DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-87786-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39979364
تاريخ النشر: 2025-02-20
المؤلف: Taner Kalaycı وآخرون
الموضوع الرئيسي: جودة اللحوم ومنتجات الحيوانات
نظرة عامة
تستكشف ورقة البحث التطبيقات المحتملة لأنواع قشور البيض المختلفة ككتلة حيوية، مع التأكيد على أهمية الاستدامة البيئية والحفاظ على الموارد. تصف الدراسة خمسة أنواع من قشور البيض—Coturnix Coturnix Japonica، Anser Anser، Denizli Hen، Alectoris Chukar، وStruthio Camelus—باستخدام تقنيات تحليلية متقدمة مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، مجهر القوة الذرية (AFM)، مجهر الإلكترون الماسح (SEM)، تألق الأشعة السينية (XRF)، والتحليل الحراري الوزني (TGA). تشير النتائج إلى أنه يجب الحفاظ على درجات حرارة الكلسنة لجميع أنواع قشور البيض بين 800-900 °م، مما يؤدي إلى تحويل كربونات الكالسيوم (CaCO₃) إلى أكسيد الكالسيوم (CaO)، كما يتضح من اختفاء القمم المميزة في تحليلات XRD وFTIR.
تكشف النتائج عن اختلافات كبيرة في الشكل والتركيب بين أنواع قشور البيض. على سبيل المثال، تختلف خشونة سطح قشرة البيض حسب الحجم، ويزداد محتوى CaO بعد الكلسنة، مما يجعل هذه المواد مناسبة للتطبيقات الزراعية كمكملات الكالسيوم. تبرز الدراسة أيضًا أن قشور بيض السمان تظهر قوة فائقة ونسبة أعلى من المكونات الثانوية، مما يشير إلى إمكانياتها في التطبيقات السنية والسيراميك. من ناحية أخرى، قد تكون قشور بيض النعام، على الرغم من كونها أقل ملاءمة للتطبيقات المعتمدة على القوة، مفيدة في العناصر الزخرفية والتطبيقات غير الهيكلية. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على التطبيقات المتنوعة لقشور البيض بناءً على خصائصها الهيكلية والتركيبية الفريدة، داعية إلى استخدامها في مختلف الصناعات لتعزيز الاستدامة.
طرق
في هذه الدراسة، تم توصيف أنواع مختلفة من قشور البيض من خلال سلسلة من الإجراءات التجريبية، بما في ذلك التنظيف، والفصل عن الأغشية، والكلسنة. تم الحصول على قشور البيض من أنواع مختلفة (Coturnix Coturnix Japonica، Anser Anser، Denizli Hen، Alectoris Chukar، وStruthio Camelus)، ومرت بعملية تنظيف شاملة تشمل الغليان والمعالجة بالموجات فوق الصوتية لإزالة الملوثات قبل تجفيفها. تضمنت تقنيات التوصيف المستخدمة حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، مجهر القوة الذرية (AFM)، مجهر الإلكترون الماسح (SEM)، تألق الأشعة السينية (XRF)، والتحليل الحراري الوزني (TGA).
تم إجراء تحليل XRD باستخدام جهاز Malvern Panalytical Empyrean، حيث تم مسح أنماط الحيود لعينات مسحوقة في نطاق 10-80°. تم الحصول على أطياف FTIR باستخدام جهاز Perkin Elmer Spectrum 100، مع تغطية نطاق عدد الموجات 4000-380 سم⁻¹. تم إجراء تصوير SEM على عينات مطلية بالبلاتين عند جهد تشغيل قدره 10 كيلوفولت، بينما تم التقاط صور AFM في وضع عدم الاتصال. بعد الكلسنة عند 900 °م لمدة ساعتين، تم تكرار التحليلات لأشكال قشور البيض الكلسنة، التي تم تعيينها كـ C-CCJ، C-AC، C-DH، C-AA، وC-SC. كانت هذه التوصيف الشامل تهدف إلى توضيح الخصائص الهيكلية لكل من قشور البيض غير الكلسنة والكلسنة.
نتائج
تكشف نتائج هذه الدراسة عن اكتشافات هامة تتعلق بالتكوين والتغيرات الهيكلية لأنواع قشور البيض المختلفة عند الكلسنة. أشار تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) إلى أن جميع قشور البيض تتكون أساسًا من الكالسيت (CaCO₃)، مع وجود قمة مميزة عند 29.5° لوحظت قبل الكلسنة. بعد الكلسنة، كانت هذه القمة غائبة، مما يؤكد تحول CaCO₃ إلى أكسيد الكالسيوم (CaO)، كما يتضح من القمم الجديدة عند 68.5°، 79.7°، و88.7°. دعمت نتائج مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) هذه الاكتشافات، حيث أظهرت نطاقات اهتزازية مميزة مرتبطة بـ CaCO₃ التي تضاءلت بعد الكلسنة، مما يشير إلى التحويل إلى CaO.
حدد تحليل تألق الأشعة السينية (XRF) التركيب العنصري، كاشفًا أن محتوى CaO في قشور البيض الكلسنة كان حوالي 97-98%، باستثناء قشور بيض السمان. كما تم الكشف عن عناصر ثانوية مثل P، Mg، S، Na، وSr. اقترح التحليل الحراري الوزني (TGA) أن درجات حرارة الكلسنة المثلى لجميع أنواع قشور البيض تتراوح بين 800-900°م. تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام قشور البيض الكلسنة كمصدر للكالسيوم لتطبيقات مثل تخليق هيدروكسيباتيت وإنتاج الوقود الحيوي، مما يبرز فائدتها في عمليات صناعية متنوعة.
نقاش
يوفر قسم النقاش في ورقة البحث تحليلًا شاملاً لتكوين وخصائص قشور البيض عبر أنواع الطيور المختلفة، مع التركيز على التركيب المعدني، والشكل الهيكلي، والتطبيقات المحتملة. يبرز أن كربونات الكالسيوم (CaCO₃) في قشور البيض تُخزن أساسًا عبر مجرى الدم وتظهر أشكالًا هيكلية مميزة، مثل الأراجونيت والكالسيت، التي تؤثر على الخصائص الفيزيائية لقشرة البيض. تستخدم الدراسة تقنيات تصوير متقدمة، بما في ذلك مجهر القوة الذرية (AFM) ومجهر الإلكترون الماسح (SEM)، لتوضيح الاختلافات الشكلية بين قشور البيض، كاشفة أن حجم المسام وتوزيعها مرتبطان ارتباطًا وثيقًا بسماكة وهيكل قشور البيض بشكل عام. من الجدير بالذكر أن البحث يحدد أن أصغر قطر للمسام يوجد في قشرة البيض CCJ، بينما تظهر قشرة البيض SC أكبرها، مما يشير إلى تداعيات لعمليات الامتصاص.
علاوة على ذلك، يناقش البحث العلاقة بين سماكة قشرة البيض وحجم البيضة، مؤكدًا أن القشور الأكثر سمكًا تتوافق مع البيض الأكبر. تشير النتائج إلى أن خشونة وخصائص قشور البيض الهيكلية تختلف بشكل كبير عبر الأنواع، مما قد يؤثر على ملاءمتها لتطبيقات مختلفة، مثل الزراعة، والسيراميك، ومستحضرات التجميل. تختتم الدراسة بأن عملية الكلسنة تعزز محتوى أكسيد الكالسيوم (CaO) في قشور البيض، مما يجعلها أكثر فائدة للتطبيقات التي تتطلب قوة ومتانة أعلى. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على إمكانية استخدام قشور البيض، وخاصة من أنواع السمان والنعام، في تطبيقات صناعية متنوعة بناءً على خصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-87786-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39979364
Publication Date: 2025-02-20
Author(s): Taner Kalaycı et al.
Primary Topic: Meat and Animal Product Quality
Overview
The research paper investigates the potential applications of various eggshell species as biomass, emphasizing the importance of environmental sustainability and resource conservation. The study characterizes five types of eggshells—Coturnix Coturnix Japonica, Anser Anser, Denizli Hen, Alectoris Chukar, and Struthio Camelus—using advanced analytical techniques such as X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM), X-ray fluorescence (XRF), and thermogravimetric analysis (TGA). The findings indicate that calcination temperatures for all eggshell types should be maintained between 800-900 °C, resulting in the conversion of calcium carbonate (CaCO₃) to calcium oxide (CaO), as evidenced by the disappearance of characteristic peaks in the XRD and FTIR analyses.
The results reveal significant morphological and compositional differences among the eggshell species. For instance, the roughness of the eggshell surface varies with size, and the CaO content increases post-calcination, making these materials suitable for agricultural applications as calcium supplements. The study also highlights that quail eggshells exhibit superior strength and a higher percentage of minor components, suggesting their potential in dental applications and ceramics. Conversely, ostrich eggshells, while less suitable for strength-dependent applications, may find use in decorative items and non-structural applications. Overall, the research underscores the diverse applications of eggshells based on their unique structural and compositional characteristics, advocating for their utilization in various industries to promote sustainability.
Methods
In this study, various types of eggshells were characterized through a series of experimental procedures, including cleaning, separation from membranes, and calcination. The eggshells, sourced from different species (Coturnix Coturnix Japonica, Anser Anser, Denizli Hen, Alectoris Chukar, and Struthio Camelus), underwent a thorough cleaning process involving boiling and ultrasonic treatment to remove contaminants before being dried. Characterization techniques employed included X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Fluorescence (XRF), and Thermogravimetric Analysis (TGA).
The XRD analysis was conducted using a Malvern Panalytical Empyrean device, scanning the diffraction patterns of powdered samples in the 10-80° range. FTIR spectra were obtained using a Perkin Elmer Spectrum 100 device, covering the 4000-380 cm⁻¹ wavenumber range. SEM imaging was performed on platinum-coated samples at an operating voltage of 10 kV, while AFM images were captured in non-contact mode. After calcination at 900 °C for 2 hours, the analyses were repeated for the calcined forms of the eggshells, designated as C-CCJ, C-AC, C-DH, C-AA, and C-SC. This comprehensive characterization aimed to elucidate the structural properties of both non-calcined and calcined eggshells.
Results
The results of this study reveal significant findings regarding the composition and structural changes of various eggshells upon calcination. X-ray diffractometry (XRD) analysis indicated that all eggshells primarily consist of calcite (CaCO₃), with a characteristic peak at 29.5° observed before calcination. Post-calcination, this peak was absent, confirming the transformation of CaCO₃ to calcium oxide (CaO), evidenced by new peaks at 68.5°, 79.7°, and 88.7°. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) results supported these findings, showing characteristic vibration bands associated with CaCO₃ that diminished after calcination, indicating the conversion to CaO.
X-ray fluorescence (XRF) analysis quantified the elemental composition, revealing that the CaO content in the calcined eggshells was approximately 97-98%, except for quail eggshells. Minor elements such as P, Mg, S, Na, and Sr were also detected. Thermogravimetric analysis (TGA) suggested that optimal calcination temperatures for all eggshell types range between 800-900°C. These findings underscore the potential of calcined eggshells as a calcium source for applications such as hydroxyapatite synthesis and biodiesel production, highlighting their utility in various industrial processes.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive analysis of the formation and characteristics of eggshells across various bird species, focusing on the mineral composition, structural morphology, and potential applications. It highlights that calcium carbonate (CaCO₃) in eggshells is primarily stored via the bloodstream and exhibits distinct structural forms, such as aragonite and calcite, which influence the eggshell’s physical properties. The study employs advanced imaging techniques, including Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electron Microscopy (SEM), to elucidate the morphological differences among eggshells, revealing that pore size and distribution are closely related to the thickness and overall structure of the eggshells. Notably, the research identifies that the smallest pore diameter is found in the CCJ eggshell, while the SC eggshell exhibits the largest, suggesting implications for adsorption processes.
Furthermore, the paper discusses the relationship between eggshell thickness and egg size, confirming that thicker shells correspond to larger eggs. The findings indicate that the roughness and structural characteristics of the eggshells vary significantly across species, which may influence their suitability for various applications, such as in agriculture, ceramics, and cosmetics. The study concludes that the calcination process enhances the calcium oxide (CaO) content in eggshells, making them more advantageous for applications requiring higher strength and durability. Overall, the research underscores the potential of utilizing eggshells, particularly from quail and ostrich species, in diverse industrial applications based on their unique physical and chemical properties.