将鱼骨升级转化为新型工程颗粒稳定剂，用于鱼油基Pickering乳液：一种实现资源回收的双重价值化方法

《ACS Sustainable Resource Management》：Upcycling Fish Bone into Novel Engineered Particle Stabilizers for Fish Oil-Based Pickering Emulsions: A Dual-Valorization Approach for Resource Recovery

【字体：大中小】 时间：2026年05月05日 来源：ACS Sustainable Resource Management

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　　高分辨率图像下载 MS PowerPoint 幻灯片有效回收鱼类加工副产品作为新的高价值资源对于促进循环经济具有重要意义。本研究提出了一种资源循环策略，通过使用自上而下的方法将球磨处理的鱼骨颗粒（FBPs）作为Pickering稳定剂，来双重利用鱼骨和鱼油，从而创建稳定的基

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有效回收鱼类加工副产品作为新的高价值资源对于促进循环经济具有重要意义。本研究提出了一种资源循环策略，通过使用自上而下的方法将球磨处理的鱼骨颗粒（FBPs）作为Pickering稳定剂，来双重利用鱼骨和鱼油，从而创建稳定的基于鱼油的乳液，并进一步改善乳化鱼糜凝胶（ESGs）固有的不稳定性，增强其质量。结果表明，将球磨时间从5分钟延长到60分钟后，FBPs的平均粒径显著降低至219.7纳米，同时其ζ电位的绝对值也有所增加。光谱分析证实FBPs由天然羟基磷灰石-胶原蛋白复合材料组成，长时间球磨使矿物-有机矩阵解体。此外，球磨处理的FBPs可作为工程颗粒用于稳定基于鱼油的Pickering乳液，乳液的稳定性受颗粒浓度和油水比例的影响。在颗粒浓度为3.0 wt%且油水比例为0.6的情况下，球磨20分钟和30分钟的FBPs（FBPs-20和FBPs-30）在油水界面表现出更强的吸附能力，形成了围绕乳液滴的致密微观结构。这种界面结构限制了水分/鱼油的迁移，并展现出独特的粘弹性能。最后，含有6 wt% FBPs-30的乳液改善了ESGs的质地特性，展示了其作为功能性添加剂的潜力。因此，这些发现为基于鱼类的副产品提供了多功能利用策略，为可持续食品生产中的关键资源循环封闭提供了切实可行的路径。

1. 引言
全球渔业和水产养殖业的蓬勃发展在解决粮食安全、减缓贫困和实现可持续治理方面发挥了重要作用，根据《世界渔业和水产养殖状况报告》（SOFIA）的数据，2022年的全球总产量达到了2.232亿吨（比2020年增长了4.4%）。（1）此外，水产品对于促进全球健康饮食和营养也至关重要，它们提供高质量的蛋白质（占全球动物蛋白的15%和总蛋白的6%），以及包括Omega-3脂肪酸、矿物质和维生素在内的关键微量营养素。（2）然而，随着业界的快速发展也带来了严峻的挑战，比如如何有效利用副产品。据报道，鱼头、鱼骨、鱼油、鱼皮和内脏等废弃物占整条鱼的30%-70%，具体比例取决于鱼的体型、种类和加工方式，这些废弃物传统上被低值利用（如生产鱼粉）或直接丢弃，导致大量经济损失并加剧环境负担。（3,4）因此，如何开发创新的加工技术和管理策略以实现这些副产品的可持续增值是推动产业绿色转型和高质量发展的重要部分。

鉴于鱼类副产品难以得到合理利用的挑战，研究人员探索了营养物质的回收和转化方法，旨在制造附加值产品。例如，通过膜过滤和等电溶解/沉淀技术从加工副流中回收浓缩鱼蛋白（包括抗冻蛋白），并进一步应用于其他领域。（5,6）其他富含蛋白质的原料也被转化为具有特定功能（如抗菌和抗高血压）的高价值生物活性肽，或用于分离内源性酶。（7,8）酸辅助和酶辅助提取技术对于从鱼皮和鱼骨中提取结构生物分子（如海洋胶原蛋白）至关重要。（9,10）此外，还利用上述技术提取了复杂的海洋多糖，如透明质酸和硫酸软骨素。（11-13）此外，先进的绿色技术（如超临界流体提取、超声波辅助提取和脉冲电场）有助于从三文鱼和鳟鱼中提取不稳定的天然色素。（14,15）总体而言，这些针对性策略将低价值生物质转化为功能性成分，体现了循环生物经济的理念。

作为具有功能性界面的超稳定乳液的模型，由各种固体颗粒（特别是生物相容性和可食用颗粒）稳定的Pickering乳液在食品、化妆品、生物医学、多孔材料、催化和分离、油提取等领域受到了广泛关注。（16-18）其稳定机制主要归因于颗粒在两相界面上的不可逆吸附、空间位阻效应以及形成的物理屏障。（19）动物和植物蛋白、多糖、细菌纤维素、花粉颗粒、微凝胶、木质素颗粒、蜂蜡等被广泛用于制备水包油和油包水乳液及泡沫，以生产更安全的食品。（20）众所周知，鱼骨主要由70%的羟基磷灰石（磷酸钙）和20%-30%的胶原蛋白组成，它们不仅是钙和磷的天然来源，可作为饼干和鱼香肠等食品中的蛋白质补充剂，还可以作为固体颗粒来稳定乳液。（21）从富含Omega-3多不饱和脂肪酸的内脏等鱼副产品中提取的鱼油在营养补充剂中发挥着重要作用。因此，可以合理假设使用FBPs作为固体颗粒、鱼油作为油相来制备多功能Pickering乳液。然而，工程化FBPs的特性与其新形成的鱼油乳液的稳定性之间的内在关系仍不明确。

本研究首先通过球磨处理鱼骨，系统地表征了其物理化学性质（包括粒径、形态和结构）。随后，研究了颗粒浓度和油水比例对乳液形成的影响。最后，阐明了优化乳液的微观结构、流变行为等，以建立结构-性质关系。为了构建鱼类资源的循环利用模型，利用鱼骨稳定的Pickering乳液来减轻单独添加鱼油对乳化鱼糜凝胶（ESGs）的负面影响。本研究旨在通过开发一种基于鱼骨和油的新型乳液系统，展示一种有前景的渔业副产品增值策略。这种方法不仅为废弃物提供了高价值的应用途径，还有助于实现更加资源高效和可持续的渔业发展，带来显著的经济和环境效益。

2. 材料与方法
2.1. 材料
鲑鱼片购自最大的养殖鲑鱼公司供应商（Mowi Markets Norway AS，挪威卑尔根），随后进行酶解处理（中性蛋白酶，50,000 U/g，Solarbio Lifesciences，底物含量3 wt%），脱脂，高压蒸煮（121°C，0.1 MPa，20分钟），然后干燥（85°C，4小时），在实验室中获得原始粗鱼骨。鲤鱼油（酸值<1.5 mg KOH/g，过氧化物值<5 meq）

2.2. 工程化鱼骨颗粒的制备
FBPs采用球磨纳米制备方法（型号XH-XQM-2L，Miqi Instrument Equipment Co., Ltd.，中国长沙）制备，如图1a所示。纳米加工参数如下：旋转速度1000 rpm，球磨时间分别为5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟、40分钟和60分钟，分别标记为FBPs-5、FBPs-10、FBPs-20、FBPs-30、FBPs-40和FBPs-60。

2.3. 鱼骨颗粒的表征
2.3.1. 粒径和ζ电位
使用Zetasizer Nano ZS设备（Malvern Instruments Ltd.，英国伍斯特郡）测定FBPs的粒径和ζ电位。测量前，鱼骨颗粒悬浮液用模型1500F超声波仪器（500 W，工作时间3.5秒，休息时间4秒，Scientz Biotechnology Co., Ltd.，宁波）处理以实现均匀分散，然后用超纯水稀释100倍。所有测量均在25°C下重复三次进行。

2.3.2. 显微形态
使用电子显微镜（型号S4800，Hitachi Hi-Tech Co., Ltd.，日本）观察FBPs的微观形态。干燥后的颗粒被贴载在样品板上，镀金后，在10 kV的加速电压下成像。

2.3.3. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
使用FTIR光谱仪（型号IR Tracer-100，Shimadzu，日本）识别不同球磨处理的FBPs的功能基团。样品采用KBr颗粒法制备。FTIR光谱在4000?400 cm?1的波数范围内以透射模式记录，分辨率设为4 cm?1，累积扫描32次。

2.3.4. X射线衍射（XRD）
使用Ultima IV XRD（Rigaku，日本）和Cu Kα辐射，测定不同球磨时间处理的FBPs的晶体结构。扫描范围从0到70°（2θ），步长为0.1°。

2.3.5. X射线光电子光谱（XPS）
使用AXIS Supra+ XPS光谱仪（配备单色Al Kα X射线源，hν = 1486.6 eV，Shimadzu，日本）分析FBPs的表面元素组成和化学状态。（23）光电子的发射角（出射角）为90°，分析区域为300 μm × 700 μm。分析在低于1.5 × 10?9 Torr的超高真空室内进行，结合能范围为0?1400 eV，用于分析Ca 2p、P 2p和O 1s区域，通能设为50 eV。

2.4. Pickering乳液的制备与表征
2.4.1. FBP稳定的基于鱼油的Pickering乳液的制备
制备了一系列不同油体积分数（? = 0.2?0.8）和FBPs浓度（0.5?4.0 % wt）的Pickering乳液。首先将FBPs以不同浓度分散在超纯水中，并对悬浮液进行超声波处理（500 W，工作时间3.5秒，休息时间4秒）。然后，将鱼油与上述悬浮液混合，并使用IKA T 25均质器（IKA Works, Inc.，美国北卡罗来纳州威尔明顿）以19,000 rpm的速度均质化2分钟。为了研究不同油体积分数和FBPs浓度对FBP基O/W Pickering乳液稳定性的影响，记录了这些样品在4 °C下储存14天的乳化相体积分数（EPVF）和稳定性指数（SI）。

2.4.2. Pickering乳液的微观结构
2.4.2.1. 共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）
使用SP8 CLSM（Leica Microsystems，德国Nussloch）揭示FBPs在油水（O/W）界面上的分布。分别使用尼罗红（1 mg/mL）和尼罗蓝（1 mg/mL）作为油相和水相的染色剂，在488 nm和633 nm的激发波长下获取单通道和双通道图像。

2.4.2.2. 冰冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）
使用Cryo-SEM（型号SU8010，Hitachi High-Technologies Co., Tokyo，日本）观察乳液滴的原位微观结构，如先前研究所报道。（24）

2.4.3. 水油界面张力
使用OCA15EC光学接触角测量仪（Data Physics Instruments GmbH，德国）研究不同球磨时间处理的FBPs在水油界面上的界面张力动态变化。将FBPs水滴（10 μL）注入装有纯化鱼油的石英比色皿中，然后通过Young-Laplace方程计算界面张力。

2.4.4. Pickering乳液的流变性质
使用DHR-1旋转流变仪（TA Instruments，美国新卡斯尔）对乳液进行稳态剪切扫描，记录了0.1至100 s?1范围内的粘度。频率扫描范围为0.1至10 Hz，以分析储能模量（G′）和损耗模量（G″）在线性粘弹性范围内（LVR）。

2.4.5. Pickering乳液的低场核磁共振（LF-NMR）
使用LF-NMR分析仪（MicroMR，Niumag Co., 苏州，中国）根据Liu等人的方法（2021）可视化FBP稳定Pickering乳液的水油分布。（24）通过Carre-Purcelle-Meiboome-Gill（CPMG）序列反转比较T2弛豫时间图像。

2.5. FBP稳定的基于鱼油的Pickering乳液在乳化鱼糜凝胶中的应用
2.5.1.乳化鱼糜凝胶（ESGs）的制备经过多步骤过程：（1）解冻的鱼糜块使用食品研磨机研磨3分钟，然后加入2.5 wt%的盐继续研磨3分钟；（2）将6.0 wt%的鱼油和适量的FBPs（颗粒含量与6 wt%的皮克林乳液中的含量一致）加入鱼糜混合物中，并加入预冷却的水，以达到75 wt%的总水分含量；（3）将整个混合物再次研磨3分钟，生成乳化鱼糜溶胶，随后进行两段加热处理（40°C/30分钟，90°C/30分钟），形成ESGs。这一制备过程构成了单一鱼油和FBP对照组（Con组）。对于实验组，在步骤（2）中加入不同浓度的FBPs-30稳定的鱼油皮克林乳液，浓度分别为3%、6%、9%和12%。含有0%、3%、6%、9%和12% FBPs-30的皮克林样品分别被命名为对照组（Con）、FBPs-30-G3、FBPs-30-G6、FBPs-30-G9和FBPs-30-G12组。

2.5.2. 乳化鱼糜凝胶的凝胶强度、质地和持水能力
通过质地分析仪（model TA-XT Plus，Stable Micro Systems Ltd., Surrey, UK）检测了含有和不含皮克林乳液的ESGs的凝胶强度、硬度、胶稠度和咀嚼性。凝胶强度和质地（硬度、胶稠度和咀嚼性）分别使用P/5s球形探针和P/50圆柱形探针进行测量。ESGs的持水能力（WHC）根据离心法进行测定。WHC通过离心前后ESGs的重量比来确定。

2.6. 统计分析
每项FBPs及其乳液特性的实验至少进行了三次。实验数据以平均值±标准差表示，使用SPSS软件版本21.0（Chicago, USA）通过单因素ANOVA确定平均值之间的显著差异（p < 0.05）。

3. 结果与讨论
3.1. 鱼骨颗粒的物理化学和结构变化
本研究设计了一种新的方法，实现鱼骨和鱼脂肪的集成、单步增值。该方法使用机械球磨的FBPs来稳定基于鱼油的皮克林乳液。FBPs的外观如图1b所示。然而，这一概念的可行性从根本上取决于FBPs的物理化学和结构特性。因此，对FBPs的相关特性进行了全面比较和分析，包括颗粒大小、ζ电位、微观形态和界面活性，以验证它们作为固体颗粒稳定皮克林乳液的有效性。最终，将FBPs稳定的基于鱼油的皮克林乳液作为ESGs的功能成分的实际应用，证明了可行的鱼到鱼循环经济框架的概念。

3.1.1. 颗粒大小和ζ电位的变化
FBPs的颗粒大小和ζ电位是决定皮克林乳液形成和长期稳定性的关键因素，因此是所提出的增值策略的核心。不同球磨时间对FBPs的颗粒大小和ζ电位的影响如图1c和d所示。各组的颗粒大小均达到纳米级别，表明该方法在制备纳米级FBPs方面的有效性。从图1c可以看出，随着球磨时间的延长，FBPs的颗粒大小显著减小，尤其是FBPs-60组。FBPs-5组（对照组）的初始平均颗粒大小为1772.9纳米，明显高于其他组，这意味着鱼骨羟基磷灰石和胶原蛋白复合结构在高能量冲击下容易断裂。Ahmed等人（2025年）报告了由于球磨球对绿豆种子施加的机械力导致的颗粒大小减小。（26）此外，这种尺寸减小效应也常用于指导小麦秸秆的糖化和从农业废弃物中生产可持续填充剂。（27,28）
ζ电位可以提供有关颗粒表面电荷和胶体悬浮液稳定性的信息。如图1d所示，所有测得的ζ电位值均显著为负值，这归因于颗粒表面羟基磷灰石上的磷酸盐和羟基以及胶原蛋白上的负电荷基团的分布。FBPs-5组和FBPs-10组的初始ζ电位分别为-21.2 mV和-23.5 mV。随着球磨的进行，ζ电位变得更负，范围从-24.1 mV变为-27.5 mV，主要是由于颗粒表面逐渐暴露出的正电荷钙离子（Ca2+）和磷离子（P5+）。这种ζ电位的变化与Yin等人的研究结果一致，他们也报告称延长处理时间会增加样品的ζ电位绝对值并释放钙离子，这可能是由于鱼骨颗粒小和胶原蛋白基质被破坏。（29）总的来说，这种自上而下的方法制备了纳米级FBPs，确保了悬浮液的良好分散以及在两相界面上的有效吸附。因此，颗粒大小和ζ电位使FBPs具备了作为基于鱼油乳液固体颗粒稳定剂的能力。

3.1.2. 微观形态的变化
除了颗粒大小和ζ电位外，微观结构也直接影响基于FBPs的皮克林乳液的形成。从图2可以看出，FBPs-5样品保留了大量原始的层次结构。显微镜照片显示存在大型、不规则形状的颗粒，主要特征是边缘尖锐的层状或板状结构。在FBPs-10样品中，最初的大块颗粒显著破碎成更小但仍具有一定棱角的颗粒。然而，当球磨时间从20分钟增加到60分钟时，发生了显著变化：层状特征几乎完全消失，FBPs逐渐转变为更细的准球形或颗粒状纳米颗粒。有趣的是，这些新形成的纳米颗粒有很强的倾向形成大而紧密堆积的聚集体，尤其是FBPs-50和FBPs-60组，这是由于焊接效应，即新生纳米颗粒之间的高表面能和强疏水相互作用。（30）Han等人（2022年）也观察到了小麦淀粉颗粒在球磨过程后的类似形态变化（超过20分钟）。（31）能量色散X射线光谱（EDS）图像显示FBPs样品的元素组成一致，其中明显的Ca和P峰以及C峰分别对应于羟基磷灰石和有机胶原基质，与先前的报告一致。（32）球磨过程中Ca和C元素的相对强度比略有增加，进一步证明了这种自上而下的技术有效地分离了FBPs的原始复合结构，这与ζ电位的变化一致（图1d和图S1）。其他元素的强度没有发生明显系统性变化，这与高能量球磨过程的性质密切相关。球磨后FBPs的纳米级化和均质化为皮克林乳液的形成奠定了基础。

图2
图2. 不同球磨时间处理的鱼骨颗粒（FBPs）的扫描电子显微镜（SEM）图像（100纳米尺度）和能量色散光谱（EDS）结果。

3.1.3. 结构和相组成的变化
为了阐明FBPs中参与形成基于鱼油的皮克林乳液的官能团，图3a展示了不同研磨时间样品的FTIR光谱，所有样品都显示出典型骨生物复合材料的特征吸收峰。在3305、2928、2853、1033、607和560 cm?1处的主峰分别对应于O?H伸缩振动、不对称和对称的C?H伸缩振动以及磷酸盐（PO43?）团的不对称伸缩和弯曲振动模式。（32,33）在研磨过程中，磷酸盐的伸缩振动峰（1033、607和560 cm?1）的峰形和强度几乎没有变化，表明羟基磷灰石晶格保持了相似的长程晶体有序。特征性的酰胺I（CO伸缩，约1650 cm?1）和酰胺II（N?H弯曲和C?N伸缩，约1550 cm?1）峰的强度和清晰度增加。整个区域变得更加清晰，吸收特征随时间逐渐增强，表明胶原蛋白从复合结构中释放出来。颗粒大小的变化也为FBPs中羟基磷灰石-胶原蛋白复合结构的分解提供了有力证据（图2）。在2928和2853 cm?1处的吸收强度略有下降，这与高能量球磨引起的胶原蛋白基质的变性和破坏有关。Adamiano等人（2023年）的工作也证实了样品中的光谱变化是高能量球磨对鱼骨的特征性后果，注意到无机相的同时无定形化和有机相的降解。（34）所有组中O?H（来自水和结构羟基）和N?H基团的宽带保持了相似的峰宽和高度。

图3
图3. 不同球磨时间处理的鱼骨颗粒（FBPs）的傅里叶变换红外光谱（FTIR，a），X射线衍射（XRD，b）和X射线光电子能谱（XPS）Ca 2p（c1?c7）光谱。

图3b使用XRD研究了不同球磨时间处理的FBPs的晶体结构和相组成。所有样品的XRD图样显示的衍射峰与六方羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]的标准衍射图样（JCPDS卡号09-0432）非常吻合。这些在2θ值大约25.9°处的显著峰，以及31.8°到34.1°、46.7°和49.5°之间的强且重叠的峰群，对应于羟基磷灰石的主要晶面。（34）此外，未检测到其他钙磷酸盐相（如三钙 phosphate和氧化钙）或杂质的峰，确认高能量球磨作为物理过程保持了鱼骨衍生的磷灰石的相纯度。这种完美的衍射峰匹配进一步支持了EDS和FTIR光谱的结果。
XPS是一种表面敏感技术，可以提供材料表面最外层纳米级的元素组成和化学状态的详细信息。除了FTIR和XRD光谱外，还通过XPS进一步表征了FBPs的表面元素组成和化学状态。图3c显示了球磨对FBPs表面化学的影响。FBPs在0?1400 eV的结合能范围内的XPS光谱显示了O、Ca、P和C的存在，这些通常是鱼骨的主要成分。元素组成与之前通过EDS、FTIR和XRD（图3a,b和图S2）获得的观察结果一致。特别值得关注的是钙的化学状态变化，将在下文详细讨论。从图3c可以看出，羟基磷灰石环境中Ca 2p1/2和Ca 2p3/2的特征峰分别位于347.0和350.5 eV的结合能。（35）随着球磨时间的延长，Ca 2p1/2和Ca 2p3/2峰的结合能出现了轻微但一致的负偏移（图3b和图S2）。这种结合能的负偏移表明钙原子周围的电子云密度增加，表明机械球磨过程改变了钙原子的表面化学环境。

3.2. 基于FBPs的皮克林乳液的表征
据我们所知，尚未有关于FBPs作为皮克林乳液稳定剂的再利用和回收的报道。为了探索一种新的增值途径，评估了一系列具有不同颗粒浓度、油水比的皮克林乳液及其储存稳定性。通过观察FBPs在水相和油相中的分散行为来确定FBPs基乳液的性质。乳液在水相中引入后自发分散，同时仍保持为油相中的不相溶滴状，这无疑证实了形成了油包水（O/W）体系（数据未显示）。图4显示了由FBPs稳定的Pickering乳液在0天、7天和14天时的外观。当颗粒浓度为0.5 wt %时，乳化相的体积随球磨时间的延长而逐渐增加，尤其是在30、40、50和60分钟时，表明延长球磨时间在抑制两相团聚方面发挥了关键作用。这种现象与纳米FBPs的物理和结构性质有关（图1-3）。当球磨时间相同时，乳化相的体积分数与FBPs的含量成正比，这与鱼骨颗粒在两相界面处的有效吸附以及围绕乳液滴形成的网络结构有关（图4b）。储存7天后和14天后，当球磨时间为5分钟时，FBPs-5组至少需要3.0 wt %的FBPs才能达到100%的稳定性。相比之下，对于经过更长时间研磨（从10到60分钟）的颗粒，只需2.0 wt %的FBPs就足以获得100%的稳定性。很可能延长球磨时间有效地改善了样品的形成和稳定性。此外，还探讨了在不同油水比例下FBP稳定乳液的稳定性。在低油水比例（0.2、0.3和0.4）下，乳液的稳定性较差，尤其是那些由研磨5分钟和10分钟的颗粒稳定的乳液（FBPs-5和FBPs-10）。这表明在这些低油量下，颗粒在界面处的覆盖不足，这与鱼糜颗粒稳定的Pickering乳液的情况一致。(24) 然而，随着油水比例的增加，所有样品的稳定性逐渐提高，特别是在较高比例（0.6、0.7和0.8）下。这些结果证明FBPs能够有效地稳定高油含量的乳液，甚至有助于形成高内相乳液（HIPEs），其中油的比例超过了0.74。(36) 乳液相体积和稳定性指数的变化也进一步证实了乳液的形成（表S1和表S2）。这些发现突显了鱼骨衍生FBPs作为有效Pickering稳定剂的潜力。

图4显示了由鱼骨颗粒（FBPs）在不同球磨时间处理后稳定的Pickering乳液的外观。不同油水比例（0.2-0.8）下FBP基Pickering乳液在0天、7天和14天的情况，以及不同颗粒浓度（0.5-4.0 wt%）下FBP基Pickering乳液在0天、7天和14天的情况。

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3.2.2 FBP稳定Pickering乳液的微观结构变化
通过视觉检查（图4）确定了FBPs根据其浓度和油水比例稳定Pickering乳液的能力。然而，对于乳液的内部微观结构（包括滴状排列和由此产生的界面结构）的了解仍不充分。因此，使用光学显微镜和CLSM详细表征了FBPs在O/W界面的形态、滴状排列和分布（3.0 wt %颗粒，0.6油水比例）（图5a,b）。显然，所有乳液都显示为球形滴，但它们的大小和分布均匀性取决于所使用的FBPs的球磨时间（图2和5a）。由磨削5分钟的FBPs稳定的样品以大颗粒的不均匀分布为主。随着研磨时间的增加，滴粒大小逐渐减小，分布变得更加均匀。这一趋势进一步证实了FBPs作为Pickering稳定剂的有效性，尤其是经过20-60分钟球磨处理的FBPs。通常，这些由FBPs稳定的乳液滴的微观结构与纳米凝胶、(16)木质素纳米颗粒、(19)和鱼糜蛋白-(24)基Pickering乳液相似。

图5 显示了由鱼骨颗粒（FBPs）在不同球磨时间处理后稳定的Pickering乳液的微观结构。明场显微镜图像（a，100 μm尺度），共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像（b，10 μm尺度）和冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）图像（c，50和5 μm尺度）。

如图5b中的CLSM可视化所示，油滴（红色球体）被FBPs（蓝色荧光）覆盖。在油水界面处清楚地观察到一个蓝色的层，直接证明了FBPs负责稳定Pickering乳液。此外，随着球磨时间的增加，界面处的蓝色荧光变得越来越强烈和致密。这表明形成了一种更密集、更完整的界面膜，这归因于长时间球磨产生的FBPs具有均匀形态和修改后的结构。这种微观结构证据直接解释了使用较长时间研磨的FBPs制备的乳液稳定性增强，因为坚固的界面层提供了更好的空间屏障，防止了颗粒的团聚。(37) 此外，这些密集的界面膜还可以介导滴粒之间的吸引力（如静电力和范德华力），将滴粒组装成三维网络，阻止它们的运动、迁移和聚集等。(17,24) 与FBPs-30基样品相比，FBPs-40、FBPs-50和FBPs-60样品中观察到一些轻微的颗粒聚集。这主要归因于FBPs的过度纳米化，具有巨大的比表面积和高比表面能，从而使其处于热力学不稳定状态，导致自发聚集。这些发现与光学显微镜结果（图5a）非常吻合，并且与其他用于乳液稳定的无机-有机复合颗粒的研究结果一致。(38,39) 冷冻SEM图像从原位角度（图5c）提供了FBPs-5和FBPs-30稳定的Pickering乳液结构演变的高分辨率证据。FBPs-5基乳液显示出混乱且结构不完善，以大型、角状的FBP聚集体为主，以及不连续的绳状网络。关键的是，这种不完整的网络无法形成有效的界面膜或连贯的三维基质，导致整个系统的不稳定。这与CLSM图像中显示的不均匀大尺寸乳液滴和不完整的界面结构相吻合（图5b）。相比之下，FBPs-30基样品发生了预期的转变，出现了双重稳定机制：较小的、更均匀的FBPs不仅吸附在油水界面形成保护性Pickering层，还在连续相中组装成贯穿样品的三维纤维网络。这个基质有效地将球形滴固定，物理上阻止了它们的聚集。Chen等人（2023）证明，像球磨这样的机械处理可以增强生物聚合物在界面处的堆积效率，从而产生更稳定的乳液。(40) 因此，FBPs经过20-60分钟球磨后乳液稳定性的提高不仅仅是由于较小颗粒附着在界面上，还关键在于宏观的、相互连接的颗粒网络的出现，为整个乳液系统提供了卓越的物理完整性。

3.2.3 FBP稳定Pickering乳液的动态界面张力变化
为了评估FBPs在油水界面的动态吸附情况，测量了油水界面的动态界面张力（IFT）。如图6a所示，所有组的IFT最初接近纯油水界面的IFT，然后随着FBPs颗粒从水相中扩散并吸附到界面，降低了界面自由能，导致IFT可测量地下降。研磨时间较短的样品（FBPs-5和FBPs-10）显示出相对较慢的IFT初始下降，这可以归因于较大的颗粒尺寸，SEM也证实了这一点。较大的颗粒具有较低的扩散系数，因此迁移到界面的速度较慢。(41) 然而，它们仍然能够有效地降低IFT，最终在足够的吸附时间后达到与最佳研磨样品相似的低平衡值。FBPs-20和FBPs-30样品表现出最佳性能，并在最初的40分钟内显示出最快的IFT降低速率，表明分散良好的纳米颗粒能够在界面处排列成密集、高效且紧密堆积的单层，进一步最大化界面能量的降低。此外，内部埋藏的疏水基团的暴露和表面电荷的演变也可能有助于样品的快速均匀界面覆盖，从而实现长期抗滴粒团聚的稳定性。这些行为也通过在XPS、CLSM和SEM图像（图3c和5b,c）中观察到。

图6 FBPs基Pickering乳液的物理特性及其在鱼类增值策略中作为凝胶强化剂的有效性。由不同球磨时间处理的鱼骨颗粒（FBPs）稳定的Pickering乳液的界面张力（IFT）（a），表观粘度（b），G′（c），G″（d），T2松弛谱（e）以及放松峰的相对面积（f）。含有0、3、6、9和12 wt % FBPs-30稳定Pickering乳液的ESGs的质地（g），凝胶强度（h）和WHC（i）。从FBPs基Pickering乳液到ESGs的假设技术经济分析（j）。

有趣的是，对于研磨时间超过30分钟的样品，观察到IFT性能明显下降。这一关键观察归因于过度研磨过程中由于热力学不稳定状态导致的纳米颗粒聚集，这种状态无法像分散良好的纳米颗粒那样降低界面张力。总体而言，IFT分析证实FBPs在球磨后具有作为高性能Pickering乳液稳定剂的潜力。

3.2.4 FBP稳定Pickering乳液的流变学性质变化
乳液的流变特性对于理解其微观结构与宏观性质（如稳定性和流动性）之间的关系至关重要。(42) 从图6b可以看出，随着剪切率的增加，所有样品的表观粘度都降低了，表现出明显的剪切稀化行为。在低剪切率下，分散的滴粒可能随机排列或形成弱絮凝网络，导致流动阻力大。随着剪切率的增加，样品的内部结构逐渐分解，导致滴粒沿流动方向排列，从而降低了整体粘度。许多食品级颗粒稳定的Pickering乳液被证明是假塑性流体，这赋予了有利的感官特性和加工性能。(43-45) FBPs-5稳定的Pickering乳液在整个剪切率范围内表现出明显较低的表观粘度。这与大颗粒的不均匀分布、FBPs在O/W界面处的覆盖不良以及滴粒间相互作用弱有关（图5b）。从FBPs-5基乳液到FBPs-10基乳液，表观粘度显著增加了一个数量级。从FBPs-10到FBPs-30，表观粘度继续逐渐增加。这一时期可能对应于形成更均匀的乳液，其中滴粒更小、更密集，从而促进了更紧密的堆积和更强的滴粒间力，最终导致粘度增加。有趣的是，与FBPs-30组相比，FBPs-40、FBPs-50和FBPs-60组的表观粘度略有下降。这可能是因为过纳米化的FBPs的聚集行为影响了界面吸附和乳液的结构完整性，从而导致粘度下降。这从FBPs的纳米结构和CLSM图像中的乳液界面微观结构（图2和5b）中可以看出。

图5c和图5d显示了用球磨FBPs制备的Pickering乳液的储存模量（G′）和损耗模量（G″）随角频率的变化。对于FBPs-5稳定的样品，系统表现出结构较弱且粘度高的流体，在频率范围内G″超过G′。FBPs-10基乳液也表现出类似的G′和G″值。这两种主要粘性的乳液都与不均匀的、粗糙的大颗粒以及O/W界面覆盖不足有关，如图5b所证明的。与通过FBPs-5和FBPs-10稳定的组相比，基于FBPs-20和FBPs-30的乳液表现出几乎不受频率影响的G′值。这种平坦的平台表明了一个强健、结构良好的弹性凝胶网络，其中弹性响应不依赖于变形的时间尺度。(46) 这种显著的增强是通过CLSM和Cryo-SEM图像观察到的微观结构精化的直接结果。其根本原因是，在20分钟和30分钟的球磨后，FBPs能够同时不可逆地吸附，形成坚固的界面膜，更密集地堆积以创建一个强大的机械屏障，并在体相中相互作用以构建一个跨越样品的凝胶网络。(24) 出乎意料的是，对于超过30分钟的研磨时间，粘弹性模量开始下降，FBPs-60样品的G′值比FBPs-30样品低一个数量级。尽管初级粒径可能进一步减小，但性能的下降可以归因于纳米粒子聚集的不利影响。这些聚集体（FBPs-40、FBPs-50和FBPs-60）作为Pickering稳定剂的效力低于分散良好的初级纳米粒子（FBPs-20和FBPs-30）。它们在界面处的堆积效率较低，导致界面膜较弱，液滴间的网络也不均匀且较弱，这一点通过CLSM图像得到证实（图5b）。总体而言，球磨过程将鱼骨转化为了高效的Pickering稳定剂，能够形成强健的弹性凝胶网络。大约20-30分钟的研磨时间产生的颗粒有利于乳液的结构完整性；然而，过度研磨（40-60分钟）对构建强健的网络有害。因此，通过不同球磨时间处理的FBPs为我们提供了多种制备具有不同流变特性的Pickering乳液的选项。3.2.5. FBP稳定的Pickering乳液中水和油的分布变化为了进一步阐明乳液样品的内部微观结构，并理解不同球磨时间后的FBPs与乳液粘弹性特性之间的关系，通过LF-NMR确定了水和鱼油的迁移率和分布。图6e和f分别显示了横向松弛时间（T2）分布曲线以及不同水/油群体的相应比例。乳液的T2松弛谱显示出三种不同的水/油群体，它们通过分子迁移率进行区分：T21（结合水/油，1-10毫秒）、T22（固定水/油，10-1000毫秒）和T23（自由水/油，>1000毫秒）。(24) 如图6e和f所示，T21的横向松弛时间和比例保持相似，并且在很大程度上独立于研磨时间。这表明与六方羟基磷灰石性质直接相关的紧密结合的水和油的数量并没有因微观结构的细化而显著改变。与T21峰的微小变化形成鲜明对比的是，固定水/油（T22）群体的比例发生了显著变化，尤其是在基于FBPs-5的乳液和其他组中。对于基于FBPs-5的乳液，观察到了双峰松弛峰T22a（更快松弛的峰，表示固定的油）和T22b（较慢松弛的峰，表示固定的水），这与这些较大且未充分研磨的FBPs形成的无序且高度不均匀的乳液网络有关（图5b）。基于FBPs-10的乳液的T22峰仍然表现出轻微的双峰特征；然而，它比FBPs-5样品中的要轻微得多，表明短暂的10分钟研磨已经在稳定乳液的过程中启动了网络均质化过程。FBPs-10样品中网络的致密化和结构均质化的开始正是其存储模量（G′）比FBPs-5样品高一个数量级的原因。这一趋势在用FBPs-20和FBPs-30制备的乳液中达到顶峰，T22峰变成了一个单一的、尖锐的、对称的峰，表明了一个高度均匀且坚固的网络，具有最佳的水和油固定能力，从而具有最大的粘弹性模量（图6c,d）。早期研究的一个重要结论是，密集的界面网络在限制水和油的迁移率方面起着关键作用。(47) 有趣的是，对于超过30分钟的研磨时间，T22峰开始向更长的松弛时间偏移，表明网络内的水和油再次变得更加活跃。这一结果强烈支持了从流变数据得出的假设：过度研磨导致粒子聚集，产生了相对于分散良好的FBPs而言效率更低、更多孔隙且更弱的网络结构（图2）。较大的空隙在限制水和油方面效果较差，从而导致迁移率增加，相应地降低了乳液的G′值。自由水 and 油峰（T23）的演变路径与T22峰相同，进一步证明了适当球磨的FBPs有利于形成具有有序且高度均匀界面网络的稳定乳液。LF-NMR分析提供了一种强大的、非侵入性的方法来表征FBP稳定的乳液的微观结构完整性。3.3. FBP稳定的Pickering乳液对乳化鱼糜凝胶的增强前面的章节已经证明，使用球磨的FBPs作为Pickering稳定剂是一种将低价值水产副产品转化为高价值鱼油乳液的高效资源回收方法。为了进一步扩展这一途径并完全闭合资源循环，随后研究了将这种乳液应用于解决乳化鱼糜凝胶（ESGs）结构不稳定这一持续存在的挑战。ESGs的基本结构是由切碎和加热鱼糜并加入大量油和水形成的蛋白质基质。正是这种高浓度的脂质和水的加入引入了固有的不稳定性，导致了常见的恶化现象，如流体渗出（较差的水/油保持能力）、结构骨架的不稳定性等。系统评估了含有不同水平FBP（3%、6%、9%和12%重量百分比）的Pickering乳液的ESGs的凝胶强度和质地特征，与含有6%重量百分比未预乳化鱼油的对照凝胶进行了比较（图6g-i）。与Con样品相比，明显观察到FBPs-30-G3和FBPs-30-G6样品的凝胶强度、硬度、胶稠性和 chewiness 有显著改善。此外，当加入的鱼油量一致时，具有特殊致密界面结构的FBPs-30-G6显示出作为凝胶增强剂的潜在吸引力。这些变化可能与乳液的活性填充剂有关，其中FBP界面层可以作为增强桥梁，在液滴和鱼糜蛋白质基质之间介导强烈的相互作用。当乳液浓度在9%到12%重量百分比之间时，所有质地特性都逐渐显著下降，表明发生了网络稀释和破坏效应，如先前所报告的。(48) 样品的WHC（进水率）与凝胶强度和质地特征直接相关，进一步证实了FBP-30稳定的Pickering乳剂的效果明显依赖于剂量，在最佳浓度下作为强效的凝胶增强剂。为了进一步揭示增值鲑鱼骨的重大经济和环境优势，对上述过程进行了技术经济分析。根据图6j，在假设一个鲑鱼加工厂每年生产1000吨湿基鱼骨且FBPs的产量为10%的情况下，这些过程后将获得100吨FBPs。此外，总固定成本（包括设备折旧和工厂费用）为70万元人民币；FBP生产涉及的变量成本（包括酶、水、电、燃料、包装等）为170万元人民币，因此FBPs的内部生产成本为240万元人民币。根据本文提供的生产鱼糜凝胶的公式，每吨FBPs可以生产1200吨ESGs。对于使用6%重量百分比FBP稳定Pickering乳液生产的ESGs，总固定成本和变量成本分别为70万元人民币和1.2亿元人民币。另外，假设含有FBP稳定Pickering乳剂的ESGs比不含FBPs的ESGs贵2000元人民币，该项目预计每年可实现2.4亿元人民币的净利润，这将为环境保护和企业可持续发展提供双重保障。这项工作因此展示了一个完整的鱼到鱼的循环模型，其中一个来自鱼类加工副产品的功能成分被用来改善鱼产品的质量。通过这样做，它闭合了一个关键的资源循环，将需要昂贵处理的废弃物转化为新的收入来源和竞争优势。为了充分发挥这一可持续模型的潜力，未来的工作将首先通过严格的生命周期评估和技术经济分析来确定其工业可行性，这将为利用其他鱼类加工副产品作为新一代功能食品中的新型结构剂和功能性成分奠定基础。4. 结论本研究展示了一种环境可持续且可扩展的方法，用于增值鱼类骨骼和鱼油，这些是水产行业中常见但未充分利用的副产品。自上而下的球磨过程被证明能有效将鱼骨转化为能够稳定水中的鱼油乳液的工程纳米Pickering颗粒，从而改善了环境可持续的ESGs的质量。确定了最佳的研磨时间为20-30分钟，产生了具有增强物理化学性质和高ζ电位的纳米FBPs（约280纳米）。这些性质促进了在油-水界面的高效吸附，形成了一个致密、有凝聚力的网络，生产出具有高稳定性和粘弹性的乳液。储存14天后，用这两种颗粒稳定的乳液（油-水比率0.6-0.8）的SI达到了100%。相比之下，延长的球磨（40-60分钟）导致FBPs聚集，损害了界面堆积并降低了乳液的稳定性。FBPs-30稳定的Pickering乳液作为一种功能成分，在中等浓度（3-6%重量百分比）下显著增强了凝胶强度、质地完整性和WHC。这一应用不仅解决了鱼糜加工中的一个重大挑战，还为回收副产品提供了宝贵的高端利用。总之，这项研究为全面和通用的鱼到鱼的循环生物经济框架提供了令人信服的证据。

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