠模拟消化结束时，从缓冲液储存瓶中经由缓冲液输送蠕动泵向该模拟消化器中泵入一预定量的消化酶灭活液使模拟大肠液中消化酶变性失活； 12)反应单元系统排空：关闭第一电磁阀、第二电磁阀；打开第三电磁阀，调整水循环蠕动泵反向运转而使去离子水流入废液收集瓶； 13)水解产物的清洗：将模拟消化器的内层玻璃管内的所有物质转移到所述程控猪仿生消化系统的清洗单元的清洗管的透析管中； i)开启清洗液循环蠕动泵，使清洗液循环蠕动泵正向转动，打开第四电磁阀和第五电磁阀，关闭第七电磁阀，清洗液试剂瓶中的去离子水从该清洗管的清洗液输入管进入到清洗管的透析管与玻璃管之间来清洗整个模拟消化阶段产生的水解产物，再通过该清洗管的清洗液输出管流出，回到清洗液试剂瓶中形成水循环回路； ii)清洗结束后，关闭第四电磁阀和第五电磁阀，打开第六电磁阀，调整清洗液循环蠕动泵反向转动，使得清洗管中的清洗液反向流动到第一清洗残留液收集瓶，清洗管中清洗液排空；打开第七电磁阀，使得清洗液试剂瓶中残液流入第二清洗残留液收集瓶中，然后打开清洗液输入蠕动泵使得一预定量去离子水从清洗液储存瓶中流入清洗液试剂瓶中； iii)重复步骤i)至步骤ii)数次； 14)未消化残渣的分析及消化率的计算：将步骤12)清洗后透析管内剩余的残渣转移到培养皿中，在鼓风干燥箱内烘干，无水乙醇脱脂，绝干后测定残渣及饲料样品的总能值，计算饲料消化能值。 4.如权利要求3所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，在所述步骤1)中，猪饲料为单一饲料原料或配合饲料，选用玉米型饲粮、小麦麸型饲粮、玉米-大豆粕型饲粮；所述粉碎为在万能粉碎机中进行，粉碎后过0.25mm筛孔的标准筛后装于自封袋密封保存于-20～-10℃。 5.如权利要求3所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述胃缓冲液中盐酸的浓度为5～10mmol/L，NaCl的浓度为88.5mmol/L，KCl的浓度为6.7mmol/L，无水磷酸二氢钠的浓度为100mmol/L；在39℃调节pH至2.0。 6.如权利要求3所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述肠道缓冲液中磷酸氢二钠的浓度为338mmol/L，磷酸二氢钠的浓度为292mmol/L，青霉素的浓度为240万U/L，抗菌剂的浓度为12g/L；在39℃用氢氧化钠调节pH至7.15～7.5；所述抗菌剂为山梨酸钾。 7.如权利要求3所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述猪模拟胃液中胃蛋白酶的活性为890U/mL。盐酸的浓度为5～10mmol/L，NaCl的浓度为88.5mmol/L，KCl的浓度为6.7mmol/L，无水磷酸二氢钠的浓度为100mmol/L，pH为2.0。 8.如权利要求3所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，在所述步骤4)中，所述猪浓缩模拟小肠液中α-淀粉酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶的平均活性分别为2436U/mL、760U/mL、95U/mL。 9.如权利要求3所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，在所述步骤5)中，所述猪模拟大肠液中纤维素酶的活性为0.09～1.6U/mL。 10.如权利要求3所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，所述每一模拟消化器的饲料样品上样量为1～2g，模拟胃液的体积为15mL。 11.如权利要求3所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，在所述步骤8)中，所述饲料样品与模拟胃液混合后的回旋震荡频率为90～120rpm；搅拌器转速为250rpm；流经模拟消化器的去离子水流速为400～450mL/min。模拟消化的温度为39℃，胃阶段消化时间为3h。 12.如权利要求3所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，在所述步骤9)中，所述肠道缓冲液注入体积为5mL，浓缩模拟小肠液注入体积为2mL；饲料样品与肠道缓冲液及浓缩模拟小肠液混合后的回旋震荡频率为90～120rpm，搅拌器转速为250rpm，流经模拟消化器的去离子水流速为400～450mL/min。消化温度为39℃，小肠阶段消化时间为5h。 13.如权利要求3所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，在所述步骤10)中，所述模拟大肠液注入体积为2mL；饲料样品与模拟大肠液混合后的回旋震荡频率为90～120rpm，搅拌器转速为250rpm，流经模拟消化器的去离子水流速为400～450mL/min。消化温度为39℃，大肠阶段消化时间为21h。 14.如权利要求3所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，如权利要求1所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，在所述步骤11)中，所述的灭活液为0.1mol/L NaOH溶液，灭活时间为30min。 15.如权利要求3所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，在所述步骤12)中，所述透析管的截留分子量为12000～14400道尔顿，扁平直径44mm；管体张开体积为35～45mL。流经清洗管的去离子水的流速为110～130ml/min；清洗一次消化产物的清洗液量为300ml去离子水/清洗管，每次清洗4h，共计清洗6次。 16.如权利要求3所述的快速测定猪饲料消化能值的体外模拟消化方法，其特征在于，在所述步骤13)中，所述未消化残渣转入恒重的培养皿中后，在65℃恒温鼓风干燥箱中烘至无水痕，然后在105℃恒温鼓风干燥箱中烘至恒重。在干燥器中冷却后称重，转移至G4玻璃砂芯坩埚中，每次用45mL无水乙醇冲洗未消化残渣，共冲洗4次。
所属类别：	发明专利