从渔业废弃物到功能性粘合剂：利用罗非鱼（Chanos chanos）皮肤胶原蛋白与聚乙烯吡咯烷酮通过物理交联方法制备的生物杂化粘合剂，用于实现可持续纸张粘合 Kangsadan Boonprab 和 Jirawat Satiankomsorakrai

《Polymers》：From Fishery Waste to Functional Adhesives: Milkfish (Chanos chanos) Skin Collagen–Polyvinylpyrrolidone Physically Crosslinked Biohybrid Adhesive for Sustainable Paper Bonding Kangsadan Boonprab and Jirawat Satiankomsorakrai

　　摘要 对基于塑料的粘合剂的环保担忧突显了迫切需要可生物降解的替代品。本研究将渔业中产生的牛奶鱼（Chanos chanos）鱼皮废弃物转化为一种胶原-聚乙烯吡咯烷酮（PVP）生物混合粘合剂棒，用于纸张粘合。在二十种鱼类中，牛奶鱼的粘合强度最高，其最佳的粘合性能需要≥213.7毫克/克的羟脯氨酸。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和氨基酸组成确认了I型胶原蛋白的存在，提取收率为68.82%。这种鱼皮胶原-PVP胶棒显示出与淀粉基和商用胶相似的纸张粘合性能和物理化学性质，但硬度更低，单位面积的干粘合剂含量更多。使用定量描述性分析进行感官评估后发现，除了胶消耗量增加和形状保持能力降低外，与其他商用胶棒没有显著差异（p < 0.05）。其保质期超过70天。来自鱼皮的胶原粘合剂提供了与化学粘合剂和其他生物基粘合剂相当的效果，为促进循环经济和绿色创新提供了可持续的解决方案。 1. 引言全球渔业在初级加工后会产生大量副产品，如鱼头、鱼皮和鱼骨。如果不进行适当管理，这些废弃物会加剧环境污染并增加处理成本。将其转化为高价值的天然产品是一种可持续的方法，可以减少废物、缓解气候变化并提高资源利用效率[1,2,3]。因此，绿色市场正在迅速扩张，预计2023年至2032年间的复合年增长率（CAGR）将超过19.5%[4]，这得益于对可持续解决方案需求的增长。一个关键的新兴趋势是循环经济，它强调再利用、回收和再制造。这一概念在生物基产业中至关重要，可再生材料被用来减少包装、纺织品和生物塑料等领域的浪费和环境影响。本研究强调了在循环经济框架内利用鱼皮作为可持续生物材料的重要性，充分利用其丰富的胶原蛋白含量，这种蛋白质本身具有粘附性能。先前对20种淡水及海洋物种的研究表明，Chanos chanos的鱼皮是最有潜力的生物粘合剂生产来源[5]。Chanos chanos的胶原蛋白结构也通过SDS–PAGE方法进行了表征[5]。本文开发了一种基于牛奶鱼（C. chanos）鱼皮的胶原胶棒，用于纸张粘合应用。由于绿色市场的增长以及预计到2033年全球胶棒市场将达到23亿美元（2026年至2033年的CAGR为5.5%[6]），对无毒、可生物降解粘合剂的需求不断增加。这项工作符合循环经济的原则，通过利用渔业副产品来推进可持续粘合剂的发展。粘合剂在日常生活中至关重要，由于其便捷性和易用性，胶棒在学校、办公室和包装行业中得到广泛使用。然而，市面上大多数商用胶棒以及各种专利产品都是由聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯和聚醋酸乙烯酯等石油基合成聚合物制成的，这些材料不可生物降解，不当处理时会对环境造成严重污染[7,8,9]。近年来，随着对环境可持续性和循环经济原则认识的提高，人们开始研究开发环保的生物基粘合剂。在生物基粘合剂中，天然蛋白质基粘合剂（如乳清蛋白、海藻提取物和淀粉粘合剂）因可生物降解性和可再生性而受到越来越多的关注[10,11,12]。然而，这些天然粘合剂在粘合强度、防水性和储存稳定性方面往往存在局限性[13]。例如，淀粉基粘合剂的粘合性能通常低于合成粘合剂，并且容易受到微生物侵蚀[14]。因此，提高天然粘合剂功能性和实用性的创新配方仍然非常受欢迎。为了解决纯天然粘合剂的局限性，将合成聚合物与其混合以创建生物混合系统已成为一种有效策略。最近的研究探索了基于胶原-聚合物系统的生物混合粘合剂，其中胶原与聚乙醇（PVA）和壳聚糖等聚合物结合，通过分子网络的形成来提高机械强度、稳定性和生物相容性[15,16,17]。这些系统在生物医学和水凝胶应用中显示出良好的性能，包括更高的柔韧性和粘合性能。然而，基于胶原的材料仍然存在一些局限性，如内在机械稳定性差和高度敏感于湿气，大多数研究集中在支架或水凝胶上，而不是功能性粘合剂应用[15]。此外，使用来自可持续来源（如鱼皮副产品）的胶原的应用仍然有限。因此，这种生物混合系统中材料组成与粘合性能之间的关系仍不明确，这突显了一个重要的研究空白。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是一种合成的、水溶性的聚合物，以其优异的成膜性能、生物相容性和增强生物聚合物粘合性能和稳定性的能力而闻名[9]。它被用作胶棒的粘合成分，这一点在许多专利中都有体现[18,19,20]。从理论上讲，PVP含有能够与胶原中的功能基团（如-NH和-OH）形成分子间氢键的内酰胺基团，从而促进分子兼容性和网络的形成。这些相互作用增强了聚合物系统的凝聚力和整体粘合性能[21,22]。因此，预期PVP的加入将改善基于胶原的材料的结构稳定性和粘合性能，这些因素对胶原系统的机械稳定性和性能至关重要[23]。然而，迄今为止尚未有关于将鱼胶原和PVP整合成适合纸张粘合的固体胶棒形式的研究。因此，本研究旨在将牛奶鱼（C. chanos）鱼皮这种未充分利用的海洋副产品转化为可持续的胶原胶来源，并开发一种新的生物混合胶原-PVP粘合剂棒，用于纸张粘合应用。研究目标包括：（1）表征提取的胶原胶的物理化学性质，包括其功能基团（FTIR分析）和氨基酸组成；（2）评估pH值对牛奶鱼胶粘合性能的影响；（3）通过将胶原与PVP混合来配制生物混合胶棒；（4）评估其粘合性能、保质期，并与传统的淀粉基和商用合成胶棒进行比较。研究结果有望促进实用且环保的粘合剂的发展，推动废物利用并符合全球可持续发展目标。 2. 材料与方法 2.1. 材料从泰国曼谷和Prachuap Khiri Khan省的当地市场和水产养殖场获取了新鲜鱼类，包括牛奶鱼（Chanos chanos）以及其他代表性的淡水及海洋物种（Chanos chanos、Oreochromis niloticus、Psettodes erumei、Micronema bleekeri、Channa striata、Epiephelus malabaricus、Priacanthus tayenus、Lethrinus lentjan、Oreochromis sp.、Barbonymus gonionotus、Lutjanus lineolatus、Nemipterus hexodon、Sphyraena jello、Xenentodon cancila、Liza vaigiensis、Anabas testudineus、Thunnus tonggol、Rastrelliger brachysoma、Pomadasys hasta 和 Scomber japonicus）。样品用带冰的聚苯乙烯容器运输到实验室（4–10°C）。到达后，手动分离鱼皮，用蒸馏水冲洗，并在-20°C下储存以备进一步分析。聚乙烯吡咯烷酮（PVP K85–95）、甘油、单硬脂酸甘油酯、硬脂酸、氢氧化钠、羟脯氨酸和胶原从Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）、Carol Erba Reagent（德国Emmendingen）或KemAus（澳大利亚新南威尔士州Cherrybrook）购买。所有其他试剂均为分析级。使用商用胶棒（OfficeMate Co., Ltd., 曼谷，泰国）和淀粉基胶棒（木薯淀粉粘合剂）作为对照样品。2.2. 从牛奶鱼及其他物种中提取胶原基粘合剂手动清洁鱼皮，去除肉质部分，并切成小块（1厘米×1厘米）。将鱼皮浸泡在0.1 N NaOH溶液中6小时，每3小时更换一次溶液。然后用蒸馏水冲洗两次，随后在10%丁醇中脱脂24小时，再用水冲洗两次。将预处理过的鱼皮浸入0.5 M乙酸（1:2 w/v）中4小时以提取胶原。所得粘稠混合物通过四层细布过滤以分离可溶性胶原。剩余的鱼皮在相同条件下重新提取，然后将滤液合并得到粗胶原粘合剂[5]。图1展示了从鱼皮中提取的胶原基粘合剂的工艺流程和结构-性质关系，强调了其作为胶原-PVP生物混合粘合剂用于纸张粘合的应用。2.3. 准备胶原-PVP粘合剂棒（配方FAS）使用粗胶原提取物开发了一种胶原-PVP胶棒配方。优化后的配方（FAS：10% PVP，0% NaCl）包含5克胶原提取物、25毫升蒸馏水、2.5克PVP K85–95、5克甘油（作为增塑剂）、1.33克单硬脂酸甘油酯（作为乳化剂）和3.7% w/w氢氧化钠（作为中和和稳定剂）。在100 rpm的磁力搅拌下依次加入每种成分，直至混合均匀。混合物在65–70°C下回流1小时，形成白色粘稠溶液，然后倒入模具中并在室温（30–37°C）冷却12小时，形成固体粘合剂棒。配方中使用的胶原提取物仅来自牛奶鱼（C. chanos）鱼皮。粘合剂的制备采用固定化的优化配方，没有改变任何实验变量。2.4. 鱼皮粘合剂、胶原和粘合剂棒的表征 2.4.1. 傅里叶变换红外光谱使用配备衰减全反射（ATR）附件的傅里叶变换红外光谱仪（Agilent Cary 630/Agilent 5500 FTIR，Agilent Technologies，美国加州圣克拉拉）记录傅里叶变换红外光谱。样品在4000–400 cm?1的波长范围内扫描，分辨率为4 cm?1，每谱线平均32次扫描。每次测量前收集背景光谱。所有光谱在分析前都进行了基线校正和归一化。分析对应于酰胺I、II和III带的光谱峰，以确认胶原的完整性和与PVP的相互作用。2.4.2. 颜色测量使用分光光度计（UltraScan VIS，HunterLab，美国弗吉尼亚州雷斯顿）在D65光源和10°观察角下进行颜色测量（L*, a*, b*）。测量重复三次，结果以平均值±标准差表示。2.4.3. 含水量、pH值和熔点含水量通过在105°C下烘干至恒重来测定[24]。pH值通过将1克样品溶解在10毫升蒸馏水中并用pH计（Mettler Toledo Seven Compact）测量得出。熔点通过开口毛细管法测定，以1–2°C每分钟的速率加热样品，并记录材料变软和完全熔化的温度范围[25]。这种方法常用于评估聚合物和生物基材料的热转变行为。2.4.4. 硬度使用配备圆柱探头（SMS P/2，直径2毫米）的纹理分析仪（TA-HD plus，Stable Micro Systems，英国戈达明）进行硬度分析。将胶棒样品插入容器上方3毫米进行测量，以20毫米每分钟的测试速度进行压缩，压缩深度为3毫米，硬度记录为压缩过程中的最大力（N）。2.4.5. 基本成分分析基本成分（水分、灰分、脂肪、蛋白质和碳水化合物）根据标准AOAC方法测定[24]。水分含量通过热风烘箱（Memmert UNB400，Memmert GmbH + Co. KG，德国施瓦巴赫）测量。灰分含量通过在马弗炉（Vulcan A130，美国加州尤卡伊帕）中燃烧测定。脂肪含量通过Soxhlet提取法（Soxtec systemHT 1043 Extraction Unit，FOSS Analytical AB，瑞典赫根讷斯）测定。蛋白质含量使用凯氏定氮法（Buchi Distillation Unit Type B-323，BüCHI Labortechnik AG，瑞士弗拉维尔）测定，应用氮转化因子6.25。碳水化合物含量通过差值计算得出。2.5. 粘合性能评估 2.5.1. 初始粘合时间根据ASTM D2979-16（2019年废除）[26]在短设置时间（20–140秒）下评估初始粘合力，反映粘合剂在纸张基材上的初始粘合性能。尽管ASTM D2979-16已被废除，但由于缺乏直接替代标准，它仍然是探针粘性的参考方法。初始粘合力表示为平均力（N）。2.5.2. 剥离强度根据ASTM D2979-16（2019年废除）[26]测量剥离强度。尽管ASTM D2979-16已被撤销，但由于没有直接替代标准，它仍然是评估探针粘性的参考方法。将粘合剂均匀地涂在纸张基材之间，并在受控的粘合条件下进行固化。使用配备HD拉伸夹具的纹理分析仪（Stable Micro Systems TA-HD）进行了180°剥离测试。十字头速度保持在152.4毫米/分钟。剥离强度表示分离粘合基材所需的平均力（牛顿）。2.5.3. 每单位面积的湿粘合剂和干粘合剂含量根据ASTM D3121-17 [27] 进行测定，并进行了轻微修改。将粘合剂涂在已知面积的纸上并称重以获得湿质量。然后将样品在100 ± 5°C下干燥14小时至恒定重量，以确定干质量。结果以每单位面积的粘合剂质量（克/平方厘米）表示。所有分析均重复三次进行。2.6. 使用高效液相色谱（HPLC）分析从鲻鱼皮中提取的胶原蛋白基粘合剂的氨基酸组成使用HPLC分析了粘合剂的氨基酸组成。将样品（来自鲻鱼皮的胶原蛋白基粘合剂）在110°C下用6 M HCl水解24小时，然后用1.5 M NaOH中和。水解产物使用硼酸盐缓冲液（pH 9.0）和AccQ-Fluor试剂进行衍生化，随后在55°C下加热10分钟。将10–20 μL的样品液注入HPLC系统（Waters 600E梯度泵，带717 Plus自动取样器，Waters Corporation，美国米尔福德）。分离使用AccQ-Tag化学包和梯度流动相系统（Waters，美国米尔福德）。检测在激发/发射波长250/395纳米下进行。程序遵循[28]。2.7. 确定鲻鱼和其他鱼类皮肤中胶原蛋白基粘合剂的羟脯氨酸含量使用1000 ppm的储备溶液在4°C下制备羟脯氨酸标准溶液（0–60 ppm）。胶原蛋白样品（1克）在121°C下用6 M HCl水解15分钟，然后用活性炭脱色，过滤并中和至pH 6.0–6.5。最终体积调整至10毫升。根据[29]的修改方法确定羟脯氨酸含量。使用标准溶液构建校准曲线，线性回归分析显示良好线性，R2 ≥ 0.9990。分析时，将0.1毫升样品溶液与0.2毫升异丙醇和0.1毫升氧化剂溶液（7% w/v氯胺T在醋酸/柠檬酸缓冲液，pH 6.0，比例为1:4 v/v）混合。混合物涡旋后与1.3毫升Ehrlich试剂反应。反应混合物在60 ± 0.5°C下保温25分钟，然后在冰水中冷却2–3分钟，再用5毫升异丙醇稀释。使用紫外-可见光谱仪（Shimadzu UV-1700，Shimadzu Corporation，日本东京）在558纳米处测量吸光度。2.8. 消费者接受度的定量描述性分析（QDA）一个由10名评估员组成的培训小组使用十五点强度量表（1 = 非常弱；15 = 非常强）评估胶棒的感觉和功能属性。评估了以下参数：使用前的外观：视觉浑浊度、表面光滑度、结构均匀性。使用中的性能：涂抹顺畅度、涂抹硬度、每次涂抹的胶消耗量、涂层均匀性。使用后的粘合性能：可重新定位性、粘合强度和形状保持性。商业胶棒作为对照组。所有样品都用随机三位数编码，并在受控光照条件下按随机顺序展示（ISO 11035:1994）[30]。2.9. 统计分析所有分析均重复三次（n = 3），除了使用HPLC分析从鲻鱼皮中提取的胶原蛋白基粘合剂的氨基酸分析（n = 2），以及涉及10名评估员的QDA。结果以平均值±标准偏差（SD）表示。使用Microsoft? Excel? 2019（版本2205，Build 16.0.15225.20278，64位）（产品ID：00405-32438-96064-AAOEM）进行单因素方差分析（ANOVA）来评估处理组之间的统计差异。当检测到显著差异时，应用Duncan的多范围测试来比较组均值，统计显著性定义为p < 0.05。2.10. 使用AI工具进行图形制作在准备本手稿期间，作者使用Gemini生成了图形摘要和图1以及图5的部分内容。输出由作者审查、编辑和验证，作者对内容负全责。3. 结果与讨论鲻鱼皮的特性。鲻鱼皮的化学组成：进行了近似分析，以评估鲻鱼（C. chanos）皮作为蛋白质丰富来源的潜力，用于提取胶原蛋白以用于粘合剂应用。皮肤含有水分（73.70 ± 0.01%）、灰分（0.210 ± 0.07%）、脂肪（1.614 ± 1.34%）、蛋白质（10.65 ± 0.38%）和碳水化合物（12.87 ± 1.58%）。相对较高的蛋白质和碳水化合物含量表明鲻鱼皮是生物粘合剂生产的有前途的原材料，可能有助于粘合剂的功能机制[31,32]。鱼组织中的碳水化合物含量通常较低但变化较大，据报道鲻鱼皮中的碳水化合物含量约为4–5%[33]。在这项研究中，碳水化合物是通过差值法估算的，这种方法由于分析不确定性的累积而容易高估[24]。此外，来自胶原蛋白相关糖蛋白和细胞外基质组分的贡献也可能占其中的一部分；因此，应谨慎解释这些值[34]。生物杂交系统中的粘合主要受分子间相互作用（例如氢键和范德华力）和聚合物基质内的粘合网络形成的控制[35]，而与碳水化合物相关的组分不直接贡献于粘合，但可能在调节水合和界面条件方面起次要作用[36]。鲻鱼皮粘合剂的特性。鲻鱼（C. chanos）皮粘合剂表现出与传统的动物来源粘合剂相当的物理化学和粘合性能，突显了其作为可持续生物基替代品的潜力（表1）。其透明的凝胶状外观和粘度类似于动物皮革粘合剂，但高于骨粘合剂，反映了适用于胶粘应用的理想流变特性[37,38]。纸张粘合强度（60分钟时为19.3 × 10^-2 MPa）在常规胶粘剂的性能范围内，证实了其适用于纸张粘合[39]。该粘合剂表现出比皮革和骨粘合剂更高的水分含量，这可能是其凝胶一致性的原因，而较低的灰分、脂肪和pH值表明其成分更纯净，杂质较少。蛋白质和碳水化合物的水平在各种粘合剂中相当，支持胶原蛋白和多糖是粘合剂主要成分的观点[40,41]。此外，鲻鱼胶在蒸发后残留2.76%，提取产率为68.82%，表明胶原蛋白回收效率高。总的来说，这些发现加强了鱼类加工副产品作为生物粘合剂开发的有前途的原材料，促进了循环经济框架内的废物增值[42]。表1. 与动物皮革和骨粘合剂相比的鲻鱼（C. chanos）皮衍生粘合剂的特性。鲻鱼皮粘合剂的胶原蛋白结构的FTIR光谱。图2显示了从鲻鱼皮中提取的胶原蛋白的FTIR光谱谱型。实验结果显示吸收峰位于1642、1545、1454、1335、1238、1219、1155和1082厘米^-1。这些峰对应于Belbachir等人（2009年）之前报道的I型胶原蛋白的特征FTIR吸收峰[44]，后者位于1659、1555、1454、1403、1282、1240、1203、1160、1079和1035厘米^-1。1035和1079厘米^-1处的吸收峰归因于(C–O)和(C–O–C)的拉伸振动，表明存在碳水化合物基团。同时，1454、1403、1282、1240和1203厘米^-1处的峰可能对应于胶原蛋白结构中的O(CH2)、O(CH3)、C–N和O(N–H)键。在1659和1555厘米^-1处观察到的酰胺I和酰胺II峰分别与胶原蛋白三螺旋结构中的分子有序程度相关，由C=O的拉伸振动和N–H的弯曲振动引起[45]。FTIR分析提供了强有力的证据，证明鱼皮来源的胶原蛋白成功结合到了粘合剂配方中。在1642和1545厘米^-1处观察到的峰分别对应于酰胺I（C=O拉伸）和酰胺II（N–H弯曲）振动，这是I型胶原蛋白的三螺旋结构的特征性标志[44,45]。这些峰的存在表明，胶原蛋白在提取和与聚维酮（PVP）混合后其天然二级结构得到了很大程度上保持，表明配方过程没有引起显著的变性。此外，1035–1079厘米^-1处的吸收峰归因于C–O和C–O–C的拉伸，揭示了碳水化合物基团与PVP骨架之间的相互作用。这些发现表明，氢键和分子缠结增强了粘合剂的内聚力和保水能力。类似的研究表明，蛋白质基聚合物与合成亲水基质之间的分子相互作用可以改善生物粘合剂的粘弹性能和成膜行为[46,47,48,49]。酰胺I和II峰的保持以及碳水化合物相关区域的移动表明，PVP不仅作为稳定剂，还作为计算机化剂，改善了胶原蛋白基粘合剂的界面粘合和机械完整性。这种协同的分子相互作用为胶棒配方中观察到的优异柔韧性和涂抹顺畅性提供了科学依据[49]。FTIR分析表明配方中存在胶原蛋白，并且胶原蛋白与PVP之间可能存在相互作用，支持其进一步开发成胶棒的潜力。图2. 从鲻鱼皮废物中提取的胶原蛋白的FTIR光谱。该图是用Microsoft? Excel? 2019（版本2205，Build 16.0.15225.20278，64位）（产品ID：00405-32438-96064-AAOEM）和Microsoft? PowerPoint? 2019 MSO（版本2508 Build 16.0.19127.20302）64位（产品ID：00405-32438-96064-AAOEM）创建的。鲻鱼皮粘合剂的氨基酸组成。为了进一步阐明与粘合剂功能相关的结构特性，随后分析了鲻鱼胶原蛋白粘合剂的氨基酸组成。图3展示了鲻鱼（C. chanos）皮衍生粘合剂的氨基酸组成。发现该粘合剂含有以下氨基酸：羟脯氨酸、甘氨酸、脯氨酸、精氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、赖氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、组氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸和半胱氨酸，平均含量（每100克干重胶；n = 2）分别为554.1、260.0、144.0、137.0、123.0、113.0、69.0、44.0、44.0、30.0、26.0、26.0、21.0、21.0、11.7和6.0。氨基酸谱显示羟脯氨酸、脯氨酸、甘氨酸和谷氨酸占主导地位，这是典型的胶原蛋白基蛋白质。其组成模式与其他鱼类来源的胶原蛋白（如大眼鲷[50]、鲶鱼[51]、罗非鱼[52]、小牛皮[53]和尼罗河鲈鱼及鳕鱼皮明胶[54]的胶原蛋白相似。与先前的研究结果一致[50,55]，甲硫氨酸、异亮氨酸和酪氨酸的含量较低，而半胱氨酸几乎检测不到，因为I型胶原蛋白通常含有不到0.2%的半胱氨酸[51]。鲻鱼衍生粘合剂的一个独特特征是其高羟脯氨酸含量，而大多数其他报道的鱼类胶原蛋白中甘氨酸是最丰富的氨基酸。这种较高的羟脯氨酸水平表明三螺旋结构的稳定性得到了增强，可能有助于提高粘合剂的粘合性能。鲻鱼（C. chanos）皮衍生粘合剂的氨基酸组成反映了I型胶原蛋白的结构特征，其中甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸占主导地位，形成了(Gly–X–Y)重复基序，负责三螺旋的稳定性。本研究中观察到的显著高羟脯氨酸水平表明分子内氢键的增强，增强了胶原蛋白网络的刚性和粘合强度。与其他鱼类来源的胶原蛋白相比，较高水平的羟脯氨酸可能解释了鲻鱼胶更好的粘合强度。先前的研究已经证明羟脯氨酸水平与胶原蛋白基材料的拉伸强度和热稳定性之间存在直接相关性[56,57]。因此，氨基酸组成不仅证实了提取胶原蛋白的结构完整性，还为其作为生物基粘合剂前体的优异性能提供了生化基础。这些证据支持进一步工程化胶原蛋白–PVP混合胶棒，以优化其物理化学和粘合性能。图3.各种鱼类中鱼皮胶原蛋白氨基酸含量的比例（%）。本研究中的牛奶鱼皮基粘合剂与大眼鲷鱼[50]、条纹鲶鱼[51]、尼罗罗非鱼[52,54]、小牛皮[53]和鳕鱼皮[54]的文献值进行了比较。该图表是用Microsoft? Excel? 2019（版本2205，构建16.0.15225.20278，64位）（产品ID：00405-32438-96064-AAOEM）创建的。表格2显示，牛奶鱼皮粘合剂的羟脯氨酸含量（平均值±标准差，毫克/克干胶；n=3）与60分钟时测得的纸张粘合强度并非线性相关，这反映了粘合行为的复杂性。在样品中，来自Epinephelus areolatus的粘合剂表现出最高的羟脯氨酸含量（705.6 ± 38.1毫克/克），其次是Barbonymus gonionotus（698.4 ± 69.7毫克/克）和Psettodes erumei（559.0 ± 85.8毫克/克）。值得注意的是，产生粘合剂的鱼皮（排名1-12）的羟脯氨酸含量范围为213.7 ± 58.5至705.6 ± 38.1毫克/克，而未产生粘合性能的鱼皮（排名13-20）的羟脯氨酸含量低于213.7 ± 58.5毫克/克。这些发现表明羟脯氨酸含量是粘合剂功能的重要决定因素，达到类似胶体的行为需要≥213.7 ± 58.5毫克/克的阈值。有趣的是，羟脯氨酸含量和粘合性能与鱼的栖息地（淡水或海洋）无关。本研究考察了十六种鱼类，包括淡水鱼如Oreochromis niloticus、Micronema bleekeri、Channa striata、Barbonymus gonionotus、Xenentodon cancila和Anabas testudineus，以及海水鱼如C. chanos、Psettodes erumei、Epinephelus areolatus、Selar crumenophthalmus、Lethrims lentjan、Lujanus lineolatus、Nemipterus hoxodon、Sphyraena jello、Liza vaigiensis、Thunnus tonggol、Rastrelliger brachysoma、Pomadasys hasta和Scomber japonicus。据我们所知，此前尚未有对十六种鱼类羟脯氨酸含量的全面量化研究；之前的研究仅限于Oreochromis niloticus、Psettodes erumei和Nemipterus spp. [55]。数据表明，羟脯氨酸含量是鱼皮基粘合剂功能的关键生化决定因素。产生粘合剂的鱼皮始终含有≥213.7 ± 58.5毫克/克的羟脯氨酸，而非粘合剂样品的羟脯氨酸含量低于这一阈值。尽管羟脯氨酸含量与粘合强度不成线性关系，但较高的羟脯氨酸水平可能增强三螺旋结构稳定性，从而促进凝聚网络的形成和有效的纸张粘合[58,59,60]。值得注意的是，这种模式与鱼的栖息地无关，涵盖了淡水和海水鱼种，突显了羟脯氨酸作为粘合潜力预测标志物的普遍性。这是首次系统地量化十六种鱼类中的羟脯氨酸含量，并将其与粘合性能联系起来，扩展了以往仅限于少数物种的研究。这些发现为选择鱼皮作为生物基粘合剂的原材料提供了明确的生化标准[59]。此外，建立的阈值为指导筛选和优化环保粘合剂开发中的胶原蛋白提取提供了实用指南。这些见解强调了鱼类加工废料作为可持续资源的潜力，推动了循环生物经济方法的进展，并有助于合理设计高性能的胶原蛋白基粘合剂[61]。表2显示了不同鱼类鱼皮废料粘合剂的纸张粘合强度和羟脯氨酸含量。图4表明，在所有pH处理条件下，纸张粘合强度随时间增加。粘合强度与pH值不成线性关系。在5分钟的早期固化时间内，pH值为3的粘合剂表现出最高的粘合强度（5.12 × 10^-2 MPa）。60分钟后，pH值为6的粘合剂（17.43 × 10^-2 MPa）达到了与pH值为3的粘合剂（17.23 × 10^-2 MPa）相当的粘合强度。结果表明，较低的pH值可以加速初始粘合，pH值为3时粘合速度最快。相反，略高的pH值（pH值为6）在较长的接触时间内也能达到相同的最大粘合强度。因此，优化纸张粘合速度倾向于调整到pH值3，而最大化长期粘合性能则可以在pH值3或pH值6之间实现，具体取决于应用需求。观察到的粘合强度随pH值的变化强调了质子化对胶原蛋白基粘合剂相互作用的影响[62]。在pH值3时，粘合剂表现出最快的初始纸张粘合效果，这可能是由于酸性条件下氢键和静电相互作用的增强，促进了快速的网络形成。相比之下，pH值为6的粘合剂在长时间固化（60分钟）后达到了相当的最终粘合强度，表明略高的pH值有利于逐渐稳定的网络形成。这些发现表明pH值调节了粘合的动力学，而不是可实现的最大强度[63]。这一行为对于设计胶原蛋白-PVP生物混合粘合剂具有实际意义：调整到pH值3可以优化初始粘性和快速粘合，而pH值6则适用于需要持续粘合的情况。这种可调性增强了鱼皮基粘合剂在纸张粘合应用中的多功能性。此外，结果强调了物理化学环境和功能性能之间的相互作用，为平衡粘合速度和强度的合理配方策略奠定了基础[64]（图4）。图4显示了pH值对牛奶鱼皮粘合剂纸张粘合强度的影响。该图表是用Microsoft? Excel? 2019（版本2205，构建16.0.15225.20278，64位）（产品ID：00405-32438-96064-AAOEM）创建的。表3显示，不同固化时间（5、10、20和60分钟）的鱼皮粘合剂棒的粘合强度与木薯淀粉基和商业粘合剂棒相比没有统计学上的显著差异，除了60分钟时。然而，由天然生物聚合物配制的粘合剂的粘合强度略低于商业配方。特别是牛奶鱼皮粘合剂棒的纸张粘合值约为商业对照品的1.15–1.35倍。鱼皮粘合剂棒的最大粘合强度出现在60分钟的固化时间，达到13.19 × 10^-2 MPa。这些发现表明，虽然鱼皮基粘合剂棒达到了与生物基淀粉粘合剂相当的粘合性能，但在延长固化时间时仍存在一定的差距。这表明通过调整配方（如调节聚合物相互作用或增塑剂含量）可以进一步提高粘合效率，以实现可持续的粘合应用。牛奶鱼皮胶原蛋白-PVP粘合剂棒的性能突显了生物基可持续性和机械强度之间的内在权衡。尽管其纸张粘合强度略低于合成商业粘合剂，但其性能仍在实际使用范围内。结果与先前的研究[65,66]一致，表明生物聚合物基粘合剂虽然具有生物降解性和非毒性，但由于聚合物交联密度较低和湿度敏感性，通常表现为中等粘合强度[65,66]。然而，鱼皮配方表现出随时间稳定的粘合性能，表明其具有足够的结构完整性和与纤维素基底的兼容性。重要的是，使用鱼类加工副产物作为胶原蛋白来源代表了可持续粘合剂发展的重大进步，减少了对外来石化聚合物的依赖。未来的优化（如改进聚合物混合、调整pH值或添加天然交联剂）可以进一步提高粘合强度，同时保持生物降解性，支持向环保粘合技术的转变。表3显示了牛奶鱼皮废料、木薯淀粉粘合剂棒和商业粘合剂棒的纸张粘合强度。表4显示了牛奶鱼皮粘合剂棒的物理特性（包括颜色参数、水分含量、熔点、pH值、硬度和剥离强度），与商业粘合剂棒相比有显著差异（p < 0.05），除了a*值和pH值。粘合剂表现出轻微的碱性，pH值约为10。值得注意的是，牛奶鱼皮粘合剂的湿粘合强度和干粘合强度显著高于商业对照品，而初始粘合性能相当，固化时间一致为60秒。这些结果表明，牛奶鱼皮基的胶原蛋白组成在湿度和干燥条件下都能增强粘合强度，这可能是由于胶原基质中固有的强分子间氢键和凝聚膜的形成[67]。牛奶鱼（C. chanos）皮粘合剂棒在湿度和干燥条件下的优越粘合强度可归因于其内在的三螺旋胶原蛋白结构，该结构提供了丰富的羟基、羧基和酰胺官能团，能够与纸张基底中的纤维素纤维形成强分子间氢键[68]。碱性（pH ≈ 10）可能进一步增强了肽链的柔韧性和界面润湿性，改善了渗透性和凝聚膜的形成[67]。与合成聚合物基商业粘合剂相比，胶原蛋白基质在潮湿或暴露于水的情况下能提供更高的粘合强度，表明其稳健性和生物相容性[69]。然而，其略微 softer的质地和较低的硬度表明了生物降解性和机械硬度之间的权衡。总体而言，这些发现表明鱼皮基胶原蛋白粘合剂可以实现与传统的胶棒相当的初始粘合性能和卓越的长期粘合性能，突显了它们作为可持续、生物基替代品的潜力，符合全球向更绿色、更安全粘合技术的目标[64]。表5使用定量描述性分析（QDA）评估了牛奶鱼（C. chanos）皮废料衍生的生物混合胶原蛋白-PVP（18%）粘合剂棒的消费者接受度和功能性能。图5显示了牛奶鱼皮衍生的粘合剂棒的消费者接受度，使用QDA来评估其实际应用和市场潜力。评估包括使用前的外观（视觉浊度、表面光滑度和结构均匀性）、使用中的性能（涂抹平滑度、每次涂抹的胶量以及涂层均匀性）以及使用后的粘合性能（重新定位性、粘合强度和形状保持性）。与商业粘合剂棒相比，大多数属性没有显著差异（p > 0.05），表明消费者感知的质量相当。例外情况出现在涂抹硬度、每次涂抹的胶量和形状保持性方面，其中鱼皮衍生的粘合剂硬度较低，胶量较高，形状保持性较差。这些发现表明，基于牛奶鱼的粘合剂在很大程度上是消费者可接受的，可以通过配方优化进行微调以适应商业用途（图5）。图5. 使用定量描述性分析（QDA）对牛奶鱼（C. chanos）皮废料衍生的生物混合胶原蛋白-PVP（18%）粘合剂棒与商业粘合剂棒进行感官评估，用于纸张粘合。图5. 柔性形态的胶原蛋白-PVP生物混合粘合剂原型。（A）固态配方，展示了可加工性和处理特性。（B）暴露的粘合剂表面，显示了聚合物系统的半固态结构。QDA表明，牛奶鱼（C. chanos）皮衍生的粘合剂棒在使用前、使用中和使用后的消费者感知属性与商业粘合剂大体相当。涂抹硬度、每次涂抹的胶量和形状保持性的轻微偏差凸显了生物基配方的内在权衡，其中增强的生物降解性和可持续性可能会略微影响机械强度[32]。这些差异可能源于胶原蛋白基质的内在粘弹性，虽然通过氢键和凝聚膜的形成促进了粘合，但导致在使用过程中质地更软和材料扩散更多[67]。尽管存在这些权衡，粘合剂仍保持满意的实际使用性能，确认了其商业应用的可行性[70]。重要的是，这项工作表明可以将鱼类加工废料转化为具有功能性的、消费者可接受的粘合剂，支持循环经济原则，减少了对外来石化产品的依赖。这种创新突显了可持续、生物基粘合剂在环境责任和性能驱动的应用之间的潜力[68,69]。牛奶鱼皮基粘合剂棒的保质期性能。在室温（0–104天）储存期间，牛奶鱼皮基粘合剂棒的表现和感官接受度相对于商业粘合剂棒发生了渐进变化。从第7天开始，水分含量显著下降（64.72–42.58%，p < 0.05），同时水活性也逐渐降低（0.961–0.875），而商业粘合剂棒在这两个参数上没有显著变化（p > 0.05）。这些趋势表明，水分流失是影响生物基配方储存稳定性的主要因素。颜色分析显示，随着时间的推移，亮度（L*）下降，负a*值和正b*值增加，表明储存过程中发生了轻微的颜色变化。相比之下，商业粘合剂棒的颜色属性保持稳定。使用15点愉悦度量表进行的感官评估显示，牛奶鱼皮粘合剂的接受度随储存时间下降，其中棒硬度受到的影响最大。值得注意的是，在长达49天的时间里，这种基于鱼皮制成的胶棒的整体喜好程度在统计上与市售胶棒无显著差异（p > 0.05）。综合考虑感官评分差异和物理稳定性，这种胶棒的保质期至少为70天，大多数质量指标均保持在可接受范围内。这些发现突显了生物基粘合剂在可持续性和长期稳定性之间的固有权衡，同时也证明了鱼皮衍生胶棒在短期到中期消费者使用中的实际可行性。在基于鱼皮的胶原蛋白-PVP胶棒中观察到的储存相关变化主要受胶原蛋白网络内部水分-基体相互作用的影响。随着水分的逐渐流失，蛋白质-聚合物基质中的结合水减少，导致塑化能力下降以及胶原蛋白链之间的分子间氢键增强，从而使胶棒在储存过程中变得更硬。结合水对于稳定胶原蛋白的三螺旋结构至关重要；因此，脱水虽然会引发网络收缩并改变粘弹性行为，但不会完全破坏粘合位点[71,72]。聚维酮（PVP）的亲水性质使其能够与胶原蛋白和水分子形成氢键，从而在一定程度上减缓水分迁移，但无法完全阻止长期的脱水过程[72,74]。因此，机械性能和表面特性的变化比粘合性能的下降更为明显。尽管存在这种对水分的敏感性，这种胶棒在短期到中期储存期间的粘合性能和消费者接受度仍与市售胶棒相当，这突显了基于蛋白质的生物粘合剂普遍存在的可持续性-性能权衡问题[31,74,75]。

4. 结论
在这项研究中，我们证明了利用鱼皮（C. chanos）这种海鲜加工副产品作为胶原蛋白来源来制备基于蛋白质的粘合材料的可行性。我们提取了I型胶原蛋白，并将其与PVP混合制备成了生物混合胶棒，并系统地对其物理化学性质和粘合性能进行了表征。结果表明，在储存过程中，水分含量和水分活度显著影响胶原蛋白基体的物理稳定性，这可能是通过调节分子间氢键和网络流动性实现的。PVP的加入增强了胶棒的凝聚力和剥离强度，表明胶原蛋白链与合成聚合物之间存在良好的相互作用。虽然储存过程中胶棒的硬度和与水分相关的性质会逐渐发生变化，但其粘合性能在可接受的时间范围内仍与市售胶棒相当。总体而言，这些研究结果为来自食品副产品的胶原蛋白-聚合物系统的组成和作用机制提供了见解，并支持了其在可持续资源利用背景下作为功能性生物材料的进一步发展潜力。该研究强调了富含胶原蛋白的副产品可作为可调的聚合物构建模块用于生物混合网络。分子相互作用与宏观粘合性能之间的关联为基于结构和性能的材料设计提供了框架。这些见解可能有助于开发用于先进和可持续应用的蛋白质-聚合物系统。