食品廢棄物合成可生物降解塑料的研究進展

張艷萍

(北京工商大學食品學院，北京 100048)

食品廢棄物合成可生物降解塑料的研究進展

張艷萍

(北京工商大學食品學院，北京 100048)

針對利用食品廢棄物合成可生物降解塑料——聚羥基烷酸酯(PHAs)方面的研究，通過分析近年國內(nèi)外文獻，介紹了PHAs的結(jié)構(gòu)與性能、合成PHAs的微生物、利用食品廢棄物合成PHAs等方面的研究現(xiàn)狀，展望了合成PHAs微生物篩選和使用、活性污泥混合菌群與食品廢棄物合成PHAs的資源化利用前景，以期對相關(guān)人員的研究工作提供參考．

食品廢棄物;可生物降解塑料;聚羥基烷酸酯;生物合成

食品廢棄物(food wastes)是指由食品加工業(yè)、家庭、餐飲業(yè)等產(chǎn)生的一類廢棄物，主要包括食物殘余、食品加工廢料、廢棄食用油脂等．食品廢棄物在城市生活垃圾中占比例較大．據(jù)統(tǒng)計:日本每年的食品廢棄物產(chǎn)生量為2×107t;香港2006年食品廢棄物產(chǎn)量為3 200 t/d，占城市固體廢物總量的35%［1］;上海城市生活垃圾中廚余和果類所占的比例為70%［2］．食品廢棄物一般含水率高(65% ～95%)，易為微生物利用．

在20世紀，合成塑料的發(fā)展取得了巨大的成功．至今，人們的衣食住行已直接或間接地和合成塑料聯(lián)系在一起，然而廢棄的塑料卻產(chǎn)生了嚴重的環(huán)境污染．隨著人類對改善自身生存環(huán)境的日益重視，開發(fā)可生物降解塑料已是勢在必行．聚羥基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates，PHAs)是目前比較公認的一種可生物降解塑料，被視為石油基塑料的理想替代品［3］．利用食品廢棄物合成聚羥基烷酸酯是食品廢棄物資源化的一條新途徑．

1 聚羥基烷酸酯的結(jié)構(gòu)與性能

聚羥基烷酸酯表現(xiàn)為一種無定形的胞內(nèi)物質(zhì)，是一類高聚物的總稱．其中，聚羥基丁酸酯(PHB)是最早發(fā)現(xiàn)的一種類似于淀粉和糖原的胞內(nèi)存儲類聚合物．通過對PHB的進一步研究發(fā)現(xiàn):幾乎所有類型的羥基烷酸酯(HA)成分都可合成為聚酯，由于HA種類眾多，使用聚羥基烷酸酯(PHAs)這一通用名稱來包括這類羥基烷酸酯聚合物［4］．

PHAs具有多種不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，這取決于其單體的構(gòu)成．在不同微生物胞內(nèi)，有超過80種不同的單體被發(fā)現(xiàn)可以聚合為PHAs，這些單體在手性中心3碳的位置均有相同的構(gòu)型，其通式如下:

其中m=1，2或3，大多數(shù)情況下 m=1，即 β-羥基烷酸．n為單體的數(shù)目，R則代表側(cè)鏈，多為不同鏈長的正烷基，也可以是支鏈的、不飽和的或帶取代基的烷基．R為甲基時為羥基丁酸(HB)單體，其聚合物即為PHB，R為乙基時為羥基戊酸(HV)單體，聚合物為聚羥基戊酸酯(PHV)．此外常見的還有HB單體和HV單體組成的共聚物——聚羥基丁酸戊酸酯(P(HV/HB)或PHBV)．由3-羥基-2-甲基丁酸和3-羥基-2-甲基戊酸兩種單體聚合而成的較高分子量的聚羥基甲基丁酸酯(poly-β-hydroxy-2-methylbutyrate)和聚羥基甲基戊酸酯(poly-β-hydroxy-2-methylvalerate)也是PHAs中相對重要的種類．

PHAs單體的組分及各組分間的比例不同，其機械性質(zhì)也不盡相同．單聚物PHB是高度結(jié)晶的(結(jié)晶度在55% ～80%)，所以其抗沖擊強度差且易斷裂．而當PHB中加入一定比例的HV單體后，聚合物的柔韌性和抗沖擊強度有所提高，且隨PHV摩爾分數(shù)的升高，熔點和玻璃化溫度會有所降低．因此共聚物P(HV/HB)比PHB表現(xiàn)出了更好的材料性質(zhì)，具有更好的工業(yè)應(yīng)用前景［5］．

2 PHAs的微生物合成

PHAs的合成有化學法和生物法兩種，目前應(yīng)用比較廣泛的是生物法．利用一些原核微生物在不平衡生長條件下(如缺乏氮、氧等)合成，作為胞內(nèi)能量和碳源儲藏性聚合物．生物合成法分為純菌種發(fā)酵法和混合菌種合成法兩種．

2.1 純菌種發(fā)酵法

產(chǎn)PHAs的微生物分布極為廣泛，如產(chǎn)堿桿菌屬(alcaligenes)、假單胞菌屬(pseudomonas)、甲基營養(yǎng)菌(methylotrophs)、固氮菌屬(azotobacter)和紅螺菌屬(rhodespirillum)等，它們分別利用不同的碳源合成PHAs［6］．純菌種發(fā)酵法的PHAs得率較高．如大腸桿菌K24使用乳清作為單一碳源時合成的PHAs 含量達到了 72.9% 細 胞干 重［7］;Cai 等［8］(2009)研究以辛酸鈉為碳源時惡臭假單胞菌(pseudomonas putida)對中長鏈PHAs的合成，優(yōu)良突變菌株(P.putida KTMQ01)合成的PHAs含量達到80%細胞干重;Steinbüchel等［9］還曾有 PHAs聚集濃度達到90%細胞干重的報道．

目前國內(nèi)外已投入生產(chǎn)的菌種主要是真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌(ralstonia eutropha)、固氮菌和假單胞菌，其中真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌是合成短鏈聚羥基烷酸酯(如PHB)的首選菌種，該菌的合成產(chǎn)量很高，在最適生長條件下，PHB合成量可占其細胞干重的80%，并且可利用的底物來源較廣泛，包括碳水化合物、短鏈有機酸、醇類等［10］．利用純菌種合成PHAs，由于需要昂貴的高品質(zhì)底物和純培養(yǎng)發(fā)酵工藝，使得生物合成PHAs的成本很高，這也是PHAs不能取代化學合成塑料得以大規(guī)模應(yīng)用的最主要原因．

2.2 混合菌合成法

采用混合菌種代替純菌種來合成PHAs可以實質(zhì)性地降低生產(chǎn)成本，提高其市場競爭力．首先，混合菌種可以適應(yīng)各種底物及底物的變化，可以采用廢棄有機碳源及其水解產(chǎn)物為底物，降低原料成本并可回收資源;其次，混合菌種合成PHAs無需滅菌過程及滅菌設(shè)備，簡化工藝過程并降低成本．

常見的混合菌種合成法主要是利用活性污泥中的微生物進行PHAs的生物合成．Tsz Chun等［11］、Ma等［12］在香港城市廢水處理廠獲取活性污泥，使用從中分離出的細菌生產(chǎn) PHAs，對其微生物合成和生物化學特性進行了研究．活性污泥合成PHAs的工藝中，關(guān)鍵是選擇和富集出具有PHAs貯存能力的活性污泥微生物，目前選擇性培養(yǎng)采用的運行方式主要有厭氧/好氧交替和好氧動態(tài)進料兩種．姚櫻［13］采用厭氧/好氧運行工況長期馴化聚糖菌，獲得的PHAs含量達到污泥干重的58.9%．好氧動態(tài)進料方式，通過使反應(yīng)器中底物時而豐富、時而匱乏，抑制微生物的生長，馴化出具有較強PHAs貯存能力的菌群［14－15］．Serafim 等［16］采用好氧瞬時供料工藝馴化活性污泥微生物，以乙酸為底物，得到的PHB合成量達細胞干重的78.5%，這是目前報道的用混合菌種合成法合成PHAs的最高含量．

3 利用食品廢棄物合成PHAs

采用生物合成法生產(chǎn)PHAs，高品質(zhì)底物的成本約占全部生產(chǎn)成本的40%～50%．不同微生物所利用的底物有所不同，主要有葡萄糖、果糖、葡萄糖酸、糖蜜、甲酸、乙酸等［6］．如果采用廉價的底物，如工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢棄物、食品廢棄物和污水處理廠剩余污泥等，PHA的生產(chǎn)成本將大大降低．近年利用食品廢棄物作為底物合成PHAs的研究不斷增多．

3.1 直接利用食品廢棄物合成PHAs

廢棄的植物油、糖漿、淀粉、乳清等均可作為碳源生產(chǎn)PHAs．Ramadas等［17］用各種農(nóng)業(yè)和工業(yè)殘渣為底物對PHB的生產(chǎn)進行了分析和研究．Singh等［18］在0.5%的棕櫚油中培養(yǎng)48 h，其共聚物PHAs含量可以達到細胞干重的60%，限磷和限氮條件下，PHAs含量還會進一步提高到細胞干重的69%和75%．Haas等［19］以糖化廢棄馬鈴薯淀粉為碳源，利用真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌(ralstonia eutropha NCIMB 11599)在限磷條件下也取得較高產(chǎn)量，最高細胞密度達到179 g/L，其中PHB為94 g/L，PHB產(chǎn)率為1.47 g/L．h．Martin K 等［20］使用乳漿糖進行 PHAs生物合成，也獲得了50%細胞干重的合成量．Tsuge等［21］對在大豆油中利用聚合酶的變體生產(chǎn)HB與中鏈長HAs共聚物P(3HB-co-3HA)的能力進行了評估．Lee等［22］使用鉤蟲貪銅菌(cupriavidus necator H16)在植物油和3-羥基戊酸酯的前驅(qū)體的混合物中對PHAs的共聚物進行生物合成，不僅獲得了較高的PHA濃度，還得到了較高分子量的PHA共聚物．蔡萌萌等［1］以麥芽、豆類、糖果、冰激凌、牛奶、芝麻油和食醋廢物為底物，研究產(chǎn)堿弧菌(Alcaligenes latus)、表皮葡萄球菌(staphylococcus epidermidis)和活性污泥三類微生物對PHAs的合成．研究表明多數(shù)食品廢棄物適用于PHAs的合成．產(chǎn)堿弧菌適應(yīng)性強，在缺氮階段合成PHB的產(chǎn)量高，其利用麥芽廢物合成的PHB產(chǎn)量達細胞內(nèi)含量的70.1%．S.epidermidis微好氧時可以合成分子量超過1×106的PHB．活性污泥可利用豆類廢物合成聚羥基丁酸戊酸酯(PHBV)共聚物，其中羥基戊酸比例占 21%［1］．

3.2 利用食品廢棄物發(fā)酵液合成PHAs

不是每種食品廢棄物都能直接作為底物轉(zhuǎn)化為PHAs，這個問題可以通過酸化發(fā)酵預(yù)處理解決．食品廢棄物發(fā)酵酸化產(chǎn)生的乙酸、丙酸、丁酸等揮發(fā)性有機酸是真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌等一些微生物合成PHAs的適宜碳源，并且，作為底物的有機酸成分會影響到合成PHAs的單體組成．

Rhu等［23］(2003)在厭氧/好氧模式下，用食品廢棄物的水解酸化液合成PHA，在限制磷的條件下得到PHA在細胞內(nèi)的含量最高為51%．其中HB的比例為74%～77%，食品廢棄物的轉(zhuǎn)化率達到25 kgPHA/t干重．Du 等［24－25］也對食品廢棄物作為真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌(ralstonia eutropha)底物合成PHA進行了研究，用餐廳垃圾的水解酸化液通過透析膜進入第二個反應(yīng)器，作為Ralstonia eutropha的唯一碳源，合成的PHA為共聚物P(HV/HB)，其中HV的摩爾分數(shù)為2.8%，發(fā)酵73 h后得到PHA的濃度和含量分別為16.5 g/L和72.6%．

3.3 底物對PHAs合成的影響

選擇合適的底物對優(yōu)化PHAs合成是非常重要的，一般認為碳源充足而限制氮、磷的營養(yǎng)條件，有利于提高PHAs的合成量．合成PHAs的碳源包括有機酸(乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等)、糖類(葡萄糖、蔗糖、木糖)、醇類(甲醇、乙醇、戊醇、甘油等)．如果采用廉價的底物(如剩余污泥、農(nóng)業(yè)有機廢棄物及食品廢棄物)，首先應(yīng)將其厭氧酸化，使之轉(zhuǎn)化為乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等易合成PHAs的混合酸［26］．Zhu 等［27］研究發(fā)現(xiàn)，食品廢棄物與剩余污泥聯(lián)合發(fā)酵時，產(chǎn)酸的濃度要高于單純的食品廢棄物發(fā)酵產(chǎn)酸．Jiang等［28］發(fā)現(xiàn)，利用剩余污泥產(chǎn)酸發(fā)酵液合成PHAs的成分是揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，而不是蛋白質(zhì)和碳水化合物，通過優(yōu)化發(fā)酵條件，最高PHAs含量達到了污泥干重的72.9%．

底物的組分不僅決定合成PHAs的量，還決定聚合物的組成，并進而決定其性質(zhì)．當使用單一底物如乙酸或乳酸時，得到的是均聚物PHB，而單獨使用丙酸時則為聚羥基戊酸酯(PHV)．當乙酸和乳酸中的一種與丙酸共存時，它們將與丙酸生成共聚物 P(HV/HB)［29－30］．在通常情況下，利用混合菌種和廢棄物發(fā)酵液合成的PHAs，主要成分是均聚物PHB和共聚物P(HV/HB)，通過增大發(fā)酵液中丙酸濃度可提高共聚物P(HV/HB)的比例，從而優(yōu)化PHAs的性質(zhì)［29］．控制預(yù)酸化酵解的條件，是改善底物的組成，提高PHA中HV含量的一條有效途徑［31－32］．

底物的補料方式對PHAs合成也有一定影響．Hafuka等［33］研究了不同給料方式對食品廢棄物發(fā)酵液產(chǎn)生PHB的影響，在逐步給料以及連續(xù)給料模式中，產(chǎn)生的PHB的濃度高于一次性給料方式．Albuquerque等［34］(2011)研究了脈沖及連續(xù)加料方式對糖漿發(fā)酵液合成PHAs的影響，結(jié)果表明，使用連續(xù)給料的方式優(yōu)于脈沖給料，并且HV的產(chǎn)生量提高了8%．

4 展望

圍繞PHAs合成的各種研究結(jié)果表明，目前已經(jīng)具備了規(guī)模開發(fā)這種新型可生物降解材料的能力．國內(nèi)已有多家研究單位，如清華大學、中國科學院、汕頭大學等，積極從事PHAs聚合物的研究與生產(chǎn)，也取得了豐碩的成果．利用價格低、來源廣的農(nóng)副產(chǎn)品或廢棄物作為糖質(zhì)原料生產(chǎn)PHAs是很有競爭力的一條途徑．今后對這種可生物降解塑料合成的研發(fā)還需加強以下幾個方面的工作．

1)純菌種發(fā)酵法合成PHAs的生產(chǎn)方面，通過將傳統(tǒng)的菌種選育與現(xiàn)代基因技術(shù)相結(jié)合，可能得到能夠快速生長、高效合成PHAs的微生物菌種．還需深入進行一系列生化工程的研究，有效地解決優(yōu)勢菌株的高密度培養(yǎng)問題，以縮短發(fā)酵周期、提高轉(zhuǎn)化率．此外，開拓新的PHA系列產(chǎn)物、研制具有特殊用途產(chǎn)品，可以通過性能因素的優(yōu)勢彌補成本因素的不足．

2)以活性污泥法為主的混合菌種，利用多種底物生產(chǎn)PHAs比純菌種、單底物的方法更具有現(xiàn)實可行性．由于混合菌種對多種底物的適應(yīng)性強，底物可從昂貴的單一底物轉(zhuǎn)向低廉的混合底物，使碳源豐富的有機廢水、廢料的利用成為可能，從根本上降低PHAs的生產(chǎn)價格．當然，由于混合菌種合成PHA占細胞干重的比例不是很高，有可能增加相應(yīng)的提純費用．另外，對相關(guān)工藝運行條件的優(yōu)化還要進行更深入的研究，以求達到最佳經(jīng)濟效果．

3)選擇廉價的、來源廣泛的食品廢棄物作底物，優(yōu)化可生物降解塑料的合成工藝，既有利于大幅降低合成成本，又可實現(xiàn)廢物減量化和資源化，對降低“白色污染”危害也有積極的意義．但食品廢棄物處理與PHAs生產(chǎn)如何更有效耦合還需深入研究．

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(責任編輯:王 寬)

Research Advance in Microbiological Synthesis of Biodegradable Plastic from Food Wastes

ZHANG Yan-ping
(School of Food and Chemical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China)

The researches on polyhydroxyalkanoates(PHAs)microbiological synthesis from food wastes were summarized and analyzed．The structure and properties of polyhydroxyalkanoates，microorganisms of PHAs synthesis and PHAs microbiological synthesis using food wastes were discribed in this paper．The prospects of future research in special microbial screening of PHAs synthesis and comprehensive utilization of activated sludge and food wastes were proposed to researchers as a reference．

food wastes;biodegradable plastic;polyhydroxyalkanoates;microbiological synthesis

TS201.6

A

1671-1513(2012)06-0071-05

2012-06-26

北京市自然科學基金資助項目(8112012);北京工商大學青年教師科研啟動基金資助項目(2010)．

張艷萍，女，副教授，博士，主要從事環(huán)境污染防治方面的研究．