聚ε-己內(nèi)酯薄膜的脂肪酶促降解

馬慶峰, 李會(huì)舉, 沈智奇, 郭長(zhǎng)友, 蘇婷婷*, 王戰(zhàn)勇

(1.遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001；2.遼寧石油化工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)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(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，資源與環(huán)境是人們21世紀(jì)所面臨的重大問題。塑料因其制作工藝簡(jiǎn)便和其低廉的價(jià)格為人們廣泛使用，但給人們帶來(lái)便利的同時(shí)也為人們賴以生存的地球帶來(lái)了環(huán)境污染和能源危機(jī)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(nèi)酯通過開環(huán)聚合而成，因其可被自然界中的微生物降解，不會(huì)造成對(duì)環(huán)境造成污染，而逐漸受到關(guān)注和應(yīng)用。

PCL屬于脂肪族聚酯，因此一些脂肪酶對(duì)其具有降解作用。例如：來(lái)源于植物乳桿菌的脂肪酶經(jīng)10 d的降解可使PCL薄膜失重率達(dá)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(nèi)酯 - 2,2 - 二甲基三亞甲基碳酸酯)和PCL共同存在的情況下經(jīng)過7 d的降解，豬胰脂肪酶對(duì)PCL的降解率可以達(dá)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(fā)現(xiàn)PCL濃度的增加可導(dǎo)致降解速率降低。本文直接利用商品級(jí)脂肪酶對(duì)PCL薄膜進(jìn)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(guī)律，進(jìn)而促進(jìn)其應(yīng)用推廣及廢棄物處理。

1 實(shí)驗(yàn)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(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

無(wú)水磷酸氫二鉀(K2HPO4)，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

電子天平，ALC-210.4，德國(guó)賽多利斯股份公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9146A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

平板硫化機(jī)，TSE-18A，江蘇省江陰市文林化工機(jī)械廠；

水浴恒溫振蕩器，SHZ-82，常州國(guó)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(guó)TA公司；

熱重分析儀(TG)，Q600，美國(guó)TA公司；

X射線多晶粉末衍射儀(XRD)，D8 Advance，德國(guó)布魯克公司；

核磁共振儀(NMR)，Ascend 400M，美國(guó)Bruker公司；

串聯(lián)四級(jí)桿質(zhì)譜(MS)，Quattro Premier XE，美國(guó)Waters公司。

1.3 樣品制備

PCL薄膜的制備：PCL經(jīng)40 ℃真空干燥至恒重后，100 ℃熱壓機(jī)預(yù)熱2 min，保壓(50 kg/cm2)1 min后轉(zhuǎn)移至冷壓機(jī)(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(guī)格形狀，干燥至恒重，稱重待用。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)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(shí)取出薄膜，充分清洗后，真空干燥至恒重并稱重，按式(1)計(jì)算薄膜失重率；

(1)

式中R——薄膜失重率， %

m0——降解前薄膜的質(zhì)量，g

m1——降解后薄膜的質(zhì)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(jìn)行形貌觀察;

DSC分析條件：氮?dú)饬魉贋?0 mL/min，升溫速率為10 ℃/min，測(cè)定范圍為-80～100 ℃，利用DSC測(cè)試降解前后的PCL，并根據(jù)PCL標(biāo)準(zhǔn)焓ΔH0(68 J/g)[5]計(jì)算PCL降解前后結(jié)晶度的變化，計(jì)算公式為：

(2)

式中X——相對(duì)結(jié)晶度， %

ΔH——降解后PCL的融熔焓，J/g

TG分析：氮?dú)饬魉贋?0 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(cè)試：CuKα線(λ=0.1541 nm)為射線源，25 ℃，步長(zhǎng)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(cè)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(cè)試：使用截留相對(duì)分子質(zhì)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(jìn)行MS分析，測(cè)試離子源為ESI，正負(fù)電離模式同時(shí)掃描；毛細(xì)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(jié)果與討論

2.1 PCL隨降解時(shí)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(gè)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(nèi)，薄膜失重率隨時(shí)間呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，在作用12 h時(shí)失重率已達(dá)85 %以上，此階段酶的催化活性強(qiáng)，反應(yīng)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(dá)到86.9 %；緩慢降解階段的出現(xiàn)應(yīng)該與酸性降解產(chǎn)物的產(chǎn)生有關(guān)，而由于酸性降解產(chǎn)物的作用導(dǎo)致脂肪酶活性降低，進(jìn)而影響了薄膜的失重率。

圖1 脂肪酶對(duì)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(shí)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(xiàn)薄膜破碎和斷裂的情況；降解時(shí)間為20 h時(shí)，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(lái)的1/3。

降解時(shí)間/h：(a) 0 (b) 1 (c) 2 (d) 4 (e) 6 (f) 8 (g) 12 (h) 16 (i) 20圖2 經(jīng)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(jié)果

由圖3(a)可見，降解前的PCL薄膜表面較為光滑平整，有規(guī)則紋路，無(wú)斷裂破損現(xiàn)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(duì)其降解作用，薄膜表面開始變得粗糙并出現(xiàn)明顯的侵蝕痕跡；此后隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)，薄膜表面的侵蝕痕跡逐步擴(kuò)大；當(dāng)降解時(shí)間達(dá)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(xiàn)孔洞；此后隨著降解時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，孔洞逐漸增大。

降解時(shí)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(shí)間下PCL薄膜的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM of PCL films degraded for different time

降解時(shí)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(shí)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(shí)間的延長(zhǎng)，PCL薄膜的結(jié)晶溫度呈下降趨勢(shì)，由降解前19 ℃降到降解8 h后的15 ℃，而在8 h后PCL薄膜無(wú)結(jié)晶現(xiàn)象發(fā)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(shí)熔融溫度無(wú)明顯變化，而在8 h后未發(fā)現(xiàn)熔融過程。通過PCL的熔融焓計(jì)算其結(jié)晶度(圖5)，降解前PCL薄膜結(jié)晶度約為58.4 %。降解1～8 h的PCL結(jié)晶度呈明顯下降趨勢(shì)，說(shuō)明在此期間PCL薄膜的晶區(qū)部分降解明顯或者晶區(qū)降解速率大于非晶區(qū)部分[6]；而在8～20 h內(nèi)，結(jié)晶度無(wú)明顯變化，已達(dá)到低值，這應(yīng)該與酶因長(zhǎng)時(shí)間作用活性降低，對(duì)PCL不再降解有關(guān)。

圖5 降解不同時(shí)間后PCL薄膜結(jié)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(jīng)過脂肪酶的降解后，PBS薄膜的熱穩(wěn)定性發(fā)生了改變。降解前的PCL薄膜的起始分解溫度約為355 ℃。經(jīng)酶降解的PCL膜顯示出更低的熱穩(wěn)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(huì)隨著降解時(shí)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(duì)PCL薄膜的降解時(shí)間越長(zhǎng)，聚合物鏈的崩解程度越高，從而使起始分解溫度向低側(cè)移動(dòng)[7]。

降解時(shí)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(shí)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(shí)出現(xiàn)特征峰，分別對(duì)應(yīng)于(110)、(111)和(200)晶面[8]。由圖可知隨著降解的進(jìn)行，PCL的晶體尺寸呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。XRD的分析結(jié)果支持了DSC的分析結(jié)果。由DSC和XRD獲得的結(jié)果印證了降解過程中PCL薄膜的結(jié)晶度降低。

降解時(shí)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(shí)間時(shí)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(xué)位移(δ)為4.0處為—CH2—O—上的氫質(zhì)子的吸收峰；δ為2.25處為—O—CO—CH2—上氫質(zhì)子的吸收峰；氫譜中有4個(gè)強(qiáng)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(jié)構(gòu)相吻合[9]。NMR的結(jié)果證明PCL經(jīng)脂肪酶的降解作用后，本身并沒有發(fā)生變化。

降解時(shí)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(shí)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(chǎn)物的MS分析結(jié)果。PCL是由ε- 己內(nèi)酯開環(huán)聚合而成，其化學(xué)式為(C6H12O3)n，根據(jù)其分子式可知圖中131對(duì)應(yīng)ε- 羥基己酸(己內(nèi)酯開環(huán)形式)，245處對(duì)應(yīng)為ε- 羥基己酸二聚體；反應(yīng)體系中未檢測(cè)出其他寡聚體，說(shuō)明脂肪酶可能是通過外切型鏈端斷裂發(fā)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(chǎn)物的MS分析結(jié)果Fig.9 MS of degradation products of PCL

3 結(jié)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(jīng)降解12 h后的降解率為85 %，而在20 h時(shí)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(xiàn)孔洞；PCL的結(jié)晶度隨著降解時(shí)間的增加而降低；熱穩(wěn)定性隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)也逐漸降低；

(3)PCL降解前后自身的化學(xué)組成無(wú)明顯變化；

(4)PCL的脂肪酶降解產(chǎn)物為ε- 羥基己酸及其二聚體，無(wú)其他寡聚體。