โดยทีมวิจัยวัสดุศาสตร์อาหาร
แนวทางการพัฒนาผลิตภัณฑ์อาหารในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่ผลิตภัณฑ์ที่ส่งมอบฟังก์ชันเพื่อสุขภาพ และความสุขสมบูรณ์ (health & wellness) ให้แก่ผู้บริโภค [1, 2] สุขภาพแข็งแรงสมบูรณ์ทั้งกายและใจในองค์รวมสั่งสมได้จากการบริโภคอาหารที่ดี (healthy eating) การที่จะส่งมอบฟังก์ชันให้แก่ผู้บริโภคก็ต้องเข้าใจว่าผลิตภัณฑ์อาหารนั้น เมื่อผ่านระบบย่อยอาหารแล้วให้สารอาหารหลักและสารอาหารรองอะไรบ้าง ดังนั้นผู้ผลิตจำเป็นต้องเข้าใจถึงกระบวนการและกลไกต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการย่อยอาหาร ตั้งแต่อาหารถูกบดเคี้ยวในช่องปาก (oral processing) จนไปสู่อวัยวะต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการย่อยอาหาร (Gastrointestinal tract หรือ GI tract) เช่น หลอดอาหาร กระเพาะอาหาร ลำไส้เล็ก ลำไส้ใหญ่ และสุดท้ายถูกขับออกจากร่างกายในรูปของกากอาหาร ดังแสดงในรูปที่ 1
รูปที่ 1 กลไกและสารอาหารที่ถูกดูดซึมที่เกิดขึ้นในกระบวนการย่อยอาหาร (ภาพแสดงดัดแปลงมาจากงานวิจัยของ Norton และคณะ [3])
กระบวนการย่อยอาหาร
ในมุมทางวิศวกรรมศาสตร์ กระบวนการย่อยอาหารเป็นการเปลี่ยนแปลงสภาพของอาหารผ่านกลไกหลัก 3 อย่าง ได้แก่ การแตกสลาย (disintegration) ปรากฏการณ์การถ่ายโอน (transport phenomena) และการเกิดปฏิกิริยา (reaction) ทั้งนี้ลำดับการเปลี่ยนแปลงอาจแบ่งได้ 4 ขั้นตอน ดังนี้
- การบดเคี้ยวในช่องปาก เป็นขั้นตอนที่ทำให้อาหารอยู่ในสถานะที่เหมาะสมที่เรียกว่าโบลัส (bolus) ซึ่งมีความนิ่มและเกาะตัวเพื่อให้สามารถกลืนเข้าสู่หลอดอาหารได้อย่างปลอดภัย ขั้นตอนนี้เป็นกลไกทางกลที่ทำให้อาหารเกิดการเสียรูป มีขนาดเล็กลง และคลุกเคล้ากับน้ำลาย โดยน้ำลายทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นให้กับฟันและชั้นเยื่อเมือกภายในผนังช่องปาก ส่วนเอนไซม์อะไมเลส (amylase) และไลเปส (lipase) ทำหน้าที่ย่อยแป้งและไขมันที่เป็นองค์ประกอบในอาหาร นอกจากนี้ การเกิดอันตรกิริยาระหว่างพื้นผิวของอวัยวะต่างๆ ในช่องปากกับอนุภาคของอาหารยังส่งผลต่อกลไกการรับรู้กลิ่นรสและเนื้อสัมผัสของอาหารเพื่อเกิดความพึงใจในการบริโภคอีกด้วย
- การย่อยในกระเพาะอาหาร เมื่อโบลัสถูกกลืนผ่านหลอดอาหารและเข้าสู่กระเพาะอาหาร กระเพาะอาหารจะทำหน้าที่คล้ายถังปฏิกิริยา โดยหลั่งน้ำย่อยที่มีฤทธิ์เป็นกรด อีกทั้งบีบรัดเพื่อทำให้อาหารมีขนาดเล็กลงอย่างต่อเนื่องจนได้ไคม์ (chyme) หรืออาหารที่ผ่านการย่อยในกระเพาะ ไคม์สามารถเคลื่อนที่ผ่านกล้ามเนื้อหูรูดกระเพาะส่วนปลาย (pyloric part) เข้าสู่ลำไส้เล็กต่อไป
- การย่อยและดูดซึมในลำไส้เล็ก เมื่อไคม์ผ่านเข้าสู่ลำไส้เล็ก น้ำย่อยที่หลั่งจากตับอ่อนและผนังลำไส้เล็กจะเปลี่ยนไคม์ให้มีสภาวะเป็นด่างอีกครั้ง นอกจากนี้ น้ำดีจากตับจะทำหน้าที่เป็นสารอิมัลซิไฟเออร์ และลดขนาดของอนุภาคไขมันเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิว ทำให้เอนไซม์ไลเปสสามารถย่อยไขมันได้ดีขึ้น นอกจากนี้ ภายในลำไส้เล็กยังมีเอนไซม์อื่นๆ ที่ทำหน้าที่ย่อยโปรตีน เปปไทด์ สตาร์ช และน้ำตาล ให้มีขนาดเล็กจนสามารถดูดซึมผ่านผนังลำไส้เล็กและเข้าสู่กระแสเลือดได้
- การหมักในลำไส้ใหญ่ ลำไส้ใหญ่เป็นอวัยวะส่วนสุดท้ายในระบบทางเดินอาหาร ไม่ได้ทำหน้าที่ในการย่อยอาหาร แต่เป็นเสมือนถังหมักที่เต็มไปด้วยแบคทีเรียหลากหลายชนิด (109-1012 CFU/ml) แบคทีเรียเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการช่วยย่อยกากอาหารให้สลายตัวมากขึ้น ยิ่งไปกว่านั้นยังสร้างวิตามินและผลิตกรดไขมันสายสั้นบางชนิดที่สามารถดูดซึมและมีประโยชน์ต่อร่างกาย นอกจากนี้ ลำไส้ใหญ่ยังทำหน้าที่ดูดซึมน้ำและเกลือแร่บางส่วนที่ยังเหลืออยู่ในกากอาหารกลับเข้าสู่ร่างกาย ก่อนที่จะถูกขับออกจากร่างกายในรูปของอุจจาระในลำดับสุดท้าย
อิทธิพลของโครงสร้างอาหารต่อการดูดซึมเข้าสู่ร่างกาย
ความเข้าใจกระบวนการที่เกิดขึ้นทั้งหมดในระบบทางเดินอาหารมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อแนวทางการพัฒนานวัตกรรมอาหารที่จะเกิดขึ้นในอนาคต สารอาหารสำคัญ รวมถึงวิตามิน แร่ธาตุ และสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพจะถูกดูดซึมและทำหน้าที่ในร่างกายได้ก็ต่อเมื่ออาหารผ่านการย่อยในระบบทางเดินอาหาร ทำให้สารดังกล่าวถูกปลดปล่อยออกมาจากโครงสร้างอาหารและพร้อมที่จะถูกดูดซึมเข้าสู่กระแสเลือด ด้วยเหตุนี้ ความสามารถในการย่อย การดูดซึม และการใช้ประโยชน์ทางชีวภาพของสารอาหารและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพต่างๆ ในอาหารจึงแตกต่างกันไปขึ้นกับโครงสร้างและความซับซ้อนของเมทริกซ์อาหาร รวมถึงอันตรกิริยาระหว่างองค์ประกอบต่างๆ ที่อยู่ในผลิตภัณฑ์อาหารหนึ่งๆ
อาหารมีความจำเป็นต่อร่างกายและการดำรงชีวิตของมนุษย์มาก ร่างกายมนุษย์สามารถนำเข้าอาหารหรือสารอาหารที่มีขนาดตั้งแต่ระดับเซนติเมตรไปจนถึงนาโนเมตร เช่น อาหารจำพวกผักและผลไม้ที่มีขนาดใหญ่ในระดับเซนติเมตร แต่ภายในประกอบด้วยโครงสร้างเซลล์พืชและผนังเซลล์พืชที่มีขนาดเล็กกว่าหลายพันเท่า (รูปที่ 2A) ซึ่งภายในเซลล์พืชและผนังเซลล์พืชประกอบด้วยสารโพลิแซ็กคาไรด์หลากหลายชนิด เช่น เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส เพกทิน หรืออาหารจำพวกเนื้อสัตว์ที่ประกอบด้วยไมโอไฟบริลขนาดเล็กมัดรวมกันเป็นมัดกล้ามเนื้อที่มีขนาดใหญ่ขึ้น (รูปที่ 2B) โดยลักษณะของโครงสร้างดังกล่าวจัดเป็นโครงสร้างตามลำดับชั้น (hierarchy structure) ดังนั้น เมื่อเราบริโภคอาหารดังกล่าว ร่างกายจะยังไม่สามารถนำไปใช้ได้ทันที แต่จำเป็นต้องอาศัยกระบวนการย่อยอาหารในการเปลี่ยนโครงสร้างของอาหารให้โมเลกุลมีขนาดเล็กลงจนร่างกายสามารถดูดซึมสารอาหารไปใช้ประโยชน์ได้
รูปที่ 2 โครงสร้างตามลำดับชั้น (hierarchical structure) ในเนื้อเยื่อพืชและเนื้อสัตว์
นอกจากนี้ สารอาหารที่อยู่ในรูปของคาร์โบไฮเดรต โปรตีน และไขมันก็มีลักษณะโครงสร้างตามลำดับชั้นเช่นกันดังตัวอย่างภาพวาดในรูปที่ 3 [4-5] ซึ่งแสดงขนาดของสารอาหารที่มีขนาดเล็กลงจากซ้ายไปขวา โดยกระบวนการย่อยอาหารจะทำให้โครงสร้างของสารอาหารที่มีขนาดใหญ่มีขนาดเล็กลงจนกลายเป็นหน่วยย่อยที่สุดที่อยู่ด้านขวา เพื่อให้ร่างกายสามารถดูดซึมไปใช้ประโยชน์ได้
อย่างไรก็ตาม กระบวนการเปลี่ยนโครงสร้างอาหารให้โมเลกุลมีขนาดเล็กลง อาจทำให้เกิดโครงสร้างใหม่หรือ อันตรกิริยา (interaction) ใหม่ขึ้นได้ ซึ่งทำให้ความพยายามในการที่จะเข้าใจกลไกการปลดปล่อยสารอาหารและการนำไปใช้ทางชีวภาพ (bioaccesibility) มีความท้าทายมากขึ้น [6] ยกตัวอย่างเช่น การเกิดสมบัติที่ไม่ละลายน้ำของโปรตีนนมที่จับตัวเป็นก้อน หรือการตกตะกอนของสารโพลิแซ็กคาไรด์ หรือสารแขวนลอยข้นหนืดของไฟเบอร์เมื่ออยู่ในสภาวะความเป็นกรดด่างในกระเพาะอาหาร ซึ่งสามารถช่วยชะลอการเกิดสภาวะการว่างของกระเพาะอาหาร (gastric emptying) และการอิ่มนาน (satiety) ได้ [7-11]
รูปที่ 3 โครงสร้างตามลำดับชั้นของสารอาหารประเภทคาร์โบไฮเดรต โปรตีน และ ไขมัน [4] ที่อาจพบในผลิตภัณฑ์อาหาร
โครงสร้างของอาหารในกระบวนการย่อยอาหารมีอิทธิพลอย่างมากต่อโภชนาการและสุขภาวะที่ดีของผู้บริโภค ดังนั้นการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างอาหารระหว่างการย่อย ความสามารถในการย่อยของอาหาร และการปลดปล่อยของสารอาหารและสารสำคัญจากโครงสร้างอาหาร จึงเป็นประเด็นสำคัญในการวิจัยและพัฒนาผลิตภัณฑ์อาหารที่มีประโยชน์ต่อสุขภาพ และลดการก่อโรคที่มาจากอาหารได้ เช่น โรคอ้วน โรคเบาหวาน โรคหัวใจและหลอดเลือด
แนวทางการวิจัยของทีมวิจัยวัสดุศาสตร์อาหาร ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ
ทีมวิจัยวัสดุศาสตร์อาหารได้พัฒนาความเชี่ยวชาญ โดยบูรณาการศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับสมบัติเชิงกล สมบัติรีโอโลยี และไทรโบโลจี (Mechanics-Rheology-Tribology) เพื่อให้เข้าใจกลไกการบดเคี้ยวอาหารในช่องปาก ทีมวิจัยกำลังขยายขอบเขตงานวิจัยเพื่อให้ครอบคลุมระบบทางเดินอาหารทั้งหมด โดยจะพัฒนาศักยภาพการวิจัยและสร้างองค์ความรู้เกี่ยวกับเทคโนโลยีระบบจำลองการย่อยอาหาร (gut simulation) ร่วมกับทีมวิจัยเทคโนโลยีชีวภาพทางอาหาร ศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ
เทคโนโลยีระบบจำลองการย่อยอาหารสามารถใช้พัฒนาและสร้างความสามารถด้านการทดสอบประสิทธิภาพ กลไกการออกฤทธิ์ รวมถึงความปลอดภัยของอาหารและกลุ่มสารให้ประโยชน์เชิงหน้าที่ (functional ingredients) ชนิดต่างๆ โดยจำลองสภาวะการย่อยอาหารในกระเพาะอาหารและลำไส้เล็ก (ระบบ tiny-TIMagc) และสภาวะการทำงานของลำไส้ใหญ่ (ระบบ TIM-2) ดังแสดงในรูปที่ 4
รูปที่ 4 การศึกษาและเข้าใจกลไกการย่อยอาหารโดยบูรณาการศาสตร์ด้านสมบัติเชิงกล สมบัติรีโอโลยี และไทรโบโลจี
|
ทั้งนี้ ระบบ tiny-TIMagc และระบบ TIM-2 ได้ผ่านการสาธิตการใช้งานแล้วว่าสามารถทดสอบประสิทธิภาพการย่อยตัวอย่างอาหาร ศึกษาการปลดปล่อยสารสำคัญ ปริมาณสารอาหารและยาที่เหลือหรือถูกดูดซึมในสภาวะการให้อาหารหรือการอดอาหาร ดังนั้น งานวิจัยด้านระบบจำลองการย่อยอาหารจึงถือเป็นเทคโนโลยีขั้นสูงที่จะช่วยสร้างความเข้มแข็งและความเชี่ยวชาญในงานวิจัยด้านการทดสอบความมีประสิทธิภาพและความปลอดภัย (efficacy and safety testing) สำหรับอุตสาหกรรมอาหารและอุตสาหกรรมอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องในอนาคตอันใกล้ได้ต่อไป
เอกสารอ้างอิง
- Norton, I.T., Moore, S., & Fryer, P. (2007). Understanding food structuring and breakdown: engineering approaches to obesity. Obesity Reviews, 8, 83–88.
- Norton, I.T., Spyropoulos, F., & Cox, P.W. (2008). Rheological control and understanding necessary to formulate healthy everyday foods, Annual Transactions of The Nordic Rheology Society, 16, 9–14.
- Norton, J.E., Wallis, G.A., Spyropoulos, F., Lillford, P.J., & Norton, I.T. (2014). Designing Food Structures for Nutrition and Health Benefits. Annual Review of Food Science and Technology, 5(1), 177–195.
- Tang, D., & Marangoni, A.G., (2006). Quantitative study on the microstructure of colloidal fat crystal networks and fractal dimensions. Advances in Colloid Interface Science, 128-130, 257-
- Troncoso, E., & Aguilera, J.M. (2009). Food microstructure and digestion. Food Science & Technology, 23(4), 24-27.
- Parada, J., & Aguilera, J.M. (2007). Food microstructure affects the bioavailability of several nutrients. Journal of Food Science, 72(2), 21-32.
- Turgeon, S.L., & Rioux, L.-E. (2011). Food matrix impact on macro-nutrients nutritional properties. Food Hydrocolloids, 25, 1915–19
- Fiszman, S., & Varela, (2013). The role of gums in satiety/satiation. A review. Food Hydrocolloids, 32, 147–154.
- Campbell, C.L., Wagoner, T.B., & Foegeding, E.A. (2017). Designing foods for satiety: The roles of food structure and oral processing in satiation and satiety. Food Structure, 13, 1–
- Morell, P., & Fiszman, S. (2017). Revisiting the role of protein-induced satiation and satiety. Food Hydrocolloids, 68, 199–210.
- Aguilera, M. (2019). The food matrix: implications in processing, nutrition and health, Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 59(22), 3612-3629.
