張改平 牛明福 何 皎

(1. 食品微生物河南省工程研究中心，河南 洛陽 471000；2. 河南科技大學(xué)微生物資源開發(fā)與利用校級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471000；3. 食品原料河南省工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽 471000)

蛋殼(eggshell，ES)是禽蛋消費(fèi)產(chǎn)業(yè)的主要副產(chǎn)物；作為垃圾填埋處理，或作為動物飼料和肥料進(jìn)行低價(jià)值利用[1]。隨著廢物處理成本(經(jīng)濟(jì)、環(huán)境)的增加及變廢為寶戰(zhàn)略理念的建立，科學(xué)家們開始探索ES及蛋殼膜(ESM)的高價(jià)值應(yīng)用。近年來，越來越多的研究證明了ESM的獨(dú)特性，其不僅包含多種蛋白質(zhì)及活性物質(zhì)，還具有許多優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)特性，擴(kuò)展了ESM的應(yīng)用范圍。ESM作為一種新型的、安全無害的、天然可再生的生物材料，可在食品、美容、飼料、化學(xué)、輕工、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)等許多領(lǐng)域進(jìn)行有益應(yīng)用，這不僅有助于科學(xué)和工業(yè)的發(fā)展，也有利于環(huán)保事業(yè)的進(jìn)行。在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，文章就ESM的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及應(yīng)用范圍進(jìn)行綜述，以期為ESM的進(jìn)一步研究應(yīng)用提供參考。

1 蛋殼膜的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

ES是一個(gè)科學(xué)有序的結(jié)構(gòu)[2]，從外到內(nèi)分別是角質(zhì)層(C)、孔道(PC)和ESM[3](圖1)，C和ESM作為天然屏障可抵御細(xì)菌進(jìn)入卵子內(nèi)部[4]。ESM的化學(xué)成分已被多人研究，公認(rèn)其包含約90%的蛋白質(zhì)、3%的脂類和2%的碳水化合物[5]，其碳水化合物主要是透明質(zhì)酸(HA)(占碳水化合物的81%)[6]，HA具有抗炎、促凝等生物活性，在醫(yī)療、美容、食品等領(lǐng)域有重要應(yīng)用[7]。Ahmed等[8]對ESM溶解物進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析，鑒定出472種蛋白質(zhì)，其中124種在ESM中具有高度特異性。此外，ESM中還存在多種礦物質(zhì)、氮、氨基酸、唾液酸、糖醛酸及溶菌酶等其他活性成分[9-10]。

C. 角質(zhì)層 PC. 孔道 ESM. 蛋殼膜

ESM是由高度交聯(lián)的纖維蛋白組成的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其在保證ES礦化的同時(shí)也可保護(hù)內(nèi)部蛋清不被礦化[11]。ESM整體結(jié)構(gòu)包含外殼膜、內(nèi)膜和限制膜三部分[12]，雖ESM整體由纖維組織形成，但各部分膜中包含的纖維并不完全一致，作用也不盡相同。外殼膜包含的纖維最多，也最粗糙、最厚，纖維厚度可達(dá)3.6 μm，其纖維相互交織成網(wǎng)，與蛋殼內(nèi)側(cè)乳頭旋鈕緊密相連[13-14](圖2)；內(nèi)殼膜厚度不到外殼膜的1/2，纖維直徑極少超過2 μm，與外殼膜相比，內(nèi)殼膜纖維分布更密集，呈凹凸?fàn)頪13]；限制層的纖維直徑最小，直接與內(nèi)部蛋清接觸，具有相對光滑的表面[13](圖3)。3層膜螺旋排列形成的完整網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是ESM阻止外部細(xì)菌進(jìn)入雞蛋內(nèi)部的重要基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，這種天然的網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)比人工多孔結(jié)構(gòu)有更優(yōu)越的性能和更廣泛的用途。

C. 黏附在外膜表面的乳頭旋鈕 E. 膜完全脫離后蛋殼內(nèi)測留下的凹陷

左上角寬箭頭之間(外殼膜) LS. 外殼膜中的孔狀結(jié)構(gòu) MK. 乳頭旋鈕 ISM. 內(nèi)殼膜 LM. 限制膜

由于膠原蛋白的存在，ESM中有大量的二硫鍵和水不溶性纖維，這使ESM具有難溶于水的特性[15]，一定程度上會限制其在某些方面的應(yīng)用。但是ESM作為各種天然活性物質(zhì)的潛在來源，具有較高的安全性和較低的自身免疫及過敏反應(yīng)，同時(shí)還具有優(yōu)秀的物理性能，如：多孔結(jié)構(gòu)、低吸水率、低膨脹性、良好的機(jī)械性能、可生物降解性等，這使其在醫(yī)療美容、功能飲食、環(huán)境保護(hù)、資源回收、儀器制造等很多領(lǐng)域都有極大的應(yīng)用空間。因此，ESM是一種利遠(yuǎn)大于弊的新型生物材料。

2 蛋殼膜的應(yīng)用

2.1 在美容方面的應(yīng)用

人體內(nèi)不斷產(chǎn)生的自由基會致使衰老，因此常借助外源產(chǎn)品延緩自由基對人體的損傷[16]。因ESM中含有豐富的活性物質(zhì)，從古至今都被認(rèn)為具有美顏?zhàn)o(hù)膚等功效。Yi等[17]發(fā)現(xiàn)含有ESM蛋白的組織培養(yǎng)液可促進(jìn)皮膚纖維再生，ESM蛋白濃度愈大效果愈明顯，該研究還發(fā)現(xiàn)ESM蛋白與人體皮膚具有很好的生物相容性，為ESM在美容方面的應(yīng)用提供了安全保障；Yoo等[18]通過研究ESM水解物對無毛小鼠皺紋形成的影響得出，ESM對皮膚有保濕舒緩作用；張偉云[19]以脫發(fā)模型小鼠為對象，證明ESM多肽具有促進(jìn)毛發(fā)生長的作用；Furukawa等[20]通過研究新生兒角質(zhì)細(xì)胞與觀察服用ESM粉末的小鼠發(fā)現(xiàn)，ESM酶解物具有改變角質(zhì)細(xì)胞形態(tài)、促進(jìn)生長因子表達(dá)、抑制皮膚變薄等功效；Ohto-Fujita等[21]發(fā)現(xiàn)ESM溶解物有促進(jìn)無毛小鼠體內(nèi)膠原蛋白Ⅲ產(chǎn)生的潛力，且可以明顯改善皮膚彈性，減少皺紋產(chǎn)生；Park等[22]研究表明，ESM水解物對皮膚美白、傷口愈合和紫外線防護(hù)有一定的積極作用。與合成物質(zhì)相比，人們會更偏好ESM中的天然活性成分，基于ESM活性物質(zhì)的產(chǎn)品有很大的開發(fā)潛力。

2.2 在生命醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

傷口愈合過慢會增加感染的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重的會引起死亡[23]，Mogosanu等[24]研究表明作為天然聚合物的ESM可促進(jìn)人體表皮細(xì)胞再生及傷口愈合。日本相撲運(yùn)動員在受傷時(shí)會直接選擇ESM作為敷料來處理傷口[25]；Ahmed等[23]通過動物試驗(yàn)表明，ESM可促進(jìn)小鼠傷口閉合形成肉芽組織；Mensah等[26]通過對ESM的結(jié)構(gòu)性能及安全性分析，肯定了其在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，其不僅可用于治療眼部損傷，還可以作為燒傷病人的生物敷料。Li等[27]將ESM和殼聚糖(CS)混合制備出了具有抑菌活性的傷口護(hù)理敷料；Pillai等[28]采用靜電紡絲等方法，將可溶性ESM蛋白(SEP)、CS、姜黃素等物質(zhì)組合在一起制備了具有抗菌、抗炎、抗氧化功能的雙層貼片，試驗(yàn)證明SEP可改善細(xì)胞的遷移能力；Gautron等[29]發(fā)現(xiàn)了與ESM相關(guān)的新型潛在抗菌蛋白Ovocalyxin-36(OCX-36)，其與很多已知參與先天免疫反應(yīng)的蛋白質(zhì)具有較高的序列同源性。

除了可促進(jìn)外傷愈合，ESM還可以修復(fù)關(guān)節(jié)炎癥及損傷。Wedekind等[30]以大鼠為研究對象，證明天然ESM對關(guān)節(jié)炎的治療有效；Hewlings等[31]研究證明關(guān)節(jié)疼痛患者連續(xù)服用一定量的ESM后可明顯改善其關(guān)節(jié)疼痛感和僵硬程度，還可緩解運(yùn)動后的不適，效果優(yōu)于安慰劑。這可能與ESM中存在的多糖(如透明質(zhì)酸、硫酸軟骨素)有密切聯(lián)系[30]。ESM對人體其他各類疾病的治療也有益處，如改善高尿酸血癥[32]、降低體內(nèi)膽固醇含量[33]、促進(jìn)神經(jīng)再生[34]、緩解胃腸道相關(guān)疾病等[35]。此外，ESM優(yōu)秀的天然結(jié)構(gòu)及性質(zhì)還使其可參與醫(yī)用器具的制作，Hirata等[36]用ESM輔助制作了可用于手術(shù)練習(xí)的眼睛模型；Xiong等[37]利用SEP與其他可生物降解合成聚合物結(jié)合制備出了具有良好機(jī)械性能和生物相容性的纖維支架。ESM具有來源豐富、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于醫(yī)療后可降低醫(yī)療成本，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，未來可進(jìn)一步對其在血管、神經(jīng)、骨細(xì)胞再生等方面的作用進(jìn)行研究。

2.3 在功能性食品方面的應(yīng)用

ESM中多樣的活性物質(zhì)是天然的膳食補(bǔ)充劑，這保證了其在食品工業(yè)中作為功能性和營養(yǎng)性食品成分的潛在用途。Ruff等[38]對人體細(xì)胞及大鼠進(jìn)行了短時(shí)間內(nèi)高劑量的ESM處理，結(jié)果表明大量補(bǔ)充ESM是安全的。Matsuoka等[39]通過大鼠飼喂試驗(yàn)確定了ESM的吸收率及凈蛋白效用，結(jié)果表明超過80%的ESM可被吸收，且ESM水解物的吸收率更高；劉春葉[40]通過酶法溶解ESM并從中提取了多糖和人體必需氨基酸，進(jìn)而研制出具有高營養(yǎng)價(jià)值的保健功能飲料；王蕊等[41]研究表明，基于ESM的功能性食品具有降血脂、抗凝血、抗炎癥等功效；蘇薇[42]從ESM中提取的N-乙酰神經(jīng)氨酸補(bǔ)充劑可提高大鼠的空間學(xué)習(xí)記憶能力，表明ESM在功能性食品中具有高價(jià)值應(yīng)用潛力；在日本，很多公司及個(gè)人利用ESM生產(chǎn)各種調(diào)味料[43]，ESM使調(diào)味料中含有較多對人體有益的氨基酸，這使調(diào)料具有豐富的口味和較高的營養(yǎng)，且ESM中的活性物質(zhì)還可以賦予其抗氧化等功效。ESM的安全性和營養(yǎng)性使其可以被廣泛應(yīng)用于各種食品生產(chǎn)中。

2.4 在納米技術(shù)中的應(yīng)用

ESM的還原能力和獨(dú)特的三維纖維網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)使其可以作為納米晶體良好生長的平臺，可將其用于各種納米技術(shù)應(yīng)用中的仿生化學(xué)處理。Alcaraz-Espinoza等[44]通過多壁碳納米管(MWCNT)對ESM的修飾和隨后的聚吡咯(PPy)原位聚合，制備了具有多孔表面的高導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)(見圖4)，此結(jié)構(gòu)可用于超級電容器中；Shao等[45]利用ESM制備的熒光金屬納米團(tuán)簇可應(yīng)用于可回收催化劑、傳感紙、熒光表面圖案化和防偽；Tang等[46]基于ESM制作的柔性大孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)催化劑和銀納米顆粒(AgNPs)催化劑對甲醇氧化具有很好的催化活性；Liang等[47]將AuNPs沉積在ESM表面制備出新型功能性生物納米復(fù)合材料，其可以催化4-硝基苯酚的還原反應(yīng)；Selvam等[48]利用ESM的還原性及穩(wěn)定性以其為模板制備了新型V2O5/ZnO納米抗菌復(fù)合材料，其具有制備簡便、效果優(yōu)良的特點(diǎn)；王玲[49]以ESM為載體制備了AgNPs/石墨烯/ESM復(fù)合膜，其具有很強(qiáng)的光熱轉(zhuǎn)化性能，此材料可在生物醫(yī)學(xué)的光熱治療領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用；Park等[50]制作了基于ESM的納米纖維支架，此支架結(jié)構(gòu)以天然生物材料為基礎(chǔ)，可應(yīng)用于組織或細(xì)胞工程合成關(guān)于人體細(xì)胞再生的組織結(jié)構(gòu)。

圖4 碳納米管修飾前后蛋殼膜電鏡對比圖[44]

2.5 用于環(huán)境治理和資源回收

水體污染的主要來源是染料及重金屬，出于環(huán)境保護(hù)和資源回收的考慮，水質(zhì)凈化是必要的。而傳統(tǒng)的凈化介質(zhì)如活性炭、泥炭、生物質(zhì)等具有操作繁瑣、二次污染等問題。ESM大的表面積和較多的微孔結(jié)構(gòu)使其具有良好的透氣性和吸附性，同時(shí)，ESM中大量氨基酸的存在使其具有很多特殊官能團(tuán)，如羥基(—OH)、硫醇(—SH)、羧基(—COOH)、氨基(—NH)、酰胺(—CONH2)等，使其具有催化及還原特性，表明ESM在環(huán)境治理及物質(zhì)勘測領(lǐng)域大有用途。

研究[51-55]證明，ESM對多種染料如孔雀石綠、品紅、剛果紅、硫化染料和反應(yīng)性紅120(RR120)等都有很好的吸附能力。此外，ESM對重金屬離子的吸附能力也很強(qiáng)，甚至優(yōu)于羽毛，研究[56-59]表明很多重金離子如Cr(Ⅳ)、Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、和Ag(Ⅰ)都可以被ESM/功能化ESM很好的吸附。ESM中糖與糖醛酸結(jié)合形成的醛基(R—CHO)還可以作為還原劑將金屬離子還原為元素狀態(tài)[60]，表明ESM在消除環(huán)境中金屬離子污染的同時(shí)還可以作為貴重金屬回收(如冶金)的重要工具。

ESM優(yōu)秀的吸附特性可檢測出環(huán)境中的痕量離子。Zhang等[61]證實(shí)ESM對水中的痕量Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅶ)離子有很好的吸附能力；Zou等[62]研究表明，經(jīng)聚乙烯亞胺(PEI)功能化的ESM可以對環(huán)境和飲食中的痕量Cu2+選擇性的萃取和富集；Cheng等[63]將ESM用作固相萃取(SPE)吸附劑來分離和預(yù)富集樣品，然后結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定了地質(zhì)樣品中的痕量Au。表明ESM對金屬離子具有高度敏感性，在高水平、高精密度的檢測儀器中有潛在應(yīng)用。

2.6 在生物傳感器上的應(yīng)用

ESM具有較大的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)其作為惰性材料不會對其他物質(zhì)造成干擾，因此ESM是制作生物傳感器的良好載體。Liu等[64]在ESM上將固定的葡萄糖氧化酶與具有催化效應(yīng)的鉑納米顆粒結(jié)合，制作了可用于人血清葡萄糖濃度測定的生物傳感器；Liu等[65]將Au和CeO2納米復(fù)合材料負(fù)載于ESM上構(gòu)建了一種可以靈敏檢測多巴胺的電化學(xué)生物傳感器；Mohammad等[66]使用超聲法將氧化石墨烯納米片摻入ESM，經(jīng)普魯士藍(lán)修飾后其可成為新型靈敏型H2O2電化學(xué)傳感器；Xue等[67]開發(fā)了一種基于CdTe量子點(diǎn)和雙酶固定ESM的生物傳感器，可用于檢測水果及蔬菜中的有機(jī)磷；Wen等[68]基于ESM制備出一種能準(zhǔn)確測定乙醇含量的新型微生物生物傳感器；Zhang等[69]發(fā)現(xiàn)經(jīng)PEI處理后的ESM可以固定脲酶，從而促進(jìn)電位尿素生物傳感器的制作；Li等[70]發(fā)現(xiàn)有ESM存在的吖啶黃素固定式熒光生物傳感器可以更靈敏、穩(wěn)定地檢測蘇丹Ⅰ～Ⅳ。

2.7 其他作用

ESM在其他方面的應(yīng)用也很多。Zhao等[71]研究表明ESM酶解肽具有抗菌的生物學(xué)活性，可抑制細(xì)菌生物膜的形成；溫越等[72]發(fā)現(xiàn)在制作包裝膜時(shí)加入一定量的ESM不僅可增強(qiáng)膜的抗拉扯、抗氧化、抗菌等能力，還能提高膜的機(jī)械、密封、環(huán)保性；還有研究[73]證明，經(jīng)ESM加工過的衣物可給人更加舒適的穿著體驗(yàn)；Trimbos等[74]通過對ESM進(jìn)行DNA鑒定來輔助研究鳥類群體遺傳學(xué)，其具有不易變異和交叉污染等優(yōu)點(diǎn)；方紹培等[75]發(fā)現(xiàn)添加了ESM的雞飼料可明顯提高雞血清中的總蛋白量并增強(qiáng)其免疫力與抗病力；Liu等[76]利用ESM粉末作為孔原改善了CS顆粒的孔隙率，當(dāng)加入的ESM粉末達(dá)到20%時(shí)，其顆?？紫抖瓤蓾M足固定蛋白酶最大活性；此外，ESM在太陽能、半導(dǎo)體和燃料電池的生產(chǎn)中也有一定的積極作用[77]。綜上，ESM的應(yīng)用幾乎遍布人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。

2.8 蛋殼膜應(yīng)用相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)及分析

通過查閱大量文獻(xiàn)對ESM的應(yīng)用領(lǐng)域及文獻(xiàn)年份進(jìn)行了整理，結(jié)果見圖5。ESM幾乎在人類生活的各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，人們對ESM的深入研究主要集中在近20年特別是近10年間，這與人們環(huán)保意識的增強(qiáng)是一致的。從圖5可以看出，ESM在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究一直備受關(guān)注，近10年更甚；其次，ESM在材料學(xué)及環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用也是人們持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)；在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究近10年間異軍突起；在生物工程、美容護(hù)膚、功能性食品方面的研究也一直在進(jìn)行；其在群體遺傳學(xué)、輕工業(yè)及其他尚未涉及的領(lǐng)域還有很大的研究發(fā)展空間。

圖5 蛋殼膜應(yīng)用范圍及文獻(xiàn)年份分布

另外，從相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，ESM在各領(lǐng)域之間的交叉應(yīng)用越來越流行，材料科學(xué)更是ESM在其他領(lǐng)域擴(kuò)大應(yīng)用的基礎(chǔ)。ESM在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用多數(shù)處于材料科學(xué)、化學(xué)、生物工程和細(xì)胞生物學(xué)的交叉處，如基于ESM的納米生物敷料、納米支架等；ESM在電化學(xué)中的應(yīng)用也需要納米技術(shù)及生物工程技術(shù)的支持；基于納米技術(shù)的ESM生物材料更方便其在超級電容器、生物傳感器、重金屬及染料吸附等領(lǐng)域的應(yīng)用。未來各領(lǐng)域間基于ESM的應(yīng)用會交叉結(jié)合的越來越緊密、越來越復(fù)雜，這也是發(fā)展的必然性。

3 問題與展望

蛋殼膜雖用途廣泛，但也有限制其應(yīng)用的因素。首先，蛋殼膜中大量二硫鍵的存在使其結(jié)構(gòu)性質(zhì)比較穩(wěn)定，不溶于水。這雖是其優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中會增加操作難度，如蛋殼膜的顆粒大小、形狀和孔隙率等都對其吸附率有很大影響。為了使蛋殼膜能擁有更加便捷、廣泛的用途，應(yīng)考慮在不破壞其本身活性的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改性處理，使其成為可溶或易溶狀態(tài)。其次，蛋殼膜單片質(zhì)量小、貯存不便、分離困難，因此想要產(chǎn)業(yè)化利用蛋殼膜并非易事，而且不同的應(yīng)用需要不同形態(tài)的蛋殼膜，如固態(tài)、液態(tài)、片狀、粉末狀及納米粒子，這些都對工業(yè)生產(chǎn)中的相關(guān)技術(shù)水平提出了很高的要求。另外，目前對蛋殼膜的利用多依賴于其本身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，但其包含的豐富蛋白質(zhì)及其他活性物質(zhì)也是蛋殼膜在許多領(lǐng)域發(fā)揮作用的重要基礎(chǔ)，如醫(yī)療、美容、飲食等。雖已有科研人員對蛋殼膜的各種活性物質(zhì)進(jìn)行了單獨(dú)提取(如抗氧化肽、透明質(zhì)酸、膠原蛋白、硫酸軟骨素、角蛋白、溶菌酶等)，但尚未見到成熟的相關(guān)產(chǎn)品在市場上流通或大規(guī)模應(yīng)用，這可能是因?yàn)楫a(chǎn)品純度不高、產(chǎn)率較低、活性較弱、質(zhì)量穩(wěn)定性差等，未來是否應(yīng)把重心放在對蛋殼膜活性物質(zhì)的提取及保存上值得思考。最后，蛋殼膜在精密儀器中的應(yīng)用還不成熟，可重復(fù)性較差。元件中微小的變化可產(chǎn)生不同的化學(xué)和機(jī)械效應(yīng)，若想蛋殼膜對其有更好的應(yīng)用，還需更加全面、系統(tǒng)、深入地了解蛋殼膜的性質(zhì)及作用機(jī)理。

問題固然存在，但這并不影響蛋殼膜是人們關(guān)注的特殊生物材料。近期Kim等[78]發(fā)現(xiàn)蛋殼膜支持的正向滲透薄膜可用于海水淡化，這是一個(gè)很有價(jià)值的新發(fā)現(xiàn)，可開展新的研究方向。相信隨著科技的發(fā)展，蛋殼膜及其衍生物的應(yīng)用領(lǐng)域會更廣泛，在各領(lǐng)域的應(yīng)用也會更深入，更成熟。