掃描電子顯微鏡在鵪鶉蛋殼表征中的應(yīng)用

鄭 希，戎念杭

（浙江大學(xué) 農(nóng)生環(huán)測(cè)試中心，浙江 杭州 310058）

鵪鶉蛋具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，廣受消費(fèi)者喜愛.蛋殼保護(hù)蛋免受外界機(jī)械損傷，以及阻擋外部病菌侵害[1].不同于雞、鴨、鵝的蛋，鵪鶉蛋表面還分布有顏色深淺不一的不規(guī)則斑點(diǎn)，這些圖案對(duì)蛋可能起到保護(hù)色的作用[2].目前，有許多利用掃描電子顯微鏡技術(shù)對(duì)雞、鴨、鵝蛋殼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察的報(bào)道[3-12]，但人們對(duì)鵪鶉蛋的蛋殼結(jié)構(gòu)的報(bào)道卻很少.本研究利用掃描電子顯微鏡及能譜技術(shù)對(duì)鵪鶉蛋蛋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，并對(duì)表面的深褐色、淺黃色部分進(jìn)行對(duì)比分析，以期對(duì)鵪鶉蛋蛋殼的微觀結(jié)構(gòu)有深入了解，為禽蛋研究提供借鑒.

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

GeminiSEM 300型掃描電子顯微鏡（SEM，德國(guó)卡爾蔡司），XFlash 6|30型能譜儀（EDS，德國(guó)布魯克），E1010型離子濺射儀（日本日立），碳導(dǎo)電膠（日本日新）.鵪鶉蛋樣品采購(gòu)自杭州駱家莊菜場(chǎng).

1.2 試驗(yàn)方法

取鵪鶉蛋蛋殼深褐色、淺黃色區(qū)域，將未擦去外表色斑的和擦去外表色斑的鵪鶉蛋殼的外表面、內(nèi)表面、橫截面分別粘在掃描電子顯微鏡樣品臺(tái)上，離子濺射儀噴金鍍膜，放入掃描電子顯微鏡中進(jìn)行觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 橫截面的掃描電子顯微鏡觀察

鵪鶉蛋蛋殼微觀結(jié)構(gòu)包含5層（如圖1所示），由內(nèi)向外分別是殼膜層、乳突層、海綿層、垂直晶體層和角質(zhì)層，深褐色區(qū)域[如圖1（a）所示]和淺黃色區(qū)域[如圖1（b）所示]厚度不同，其中殼膜層、乳突層、海綿層、垂直晶體層厚度無(wú)明顯差異，主要差異為角質(zhì)層的厚度，深褐色區(qū)域比淺黃色區(qū)域厚.擦去外表顏色，掃描電子顯微鏡觀察乳白色部分的橫截面[如圖1（c） （d）所示]，發(fā)現(xiàn)除角質(zhì)層外，其余4層的結(jié)構(gòu)都尚在，且厚度沒有明顯差異，說(shuō)明鵪鶉蛋蛋殼表面深褐色和淺黃色的色斑來(lái)自于角質(zhì)層.

圖1 鵪鶉蛋蛋殼橫截面的掃描電子顯微鏡照片（a）鵪鶉蛋蛋殼的深褐色區(qū)域，（b）鵪鶉蛋蛋殼的淺黃色區(qū)域，（c）擦去顏色后鵪鶉蛋蛋殼的深褐色區(qū)域，（d）擦去顏色后鵪鶉蛋蛋殼的淺黃色區(qū)域（Bar=50 μm）Fig.1 SEM images of cross sections of quail eggshell(a) dark brown area of quail eggshell, (b) light yellow area of quail eggshell, (c) dark brown area of quail eggshell after wiping off color, (d) light yellow area of quail eggshell after wiping off color (Bar=50 μm)

2.1.1 角質(zhì)層

鵪鶉蛋蛋殼的深褐色區(qū)域比淺黃色區(qū)域厚[如圖2（a1） （b1）所示].放大可見34～680 nm大小不一的球形顆粒，深褐色區(qū)域顆粒連接較為疏松，顆粒之間有大量空隙，輪廓更為清晰[如圖2（a2）所示].淺黃色區(qū)域的顆粒之間的空隙填充致密，僅有少量納米級(jí)的小孔[如圖2（b2）所示].

圖2 鵪鶉蛋蛋殼角質(zhì)層橫截面的掃描電子顯微鏡照片（a1）（a2）深褐色區(qū)域（Bar=5 μm，300 nm），（b1）（b2）淺黃色區(qū)域（Bar=5 μm，300 nm）Fig.2 SEM images of cross sections of stratum corneum in quail eggshell(a1) (a2) dark brown area of quail eggshell, (b1) (b2) light yellow area of quail eggshell

2.1.2 垂直晶體層

垂直晶體層主要為長(zhǎng)條狀的晶體，緊密排列，方向基本垂直蛋殼表面（如圖3所示）.深褐色區(qū)域[如圖3（a1） （a2）所示]和淺黃色區(qū)域[如圖3（b1）（b2）所示]在掃描電子顯微鏡下觀察未見明顯區(qū)別.

圖3 鵪鶉蛋蛋殼垂直晶體層橫截面的掃描電子顯微鏡照片（a1）（a2） 深褐色區(qū)域（Bar=1 μm，300 nm），（b1）（b2）淺黃色區(qū)域（Bar=1 μm，300 nm）Fig.3 SEM images of cross sections of vertical crystal layer in quail eggshell(a1) (a2) dark brown area of quail eggshell, (b1) (b2) light yellow area of quail eggshell

2.1.3 海綿層

海綿層中具有大量孔洞（如圖4所示），平均空隙直徑約為500 nm，孔洞內(nèi)表面布滿納米級(jí)的顆粒突起.深褐色區(qū)域[如圖4（a1） （a2） （a3）所示]和淺黃色區(qū)域[如圖4（b1） （b2） （b3）所示]在掃描電子顯微鏡下觀察未見明顯區(qū)別.

圖4 鵪鶉蛋蛋殼海綿層橫截面的掃描電子顯微鏡照片（a1）～（a3）深褐色區(qū)域（Bar=5 μm，1 μm，300 nm），（b1）～（b3）淺黃色區(qū)域（Bar=5 μm，1 μm，300 nm）Fig.4 SEM images of cross sections of spongy layer in quail eggshell(a1)～(a3) dark brown area of quail eggshell, (b1)～(b3) light yellow area of quail eggshell

2.1.4 乳突層及殼膜層

乳突由柱狀和椎體狀兩部分組成（如圖5所示），單層垂直排列，椎體尖端朝向蛋殼內(nèi)部的殼膜層.殼膜層由纖維組成，與蛋殼表面平行，乳突層的尖端突起和殼膜纖維交錯(cuò)層疊.

圖5 鵪鶉蛋蛋殼乳突層橫截面的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM image of cross section of mastoid layer in quail eggshell (Bar=20 μm)

2.2 鵪鶉蛋蛋殼外表面的掃描電子顯微鏡觀察

對(duì)鵪鶉蛋蛋殼外表面進(jìn)行觀察，可見布滿裂紋[如圖6（a）所示]，深褐色區(qū)域[圖6（a）左側(cè)]較淺黃色區(qū)域[圖6（a）右側(cè)]皸裂塊體大，裂紋縫隙大.深褐色區(qū)域皸裂塊體表面致密平滑[如圖6（b）所示]，淺黃色區(qū)域可見納米和微米級(jí)的圓形突起[如圖6（c）所示].

圖6 鵪鶉蛋蛋殼外表面的掃描電子顯微鏡照片（a）深褐色區(qū)域和淺黃色區(qū)域交界處，左側(cè)為深褐色，右側(cè)為淺黃色（Bar=100 μm），（b）深褐色區(qū)域（Bar=2 μm），（c）淺黃色區(qū)域（Bar=2 μm）Fig.6 SEM images of outer surface of quail eggshell(a) junction of dark brown area and light yellow area, dark brown area on left side and light yellow area on right side,(b) dark brown area of quail eggshell, (c) light yellow area of quail eggshell

將鵪鶉蛋蛋殼外表面深褐色和淺黃色都擦去，呈現(xiàn)乳白色，在掃描電子顯微鏡下觀察，可見擦去顏色后的表面有零星小孔[如圖7（a） （b）所示]，孔徑約10～30 μm.

圖7 擦去顏色后鵪鶉蛋蛋殼外表面小孔的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.7 SEM images of pores on outer surface of quail eggshell after wiping off color (Bar=10 μm)

2.3 內(nèi)表面的掃描電子顯微鏡觀察

對(duì)未撕去內(nèi)膜的內(nèi)表面觀察，其結(jié)構(gòu)致密粗糙，可見纖維狀以及顆粒狀的紋路[如圖8（a1） （a2）（a3）所示].內(nèi)膜撕去后，可見纖維交織層疊，纖維粗細(xì)約為1～2 μm，突出的顆粒狀鑲嵌在纖維上，顆粒大小約為15 μm [如圖8（b1） （b2） （b3）所示].

圖8 鵪鶉蛋蛋殼內(nèi)表面的掃描電子顯微鏡照片（a1）～（a3）蛋殼內(nèi)膜的內(nèi)表面（Bar=100 μm，10 μm，2 μm），（b1）～（b3） 已撕去內(nèi)膜的內(nèi)表面（Bar=100 μm，20 μm，3 μm）Fig.8 SEM images of inner surfaces of quail eggshell(a1)～(a3) inner surface of shell-membrane, (b1)～(b3) inner surface of quail eggshell after peeling off shell-membrane

2.4 能譜分析

表1和圖9、10的能譜結(jié)果表明，蛋殼主要組成元素為Ca、O、C、N、P和S.其中角質(zhì)層和殼膜層以C和O為主.角質(zhì)層的C、O元素分別占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30.17%、35.54%，殼膜層的C、O元素分別占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的48.47%、26.06%.垂直晶體層、海綿層和乳突層以Ca和O為主.垂直晶體層的Ca、O元素分別占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的33.08%、47.02%，海綿層的Ca、O元素分別占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的37.16%、47.24%，乳突層的Ca、O元素分別占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的44.06%、33.85%.

圖9 蛋殼橫截面能譜線掃描結(jié)果Fig.9 EDS line scan results of cross sections of eggshell

深褐色和淺黃色交界區(qū)域的熱度圖如圖11所示，深褐色和淺黃色區(qū)域的元素含量結(jié)果如表2所列.由圖11和表2可見，深褐色區(qū)域的C、O和N元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)高于淺黃色區(qū)域，淺黃色區(qū)域的Mg、P、S和Ca元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)高于深褐色區(qū)域.

圖11 鵪鶉蛋蛋殼外表面的掃描電子顯微鏡、能譜結(jié)果熱度圖（Bar=800 μm）Fig.11 Heat maps of elements of outer surface of quail eggshell (Bar=800 μm)

3 結(jié)論

蛋殼是一種復(fù)雜多孔有序的生物陶瓷材料，是在輸卵管內(nèi)不同階段由不同材料連續(xù)沉積形成，主要含碳酸鈣（方解石多晶型物）以及蛋白質(zhì)和多糖[13].蛋殼的結(jié)構(gòu)從內(nèi)部到外部一般可觀察到6個(gè)不同的層.內(nèi)層是殼膜，是雙層的纖維狀聚合物構(gòu)成，纖維交織成網(wǎng)狀，網(wǎng)上有結(jié)節(jié)，殼膜可作為抵御病原體入侵的物理和化學(xué)屏障[14].乳突層由鈣化的柱體和錐體組成，錐體尖端插入殼膜層，和殼膜層的纖維相纏繞.海綿層占蛋殼厚度的一半以上，對(duì)蛋殼的堅(jiān)實(shí)程度有重要影響.海綿層的晶體緊密結(jié)合，內(nèi)有大量孔隙.海綿層延伸到垂直晶體層，垂直晶體層由垂直于外殼表面排列的晶體組成.最外層是角質(zhì)層，在角質(zhì)層中，含有大量蛋殼色素，蓋在角質(zhì)層內(nèi)部的羥基磷灰石晶體上[15].角質(zhì)層覆蓋外殼并堵塞孔道，從而防止微生物滲透[16]，外表呈現(xiàn)皸裂狀態(tài)，裂縫可起到氣體交換的作用.

表 1 鵪鶉蛋蛋殼各層的能譜結(jié)果Table 1 EDS of different layers of quail eggshell

通過掃描電子顯微鏡對(duì)鵪鶉蛋蛋殼內(nèi)表面、外表面、橫截面的觀察，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）鵪鶉蛋蛋殼上的深褐色區(qū)域比淺黃色區(qū)域厚約10 μm，厚度差異來(lái)自于角質(zhì)層.（2）蛋殼有層次結(jié)構(gòu)，含有大量納米和微米級(jí)的球體顆、棒狀體、纖維，以及組成的納米和微米級(jí)的孔隙.（3）深褐色區(qū)域的C、O和N元素含量相對(duì)高于淺黃色區(qū)域，淺黃色區(qū)域的Mg、P、S和Ca元素含量相對(duì)高于深褐色區(qū)域.可能是深褐色區(qū)域較淺黃色區(qū)域的表層沉積了更多的蛋殼腺上皮細(xì)胞分泌的原卟啉、膽綠素及其鋅螯合物等色素物質(zhì)，從而呈現(xiàn)出更深的顏色.

圖10 蛋殼橫截面能譜面分布結(jié)果（Bar=100 μm）Fig.10 EDS mapping of cross section of eggshell (Bar=100 μm)

表 2 深褐色區(qū)域和淺黃色區(qū)域的能譜結(jié)果Table 2 EDS of different areas