白楨慧，蘇婷婷，王戰(zhàn)勇

(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)

0 前言

PBS作為環(huán)境友好的綠色高分子材料，自20世紀(jì)90年代商業(yè)化以來，便得到了科研人員的廣泛關(guān)注[1-2]。作為可生物降解塑料，PBS及PBS基聚酯具有媲美傳統(tǒng)石油基塑料的物理化學(xué)性質(zhì)，可加工性及良好的力學(xué)性能。在食品包裝、農(nóng)用薄膜、衛(wèi)生用品等領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景[3-4]。此外，PBS及PBS基聚酯同時兼具良好的生物相容性。在藥物傳送系統(tǒng)、組織工程支架、臨時性介入醫(yī)療器件等生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用研究也逐漸增多[5-6]。但PBS也存在一些缺陷，如相對分子質(zhì)量較低，分子鏈中長支鏈少，缺少活性反應(yīng)點且降解速率較慢等，使其在工業(yè)上的應(yīng)用受到限制。為此，科研人員一般通過引入離子基團(tuán)、共聚或共混等化學(xué)改性手段制備綜合性能良好的PBS基聚酯。本文對近年來PBS及PBS基聚酯在微生物、生理環(huán)境及酶條件下的降解研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，同時詳細(xì)闡述了影響其降解過程的相關(guān)因素，并對未來的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1 堆肥降解及微生物降解

堆肥降解技術(shù)是一種有效的有機(jī)廢物資源化手段，也是有機(jī)固體廢物處理的有效方法。它是通過自然界中的細(xì)菌、真菌和放線菌作用于可降解塑料并將其轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的生物化學(xué)過程?？芍庇^反映出塑料在自然條件下的降解性能，已逐漸成為世界各國評價塑料可生物降解性能的主要方法。近年來國內(nèi)外相關(guān)科研人員進(jìn)行了一系列的堆肥法處理PBS基聚酯等可生物降解塑料的研究。寇瑩等[7]選用陜西當(dāng)?shù)?種土壤(堆肥土、污泥土、垃圾土和花園土)對PBS進(jìn)行土埋實驗。根據(jù)PBS薄膜失重率確定堆肥土的降解效果最佳，90 d后PBS薄膜失重率超過6 %；而花園土降解作用最差，相同時間內(nèi)PBS薄膜失重率僅為1 %左右。觀察降解前后PBS薄膜表面形貌變化發(fā)現(xiàn)，4種土壤對PBS薄膜的降解行為相似，降解作用均從薄膜邊緣開始。由于土壤及堆肥的生物環(huán)境相對復(fù)雜，很難實現(xiàn)對降解后水溶性產(chǎn)物的收集和分析[8-9]。因此，相關(guān)人員[10-11]使用微生物懸浮液模擬天然微生物環(huán)境降解PBS以了解水溶性產(chǎn)物及其對降解環(huán)境的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在降解的最初兩周，水溶性產(chǎn)物使培養(yǎng)基pH從7.2酸化至5.2，并在一定程度上抑制微生物的生長。隨著降解作用的進(jìn)行，水溶性產(chǎn)物被微生物同化為碳源，培養(yǎng)基pH值逐漸恢復(fù)到中性，微生物也迅速生長。高效液相色譜 - 質(zhì)譜聯(lián)用儀(HPLC-MS)分析確定水溶性產(chǎn)物為1,4 - 丁二醇(B)、丁二酸(S)及相應(yīng)寡聚體BS、BSB、SBS、BSBS、BSBSB和SBSBS。發(fā)芽試驗進(jìn)一步證明，水溶性產(chǎn)物本身對綠豆的危害很小，但酸化介質(zhì)顯著抑制了綠豆的萌發(fā)。李成濤等[12]的研究表明，丁二酸含量低于200 mg/L時，不會對植物種子萌發(fā)和幼苗生長產(chǎn)生影響，但濃度超過500 mg/L后，將抑制幼苗生長；1,4 - 丁二醇含量低于2 000 mg/L時，對種子萌發(fā)和幼苗生長均不產(chǎn)生影響。

土壤系統(tǒng)中的真菌生物量往往超過細(xì)菌生物量，且真菌對酸性條件表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐受性。因此，酸性土壤中的有機(jī)物主要被真菌菌株分解[13-15]。王蕾等[15]以陜西花園土對PBS進(jìn)行堆肥降解，研究其中微生物對PBS的降解能力。綜合失重率及力學(xué)性能測試表明，真菌為PBS降解的主要貢獻(xiàn)者。Tezuka等[16]為研究聚丁二酸乙二醇酯(PES)在自然環(huán)境中的降解行為，從淡水和土壤環(huán)境中分離出PES降解菌株。經(jīng)鑒定表明，降解菌株主要為革蘭氏陽性菌和真菌兩大類，且在降解過程中起主要作用的為真菌菌株。Ishii等[17]從不同環(huán)境中分離出20個真菌菌株。其中，AspergillusclavatusNKCM1003菌株對PES的降解速率最高，約為20 μg/(cm2·h)。Zhao等[18]使用從堆肥中分離的雜色曲霉(A.versicolor)降解聚(丁二酸丁二醇酯 - 己二酸丁二醇酯)(PBSA)。在降解的初始階段，菌株附著在聚酯薄膜表面，使聚酯鏈段發(fā)生斷裂，形成微生物很難攻擊的大片段，導(dǎo)致此階段聚酯失重較慢。隨著降解作用繼續(xù)進(jìn)行，聚酯相對分子質(zhì)量逐漸降低，達(dá)到微生物容易攻擊的程度，水解作用增強(qiáng)，聚酯失重較快。研究還發(fā)現(xiàn)，相較琥珀酸單元，己二酸單元由于容易受微生物侵襲而優(yōu)先降解。隨著降解作用的不斷進(jìn)行，降解殘余物中琥珀酸單元的相對含量逐漸增加。

堆肥及微生物降解作用均是通過微生物對聚酯的黏附作用進(jìn)行的。微生物在聚酯表面發(fā)生黏附作用后，使聚酯發(fā)生水解及氧化反應(yīng)形成低相對分子質(zhì)量的聚酯片段；然后，微生物經(jīng)過進(jìn)一步的吸收和消耗作用，最終將聚酯代謝為H2O、CO2和生物量。然而，由于土壤環(huán)境的復(fù)雜性增加了降解產(chǎn)物的收集難度，聚酯在微生物環(huán)境中的降解行為及降解機(jī)理尚不清楚。因此，通過懸浮液模擬天然微生物環(huán)境研究相關(guān)降解過程及機(jī)理，對提高PBS及其聚酯的可生物降解能力具有十分重要的作用。

2 生理環(huán)境降解

脂肪族聚酯因具有較好的生物相容性，已在生物醫(yī)療領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。當(dāng)其用于藥物傳送系統(tǒng)、臨時性介入醫(yī)療器件等方面時，為避免通過手術(shù)去除植入物，其生物可降解性就顯得十分重要[5]146-147。因此，近年來國內(nèi)外許多研究人員致力于研究生理條件下(即溫度為37 ℃，pH=7.4，磷酸鹽緩沖液)聚酯的降解行為。研究表明，脂肪族聚酯的體外模擬水解分為2個階段，與酶解作用相似，同樣受到許多因素的影響，如化學(xué)結(jié)構(gòu)，親 - 疏水平衡，固體形態(tài)和結(jié)晶度等[19]32[20]434[21]7 403[22]1 025。在降解的初始階段，聚酯鏈段發(fā)生隨機(jī)斷裂，伴隨著結(jié)晶度的增加或降低。隨著相對分子質(zhì)量下降至13000 Da左右，聚酯水解進(jìn)入第二階段[23]。大量研究表明，PBS均聚物在生理條件下水解的非常緩慢，降解數(shù)周后質(zhì)量仍保持相對恒定，僅表現(xiàn)出相對分子質(zhì)量的降低。這是由于PBS較高的初始結(jié)晶度及疏水性所致[24]369[25-27][28]252-253[29]。因此，為拓寬PBS基聚酯在生物醫(yī)療及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，在PBS主鏈中引入易受水分子攻擊的親水性基團(tuán)，可加快聚合物的水解速率。Gualandi等[30]使用丁二酸丁二醇酯(BS)和三乙烯琥珀酸酯(TES)通過反應(yīng)性共混制備了4種化學(xué)組成相同但嵌段長度不同的共聚酯P(BS18TES18)、P(BS9TES9)、P(BS4TES4)和P(BS2TES2)。并在生理條件下對4種共聚酯進(jìn)行水解實驗測試。熱失重曲線表明，通過增加嵌段長度，可以將聚合物質(zhì)量損失從0調(diào)整到30 %，TES單元含量較高的共聚酯表現(xiàn)出較大的失重。Wang等[31]報道，隨著共聚物中聚乙二醇(PEG)含量的增加，PBS基共聚酯顯示出逐漸增大的水解速率。這是由于PEG單元親水性強(qiáng)，易溶于水。因此，酯鍵在PEG鏈段上發(fā)生優(yōu)先斷裂，加速聚酯的降解。此外，PBS基聚酯與親水基團(tuán)的共聚作用對其水解速率也具有顯著影響[32]。

研究表明，在中性的降解環(huán)境中，水分子的擴(kuò)散作用比酯鍵水解更快。聚酯的降解遵循本體降解過程(圖1)。聚酯的無定型區(qū)首先被水解，而后是緊密堆積的晶區(qū)。具有較低初始結(jié)晶度的聚酯可表現(xiàn)出良好的可降解性。因此，可通過引入離子基團(tuán)降低聚酯結(jié)晶度，進(jìn)一步提高降解速率[24]372。Wu等[33]將聚氨酯離子(UI)引入PBS鏈段，制備3種UI含量不同的共聚酯PBSUI-1、PBSUI-3和PBSUI-5。研究發(fā)現(xiàn)，UI的引入增大了PBS降解速率。且隨著UI含量的增加，共聚酯的結(jié)晶度逐漸降低，降解速率逐漸增強(qiáng)。UI含量最高的聚酯PBSUI-5失重率最高，為35 %。與之相比，純PBS的失重率僅為5.4 %。

Gualandi等[28]244-245對比研究了薄膜及支架2種形式聚酯的降解行為。研究發(fā)現(xiàn)，以薄膜形式存在的聚酯降解得更快。這與羧基端機(jī)的擴(kuò)散速度有關(guān)，水解過程中產(chǎn)生的羧基端基對降解過程表現(xiàn)出自催化作用。由于尺寸和形態(tài)原因，相對于支架結(jié)構(gòu)，薄膜中的酸性片段主要積累在降解形成的孔洞中心，可進(jìn)一步催化大分子鏈的水解。Tallawi等[34]得到了相似的結(jié)論，他們在對新型聚合物聚甘油癸二酸酯/聚丁二酸丁二醇酯 - 二亞油酸酯(PGS/PBS-DLA)的體外降解研究中，發(fā)現(xiàn)由于PBS-DLA的引入抵消了PGS鏈末端游離羧基的酸性，最終導(dǎo)致聚合物降解速率的降低。

綜上表明，通過向PBS主鏈中引入親水性基團(tuán)及離子基團(tuán)可達(dá)到提高PBS均聚物可生物降解性的目的。而作為生物醫(yī)用材料，其與人體細(xì)胞直接接觸。因此，引入不同基團(tuán)的PBS基聚酯必須同時滿足生物相容性的要求。目前，有關(guān)此方面的研究相對較少。因此，尋找合適的離子基團(tuán)引入PBS主鏈，制備出高降解性的生物醫(yī)用材料，應(yīng)是未來的研究方向。

圖1 聚酯的水解過程和酶降解過程Fig.1 Hydrolytic degradation and enzymatic degradation process of polyesters

3 酶降解

脂肪酶和角質(zhì)酶是最常見的可催化PBS基聚酯水解的酶。PBS基聚酯的酶解作用也受許多因素的影響，如聚酯的化學(xué)組成，親 - 疏水平衡，結(jié)晶度和表面形貌等。酶水解過程通過表面侵蝕作用發(fā)生(圖1)。與簡單水解作用不同的是，在酶水解過程中，低相對分子質(zhì)量產(chǎn)物易于溶解在水性介質(zhì)中，降解前后聚酯的相對分子質(zhì)量幾乎不會發(fā)生變化[19]37-39[21]7 405-7 406。

Tserki等[35-38]同時使用3種不同的酶，分別來自Pseudomonasfluorescens和Rhizopusdelemar的膽固醇酯酶和來自Candidacylindracea的脂肪酶降解PBS。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過幾周時間的降解，3種降解酶對PBS的降解率均達(dá)到40 %。Taniguchi等[39]使用來源于P.cepaci的脂肪酶降解PBS，研究結(jié)果表明，在降解14 d后，PBS的失重率可以達(dá)到80 %左右。孫炳新等[40]應(yīng)用脂肪酶降解PBS，10周后PBS失重率為33.2 %，結(jié)晶度及熱穩(wěn)定性均有降低。Sun等[41]應(yīng)用脂肪酶對PBS的降解機(jī)制進(jìn)行研究。結(jié)果表明：由于脂肪酶的表面吸附能力強(qiáng)，能夠很好地附著在聚酯表面，切斷聚酯的酯鍵，該鍵斷裂使聚酯內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致其結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性均下降，致使PBS降解。Jiang等[42]制備了PBS單晶，同樣使用脂肪酶對其進(jìn)行降解，結(jié)果表明：由于酶吸附在聚酯的側(cè)面，酶促降解優(yōu)先在此發(fā)生，片狀聚酯降解后厚度基本不發(fā)生變化。Dimitrios等[19]41-42采用R.delemar脂肪酶在pH=7.2的磷酸緩沖液中降解PBS及同類脂肪族聚酯PES和聚丁二酸丙二酯(PPS)。研究發(fā)現(xiàn)，PPS表現(xiàn)出最大的降解速率及失重率，PES次之，而R.delemar脂肪酶對PBS的降解能力最弱。Dimitrios等因而提出影響3種聚酯生物降解能力的主要原因是聚合物的初始結(jié)晶度，該實驗使用的3種聚酯PES、PPS和PBS中，PPS的結(jié)晶度具有最低的結(jié)晶度。因此，聚酯PPS表現(xiàn)出最大的失重率及最快的降解速率。這是由于酶解作用往往優(yōu)先發(fā)生于晶體的無定型區(qū)，而后才是結(jié)晶區(qū)。Dimitrios等還提出，除結(jié)晶度外，聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，如酯基間碳原子的個數(shù)，熔點以及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也會對酶降解過程產(chǎn)生影響。但影響脂肪族聚酯可降解性能最主要的因素還是聚酯的初始結(jié)晶度。而Rizzarelli等[20]440-442的研究得到了不同的結(jié)論，他們發(fā)現(xiàn)決定聚酯降解性能的主要因素為聚酯碳鏈的長短。他們采用PBS共聚酯聚PBSA及聚(丁二酸丁二醇酯 - co - 癸二酸丁二醇酯)為酶解實驗的底物，分別使用來自Mucor.miehei和R.arrhizus的2種脂肪酶對其進(jìn)行降解實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)，在酶水解過程中，聚酯中酯鍵的斷裂不是隨機(jī)的，而是有選擇性的。即酶解作用更容易發(fā)生在酯基間含有較多碳原子的酯鍵上。此外，共聚或共混均有利于加速酶降解作用的進(jìn)行[43]。Marija等[44]采用來自Candidacylindracea的脂肪酶對PBS，聚己二酸丁二醇酯及其共聚酯PBSA進(jìn)行降解研究。經(jīng)過100 h的降解，PBS、PBA幾乎沒表現(xiàn)出任何的質(zhì)量損失，而3種BS含量不同的共聚酯均表現(xiàn)出較大的失重。Marija認(rèn)為，與均聚物相比，共聚物骨架具有良好的柔韌性，可起到加速酶水解的作用。除上述因素外，親 - 疏水平衡也是影響聚酯降解性的重要因素。當(dāng)不同的酶覆著在相同底物表面時，聚酯的親水 - 疏水性平衡會使酶對其產(chǎn)生不同的降解效果[21]7 405-7 406。Shirahama等[45]研究了幾種不同的酶的降解性與聚酯親水性的關(guān)系。結(jié)果表明，與親水性聚酯相比，膽固醇酯酶和脂肪酶B對疏水性聚酯有著特殊的親和力，并表現(xiàn)出相對大的失重和較快的降解速率。然而，當(dāng)來自R.delemar的脂肪酶作用于相同底物時則表現(xiàn)出相反的降解趨勢。

Shinozaki等[46]經(jīng)過對脂肪族聚酯的降解研究發(fā)現(xiàn)，P.antarcticaJCM10317釋放的角質(zhì)酶可在數(shù)天的降解后使PBSA，聚乳酸和聚己內(nèi)酯的降解率達(dá)到50 %左右。Gamerith等[47]報道了來自Thermobifidacellulosilytica的角質(zhì)酶對PBS聚酯的降解能力。研究發(fā)現(xiàn)，角質(zhì)酶經(jīng)過1.5 h侵蝕作用，PBS聚酯表現(xiàn)出93 %的質(zhì)量損失。Bai[48]等使用角質(zhì)酶，在溫度為37 ℃，pH=7.4條件下，對PES、PBS以及聚丁二酸己二醇酯(PHS)進(jìn)行酶降解實驗研究。經(jīng)過12 h的酶解作用，3種聚酯幾乎完全失重。此外，結(jié)果還表明，PES、PBS、PHS三者的降解速率依次增加，PHS的降解速率最大。這是由于在脂肪族聚酯中，當(dāng)酯基之間含有6個碳原子時，聚酯擁有最快的降解速率，增加或減少酯基間的碳原子個數(shù)，均會降低酶降解速率。Pan等[49]同樣使用角質(zhì)酶降解不同相對分子質(zhì)量的PBS聚酯降解48 h，對降解前后的樣品進(jìn)行差示掃描量熱儀和X射線衍射儀分析，發(fā)現(xiàn)角質(zhì)酶可同時降解了聚酯的結(jié)晶區(qū)及無定型區(qū)域，酶促降解沒改聚酯的變晶體結(jié)構(gòu)，而是破壞了其結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致結(jié)晶度的顯著降低。Hu等[50]使用PBS分別與纖維素微晶(CMC)，醋酸纖維素(CA)和三醋酸纖維素(CTA)混合，并研究了角質(zhì)酶隊3種混合物的酶解性能。研究表明，降解4 h時，PBS/CMC和PBS/CA混合物的失重率約85%，而PBS/CTA的降解率低于20 %。這是由于PBS與CMC，CA的相容性差，PBS/CMC和PBS/CA的混合物中有許多孔，水分子容易滲入混合物內(nèi)部進(jìn)而降解混合物；而PBS和CTA可均勻混合并緊密堆積在一起，水分子很難進(jìn)入。

綜上，一般來講，與脂肪酶相比，角質(zhì)酶對PBS基聚酯具有更高效的生物降解性，降解率高且所需降解時間較短(48 h以內(nèi))。而脂肪酶一般需要數(shù)天甚至數(shù)周的降解時間，且降解率相對較低。但無論是使用角質(zhì)酶或脂肪酶降解PBS基聚酯，聚酯的酶解過程均受諸多因素的影響。通常情況下，減小聚酯的結(jié)晶度，增加其碳鏈長度、疏水性，制備共聚或共混物均有利于加速酶降解作用的進(jìn)行。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，球晶中纖維填充的程度也對酶侵蝕過程有很大影響。由細(xì)纖維填充的球晶，水分子難以深入滲透到聚酯薄膜內(nèi)部，因此失重較慢。酶解作用從球晶的中心部分開始，隨后球晶的其他部分被降解[22]1 030。而對于充滿粗糙纖維且堆積松散的球晶型貌，水分子可以很容易地滲透到聚酯內(nèi)部，導(dǎo)致深度侵蝕。

4 結(jié)語

作為可生物降解的高分子材料，PBS基聚酯具有良好的綜合性能，以其替代傳統(tǒng)的石油基塑料，是緩解資源短缺及環(huán)境污染的有效途徑之一。而目前為止，PBS基聚酯在自然環(huán)境(堆肥降解)下的可降解性較差，且降解行為及降解機(jī)理還不清楚。為提高其在土壤環(huán)境中的可降解性，一方面可使用微生物懸浮液模擬天然微生物環(huán)境探究聚酯的降解過程及機(jī)理，并通過探究得到的降解機(jī)理對PBS基聚酯進(jìn)行設(shè)計改性，在不降低其應(yīng)用性能的同時達(dá)到提高生物降解性的目的；另一方面，可綜合酶降解及生理環(huán)境降解過程中影響PBS基聚酯降解速率的相關(guān)因素，對PBS進(jìn)行改性，提高降解性能。如向PBS主鏈中引入親水性基團(tuán)、降低聚酯的結(jié)晶度、增加聚酯的碳鏈長度以及制備PBS共聚物等。此外，作為生物醫(yī)用材料，PBS基聚酯與人體細(xì)胞直接接觸。因此，除可降解性外，PBS基聚酯還應(yīng)具有良好的生物相容性及可與植入部位相結(jié)合的力學(xué)性能。因此，在PBS基材料可以商業(yè)化用于生物醫(yī)療領(lǐng)域之前，仍需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。