聚ε-己內酯薄膜的脂肪酶促降解

馬慶峰, 李會舉, 沈智奇, 郭長友, 蘇婷婷*, 王戰勇

(1.遼寧石油化工大學化學化工與環境學部，遼寧 撫順 113001；2.遼寧石油化工大學計算機與通信工程學院，遼寧 撫順 113001；3.中石化大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045)

0 前言

隨著經濟和科學技術的發展，資源與環境是人們21世紀所面臨的重大問題。塑料因其制作工藝簡便和其低廉的價格為人們廣泛使用，但給人們帶來便利的同時也為人們賴以生存的地球帶來了環境污染和能源危機等問題。而可降解高分子材料是解決這一難題的重要途徑之一[1]。PCL是ε- 己內酯通過開環聚合而成，因其可被自然界中的微生物降解，不會造成對環境造成污染，而逐漸受到關注和應用。

PCL屬于脂肪族聚酯，因此一些脂肪酶對其具有降解作用。例如：來源于植物乳桿菌的脂肪酶經10 d的降解可使PCL薄膜失重率達到60 %[2]；豬胰脂肪酶同樣具有降解PCL薄膜的能力[3]，在聚(3 - 己內酯 - 2,2 - 二甲基三亞甲基碳酸酯)和PCL共同存在的情況下經過7 d的降解，豬胰脂肪酶對PCL的降解率可以達到30 %；Aris等[4]則是利用源于南極假絲酵母的脂肪酶在甲苯中降解PCL，研究發現PCL濃度的增加可導致降解速率降低。本文直接利用商品級脂肪酶對PCL薄膜進行生物降解研究，繼而分析研究PCL的酶促降解行為，以期解析PCL的生物降解規律，進而促進其應用推廣及廢棄物處理。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PCL，6300，Mw=37 000，瑞典Perstorp公司；

脂肪酶，酶活力5 000 U/g，北京高瑞森科技有限公司；

磷酸二氫鉀(KH2PO4)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

無水磷酸氫二鉀(K2HPO4)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 主要設備及儀器

電子天平，ALC-210.4，德國賽多利斯股份公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱，DHG-9146A，上海精宏實驗設備有限公司；

平板硫化機，TSE-18A，江蘇省江陰市文林化工機械廠；

水浴恒溫振蕩器，SHZ-82，常州國華電器有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，SU8010，日本日立公司；

差示掃描量熱儀(DSC)，DSC-Q20，美國TA公司；

熱重分析儀(TG)，Q600，美國TA公司；

X射線多晶粉末衍射儀(XRD)，D8 Advance，德國布魯克公司；

核磁共振儀(NMR)，Ascend 400M，美國Bruker公司；

串聯四級桿質譜(MS)，Quattro Premier XE，美國Waters公司。

1.3 樣品制備

PCL薄膜的制備：PCL經40 ℃真空干燥至恒重后，100 ℃熱壓機預熱2 min，保壓(50 kg/cm2)1 min后轉移至冷壓機(室溫)冷卻10 min，得厚度約為0.5 mm的PCL薄膜，將其裁剪為1 cm×3 cm規格形狀，干燥至恒重，稱重待用。

1.4 性能測試與結構表征

PCL薄膜的降解：將上述PCL薄膜置于酶濃度30 U/mL的10 mL磷酸鉀緩沖液(pH 7.2)中，45 ℃恒溫孵育，定時取出薄膜，充分清洗后，真空干燥至恒重并稱重，按式(1)計算薄膜失重率；

(1)

式中R——薄膜失重率， %

m0——降解前薄膜的質量，g

m1——降解后薄膜的質量，g

利用SEM觀察降解前后的薄膜，加速電壓為20 kV，樣品適量噴金后，進行形貌觀察;

DSC分析條件：氮氣流速為50 mL/min，升溫速率為10 ℃/min，測定范圍為-80～100 ℃，利用DSC測試降解前后的PCL，并根據PCL標準焓ΔH0(68 J/g)[5]計算PCL降解前后結晶度的變化，計算公式為：

(2)

式中X——相對結晶度， %

ΔH——降解后PCL的融熔焓，J/g

TG分析：氮氣流速為30 mL/min，升溫速率為10 ℃/min，掃描溫度范圍為室溫-700 ℃，利用TG分析降解前后的PCL薄膜；

XRD測試：CuKα線(λ=0.1541 nm)為射線源，25 ℃，步長5 (°)/min，管壓40 kV，管流200 mA，掃描范圍：2θ=5 °～50 °，掃描速率為2 (°)/min；

NMR測試：PCL溶于氘代氯仿中，利用1H-NMR分析降解前后的PCL薄膜；

MS測試：使用截留相對分子質量為3 000道爾頓的超濾離心管處理PCL酶解后的緩沖液，取膜下液進行MS分析，測試離子源為ESI，正負電離模式同時掃描；毛細管電壓為3.5 kV，錐孔電壓為20 kV，RF透鏡電壓為0.5 V，溫度以10 ℃/min的速率增加至450 ℃。

2 結果與討論

2.1 PCL隨降解時間的失重情況

由圖1可知，PCL薄膜的失重過程大致可分為2 個階段：快速降解階段和緩慢降解階段。0～12 h為快速降解階段，此階段內，薄膜失重率隨時間呈現增長趨勢，在作用12 h時失重率已達85 %以上，此階段酶的催化活性強，反應迅速；12～20 h為緩慢降解階段，在此期間PCL薄膜的失重率增幅不明顯，只有小幅度增加，最終在20 h達到86.9 %；緩慢降解階段的出現應該與酸性降解產物的產生有關，而由于酸性降解產物的作用導致脂肪酶活性降低，進而影響了薄膜的失重率。

圖1 脂肪酶對PCL薄膜降解的失重曲線Fig.1 The weight loss curve of PCL films degraded by lipase

由圖2(a)可見，PCL薄膜降解前表面光滑且完整，而隨著降解時間的增加，PCL薄膜不斷被脂肪酶酶解。PCL薄膜的厚度逐漸變薄，薄膜表面變得愈加粗糙，甚至開始出現薄膜破碎和斷裂的情況；降解時間為20 h時，PCL薄膜表面積(3.0 cm×0.47 cm)約為降解前的1/2，厚度(約0.017 cm)約為原來的1/3。

降解時間/h：(a) 0 (b) 1 (c) 2 (d) 4 (e) 6 (f) 8 (g) 12 (h) 16 (i) 20圖2 經脂肪酶作用的PCL薄膜Fig.2 PCL films after action by lipase

2.2 降解后PCL薄膜的SEM觀察結果

由圖3(a)可見，降解前的PCL薄膜表面較為光滑平整，有規則紋路，無斷裂破損現象；降解1 h后的PCL薄膜表面[圖3(b)]能夠看出由于脂肪酶對其降解作用，薄膜表面開始變得粗糙并出現明顯的侵蝕痕跡；此后隨著降解時間的延長，薄膜表面的侵蝕痕跡逐步擴大；當降解時間達到8 h[圖3(d)]后，脂肪酶的降解使得PCL薄膜的表層開始出現孔洞；此后隨著降解時間的進一步延長，孔洞逐漸增大。

降解時間/h：(a)0 (b)1 (c)2 (d)4 (e)6 (f)8 (g)12 (h)16 (i)20圖3 不同降解時間下PCL薄膜的SEM照片Fig.3 SEM of PCL films degraded for different time

降解時間/h：1—0 2— 1 3—2 4—4 5—6 6—8 7—12 8—16 9—20(a)一次降溫曲線 (b)二次升溫曲線圖4 不同降解時間下PCL薄膜的DSC曲線Fig.4 DSC curves of PCL films degraded for different time

2.3 降解后PCL薄膜的DSC分析

由圖4(a)可見，隨著降解時間的延長，PCL薄膜的結晶溫度呈下降趨勢，由降解前19 ℃降到降解8 h后的15 ℃，而在8 h后PCL薄膜無結晶現象發生；由圖4(b)可見，降解前PCL薄膜的熔融溫度約為53 ℃，在降解8 h時熔融溫度無明顯變化，而在8 h后未發現熔融過程。通過PCL的熔融焓計算其結晶度(圖5)，降解前PCL薄膜結晶度約為58.4 %。降解1～8 h的PCL結晶度呈明顯下降趨勢，說明在此期間PCL薄膜的晶區部分降解明顯或者晶區降解速率大于非晶區部分[6]；而在8～20 h內，結晶度無明顯變化，已達到低值，這應該與酶因長時間作用活性降低，對PCL不再降解有關。

圖5 降解不同時間后PCL薄膜結晶度的變化Fig.5 Crystallinity of PCL films degraded for different time

2.4 降解前后PCL薄膜的TG分析

如圖6所示，經過脂肪酶的降解后，PBS薄膜的熱穩定性發生了改變。降解前的PCL薄膜的起始分解溫度約為355 ℃。經酶降解的PCL膜顯示出更低的熱穩定性，脂肪酶降解1 h后其起始分解溫度約為346 ℃，起始分解溫度會隨著降解時間的增加而降低，在降解20 h后其起始分解溫度降至289 ℃。脂肪酶對PCL薄膜的降解時間越長，聚合物鏈的崩解程度越高，從而使起始分解溫度向低側移動[7]。

降解時間/h：1—0 2—1 3—2 4—4 5—6 6—8 7—12 8—16 9—20(a)0～700 ℃TG曲線 (b)200～400 ℃TG曲線圖6 降解不同時間后PCL薄膜的TG分析Fig.6 TG analysis of PCL films degraded for different time

2.5 降解前后PCL薄膜的XRD分析

如圖7所示，在2θ= 21.3 °、22.4 °和23.7 °時出現特征峰，分別對應于(110)、(111)和(200)晶面[8]。由圖可知隨著降解的進行，PCL的晶體尺寸呈現降低趨勢。XRD的分析結果支持了DSC的分析結果。由DSC和XRD獲得的結果印證了降解過程中PCL薄膜的結晶度降低。

降解時間/h：1—0 2—1 3—2 4—4 5—66—8 7—12 8—16 9—20圖7 不同降解時間時PCL薄膜的XRD曲線Fig.7 XRD curves of PCL films with different degradation time

2.6 降解后PCL薄膜的NMR分析

從圖8可看出：在化學位移(δ)為4.0處為—CH2—O—上的氫質子的吸收峰；δ為2.25處為—O—CO—CH2—上氫質子的吸收峰；氫譜中有4個強吸收峰，峰面積的比例為2∶2∶4∶2，在δ為1.7處的吸收峰為重疊峰，與PCL的單元結構相吻合[9]。NMR的結果證明PCL經脂肪酶的降解作用后，本身并沒有發生變化。

降解時間/h：1—0 2—1 3—2 4—4 5—66—8 7—12 8—16 9—20圖8 降解不同時間后PCL薄膜的1H-NMR分析Fig.8 NMR analysis of PCL films after degradation for different time

2.7 降解后PCL薄膜的MS分析

圖9為PCL降解產物的MS分析結果。PCL是由ε- 己內酯開環聚合而成，其化學式為(C6H12O3)n，根據其分子式可知圖中131對應ε- 羥基己酸(己內酯開環形式)，245處對應為ε- 羥基己酸二聚體；反應體系中未檢測出其他寡聚體，說明脂肪酶可能是通過外切型鏈端斷裂發揮作用使PCL被解聚成ε- 羥基己酸及其二聚體。

圖9 PCL降解產物的MS分析結果Fig.9 MS of degradation products of PCL

3 結論

(1)脂肪酶濃度為30 U/mL，溫度為45 ℃，pH 7.2的降解條件下PCL經降解12 h后的降解率為85 %，而在20 h時降解率為86.9 %；

(2)PCL薄膜表面由于脂肪酶的水解作用變得粗糙，甚至出現孔洞；PCL的結晶度隨著降解時間的增加而降低；熱穩定性隨著降解時間的延長也逐漸降低；

(3)PCL降解前后自身的化學組成無明顯變化；

(4)PCL的脂肪酶降解產物為ε- 羥基己酸及其二聚體，無其他寡聚體。