仅用热量和水就可以让塑料更容易分解？

目前大多数“可堆肥”塑料袋主要由聚乳酸(PLA)制成,在堆肥过程中并没有分解,还会污染其他可回收塑料。近日在《自然》杂志上发表的最新研究称,美国科学家们发明一种新工艺:仅用热量和水,就可让这些可堆肥塑料更容易分解。

塑料可完全降解的概念，已经诞生多年，但却没有技术能真正做到。当前，虽然有一些可 “生物降解” 的塑料，但是 “可降解” 和 “可完全降解” 带来的结果完全不一样。无法完全降解的塑料，会通过一定方式进入海洋生物体内，进而通过食物链进入人体体内。

前段时间，加州大学伯克利分校材料科学与工程系教授在Nature发表了一篇名为《聚酯与纳米分散酶几乎完全解聚》的论文。论文中的新技术可以短短几周内完全降解塑料，而且还无需任何特殊条件！一般人在家中即可完成降解！

一、让塑料 “自我毁灭”

酶是一种大分子生物催化剂，具备加速化学反应的能力。

以乳清苷 - 5'- 磷酸脱羧酶为例，在无催化剂条件下耗时数百万年才能完成的化学反应，有了它只需几毫秒就能完成。截止目前，人类已知的酶能催化 5000 多种生化反应。人类死亡后，体内的酶会自动降解身体，大自然本身也用酶来降解野外生物。

徐婷教授及其研究小组发现了一种可降解有毒的有机磷化学物质的酶，还设计了一种称之无规杂聚物或RHP的分子，这些分子可保护酶不解体。

研究团队将数十亿个纳米级的可食用聚酯的酶包裹在RHP中，再嵌入到塑料树脂珠中，这样就能得到可完全降解的塑料。

研究人员表示，这种塑料在家中就可对塑料进行堆肥处理，只需加入水和少量热量即可引发降解。室温下，80%的改性PLA纤维在一周内可完全降解。温度越高，降解速度越快。

在工业堆肥条件下，改性聚乳酸在50摄氏度下6天内可降解。另一种聚酯塑料PCL在40摄氏度的工业堆肥条件下，两天内可降解。使用这种工艺制造出的塑料，多达98%会降解成小分子，避免了微塑料的产生。

如下图所示，在 40℃ 的环境下，这种塑料能在一天半之后降解为小分子消失不见。

36 小时后降解

酶如果只能触达到塑料表面，塑料只能被一层层地降解，速度十分堪忧。但如果让酶充斥于塑料中，无数个小部分降解累积在一起，整块塑料就能被完全降解。

徐婷在制造塑料时就把酶介入进去，让其作为生产塑料的原料。

但是问题接踵而至，酶的分子特征不算太稳定。一旦脱离细胞范围，它就会丧失功能、或者被降解掉。

为了保护酶免于崩解，徐婷开发出一种分子，名字叫随机杂聚物。它就像果皮一样，能像包裹果肉一样，把酶包起来。

脂肪酶的荧光显微镜图像

研究发现，RHP包裹的酶不会改变塑料特性。当暴露于热和水时,这种酶会摆脱聚合物包裹材料,并分解塑料聚合物。

塑料可以在170摄氏度左右的温度下熔融并挤出成像普通聚酯塑料一样的纤维。就PLA而言,酶会将其还原为乳酸,可“喂养”堆肥中的土壤微生物。而聚合物包裹材料也会降解。

此外，RHP 由四种类型的单体亚基组成，每种亚基的化学性质，都能和特定酶表面的化学基团相互作用。数十亿个酶被包起来后，和塑料树脂珠混合后，即可用于塑料生产。

具体生产塑料时，只要保证酶的功能不变，当制备出来的塑料结束使用用途、并进行再回收时，只要遇水遇热，就能唤醒酶的降解能力。

其原理是，嵌入的酶会固定在聚合物链末端附近，在适当条件下遇水遇热，就能从链末端降解聚合物分子。另据悉，该技术在使用过程中，可保持塑料的完整性。

徐婷推测，较高的温度会使包裹的酶运动更多，从而让它快速找到聚合物链的末端、并对其进行咀嚼，然后继续前进至下一个链。

此外，RHP 包裹的酶还倾向于在聚合物链的末端附近结合，从而使酶保持在相关靶标附近。

PCL-RHP-BC - 脂肪酶的表征和降解

在不同温度下，降解速度也各不相同。徐婷指出，正常室温环境下，花费 7 天左右的时间，80% 的聚乳酸塑料就能被完全降解，降解后会变成乳酸。

这时，降解工作就能宣布大功告成，因为乳酸能被土壤中的微生物直接吸收。

另据悉，使用本次方法，在工业环境下处理同样重量的塑料，速度会更快。因为工业环境具备更好的温度调节条件，比如在 50℃ 的温度下，80% 的聚乳酸塑料可在 6 天左右完全降解；而在 40℃ 温度下，只需花费 2 天，就能降解聚己内酯塑料。

二、塑料的分解

使用该技术生产的塑料，98% 的部分会被降解成小分子，还可避免对环境产生有害物质如微塑料。据了解，微塑料是化学降解过程中常见污染副产物。

针对聚乳酸塑料的降解，她嵌入了一种称为蛋白酶 K 的酶，该酶能将聚乳酸塑料咀嚼成乳酸分子。而针对聚己内酯塑料的降解，她使用了脂肪酶。

以上两种酶都是廉价且容易获得的酶。如下图所示，左图是把聚乳酸塑料放置在堆肥中的初时模样，右图是放置一周后的聚乳酸塑料，可以明显看出后者已经被吸收不少。

塑料降解成为小分子并可被土壤吸收

如下图，本次论文的作者之一伊凡贾亚普尔纳（Ivan Jayapurna），正在展示含有聚己内酯的样品膜，据了解聚己内酯具备较好的生物相容性、生物降解性、和无毒性。

含有聚己内酯的样品膜

概括来说，从生产阶段就给聚己内酯嵌入酶，生产出来的聚酯塑料、不仅具备在常规堆肥中可进行快速生物降解的能力，其机械性能也不亚于低密度聚乙烯塑料，因此有望成为不可生物降解塑料的高潜力替代品。

另据悉，本次论文的作者之一、前加州大学伯克利分校的博士生亚伦霍尔（Aaron Hall），已成立一家公司，旨在使用本次成果，来进一步开发可生物降解的塑料。

含有酶的聚乳酸塑料薄膜

此外，本次技术不仅能造出塑料购物袋，还能制造可生物降解的胶水，使用这种胶水去组装电脑和手机等电子设备，在设备寿命即将终结时，只需溶解胶水，各种零件就会散开，并可进行重复使用。

本次研发出的塑料，在低温下或短暂潮湿时不会降解。研究中，徐婷把部分塑料在室温下放置了三个月，期间没有发生任何降解，不过倒入微热的水之后，就会开始降解。

这也意味着，这种塑料可被制成衣服，它不会受到晾晒或冷水洗涤的影响。

谈及未来，徐婷表示，她正在开发可降解其他类型的聚酯塑料的 RHP 包裹型酶。目前，她正在对 RHP 进行改性，以便让降解过程能在特定时间节点停止，且不让该材料遭受破坏，这有望让塑料重新熔化、并变成新的塑料，届时塑料有望进入可循环使用的 “永生” 阶段。

来源：Deeptech 深科技