甘油三乙酰丙酸酯增塑聚羟基丁酸-戊酸酯的厌氧发酵转化为挥发性脂肪酸及其在微生物循环利用中的潜力

《ACS Omega》：Anaerobic Fermentation of Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) Plasticized with Glycerol Trilevulinate into Volatile Fatty Acids

本文介绍了一项针对聚羟基丁酸酯-戊酸酯（PHBV）材料在引入甘油三乙酰丙酸酯（GT）生物增塑剂后的性能优化及其厌氧发酵转化的创新研究。通过系统评估不同GT含量对PHBV热学、形态学性质的影响，并设计水解预处理与直接固态发酵实验，研究证实GT的加入显著提高了PHBV的柔韧性，且不影响其被微生物转化为乙酸和正丁酸等挥发性脂肪酸（VFA）的能力。该工作为开发兼具优异力学性能、生物可降解性及微生物循环利用潜力的新型生物基塑料提供了重要实验依据，对推动塑料循环经济具有重要意义。

　　

在寻求替代传统石油基塑料、缓解白色污染的巨大压力下，生物基可生物降解塑料，尤其是聚羟基烷酸酯（Polyhydroxyalkanoates, PHAs）家族，被视为一颗闪耀的希望之星。这类由微生物合成的天然聚酯，不仅原料可再生，使用后还能在环境中自然降解，完美契合循环经济的理念。其中，聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)（Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate), PHBV）因其比同系的聚羟基丁酸酯（PHB）更好的柔韧性而备受关注。然而，PHAs材料普遍存在一个“阿喀琉斯之踵”——固有的高结晶度导致材料脆性大、加工性能差，这严重限制了其广泛应用。

为了解决这个问题，科学家们尝试添加增塑剂来改善其力学性能。但传统的石油基增塑剂可能会在材料降解过程中产生负面环境影响，甚至抑制微生物的代谢活动。因此，开发源自生物质、且自身可生物降解的“绿色”增塑剂至关重要。甘油三乙酰丙酸酯（Glycerol Trilevulinate, GT）就是这样一种有前景的生物基增塑剂，它由乙酰丙酸和甘油酯化而成，两者均来自可再生资源。前期研究已证明GT能有效增强PHAs的柔韧性而不损害其生物降解性。

与此同时，为真正实现PHAs材料的“闭环循环”，开发高效的废弃后处理策略同样关键。除了堆肥和厌氧消化产沼气，一种新兴的“微生物回收”策略正受到重视：即通过厌氧发酵，将PHAs等生物可降解塑料转化为具有高附加值的平台化学品——挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs），如乙酸、丁酸等。这些VFAs本身可作为化工原料、燃料，甚至能重新用于合成新的PHAs，从而部分闭合材料循环。

然而，一个悬而未决的关键问题是：在PHAs中加入GT这类生物增塑剂后，是否会影响其后续的厌氧发酵过程？GT的加入是会促进、抑制还是不影响微生物将塑料转化为VFAs的效率？为了回答这个问题，研究人员在《ACS Omega》上发表了一项开创性研究，系统探讨了GT增塑的PHBV材料在厌氧条件下发酵转化为VFAs的过程。

研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，通过熔融共混和研磨制备了不同GT含量（0， 2.5, 5, 10 wt%）的PHBV/GT共混物粉末，并利用扫描电镜（SEM）、激光粒度仪、差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）对其形貌、粒度分布、热性能（如玻璃化转变温度T_g、熔点T_m、结晶度）和热稳定性进行了系统表征。其次，研究设计了两组厌氧发酵实验：一组使用经过碱性水热预处理（160°C, 0.25 M NaOH, 22小时）的PHBV10GT水解液，在不同初始可溶性化学需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD）浓度下进行发酵；另一组直接使用不同GT含量的PHBV/GT固体颗粒进行长期发酵。发酵实验采用由牛瘤胃和多种链延长菌群组成的未定义开放混合菌群作为接种物，并在培养基中添加了溴乙烷磺酸钠（2-Bromoethanesulfonate, BES）以抑制甲烷生成，从而富集VFAs。过程中定期监测VFAs产量、pH值、氢气（H₂）和二氧化碳（CO₂）等气体组成。

3.1. 生物塑料颗粒的表征

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  3.1.1. 形态学：SEM图像显示，所有配方的颗粒形貌不规则且均匀，未观察到相分离，表明GT与PHBV基质相容性良好。粒度分析表明颗粒具有较高的比表面积，有利于生物降解。
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  3.1.2. 热性能：
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    DSC：随着GT含量增加，PHBV的玻璃化转变温度（T_g）、熔点（T_m）和结晶温度（T_c）均降低，熔融焓和结晶焓也下降，表明GT的加入降低了聚合物的结晶度，增强了链段运动能力，即起到了有效的增塑作用。更低的结晶度通常有利于生物降解。
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    TGA：所有PHBV/GT共混物的热降解温度（T_d，约321°C）和起始降解温度（T_onset，约305°C）相近，GT的加入未显著影响材料的热稳定性，这保证了材料能耐受加工温度。

3.2. 不同添加剂浓度下PHBV的厌氧发酵

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  3.2.1. 水热预处理PHBV的厌氧发酵：使用PHBV10GT碱性水解液进行发酵。在低浓度（4和10 g SCOD/L）下，水解液中的主要成分巴豆酸-3-羟基丁酸（CA-3HB）混合物被微生物完全消耗，并高效转化为乙酸（C₂）和正丁酸（n-C₄），同时伴有pH下降和少量氢气产生。这表明GT增塑的PHBV经预处理后能被微生物成功转化为VFAs。然而，在高浓度（20 g SCOD/L）下，未观察到CA-3HB的转化，表明过高底物浓度可能对微生物产生了抑制毒性。
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  3.2.2. PHBV厌氧发酵过程中的VFA生产和CA-3HB积累：直接使用PHBV/GT固体颗粒进行长达120天的发酵。所有配方（无论GT含量如何）的固体PHBV均能被微生物逐步降解，主要产物同样是乙酸和正丁酸。在前90天，水解产生的CA-3HB被快速转化，几乎无积累，VFA产量稳步上升，pH从7降至5左右。到第120天，CA-3HB开始明显积累，且VFA产量不再增加，表明低pH和高浓度的VFAs及CA-3HB可能抑制了后续的微生物转化。整个过程中，GT的不同含量（0-10 wt%）并未对VFAs的总产率、产物谱或转化动力学产生显著影响。氢气产量始终处于较低水平（<1%）。

结论与讨论

本研究首次证实，甘油三乙酰丙酸酯（GT）作为一种生物基增塑剂，在有效改善PHBV材料柔韧性和加工性能（通过降低结晶度和热转变温度实现）的同时，并不会对其厌氧发酵转化为高值挥发性脂肪酸（VFAs）的微生物过程产生负面影响。无论GT含量高低，PHBV/GT共混物均能被混合微生物菌群成功转化，主要产物为乙酸和正丁酸。

研究揭示了两个关键工艺要点：一是过高的底物浓度（如20 g SCOD/L的水解液）会抑制微生物活性，提示在实际应用中需优化进料负荷或采用产物原位移出策略以维持连续转化；二是在直接固态发酵中，后期积累的VFAs和降低的pH可能反过来抑制微生物代谢，导致中间产物CA-3HB积累，这强调了在发酵过程中进行pH调控的重要性。

这些发现具有双重重要意义：在材料端，它支持GT作为一种可持续的“绿色”增塑剂用于PHAs基塑料的开发，在不牺牲其“可回收性”的前提下提升材料性能；在废弃塑料处理端，它验证了GT增塑的PHBV材料可通过厌氧发酵实现“微生物循环”，将其转化为有价值的平台化学品VFAs，为PHAs制品提供了一条新的、符合循环生物经济理念的末端处理路径。

总之，该研究为设计和开发兼具优良使用性能、完全生物可降解性和高效微生物循环潜力的下一代可持续塑料产品提供了坚实的科学基础。未来的研究可以着眼于优化发酵工艺条件以提高转化率，深入探究GT分子自身的发酵命运，并设计具体的终端产品以验证其全生命周期的可持续性。