引言
海洋软体动物加工产生大量贝壳，这些贝壳是储量丰富但尚未充分利用的生物功能材料。海洋软体动物贝壳主要由碳酸钙和少量蛋白质、多糖、几丁质等有机基质组成，展现出抗氧化、抗炎、抗菌、促成骨、保肝、胃肠道保护和神经保护等多种特性生物活性。这些功能支持了其作为天然钙源、食品保鲜剂、功能成分以及用于组织工程和药物递送的生物相容性材料的潜在用途。同时，其安全性问题——特别是重金属和微塑料——也与当前的缓解方法一起得到了审慎评估。
海洋软体动物贝壳的组成与结构
海洋软体动物贝壳是由套膜上皮分泌的有机-矿物生物复合材料，约含95%的无机成分（主要是碳酸钙）和1–5%的有机材料（包括蛋白质、几丁质、脂质和色素）。贝壳通常由三层不同的结构组成：角质层、棱柱层和珍珠层。角质层是最外层，主要由硬化蛋白质构成，提供保护并防止贝壳溶解。棱柱层位于中间，由平行排列的文石或方解石晶体组成，赋予贝壳更高的硬度和耐腐蚀性。最内层的珍珠层则以“砖块-砂浆”结构为特征，文石晶体和有机基质交替排列，赋予贝壳卓越的韧性和强度。
在成分上，除碳酸钙外，还含有其他无机盐和矿物元素。主要元素包括钙（Ca）、镁（Mg）、钠（Na）等，以及铁（Fe）、铜（Cu）、锌（Zn）等微量元素。必需微量元素对人体代谢和免疫功能至关重要，而铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）等有害微量元素则在实际应用中引发安全担忧。有机基质是蛋白质、多糖、脂质和色素的复杂混合物。壳基质蛋白在引导和调节生物矿化中至关重要，通常分为可溶性基质蛋白和不溶性基质蛋白。几丁质是一种β-1,4-N-乙酰葡糖胺生物聚合物，是有机基质的重要组成部分。脂质和色素仅以痕量存在。
海洋软体动物贝壳功能成分的回收
从海洋软体动物贝壳中回收功能成分已成为高值化利用的主要焦点，特别是在矿物质、蛋白质和几丁质的回收方面。
矿物质
海洋软体动物贝壳作为碳酸钙的可再生来源，是生产氧化钙（CaO）和羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2, HAP）的前体。通过煅烧，贝壳中的碳酸钙转化为氧化钙，最佳煅烧温度因贝壳种类而异。由贝壳衍生的HAP通常含有天然存在的微量元素，如Mg、Sr、Si、Zn和K，这些离子已知能增强成骨分化、细胞粘附、增殖和整体生物活性，进一步提高了贝壳衍生HAP在骨组织工程、药物递送和更广泛生物医学应用中的适用性。合成方法主要包括溶液法、能量辅助法和固态法。
蛋白质
蛋白质作为海洋软体动物贝壳的关键有机成分，因其在贝壳生物矿化中的关键作用而备受关注。研究表明，源自贝壳的可溶性基质蛋白表现出显著的生物活性，使其成为功能性食品和药物应用的有希望的候选者。提取方法包括化学法和生物技术法，常与色谱分离联用进行纯化。化学提取法可分为脱矿质法和非脱矿质法。生物技术提取法，特别是酶水解，因其条件温和可控而日益受到关注。
几丁质
海洋软体动物贝壳含有几丁质，可通过脱乙酰化过程转化为生物聚合物壳聚糖。常规提取通常包括四个顺序步骤：脱蛋白、脱矿质、脱色和脱乙酰化。随着对可持续提取技术的兴趣日益增长，低共熔溶剂（DESs）因其蒸汽压低、可生物降解、易于回收且对多糖结构温和等特点，正成为 harsh 酸/碱的绿色替代品。
海洋软体动物贝壳的生物学特性
海洋软体动物贝壳及其煅烧产物在体外和体内具有多种健康益处，如抗氧化、抗炎、抗菌、抗骨质疏松、调节高血压和促进伤口愈合等。
抗氧化活性
氧化应激与多种疾病的发生密切相关。研究表明，海洋软体动物贝壳具有显著的抗氧化特性。例如，从牡蛎壳中提取的糖蛋白LOL显示出清除羟基自由基和超氧自由基的能力。从蚶壳中提取的蛋白质WLZP1F1G2和WLZP1F1G3对ABTS和DPPH自由基有清除能力。鲍鱼壳水提取物能减轻过氧化氢诱导的晶状体混浊，降低细胞内乳酸脱氢酶释放和丙二醛积累，同时提高谷胱甘肽含量和超氧化物歧化酶活性。珍珠贝壳水提取物可增强衰老小鼠脑组织中的谷胱甘肽含量和谷胱甘肽过氧化物酶活性，上调过氧化氢酶和超氧化物歧化酶的表达，抑制丙二醛水平和p16表达，缓解脑衰老。
抗菌活性
抗菌活性一直是海洋软体动物贝壳研究的热点。天然状态下的贝壳、煅烧贝壳及其有机基质提取物均显示出不同程度的抗菌和抗真菌活性，其效果受菌株、贝壳类型、提取溶剂和热处理温度等因素影响。其中，煅烧贝壳的抗菌活性最强，显示出广谱的抗菌活性。其高抗菌活性可能与其主要成分氧化钙有关，它能创造高碱性环境，破坏细菌细胞壁，导致微生物死亡。
抗骨质疏松活性
近年来，海洋软体动物贝壳在预防和治疗骨质疏松症方面的潜在作用引起了相当多的关注。研究表明，海洋软体动物贝壳通过刺激骨形成和抑制骨吸收来发挥抗骨质疏松特性。从太平洋牡蛎壳中提取的水溶性基质蛋白在体外和体内均显示出显著功效，能促进成骨细胞的增殖、分化和矿化，同时抑制破骨细胞的吸收活性。从珍珠贝壳中分离的活性蛋白N16对成骨细胞和破骨细胞具有双重调节作用。将珍珠贝壳作为膳食钙补充剂，可通过纠正骨转换失衡来减轻卵巢切除大鼠的雌激素缺乏性骨丢失。同样，在糖皮质激素诱导的骨质疏松小鼠模型中补充煅烧牡蛎壳粉可预防骨矿物质丢失，改善骨密度和小梁骨微结构。
抗高血压活性
高血压是一种以动脉血压持续升高为特征的慢性病。海洋软体动物贝壳通过多种调节途径显示出良好的抗高血压作用。对肝阳上亢型高血压大鼠模型给予牡蛎壳、鲍鱼壳和蚶壳的水提取物后，其收缩压显著下降，血浆中去甲肾上腺素、肾上腺素、血管紧张素II和醛固酮水平降低，而血浆一氧化氮水平升高。其潜在机制可能涉及调节儿茶酚胺水平、阻断肾素-血管紧张素-醛固酮系统以及抑制血管重塑。体外研究表明，珍珠贝壳水解蛋白和鲍鱼壳水提取物对血管紧张素转换酶（ACE）均有显著的抑制作用。鲍鱼壳水提取物还可能通过调节钙离子通道来降低血压。
抗炎和免疫调节特性
炎症反应和免疫功能障碍是许多疾病发生的关键因素。研究表明，牡蛎壳水提取物在脂多糖刺激的RAW 264.7细胞中发挥显著的抗炎作用，且不诱导细胞毒性。该提取物可抑制白细胞介素-1β、白细胞介素-6、肿瘤坏死因子-α等促炎细胞因子的产生，以及一氧化氮、核因子κB、诱导型一氧化氮合酶、环氧化酶-2等炎症介质的表达。蚶壳蛋白质WLZP-1和WLZP-2能显著促进RAW 264.7细胞产生一氧化氮，显示出强大的免疫增强活性。
抗癌活性
海洋软体动物贝壳在体外和体内均表现出显著的抗癌和抗肿瘤特性。体外实验表明，牡蛎壳的甲醇提取物对多种肿瘤细胞系具有广谱的抑制作用。体内实验表明，牡蛎壳粉和牡蛎壳钙能通过抑制口腔鳞状细胞癌的形成和增殖，促进口腔上皮细胞分化，来预防口腔癌的发展。
伤口愈合特性
伤口愈合是一个连续复杂的修复过程。研究表明，软体动物贝壳通过止血、上皮修复、抗炎和抗菌等机制直接或间接地对伤口愈合产生积极作用。鲍鱼壳溶液能刺激巨噬细胞增殖，同时通过下调诱导型一氧化氮合酶表达抑制脂多糖引起的炎症，促进烧伤大鼠的伤口愈合。珍珠贝壳水溶性成分通过促进血管生成来促进伤口愈合。乌贼骨具有止血和抗炎作用，其水提取物能缩短小鼠血浆中的凝血酶原时间和活化部分凝血活酶时间。
胃肠道保护特性
胃肠道黏膜覆盖整个胃肠道，起着至关重要的生理作用。研究表明，海洋软体动物贝壳及其衍生物在维持胃肠道黏膜完整性、减少炎症和减轻胃肠道损伤方面表现出保护作用。贝壳水提取物和煅烧贝壳对无水乙醇和非甾体抗炎药诱导的大鼠胃溃疡模型具有显著的保护作用。乌贼骨多糖CPS-1可改善葡聚糖硫酸钠诱导的小鼠肠道黏膜溃疡，加速溃疡组织的愈合和修复。
保肝特性
海洋软体动物贝壳显示出显著的保肝特性，在保护肝功能和预防肝损伤方面起着至关重要的作用。牡蛎壳乙醇提取物通过抑制丝氨酸棕榈酰转移酶亚基Sptlc1和Sptlc2，进而下调乙酰辅酶A羧化酶、脂肪酸合酶、硬脂酰辅酶A去饱和酶-1、二酰基甘油酰基转移酶2等关键脂肪生成基因的表达，从而降低甘油三酯水平。鲍鱼壳水提取物和乌贼骨来源的壳聚糖在四氯化碳诱导的急性肝损伤模型中均表现出强大的肝脏保护作用。
神经保护活性
在海洋软体动物贝壳中，珍珠贝壳显示出显著的神经保护作用，包括恢复记忆损伤、缓解抑郁和焦虑以及镇静催眠特性。珍珠贝壳提取物可通过增强核因子E2相关因子2的表达，来恢复脂多糖降低的5-羟色胺1A受体表达和升高的5-羟色胺2A受体表达，并恢复脑源性神经营养因子的表达水平。从珍珠贝壳中分离的硫酸化多糖主要通过减少氧化应激和抑制白细胞介素-1β、白细胞介素-6、肿瘤坏死因子-α等促炎细胞因子的过表达，同时促进脑源性神经营养因子和神经生长因子的表达，来逆转东莨菪碱诱导的小鼠记忆障碍。珍珠贝壳粉、水溶性蛋白和贝壳硬蛋白则通过下调5-羟色胺3表达和上调脑组织中γ-氨基丁酸水平来发挥镇静催眠作用。
海洋软体动物贝壳的应用
海洋软体动物贝壳及其衍生物因其独特的结构和具有健康促进作用的生物活性化合物，被视为有前途的可持续资源。目前，贝壳正被应用于动物饲料、食品加工、食品保鲜、钙补充剂以及组织工程和药物递送系统等多个领域。
饲料与水产饲料
海洋软体动物贝壳作为功能性饲料添加剂具有巨大潜力。在饲料中添加贝壳粉可满足螯虾生长所需的钙，增加外骨骼钙含量，确保外壳硬化，促进蜕皮，提高存活率。将扇贝壳加工成活性磷酸二钙添加到肉鸡饲料中，可有效促进营养吸收，改善肠道发育和微生物环境。在蛋鸡饲料中添加贝壳粉可提高产蛋量和蛋重，增强蛋壳强度。
食品加工
研究表明，海洋软体动物贝壳及其衍生物在泡菜发酵过程和植物油精炼中发挥着重要作用。牡蛎壳钙提取物可抑制发酵过程中过多酸性物质的形成，防止过度酸化，同时保持乳酸菌的活性和泡菜的天然风味。贝壳煅烧产生的氧化钙可作为有效的中和剂用于葵花籽油，去除约61%的游离酸，显著降低油的酸度。贝壳粉的多孔结构和表面化学性质使其能有效吸附色素和杂质，在葵花籽油脱色过程中表现出色。
食品保鲜
食品腐败和病原微生物生长是导致食品变质和食源性疾病的主要原因。海洋软体动物贝壳作为一种天然材料，通过抑制微生物生长、预防食源性疾病、延长保质期和确保食品安全，在食品保鲜方面展现出广阔前景。煅烧扇贝壳粉可作为有效的抗菌替代品，通过浸渍法彻底覆盖蔬菜和肉类。山梨糖醇包被的煅烧扇贝壳粉增强了吸湿性，同时不损害其抗菌功效。此外，贝壳粉可掺入聚合物基质中开发食品包装材料。
钙补充剂
钙对人体健康至关重要。海洋软体动物贝壳来源的钙具有高安全性和生物利用度，可作为天然有机钙源，是开发钙补充剂的有前途的候选者。贝壳可通过高温煅烧、置换、沉淀和水系合成等方法加工成柠檬酸钙、乳酸钙和氨基酸螯合钙等有机钙化合物。这些有机钙化合物表现出多种微观形态，含有铁、锌、铜等对人体健康至关重要的微量元素，并具有高溶解度和生物活性。
组织工程
组织工程是再生医学的关键分支。由于其优异的机械性能和生物相容性，海洋软体动物贝壳作为天然生物材料受到关注，特别是在骨、口腔和皮肤组织工程应用中。在骨组织工程中，将鲍鱼壳与硫酸钙结合可制成可注射骨水泥，用于重建不规则骨缺损。将鲍鱼壳粉通过3D打印技术掺入聚己内酯中制成的复合支架具有良好的机械稳定性和生物相容性。由牡蛎壳和α-半水硫酸钙组成的支架与富血小板血浆和骨髓间充质干细胞结合，可显著改善临界尺寸颅骨缺损的愈合。在口腔组织工程中，鲍鱼壳衍生的碳酸钙显示出作为修复性牙本质-牙髓材料的潜力。珍珠贝壳/聚氨酯/多面体低聚倍半硅氧烷复合材料可用于创建用于牙槽嵴保存的3D多孔支架。在皮肤组织工程中，乌贼骨衍生的羟基磷灰石与还原氧化石墨烯结合并掺入卡拉胶生物聚合物基质中形成的膜，在斑马鱼烧伤模型中显示出抗菌、抗炎和优异的伤口愈合特性。
药物递送
海洋软体动物贝壳具有天然的多孔结构。通过粉碎和煅烧等过程，可以修饰这些孔以创建具有增强吸附性能的功能结构，使其非常适合药物递送系统。超细粉碎显著增加了牡蛎壳的表面积和孔隙率，与羧甲基纤维素钠作为复合药物载体，可开发阿司匹林胃内漂浮片，有效减少“突释效应”，延长胃滞留时间。超细牡蛎壳粉可用可溶性淀粉改性，与维生素C和维生素E形成抗氧化包合物，显示出稳定、缓释的效果。此外，基于贝壳的载体可以控制药物释放并延长其在酸性肿瘤微环境中的持续时间。
贝壳的安全性
确保海洋软体动物贝壳在食品、营养品和医药应用中的安全性，需要对潜在污染物——特别是重金属和微塑料——进行综合控制。
重金属
砷、镉、铅、铬和铜等重金属是常见的水生污染物，具有肾毒性、肝毒性、神经毒性以及对心血管和免疫系统的不利影响。生活在水生环境中的软体动物倾向于在其软组织和贝壳中积累这些金属。贝壳中重金属的存在会损害贝壳衍生材料的安全性和有效性，并对人类健康构成潜在风险。因此，监测和控制海洋软体动物贝壳中的重金属水平对于确保其安全利用至关重要。对野生或养殖软体动物来源栖息地水质的定期监测是安全控制的第一道防线。电感耦合等离子体质谱和电感耦合等离子体原子发射光谱是最常用和可靠的方法。激光诱导击穿光谱和X射线荧光光谱等新兴方法进一步增强了快速无损检测的能力。除了监测，某些加工技术——如热处理和煅烧——可以减轻一些重金属负担，同时增加主要矿物质成分的比例，从而提高贝壳的安全性。
微塑料
微塑料已成为海洋生物中的一类主要污染物，滤食性软体动物是最容易摄入微塑料的物种之一。研究表明，微塑料在生物组织内的积累在很大程度上是不可逆的，人类接触可能对生长、发育和代谢功能产生不利影响。目前，微塑料的可靠检测和有效清除在技术上仍然具有挑战性。最可行的方法是上游减缓。实用策略包括：源控制——优先从经过认证的清洁水养殖区获取贝壳，并优先选择养殖而非野生软体动物以减少环境暴露；水处理过程中加强去除——应用天然有机絮凝剂如壳聚糖来增强传统混凝剂（如聚合氯化铝）的效果，这已被证明可显著提高微塑料去除效率；使用基于傅里叶变换红外光谱或拉曼光谱的微塑料识别技术进行常规环境监测，以确保对水产养殖和捕捞环境的持续监测。
结论
总之，海洋软体动物贝壳代表了一种储量丰富但尚未充分利用的生物材料资源，具有巨大的增值应用潜力。其独特的层级结构和多样的生物活性成分——包括矿物质、蛋白质和几丁质——构成了多功能应用的天然基础。提取和加工技术的快速进展扩大了可回收功能成分的范围，使其在食品科学和生物医学领域的探索成为可能。越来越多的证据进一步表明，贝壳衍生材料具有广泛的生物活性，如抗氧化、抗菌、抗骨质疏松、抗高血压、抗炎、免疫调节和抗肿瘤特性，凸显了其在功能性食品和健康促进产品中的应用前景。然而，对重金属积累、微塑料污染和物种依赖性成分变异性的担忧凸显了进行严格安全评估和标准化加工框架以支持工业级转化的必要性。
尽管本文综述的研究展示了海洋软体动物贝壳的优势，但一些局限性反映了全球贝壳研究的现状。包括物种覆盖范围有限和研究证据分布不均、研究产出的地理和学科不平衡、回收技术的工业瓶颈、毒理学和安全评估不足以及转化和临床证据有限。为了充分发挥其治疗潜力，迫切需要开展关于
