鸡蛋壳中功能蛋白活性成分研究进展

赵文竹，杨焱，于志鹏，*，宋宝雯，刘静波，励建荣（.渤海大学食品科学与工程学院，生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术，国家地方联合工程研究中心，辽宁锦州203；2.吉林大学营养与功能食品研究室，吉林长春30062）



鸡蛋壳中功能蛋白活性成分研究进展

赵文竹1，杨焱1，于志鹏1，*，宋宝雯1，刘静波2，*，励建荣1
（1.渤海大学食品科学与工程学院，生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术，国家地方联合工程研究中心，辽宁锦州121013；2.吉林大学营养与功能食品研究室，吉林长春130062）

摘要：综述了鸡蛋壳中唾液酸、角蛋白、透明质酸和胶原蛋白4种活性成分的结构、生物活性及应用前景，旨在为鸡蛋壳中生物活性因子的基础研究与应用提供参考，并对蛋制品加工的高附加值转化提供思路。

关键词：鸡蛋；蛋白；蛋壳；结构

鸡蛋壳是一种高度精密有序的矿化结构，约占整个鸡蛋质量的9.5%［1-3］。鸡蛋壳是鸡蛋的一种天然包装，不仅便于蛋的保存和运输，而且在蛋的孵化过程中可对胚胎起保护作用。蛋壳含有3.5%有机基质，其主要成分为糖蛋白和糖肽，有文献报道蛋壳中生物学活性成分含有溶菌酶、胶原蛋白、角蛋白、硫酸软骨素、唾液酸和透明质酸等［4-8］。虽然世界蛋品工业发展迅速，但鸡蛋壳精深加工的基础研究较少。目前蛋壳仍作为蛋品加工业的废弃物而被丢弃，不仅造成了污染环境，同时也造成了鸡蛋壳资源的浪费［9-10］。本文对鸡蛋壳中生物学活性成分进行了综述，旨在为鸡蛋壳资源的综合利用开发提供数据参考。

1　鸡蛋壳中唾液酸的特性

唾液酸（sialic acid）是一类化合物的总称，学名为N-乙酰基神经氨酸，最初由颌下腺粘蛋白中分离获得［11-12］。唾液酸通常以低聚糖、糖脂或糖蛋白的形式存在，自1942年首次从唾液类粘蛋白中水解获得后，研究者开始对唾液酸的化学结构和生物学功能进行了较为系统和深入的研究，唾液酸结构［13-14］见图1。

图1　唾液酸结构Fig.1 Structure of sialic acid

蛋壳和蛋壳膜中的唾液酸主要以3种状态存在，分别为游离状态唾液酸、唾液酸糖蛋白和与唾液酸糖脂［15］。

蛋壳中含唾液酸的糖蛋白共有两种，一种为简单糖蛋白，其糖链与肽链的丝氨酸、苏氨酸等以氧糖苷键的形式结合；另一种为复杂糖蛋白，其糖链与肽链的天冬氨酸以氮糖苷键的形式结合，又可分为高甘露糖型糖蛋白、复合型糖蛋白和混合型糖蛋白。复合型糖蛋白的末端与唾液酸连接，研究表明复合型糖蛋白参与各种生命活动的调节及细胞间相互识别过程［16-18］。糖脂是由神经氨酸的长碳氢链与各种糖链结合构成，现已发现50多种，其结构特点是在连有神经酰氨的多糖末端连接一个或几个唾液酸［19-20］。图2所示结构为糖蛋白中一种，称为神经节苷脂，可用于消化道癌和胰脏癌的基因标记，但如果没有端位的唾液酸，即失去识别作用。

图2　神经节甙脂结构Fig.2 Structure of ganglioside

唾液酸在分子生物学和化学合成中的研究已有报导，由于其活性成分复杂并且含量少等原因，目前关于唾液酸的生物提取研究进展缓慢。唾液酸中羧基的存在使其分子带负电荷，从而发挥重要特性，研究表明唾液酸有利于婴幼儿大脑的发育［21］。大脑的发育与唾液酸所参与形成的化合物存在密切关系，研究发现唾液酸是脑细胞膜及突触的营养素，唾液酸含量的降低成为导致衰老和先天性发育迟缓综合症的主要因素［22］。由于唾液酸在许多生理和病理过程中发挥重要作用，因而越来越引起人们的关注，研究发现唾液酸与癌症、炎症及衰老等有密切的关系［23-24］，而且在临床上已有通过测定唾液酸含量来诊断和预测某些疾病的应用。

2　鸡蛋壳中角蛋白的特性

角蛋白（keratin）作为一种纤维性且非营养型的硬蛋白，广泛存在于人以及动物的毛发、皮肤和指甲中。角蛋白同时还是结缔组织极为重要的结构蛋白质，发挥着保护机体的作用。X射线衍射研究表明角蛋白在自然状态下存在α-螺旋和β-折叠两种结构［25-26］。研究发现鸡蛋壳膜角蛋白含有较多的半胱氨酸，-S-S-含量特别多，二硫键在蛋白质肽链中起交联作用，不容易溶解和消化，因此角蛋白化学性质相对比较稳定，机械强度较高。角蛋白因富含苯丙氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸和丙氨酸等疏水性氨基酸而不溶于水，由于角蛋白中存在大量的二硫键因此具有较强的耐酸碱及抗酶解能力。研究发现角蛋白大分子主链间能形成盐式键、二硫交联键（即胱氨酸键）和氢键等空间键［27］（见图3）。

图3　角蛋白分子结构图Fig.3 Molecular structure of keratin

当前，关于角蛋白提取的研究主要集中于羊毛、猪毛和羽毛等原料，而有关蛋壳角蛋白提取工艺技术的研究报道较少［28］。

角蛋白的提取方法主要有机械法、化学法及酶法3类。相对于传统的蛋白质酸水解或者碱水解等化学方法，酶法提取蛋壳中的角蛋白具有条件温和、反应速度快、提取时间短且对环境无污染等优点。酶法提取的过程易于控制，并且能够保护氨基酸不被破坏，因此酶解产物保留了角蛋白原有的功能组分，进而能更好地发挥角蛋白的营养价值［28-30］。角蛋白与人体皮肤性质极为相近，因此更容易被皮肤吸收，更好的发挥对皮肤的保护作用。研究证实角蛋白调制的护肤霜（蛋膜素冷霜、蛋膜素洗发香波等）具有防止和减轻皮肤粗糙、促进老化表层脱落、加速新表皮生成和防止及消除皱纹、雀斑、粉刺等作用。角蛋白的护肤功效相似于珍珠，以角蛋白代替珍珠产品成本可明显下降［31-32］，蛋壳角蛋白的应用具有广阔的前景。

3　鸡蛋壳中透明质酸的特性

蛋壳膜中的透明质酸（hyaluronic acid）活性大分子正逐渐被人们所认识和利用。透明质酸是一种具有特殊功能的线性大分子酸性多聚黏多糖，是由N-乙酰葡萄糖胺和葡萄糖醛酸通过β-1，4和β-1，3糖苷键反复交替连接而成［33］。透明质酸因具有较强的保水能力被誉为理想的天然保湿因子，凭借其天然、无过敏且与人体组织良好的相容性，被广泛应用于化妆品、保健食品以及医药领域［34-35］。蛋壳膜中含有高浓度的透明质酸，相对于其它透明质酸原料，蛋壳是一种产量巨大的废弃物而且容易获得，因此蛋壳中透明质酸的精深加工高值化利用具有重要意义。透明质酸在水溶液中的无规则卷曲状态和它的流体动力学特点决定其重要的物理特性，即高黏弹性、可塑性、渗透性以及良好的生物相容性。透明质酸具有许多天然黏多糖共同的性质，白色无定性固体、无臭无味、易吸潮且溶于水。透明质酸经红外光谱分析发现在3 412 cm-1处有强烈的-OH伸缩振动的特征吸收峰证明了透明质酸中多糖羟基结构的存在。乙酰氨基结构的-C=O和N-H弯曲振动在1 645 cm-1和1 545 cm-1处均有归属，而在1410cm-1和1380cm-1处的O=C-O-伸缩振动-OH弯曲振动偶合产生的两个吸收峰，表明存在着糖醛酸解离羧基和多羟基结构［36-37］。

透明质酸生产方法主要有提取法、微生物发酵法和细胞分离法［38］。国内外的研究证实透明质酸对巨嗜细胞、粒细胞、淋巴细胞、自然杀伤细胞等均具有一定作用。低浓度的透明质酸对吞噬细胞和自然杀伤细胞的功能有轻度的促进作用，但对淋巴细胞的转化有抑制作用；较高浓度的透明质酸对淋巴细胞、自然杀伤细胞、吞噬细胞功能都有明显抑制作用，且存在明显的量效关系［39］。透明质酸形成的细胞外衣可作为防止细胞毒性溶解的屏障。同时有研究证明透明质酸可加速创面愈合，创伤早期的局部透明质酸浓度明显增高，并对多种炎性细胞有调节作用。高浓度的高分子量透明质酸具有较高的促愈合、调控胶元合成、调节纤维活性和抗炎等作用，低分子量的透明质酸则能刺激血管生成，伤口中的透明质酸在酶的作用下，降解为低分子量透明质酸进而促进伤口愈合［40-41］。

4　蛋壳中胶原蛋白的特性

蛋壳膜含有大量的功能蛋白质，胶原蛋白（collagen）作为潜在的功能活性蛋白逐渐受到人们的关注。胶原蛋白是由3条肽链形成的螺旋形纤维状蛋白质，含糖及大量甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸等，属于糖蛋白［42］。胶原蛋白存在于所有多细胞动物体内，是体内含量最多的一类蛋白质。胶原蛋白家族包括19种胶原蛋白及10种以上胶原样蛋白。胶原是结缔组织的组成成份，煮沸时产生胶质。胶原的科学定义是指细胞外基质的结构蛋白质，分子中至少应该有1个结构域具有α链组成的三股螺旋构象。胶原一般为白色、透明、无分支的原纤维。已知的胶原中含有两种构象，即三股螺旋和球形。I、III、V和XI型胶原的基本结构单元是三股螺旋的原胶原。胶原的氨基酸组成具有显著的特征，甘氨酸占整个蛋白质组成的30%，平均连续的3个氨基酸中即有1个甘氨酸，胶原中脯氨酸约12%，羟脯氨酸约10%（一般动物性蛋白质中羟脯氨酸含量极少），此外丙氨酸约为11%，羟赖氨酸，但胶原中缺乏色氨酸［42］。

蛋壳膜中含有约10%的胶原蛋白，胶原蛋白在保健食品、化妆品及医药领域具有潜在的优势。随着人们对营养保健越来越重视和对胶原蛋白系列产品的热衷，胶原蛋白在医药和食品中应用具有广阔的前景，因此胶原蛋白提取也成为研究的焦点。目前，胶原蛋白的提取方法主要有酸法提取，热水提取、碱法提取、酶法提取。常用来提取胶原的中性盐有盐酸三羟甲基胺基甲烷，氯化钠，柠檬酸盐等。在中性条件下，当盐的浓度达到一定量时胶原就会溶解在其中，一般情况下可采用不同浓度的氯化钠对提取的胶原蛋白进行盐析处理，可以沉淀出不同类型的胶原蛋白。酶法提取胶原蛋白不仅纯度高，水溶性好且理化性质稳定，同时利用蛋白酶还可以催化水解胶原的端肽的非螺旋区而对螺旋区无作用［43］。胶原蛋白具有多种生物活性，包括参与细胞迁移、分化及增殖，同时可以使骨、腱、软骨和皮肤具有一定的机械强度。胶原蛋白凭借其良好的生物相容性，在烧伤、创伤、眼角膜疾病、美容、矫形、硬组织修复、创面止血等医药卫生领域用途广泛。胶原蛋白是皮肤组织主要蛋白质成分，由成纤维细胞合成，若皮肤中缺乏胶原蛋白，胶原纤维就会发生联固化，使细胞间黏多糖减少，皮肤便会失去柔软、弹性和光泽，发生老化，同时皮肤出现色斑、皱纹等一系列老化现象。胶原蛋白是机体必不可少的有机物，胶原蛋白对维持骨结构完整及骨生物力学特性非常重要。研究表明骨质疏松的实质是机体合成骨胶原的速度跟不上机体本身的需要或者说新的骨胶原的生成速度低于老的骨胶原发生变异或老化速度。胶原蛋白含有多种氨基酸，备受食品领域的关注，应用较广泛的为食用明胶和可食性肠衣，而且近年来有研究证明胶原蛋白具有降低甘油三酯和胆固醇的作用［44-45］。

5　展望

蛋壳中除含有唾液酸、角蛋白、透明质酸和胶原蛋白外，还含有溶菌酶以及丰富的生物钙质等生物活性成分［46］。当前，利用柠檬酸与苹果酸等制备混合有机酸钙研究也成为开发蛋壳资源的有效方法［47］。蛋壳目前属于蛋品加工废弃物，成本低廉。目前，美国市场上已出现以蛋壳为原料的开发的保护软组织的产品，虽然价格不菲但仍然备受青睐。开发蛋壳中的生物活性成分不仅可以减少环境污染、降低生产成本，而且符合可持续发展的理念，将蛋壳变废为宝，提高蛋品企业的市场竞争力，因此开发蛋壳中生物活性成分具广阔的市场前景。

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Progress on the Functional Protein Composition of Hen Egg Shell

ZHAO Wen-zhu1，YANG Yan1，YU Zhi-peng1，*，SONG Bao-wen1，LIU Jing-bo2，*，LI Jian-rong1
（1. College of Food Science and Technology，Bohai University，National & Local Joint Engineering Research Center of Storage，Processing and Safety Control Technology for Fresh Agricultural and Aquatic Products，Jinzhou 121013，Liaoning，China；2. Lab of Nutrition and Functional Food，Jilin University，Changchun 130062，Jilin，China）

Abstract：This paper reviews the egg shell source of sialic acid，keratin，hyaluronic acid and collagen structure of four active ingredients，biological activity and prospects，aims to study the egg shell bioactive factors to provide reference and processed egg shell high value-added conversion to provide ideas.

Key words：hen egg；protein；egg shell；structure

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.09.050

基金项目：国家科技支撑课题-“食源性功能肽生物制备技术研究”（2012BAD00B03）；渤海大学博士启动项目-“果蔬多糖类化合物降血糖机制的研究”（0515bs020）

作者简介：赵文竹（1986—），女（汉），讲师，博士，研究方向：活性多糖及糖蛋白的结构与功能研究。

*通信作者

收稿日期：2015-05-19