食品废弃物合成可生物降解塑料的研究进展

张艳萍

(北京工商大学食品学院，北京 100048)

食品废弃物合成可生物降解塑料的研究进展

张艳萍

(北京工商大学食品学院，北京 100048)

针对利用食品废弃物合成可生物降解塑料——聚羟基烷酸酯(PHAs)方面的研究，通过分析近年国内外文献，介绍了PHAs的结构与性能、合成PHAs的微生物、利用食品废弃物合成PHAs等方面的研究现状，展望了合成PHAs微生物筛选和使用、活性污泥混合菌群与食品废弃物合成PHAs的资源化利用前景，以期对相关人员的研究工作提供参考．

食品废弃物;可生物降解塑料;聚羟基烷酸酯;生物合成

食品废弃物(food wastes)是指由食品加工业、家庭、餐饮业等产生的一类废弃物，主要包括食物残余、食品加工废料、废弃食用油脂等．食品废弃物在城市生活垃圾中占比例较大．据统计:日本每年的食品废弃物产生量为2×107t;香港2006年食品废弃物产量为3 200 t/d，占城市固体废物总量的35%［1］;上海城市生活垃圾中厨余和果类所占的比例为70%［2］．食品废弃物一般含水率高(65% ～95%)，易为微生物利用．

在20世纪，合成塑料的发展取得了巨大的成功．至今，人们的衣食住行已直接或间接地和合成塑料联系在一起，然而废弃的塑料却产生了严重的环境污染．随着人类对改善自身生存环境的日益重视，开发可生物降解塑料已是势在必行．聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates，PHAs)是目前比较公认的一种可生物降解塑料，被视为石油基塑料的理想替代品［3］．利用食品废弃物合成聚羟基烷酸酯是食品废弃物资源化的一条新途径．

1 聚羟基烷酸酯的结构与性能

聚羟基烷酸酯表现为一种无定形的胞内物质，是一类高聚物的总称．其中，聚羟基丁酸酯(PHB)是最早发现的一种类似于淀粉和糖原的胞内存储类聚合物．通过对PHB的进一步研究发现:几乎所有类型的羟基烷酸酯(HA)成分都可合成为聚酯，由于HA种类众多，使用聚羟基烷酸酯(PHAs)这一通用名称来包括这类羟基烷酸酯聚合物［4］．

PHAs具有多种不同的结构和性质，这取决于其单体的构成．在不同微生物胞内，有超过80种不同的单体被发现可以聚合为PHAs，这些单体在手性中心3碳的位置均有相同的构型，其通式如下:

其中m=1，2或3，大多数情况下 m=1，即 β-羟基烷酸．n为单体的数目，R则代表侧链，多为不同链长的正烷基，也可以是支链的、不饱和的或带取代基的烷基．R为甲基时为羟基丁酸(HB)单体，其聚合物即为PHB，R为乙基时为羟基戊酸(HV)单体，聚合物为聚羟基戊酸酯(PHV)．此外常见的还有HB单体和HV单体组成的共聚物——聚羟基丁酸戊酸酯(P(HV/HB)或PHBV)．由3-羟基-2-甲基丁酸和3-羟基-2-甲基戊酸两种单体聚合而成的较高分子量的聚羟基甲基丁酸酯(poly-β-hydroxy-2-methylbutyrate)和聚羟基甲基戊酸酯(poly-β-hydroxy-2-methylvalerate)也是PHAs中相对重要的种类．

PHAs单体的组分及各组分间的比例不同，其机械性质也不尽相同．单聚物PHB是高度结晶的(结晶度在55% ～80%)，所以其抗冲击强度差且易断裂．而当PHB中加入一定比例的HV单体后，聚合物的柔韧性和抗冲击强度有所提高，且随PHV摩尔分数的升高，熔点和玻璃化温度会有所降低．因此共聚物P(HV/HB)比PHB表现出了更好的材料性质，具有更好的工业应用前景［5］．

2 PHAs的微生物合成

PHAs的合成有化学法和生物法两种，目前应用比较广泛的是生物法．利用一些原核微生物在不平衡生长条件下(如缺乏氮、氧等)合成，作为胞内能量和碳源储藏性聚合物．生物合成法分为纯菌种发酵法和混合菌种合成法两种．

2.1 纯菌种发酵法

产PHAs的微生物分布极为广泛，如产碱杆菌属(alcaligenes)、假单胞菌属(pseudomonas)、甲基营养菌(methylotrophs)、固氮菌属(azotobacter)和红螺菌属(rhodespirillum)等，它们分别利用不同的碳源合成PHAs［6］．纯菌种发酵法的PHAs得率较高．如大肠杆菌K24使用乳清作为单一碳源时合成的PHAs 含量达到了 72.9% 细 胞干 重［7］;Cai 等［8］(2009)研究以辛酸钠为碳源时恶臭假单胞菌(pseudomonas putida)对中长链PHAs的合成，优良突变菌株(P.putida KTMQ01)合成的PHAs含量达到80%细胞干重;Steinbüchel等［9］还曾有 PHAs聚集浓度达到90%细胞干重的报道．

目前国内外已投入生产的菌种主要是真养产碱杆菌(ralstonia eutropha)、固氮菌和假单胞菌，其中真养产碱杆菌是合成短链聚羟基烷酸酯(如PHB)的首选菌种，该菌的合成产量很高，在最适生长条件下，PHB合成量可占其细胞干重的80%，并且可利用的底物来源较广泛，包括碳水化合物、短链有机酸、醇类等［10］．利用纯菌种合成PHAs，由于需要昂贵的高品质底物和纯培养发酵工艺，使得生物合成PHAs的成本很高，这也是PHAs不能取代化学合成塑料得以大规模应用的最主要原因．

2.2 混合菌合成法

采用混合菌种代替纯菌种来合成PHAs可以实质性地降低生产成本，提高其市场竞争力．首先，混合菌种可以适应各种底物及底物的变化，可以采用废弃有机碳源及其水解产物为底物，降低原料成本并可回收资源;其次，混合菌种合成PHAs无需灭菌过程及灭菌设备，简化工艺过程并降低成本．

常见的混合菌种合成法主要是利用活性污泥中的微生物进行PHAs的生物合成．Tsz Chun等［11］、Ma等［12］在香港城市废水处理厂获取活性污泥，使用从中分离出的细菌生产 PHAs，对其微生物合成和生物化学特性进行了研究．活性污泥合成PHAs的工艺中，关键是选择和富集出具有PHAs贮存能力的活性污泥微生物，目前选择性培养采用的运行方式主要有厌氧/好氧交替和好氧动态进料两种．姚樱［13］采用厌氧/好氧运行工况长期驯化聚糖菌，获得的PHAs含量达到污泥干重的58.9%．好氧动态进料方式，通过使反应器中底物时而丰富、时而匮乏，抑制微生物的生长，驯化出具有较强PHAs贮存能力的菌群［14－15］．Serafim 等［16］采用好氧瞬时供料工艺驯化活性污泥微生物，以乙酸为底物，得到的PHB合成量达细胞干重的78.5%，这是目前报道的用混合菌种合成法合成PHAs的最高含量．

3 利用食品废弃物合成PHAs

采用生物合成法生产PHAs，高品质底物的成本约占全部生产成本的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］．如果采用廉价的底物，如工业废水、农业废弃物、食品废弃物和污水处理厂剩余污泥等，PHA的生产成本将大大降低．近年利用食品废弃物作为底物合成PHAs的研究不断增多．

3.1 直接利用食品废弃物合成PHAs

废弃的植物油、糖浆、淀粉、乳清等均可作为碳源生产PHAs．Ramadas等［17］用各种农业和工业残渣为底物对PHB的生产进行了分析和研究．Singh等［18］在0.5%的棕榈油中培养48 h，其共聚物PHAs含量可以达到细胞干重的60%，限磷和限氮条件下，PHAs含量还会进一步提高到细胞干重的69%和75%．Haas等［19］以糖化废弃马铃薯淀粉为碳源，利用真养产碱杆菌(ralstonia eutropha NCIMB 11599)在限磷条件下也取得较高产量，最高细胞密度达到179 g/L，其中PHB为94 g/L，PHB产率为1.47 g/L．h．Martin K 等［20］使用乳浆糖进行 PHAs生物合成，也获得了50%细胞干重的合成量．Tsuge等［21］对在大豆油中利用聚合酶的变体生产HB与中链长HAs共聚物P(3HB-co-3HA)的能力进行了评估．Lee等［22］使用钩虫贪铜菌(cupriavidus necator H16)在植物油和3-羟基戊酸酯的前驱体的混合物中对PHAs的共聚物进行生物合成，不仅获得了较高的PHA浓度，还得到了较高分子量的PHA共聚物．蔡萌萌等［1］以麦芽、豆类、糖果、冰激凌、牛奶、芝麻油和食醋废物为底物，研究产碱弧菌(Alcaligenes latus)、表皮葡萄球菌(staphylococcus epidermidis)和活性污泥三类微生物对PHAs的合成．研究表明多数食品废弃物适用于PHAs的合成．产碱弧菌适应性强，在缺氮阶段合成PHB的产量高，其利用麦芽废物合成的PHB产量达细胞内含量的70.1%．S.epidermidis微好氧时可以合成分子量超过1×106的PHB．活性污泥可利用豆类废物合成聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)共聚物，其中羟基戊酸比例占 21%［1］．

3.2 利用食品废弃物发酵液合成PHAs

不是每种食品废弃物都能直接作为底物转化为PHAs，这个问题可以通过酸化发酵预处理解决．食品废弃物发酵酸化产生的乙酸、丙酸、丁酸等挥发性有机酸是真养产碱杆菌等一些微生物合成PHAs的适宜碳源，并且，作为底物的有机酸成分会影响到合成PHAs的单体组成．

Rhu等［23］(2003)在厌氧/好氧模式下，用食品废弃物的水解酸化液合成PHA，在限制磷的条件下得到PHA在细胞内的含量最高为51%．其中HB的比例为74%～77%，食品废弃物的转化率达到25 kgPHA/t干重．Du 等［24－25］也对食品废弃物作为真养产碱杆菌(ralstonia eutropha)底物合成PHA进行了研究，用餐厅垃圾的水解酸化液通过透析膜进入第二个反应器，作为Ralstonia eutropha的唯一碳源，合成的PHA为共聚物P(HV/HB)，其中HV的摩尔分数为2.8%，发酵73 h后得到PHA的浓度和含量分别为16.5 g/L和72.6%．

3.3 底物对PHAs合成的影响

选择合适的底物对优化PHAs合成是非常重要的，一般认为碳源充足而限制氮、磷的营养条件，有利于提高PHAs的合成量．合成PHAs的碳源包括有机酸(乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等)、糖类(葡萄糖、蔗糖、木糖)、醇类(甲醇、乙醇、戊醇、甘油等)．如果采用廉价的底物(如剩余污泥、农业有机废弃物及食品废弃物)，首先应将其厌氧酸化，使之转化为乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等易合成PHAs的混合酸［26］．Zhu 等［27］研究发现，食品废弃物与剩余污泥联合发酵时，产酸的浓度要高于单纯的食品废弃物发酵产酸．Jiang等［28］发现，利用剩余污泥产酸发酵液合成PHAs的成分是挥发性脂肪酸(VFA)，而不是蛋白质和碳水化合物，通过优化发酵条件，最高PHAs含量达到了污泥干重的72.9%．

底物的组分不仅决定合成PHAs的量，还决定聚合物的组成，并进而决定其性质．当使用单一底物如乙酸或乳酸时，得到的是均聚物PHB，而单独使用丙酸时则为聚羟基戊酸酯(PHV)．当乙酸和乳酸中的一种与丙酸共存时，它们将与丙酸生成共聚物 P(HV/HB)［29－30］．在通常情况下，利用混合菌种和废弃物发酵液合成的PHAs，主要成分是均聚物PHB和共聚物P(HV/HB)，通过增大发酵液中丙酸浓度可提高共聚物P(HV/HB)的比例，从而优化PHAs的性质［29］．控制预酸化酵解的条件，是改善底物的组成，提高PHA中HV含量的一条有效途径［31－32］．

底物的补料方式对PHAs合成也有一定影响．Hafuka等［33］研究了不同给料方式对食品废弃物发酵液产生PHB的影响，在逐步给料以及连续给料模式中，产生的PHB的浓度高于一次性给料方式．Albuquerque等［34］(2011)研究了脉冲及连续加料方式对糖浆发酵液合成PHAs的影响，结果表明，使用连续给料的方式优于脉冲给料，并且HV的产生量提高了8%．

4 展望

围绕PHAs合成的各种研究结果表明，目前已经具备了规模开发这种新型可生物降解材料的能力．国内已有多家研究单位，如清华大学、中国科学院、汕头大学等，积极从事PHAs聚合物的研究与生产，也取得了丰硕的成果．利用价格低、来源广的农副产品或废弃物作为糖质原料生产PHAs是很有竞争力的一条途径．今后对这种可生物降解塑料合成的研发还需加强以下几个方面的工作．

1)纯菌种发酵法合成PHAs的生产方面，通过将传统的菌种选育与现代基因技术相结合，可能得到能够快速生长、高效合成PHAs的微生物菌种．还需深入进行一系列生化工程的研究，有效地解决优势菌株的高密度培养问题，以缩短发酵周期、提高转化率．此外，开拓新的PHA系列产物、研制具有特殊用途产品，可以通过性能因素的优势弥补成本因素的不足．

2)以活性污泥法为主的混合菌种，利用多种底物生产PHAs比纯菌种、单底物的方法更具有现实可行性．由于混合菌种对多种底物的适应性强，底物可从昂贵的单一底物转向低廉的混合底物，使碳源丰富的有机废水、废料的利用成为可能，从根本上降低PHAs的生产价格．当然，由于混合菌种合成PHA占细胞干重的比例不是很高，有可能增加相应的提纯费用．另外，对相关工艺运行条件的优化还要进行更深入的研究，以求达到最佳经济效果．

3)选择廉价的、来源广泛的食品废弃物作底物，优化可生物降解塑料的合成工艺，既有利于大幅降低合成成本，又可实现废物减量化和资源化，对降低“白色污染”危害也有积极的意义．但食品废弃物处理与PHAs生产如何更有效耦合还需深入研究．

［1］蔡萌萌，蔡宏，王爱玲，等．微生物利用食品废物合成聚羟基烷酸酯［J］．环境科学，2008，29(9):2643-2648．

［2］赵有亮．上海市食品废弃物处理处置现状综述［J］．四川环境，2010，29(3):128-133．

［3］Lenz R W，Marchessault R H．Bacterial polyesters:biosynthesis，biodegradable plastics and biotechnology［J］．Biomacromolecules，2005(6):1-8．

［4］Sudesh K，Abe H，Doi Y．Synthesis structure and properties ofpolyhydroxyalkanoates: Biologicalpolyesters［J］．Progress in Polymer Science(Oxford)，2000，25(10):1503-1555．

［5］金大勇，顾国维，杨海真．生物降解塑料聚羟基烷酸(PHA)的研究进展［J］．氨基酸和生物资源，2004，26:30-32．

［6］陈琦，黄和容，易祖华．微生物合成生物降解塑料研究现状和展望［J］．微生物学通报，1994，21(5):297-303．

［7］Nikel P I，De Almeida A，Melillo E C，et al．New recombinant escherichia coli strain tailored for the production of poly(3-Hydroxybutyrate)from agroindustrial by-products［J］．Appl Environ Microbiol，2006，72(6):3949-3954．

［8］Cai L，Yuan M Q，Liu F，et al．Enhanced production of medium-chain length polyhydroxyalkanoates(PHA)by PHA de-polymerase knockout mutant of Pseudomonas putida KT2442［J］．Bioresource Technology，2009，100(7):2265-2270．

［9］Steinbüchel A，Lutke E T．Metabolic engineering and pathway construction for biotechnological production of relevant polyhydroxyalkanoates in microorganisms［J］．Biochemical Engineering Journal，2003，16(2):81-96．

［10］严群，李寅，陈坚，等．微生物合成中链聚羟基烷酸酯研究［J］．生物工程学报，2001，17(5):485-490．

［11］Tsz Chun M，Chan P L，Lawford H，et al．Microbial synthesis and characterization of physiochemical properties of polyhydroxyalkanoates(PHAs)produced by bacteria isolated from activated sludge obtained from the municipal wastewater works in Hong Kong［J］．Applied Biochemistry and Biotechnology，2005，121(124):731-740．

［12］Ma T C，Chan P L，Lawford H，et al．Microbial synthesis and characterization of physiochemical properties of polyhydroxyalkanoates(PHAs)produced by bacteria isolated from activated sludge obtained from the municipal wastewater works in Hong Kong［J］．Applied Biochemistry and Biotechnology，2005，122(123):731-739．

［13］姚樱．影响聚糖菌生长和代谢的关键因素及聚糖菌合成聚羟基烷酸的初步研究［D］．上海:同济大学，2007．

［14］Van Loosdrecht M C M，Pot M A，Heijnen J J．Importance of bacterial storage polymers in bioprocesses［J］．Water Science and Technology，1997，35(1):41-47．

［15］Lemos P C，Serafim L S，Reis M A M．Polyhydroxyalkanoates production by activated sludge in a SBR using acetate and propionate as carbon sources［J］．Water Science and Technology，2004，50(10):189-194．

［16］Serafim L S，Lemos P C，Oliveira R，et al．Optimization of polyhydroxybutyrate production by mixed cultures submitted to aerobic dynamic feeding conditions［J］．Biotechnology and Bioengineering，2004，87(2):145-160．

［17］Ramadas N V，Singh S K，Soccol C R，et al．Polyhydroxybutyrate production using agroindustrial residueas substrate by bacillus sphaericus NCIM 5149［J］．Brazilian Archives of Biology and Technology，2009，52(1):17-23．

［18］Singh A K，Mallick N．Exploitation of inexpensive substrates for production of a novel SCL-LCL-PHA co-polymer by Pseudomonas aeruginosa MTCC 7925［J］．Journal of Industrial Microbiology＆ Biotechnology，2009，36(3):347-354．

［19］Haas R，Jin B，Zepf F T．Production of poly(3-hydroxybu-tyrate)from waste potato［Solanum tuberosum］starch［J］．Bioscience，Biotechnology and Biochemistry，2008，72(1):253-256．

［20］Martin K A A，Cacute Y G G，Christoph K S，et al．Polyhydroxyalkanoate(PHA)biosynthesis from wheylactose［J］．Macromolecular Symposia，2008，272(1):87-92．

［21］Tsuge T，Yamamoto T，Yano K，et al．Evaluating the abilityof polyhydroxyalkanoate synt hase mutant s to produce P(3HB-co-3HA)f rom soybean oil［J］．Macromolecular Bioscience，2009，9(1):71-78．

［22］Lee W H，Loo C Y，Nomura C T，et al．Biosynthesis of polyhydroxyalkanoate copolymers from mixtures of plant oils and 3-hydroxyvalerate precursors［J］．Bioresource Technology，2008，99(15):6844-6851．

［23］Rhu D H，Lee W H，Kim J Y，et al．Polyhydroxyalkanoate(PHA)production from waste［J］．Water Science and Technology，2003，48(8):221-228．

［24］Du G C，Yu J．Green technology for conversion of food scraps tobiodegradable thermoplastic polyhydroxyalkanoates［J］．Environ Sci Technol，2002，36(24):5511-5516．

［25］Du G C，Chen L X L，Yu J．High efficiency production of bioplastics from biodegradable organic solids［J］．Journal of Polymers and the Environment，2004，12:89-94．

［26］周晓杰．利用淀粉发酵产酸合成PHA的研究［D］．天津:天津大学，2010．

［27］Zhu H G，Parker W，Basnar R，et al．Seto P Biohydrogen production by anaerobic co-digestion of municipal food waste and sewage sludges［J］．Intemational Journal of Hydrogen Energy，2008，33:3651-3659．

［28］Jiang Y M，Chen Y G，Zheng X．Effieient polyhydroxyalkanoates produetion from a waste activated sludge alkaline fermentation liquid by activated sludge submitted to the aerobic feeding and discharge proeess［J］．Environmental Science and Technology，2009，43:7734-7741．

［29］Dionisi D，Majone M，Papa V，et al．Biodegradable polymers from organic acids by using activated sludge enriched by aerobic periodic feeding［J］．Biotechnology Bioengineering，2004，85:569-579．

［30］Reis M A M，Serafilm L S，Lemos P C，et al．Production of polyhydroxyalkanoates by mixed microbial cultures［J］．Bioprocess Biosystem Engineering，2003，25:377-385．

［31］Salehizadeh H，van Loosdrecht M C M．Production of polyhydroxyalkanoates by mixed culture:recent trends and biotechnological importance［J］．Biotechnol Adv，2004，22:261-279．

［32］Lemos P C，Serafim L S，Reis M A M．Synthesis of polyhydroxyalkanoates from different short-chain fatty acids by mixed culturessubmitted to aerobic dynamic feeding［J］．J Biotechnol，2006，122:226-238．

［33］Hafuka A，Sakaida K，Satoh H．Effect of feeding regimens on polyhydroxybutyrate production from food waste by cupriavidus nacator［J］．Bioresource Technology，2010，102:3551-3553．

［34］Albuquerque M G E，Martino V，Pollet E，et al．Mixed culture polyhydroxyalkanoate(PHA)production from volatile fatty acid(VFA)-rich streams:effect of substrate composition and feeding regime on PHA productivity，composition and properties［J］．Journal of Biotechnology，2011，151(1):66-76．

(责任编辑:王 宽)

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

北京市自然科学基金资助项目(8112012);北京工商大学青年教师科研启动基金资助项目(2010)．

张艳萍，女，副教授，博士，主要从事环境污染防治方面的研究．