玉米的“變身”

劉琪 何文清

相信很多人都喜歡吃玉米，其實，不僅我們?nèi)祟悙鄢裕芏鄤游镆舶阉?dāng)作美食。但你知道嗎？除了作為糧食和飼料，玉米還是重要的工業(yè)原料，常被用來加工成玉米淀粉、玉米胚芽油、無水乙醇等，具有極其豐富的用途。更為神奇的是，利用科學(xué)“魔法”，我們還可以把它變成塑料呢！

無處不在的塑料污染

生活中，我們會不可避免地使用到塑料制品，它給我們帶來諸多便利。但是，各種包裝袋、購物袋、塑料餐具、飲料瓶、農(nóng)用地膜、醫(yī)療用品等一次性的塑料制品，如果在使用后沒有得到妥善回收和處置，就會對人類和動物的生存環(huán)境構(gòu)成巨大的威脅。

如今，珠穆朗瑪峰、馬里亞納海溝、南極海域等地，都發(fā)現(xiàn)了塑料垃圾的蹤跡，無處不在的塑料污染正嚴(yán)重威脅地球的生態(tài)環(huán)境。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步、環(huán)境管理和人們環(huán)保意識的增強，許多國家和地區(qū)逐步推出“限塑令”，生物降解塑料的研究和應(yīng)用也隨之得到長足發(fā)展。

在眾多生物降解塑料中，聚乳酸（PLA）因具有良好的生物安全性、相容性，可以全生物降解，易于加工且價格適中，在過去近20年中成為研究和應(yīng)用最廣泛的生物降解塑料之一。這也給了玉米“大展拳腳”的機會。

玉米如何變成聚乳酸

科研人員是如何給玉米“施展魔法”，讓玉米變成聚乳酸的呢？其實，聚乳酸是以玉米提取的淀粉為最初原料，經(jīng)過酶水解等途徑得到葡萄糖，再加入乳酸菌發(fā)酵后變成乳酸，最后經(jīng)過化學(xué)合成得到的。

聚乳酸是由單個的乳酸經(jīng)過一系列化學(xué)過程聚合而成的，這個過程就像是成百上千的小朋友在較短時間內(nèi)手拉手連起來一樣。

其實，用于合成聚乳酸的乳酸來源十分廣泛，除了可以用玉米提取出的淀粉，還可以用木薯、甘蔗、甜菜提取的糖以及甘蔗渣、甜菜粕和秸稈等提取的纖維素為原料，經(jīng)過發(fā)酵、脫水等過程獲得。

玉米變成聚乳酸的過程

由于發(fā)酵得到的乳酸中常含有微量甲酸、乙酸、乙醇或富馬酸等雜質(zhì)，它們就像是緊抱雙臂拒絕拉手的“小淘氣包”一樣，會造成聚合反應(yīng)的終止。因此，往往需要進行純化去除這些副產(chǎn)物，才能完成聚乳酸的生產(chǎn)。

化學(xué)合成聚乳酸困難重重

那么，我們可不可以用化學(xué)合成的方法獲得乳酸，再生產(chǎn)聚乳酸呢？答案是很難。

?無處不在的塑料污染正嚴(yán)重威脅地球的生態(tài)環(huán)境（概念圖）

這里需要介紹一下手性化合物，它是指一對分子量、分子結(jié)構(gòu)相同，但分子排列呈鏡像對稱的化合物，屬于立體異構(gòu)。一對手性化合物就像是鏡子內(nèi)外的物品，亦如人的左右手，從大拇指到小拇指的次序相同，但左手是從左向右，右手則是從右向左，左右對稱。乳酸是自然界中最小的手性分子，包括左旋型L-乳酸和右旋型D-乳酸。

聚乳酸形成示意圖

若想得到聚乳酸，通常要求

L-乳酸的占比要大于96%，即D-乳酸含量要小于4%。然而，化學(xué)合成的乳酸往往只能得到兩者比例為1∶1的混合物，因此很難通過化學(xué)合成獲得生產(chǎn)聚乳酸所需要的乳酸原料。由此，玉米等天然生物質(zhì)就成為獲得高L-乳酸的主要原料來源。

玉米通過光合作用，利用太陽光能將二氧化碳和水合成淀粉，玉米淀粉經(jīng)過前面我們提到的一系列過程變成聚乳酸，再經(jīng)過塑料加工過程獲得聚乳酸制品，在其使用后通過堆肥等過程最終變回二氧化碳和水。

?左旋型L-乳酸和右旋型D-乳酸示意圖

知識鏈接

聚乳酸那些你意想不到的用途

目前，聚乳酸常用于包裝袋、購物袋、農(nóng)用生物降解地膜、紡織纖維和一次性餐具等物品的生產(chǎn)。除了日常的一次性塑料制品，聚乳酸還有很多“高端”用途。在生物醫(yī)學(xué)工程上，可用作手術(shù)縫合線、骨釘和骨板等，這些材料可以緩慢水解為乳酸而被身體代謝掉，免去拆線和二次手術(shù)的麻煩與風(fēng)險。此外，聚乳酸還可以用于生產(chǎn)形狀記憶聚合物、3D打印材料、汽車配件、電子產(chǎn)品、建筑材料、美容整形產(chǎn)品等。

聚乳酸產(chǎn)品廢棄物處理方式有多種，包括堆肥、自然分解、焚化處理等，也可以再生利用，還可以轉(zhuǎn)化為丙交酯、丙氨酸進行高值化利用。

聚乳酸是有利于實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)的環(huán)保材料。從全生命周期角度看，在當(dāng)今全球變暖的大背景下，合理利用聚乳酸是減少資源消耗和溫室氣體排放的一種有效途徑，也是符合中國“雙碳”目標(biāo)的一項舉措！