mile米乐中国官方网站 用微生物产生的塑料提高聚乳酸的生物降解性和伸长率

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）多材料研究部 今井佑介，研究组组长 富永佑一，催化化学跨学科研究中心 高级研究员 吉田胜，研究中心主任 田中真司，国立大学法人神户大学（以下简称“神户大学”）科学技术创新研究科教授Seiichi Taguchi 和项目助理教授 Aiho Taka 正在与 Kaneka Corporation 合作。聚乳酸的脆弱生物降解微生物生物合成的乳酸和3-羟基丁酸共聚物（缩写：LAHB）。

聚乳酸是典型生物资源的塑料，但它存在机械脆性和生物降解性有限等问题。这次，通过将LAHB与聚乳酸共混，我们成功地显着提高了聚乳酸的伸长率。我们还发现 LAHB 混合物促进了聚乳酸在海水中的生物降解。

该技术的详细信息将于 2024 年 3 月 19 日公布。国际生物大分子杂志

由石油等化石资源制造的合成塑料被广泛用作支持现代生活的材料，日本每年生产约 1000 万吨，全球约生产 4 亿吨。另一方面，塑料泄漏到环境中造成的环境污染也成为一个问题。此外，由于化石资源被用作原材料，它们也是导致二氧化碳浓度增加的一个因素，从而导致气候变化，并且正在开发新的方法来解决这些问题。塑料材质是必须的。

生物降解塑料随着时间的推移会分解成水和二氧化碳，因此扩大其使用将有助于减少环境污染。从减少化石资源消耗的角度来看，替代由固定大气中二氧化碳的生物基资源制成的塑料是有效的。

聚乳酸就是这样一种塑料材料。聚乳酸是以生物资源经乳酸发酵得到的乳酸为单体，通过化学聚合合成的生物塑料材料。聚乳酸表现出与聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）相似的物理性能，并具有透明性和生物相容性等特性，因此有望作为石油基塑料的替代材料得到更广泛的应用。然而，聚乳酸存在难以拉伸、易碎、仅在有限环境下表现出足够的生物降解性等问题，阻碍了其广泛应用。

AIST正在致力于以高分子材料为基体的复合材料的开发、复合材料加工技术的开发以及复合材料的结构评价。神户大学田口教授领导的研究小组是转基因大肠杆菌世界上首次成功生物合成了乳酸（LA）和3-羟基丁酸（HB）的共聚物（LAHB）（Taguchi et al, 2008）。 Kaneka 是世界上第一个建立利用氢细菌的生物塑料大规模生产技术的公司。这次，日本综合技术研究所、神户大学和钟化公司通过将LAHB与聚乳酸混合来解决聚乳酸的上述问题。

这项研发得到了国家研究开发机构新能源和产业技术开发组织委托项目“清洁能源领域创新技术/创新生物工艺技术开发/开发利用糖原料的下一代聚乳酸微生物生产技术”（FY2020-2023）（JPNP20005，研究总监：田口诚一）的委托项目的支持。

在这项研究中，我们尝试使用 LAHB 作为聚乳酸的改性材料，LAHB 是由转基因大肠杆菌通过糖生物合成的。通过改变所用转基因大肠杆菌的类型和培养条件，可以生物合成多种具有不同单体比例（LA与HB比例）和分子量的LAHB。通过将各种 LAHB 与聚乳酸共混制备薄膜样品，并使用拉伸测试评估机械性能。单一的聚乳酸在伸长几个百分点后就会断裂。另一方面，LAHB/聚乳酸复合材料（聚乳酸/LAHB共混物）是由20％重量的LAHB与40mol％的LA单体分数和100,000的重均分子量共混而成，其伸长率显着提高至200％以上（图1）。这种变化是分解材料所需能量的指标韧性系数值增加了15倍以上，表明聚乳酸的脆性得到了显着改善。此外，所生产的聚乳酸/LAHB共混膜具有高透明度。这表明聚乳酸和LAHB在纳米水平上混合。

聚乳酸是工业堆肥在中国等高温高湿条件下，会发生水解，降低分子量，然后被微生物生物降解。然而，在低温环境如室温土壤环境或海洋环境中生物降解几乎不进行。另一方面，LAHB已被证实在各种环境中（包括海洋和土壤）可完全生物降解。因此，我们研究了上述聚乳酸/LAHB共混物的海洋生物降解性能。BOD 考试试验使用兵库县高砂港的海水。一旦生物降解在数十天的滞后期后开始，就会迅速进展（图2）。 LAHB扮演着所谓“拆卸开关”的角色。如果仅分解已知在海洋中生物降解的LAHB，则生物降解反应的进展远远超出了生物降解的理论值。这表明与LAHB共混也促进了聚乳酸的生物降解。

这样，通过将LAHB与聚乳酸共混，我们能够同时克服聚乳酸的脆性和生物降解性问题。

AIST 和神户大学是国家研究与开发机构。我们将在日本科学技术振兴机构的委托项目“研究成果部署项目/研究成果最佳部署支持计划（A-STEP）产学合作（培育型）/将微生物产生的共聚物LAHB开发成聚乳酸多功能改性材料”（2023-2025）中继续这项研究。我们将研究B的一级结构（单体比例、序列、分子量等）和与聚乳酸共混物的相结构以及共混物的机械/热性能和生物降解性能之间的相关性，并将致力于阐明最适合克服聚乳酸挑战的LAHB结构。通过这一点，我们的目标是为利用聚乳酸/LAHB聚合物共混物作为生物资源衍生的塑料材料奠定基础，该材料既可生物降解，又具有优异的机械性能。

已出版的杂志：国际生物大分子杂志
论文标题：通过聚合物与微生物产生的聚乳酸共混对聚乳酸进行改性[(R)-乳酸-公司-(R)-3-羟基丁酸酯]共聚物
作者：Yusuke Imai、Yuichi Tominaga、Shinji Tanaka、Masaru Yoshida、Sho Furudate、Shunsuke Sato、Hiroshi Taka、Seiichi Taguchi
DOI：https://doiorg/101016/jijbiomac2024130990

聚乳酸

以乳酸为单体制成的塑料材料，通过酯键重复连接。由于其原料乳酸是通过植物来源的糖类进行乳酸发酵而产生的，因此被归类为生物资源衍生塑料。[返回来源]

生物降解

被自然存在的微生物或酶分解，最终完全分解为二氧化碳和水的物质。[返回来源]

共聚物

由两种或多种单体而不是一种单体组成的聚合物材料。[返回来源]

生物资源

从生物中获得的资源。一个典型的例子是多糖（纤维素、淀粉等），它们是由植物通过光合作用固定大气中的二氧化碳而产生的。[返回来源]

塑料材质

由于有机分子重复键合而具有高分子量的材料称为聚合物材料，底层有机分子称为单体。塑料材料是指具有受热变软性质的高分子材料（热塑性塑料）。典型的例子包括聚乙烯、聚丙烯和PET。[返回来源]

转基因大肠杆菌

使用基因工程技术导入或修饰基因的大肠杆菌。通过基因改造赋予了新的功能，并广泛应用于药物和生物材料的生产。[返回来源]

韧性系数

通过材料在破裂前吸收的能量来评估材料的不易破裂性的指数。可以根据图1所示拉伸试验的应力-应变曲线所包围的面积来估计。[返回来源]

工业堆肥

堆肥是利用微生物分解和堆肥食物残渣等有机废物的设施。工业堆肥可以控制温度和湿度等条件，以便有效处理大量废物。聚乳酸只有在能达到60℃以上高温高湿条件、湿度60%以上的工业堆肥中才能分解。[返回来源]

BOD 考试

生化需氧量测试。测量微生物分解有机物时消耗的氧气量。生物降解程度可以通过测得的氧量（BOD）与样品完全分解为无机物所需的氧量之比来计算。[返回来源]

S。 Taguchi、M Yamada、K Matsumoto、K Tajima、Y Satoh、M Munekata、K Ohno、K Kohda、T Shimamura、H Kambe 和 S Obata，“使用乳酸聚合酶生产乳酸酯聚酯的微生物工厂”，美利坚合众国国家科学院院刊, 105 (45), 17323-17327, 2008.
DOI：https://doiorg/101073/pnas0805653105