分享一篇近期发表在Biomacromolecules上的文章，PEG-Coating as a Promotional Tool for Improving Biodegradability and Preserving Mechanical Properties of Enzyme-Embedded Polyesters。这篇文章的通讯作者是东京大学的Tadahisa Iwata。
石油基塑料因难降解引发严重环境污染，尤其对海洋生态造成不利影响，故需生物可降解塑料替代。现有多数生物可降解塑料为脂肪族聚酯（如聚乳酸PLA、聚丁二酸丁二醇酯PBS、聚琥珀酸乙二醇酯PES等），但除聚羟基脂肪酸酯PHA外，其他在水环境中降解能力有限，因水中环境中微生物数量远少于土壤。为改善这一问题，酶嵌入技术被开发，通过热加工将蛋白酶、脂肪酶、角质酶等嵌入聚酯以增强降解性，如角质酶（HiC）嵌入多种聚酯可促进其在缓冲液和海水中降解。然而，加工高温导致亲水性酶在疏水基质中聚集，引发颗粒变大、分散不均，影响塑料力学性能与降解行为，且酶成本高需减少用量。此前PEG修饰HiC虽能改善分散性，但工艺复杂成本高。基于以上背景，作者通过物理作用，用不同分子量PEG包覆酶，开发低成本策略以提升酶分散性，实现了生物可降解塑料高效降解并保持力学性能（图1）。
图1. PEG涂层和未涂层酶包埋塑料。
在热稳定性评估中，作者测试了PEG包覆（重量比10:1，不同分子量）与未包覆HiC在130℃、150℃、160℃、170℃处理后的比活性。结果显示，未包覆酶在170℃活性下降44%；PEG包覆酶在150℃活性与未包覆酶相当，但160℃以活性降低。这表明PEG包覆不影响酶在130℃加工时的活性，为后续酶嵌入塑料的热加工适用性提供了依据（图2）。
图2. PEG涂层HiC粉末（未加热）的照片及PEG包覆和未包覆HiC粉末的比活性。
作者将HiC粉末与10:1重量比的PEG5K包覆HiC分别加入氯仿（酶浓度 1.5 mg/mL），观察分散性并经SEM表征。结果显示，PEG包覆显著减少酶聚集，增强其在氯仿中的分散性；SEM图像显示未包覆酶形成片状聚集，而包覆酶为松散的球形颗粒聚集体，证实PEG包覆成功抑制酶聚集（图3）。
图3. HiC和PEG5K包被的HiC在氯仿中的分散性。
作者将不同分子量PEG包覆的HiC（HiC:PEG=10:1）嵌入PBS膜，通过重量损失测试降解行为，拉伸试验评估力学性能，结合SEM观察表面孔隙。结果显示，无酶PBS无降解，未包覆酶组18天失重72%；PEG5K包覆组降解最快，1天失重82%，降解速率为未包覆组的9.6倍，且拉伸强度、断裂伸长率更优，SEM显示其孔隙更多更均匀，证实PEG包覆通过提升酶分散性改善了PBS的降解性与力学性能（图4）。
图4. 对照、未包被的酶包埋和PEG包被酶包埋的PBS薄膜在磷酸盐缓冲液中降解3 h（i-p）前（a-h）和后表面的SEM图像。
作者进一步测试了HiC与PEG5K重量比为50:1、10:1、1:1、1:5的PBS膜降解行为与力学性能，并结合SEM观察孔隙。结果显示，10:1比例时1天失重约80%，降解最快，且拉伸强度、断裂伸长率及弹性模量最优；过高PEG比例（如1:5）降解显著减慢，力学性能下降。SEM证实10:1组孔隙更多更均匀，故该比例为兼顾降解加速与力学性能保持的最优选择（图5）。
图5.（a）不同酶和PEG5K重量比的PEG包被酶包埋PBS的失重和（b）应力-应变曲线。
作者将不同分子量PEG包覆的HiC（重量比10:1）嵌入PES膜，通过重量损失测试降解行为，拉伸试验评估力学性能，结合SEM察表面孔隙。结果显示，PES中PEG2K包覆组降解最快，1天失重96%，速率为未包覆组的36.8倍；PEG包覆组拉伸强度和断裂伸长率优于未包覆组，PEG兼具增塑作用。SEM证实包覆组孔隙更多更密集，表明PEG包覆可提升PES降解性并改善力学性能，且最优PEG分子量因基质而异。作者通过BOD测试评估PEG在海水中的降解性：以东京湾海水为介质，设置不同分子量PEG（400-20000 g/mol），以纤维素为阳性对照、海水为阴性对照，在300 mL BOD瓶中25℃培养85天。结果显示，PEG分子量越小降解越快。证实PEG可在海水中降解，具有环境兼容性（图6）。
图6. 通过BOD测试测量PEG在海水中的生物降解性。
总的来讲，PEG包覆HiC在150℃保持活性，嵌入PBS和PES后降解加速且力学性能改善，最优PEG分子量因基质而异，HiC:PEG=10:1 最佳。BOD证实PEG环境兼容，为酶嵌入塑料实用化提供低成本策略。
作者：JXD
DOI: 10.1021/acs.biomac.5c00801
Link: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.5c00801
