蛋殼膜的應用研究進展

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. 河南科技大學微生物資源開發與利用校級重點實驗室，河南 洛陽 471000；3. 食品原料河南省工程技術研究中心，河南 洛陽 471000)

蛋殼(eggshell，ES)是禽蛋消費產業的主要副產物；作為垃圾填埋處理，或作為動物飼料和肥料進行低價值利用[1]。隨著廢物處理成本(經濟、環境)的增加及變廢為寶戰略理念的建立，科學家們開始探索ES及蛋殼膜(ESM)的高價值應用。近年來，越來越多的研究證明了ESM的獨特性，其不僅包含多種蛋白質及活性物質，還具有許多優秀的結構特性，擴展了ESM的應用范圍。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、輕工、醫藥、環境保護等許多領域進行有益應用，這不僅有助于科學和工業的發展，也有利于環保事業的進行。在查閱大量文獻資料的基礎上，文章就ESM的結構性質及應用范圍進行綜述，以期為ESM的進一步研究應用提供參考。

1 蛋殼膜的結構與性質

ES是一個科學有序的結構[2]，從外到內分別是角質層(C)、孔道(PC)和ESM[3](圖1)，C和ESM作為天然屏障可抵御細菌進入卵子內部[4]。ESM的化學成分已被多人研究，公認其包含約90%的蛋白質、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，在醫療、美容、食品等領域有重要應用[7]。Ahmed等[8]對ESM溶解物進行蛋白質組學分析，鑒定出472種蛋白質，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、氮、氨基酸、唾液酸、糖醛酸及溶菌酶等其他活性成分[9-10]。

C. 角質層 PC. 孔道 ESM. 蛋殼膜

ESM是由高度交聯的纖維蛋白組成的多孔網狀結構，其在保證ES礦化的同時也可保護內部蛋清不被礦化[11]。ESM整體結構包含外殼膜、內膜和限制膜三部分[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3.6 μm，其纖維相互交織成網，與蛋殼內側乳頭旋鈕緊密相連[13-14](圖2)；內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，內殼膜纖維分布更密集，呈凹凸狀[13]；限制層的纖維直徑最小，直接與內部蛋清接觸，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狀結構是ESM阻止外部細菌進入雞蛋內部的重要基礎。在實際應用中，這種天然的網狀多孔結構比人工多孔結構有更優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. 外殼膜中的孔狀結構 MK. 乳頭旋鈕 ISM. 內殼膜 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用。但是ESM作為各種天然活性物質的潛在來源，具有較高的安全性和較低的自身免疫及過敏反應，同時還具有優秀的物理性能，如：多孔結構、低吸水率、低膨脹性、良好的機械性能、可生物降解性等，這使其在醫療美容、功能飲食、環境保護、資源回收、儀器制造等很多領域都有極大的應用空間。因此，ESM是一種利遠大于弊的新型生物材料。

2 蛋殼膜的應用

2.1 在美容方面的應用

人體內不斷產生的自由基會致使衰老，因此常借助外源產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，從古至今都被認為具有美顏護膚等功效。Yi等[17]發現含有ESM蛋白的組織培養液可促進皮膚纖維再生，ESM蛋白濃度愈大效果愈明顯，該研究還發現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]以脫發模型小鼠為對象，證明ESM多肽具有促進毛發生長的作用；Furukawa等[20]通過研究新生兒角質細胞與觀察服用ESM粉末的小鼠發現，ESM酶解物具有改變角質細胞形態、促進生長因子表達、抑制皮膚變薄等功效；Ohto-Fujita等[21]發現ESM溶解物有促進無毛小鼠體內膠原蛋白Ⅲ產生的潛力，且可以明顯改善皮膚彈性，減少皺紋產生；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有一定的積極作用。與合成物質相比，人們會更偏好ESM中的天然活性成分，基于ESM活性物質的產品有很大的開發潛力。

2.2 在生命醫學方面的應用

傷口愈合過慢會增加感染的風險，嚴重的會引起死亡[23]，Mogosanu等[24]研究表明作為天然聚合物的ESM可促進人體表皮細胞再生及傷口愈合。日本相撲運動員在受傷時會直接選擇ESM作為敷料來處理傷口[25]；Ahmed等[23]通過動物試驗表明，ESM可促進小鼠傷口閉合形成肉芽組織；Mensah等[26]通過對ESM的結構性能及安全性分析，肯定了其在再生醫學中的應用，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，試驗證明SEP可改善細胞的遷移能力；Gautron等[29]發現了與ESM相關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的蛋白質具有較高的序列同源性。

除了可促進外傷愈合，ESM還可以修復關節炎癥及損傷。Wedekind等[30]以大鼠為研究對象，證明天然ESM對關節炎的治療有效；Hewlings等[31]研究證明關節疼痛患者連續服用一定量的ESM后可明顯改善其關節疼痛感和僵硬程度，還可緩解運動后的不適，效果優于安慰劑。這可能與ESM中存在的多糖(如透明質酸、硫酸軟骨素)有密切聯系[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]、降低體內膽固醇含量[33]、促進神經再生[34]、緩解胃腸道相關疾病等[35]。此外，ESM優秀的天然結構及性質還使其可參與醫用器具的制作，Hirata等[36]用ESM輔助制作了可用于手術練習的眼睛模型；Xiong等[37]利用SEP與其他可生物降解合成聚合物結合制備出了具有良好機械性能和生物相容性的纖維支架。ESM具有來源豐富、成本較低的優點，應用于醫療后可降低醫療成本，在現有研究的基礎上，未來可進一步對其在血管、神經、骨細胞再生等方面的作用進行研究。

2.3 在功能性食品方面的應用

ESM中多樣的活性物質是天然的膳食補充劑，這保證了其在食品工業中作為功能性和營養性食品成分的潛在用途。Ruff等[38]對人體細胞及大鼠進行了短時間內高劑量的ESM處理，結果表明大量補充ESM是安全的。Matsuoka等[39]通過大鼠飼喂試驗確定了ESM的吸收率及凈蛋白效用，結果表明超過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，進而研制出具有高營養價值的保健功能飲料；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-乙酰神經氨酸補充劑可提高大鼠的空間學習記憶能力，表明ESM在功能性食品中具有高價值應用潛力；在日本，很多公司及個人利用ESM生產各種調味料[43]，ESM使調味料中含有較多對人體有益的氨基酸，這使調料具有豐富的口味和較高的營養，且ESM中的活性物質還可以賦予其抗氧化等功效。ESM的安全性和營養性使其可以被廣泛應用于各種食品生產中。

2.4 在納米技術中的應用

ESM的還原能力和獨特的三維纖維網狀膜結構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應用中的仿生化學處理。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電納米結構(見圖4)，此結構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簇可應用于可回收催化劑、傳感紙、熒光表面圖案化和防偽；Tang等[46]基于ESM制作的柔性大孔網絡結構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合材料，其可以催化4-硝基苯酚的還原反應；Selvam等[48]利用ESM的還原性及穩定性以其為模板制備了新型V2O5/ZnO納米抗菌復合材料，其具有制備簡便、效果優良的特點；王玲[49]以ESM為載體制備了AgNPs/石墨烯/ESM復合膜，其具有很強的光熱轉化性能，此材料可在生物醫學的光熱治療領域進行應用；Park等[50]制作了基于ESM的納米纖維支架，此支架結構以天然生物材料為基礎，可應用于組織或細胞工程合成關于人體細胞再生的組織結構。

圖4 碳納米管修飾前后蛋殼膜電鏡對比圖[44]

2.5 用于環境治理和資源回收

水體污染的主要來源是染料及重金屬，出于環境保護和資源回收的考慮，水質凈化是必要的。而傳統的凈化介質如活性炭、泥炭、生物質等具有操作繁瑣、二次污染等問題。ESM大的表面積和較多的微孔結構使其具有良好的透氣性和吸附性，同時，ESM中大量氨基酸的存在使其具有很多特殊官能團，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在環境治理及物質勘測領域大有用途。

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，甚至優于羽毛，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[60]，表明ESM在消除環境中金屬離子污染的同時還可以作為貴重金屬回收(如冶金)的重要工具。

ESM優秀的吸附特性可檢測出環境中的痕量離子。Zhang等[61]證實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，經聚乙烯亞胺(PEI)功能化的ESM可以對環境和飲食中的痕量Cu2+選擇性的萃取和富集；Cheng等[63]將ESM用作固相萃取(SPE)吸附劑來分離和預富集樣品，然后結合電感耦合等離子體質譜法測定了地質樣品中的痕量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用。

2.6 在生物傳感器上的應用

ESM具有較大的比表面積和多孔結構，同時其作為惰性材料不會對其他物質造成干擾，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的鉑納米顆粒結合，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納米復合材料負載于ESM上構建了一種可以靈敏檢測多巴胺的電化學生物傳感器；Mohammad等[66]使用超聲法將氧化石墨烯納米片摻入ESM，經普魯士藍修飾后其可成為新型靈敏型H2O2電化學傳感器；Xue等[67]開發了一種基于CdTe量子點和雙酶固定ESM的生物傳感器，可用于檢測水果及蔬菜中的有機磷；Wen等[68]基于ESM制備出一種能準確測定乙醇含量的新型微生物生物傳感器；Zhang等[69]發現經PEI處理后的ESM可以固定脲酶，從而促進電位尿素生物傳感器的制作；Li等[70]發現有ESM存在的吖啶黃素固定式熒光生物傳感器可以更靈敏、穩定地檢測蘇丹Ⅰ～Ⅳ。

2.7 其他作用

ESM在其他方面的應用也很多。Zhao等[71]研究表明ESM酶解肽具有抗菌的生物學活性，可抑制細菌生物膜的形成；溫越等[72]發現在制作包裝膜時加入一定量的ESM不僅可增強膜的抗拉扯、抗氧化、抗菌等能力，還能提高膜的機械、密封、環保性；還有研究[73]證明，經ESM加工過的衣物可給人更加舒適的穿著體驗；Trimbos等[74]通過對ESM進行DNA鑒定來輔助研究鳥類群體遺傳學，其具有不易變異和交叉污染等優點；方紹培等[75]發現添加了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，當加入的ESM粉末達到20%時，其顆粒孔隙度可滿足固定蛋白酶最大活性；此外，ESM在太陽能、半導體和燃料電池的生產中也有一定的積極作用[77]。綜上，ESM的應用幾乎遍布人類生活的各個領域。

2.8 蛋殼膜應用相關文獻統計及分析

通過查閱大量文獻對ESM的應用領域及文獻年份進行了整理，結果見圖5。ESM幾乎在人類生活的各個領域都有應用，人們對ESM的深入研究主要集中在近20年特別是近10年間，這與人們環保意識的增強是一致的。從圖5可以看出，ESM在醫學領域的研究一直備受關注，近10年更甚；其次，ESM在材料學及環保領域的應用也是人們持續關注的熱點；在電化學領域的應用研究近10年間異軍突起；在生物工程、美容護膚、功能性食品方面的研究也一直在進行；其在群體遺傳學、輕工業及其他尚未涉及的領域還有很大的研究發展空間。

圖5 蛋殼膜應用范圍及文獻年份分布

另外，從相關文獻可以看出，ESM在各領域之間的交叉應用越來越流行，材料科學更是ESM在其他領域擴大應用的基礎。ESM在醫學上的應用多數處于材料科學、化學、生物工程和細胞生物學的交叉處，如基于ESM的納米生物敷料、納米支架等；ESM在電化學中的應用也需要納米技術及生物工程技術的支持；基于納米技術的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域的應用。未來各領域間基于ESM的應用會交叉結合的越來越緊密、越來越復雜，這也是發展的必然性。

3 問題與展望

蛋殼膜雖用途廣泛，但也有限制其應用的因素。首先，蛋殼膜中大量二硫鍵的存在使其結構性質比較穩定，不溶于水。這雖是其優點，但在實際應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，應考慮在不破壞其本身活性的基礎上對其進行改性處理，使其成為可溶或易溶狀態。其次，蛋殼膜單片質量小、貯存不便、分離困難，因此想要產業化利用蛋殼膜并非易事，而且不同的應用需要不同形態的蛋殼膜，如固態、液態、片狀、粉末狀及納米粒子，這些都對工業生產中的相關技術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構性質，但其包含的豐富蛋白質及其他活性物質也是蛋殼膜在許多領域發揮作用的重要基礎，如醫療、美容、飲食等。雖已有科研人員對蛋殼膜的各種活性物質進行了單獨提取(如抗氧化肽、透明質酸、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產品在市場上流通或大規模應用，這可能是因為產品純度不高、產率較低、活性較弱、質量穩定性差等，未來是否應把重心放在對蛋殼膜活性物質的提取及保存上值得思考。最后，蛋殼膜在精密儀器中的應用還不成熟，可重復性較差。元件中微小的變化可產生不同的化學和機械效應，若想蛋殼膜對其有更好的應用，還需更加全面、系統、深入地了解蛋殼膜的性質及作用機理。

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