蛋壳源有机钙的研究发展现状

刘德婧,马美湖

(华中农业大学食品科技学院国家蛋品加工技术研发分中心,湖北武汉 430070)



蛋壳源有机钙的研究发展现状

刘德婧,马美湖*

(华中农业大学食品科技学院国家蛋品加工技术研发分中心,湖北武汉 430070)

蛋壳是一种重要的生物钙源,可用来制备各种有机钙作为膳食钙补充剂。本文综合了近年来国内外对蛋壳的综合利用现状,对比了蛋壳钙与方解石钙的形成过程,结合蛋壳制备有机钙的常用方法及其结构表征手段,对蛋壳源钙在生物体内的吸收利用情况进行了进一步探讨。通过对蛋壳源钙的研究现状的分析,预测了蛋壳源钙的研究方向,并提出了一些研究设想。为进一步开发利用蛋壳源钙提供了科学依据。

蛋壳,有机钙,结构表征,消化利用

自然界中,钙主要以碳酸钙和磷酸钙的形式存在。主要存在于各种天然矿石中或者通过生物学作用生成。天然矿石主要以石灰石、方解石、大理石为主,而通过生物学作用产生的碳酸钙主要有贝壳、珊瑚礁、蛋壳、骨骼等[1],也是生物钙利用的主要来源。

据国家统计局公布的数据显示,2013年我国禽蛋产量为2876万吨,约占世界禽蛋总产量的45%。按蛋壳占全蛋重的10%～12%[2]可得,2013年我国约有316万吨的蛋壳。据美国有关部门统计,2011年美国大约有46.5万吨蛋壳被浪费[3]。这些蛋壳大多都被生产者填埋,造成了严重的环境污染[4]。若是将废弃蛋壳进行合理的开发利用,不仅会创造一定的经济价值,更能够降低对环境的破坏。

1 国内外对蛋壳的利用现状

近几年,我国逐渐开始对废弃蛋壳进行重新利用,主要生产有机钙作为膳食钙补充剂。目前,利用蛋壳制备乳酸钙、丙酸钙、乙酸钙、柠檬酸钙和丙酮酸钙的工艺已经相对成熟,也已经研制出一些补钙产品,但还没有大面积的推向市场。相对于国内,国外对废弃蛋壳的利用已经深入各个领域。有人利用水热法将蛋壳合成高纯度的人类骨骼结构相似的纳米羟基磷灰石(HA)[5]。Bootklad用热塑性淀粉与蛋壳粉偶联制得了更易退化降解的复合生物降解材料[6]。Yoo将蛋壳中的碳酸钙粒子用作喷墨打印纸张涂布颜料,减少了黑色油墨密度[7]。Lee把蛋壳应用于生物陶瓷的制作,使得蛋壳也成为了磷酸钙生物陶瓷合成中的一种潜在材料[8]。Witoon通过煅烧蛋壳碳酸钙制得了吸附力更强的二氧化碳吸附剂[9]。

从上述的研究中可以发现,蛋壳不仅可以用于制得膳食钙补充剂,还可以用于制成各种新型材料。本文则主要对蛋壳源钙的来源、结构、制备以及生物利用等方面进行了研究,综述了近年来对蛋壳源钙的结构和生物吸收利用的研究成果。

2 蛋壳碳酸钙的形成

2.1 蛋壳的形成过程

蛋壳主要由95%以上的柱状方解石晶体和3.5%的有机基质复合而成的。其中有机基质主要由蛋白质、糖蛋白、蛋白聚糖组成,而方解石晶体则主要为碳酸钙[10]。

蛋壳的形成主要分三个阶段:初级阶段、快速增长阶段和终止阶段。初始阶段碳酸钙形成球形晶核沉降在蛋壳膜表面,当相邻的碳酸钙晶核可以聚集到一起时进入快速增长阶段,在此阶段,碳酸钙的晶体由球形逐渐转化为柱状晶体。当柱状晶体完全形成时,完全钙化,形成蛋壳[10]。

方解石主要是在不同的地质作用下经长期的沉积形成的,大气降水和火山热液都是影响方解石形成的因素。

2.2 蛋白质对生物碳酸钙结晶的影响

生物钙化过程与生物的饲养温度、湿度、体内钙含量和蛋白质等因素有关。方解石钙化过程同样与钙源、温度、湿度等因素有关,但不会受到蛋白质的调控。

蛋壳钙化主要受到蛋白质的控制调节。Iwasawa通过在氯化钙溶液中加入鹌鹑输卵管体内产生的与受精相关的蛋白,在碳酸铵蒸气下使其自然结晶,发现随着蛋白浓度的增高,碳酸钙的晶体空隙越多结构越疏松[11]。蛋壳中的骨桥蛋白是一个高度磷酸化的蛋白,可以抑制方解石晶体的增长[12]。Takiguchi分别用蛋壳膜内外层蛋白加入氯化钙溶液中做体外矿化实验,发现加入蛋壳膜外层蛋白的碳酸钙晶体呈球形,而加入蛋壳膜内层蛋白的碳酸钙晶体呈现花朵形状[13]。

除了蛋壳,其他生物的钙化也同样受到了蛋白质的控制调节。Wojtas则通过体外碳酸钙结晶方法,证明了内耳鲐的鱼类中的Stm蛋白及磷酸化后的Stm蛋白(Stmp)通过抑制碳酸钙结晶过程使最终的碳酸钙晶体颗粒远远小于自然结晶的晶体颗粒,并通过荧光实验发现,Stm和Stmp也存在于结晶后的碳酸钙晶体中[14]。

天然方解石、石灰石等矿石的形成主要是长期沉淀的结果,并没有受到蛋白质的控制调节。不同蛋白质的调控下碳酸钙晶体液呈现不同的晶形。所以,蛋白质有可能是导致蛋壳碳酸钙与方解石碳酸钙的显微结构不同的一个因素[13]。在蛋白质的调节下,使得碳酸钙晶体颗粒更加小,结构更疏松[11]。

3 蛋壳源有机钙的制备

近年来,人们通过实验发现了多种利用蛋壳为原料制备有机钙的方法,主要有高温煅烧中和、直接中和法、发酵法、超声波法和脉冲电场法等五种方法。

3.1 高温煅烧中和法

高温煅烧中和法制备有机钙是先高温煅烧使碳酸钙转化为氧化钙,加水溶解为石灰乳后与有机酸中和生成有机钙的过程。通过对比不同的温度和时间下煅烧粉末与盐酸的反应情况得出在900℃下煅烧2h,可使蛋壳粉煅烧充分[15]。根据制备的有机钙的不同,以酸过量50%,反应温度在50～80℃,反应时间在50～60min之间为最佳[16]。结晶纯化过程以蒸发结晶干燥为主,也可根据不同需要进行冻结结晶[17]。利用此方法制得的柠檬酸钙的产率为84.36%[15],丙酸钙的产率可达90%以上[16],而柠檬酸-苹果酸钙的产率则达到94.8%[17]。

3.2 直接中和法

直接中和法是在蛋壳粉中直接加入有机酸中和得到有机钙的过程。根据制备的有机酸种类不同,反应温度在50～80℃之间,反应2.5h,蛋壳与有机酸的添加量为1∶10。秦建芳利用此方法制备丙酸钙的产率为70.35%[18]。李涛采用二次反应法,对反应后的蛋壳粉进一步进行中和,将两次反应液进行蒸发干燥,其制得的丙酸钙的得率可达到98.26%[19]。

3.3 发酵法

发酵法制备有机酸钙是利用生物发酵法制得相应有机酸,再在发酵液中分次投入蛋壳粉与有机酸反应生成有机酸钙,最后对发酵液进行分离浓缩纯化得到相应产品。丁邦琴分离筛选出丙酸杆菌,进行扩大培养后在40g/L的葡萄糖溶液中进行发酵产生丙酸。将蛋壳高温煅烧后制得的氧化钙粉末边搅拌边加入到丙酸溶液中,反应完成后过滤,滤液进行透析,蒸发结晶,最终制得的丙酸钙的产率为85.8%[20]。

3.4 超声波法

超声波法是将蛋壳清洗、烘干、粉碎、过筛后加入到有机酸水溶液中,进行超声波处理使之充分反应后,进行浓缩提纯得到有机酸钙。罗珊珊把颗粒细度为120目的蛋壳粉加入到柠檬酸与苹果酸的混合溶液中在超声功率为600W下超声20min,制得柠檬酸-苹果酸复合钙的产率为92.97%[21]。林松毅也用相似的方法制得柠檬酸钙产率为90.83%[22]。

3.5 脉冲电场法

脉冲电场(PEF)法是将蛋壳清洗、烘干、粉碎、过筛后加入到有机酸水溶液中,使混合溶液按照一定速度流经脉冲电场系统,经脉冲短时处理后过滤提取滤液进行浓缩提纯得到有机酸钙。Lin将蛋壳粉与苹果酸按照1∶50(g/mL)混合,使混合液以25mL/min的速度流经脉冲电场系统,电场强度为20kV/cm,脉冲持续时间为24μs,使其充分反应后过滤浓缩提纯,获得苹果酸钙[23]。

利用上述五种方法都可制得产率较高的蛋壳有机钙。高温煅烧过程中会产生SO2、NO2等有害气体,对环境的破坏较大,通常不建议采用。直接中和法操作简单不产生有害气体,能耗小,污染少,耗时长。发酵法制备有机酸钙,成本低,耗能少,对环境破坏小,但生产周期长,对菌种的选育培养过程复杂,耗时较长。超声波法制得有机酸钙,操作简单,生产周期短,产品得率较高,适合工业生产。脉冲电场提高了钙的溶解度,制备效率高,作为食品工业的新技术,脉冲电场还具有加工时间短,可以很好的保护食品的风味和营养价值等优点。但利用其制备有机钙的工艺参数和提高得率还需进一步研究。

4 蛋壳源钙结构的表征方法

有机钙结构的表征方法主要有扫描电镜分析(SEM)、傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)、透射电镜分析(TEM)、X射线衍射分析(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)和热重分析(TGA)。

扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)是用极细的电子束在样品表面扫描,试样为块状或粉末颗粒,成像信号可以是二次电子、背散电子或吸收电子,是一种包括形貌分析、组成分析和晶体结构分析的综合技术[24-25]。Tavangar利用扫描电镜对用蛋壳合成的三维碳酸钙纳米纤维新材料的结构进行表征,发现其表面融合成封闭环状或桥状结构,而这种结构可以提高生物材料界面特性,改善细胞表面的相互作用[26]。

傅里叶变换红外光谱(fourier translation infrared spectroscopy,FTIR)被广泛应用于物质鉴定、分析物质结构、物质的定性定量分析和研究分子间的相互作用。Lakshminarayanan用FTIR测定了加与不加鹌鹑蛋壳中有机质的体外矿化碳酸钙的结构特征曲线,发现加入有机质可以使碳酸钙的红外特征峰发生移动,晶体结构发生改变[27]。

透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)是利用电子束穿透样品,而后经多级电子放大成像于荧光屏,其主要优点是分辨率高,可用来观察超微结构以及微细物体和生物大分子的全貌[28]。Hassan用透射电镜观察了在不同溶剂中超声制得的蛋壳碳酸钙颗粒的微观结构,发现溶剂与超声都对最终碳酸钙颗粒的形状和大小有影响[3]。

X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)在研究高分子材料的固态结构,尤其是研究晶体内在结构方面显示了诸多优势。X射线衍射具有快速、准确、方便等优点[29]。Wojta利用X射线衍射表征了蛋白质对碳酸钙体外矿化的影响,发现蛋白质浓度越高碳酸钙晶体颗粒越小,结构越蓬松[14]。

X射线光电子能谱分析(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)具有对浅层表面(数埃到数十埃)进行分析的特性,能分析除H和He以外的全部元素和化学键状态。此外,它还可以进行原样分析,属于一种非破坏性的表面分析方法,并且具有分析速度快与周期短的优点。王宏霞用X射线光电子能谱分析了水化硅酸钙和掺有有机大分子的水化硅酸钙的键能,发现有机大分子基团的外加剂使水化硅酸钙颗粒粒径变小且聚集程度更趋致密[30]。

热重分析(thermo gravimetric analysis,TGA)是在程序控制温度下测量物质的质量变化与温度关系的技术。根据实验条件的不同分为等温条件法和非等温条件法。从TG-DTG曲线(TG对时间或温度的一阶导数)可以得出反应的开始和结束温度,以及最大失重速率和相应的温度,了解所测物质的热解特性[31]。牛胜利利用热重分析对比了碳酸钙和丙酸钙的热解特性,为进一步提高丙酸钙的脱硫脱硝效率提供理论依据[32]。

5 蛋壳源有机钙的消化利用

蛋壳钙目前最主要的利用就是作为膳食钙补充剂。一方面将蛋壳进行清洗干燥粉碎后制成的蛋壳粉可直接用作钙补充剂,另一方面,将蛋壳钙与有机酸反应制成有机钙也是其利用的一种形式。而生物体对蛋壳钙的消化利用情况的研究主要为动物实验和细胞实验。其中以动物实验为主。

在蛋壳无机钙的生物利用研究中潘旭琳利用SD大鼠,研究得到超微蛋壳粉(颗粒小于1μm的占80%以上,其余也均小于3μm)能够被大鼠很好的吸收利用,能显著提高血清钙水平和骨钙含量[33]。鲍善芬利用同位素稀释技术,通过喂养肌肉注射45Ca的SD大鼠,得出蛋壳钙的真正吸收率生物利用度比有机钙低,比方解石无机钙盐高[34]。

有机钙在生物体中不仅为生物体提供钙源,还能提高生物体的生命机能。Bintvihok通过控制肉鸡饲料中黄曲霉毒素和丙酸钙的添加量,定期测定肉鸡的体重增加量、饲料消耗量,最后收集血清,测定四种血清肝损伤检测指标的含量,得出丙酸钙可以有效抑制黄曲霉毒素对肝脏的损伤[35]。以蛋壳为原料制得的有机钙的生物利用方面DAENGPROK利用Caco-2细胞系模拟肠道对钙的吸收过程,发现蛋壳蛋白对蛋壳钙在Caco-2细胞系中吸收运输有明显的促进作用。之后利用SDS-PAGE和高效液相色谱对蛋壳蛋白进行进一步的分离定性研究,最终发现蛋壳蛋白中的一种新型蛋白(n端序列为Met-Ala-Val-Pro-Gln-Thr-Met-Val-Gln)对钙的吸收有明显的促进作用[36]。之后,Yu利用小鼠实验,发现蛋壳源柠檬酸-苹果酸钙在小鼠体内的吸收率要高于蛋壳源柠檬酸钙和蛋壳源苹果酸钙[37]。为复合型有机钙的消化利用高于单一型有机钙提供了理论依据。

从目前的研究发现蛋壳源无机钙质在生物体内的消化利用率要比方解石钙源高,而方解石有机钙的消化利用率又高于蛋壳粉。蛋壳源有机钙的消化利用是否要高于方解石有机钙,蛋壳蛋白是否存在于蛋壳源有机钙中来提高其消化利用,还需要进一步研究验证。

6 展望

目前我国对蛋壳的利用单一,可以结合国外对蛋壳的利用研究将蛋壳作为一种新型材料应用到其他不同领域,同时对比研究蛋壳源钙与方解石钙在不同领域应用过程中的差异,针对这种差异做进一步探讨,为全面利用废弃蛋壳提供理论支撑。此外,在蛋壳源膳食钙补充剂研究方面,除了进一步确定其工艺参数,提高产率外,还要对其结构和生物利用方面进行全面分析,探索蛋壳源有机钙与方解石有机钙是否存在结构差异,蛋壳源补钙产品是否可以达到甚至高于方解石钙的补钙效果。这样,不仅扩大了我国对蛋壳的利用范围,提高了蛋壳利用率,更为蛋壳源钙的利用提供了有力的理论支撑,且是蛋壳源钙研究的必然趋势。同时,全面发展蛋壳源钙产业,不仅缓解了资源紧缺的现状,节约了成本,绿色环保,促进了经济的可持续协调发展,创造了更高的经济价值,更是钙工业发展的新方向。

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Status of research and development of organic calcium from eggshell

LIU De-jing,MA Mei-hu*

(National R&D Center for Egg Processing,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

Eggshell is an important source of biological calcium and used to prepare a variety of organic calcium as a dietary calcium supplements. It can be extensively used in a variety of industries. The formation of eggshell and calcite was contrasted. The common methods for preparing organic calcium from eggshell and the structural characterization methods were collected. The absorption and utilization of eggshell calciuminvivowas discussed. The research status of eggshell calcium was analyzed,and some further research directions about eggshell calcium were point out,which aimed to offer the scientific theory for the development and utilization of the eggshell calcium.

eggshell;organic calcium;structural characterization;absorption and utilization

2014-09-10

刘德婧(1989-)，女，硕士研究生，研究方向：蛋壳源有机钙的显微结构差异和消化吸收差异。

*通讯作者:马美湖(1957-)，男，博士，教授，研究方向：肉类蛋品科学理论与加工利用技术。

现代农业产业技术体系建设专项基金(CARS-41-K23)；国家自然科学基金青年科学基金项目(31101366)。

TS253.1

A

:1002-0306(2015)09-0372-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.09.073