体外消化是近二十年的研究热点之一，普遍适用于蔬菜、乳制品、烘焙食品、肉类食品、海鲜食品和鸡蛋食品[1]，其较多的是对上消化道进行模拟研究，可分为静态、半动态和动态模型。各模型具有不同的消化参数：(1)消化流程中所包含的步骤数量和类型不同(根据研究目的的不同，可以包括口腔、胃和小肠的部分或所有阶段，在某些情况下，还可以包括大肠发酵阶段)；(2)每个阶段消化液的化学组成、酶浓度以及盐缓冲液、生物聚合物、表面活性剂等成分不同；(3)机械应力以及在消化过程中流体流动不同，施加应力的大小和方向、模型的几何形状等不同[1,5]。
静态体外消化模型是最简单也是应用最广泛的体外消化模型，实验材料相对廉价易得，可分为仅含胃相或肠相的单隔室和包括口腔、胃、小肠的多隔室。其模拟参数都是固定的，这意味着每个相的分泌物比率、pH值以及生物活性剂浓度在整个相都是恒定的[6]。由于简化了消化过程，无法模拟消化过程中的机械力、流体动力及生化环境的变化，故静态模型主要用于条件假设和目的筛选[2]。
研究表明，不同的模型参数会使静态模型呈现不同程度的差异性[2,5]。而标准的静态体外消化模型(INFOGEST)将参数标准化，使各实验间的可比性增强，是一套适合成人的食品静态体外消化模型。自2014年发表以来[7]，已被学者广泛应用在食品体外消化模拟中[1,5]并在2019年进一步完善为INFOGEST2.0[8]。该模型的消化过程分为3个阶段。首先是准备阶段：酶活性和胆汁的测定；模拟唾液(simulatedsalivaryfluid，SSF)、模拟胃液(simulatedgastricfluid，SGF)、模拟肠道液(simulatedintestinalfluid，SIF)的制备和pH测试。其次是消化阶段：(1)口腔阶段：食物和SSF进行1∶1混合，加入CaCl2及唾液淀粉酶，在37℃、pH=7的条件下混合孵育2min。(2)胃阶段：口腔食糜和SGF以1∶1混合，加入胃蛋白酶、胃脂肪酶在37℃、pH=3的条件下混合孵育2h。(3)肠阶段：胃食糜与SIF以1∶1混合，加入胆汁、胰酶在37℃、pH=7的条件下混合孵育2h。最后是取样阶段，根据具体实验目的选择不同的消化阶段取样[8]。
将牛奶在人体内的消化研究对比INFOGEST静态消化模型模拟的牛奶体外消化以及模拟脱脂奶粉的体外消化对比脱脂奶粉在猪体内的消化研究发现，体内体外消化有着良好的相似性[9-10]。这证明了INFOGEST静态消化模型在食品应用中的可靠性。有研究报道，通过INFOGEST静态消化模型从3种分离蛋白(胶原蛋白、玉米蛋白和乳清蛋白)和5种食物(高粱粉、小麦麸皮、花生、黑豆和木豆)中得出木豆是最适合人体营养需求的蛋白食物[11]。FERNANDES等[12]等则通过INFOGEST静态消化模型模型分析了3种Carolino水稻(Carolinowhite-Cw、Carolinobrown-Cb和CarolinoArietebrown-CAb)的淀粉消化，定性定量地描述了米饭的消化过程，并实现了与其他实验室进行联网比对。INFOGEST静态消化模型也存在着局限性，其仅适用于胃、肠端点的取样研究[1,6]，无法准确地模拟更复杂的体内条件，如生化环境的动态变化、物理剪切力和研磨力的作用，这些可能会对较大颗粒食物的分解和营养物质的释放产生影响。
半动态消化模型是至少模拟一个胃肠道的动态特征，介于复杂的动态模型和更简单的静态模型之间的中间系统，主要用于胃阶段，模拟了食糜的pH值变化或控制酶促释放等动态过程。目前大多数半动态模型的研究都集中在模拟胃液pH值的动态变化和胃蠕动力、剪切力等力学研究[6]。胃液pH和胃动力对蛋白质水解有一定影响，尤其是胃蛋白酶活性的改变。胃液pH的变化影响蛋白质构象和结构，继而影响蛋白水解性，也会影响其他常规营养素的消化[6,13]。研究中通常使用pH-stat法控制液体分泌进而控制pH值，还可以结合计算机自动化控制滴定来模拟梯度变化。若采用半动态模型来研究胃行为，需仔细考虑混合机制，大多数半动态模型通常使用的是磁力搅拌器，但这可能会破坏模拟胃内食物的结构变化。最后，应该考虑模拟胃的形状，它可能会影响剪切力。胃是J形器官，这种形状的结构模拟比较困难，因此圆柱形状容器是半动态模型中最常见的形状[2,6]。
与静态模型相比，半动态模型可以获得有关胃阶段营养物的消化及食物结构变化的动力学数据，而不仅仅是提供不考虑可能的结构变化下的胃、肠消化端点的评估[14]。这对于理解营养物的消化、食物的结构变化、生物利用度以及吸收动力学等研究至关重要。特别是对于一些容易排空或者对胃消化中pH值敏感的食物，半动态模型可以更好地了解食物的分解和营养释放，以便更好地设计膳食[13]。例如，可通过体外消化模拟来了解食品的消化机制，逆向设计出不同营养消化率的食品来满足不同人群的营养和健康需求[15]。半动态模型的容量比动态模型的大，且更为简单、低成本，它也可以轻松地适应其他消化参数的变化，如pH值，酶的分泌速率等。它们通常不涉及复杂的软件，所以被改编为成年人以外的其他年龄段的消化模型就较为简单[6]。MULET-CABERO等[14]基于INFOGEST静态消化模型，重点模拟了胃液分泌和排空的瞬时特性，设计了一个适用于成年人上消化道的半动态消化模型，该模型可以轻松地用于世界各地的实验室和各种食品中。
相较于静态和半动态模型，动态模型更复杂也更接近人体内的消化过程，近年来开发了多种动态消化模型，可简单分为单隔室和多隔室。其研究主要集中在几何学、物理力学和生物化学三方面的模拟[16]。
1.3.1单隔室动态模型
DynamicGastricModel(DGM)是由食品研究所(Norwich，UK)开发的，结合了计算机和数学建模来模拟人胃消化过程中生化过程和机械过程的模型[17]。重点模拟了胃粘膜的分泌和蠕动收缩，系统可根据计算出的排空速度和食物基质的物理特性来调整酸和酶的添加，比较进食和禁食状态及研究不同基质对营养物质的影响。该系统底部设有pH电极，配合胃壁加酸加酶装置，可根据实际的膳食动态来调整分泌物的添加。且装置下端由一个桶和一个活塞组成，通过上下运动对胃窦内容物施加剪应力，桶顶部设计的可弯曲环，在每次击打时食物会通过这个环，配合酸化推注，模拟了人胃节奏性的蠕动收缩[17-18]。该剪切力是经过实验验证的，这种剪切力得到验证的模型还有HumanGastricSimulator(HGS)、和TIM-agc[16]。
除了应用较多的DGM模型外还有HGS、Artificialcolon(ARCOL)等模型。HGS的特点是模拟胃壁的连续蠕动及收缩力的幅度、频率与体内报道的相似。该系统主要由一个模拟胃腔的乳胶容器和一系列固定在皮带上的滚轮组成，这些滚轴由电机和滑轮驱动以产生乳胶壁的连续收缩。它还结合了胃液分泌、排空系统和温度控制，能够准确模拟动态消化过程，以详细研究摄入食物的物理化学性质的变化[20]。其可容纳膳食及分泌物的体积为0.9～1.0L，适合于量大的样品分析，典型样本(餐)大小为150～300g，对于某些高价值的化合物或成分，会产生较高的成本。而ARCOL模型是模拟人或动物结肠环境下消化道单阶段的发酵模型，通过微生物群来维持代谢活性，搭配透析纤维以模拟被动吸收，可评估单次或重复使用目标化合物(食品成分、益生菌、药物等)对肠道菌群组成及活性的影响[16,18]。
1.3.2多隔室动态模型
模拟人体肠道微生物生态系统的SimulatoroftheHumanIntestinalMicrobialEcosystem(SHIME)模型，与体内胃肠道微生物群落的研究对比显示两者有着良好的相似性[27]，继而还开发了对照研究的TWINSHIME系统，以及TripleSHIME和QuadSHIME模型。SHIME还在持续不断研发中，最新进展有自动化控制(即液体转移，pH，冲洗)、数据采集以及模拟小肠等[16,18]。EngineeredStomachandsmallINtestine(ESIN)系统创新在胃腔结构的模拟，可重现体内观察到的胃排空的两相性质。但是ESIN是一种新模型，到目前为止，它仅在液体消化过程的制药应用中得到验证[28]。SIMulatoroftheGastro-Intestinaltract(simgi)是由计算机控制模拟胃肠消化、大肠微生物群代谢转化的模型。其优势在于灵活，允许在不同隔室中分开工作或联合执行，在急性和慢性条件下都可控制食物运输，且接近人类的真实体积。透明窗口的设计可以随时从胃内容物中取样，并观察食物的消化过程，但缺少肠道吸收模拟，系统参数还需要体内实验进一步验证[18]。