雞蛋殼膜的開發(fā)利用

安艷茹，夏夢穎，黃玉萍，周葉方

(中南大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)系，湖南長沙410013)

中國是世界第一禽蛋生產(chǎn)和消費(fèi)大國，按蛋殼占鮮蛋質(zhì)量的11%，蛋殼膜占蛋殼質(zhì)量的5%計(jì)算，我國每年產(chǎn)生蛋殼約為340萬t，產(chǎn)生的蛋殼膜約為17萬t，這些丟棄的蛋殼中的殘留及蛋殼膜是資源上的極度浪費(fèi)［1］。目前國內(nèi)外對蛋殼的資源化研究和開發(fā)利用甚多，而對蛋殼膜的研究及利用則剛剛起步，正愈來愈引起人們的重視。但是由于其相應(yīng)的產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向很多，因此準(zhǔn)確把握蛋殼膜的目前研究與應(yīng)用開發(fā)現(xiàn)狀，了解蛋殼膜相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中可能存在的問題，對于以后我國在蛋類制品的進(jìn)一步深加工以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展顯得尤為重要。本文就目前蛋殼膜的綜合研究利用做一個(gè)綜述。

1 雞蛋殼膜(ESM)的結(jié)構(gòu)和組成

雞蛋殼膜(ESM)是位于蛋殼與蛋清之間的纖維狀薄膜，占雞蛋殼總重的4%～5%左右，由蛋殼內(nèi)膜和蛋殼外膜組成［2］。雞蛋殼膜厚度約為70μm，其中外雞蛋殼膜厚度為50μm左右，內(nèi)蛋殼膜厚度為15μm左右［3］。通過掃描電鏡觀察可得，雞蛋殼膜外表面呈現(xiàn)出相互交織的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維直徑為微米級，而內(nèi)表面則表現(xiàn)得較外表面致密，呈現(xiàn)出凹凸形貌。

ESM 中90%的組分為蛋白質(zhì)［2，4］，主要以糖蛋白的形式存在，類似于細(xì)胞膜蛋白質(zhì)的組成，此外還含有膠原蛋白(主要為Ⅰ、Ⅴ、Ⅹ型)、角蛋白、OC17(Ovocleidin)、骨橋蛋白(Osteopontin)、卵清蛋白(Ovalbumin)、溶菌酶(Lysozyme)等［5］。蛋殼膜的氨基酸組成中胱氨酸(Cys)、脯氨酸(Pro)較多，也含有膠原蛋白特有的羥脯氨酸、羥賴氨酸和彈性蛋白特有的鎖鏈素［6］。雞蛋殼膜中還含有少量的脂類和碳水化合物，約3%的脂質(zhì)體及2%的糖類。此外，雞蛋殼膜中還含有少量的無機(jī)物，主要有鈣、鎂、鍶，而幾乎不含鉛、鋁、鎘、汞、碘。

基于雞蛋殼膜的特點(diǎn)，人們在它的直接應(yīng)用及組分的分離加工應(yīng)用，特別是高生物活性分子的提取等方面開展了大量工作，制備出一批應(yīng)用前景好的產(chǎn)品并開展了產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)。

2 蛋殼膜的直接應(yīng)用

由于其豐富的物質(zhì)成分組成和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，目前雞蛋殼膜已經(jīng)被應(yīng)用在醫(yī)藥、輕工業(yè)、環(huán)境工程和生物傳感器等多個(gè)領(lǐng)域，通過對雞蛋殼膜的開發(fā)利用之后，其經(jīng)濟(jì)效益將大大提高。

2.1 醫(yī)藥領(lǐng)域

雞蛋殼膜，俗稱“鳳凰衣”［7］，目前其在醫(yī)藥領(lǐng)域的多方面應(yīng)用體現(xiàn)了它具有加速上皮形成、消炎及促進(jìn)肌膚生長的作用。臨床在治療褥瘡［8］，皮膚燙傷［9-10］及外傷性鼓膜穿孔［11］中有良好的效果。

日本科學(xué)家成功地將雞蛋殼膜加工成直徑僅為5μm的極細(xì)粉末，并添加到紡織纖維里，制成了一種特別的新型纖維。用該雞蛋殼膜纖維制成的繃帶具有促進(jìn)傷口愈合的功效，可使康復(fù)時(shí)間大大縮短［4］。

2.2 輕工業(yè)領(lǐng)域

日本丘比公司與出光精細(xì)技術(shù)公司合作，利用蛋殼內(nèi)膜加工技術(shù)和天然成分微粉化與特殊聚合配比技術(shù)制得蛋殼內(nèi)膜粉新材料。這種材料如果直接應(yīng)用于接觸肌膚的衣服上，不僅可令皮膚觸感光滑，而且還可使皮膚的彈性和張力提高［12］。

2.3 環(huán)境工程領(lǐng)域

蛋殼膜具有多孔的蛋白質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積。研究顯示，雞蛋殼膜有能力在溶液中結(jié)合許多種類的金屬離子，可用于貴重金屬的回收［13］。1g卵殼膜粉能吸附22.9mg銅、71.5mg銀、300mg鈀和300mg白金，此外其對黃金、銠也有吸附性，其吸附量超過角蛋白、膠原蛋白、彈性蛋白對金屬的吸附量［14］。

2.4 生物傳感器

酶生物傳感器有感受器和換能器兩個(gè)主要組成部分，其中感受器的制備包括選擇載體材料和在載體上固定化酶，而固定這一步驟對于保持酶的生物活性有著至關(guān)重要的作用。已有報(bào)道顯示，利用戊二醛等交聯(lián)劑將酶固定在雞蛋殼膜上，這種新型載體可以延長酶的壽命。

以雞蛋殼膜為載體的酶生物傳感器有以下幾種:天冬甜素光學(xué)酶生物傳感器，采用α-糜蛋白酶和乙醇氧化酶雙酶體系，用來測定某些商業(yè)產(chǎn)品中天冬甜素的濃度［15］;葡萄糖生物傳感器，將葡萄糖氧化酶固定在雞蛋殼膜上，用來測定產(chǎn)品中葡萄糖的濃度［16］;尿酸生物傳感器，是將尿酸酶固定在雞蛋殼膜上用于測定尿酸的濃度［17］;乙醇傳感器，包括固定了乙醇氧化鎂和殼聚糖的雞蛋殼膜以及一個(gè)氧氣感受器，可以根據(jù)氧氣的減少量來測定乙醇的濃度［18］;化學(xué)熒光法生物傳感器，所用酶為DNA酶，用于測定 H2O2的含量［19］。

通過上述可知，雞蛋殼膜在很多領(lǐng)域都可以得到應(yīng)用，然而大部分應(yīng)用仍然僅停留在蛋殼內(nèi)膜的剝離，并沒有對其組分進(jìn)行深入的加工處理，而且這樣的直接應(yīng)用會受到蛋殼內(nèi)膜的來源差異，還有天然雞蛋殼內(nèi)膜的形狀、大小及厚度等因素的限制而很難進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。為了在真正意義上充分利用雞蛋殼膜這一資源，目前的研究已深入到對其中高附加值的有效成分進(jìn)行提取應(yīng)用。

3 蛋殼內(nèi)膜成分的提取及應(yīng)用

3.1 可溶性雞蛋殼膜蛋白(SEP)的提取和應(yīng)用

原始蛋膜為纖維狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不溶于水，而蛋白質(zhì)一般在溶解狀態(tài)下才會表現(xiàn)出良好的功能特性，從而更好地加以利用。

3.1.1 SEP的提取方法 目前有關(guān)雞蛋殼膜中SEP的提取方法已報(bào)道的主要有以下幾種:a.氫氧化鈉-乙醇溶解法［20］:蛋膜完全溶解后中止水解反應(yīng)，再用HCl中和至pH7.2～7.4，超濾脫鹽濃縮后即得到10%～15%蛋膜素溶液;b.甲酸氧化/胃蛋白酶消化法:切除雞蛋殼膜(ESM)中的二硫鍵并使其溶解［21］，利用此法最終可得到可溶性殼膜蛋白，但產(chǎn)率較低，只有16%～39%;c.研究者還對ESM進(jìn)行二次提取，先用3-巰基丙酸/乙酸處理，后用胃蛋白酶酶解，利用這種新方法使得提取率高達(dá)90%［5］。

前面兩種方法得到的產(chǎn)物產(chǎn)率很低，而且由于其溶解性能局限了它在生物材料上的應(yīng)用。第三種方法產(chǎn)率較高，基本達(dá)到了利用整個(gè)蛋殼膜的目的，產(chǎn)物易溶于酸性和堿性水溶液及六氟異丙醇等有機(jī)溶劑，因此可以進(jìn)一步加工成膜或制成其他所需的形狀，是生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用于組織修復(fù)的重要依據(jù)對象。

3.1.2 SEP的應(yīng)用 研究者利用流延法［22］制得了SEP膜，這種膜上生長的NIH3T3細(xì)胞具有更高的活度。SEP膜的成功制備使雞蛋殼膜有可能被加工成所期望的形狀和尺寸，而不會僅局限于天然形態(tài)和大小。但是純SEP膜在干態(tài)下比較脆，不能滿足組織工程支架材料的強(qiáng)度需求，從而使其在實(shí)際應(yīng)用中受到很大限制。隨后人們通過將SEP均勻固定在PCL膜和PE膜上，使得新的材料具有優(yōu)良物理機(jī)械性能和生物相容性。

在近些年來，靜電紡絲技術(shù)［23］在納米纖維高分子支架上有很大發(fā)展，并引起世界各國學(xué)者的關(guān)注。SEP 可以與 PVA［24］，PPC、PLA［25］進(jìn)行共混紡絲得到可促進(jìn)細(xì)胞生長的支架。Kim等［26］利用SEP和PCL也成功進(jìn)行了同軸電紡制得可應(yīng)用于組織工程的醫(yī)用材料，該類產(chǎn)品有較高的表面積體積比，在藥物載體及美容敷料等方面有很好的應(yīng)用前景。

通過對SEP的提取和應(yīng)用進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn):SEP的提取率很高可達(dá)90%，產(chǎn)物的利用率較高，產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用有一定基礎(chǔ)，產(chǎn)業(yè)開發(fā)前景良好。而且SEP是一種混合蛋白，可以作為食品，飼料等的添加劑開發(fā)充分發(fā)揮它的蛋白含量高的特性。除了對蛋殼膜可溶總蛋白的研究利用外，對于雞蛋殼膜中所含有的各單一高附加值成分如膠原，唾液酸及抗菌蛋白等的提取和應(yīng)用也是目前的熱點(diǎn)。

3.2 膠原蛋白的提取和應(yīng)用

3.2.1 膠原蛋白的提取 以往的膠原主要從陸基生物(主要是牛和豬)中提取，報(bào)道的膠原的提取方法主要有酸法、堿法、鹽法和酶法四種，提取率以酶法為最高［27］，但在突發(fā)了牛的海綿狀腦病(瘋牛病)和豬的口蹄疫危機(jī)之后，哺乳動物來源的膠原蛋白的醫(yī)學(xué)應(yīng)用就受到了限制［28］。隨著研究的深入，雞蛋殼膜逐漸成為一種安全的膠原蛋白新來源。目前雞蛋殼膜中膠原蛋白的提取方法大部分為酶解法，膠原蛋白的提取率達(dá)到0.91%［29］。

3.2.2 膠原蛋白的應(yīng)用 以往從陸基動物中提取的膠原蛋白被廣泛應(yīng)用于食品、化妝品和制藥工業(yè)等，通過對雞蛋殼膜中此蛋白的分析對其應(yīng)用進(jìn)行推測。

在雞蛋殼膜中發(fā)現(xiàn)了約為其自重10%的類膠原蛋白，用氨基酸分析、十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)、傅里葉變換紅外(FTIR)和差示掃描量熱術(shù)等方法對蛋殼膜類膠原蛋白的特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)蛋殼膜膠原類與其他來源的膠原有相似的特性，數(shù)據(jù)表明蛋殼膜來源的膠原的自身免疫和過敏反應(yīng)很低。由此可以得出蛋殼膜膠原蛋白可以作為新的資源代替哺乳動物膠原的商業(yè)應(yīng)用，包括功能食品、化妝品、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域［30］。

3.3 角蛋白的提取和應(yīng)用

3.3.1 角蛋白的提取 角蛋白大分子含有大量半胱氨酸，從而在主鏈間能形成二硫鍵等空間橫向聯(lián)鍵，使天然角蛋白質(zhì)難于溶解［31］。因此若要制得分子量較高、溶解性較好的角蛋白，只能通過選擇性的打開二硫鍵、破壞氫鍵等方法來實(shí)現(xiàn)。以蛋殼膜為原料提取角蛋白的方法主要有堿法、酸法和酶法。研究發(fā)現(xiàn)酶法提取角蛋白與其他方法相比，反應(yīng)條件溫和［32］，對環(huán)境無污染，具有良好的發(fā)展前景。

3.3.2 角蛋白的應(yīng)用 根據(jù)純化程度的不同，角蛋白可應(yīng)用于食品、飼料和藥物等方面［33］，具體包括以下領(lǐng)域:a.動物飼料，角蛋白作為動物飼料可以促進(jìn)動物生長;b.化妝品領(lǐng)域，角蛋白與人體皮膚天然相容，具有良好的皮膚保健、保護(hù)和治療功效;c.生物材料領(lǐng)域，角蛋白可用作傷口縫合線和其他治療皮膚的藥物。

3.4 唾液酸的提取和應(yīng)用

廢棄蛋殼是重要的唾液酸源，雞蛋殼膜中唾液酸的含量不高，約為0.02%，但由于殼膜資源總量豐富，利用蛋殼膜來提取唾液酸的經(jīng)濟(jì)效益很高。目前以酸解法制備唾液酸的得率較高，具體水解條件為:pH2，溫度為 85℃，料液比為 1∶120，時(shí)間為 1.5h，得到唾液酸的含量為46.12μg/mL左右［34］。唾液酸是一類神經(jīng)氨酸的衍生物，具有很多生物活性功能。唾液酸能夠維持人體粘蛋白潤滑，有利于神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育，尤其對于嬰幼兒大腦的發(fā)育具有重要作用。此外，唾液酸還具有抗菌消炎、抗病毒以及抗腫瘤的作用［35］。

3.5 透明質(zhì)酸的提取和應(yīng)用

目前研究表明酶法在提取雞蛋殼膜中透明質(zhì)酸的工藝有一定的優(yōu)勢，胰蛋白酶提取透明質(zhì)酸的工藝條件比較簡單而且容易調(diào)控［36］。透明質(zhì)酸具有高度粘彈性、可塑性、滲透性和良好的生物相容性，這些重要的特性使其可以作為一種功能性化妝品原料，廣泛應(yīng)用于化妝品、保健食品、美容手術(shù)和醫(yī)藥等領(lǐng)域。

3.6 新型抗菌蛋白的提取和應(yīng)用

蛋殼膜中含有一些特定類型的蛋白可以幫助雞蛋抵抗外界細(xì)菌的侵入，這類蛋白分子由于其抗菌譜廣和不利細(xì)菌形成耐藥性等特點(diǎn)而成為目前藥物研究的一個(gè)熱點(diǎn)。將蛋殼膜蛋白抽提后經(jīng)過羧甲基瓊脂糖陽離子離子交換柱，然后再從 DEAE(Diethylaminoethyl，二乙氨乙基)瓊脂糖陰離子交換柱洗脫下來可以得到一種ovocalyxin-36蛋白。該分子的蛋白基因組成與殺菌增透性蛋白(BPI，bactericidal permeability-increasing proteins)/脂多糖結(jié)合蛋白(LBP，lipo-polysaccharide-binding proteins)家族類似，其抗菌活性結(jié)果表明OCX-36能和細(xì)菌脂多糖結(jié)合從而抑制微生物的遷移和增殖［37］。更多微量蛋白分子如類Kunitz蛋白酶抑制劑和羧肽酶A抑制劑等已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，目前正在研究它們的抗菌效能及應(yīng)用范圍［38］。

3.7 溶菌酶的提取和利用

蛋殼膜中含有溶菌酶，研究者將蛋殼膜在酸性溶液中溶解后，加入聚丙烯酸(p H3.0)形成溶菌酶-聚丙烯酸凝聚物，然后將這種凝聚物解離，得到結(jié)晶的溶菌酶，再用甲殼質(zhì)親合層析和DEAE纖維素層析精制純化，可以得到可用于食品工業(yè)的溶菌酶［39］，這種方法每公斤蛋殼膜可獲得再結(jié)晶產(chǎn)品近一克。

溶菌酶的用途很多，食品工業(yè)中由于溶菌酶本身是一種天然蛋白質(zhì)，無毒性，可以作為防腐、保鮮劑食品添加劑;還可作為一種細(xì)胞工程、發(fā)酵工程中的工具酶應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)及生物技術(shù)中。

3.8 硫酸軟骨素的提取和利用

以蛋殼膜為原料，稀堿條件下溶解，然后采用胰蛋白酶、胃蛋白酶分解法去除雜蛋白，經(jīng)酒精沉淀并干燥后可以得到硫酸軟骨素(chondroitin sulfate，CS)［40］。硫酸軟骨索是殼膜軟骨等組織的一類重要的酸性粘多糖即糖胺聚糖。硫酸軟骨素對角膜膠原纖維具有保護(hù)作用，能促進(jìn)基質(zhì)中纖維的增長，從而促進(jìn)角膜創(chuàng)傷的愈合及改善眼部干燥癥狀。還可應(yīng)用于關(guān)節(jié)炎作為治療關(guān)節(jié)疾病的藥品，常與葡萄糖胺配合使用，具有止痛、促進(jìn)軟骨再生的功效，對改善老年退行性關(guān)節(jié)炎、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎有一定的效果，是目前常用的一種關(guān)節(jié)保護(hù)保健品。

4 思考和展望

我國是人口大國，蛋品消費(fèi)總量巨大，如果對于雞蛋殼膜沒有進(jìn)行合理的開發(fā)利用，則違背了當(dāng)今社會的重要主題之一——節(jié)約資源。面對這一豐富而廉價(jià)的雞蛋殼膜資源，對其進(jìn)行合理的開發(fā)利用不僅可以緩解資源短缺現(xiàn)狀，也將會帶來重要的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

通過多年的研究開發(fā)，目前對于雞蛋殼膜的利用已從簡單的直接利用轉(zhuǎn)為提取其中重要的生物分子，而且其中不乏許多高附加值的產(chǎn)品，可以被應(yīng)用到食品，化妝品，生物藥物行業(yè)等。但目前離蛋殼膜資源做到真正的產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，其中還有許多相關(guān)問題影響蛋殼膜開發(fā)的進(jìn)一步發(fā)展，需要采取一定措施進(jìn)行改善和解決。

首先是蛋殼膜相關(guān)的產(chǎn)品在市場上有一定的替代品，這就要求研究的產(chǎn)品不僅能盡快的從實(shí)驗(yàn)室走向市場，而且要有高附加值，從而保證蛋殼膜源產(chǎn)品有較強(qiáng)的競爭性，有很好的性價(jià)比，進(jìn)而打入市場;第二個(gè)問題是與我國蛋殼及蛋殼膜資源本身的利用程度較低有關(guān)，與發(fā)達(dá)國家有一定差距，希望可以通過加強(qiáng)大型禽蛋與食品公司的聯(lián)合提高這類可回收垃圾的利用效率。例如雞蛋殼中的鈣源利用已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并進(jìn)入飼料業(yè)，蛋殼膜的產(chǎn)業(yè)發(fā)展可以借鑒蛋殼資源開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)或者同蛋殼開發(fā)結(jié)合起來，可以克服目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的局限性;第三個(gè)問題是國家對這些邊緣產(chǎn)業(yè)尚未引起重視，建議多和相關(guān)部門如環(huán)保，科技，社會發(fā)展部門等進(jìn)行溝通，爭取有相應(yīng)的扶持政策，切實(shí)對禽蛋業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行資金及配套落實(shí)。

盡管雞蛋殼膜的研究開發(fā)還面臨一些問題，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化也不是短期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，但是通過目前的研究應(yīng)用，我們可以發(fā)現(xiàn)由于蛋殼膜具有多種優(yōu)良特性，與其相關(guān)的許多產(chǎn)品都有廣泛的應(yīng)用前景，如化妝品，生物醫(yī)藥和組織工程支架等，只要運(yùn)用合適的方法將其加以很好的開發(fā)利用，形成一定的產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，實(shí)現(xiàn)蛋殼膜的市場化操作，就可以真正地做到變廢為寶，達(dá)到資源的最大化利用目的。

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