用木薯皮废料生产基于PHBV的「功能增强型」混合生物基材料

据统计，英国 2018 年约有 490 万吨塑料投放市场，其中四分之三最终变为塑料废弃物，随着塑料需求的逐年攀升，预计到 2030 年塑料垃圾废弃物将增加 20%。

传统石油基塑料难以生物降解，造成生态环境污染，威胁人类健康，相较之下，生物可降解塑料是一种更好的替代品。但现阶段生物可降解塑料的生产成本和原材料成本（碳源和相关的提取/转化）相对较高，阻碍了大规模的商业化应用，利用废弃生物质作为主要碳源可有效控制生物基塑料的成本，同时也为废弃生物质资源管理提供更为环保经济的解决方案。

基于此，英国阿斯顿大学Alfred Fernandez-Castane实验室团队开发出一种综合预处理和发酵策略将木薯皮废料高效转化为生物基材料 PHBV，并加入 PCL 从而得到性能表现更强的生物基材料混合物，进一步拓展 PHBV 的应用范围。目前，这项研究工作已经发表在Journal of Polymers and the Environment上。

（来源：Journal of Polymers and the Environment）

甘蔗、水稻、木薯、棕榈等是全球主要种植作物，这些作物在创造经济效益的同时也带来了大量废弃物。以木薯为例，它是撒哈拉以南非洲农业收入的重要来源，非洲每年生产约1.69 亿吨木薯，产生4000 万吨木薯废料，被丢弃在垃圾填埋场的木薯废料会释放大量 CO₂ 加剧温室效应。

利用可再生资源（如废弃生物质）作为生产生物基材料（如 PHBV）的主要碳源，是能够有效降低生产成本的新途径，同时也为废弃物处理带来了一个有效的解决方案，助力实现“碳中和”和循环效益。

（来源：Journal of Polymers and the Environment）

聚羟基脂肪酸酯（PHA）是微生物合成的一种胞内聚酯，属于天然高分子生物材料，具有类似于传统塑料的物化特性以及传统塑料所不具备的生物可降解性、生物相容性等多种优势。由于 PHA 具有不同的单体结构，因此种类繁多，包括由短链单体组成的 PHA、由中长链单体组成的 PHA 以及由不同种类单体组成的共聚物，比如 PHB（聚羟基丁酸酯），PHV（聚羟基戊酸酯）和两者的共聚物（PHBV）。

以PHBV（3-羟基丁酸酯和 3-羟基戊酸酯的共聚物）为例，其可以使用淀粉为原料基于微生物发酵进行生产，作为一种生物聚酯，它能够在土壤或堆肥化条件下完全分解，并且具有较好的生物相容性以及对水、气的高阻隔性等，因此在医用材料、薄膜材料、生活用品以及包装材料（尤其是食品包装）等方面拥有广泛应用前景。

先前研究发现，3-羟基丁酸（3HB）和 3-羟基戊酸（3HV）以不同比例共聚得到 PHBV 的伸长率高于单独的 PHB，另外，在 PHBV 中增加 3HV 的摩尔比能够提高其伸长率，但也降低了熔融温度、玻璃化转变温度和拉伸强度。这意味着，改变 PHBV 聚合物中 3HV 的摩尔比有助于实现材料性能的多样化，进一步拓展应用范围。

除此之外，增强生物基材料机械性能另一种相对简单且经济的方法是将其与其他生物高分子混合，比如淀粉、聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）等，例如当少量 PHA 与 PLA 混合时，这种共混物将断裂伸长率从 4% 提高到 200%。

▲图｜将木薯皮转化为 PHA/PCL 共混物的全流程（来源：Journal of Polymers and the Environment）

作为一种半结晶脂肪族聚酯，聚己内酯（PCL）具有高结晶度和灵活性，应用于生物医学应用，如用于修复软骨和骨支架等。目前，业界关于 PHBV/PCL 混合物的研究报道并不多见，Alfred Fernandez-Castane团队的研究工作填补了这一空白。

在这项研究中，他们首先利用木薯皮废料提取可发酵糖，使用钩虫贪铜菌（Cupriavidus necator）将其生物转化为 PHBV，过程中他们开发出一种综合工艺，即通过稀酸预处理将木薯皮废料转化为 PHA（回收率达 97.2%），然后发酵木薯皮水解产物（CPH）作为唯一碳源来生产 PHBV。

值得注意的是，这项研究所采用的加工条件能够以受控摩尔比（2:1 的 3HB:3HV）生产 PHBV，与单独的 PHB 相比，具有更佳的伸长率，并可适用于多种类型的材料用途。

接下来，他们对以木薯皮水解物为原料生产的 PHBV 进行了提取和表征，随后将 PHBV 与 PCL 进行共混，以获得具有改进的热力学性能和机械性能的新型增塑材料。

最后，他们以 PCL 为增塑剂制备了可完全生物降解的PHBV/PCL 二元共混物，通过改变 PCL 添加量能够微调这种共混物的化学、热力学、形态和机械性能等。比如，以 PHBV 为主要成分的共混物脆性较强，而高 PCL 含量的共混物则能够在脆性和塑性之间表现出良好的平衡，并且 PCL 的加入使这种共混物的降解温度更高，从而增强其稳定性。

▲图｜二元共混物 PHBV/PCL 的外观和热力学特性（来源：Journal of Polymers and the Environment）

研究人员还在论文中指出这项研究工作的意义，首先，为农业废弃物处理提供一种潜在的解决方案，使木薯加工行业（或其他作物加工行业）受益；其次，开发出一种新型塑料，能够应用于包装和生物医学工程，从而带来更好的环境保护和医疗保健效益。

接下来，Alfred Fernandez-Castane团队计划将利用这些发现来研究更复杂的“三元共混物”，使用生物可降解的添加剂来控制材料的最终性能，以进一步扩大 PHBV 的应用范围。

▲图｜阿斯顿大学化学和生物化学工程系 Alfred Fernandez-Castane 博士（来源：Aston University）

这篇论文的通讯作者Alfred Fernandez-Castane博士是阿斯顿大学化学和生物化学工程高级讲师，同时他也是能源和生物产品研究所（EBRI）和阿斯顿材料研究所（AIMR）小组的首席研究员。他实验室通过开发更可持续、更具成本效益的新生物炼制工艺以生产具有工业应用价值的高值产物，目前的研究领域包括由趋磁细菌生产磁小体、可生物降解的生物聚合物以及用于合成生物燃料的酶等。

素材来源官方媒体/网络新闻

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