全球每年消费约10万亿只鸡蛋，海量的鸡蛋壳成为了最主要的废弃物之一。有研究显示，约四分之一的鸡蛋壳直接作为垃圾倾倒，没有回收再利用。泰国研究人员的这项研究将鸡蛋壳磨成粉后高温处理，作为宠物食品中钙补充剂的替代来源，加入到犬食饼干中。2023年1月19日，这项文献综述以“Modified eggshell powder using thermal treatment and its application in Ca-fortified dog biscuits”为题，发表在Cell Press细胞出版社期刊Heliyon上。
全球范围内对鸡蛋的高消费使得鸡蛋壳已成为最主要的家庭、农业和工业废弃物之一。本研究先在95 ℃和121 ℃下对蛋壳进行煮沸和蒸汽处理，之后使用200 ℃热空气、900 W微波和1050 W红外线进行处理，用以确定蛋壳的特性。在水中煮沸60 min可抑制腐败和致病微生物，相当于在121 ℃下蒸汽处理15 min。扫描电子显微镜结果显示干燥蛋壳粉在热处理后其孔径和粉末表面的颗粒积聚有所改变。X射线衍射中所有的蛋壳粉样品在29.40°处呈现峰值，表明碳酸钙晶体结构有90.20 %~91.05 %的结晶度。未经处理的对照组钙释放量为205.17~208.40 mg/L。在对蛋壳粉分别进行煮沸和蒸汽处理后，进一步使用热空气处理10~20 min可增加蛋壳粉钙释放量（分别增加到：219.95~225.50 mg/L、230.35~305.20 mg/L）；进一步使用微波处理2 min亦可增加蛋壳粉钙释放量（分别增加到：230.85 mg/L、244.60 mg/L）；红外线处理并未增加蛋壳粉钙释放量。犬粮用饼干面团中可添加高达2%的蛋壳粉。添加蛋壳粉后的饼干每100 g含钙507.12 mg，Ca:P比为1.94:1，处于犬用食品的推荐范围之内。
鸡蛋是人类膳食中的一类良好蛋白质来源，既可直接食用，也可作为配料制成菜肴。据统计，全球每年约消耗1012个鸡蛋。通常情况下人们只食用鸡蛋黄和鸡蛋清，蛋壳则通常被当作废物。约四分之一（26%）的废弃鸡蛋壳会被直接作为垃圾倾倒，还有人将鸡蛋壳用于肥料生产（27%）、饲料生产（21%）、以及其他用途（16%）。每个鸡蛋壳重量约为5~6 g，其中85~95 %为CaCO3。已有研究表明每个蛋壳中含有约2.07 g Ca，Ca的生物利用率约为45%，这使得蛋壳可以作为潜在的钙来源。废弃鸡蛋壳通常处于污染状态，微生物过多，不能直接进一步利用。然而研究发现，对废弃鸡蛋壳进行煮沸、干燥等常规加热预处理可以获得其中的钙成分。在100℃下干燥3 h即可以将蛋壳中的CaCO3含量从79.3 %增加到99.2 %。
除了常规加热之外，微波加热也是一种可取的方法。微波加热可以节省流转时长，避免常规加热的硬化问题，最近开始应用于工业生产；也可以使用红外加热的方法，即利用红外线电磁波，通过偶极分子在60000~150000 MHz范围内的振动运动产生热量。
鸡蛋壳粉业已应用于食品类和非食品类产品的生产，例如人类和动物食品中的钙补充剂、植物肥料、聚合物填料、重金属吸收剂等。对于人类食品来说，鸡蛋壳粉可以作为钙补充剂，加入到面包、香肠、比萨饼、意大利面条或炖菜中，提高人类食品中的钙含量。
鸡蛋壳应用潜力较大，但相关研究尚未广泛开展。例如，微波和红外加热对鸡蛋壳粉改性的影响没有得到研究人员较多关注。此外，从生物循环经济角度，鸡蛋壳粉也可以作为钙元素补充剂再利用，添加到宠物食品中，相关研究也较少。本研究旨在比较常规加热、微波加热和红外加热对蛋壳结构和组成的影响，助力开发添加鸡蛋壳粉的高钙宠物食品。
新鲜蛋壳的总板数为（3.3±0.2）×107 cfe/g，酵母和霉菌数为（2.5±0.3）×103 cfe/g。同时检测到致病菌（沙门氏菌属和大肠埃希菌属）。沙门氏菌属是蛋壳污染的主要致病菌，大肠埃希菌属是引起食源性疾病的次要致病菌。在121 ℃灭菌15 min后，总板数和酵母和霉菌水平估计值均小于10 cfe/g，在25 g样品中未检测到沙门氏菌属和大肠埃希菌属，大肠埃希菌属小于3 MPN/g。95 ℃巴氏杀菌至少需要15 min才能抑制沙门氏菌属和大肠杆菌，但其总板数仍然高于灭菌样品。进一步在95 ℃加热至60 min，可产生与灭菌条件相当的抑制性能。因此，选择121 ℃蒸汽灭菌15 min和95 ℃巴氏杀菌60 min制备蛋壳粉进行进一步改性。
初始蛋壳粉含水率为0.488~0.538 %，这与以前的研究报告一致。微生物抑制条件对含水率没有显著影响。进一步热风干燥、微波干燥或红外干燥后，含水率降至0.165~0.482 %。通常100 ℃至300 ℃以上的温度与水分损失和有机物氧化有关。进一步将温度提高到480~580 ℃可以增强OH基团的释放，潜在导致额外重量损失约3.4 %。
扫描电镜结果显示，高压高温蒸汽导致表面粗糙，有一些圆形颗粒。在巴氏杀菌温度下水加热使表面更光滑，随机观察到一些不规则形状的颗粒，热水导致颗粒比蒸汽更好地运动。进一步热处理导致蛋壳粉表面结构发生变化，表面颗粒尺寸减小。
如下图所示，对于在巴氏杀菌温度下清洗的蛋壳粉（图A），200 ℃下进一步热风处理10 min会使其结构从光滑变成粗糙、表面有小孔的多孔表面，且表面颗粒更圆（图B）。继续热风处理20~30 min，会导致孔径扩大，表面产生光滑和团聚的颗粒（图C、图D）。同样，在使用红外加热（图E~G）进一步处理20~30 min后，其表面变得粗糙和多孔，孔径更大，形成团聚颗粒。进一步微波加热1~2 min后，表面结构孔隙率提高，表面随机出现细颗粒（图H~I）。微波加热时间增加到3 min后，孔径扩大，表面随机形成团聚体（图J）。
如下图所示，对于在灭菌温度下清洗的蛋壳粉（图A），热风处理增加了表面的孔隙率，并在表面产生了更圆的颗粒。当处理时间增加时（10 min→20 min→30 min），表面结块增加（图B~D）。相比之下，进一步红外加热10 min在其表面产生了粗糙和不规则形状的颗粒（图E），而将红外处理时间增加到20~30 min会促进多孔结构形成和结块（图F~G）。进一步微波加热1 min会在表面产生不规则颗粒（图H）。将微波处理时间增加到2~3 min，颗粒则变得更圆、更细，同时表面结构更加多孔（图I~J）。
X射线衍射图谱显示，所有蛋壳样品的衍射图仅呈现一个晶相（方解石，峰位于29.4°），证实了蛋壳粉末中碳酸钙（CaCO3）的晶体晶格。这与已有研究相一致。碳酸钙可作为饲料的补充剂以及纸张、橡胶和塑料的填料。在蛋壳粉末中没有发现碳酸钙镁（CaCO3Mg）、氧化钙（CaO）、氢氧化钙（Ca(OH)2）、草酸钙水合物（C2H5CaO5）和氯化钙（CaCl2）的晶体晶格。这表明使用热风、红外或微波进一步热处理不影响蛋壳粉中钙的结晶度。
本研究中所有样品中碳酸钙的结晶度约为90 %。巴氏杀菌蛋壳粉含有90.50~91.05 %的碳酸钙，灭菌蛋壳粉含有90.20~90.80 %的碳酸钙，与进一步处理条件无关（P0.05）。巴氏杀菌蛋壳的微波处理会略微增加碳酸钙的结晶度。然而，当微波处理长期处于高温过程中的灭菌蛋壳时，则会产生相反影响。这是因为施加到蛋壳上的大量热量通过水分损失、有机物损失、硅酸盐脱羟基化和碳酸钙分子的降解影响了干燥的表面。100~300 ℃的温度导致水分损失和有机物氧化，但没有导致硅酸盐脱羟基化、结构OH基团释放或CaCO3分解。
原子吸收光谱分析结果显示，清洗后的蛋壳粉在205.17~208.40 mg/L时开始释放钙。灭菌温度下蒸汽清洗比巴氏杀菌温度下热水清洗钙释放性更高。
在巴氏杀菌下，200 ℃热风处理10~20 min可使钙的释放性从205.17 mg/L提高到219.95~225.50 mg/L。然而处理时间太长则会出现相反的影响，但即便如此仍然优于对照组的情况（P≤0.05）。微波处理2 min可使钙的释放性提高到230.85 mg/L。将微波处理时间延长到3 min可使钙的释放性显著降低（190.40±0.85 mg/L）。红外处理没有产生比微波处理更好的性能。
经200℃热气处理10～20 min后，除菌蛋壳的钙释放率从208.40 mg/L提高到230.35~305.20 mg/L。与巴氏杀菌蛋壳相似，热气处理30 min后，钙释放率降低，但仍优于对照组。微波处理2 min对钙释放率的正向影响最大，与巴氏杀菌处理相似。而红外线处理对除菌蛋壳粉的钙释放率有负向影响（154.40～199.60 mg/L）。钙释放性的变化可能是由于热处理影响粉末表面的孔隙，颗粒大小和团聚的变化。
饼干呈现浅棕色，亮度（L*）在63.40~65.33范围内，红色（a*）在7.01~7.94范围内，黄色（b*）在23.26~24.44范围内。由于蛋壳粉为白色（L*=89.75、a*=0.13、b*=7.07），添加蛋壳粉显著降低了发红和发黄。此外，每100 g面粉添加4~6 g蛋壳粉显著增加了饼干的硬度。为了避免质地发生变化，在狗饼干中添加蛋壳粉不应超过2 g/100 g面粉。
犬食饼干的含水量为0.32~0.36 %，蛋白质含量为22.78~24.08 %，脂肪含量为19.04~21.01 %，纤维含量为0.60~0.81 %，碳水化合物含量为52.28~53.45 %。在面团中添加蛋壳对饼干中的这些主要成分没有影响（P0.05）。然而，当蛋壳添加量为2~6 g/100 g面粉中时，钙含量从21.95（0.02%）增加到585.61~1783.50 mg/100 g饼干（0.59~1.78%）。根据欧洲宠物食品工业联合会标准，狗粮的钙含量在0.50~2.50 %的推荐范围内。然而它仍然低于宠物食品中10 %的最大允许量。
此外，犬食饼干的含磷量为126.78~161.31 mg/100 g。对照样本的钙磷比为0.158：1，在推荐范围内（不超过2：1）。每100 g面粉添加2、4或6 g蛋壳粉导致钙磷比分别增加4.46：1、6.27：1和14.07：1，远高于狗粮标准，可能会对狗的营养平衡产生负面影响。因此，面团中的干鸡肝（磷的来源）含量从每100 g面粉18.0 g增加到27.5 g。此时饼干中的磷含量增加到261.17 mg/100 g，钙含量为507.12 mg/100 g，钙磷比为1.94：1，保持在狗粮的推荐范围内。添加干鸡肝也可以提高饼干中的蛋白质含量。
综上，犬食饼干面粉中添加蛋壳粉（2 g/100 g面粉）的蛋白质含量为32.73 %，脂肪含量为20.16 %，碳水化合物含量为44.05 %，灰分含量为2.7 6%，纤维含量为0.31 %，水分含量为0.48 %。它们的明度、红度和黄度分别为55.79、8.42和20.72。饼干的硬度为11.15 N。
蛋壳粉可作为宠物食品中钙补充剂的替代来源。为确保微生物安全，直接从农场获得的蛋壳应通过95℃ 水中加热60分钟或121℃ 蒸15分钟的方式进行清洁，这可将微生物总板数、酵母和霉菌水平降至10 cfe/g以下。25 g样品中未检测到沙门氏菌，大肠杆菌低于3 MPN/g。与未处理的对照品相比，通过200 ℃热风处理20 min或900 W微波加热2 min进一步处理可以提高钙释放性。然而，热处理不会改变蛋壳粉中的钙结晶度。未处理和处理的蛋壳粉中的主要钙成分是结晶度约为90%的碳酸钙。为了增强犬食饼干中的钙，蛋壳粉可以添加2%，以507.12 mg/100 g饼干的标准生产含钙饼干，此时钙磷比仍然低于2：1，符合相关要求。
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Heliyon上，点击“阅读原文”查看论文
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