基于生物加工的PET功能修飾的進展

李育強+王宏陽+鞏繼賢+季瑋瑋+李輝芹+李政+李秋瑾+張健飛

摘要：PET材料的功能化和高性能化日益受到重視，生物加工是進行聚酯功能化改性及環保處理的一種有效方法。本文綜述了用于PET生物加工的兩種方式的特性及應用情況，著重介紹了3種不同形態的PET進行生物水解表面改性修飾的過程，以及PET的物理特征、結構和水解產物等對其表面改性修飾能力的影響，最后對聚酯生物加工處理的前景做了展望。

關鍵詞：PET；生物加工；表面改性；水解酶

中圖分類號：TS101.4；Q819 文獻標志碼：A

Functional Modification of PET Based on Biological Processing

Abstract： Functionalization and high-performance have become increasingly important to PET， while biological processing is an effective way for realizing functional modification and environmental-friendly treatment of PET. In this paper， the characteristics and applications of two PET biological processing methods were reviewed by elaborating on the process of surface modification of four different forms of PET via biological hydrolysis as well as the impact of the physical characteristics and structure of PET and the hydrolysis products on the surface modification ability. The prospects of PET biological processing were also discussed.

Key words： PET； biological processing； surface modification； hydrolytic enzyme

生物加工作為生物技術的一個重要發展方向，在材料加工和處理方面開始發揮日益重要的作用。基于生物加工的PET表面功能化修飾，本質上是通過生物催化反應使底物表面發生有限分解，從而產生極性基團。聚合物底物的大分子鏈應盡可能地從中間斷裂，而不是發生端基的分解。因此，對實現PET材料的表面功能化處理而言，關鍵在于大分子鏈發生分解的部位。當前，生物催化降解已經擴展到能夠以高分子聚合物作為底物的生物降解，生物表面改性也從單一性能發展為多種性能得到優化。

滌綸具有諸多優良性能，已被大量用于衣料、床上用品、各種裝飾布料以及其他工業纖維品中，但也有不足之處，相對于棉織物其在生物加工方面的生物拋光以及功能改性方面的研究進程緩慢。目前，有報道Yoshida S等從幾百種自然菌中篩選出一種細菌能夠直接以PET為主要能源和碳源，將PET有效轉化為環保單體，為PET在生物加工處理方面提供了良好契機。

本文將有針對性地總結PET生物加工的兩種主要方法，以及PET的纖維、膜和顆粒等3種不同形態結構的生物加工表面修飾能力的進展，希望通過此研究能進一步改善生物催化降解以及改性聚酯過程。

1 PET生物加工方法

被用于PET表面功能化修飾的生物加工技術主要有酶和菌的生物加工兩種方法。

1.1 酶

目前PET進行生物加工處理所用的水解酶包括脂肪酶、角質酶、酯酶和蛋白酶，均能水解酯鍵，其中最常用的是脂肪酶和角質酶。

脂肪酶（lipase，EC 3.1.1.3）全稱三酰基甘油酰基水解酶。除了酶的一般特性外，其還具有獨特的性質：只能在異相系統即水-油界面或有機相中作用，對水溶性底物沒有催化作用。結構上，絕大多數微生物脂肪酶有一個“蓋子”結構（lid），覆蓋在脂肪酶活性中心上方，當脂肪酶與疏水界面接觸時，“蓋子”打開，活性中心才會外露。與化學堿處理相比，脂肪酶在相對低的濃度（0.01 g/L）、溫和的反應溫度（25 ℃）和較短的反應時間（10 min）下就能改善滌綸織物的潤濕性和吸水性能。同時脂肪酶對滌綸表面進行降解后，纖維表面變得比較粗糙，水的接觸角變小，表面形成極性基團羥基（—OH）和羧基（—COOH），親水性得到顯著改變。

角質酶（cutinase，EC 3.1.1.74）是一種絲氨酸酯酶，已證實至少有22種植物病原真菌能產生角質酶。角質酶的活性中心位于整個結構的頂端，并暴露于溶劑中，沒有蓋子結構遮擋，因此沒有界面活化現象。角質酶的分子量普遍較小；最適溫度為30 ～ 60 ℃；最適pH值偏堿性，通常為 8 ～ 10，當pH值低于 7 時酶的活性急劇下降。據文獻報道，源于真菌F.solani的角質酶在PET生物處理中運用較多。Nimchua等采用源于不同菌屬的角質酶在相同條件下處理PET纖維，檢測對苯二甲酸（TA）的生成量，發現相同酶活性下兩種角質酶釋放的TA量相差兩倍，因此同類酶來源不同則催化效率也有差異。

1.2 菌

在最初對菌的研究中，人們的焦點主要集中于從對酯鍵有水解作用的商品化的脂肪酶或酯酶中篩選出可用于催化PET水解的酶，但效果均不理想。于是人們轉向環境微生物，用PET單體及其模擬物作為底物，進行相關菌株的篩選與分離。盡管PET被看作“不可降解的聚酯”，但有學者采用源于Trichosporonh和Arthrobacter的菌株作用于PET纖維的無定形區，8 周后能使纖維失重約15%；之后，Müller等使用放射菌類嗜熱裂孢菌（Thermobifida fusca）解聚PET膜和顆粒，在55 ℃下其腐蝕速度能達到每周 8 ～ 17 μm。目前，日本學者篩選的Ideonella sakaiensis 201-F6細菌在30 ℃下作用 6 周后基本能使PET膜（結晶度為1.9%）完全降解。目前用于處理PET的菌株，從種類上看涵蓋了細菌、放線菌、真菌和霉菌。同時微生物菌處理PET進行生物分解，是伴隨菌的生長和底物分解的生物過程，遠比直接以酶為生物催化劑的過程復雜。

2 不同形態的PET生物加工

2.1 PET膜的生物處理

對于PET膜的處理，酶的選擇也是一個重要因素。Eberl等使用角質酶催化水解PET膜后有TA、單（2-羥乙基）對苯二甲酸（MHET）產物生成，而經脂肪酶處理沒有這些產物生成，表明其不能催化水解PET膜。

PET的結晶度很大程度上限制了其生物加工能力。為消除結晶度的影響，張健飛等采用自制的無結晶區域存在但高分子結構沒有改變的PET膜，經過 3 個月的生物加工后，其薄膜表面有明顯的孔洞刻蝕的痕跡出現。Ronkuist等和Vertommen等探究了幾種角質酶水解不同結晶度的PET膜，其處理效果如表 1 所示。結晶度低的PET在一定的生物加工處理后，其結晶度有較明顯增加，而結晶度高的PET卻沒有增加，說明結晶度是一個重要的影響因素。此外降解發生的溫度與聚酯結晶部分的熔融溫度有關，酶在接近聚酯玻璃化溫度條件下催化處理低結晶度（7%）的PET膜，96 h后其失重率可達97%，并且降解的水溶性產物僅有TA和乙二醇（EG）；同時角質酶作用于結晶度為7%的PET的活性比作用于結晶度為35%的PET要高10倍。因此，當酶有較好的熱穩定性時，其水解效果更好。最近，日本京都理工學院的Yoshida S等搜集了帶有沉積物、土壤、污水以及來自PET瓶回收站點活性污泥的250份PET殘片樣品，從中篩選出了能夠以低結晶度PET膜（結晶度為1.9%）為碳源和能源的微生物Ideonella sakaiensis 201-F6。圖 1（a）對比了PET膜在經酶處理前后的SEM掃描圖像，發現經過一定時間處理后PET膜大部分能被I.sakaiensis酶降解；圖 1（b）則進一步表明在30 ℃下培養 6 周后PET膜基本完全降解。綜上可以看出，PET膜生物可降解性受到其化學結構、結晶度和分子量的影響。

2.2 PET顆粒的生物處理

隨著微納米技術的發展，科研工作者們嘗試將PET制備成微納米顆粒，增加與酶和菌株的接觸面積。對于粒徑為 4 ～ 6 mm的PET顆粒，酶在最適條件下處理 8 h后能釋放出芳香族化合物。酶法水解不溶性聚酯是一個表面侵蝕的過程，因為酶分子的大小無法直接滲透進入聚合物內部，因此可以通過擴大聚酯的可利用表面來大大提高降解的速度，PET顆粒的粒徑尺寸越小，則PET粒子與酶接觸比表面積越大。

Herog等人使用脂肪酶法水解了幾種粒徑在50 ～ 250 nm的脂肪族和芳香族聚酯納米粒子，可能是PET小尺寸粒子有較高的比表面積，相比膜的降解速度酶水解聚酯納米粒子的速度明顯提高。Wei等對比了由PET顆粒、膜和纖維所制成的納米粒子的水解速率和水解吸附平衡常數，得出PET的生物降解能力主要受聚酯鏈段的流動性影響較大，因為鏈段的流動性決定了酶與酯鍵的親和力和可接近性，從而決定了酶水解聚酯的速度，而鏈的流動性又與材料的結晶度相關。而Barth等發現水解中間產物MHET和BHET對水解酶水解PET納米粒子有抑制作用。MHET進一步水解生成TA的速度比生成BHET慢得多，這是在PET納米粒子降解過程中限制水解酶降解效率的主要因素。此外酶與納米粒子之間的大小比例也會影響降解速率，納米粒子表面的強曲率可能會影響酶的吸附，從而影響其催化降解。

2.3 PET纖維的生物處理

目前PET纖維的表面功能化主要采用堿減量法，生物加工的方法只是作為輔助手段。隨著對PET纖維生物加工研究的逐步深入，發現酶水解使纖維表面的羥基和羧基基團的數量增多，從而增加吸水性；而堿處理沒有羥基和酸性基團出現。從酶的角度來看，其種類影響PET的降解修飾效果。李旭明等人用脂肪酶（L3126）處理滌綸織物，發現一定條件下脂肪酶能有效催化滌綸織物水解，但效果不理想，僅對滌綸表面產生一定侵蝕，但能有效改善其親水性。同時，Akbar等研究了脂肪酶水解對滌綸長絲紗的改性作用，酶水解后，滌綸紗的失重率小于0.5%，強度損失達10%，斷裂延伸率下降7% ～ 25%，水吸收率升高達50%；酶水解僅限于纖維表面，與纖維的拉伸率相比，纖維表面積對酶水解作用的影響更大。相比角質酶，Nimchua等采用源于Fusarium oxysporum（尖孢鐮刀菌屬）strain LCH1和Fusarium solani（腐皮鐮刀菌）兩種真菌的角質酶，在相同濃度、pH值為 7、30 ℃下分別處理PET織物（20 cm×2 cm），經過長達168 h的處理后，PET織物的吸水性能發生一些變化，如表 2 所示（結果以10 min內水的升高高度表示）。

從纖維角度來看，起初針對纖維狀的PET采用天然微生物降解，從電鏡上觀察雖有較明顯的刻蝕痕跡，但其降解率很低。由于PET結構緊密同時纖維的表面光滑，因而酶難以攻擊和降解其結構，因而形成的侵蝕跡象較淺，降解作用有限。后來經過篩選和誘導，酶能夠對纖維表面產生明顯均勻的刻蝕效果。Wang等利用DTP、BHET和聚酯短纖維作為誘導物，使米曲霉菌（Aspergillus oryzae）產生脂肪酶來水解PET織物底物，發現BHET的誘導效果最好，PET經過其誘導酶處理后表面產生很多的羧基基團，反應后底物中有塊狀PET、TA產生并有單（2-羥基乙基）對苯二甲酸酯（mono（2-hydroxyethyl）terephthalate，MHT）生成。發現酶優先水解PET的無定形區域，釋放出大量的MHET、TA和BHET；而半結晶纖維只有MHET和TA釋放出來，由于在無定形區聚酯鏈具有高彈性，因而酶的活性點容易接近聚酯鏈。Alisch等研究發現酶與纖維的作用在溫度接近纖維的玻璃化溫度（大約80 ℃）時，PET鏈容易移動到聚合物表面，因而認為較高的溫度有利于催化水解PET。生物加工處理后PET酯鍵基團減少，末端親水基團（—OH、—COOH）增加，使纖維表面具有親水性，滌綸織物的抗污性、潤濕性和染色性能均得到不同程度的改善。纖維的動電電荷、纖維粘著性以及纖維表面鍵的穩定性，都是不容忽視的影響因素。

3 結語

生物加工作為一種清潔環保工藝，在許多領域已得到廣泛應用。當前，業界雖然在通過PET生物加工賦予PET材料功能化方面取得了一定進展，如聚合物底物表面形成新的基團，能夠增加材料表面的親水性，但仍有一些問題亟待解決。目前處理PET所用的商業酶制劑并不是單獨以PET作為底物而設計的酶，因而有待發現水解PET效果更佳、具有高活性并能夠進入PET內部進行降解的新酶。酶催化處理溫度通常低于PET的玻璃化轉變溫度，可添加有效的助劑以降低聚酯的玻璃化轉變溫度，并在低溫條件下使非結晶部位的纖維易于接近。從PET材料的特性來看，其分子鏈上存在一定量的酯鍵，內部具有結晶區，熔融溫度較高，因此可通過優化PET分子結構、降低聚酯的聚合度和結晶度等方式從而使其得到良好的生物降解性能，其他還包括增加底物與微生物的接觸面積以及與微生物的親和性等方法。

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