生物医用材料聚羟基脂肪酸酯(PHA)的研究进展 *

*：国家自然科学基金项目(编号：31260015，31160036).**：通信作者，硕士，教授，E-mail：ruijunduan@163.com

魏晓星(1980~)，男，汉族，山东籍，博士.

生物医用材料聚羟基脂肪酸酯(PHA)的研究进展*

魏晓星1，张华磊2，段瑞君3**

(1.青海大学医学院，青海 西宁 810016；2.开封市儿童医院麻醉科，河南 开封 475000；

3.青海大学生态环境工程学院，青海 西宁 810016)

中图分类号O632.52

文献标识码A

DOI：10.13452/j.cnki.jqmc.2015.03.012

聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate，简称PHA)是微生物合成的一大类高分子聚酯，以疏水性颗粒形式广泛存在于微生物细胞中[1-3]，具有可降解性、生物相容性和多变的材料学性能，可用作传统石油来源的不可降解塑料的补充或医用组织工程材料等，现已引起医学领域的广泛关注。目前，PHA的生产成本仍然较高，由此制约了其大规模工业化生产和商业应用开发。许多研究工作致力于从菌种构建、发酵过程优化等方面降低PHA的生产成本，本文就这方面的研究进展进行总结。

1PHA概述

1.1　PHA的化学结构

PHA是由单体羟基脂肪酸(hydroxyalkanoicacid，HA)聚合而成的高分子化合物，通常侧链基团链长在3~14个碳原子范围且高度可变，不同的PHA及其单体具有不同的侧链基团。

图1　PHA的结构通式

PHA的基本结构如图1所示。其中，m=1、2或3；n为单体数目；R代表侧链，多为C1～C13的不同链长的正烷基，也可以是带支链，不饱和或带取代基的烷基。当m=1、R为甲基时，为聚3-羟基丁酸酯(PHB)，是PHA中最常见而又最重要的一种[2]。

根据单体的碳链长短，PHA可以被分为两类：短链(short-chain-length，SCL)PHA，其单体由3~5个碳原子组成；中长链(medium-chain-length，MCL)PHA，其单体由6~14个碳原子组成。根据单体的组成的种类，PHA可包括：均聚物，只由一种单体组成；共聚物，含有一种以上的单体。

1.2　PHA的材料性能

PHA的材料学性质主要是由其单体组成决定的。PHA的单体种类多样，链长、侧链基团的不同，使PHA有不同的材料学性质[3]。除了类似于传统塑料的热塑性以外，PHA还具有一些独特性质，包括生物可再生性、生物可降解性、生物相容性、疏水性、光学异构性等。

PHB在某些性能上类似于传统塑料，力学性质与聚丙烯(PP)相似，但是由于PHB的化学结构简单规整，结晶度高达60%~80%，因而性脆，折裂伸长率很低，大大限制了它的应用范围。而羟基丁酸和其他单体形成的共聚物如PHBV[poly-3 hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate]或PHB HHx[Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate)]的物理参数和加工性能则大大提高[4]。

表1　几种PHA与传统塑料的物化性能比较 [4]

注：PHBV，聚羟基丁酸羟基戊酸酯poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate)；PHBHHx，聚羟基丁酸羟基己酸酯poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate)；MCL PHA为含4% C10单体、80% C8单体和10% C6单体的共聚物。括号中为HV和HHx的含量，表中的比例均为摩尔百分比.

1.3　PHA的应用前景

PHA具有极为广阔的应用前景。近年来，由于能源消耗以及废弃物过度排放导致全球环境恶化，我国和其他很多国家都加大了对环境和生物技术的投入。环境友好型材料和生物材料，特别是来源于可再生资源的材料有了迅速的发展。PHA就是其中重要的一种，可以通过生物技术，尤其是工业微生物技术获得这种高分子材料[5]。

由PHA的基本结构可以看出其结构具有多元性，不同单体的PHA组成结构不同。结构多样化也会带来性能多样化，多样的理化性质拓展了PHA的应用范围，使其在用作生物可降解材料时具有明显的优势。PHA还具有良好的生物相容性、生物可降解性和可加工性能，因此可以作为高端的生物医用材料[2]。其中，PHBHHx已被证明在血管组织工程[6]、软骨组织工程[7]和人造神经导管[8]等领域有良好的应用前景。

目前PHA已经成为生物材料领域最为活跃的研究热点之一。随着研究的深入，不断有新型的PHA材料被人工合成出来。此外，PHA还具有非线性光学活性、压电性、气体相隔性等许多高附加值性能，使其可应用在药物缓释载体、药品及精细化学品等领域[9]。

2PHA生产中遇到的问题和探索

较高的生产成本是限制PHA领域实现产业化的主要原因。市场上目前只有PHB和PHBV实现了半商业化规模的生产。如何降低PHA的生产成本是PHA研究的焦点。PHB是PHA家族中发现最早，研究背景最为清楚，结构最简单，也是最早被用来进行工业化生产的成员。通过对PHB发酵生产的研究，人们逐渐积累出了有关高产菌种筛选与改造、培养基成分优化、发酵流程优化、下游PHA提取工艺等经验。现在一般认为加速PHA的工业化进程途径有三个：研发新型PHA材料；提高PHA的产量；降低生产成本[10]。

目前，应用微生物发酵生产仍是PHA最有效的生产方式。PHA生产的关键是获得高产、高转化率的微生物菌株。同时，这些微生物生产菌必须能够利用廉价的碳源，从而保证PHA的生产成本不至过高。迄今为止人们已经发现多条PHA的合成途径，除了一条代谢途径是由乙酰辅酶A通过二聚反应合成PHA单体以外[3]，其他途径中PHA的合成都是由脂肪酸代谢的中间体衍生而来，涉及到脂肪酸的合成和降解过程。依据与PHA前体在结构上的相似性，可以将碳源分为非相关碳源和相关碳源。前者在化学结构上与羟基脂肪酸单体不具有相似性，如葡萄糖、葡萄糖酸钠等；后者在化学结构上与羟基脂肪酸单体有较高的相关性或相似性，如不同碳链长度的脂肪酸[1]。

细菌使用相关碳源，经过反应得到各种PHA(尤其是中长链PHA)前体的过程简单，但是这类碳源往往价格昂贵、难以获得。在PHA的工业化生产中，能够使用易于获得的简单碳源，如葡萄糖、乳糖、甘油等，为菌体提供各种不同长度的单体，是PHA廉价生产的重要因素。这就需要加深对PHA合成途径的认识，努力发现甚至创造一些能够利用廉价非相关碳源的合成途径，进行所需PHA的生产。

运用现代方法，包括基因工程技术、代谢路径修饰甚至合成生物学方法，开发PHA高产菌株是研究中最主要的思路[10]。还可以对发酵流程进行优化，控制培养过程中的相关条件如温度、酸碱度、通气量、流加速率等，使细菌生长和PHA的积累达到最大化[11-13]。近期研究发现，菌体中NADPH的水平对PHA的产量影响较大，可通过相应的辅酶工程手段提高PHA含量[14]。此外，基于嗜盐菌开发的不灭菌连续发酵工艺可显著降低PHA生产过程的能源、底物等成本，使生产过程更加简单，为低成本PHA的大规模工业化生产提供了另一良好的思路[15]。

总之，为了能使PHA的成本在市场上具有竞争力，需要对现有生产方式进行改进，包括对生产菌株的改造以及生产过程的优化。对此业界普遍的要求是，PHA的积累率要占细胞干重的80%以上，碳源转化率在50%以上，PHA的提取率达90%，细胞密度达到或超过150 g/L，批次发酵时间少于48小时或者连续发酵。

3利用工业废弃物生产PHA

对于如何降低PHA的生产成本，学者们做了许多尝试，尤其是利用各种工业及农业活动产生的废弃物作为PHA的生产原料。PHA整个生产成本的50%是由原材料成本决定的，因此将废弃物作为PHA生物合成的起始材料，形成有成本效益的生物聚酯生产体系，不仅有利于解决PHA原材料成本高的问题，还便于克服废料的处理问题[16]。

3.1　乳品业的剩余乳清

全球乳清每年的产量约为1.35×108t，乳糖是乳清中的主要碳水化合物，可以作为生长基质以及许多生物技术产品的原料，且乳糖的成本仅为葡萄糖的1/4[17]。利用乳清生产PHA的主要优点是原料来源相对稳定，缺点是可以将乳清直接转化成PHA的菌株较少，需要对菌株进行基因工程改造。有文献报道了重组大肠杆菌在乳清中生产PHB的结果，利用乳清为碳源通过分批补料发酵的方式培养重组大肠杆菌，PHB浓度为69 g/L，产率为1.4 g/L/h[18]。Ahn等利用pH值稳态监测补料，维持培养体系中乳清的高浓度(280g/L)，最终菌体干重和PHB的产量分别为120 g/L和96 g/L[19]。Nikel等利用乳清和玉米浆作为碳源和氮源，在重组大肠杆菌中获得了2.13 g/(L·h)的PHB产率[20]。

3.2　生物燃料来源的废弃物

随着生物燃料产量的迅速增加，副产品液相甘油(glycerol liquid phase，含70%的甘油)的产量也随之增加。将该产物作为原料生产其他化合物既能提高生物柴油生产的经济性，也具有生态合理性。由于甘油可直接参与糖代谢和脂肪代谢，许多微生物菌株不需经过脱脂或脱甲醇等纯化步骤，即可利用液相甘油作底物生产PHA聚酯和乳酸[21]。但是当加入甘油或乙二醇时，这些物质会通过共价连接聚酯的羧基端而终止链的延长，减少PHA的分子量[22]。另外，液相甘油中残存的甲醇也可能影响菌株的生长。

3.3　废弃油脂和纤维素

废弃油脂和纤维素可以作为碳源。能直接被微生物利用的废油脂包括废弃食用油、工业生产各种植物油/肉骨粉的废油及废水中的油脂。有人发现，罗氏真养菌能吸收未过滤的植物油脂废物以及废弃动物脂，转换成PHA，且产量较高，与以葡萄糖作为碳源得到的产率相近[23]。蔗渣中的半纤维素和纤维素组分可以被微生物水解和用于PHA合成，Silva等以水解蔗渣为碳源，在发酵罐规模利用菌株BurkholderiasacchariIPT101合成PHA[24]。最终PHA占细胞干重的62%，结果优于纯糖碳源，但细胞密度相对较低[24]。利用此类碳源存在的问题是，自然界现有菌株往往难以兼顾碳源利用和PHA合成，需要进行菌株改造，因此大肠杆菌是理想的出发菌株。

3.4　活性污泥

活性污泥法是最常用的污水处理法之一。在污水厌氧-好氧活性污泥处理过程或生物强化除磷过程中，微生物消耗多磷酸盐作为能量来源，摄取碳源并以PHA的形式贮存，因此可以用活性污泥合成PHA。在厌氧-好氧活性污泥工艺中，微生物贮存的PHA最高可达细胞干重的67%[25]。采用活性污泥合成PHA不需要灭菌，实现了剩余活性污泥的资源化，有很大发展前景。

3.5　廉价氮源

在PHA的生产过程中，除了碳源，另一个关键的成本因素就是氮源。研究发现，在培养基中添加少量的氮源如硫酸铵，可以提高PHB产量。其他复合氮源也有相似的效果，如酵母提取物。复合氮源能供应几乎全部的氨基酸和多肽，可以很容易被细胞转换合成自身的蛋白质。缺点是成分复杂，对PHA生产控制可能会带来不利影响。

4总结与展望

由于有着优良的材料学性质及可降解属性，PHA已成为前景广阔的新一代生物塑料之一。以PHA为材料产品的生产以及废弃物的降解过程完全无污染，不会给环境增添任何负担。另外组成PHA的单体范围广阔，使其产品种类丰富，可满足多种需求。

目前在生物安全和环境友好方面PHA已得到业界的普遍认可，限制PHA大规模生产和应用的最主要因素在于其相对石化塑料较高的生产成本。PHA的成本主要包括，原料成本、生产能耗和提取加工三个方面。其中以原料成本为主。为降低成本实现PHA的工业化生产，需要努力从原料、生产、提取工艺等方面进行优化。这方面改进的关键因素是获得品质优良的生产菌株。另一方面，利用其生物相容性和体内降解特性，开发高附加值的新型PHA，拓展PHA材料在医用和药用领域的应用成为PHA领域发展的新热点。

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收稿日期2014-01-07