雞蛋蛋殼生物礦化和力學(xué)特性調(diào)控的研究進展

齊廣海 王 晶

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部動物產(chǎn)品質(zhì)量安全飼料源性因子風(fēng)險評估實驗室(北京)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼料生物技術(shù)重點實驗室，北京 100081)

蛋殼是禽類進化過程中形成的一種保護自身繁衍的特殊結(jié)構(gòu)，能夠抵抗外力、防御微生物侵染和保障胚胎發(fā)育。蛋殼力學(xué)特性下降及各種缺陷問題的發(fā)生會給蛋雞養(yǎng)殖業(yè)和雞蛋加工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。蛋殼破損率占總產(chǎn)蛋量的8%～11%[1]，在采集、包裝、分級、運輸?shù)日麠l蛋生產(chǎn)鏈中甚至高達(dá)13%～20%[2-3]。蛋殼品質(zhì)問題在產(chǎn)蛋后期更為突出，蛋殼強度急劇下降，缺陷發(fā)生頻率劇增。產(chǎn)蛋后期的蛋殼破損率也是影響雞群淘汰日齡的決定因素之一。此外，蛋殼屏障功能減弱或缺失極易造成微生物侵染，危及蛋品安全[4]。因此，產(chǎn)蛋后期蛋殼品質(zhì)下降是保障蛋雞產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展和提升蛋雞養(yǎng)殖效益亟待解決的產(chǎn)業(yè)瓶頸問題，也是蛋殼品質(zhì)營養(yǎng)調(diào)控研究的難點和熱點。本文綜述了蛋殼的分級結(jié)構(gòu)與生物礦化形成、力學(xué)特性下降以及調(diào)控方面的最新研究進展，旨在為通過營養(yǎng)干預(yù)措施改善雞蛋蛋殼力學(xué)特性提供科學(xué)依據(jù)。

1 蛋殼的多級結(jié)構(gòu)與生物礦化形成

1.1 蛋殼的多級結(jié)構(gòu)

雞蛋蛋殼是典型的以碳酸鈣為礦化材料形成的生物礦化物。生物礦化物是具有多級尺度上的高度有序結(jié)構(gòu)，每級結(jié)構(gòu)都由更微觀、有序的下一級結(jié)構(gòu)組成。這種結(jié)構(gòu)的分級組裝解釋了生物礦化物在力學(xué)性能上的復(fù)雜性和各向異性。宏觀上，蛋殼由白色殼膜和鈣化部分組成。在微觀尺度(10～500 μm)上，蛋殼由內(nèi)至外可分為未鈣化的內(nèi)和外2層蛋殼膜、鈣化的不規(guī)則乳突層、中間的柵欄層、垂直晶體層和表面的膠護層(圖1、圖2-A)。其中，柵欄層厚度約占蛋殼總厚度的2/3，是蛋殼承受外力的主要受力層，由柱狀的鈣化晶體單元排列構(gòu)成；乳突層是柵欄層形成的基礎(chǔ)和蛋殼應(yīng)力的微單元，乳突核成核位點的分布和形成決定了后續(xù)柵欄層碳酸鈣晶體的取向和形狀。在微米尺度(1～10 μm)上，內(nèi)、外殼膜分別由直徑1.5～2.5 μm和2.5～5.0 μm的纖維交織而成，并且內(nèi)殼膜比外殼膜纖維的交聯(lián)程度更為緊密[5](圖2-B、圖2-C)；鈣化部分是由不同形態(tài)的亞結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，亞結(jié)構(gòu)單元主要由多孔性礦物與有機基質(zhì)復(fù)合形成。例如，乳突層的亞結(jié)構(gòu)單元是乳突體，由富含有機基質(zhì)的基底部、鈣儲存體、帽部和冠狀部等組成(圖1)。在鈣儲存體中，碳酸鈣以200～300 nm的亞微米小球存在，雞胚發(fā)育時能夠快速溶解，提供鈣源。柵欄層的亞結(jié)構(gòu)單元可看成是以有機基質(zhì)為底板形成的多孔性礦化片層(圖2-B)，這些片層平行排列并通過纖維基質(zhì)彼此相連[6]。在原子力顯微鏡下，可觀察到鈣化層各層是由直徑10～100 nm的球形顆粒排列形成的納米結(jié)構(gòu)(圖2-D、圖2-E)。由乳突層到垂直晶體層，納米顆粒逐漸變小，并且各層中納米顆粒大小不一、變異較大[7]。

圖1 蛋殼多級結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Hierarchical structure of eggshell

圖2 蛋殼掃描電子顯微鏡圖(A、B和C)和原子力顯微鏡圖(D和E)Fig.2 Scanning electron microscope images (A,B and C) and atomic force microscope images (D and E) of eggshell

蛋殼在微納米尺度的有機與無機復(fù)合結(jié)構(gòu)，使其在宏觀上兼具了多孔、質(zhì)輕、高強度等特點，這對蛋殼發(fā)揮抵抗外力破壞、保障胚胎發(fā)育的功能至關(guān)重要。例如，蛋殼中的孔隙同樣包括3個層級：納米顆粒之間直徑小于10 nm的微孔；分布于垂直晶體層、柵欄層和乳突層的亞微米尺度的泡孔，直徑約250 nm；貫穿鈣化層的微米級氣孔[5]。這種多層級的孔隙結(jié)構(gòu)既保證了充分的氣體交換，也增強了對外來物質(zhì)侵染的防護。此外，蛋殼結(jié)構(gòu)層中的孔隙并不是均勻分布。亞微米尺度上，孔隙率從垂直晶體層向柵欄層由外及內(nèi)逐漸增加，在柵欄層的底部達(dá)到最大，隨后由柵欄層向乳突層逐漸降低[8]?？紫堵实姆植寂c結(jié)構(gòu)層的力學(xué)特性變化是一致的，即從垂直晶體層、柵欄層到乳突層，彈性模量和硬度先降低后增加[7]。根據(jù)孔隙率分布和力學(xué)特性的變化，蛋殼鈣化層更像是精心設(shè)計的“三明治”，可實現(xiàn)最大程度的氣體交換并兼具最佳力學(xué)性能。

1.2 蛋殼的生物礦化形成

圖3 蛋殼的生物礦化形成Fig.3 Biomineralization formation of eggshell

輸卵管通過時序性分泌有機基質(zhì)調(diào)控碳酸鈣沉積速度、晶體大小、取向和生長，參與蛋殼的生物礦化形成。有機基質(zhì)主要由蛋白質(zhì)、糖蛋白和蛋白聚糖組成，占?xì)ぶ氐?%～3%。通過蛋白組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，礦化初期子宮液中含有大量直接參與礦化的蛋白；而調(diào)節(jié)蛋白活性的折疊蛋白、蛋白酶和蛋白酶抑制劑等驅(qū)動礦化的蛋白，主要在礦化初期和末期分泌；抗菌類蛋白在整個礦化中都分泌[15]。糖胺聚糖通過形成糖蛋白和蛋白聚糖發(fā)揮作用，廣泛分布于蛋殼的各結(jié)構(gòu)層。研究表明，蛋殼中具有功能的糖胺聚糖主要有4種，即透明質(zhì)酸、硫酸皮膚素、硫酸軟骨素和硫酸角質(zhì)素。蛋殼殼膜中主要是透明質(zhì)酸，蛋殼基質(zhì)中以硫酸軟骨素為主[16]。硫酸角質(zhì)素蛋白聚糖參與形成乳突層的第1枚晶體的成核，硫酸皮膚素蛋白聚糖作用于鈣化階段，參與調(diào)解晶體的生長和定向[17]。透明質(zhì)酸和硫酸皮膚素蛋白聚糖大量存在于蛋殼的柵欄層，構(gòu)成蛋殼最厚的一層[18]。

2 蛋殼的力學(xué)特性及其影響因素

2.1 蛋殼的力學(xué)特性

蛋殼的力學(xué)特性是指其承受各種外加載荷時所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。蛋殼力學(xué)特性的下降與破口、破殼、裂紋等缺陷的發(fā)生直接相關(guān)。蛋殼的破損包括裂紋的啟動、擴展以及由此導(dǎo)致的殼體破裂。蛋殼強度是蛋殼力學(xué)特性最常用的評價指標(biāo)，一般通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮法測量蛋殼破裂時的最大負(fù)載。斷裂強度的測量是將蛋殼作為一個整體評價其抵抗外力的能力，受殼體厚度影響較大。為了研究蛋殼微觀結(jié)構(gòu)特征對于裂紋擴展的影響，Bain[19]采用有限元分析法引入了斷裂韌性這一指標(biāo)。根據(jù)蛋殼在非破壞性載荷下的形變，Bain[19]還引入彈性模量這一材料力學(xué)指標(biāo)，用于評價蛋殼產(chǎn)生彈性變形的難易程度或剛性。斷裂韌性和彈性能夠單獨反映蛋殼結(jié)構(gòu)和材料特性對力學(xué)性能的貢獻。蛋殼的斷裂韌性是由強度、厚度和赤道部半徑計算所得，蛋殼彈性的計算綜合考慮了蛋形指數(shù)、厚度、赤道部半徑和硬度，具體計算公式及應(yīng)用可參見Mabe等[20]和張亞男[21]的研究。由于實際生產(chǎn)中導(dǎo)致蛋殼破損的外力主要來自動態(tài)的撞擊或擠壓[22]，Coucke等[23]提出了基于共振頻率動態(tài)檢測蛋殼力學(xué)特性的方法。這種無損檢測方法能夠?qū)崟r分辨出殼體是否存在微裂紋，因此廣泛用于雞蛋的分級包裝。通過建立模型，根據(jù)聲學(xué)測試中敲擊蛋殼時的振動曲線及蛋重，可計算得出蛋殼的動態(tài)剛度；動態(tài)剛度與靜態(tài)載荷下測得的斷裂強度反映了蛋殼的不同力學(xué)特性，二者同時應(yīng)用能更好地評價蛋殼的力學(xué)特性[24]。

2.2 影響蛋殼力學(xué)特性的因素

蛋殼的力學(xué)特性受其材料屬性和結(jié)構(gòu)特征的共同影響。蛋的大小、蛋形和曲率、殼重及比例對力學(xué)特性的影響已有明確結(jié)論，不再贅述[25-26]。目前，關(guān)于蛋殼分級組裝結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系主要是在微觀尺度上進行研究。超微結(jié)構(gòu)中，柵欄層及晶體層是構(gòu)成蛋殼強度和厚度的主要結(jié)構(gòu)。而乳突層表征與蛋殼破損力直接相關(guān)。乳突層是蛋殼裂紋產(chǎn)生的初始位置。當(dāng)?shù)皻な艿降耐饬Τ龀惺芊秶鷷r，乳突層和內(nèi)、外殼膜互相牽制，發(fā)生變形；蛋殼的裂紋一旦產(chǎn)生，將沿著抗性最小的路徑啟動，在乳突成行排列的地方裂紋并迅速擴散，接著晶體層和柵欄層結(jié)構(gòu)損毀，最終表現(xiàn)為蛋殼結(jié)構(gòu)的坍塌與破裂；乳突單元的緊密連接和整齊排列可有效抑制裂紋擴散速度[27]。采用材料力學(xué)方法模擬因蛋殼微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的應(yīng)力變化，結(jié)果表明，蛋殼微單元最大彎曲荷載與柵欄層厚度成正比，與乳突層厚度成反比，與乳突間距成反比[28]。這一結(jié)果表明，乳突層和柵欄層對蛋殼力學(xué)特性發(fā)揮著重要作用，即乳突層排列越緊密，柵欄層越厚，蛋殼應(yīng)力越大；乳突層越厚，柵欄層越薄，蛋殼應(yīng)力越小。在納米尺度，發(fā)現(xiàn)柵欄層納米顆粒的大小與晶體材料的硬度、彈性成反比，但在乳突層則相反[7]。

3 產(chǎn)蛋后期蛋殼力學(xué)特性的下降

3.1 蛋殼力學(xué)特性的周齡性下降

產(chǎn)蛋雞周齡是影響蛋殼力學(xué)特性的重要因素。蛋殼強度和韌性通常在產(chǎn)蛋高峰達(dá)到最大值，然后隨周齡增大而降低[29-31]。此外，蛋殼強度往往在產(chǎn)蛋后期和末期急劇下降。對海蘭褐產(chǎn)蛋雞30～80周齡蛋殼品質(zhì)變化的跟蹤表明，蛋殼強度和韌性直至50周齡出現(xiàn)顯著下降，65～80周齡蛋殼強度顯著低于之前各周齡，所能承受外力較31周齡降低20%以上[31]。因此，產(chǎn)蛋后期至末期蛋殼力學(xué)特性的變化具有明顯的階段性特點。與產(chǎn)蛋高峰期的蛋殼強度相比，產(chǎn)蛋后期至末期的蛋殼強度下降幅度高達(dá)8%～25%[30-34]。除了階段性下降，還需關(guān)注蛋殼強度的群體變異性。無論是在產(chǎn)蛋高峰還是產(chǎn)蛋后期雞群中，蛋殼強度的變異系數(shù)均超過10%[30-31]。隨著產(chǎn)蛋雞周齡增大，低強度蛋殼占比增加，31周齡時蛋殼強度低于35 N的雞蛋占比僅為5%(平均值為48.60 N)，80周齡時則高達(dá)50%左右(平均值為35.28 N)[35]。

3.2 蛋殼力學(xué)特性下降的原因

隨著產(chǎn)蛋雞周齡增大，雞蛋重量、蛋形和蛋殼面積遞增，這是導(dǎo)致產(chǎn)蛋后期蛋殼力學(xué)特性下降及破損率增加的主要原因。蛋形變大而碳酸鈣的沉積并未同步增長，導(dǎo)致單位面積蛋殼重量降低。在整個產(chǎn)蛋周期中，雞蛋長徑與蛋殼強度間呈顯著負(fù)相關(guān)[30]。對海蘭褐31～80周齡蛋雞蛋殼品質(zhì)的跟蹤測定表明，每枚雞蛋蛋殼總鈣含量沒有顯著變化，說明整體上蛋殼鈣沉積總量比較穩(wěn)定，但是蛋殼鈣百分含量和單位蛋殼面積鈣含量隨周齡增大而下降[31]，加劇了產(chǎn)蛋末期(70～80周齡)蛋殼力學(xué)特性的降低。產(chǎn)蛋后期蛋殼結(jié)構(gòu)中氣孔和基質(zhì)增多，進而導(dǎo)致蛋殼致密性下降[36]。而蛋殼厚度、蛋殼絕對質(zhì)量及相對比例的變化與蛋殼強度的周齡性下降并不同步[31]。在海蘭褐(21～70周齡)、羅曼(36～76周齡)、伊莎褐(22～72周齡)和我國雪山草地雞中，蛋殼強度隨周齡下降的同時，蛋殼厚度并無規(guī)律性變化[29,37-38]。有研究指出，雞蛋物理參數(shù)(長徑、短徑和蛋殼厚度)僅能解釋蛋殼強度變異的56%[39]；蛋殼絕對質(zhì)量及相對比例的變化不能完全解釋產(chǎn)蛋高峰期至后期蛋殼力學(xué)特性下降的成因[34-35]。

蛋殼微觀結(jié)構(gòu)的變化參與了后期力學(xué)特性的下降。一是蛋殼乳突層比例隨產(chǎn)蛋雞周齡逐漸增加，并與蛋殼強度的變化顯著相關(guān)，而鈣化層或有效層比例相應(yīng)降低[31]。比較相同蛋厚度的產(chǎn)蛋高峰期(42周齡)和后期(72周齡)的蛋殼結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)后期蛋殼乳突層厚度及比例顯著增加，有效層厚度及比例降低，蛋殼強度降低[40]。二是產(chǎn)蛋后(末)期B型乳突體、晚期融合等乳突結(jié)構(gòu)異常變化的發(fā)生加劇了蛋殼力學(xué)特性的下降[31,40]。與產(chǎn)蛋高峰期(25～40周齡)蛋殼相比，產(chǎn)蛋中期(40～55周齡)、后期(55～65周齡)和末期(>65周齡)蛋殼超微結(jié)構(gòu)乳突層中，乳突體變大，晚期融合發(fā)生率升高，袖口狀結(jié)構(gòu)發(fā)生率降低[41]。隨產(chǎn)蛋雞周齡增大，乳突體晚期融合的發(fā)生明顯增加，這種變化在多個蛋雞品系普遍存在[27,32,42]。乳突體融合發(fā)生越晚，表明在蛋殼形成過程中柵欄層的生長更晚，柵欄層厚度降低，會大大降低蛋殼對外力的承壓能力[27,43]；此外，晚期融合的發(fā)生表明乳突層間的連接較弱。當(dāng)?shù)皻な艿酵饬ψ饔?，乳突晚期融合位點極易發(fā)生應(yīng)力集中，引發(fā)靜載斷裂，直接表現(xiàn)為蛋殼斷裂韌性下降；乳突體的晚期融合可能是由于B型乳突體在相鄰乳突體間形成的空間阻隔引起的[27]。

造成蛋殼力學(xué)特性下降的生理因素主要有老齡產(chǎn)蛋雞腸道鈣吸收能力下降、維生素D代謝障礙、雌激素水平降低及其受體表達(dá)失衡、子宮組織功能紊亂等。與產(chǎn)蛋高峰期相比，產(chǎn)蛋后期蛋雞十二指腸的鈣吸收能力下降[44]，參與維生素D3代謝的腎臟1-α羥化酶活性降低[45]，血液中1,25-二羥維生素D3[1,25-(OH)2D3]水平降低[45-46]，參與血磷調(diào)節(jié)的髓質(zhì)骨成纖維細(xì)胞生長因子23(FGF23)基因表達(dá)顯著提高[46]，提示產(chǎn)蛋后期蛋雞鈣磷代謝穩(wěn)態(tài)失衡。此外，隨產(chǎn)蛋雞周齡增大，蛋殼強度降低，同時可見子宮內(nèi)膜纖維化、萎縮及微絨毛消失等病理性變化[47]，雌激素受體α含量及其與受體β比例失衡[48]。有研究指出，產(chǎn)蛋后期蛋雞子宮免疫調(diào)節(jié)功能降低和基質(zhì)蛋白合成紊亂，是蛋殼超微結(jié)構(gòu)異常和力學(xué)特性下降的重要原因之一[40]。

4 蛋殼力學(xué)特性的營養(yǎng)調(diào)控

越來越多的研究表明，通過調(diào)節(jié)產(chǎn)蛋雞鈣磷代謝、補充微量元素和維生素以及使用植物提取物、精油、有機酸、益生菌等添加劑，都能在一定程度上改善蛋殼的力學(xué)特性，對其添加水平、作用效果和相關(guān)機理已有很多總結(jié)[49-52]。根據(jù)蛋殼的分級結(jié)構(gòu)和礦化過程，緩解蛋殼力學(xué)特性下降可采取2種思路：一是基于蛋殼的化學(xué)組成，增加蛋殼鈣沉積；二是基于蛋殼結(jié)構(gòu)及動態(tài)礦化過程進行調(diào)控。

4.1 基于蛋殼組成的調(diào)控

通過調(diào)節(jié)蛋雞鈣磷代謝增加蛋殼鈣的沉積，這是目前研究和應(yīng)用最為廣泛的調(diào)控措施，包括調(diào)節(jié)鈣源及水平、選擇石粉粒度、調(diào)整磷水平和添加植酸酶、補充維生素D3及其代謝產(chǎn)物，這些措施對于解決產(chǎn)蛋雞鈣攝入量不足或鈣吸收利用受阻及其導(dǎo)致的蛋殼厚度和力學(xué)特性下降，在一定前提下可能有效。例如，增加石粉粒度可延長其在前消化道中停留時間、提高溶解度，通過在夜間持續(xù)提供更多的可溶性鈣，減少骨鈣動員。對多個研究的綜合分析表明，石粉粒度由0.15 mm增加至1.50 mm，蛋殼比重增加0.8%，蛋殼厚度增加1.1%，蛋殼強度增加3.0%[53]。因此，在產(chǎn)蛋后期推薦采用60%～65%的粗顆粒(2～4 mm)石粉。實際生產(chǎn)中常出現(xiàn)由于飼料分級造成的蛋雞鈣、磷、維生素D等攝入差異較大。飼糧攝入的維生素D3在肝臟和腎臟中分別經(jīng)25-羥化酶和1α-羥化酶作用下形成1,25-(OH)2D3。1,25-(OH)2D3可促進腸上皮細(xì)胞鈣結(jié)合蛋白的表達(dá)，增加鈣吸收。子宮部鈣轉(zhuǎn)運蛋白的基因表達(dá)依賴于機體鈣水平，產(chǎn)蛋后期產(chǎn)薄殼蛋的雞只具有明顯的維生素D代謝缺陷[54]。因此，產(chǎn)蛋后期補充維生素D3或25-羥基維生素D3(25-OH-D3)可提高蛋雞鈣的表觀消化率，改善蛋殼強度[55-56]。

需要注意的是，僅僅通過提高飼糧鈣水平或補充維生素D3增加鈣的供給，對解決后期蛋殼破損或力學(xué)特性下降具有局限性。增加蛋殼鈣的沉積至少需要考慮腸道對鈣的吸收、髓質(zhì)骨鈣的動員以及子宮部對鈣的轉(zhuǎn)運和利用。高鈣飼糧(4.5%)可能引起子宮部鈣轉(zhuǎn)運的紊亂，導(dǎo)致蛋殼鈣的異常沉積[56-57]。將60周齡蛋雞飼糧鈣水平從3.5%提高至4.0%，對蛋殼強度和厚度沒有顯著影響[58]。逐步提高飼糧鈣水平(3.5%、4.5%、5.5%)也未能有效解決產(chǎn)蛋后期的蛋殼破損問題[59]。另外，維生素D3及25-OH-D3的作用效果容易受到飼糧鈣、磷水平的影響，提高飼糧維生素D3水平并不能完全補償鈣、磷的缺乏，高劑量鈣反而造成子宮部蛋殼鈣沉積的紊亂。長期飼喂高劑量維生素D3(5 520 IU/kg)或補充25-OH-D3(2 760 IU/kg)也未觀察到對產(chǎn)蛋后期蛋殼品質(zhì)的改善作用[60]。補充維生素D3(在2 200 IU/kg的基礎(chǔ)上補充0～88 000 IU/kg)提高血清鈣水平，但也加重了蛋殼的丘疹缺陷[61]。

關(guān)于益生菌對蛋殼鈣沉積和力學(xué)特性影響的報道不盡一致，主要原因可能也是僅考慮了腸道的鈣吸收環(huán)節(jié)，忽略了子宮組織對鈣的利用和礦化過程的調(diào)控。有研究報道，飼喂單一益生菌制劑或復(fù)合益生菌制劑顯著提高了蛋重和蛋殼厚度[62]，并降低了產(chǎn)蛋后期的蛋殼破損率[63]；或給予益生元(低聚糖)和合生元(菊粉+枯草芽孢桿菌)后，蛋殼密度、強度、厚度顯著增加[64]。此外，也有研究報道，飼糧添加益生菌或玉米干酒糟及其可溶物(DDGS)對蛋殼品質(zhì)無顯著改善作用[65-66]。由此可見，關(guān)于益生菌對蛋殼的作用機理，可能僅限于通過降低腸道pH或代謝產(chǎn)物(如短鏈脂肪酸等)提高鈣的溶解度，或通過增加腸黏膜面積及完整性促進腸道鈣的吸收。

4.2 基于蛋殼結(jié)構(gòu)及動態(tài)礦化的調(diào)控

微量元素錳、鋅不僅是蛋殼的無機組分，也作為輔酶因子參與超微結(jié)構(gòu)形成，這為營養(yǎng)調(diào)控結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性提供了可行性。本實驗室多年的系列研究表明，飼糧錳調(diào)控蛋殼結(jié)構(gòu)的動態(tài)形成，乳突形成時期和快速礦化期是其發(fā)揮作用的關(guān)鍵時期[67]。錳參與乳突形成時期子宮近端蛋白糖基化和聚糖代謝，通過提高蛋白聚糖和糖蛋白表達(dá)調(diào)控乳突形成和密度，提高了蛋殼礦化初期的乳突密度，降低快速礦化期乳突寬度和厚度，從而提高有效層厚度和蛋殼力學(xué)特性[68-71]。飼糧鋅通過上調(diào)子宮部碳酸酐酶表達(dá)和活性，以及骨橋蛋白和卵功能蛋白-116的基因表達(dá)，增加了蛋殼碳酸鈣沉積和晶體致密性，減少了表面裂紋。因此，微量元素的缺乏或不足可導(dǎo)致蛋殼結(jié)構(gòu)異常和力學(xué)特性下降[72]。針對不同微量元素改善蛋殼品質(zhì)的效果，研究表明，有機錳(復(fù)合氨基酸錳)相對于無機錳(硫酸錳)的生物學(xué)效價分別是406%(蛋殼強度)、458%(蛋殼彈性)和357%(蛋殼厚度)[69]，有機形式錳和鋅的推薦劑量是40～60 mg/kg[70]、40 mg/kg[72]。還有研究進一步優(yōu)化了錳、鋅、銅、鐵的聯(lián)合添加模式[73]。

實際上，蛋殼結(jié)構(gòu)形成和蛋殼鈣的沉積是在礦化過程中同時發(fā)生。在改善蛋殼結(jié)構(gòu)的同時，也觀察到蛋殼鈣沉積的增加。例如，枯草芽孢桿菌制劑具有促進鈣吸收和調(diào)控蛋殼超微結(jié)構(gòu)的雙重作用。一方面，枯草芽孢桿菌能夠改善十二指腸腸道形態(tài)，增加鈣結(jié)合蛋白基因表達(dá)量及提高鈣的表觀代謝率；另一方面，枯草芽孢桿菌降低了蛋殼的乳突厚度與寬度，提高了乳突數(shù)量、有效層厚度和蛋殼總厚度[74]。在飼糧鈣充足(鈣水平3.5%～4.5%)時，枯草芽孢桿菌通過優(yōu)化超微結(jié)構(gòu)組成，進一步提高了蛋殼力學(xué)特性[75]。與此類似，植物提取物和精油能夠改善子宮部礦化環(huán)境，從而降低蛋殼超微結(jié)構(gòu)異常的發(fā)生，同時促進鈣轉(zhuǎn)運和殼鈣的沉積；產(chǎn)蛋后期飼糧添加混合精油通過改善子宮炎性免疫狀態(tài)，調(diào)節(jié)離子轉(zhuǎn)運和基質(zhì)蛋白基因的表達(dá)，減少了蛋殼乳突層異常結(jié)構(gòu)的發(fā)生頻率，并增加了蛋殼整體及有效層厚度，改善了蛋殼力學(xué)特性[76]。此外，飼糧鈉可提高蛋殼膜中硫酸化糖胺聚糖和糖醛酸含量，降低乳突層厚度和乳突體寬度，增加蛋殼有效層厚度和鈣含量，提高蛋殼強度[77-78]；而硫酸鈉可進一步提高蛋殼鈣化層的硫酸化糖胺聚糖含量和有效層厚度，改善效果優(yōu)于碳酸氫鈉[79]。

基于蛋殼礦化形成的時序性，尤其是血液鈣、磷及相關(guān)激素在產(chǎn)蛋過程中的動態(tài)變化[80]，有研究提出，通過動態(tài)飼喂(dynamic feeding)或分飼(split feeding)等差異化營養(yǎng)供給措施，匹配蛋雞在夜間對鈣更高的需求，提高蛋殼鈣的沉積和力學(xué)特性。采用上午低鈣和下午高鈣飼喂方式，可影響腸道晝夜節(jié)律、鈣轉(zhuǎn)運和抗氧化基因的表達(dá)[81]；提高蛋雞對總鈣的攝入量，但未觀察到對蛋殼品質(zhì)的改善作用[82-83]。在限定相同采食量和鈣攝入量時，采用上午低鈣和下午高鈣飼喂方式，提高了鈣的吸收和沉積，蛋殼強度在數(shù)值上有所提高但未達(dá)到顯著水平[84]。由于雞上午和下午的耗料量比例大約是2∶3[82]；當(dāng)按照雞的采食行為將上午和下午飼喂量比例由1∶1調(diào)整為1∶2，且飼糧鈣水平由3.5%降低為3.0%，未見蛋殼質(zhì)量下降，說明該飼喂方式提高了鈣的利用率[85]。這種營養(yǎng)差異化供給方式對產(chǎn)蛋后期蛋殼力學(xué)特性的改善效果尚需進一步驗證。

5 小結(jié)與展望

蛋殼的力學(xué)特性與破損率直接相關(guān)，是蛋雞生產(chǎn)中重要的經(jīng)濟性狀。如何緩解或有效解決產(chǎn)蛋后期的蛋殼品質(zhì)下降，也是實現(xiàn)蛋雞生產(chǎn)“產(chǎn)蛋期延長計劃”(不強制換羽100周齡產(chǎn)500枚蛋)亟待解決的瓶頸問題。蛋殼分級結(jié)構(gòu)及其生物礦化形成機制的研究可望為解析力學(xué)特性下降、研發(fā)調(diào)控措施打開新的視角。目前蛋殼結(jié)構(gòu)的變化還只是作為營養(yǎng)調(diào)控試驗的觀察指標(biāo)或作用方式，尚未提出針對性的調(diào)控措施。作為高度有序結(jié)構(gòu)的生物礦化物，蛋殼的宏觀性質(zhì)來自于每個層次對各級性質(zhì)的貢獻，其各級結(jié)構(gòu)特征及尺寸分布、組裝調(diào)控方式有待進一步研究，以闡明局部礦化環(huán)境中碳酸鈣晶體異常沉積導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化的機理。針對蛋殼力學(xué)特性和礦化特點，通過細(xì)分階段研發(fā)精準(zhǔn)營養(yǎng)調(diào)控措施，開展長周期的組合調(diào)控和綜合評估，建立改善蛋殼力學(xué)特性的全產(chǎn)蛋期礦化調(diào)控技術(shù)，將為改善蛋殼力學(xué)特性提供有力支撐。此外，良好的蛋殼品質(zhì)是產(chǎn)蛋雞健康的綜合表現(xiàn)。蛋殼的形成主要發(fā)生在輸卵管，但并不局限于輸卵管，腸道、骨骼、肝臟、腎臟等多個器官均參與蛋殼礦化的調(diào)節(jié)。保障腸道鈣吸收、平衡骨重吸收和鈣供給、改善輸卵管礦化微環(huán)境等也是調(diào)控蛋殼力學(xué)特性中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。