学文网摘要:本文主要对可由微生物合成并可生物降解的一种新型塑料聚羟基丁酸酯PHB进行了介绍阐述。并说明了PHB的研究近况、主要生产菌株和检测及提纯的主要方法。
关键词:PHA PHB
随着科技的发展和社会的进步,世界各国对环境保护日益重视,处理废弃塑料垃圾这一课题已得到广泛关注。“白色垃圾”已成为棘手问题。可降解塑料成为了人类生产生活的需求。
目前研究和开发的可降解塑料主要有生物降解塑料,光降解塑料和光/生物双降解塑料。“生物降解塑料(biodegradab leplastics)”是指可在细菌、霉菌、藻类等自然界的微生物作用下降解的塑料。
根据制造方法的不同,生物降解塑料可分为“微生物合成系”,“化学合成系”和“利用天然高分子系”。化学合成系是用化学方法合成生物降解塑料,主要有聚***酸,聚己内酯和聚乙烯醇等。利用天然高分子系主要是利用淀粉和纤维素等天然高分子。
微生物合成系主要是指自然界中许多微生物在生长受限制的情况下,在体内积聚的作为能源和碳源物质的一类热塑性聚酯,聚羟基烷酸酯（polyhydroxyalkanoic acids,简称PHA）。
PHA可被多种微生物完全降解为CO2和H2O,是理想的生物降解材料。其性能与聚丙烯类似,能拉丝、压膜、注塑等。除可被生物降解外,还具有生物相容性,光学活性,压电性,抗潮性,低透气性等其他性能,可广泛应用于工农业和医学等领域。
目前已经发现的PHA至少有125种不同的单体结构,并且还在不断地发掘出新的单体;大多数微生物产生的PHA中的R为甲基即聚β-羟基丁酸酯(poly3-hydroxybutyrate,简称PHB)。PHB是发现最早,分布最广,研究最多的一种PHA。目前已经初步进入商品化生产阶段。
1、PHB的研究状况
由于PHB具有人类需要的多种优良特性,因此PHB的应用和价值也越来越大,其远景已得到国际社会的广泛认可,成为国际开发热点。1925年,法国人Lemoigne首次从巨大芽抱杆菌(Baeillusme qatherium)细胞中发现PHB。并于1927年将它首次从细胞中分离提取出来,标志着关于PHB研究的开始。50年代早期对其溶解性及分子量进行了研究,60年代报道了X-射线结晶***像。1962年,W.R.Grace&Co.提出了生产、提纯PHB的第一份专利。1982年英国帝国化学公司(简称ICI,现名Zeneca Bioproducts Business)以葡萄糖为原料,应用真氧产碱杆菌(Alealigenes eutrophus)生产pHB,将其商业化,命名为Bi op ol,细胞内PHB的含量为40%～80%,优惠价格为16$/kg,年产数千吨。国际上除ICI外,美国、德国、韩国、奥地利等国都在广泛开展这类研究。主要集中于形成规模化生产和降低成本及二次开发应用研究。
近些年来与PHB合成有关的微生物、生物化学、分子生物学以及PHB的物理化学性质的研究急剧增加,为其开发利用提供了理论依据。英国,韩国,日本处于领先地位。
2、PHB的生产菌株
微生物发酵生产是获得PHB的主要途径。聚β-羟基丁酸酯的生产工艺分发酵和后处理（提纯）两部分。PHB发酵流程:菌种摇瓶培养种子罐主罐。发酵在技术上又分两步进行,第一阶段主要生产菌体;第二阶段主要积累PHB。PHB后处理流程为:
发酵液预处理固液分离细胞PHB提取PHB纯化PHB
目前已经发现的能产生PHB的原核微生物包括光能和化能自养及异养型,有60个属以上。如:养产碱杆菌、肥大产碱杆菌、固氮菌属、巨大芽孢杆菌、极端嗜盐菌、球形红杆菌以及红色红球菌等等,其中真养产碱杆菌是研究最多的PHB生产菌种。随着基因工程技术在PHB研发中的应用,转基因大肠杆菌目前也成为PHB生产的重要工程菌种。
3、PHB的检测提纯方法
PHB的检测方法主要有染色法、气相色谱检测法、分光光度法、重量测定法和1H-NMR检测法。其中最常用的是染色法、分光光度检测法和气相色谱检测法。
染色法分为苏丹黑染色法和尼罗红染色法两种。其中苏丹黑染色法使用较多。尼罗红染色对PHB专一性较强,可使PHB与其他非PHB脂类化合物区分开。
重量分析法最早是由M.lemofgne创立的。他将细胞干燥后,用氯仿抽提,通过重量改变来测定PHB。此法误差较大,后来又将此法加以改进,先将细胞冷冻真空干燥或用丙酮充分洗涤,再用氯仿或二氯甲烷抽提PHB,再加入己烷或乙醚使聚合物沉淀,分离后干燥称重测定PHB含量。
气相色谱法是一种较新、较准确的PHB测定方法。该法的最大优点在于不需要将细胞内PHB高度纯化即可检测其PHB含量。这对于研究及生产都十分重要。但气相色谱法需要高纯度的PHB标准样品,还需要有价格昂贵的气相色谱仪。
分光光度法是利用次氯酸盐将细胞消化后,通过分光光度法测定PHB所造成的浊度来测定PHB含量,也可以利用热浓硫酸将细胞中PHB转化为丁烯酸,通过波长235nm处的光吸收来检测PHB的含量。
目前文献报道的从微生物细胞中分离提取PHB的方法包括有机溶剂萃取法、化学试剂法、机械破碎法和酶法。许旭萍等对球衣菌进行6种破壁方法进行研究,发现采用NaClO或SDS-NaClO混合处理提取PHB,都能够得到较高的提取率,但气相色谱分析结果显示后者提取获得的PHB纯度较高。而采用超声波处理、冻融法、氨法或表面活性剂法等破壁提取PHB,都难以得到较高的提取率。
参考文献
[1]张钦,赵裕蓉.化工新型材料,1999,6:3-8.
[2]赵育.化工新型材料,1999,2:25-30.
[3]S.Bloembergen,D.A.Holden et al.Macromoleeules,1986,19:2865.
[4]贺文楠,张增民,.高分子学报,1999,6:709-714.
[5]杨青,贺青,工业微生物,1997,27(4):44-47.
[6]洪葵等.微生物学通报,1998,25:110-113.
[7]羊依金等.微生物降解塑料的研究进展.化学研究与应用,2006,18(9).
[8]钟晓摘译.化工新型材料.第8期.