聚羥基脂肪酸（poly-hydroxyalkanoates，PHA）是一種環(huán)境友好型的生物可降解塑料。
聚羥基脂肪酸酯是微生物在其他營(yíng)養(yǎng)限制而碳源過剩的條件下合成的一類碳源和能源的貯藏性顆粒，是一類生物線性有機(jī)高分子化合物聚酷，具有良好的生物可降解性和生物相容性。
聚羥基脂肪酸酯可由地球上的絕大多數(shù)微生物胞內(nèi)合成，無須復(fù)雜化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)；且相對(duì)于傳統(tǒng)聚乙烯、聚丙烯等，其結(jié)構(gòu)和性能更加多樣，因而應(yīng)用前景更為廣泛，形成了包括可降解材料、醫(yī)用材料、智能材料、藥物、燃料等在內(nèi)的聚羥基脂肪酸酯產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈。
概述
聚羥基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)，是近20多年迅速發(fā)展起來的，是很多微生物合成的一種細(xì)胞內(nèi)聚酯，是一種天然的有機(jī)高分子化合物生物材料。由于PHA同時(shí)具有良好的生物相容性能?生物可降解性和塑料的熱加工性能，所以它同時(shí)可作為生物醫(yī)用材料和生物可降解包裝材料，因此它已經(jīng)成為近年來生物材料領(lǐng)域最為活躍的研究熱點(diǎn)。PHA還具有非線性光學(xué)性?壓電性?氣體相隔性很多高附加值性能。
天然的或合成的生物可降解的高分子材料往往有很高的水蒸氣透過性，這在食品保鮮中是不利的。而PHA則具有良好的氣體阻隔性，使其可能應(yīng)用在較長(zhǎng)時(shí)間的鮮品保鮮包裝上。因?yàn)樗拇┩甘潜ｕr包裝中的重要指標(biāo)，PHA在這一點(diǎn)上的性能是完全可以和現(xiàn)在的PET?PP等產(chǎn)品等相比的。另—方面，PHA還具有較好的水解穩(wěn)定性，將由PHA制成的杯子用75℃的自動(dòng)洗碗機(jī)總洗20個(gè)循環(huán)，它的形狀和分子量都沒有發(fā)生變化，表明PHA可以很好地用于器具生產(chǎn)。此外與其它聚烯烴類?·聚芳烴類聚合物比，PHA還具有很好的紫外穩(wěn)定性。PHA還可作為生物可降解的環(huán)保溶劑的來源，如乙基羥基—酸EHB(乙酯3—hydroxy—butyrate)是水溶性的，具有低揮發(fā)性，可以用于清潔劑?膠粘劑?染料?墨水的溶劑。正因?yàn)镻HA匯集了這些優(yōu)良的性能，使其可以在包裝材料?粘合材料?噴涂材料和衣料?器具類材料?電子產(chǎn)品?耐用消費(fèi)品?農(nóng)業(yè)產(chǎn)品?自動(dòng)化產(chǎn)品?化學(xué)介質(zhì)和溶劑等領(lǐng)域中得到應(yīng)用。
研究歷史
20世紀(jì)初，在A zotobacter chroococcum中發(fā)現(xiàn)了一種親蘇丹染料、可溶于三氯甲烷的類脂肪包涵體，其后在芽孢桿菌屬 megaterium中又發(fā)現(xiàn)了類似的包涵體，其組成被鑒定為聚-D-3-羥基丁酸（poly-D-3-hydroxybutyric acid or P-(3HB) )。20 世紀(jì)60年代，除了D( ─)-3γ-羥基丁酸(3HB) ，其它單體開始有了報(bào)道。 20世紀(jì)80 年代初，在細(xì)菌合成的PHA 中發(fā)現(xiàn)了3-羥基戊酸、3-羥基己酸和3-羥基辛酸單體。之后，在眾多的PHA 合成菌中發(fā)現(xiàn)了許多新的單體，到1998 年，已經(jīng)有超過125 種PHA 被發(fā)現(xiàn)。可以期望將有更多的PHA 組成單體通過用不同的菌種、不同的發(fā)酵底物以及代謝調(diào)控等方法被合成和發(fā)現(xiàn)。
組成分類
PHA 大多數(shù)單體是鏈長(zhǎng)3～14個(gè)碳的3-羥基脂肪酸，其側(cè)鏈R是高度可變的飽和或不飽和、直鏈或支鏈、脂肪族或芳香族的基團(tuán)。根據(jù)單體的碳原子數(shù)。
PHA可以根據(jù)單體中碳原子數(shù)目的不同分為3種：短鏈short-chain-length (SCL) 即3-5個(gè)碳原子,中鏈medium-chain-length (MCL) 即6-14個(gè)碳原子 and 長(zhǎng)鏈long-chain-length (LCL) 即多于14個(gè)碳原子。目前已經(jīng)有多于100種不同的單體被報(bào)道，但是并沒有發(fā)現(xiàn)多于14個(gè)碳組成的長(zhǎng)鏈PHA。
性質(zhì)
PHA是由具有光學(xué)活性的(R)23HA單體組成的線性可降解聚酯 ,其物理性質(zhì)主要是由其單體組成決定的。由3(HB) 組成的均聚物P(3HB) 機(jī)械性能和加工性能都比較差，而其它的單體的插入會(huì)顯著地改善PHA 的性能并帶來一些新的特性，所以對(duì)非3 (HB) 單體的尋找吸引了科技和工業(yè)界的注意。P(3HB) 是最常見的生物聚酯，可以被很多種細(xì)菌所合成，其結(jié)晶度為55 %～80%。不過，在細(xì)菌體內(nèi)的聚合物為不溶于水的包涵體為無定型態(tài)。
優(yōu)勢(shì)
與PLA等生物材料相比，PHA結(jié)構(gòu)多元化，通過改變菌種?給料?發(fā)酵過程可以很方便地改變PHA的組成，而組成結(jié)構(gòu)多樣性帶來的性能多樣化使其在應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)組成PHA分成兩大類：一類是短鏈PHA(單體為C3C5)，一類是中長(zhǎng)鏈PHA(單體為C6-C14)，這些年已有報(bào)道菌株可合成短鏈與中長(zhǎng)鏈共聚羥基脂肪酸甲酯。PHA的生產(chǎn)經(jīng)歷了第一代PHA——聚羥基丁酸酯(PHB)，第二代PHA——羥基丁酸酸共聚酯(PHBV)和第三代PHA—羥基丁酸已酸共聚酯(PGBHHx)的生產(chǎn)，第三代PHA的PHBHHx是由清華大學(xué)及其合作企業(yè)實(shí)現(xiàn)了首次大規(guī)模生產(chǎn)，第四代產(chǎn)品P34HB（聚3-羥基丁酸酯/4-羥基丁酸酯共聚物）,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)主要以天津國(guó)韻生物材料有限公司（10000噸/年）和深圳意可曼生物科技有限公司（5000噸/年）。與傳統(tǒng)化工塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)過程相比較，PHA的生產(chǎn)是一種低能耗和低二氧化碳排放的生產(chǎn)，因此從生產(chǎn)過程到產(chǎn)品對(duì)于環(huán)境保護(hù)都是很有利的。
PHA既是一種性能優(yōu)良的環(huán)保生物塑料，又具有許多可調(diào)節(jié)的材料性能，其隨著成本的進(jìn)一步降低以及高附加值應(yīng)用的開發(fā)，將成為一種成本可被市場(chǎng)接受的多應(yīng)用領(lǐng)域生物材料。由于它是一個(gè)組成廣泛的家族，其從堅(jiān)硬到高彈性的性能使其可以適用于不同的應(yīng)用需要。PHA的結(jié)構(gòu)多樣化以及性能的可變性使其成為生物材料中重要的一員。相對(duì)于PLA，PHA發(fā)展的歷史很短，發(fā)展的潛力更大，其應(yīng)用的空間也更大。
合成方式
PHA只能在細(xì)胞體內(nèi)合成。許多蛋白參與了PHA合成、保持、降解和其它相關(guān)的代謝途徑。因?yàn)镻HA在細(xì)菌體內(nèi)存在為細(xì)胞質(zhì)內(nèi)不連續(xù)的包涵體，許多蛋白位于PHA包涵體的表面。
由于PHA合成酶的關(guān)鍵作用，其作用機(jī)制和性質(zhì)對(duì)細(xì)菌合成PHA的類型是非常重要的. 不過因?yàn)楹茈y獲取羥基脂肪酸輔酶A和高純度的合成酶，對(duì)合成酶的底物特異性研究一直面臨困境. 雖然合成酶底物特異性由其本身的生理環(huán)境決定的，但是還可以用分子手段來研究在其它環(huán)境中的情況。
合成途徑包括：糖酵解途徑; TCA 循環(huán)；脂肪酸B氧化途徑; 脂肪酸生物合成起始途徑; 脂肪酸生物合成延長(zhǎng)途徑; 其它相關(guān)途徑。
有關(guān)信息
PHA生產(chǎn)的另一條可行的途徑是利用轉(zhuǎn)基因植物來實(shí)現(xiàn)。PHA在植物中的合成，可以利用光能消耗二氧化碳，成為一種可持續(xù)?可再生的材料生產(chǎn)方式。現(xiàn)在已在煙草?馬鈴薯?棉花?油菜?玉米?苜蓿[xu]等植物中實(shí)現(xiàn)了包括PHB?PHBV以及中長(zhǎng)鏈PHA等不同PHA的合成。而其中在馬鈴薯塊根中的PHA合成是最具生產(chǎn)前景的。目前PHA的價(jià)格還很難和石油化工塑料相競(jìng)爭(zhēng)，而聚丙烯的價(jià)格低于1美元/kg，而一些最便宜的生物可降解塑料的價(jià)格為3-6美元 /Kg，而當(dāng)今理想的PHB的生產(chǎn)成本為4美元/kg，隨著規(guī)模的擴(kuò)大，生產(chǎn)成本將進(jìn)一步降低，但很難達(dá)到2-3美元/kg，這主要是由于細(xì)菌發(fā)酵底物成本所決定。但通過轉(zhuǎn)基因植物的PHA合成，有望將PHA的成本大大降低，因?yàn)橹参锢?a href="/hebeideji/7243191047270416436.html">二氧化碳和太陽(yáng)能生產(chǎn)植物油和淀粉的成本分別為0.5-1美元/kg和0.25美元/kg，另外植物中PHA的提取過程也有了較好的研究，提取成本不高于細(xì)菌中PHA的提取成本。PHA在植物中的生產(chǎn)將使經(jīng)濟(jì)作物的可再生資源使用大大地邁進(jìn)，這個(gè)項(xiàng)目的成功可能使到2020年植物生產(chǎn)基本化學(xué)原料和材料中可更新資源的使用增大5倍。
應(yīng)用前景
PHA因其良好的生物降解性和生物相容性在藥物緩釋體系中發(fā)揮著越來越重要的作用。最早的PHA作為藥物釋放包裹微球的研究是1983年對(duì)于PHB的研究，之后隨著PHBV 的發(fā)展，PHA的藥物包裹研究帶來了很大的進(jìn)展。研究表明可通過調(diào)節(jié)PHA的單體組成?分子量?藥物包裹量?包裹顆粒大小實(shí)現(xiàn)藥物的可控速率釋放。此外，很多學(xué)者還利用聚己內(nèi)酯等其他聚合物與PHA進(jìn)行混合包裹藥物的研究也取得了一定的成果。在PHA近十年的研究熱潮中，雖然在生產(chǎn)和應(yīng)用方面的主要技術(shù)專利仍掌握在美?歐?日等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)中，但我國(guó)這幾年在這方面的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在生產(chǎn)方面掌握了一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的菌種和后期工藝，特別是近兩年在組織組織工程研究方面有較好的研究成果，已有多項(xiàng)專利處于申請(qǐng)公開期，這些為PHA作為我國(guó)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物材料今后的產(chǎn)業(yè)化打下了良好的基礎(chǔ)。
醫(yī)療級(jí)PHA
據(jù)陳國(guó)強(qiáng)介紹，醫(yī)療級(jí)PHA有優(yōu)異的生物相容性，降解過程中可以維持力學(xué)性能，而且其降解產(chǎn)物可以促進(jìn)細(xì)胞快速生長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，其在組織修復(fù)和可吸收醫(yī)療器械中大有可為。但目前市面上沒有商業(yè)化的醫(yī)療級(jí)PHA供應(yīng)。?
參考資料 >
生物塑料.高分子網(wǎng).2015-06-17