近年來，由于傳統(tǒng)不可降解塑料的大范圍使用，石油資源的過度開采，在加劇人類自然資源匱乏的基礎(chǔ)上，還引發(fā)出很多環(huán)境問題、生態(tài)破壞。塑料污染、白色污染、溫室效應(yīng)問題日益顯著，困擾著人類社會，影響人們的生活。為了解決不可降解性塑料對生態(tài)造成的破壞，對環(huán)境造成的影響，“生物基可降解材料”的概念逐漸被提出，聚羥基脂肪酸酯（PHA）也屬于“生物基可降解材料”的一種，也是實現(xiàn)“碳減排”的一種方式。本文對聚羥基脂肪酸酯（PHA）的產(chǎn)品特性及其合成方式做簡要介紹。

與眾多高分子材料相同，PHA的本質(zhì)也是由同一種或不同種的羥基脂肪酸作為單體相互縮合而成，單體間以酯鍵相連。但是與眾多高分子材料不同的是，PHA是一種由多種微生物合成的生物聚酯，其合成位置位于微生物胞內(nèi)，合成行為由生物過程直接完成。PHA在菌體中以不溶于水的包涵體存在。

PHA的種類：

PHA的合成單體種類繁多，據(jù)資料統(tǒng)計，目前已發(fā)現(xiàn)組成PHA的羥基脂肪酸種類有150種以上。PHA的種類也根據(jù)其組成單體的種類、碳鏈長度、側(cè)鏈R基的不同，分為很多種，其結(jié)構(gòu)通式如下：

其中，m 通常為1、2 或3；n為單體鏈節(jié)數(shù)目；R 為側(cè)鏈，一般為單純的直鏈脂肪鏈，有時還帶有支鏈、芳環(huán)、鹵素等多種官能團。

R-甲基，聚β-羥基丁酸（PHB）

R-乙基，聚β-羥基戊酸（PHV)

R-丙基，聚β-羥基己酸（PHC）

R-丁基，聚β-羥基庚酸（PHH）

當單體中碳原子數(shù)目為3~5時，由此構(gòu)成的 PHA 稱為短鏈PHA；當碳原子數(shù)目為6~15時，稱之為中長鏈 PHA。

就單體種類而言，組成特定PHA的單體為同一單體時，此PHA為均聚物；組成該PHA的單體為2種及以上時，此PHA為共聚物。

由于PHA的單體種類、碳鏈長度和側(cè)鏈R基團的變化多樣，使PHA具備了截然不同的材料學性質(zhì)。通常而言，短鏈PHA結(jié)構(gòu)簡單規(guī)整，利于分子間的排布規(guī)整，材料結(jié)晶度較高，可達60%-80%。材料表現(xiàn)出硬度高、強度高，但柔韌性差；中長鏈PHA材料結(jié)構(gòu)較復雜，柔韌性好，具有彈性塑料的特點，但是其結(jié)晶度、熔融溫度和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度過低。短鏈和中長鏈PHA各自的材料特點限制了它們的應(yīng)用。隨著 PHA生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，將短鏈單體和中長鏈單體共聚后，這種共聚物具有比短鏈PHA更好的韌性和延展性，比中長鏈PHA 更優(yōu)異的硬度和結(jié)晶速率以及更高的熔融溫度。

PHA的特點：

可降解性

多年來，石油基一次性塑料的不可降解性造成了嚴重的環(huán)境污染，其他生物基可降解材料往往需要特定的環(huán)境條件才能降解，比如PLA需要進行集中堆肥處理。而PHA在自然條件下即可被多種微生物降解。

生物相容性

生物相容性是評判材料是否屬于生物材料的一個重要因素，生物相容性高的高分子材料能夠與人體組織接觸而不會引起負面反應(yīng)。PHA合成環(huán)境位于微生物胞內(nèi)，且在體內(nèi)降解后會產(chǎn)生3-羥基丁酸(3HB), 3HB也是人體代謝中酮體的組成成分之一，并能在極端條件（如饑餓、大量運動后）下為機體供能。因此，被認為是生物相容性最好的高分子材料。

除此之外，PHA 還具有材料多變性、非線性光學性能、電壓性能、氣體阻隔性能、熱塑性和可食用性等特性。

PHA的合成：

與眾多高分子材料相似，PHA的合成單體也是一些常見小分子化合物，而且在塑料的組成單體之中，有一些組分也可以被微生物重新利用，這主要包括一些二元醇、二元羧酸等。如 PU 的組成成分，己二酸( AA)和1,4-丁二醇(BDO)，乙二醇（EG）等都可以被微生物利用。

目前合成PHA研究較多的微生物有：產(chǎn)堿桿菌屬(Ralstonia eutropha)，假單胞菌屬(Pseudonomas)，甲基營養(yǎng)菌(Methylotrophs)，固氮菌屬(Azotobacter)，紅螺菌屬(Rhodospirilum)。自然合成 PHA 的細菌代謝途徑已有數(shù)十種被報道。

其中，主要的合成途徑有 3 種：

第一種、是由乙酰輔酶A通過3步酶反應(yīng)并消耗NADPH，最終直接合成PHA的代謝途徑。該途徑主要合成短鏈PHA，是目前分布最廣泛、研究最多的途徑；

第二種、是脂肪酸進入細胞作為碳源供能時，經(jīng)過β-氧化途徑轉(zhuǎn)變成PHA的合成前體 3-羥基酯酰輔酶 A，最終由合成酶PhaC催化，合成中長鏈 PHA 的途徑；

第三種、是獨立地利用脂肪酸合成途徑，以乙酰輔酶 A作為起始物質(zhì)，從頭合成 PHA 的途徑。

細菌形成PHA的3種主要代謝途徑：

在應(yīng)對環(huán)境變化、生態(tài)破壞問題，PHA因其獨特的特點以及良好的生物安全性，在“碳減排”過程中發(fā)揮著重要作用。但是目前的應(yīng)用仍然存在一些問題需要解決，例如：發(fā)酵過程容易染菌，原料轉(zhuǎn)化率低，產(chǎn)物回收困難，生產(chǎn)成本較高，性能不夠優(yōu)越等等。隨著合成生物學的不斷發(fā)展，通過菌種、發(fā)酵、分離提取等各個階段的不斷優(yōu)化，生物材料改性行業(yè)的不斷發(fā)展，逐步優(yōu)化PHA的性能，我們相信PHA會逐步應(yīng)用到各種場景中。

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