《Journal of Hazardous Materials》：Aqueous Micellar Two-Phase Emulsions: An Integrated Reaction–Separation Platform for Sustainable Enzymatic Depolymerization of PET Waste
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塑料生物降解效率受限于酶對疏水PET的接觸困難和產(chǎn)物抑制，本研究開發(fā)水基兩相微乳體系（AMTPEs）實現(xiàn)協(xié)同催化與產(chǎn)物連續(xù)去除，使MHET產(chǎn)量最高提升20.8倍且系統(tǒng)可循環(huán)使用四周期后仍保持92.6%效率。
Xinnan Ma|Juan Han|Pinxin Ni|Lei Wang|Yang Zhou|Jiacong Wu|Yun Wang
江蘇大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，中國江蘇省鎮(zhèn)江市212013
摘要
塑料廢物的酶促降解為實現(xiàn)閉環(huán)回收中的單體回收提供了一條可持續(xù)的途徑，但其效率受到酶難以接觸疏水性聚合物表面和產(chǎn)品抑制作用的限制。在此，我們開發(fā)了一種水基膠束兩相乳液（AMTPE），該乳液由非離子表面活性劑和多糖自組裝而成，作為一種集成的催化和分離平臺，用于增強聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的酶促降解。這些AMTPE表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和對PET底物及水解酶的高效共包封能力，通過一種協(xié)同的“潤濕-包封”機制實現(xiàn)。由于系統(tǒng)中的動態(tài)微環(huán)境，酶對底物的親和力顯著提高。同時，連續(xù)的多糖相能夠同時去除產(chǎn)物，從而克服產(chǎn)物的抑制作用。優(yōu)化的Tween 80/Dex AMTPE系統(tǒng)對多種PET水解酶具有廣泛的適用性，在24小時內(nèi)使MHET的產(chǎn)量分別提高了7.7倍（FsC）、20.8倍（Fast-PETase）和15.0倍（LCC）。此外，在包括產(chǎn)物回收過程在內(nèi)的四個催化循環(huán)后，系統(tǒng)仍保持了初始MHET產(chǎn)量的92.6%。這項工作確立了AMTPE作為一種集成且可回收的平臺，有效解決了傳統(tǒng)PET生物降解的固有局限性。
引言
全球聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）廢物的積累帶來了嚴(yán)重的環(huán)境挑戰(zhàn)[1]，[2]，迫切需要開發(fā)高效的催化回收技術(shù)來減輕其生態(tài)影響并推動循環(huán)塑料經(jīng)濟的發(fā)展。目前，PET塑料廢物的工業(yè)處理主要依賴于兩類技術(shù)[3]：物理（機械）回收和化學(xué)回收。物理回收通過熔融加工和重新造粒將PET轉(zhuǎn)化為再生顆粒（rPET）。盡管這種方法成本效益高且普遍使用，但它往往會降低材料性能，導(dǎo)致降級[4]，[5]。理想的PET廢物管理途徑是閉環(huán)回收，即將其降解為其組成單體（如MHET或TPA），再重新聚合為優(yōu)質(zhì)塑料[6]，從而實現(xiàn)可持續(xù)的循環(huán)聚合物經(jīng)濟。化學(xué)回收方法，如醇解[7]、[8]、水解[9]、[10]和糖酵解[11]，[12]，可以將PET降解為其單體或寡聚物，實現(xiàn)閉環(huán)回收。然而，這些方法通常能耗較高，需要專用設(shè)備，并涉及復(fù)雜的分離過程。
酶促降解（生物回收）作為一種具有溫和反應(yīng)條件和環(huán)境友好性的有前景的綠色技術(shù)，在近年來展現(xiàn)出巨大潛力[13]，[14]。這種方法可以高效處理復(fù)雜的塑料廢物，并可能實現(xiàn)高價值單體的回收甚至升級利用。然而，一個根本的科學(xué)挑戰(zhàn)是酶難以接觸疏水性聚合物基底，在固體表面上催化效率低，這嚴(yán)重限制了反應(yīng)速率和實際應(yīng)用。為了解決這些限制，人們探索了多種策略來提高酶對底物的親和力和催化效率。這些策略包括通過酶工程改善疏水性和位點活性[15]，[16]，[17]，通過底物預(yù)處理降低結(jié)晶度[18]，[19]和增加表面積[20]，以及使用界面活化劑或兩親分子[21]，[22]來促進酶-底物相互作用。雖然這些策略為提高酶性能提供了有價值的途徑，但針對生物催化設(shè)計的基于溶液的系統(tǒng)的研究仍然有限。溶液系統(tǒng)可以與酶工程和底物預(yù)處理等現(xiàn)有方法結(jié)合，通過協(xié)同作用放大各自的優(yōu)點。
乳液系統(tǒng)通過創(chuàng)建促進不相溶反應(yīng)物之間接觸的界面環(huán)境，為催化提供了極具優(yōu)勢的平臺[23]。此外，乳液滴具有均勻的微環(huán)境，可作為納米-宏觀反應(yīng)器，促進有機反應(yīng)的區(qū)域選擇性并加速產(chǎn)物的快速傳遞，從而顯著提高反應(yīng)速率[24]。這些特性使得組分能夠被精準(zhǔn)定位和分配溶解，加上催化劑富集和活化能的降低，可以顯著提高催化效率，如在乳化增強的PET糖酵解中所示[25]。然而，在傳統(tǒng)的乳液系統(tǒng)中，油水界面處的酶變性對生物催化構(gòu)成了重大障礙，因為保持蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象對于活性至關(guān)重要。
最近，全水基水包水（W/W）乳液系統(tǒng)的進展為克服這一障礙開辟了新的途徑。W/W乳液可以通過兩種不相溶的親水性聚合物（在系統(tǒng)中熱力學(xué)不兼容）水相的機械混合形成[26]，[27]。與傳統(tǒng)油水界面相比，水包水系統(tǒng)的界面區(qū)域通常更厚且更模糊。W/W乳液系統(tǒng)固有的低界面張力抑制了小分子在水水界面的吸附[28]。盡管如此，這些系統(tǒng)中溶質(zhì)的獨特性質(zhì)導(dǎo)致的相行為特征與油水乳液有相似之處。W/W乳液的生物相容性組分使其在涉及生物分子的應(yīng)用中具有顯著潛力，如水溶性藥物的提取和活細胞的封裝[29]，[30]，[31]。然而，W/W乳液在酶促PET降解中的應(yīng)用仍很少報道，主要是由于PET底物的強疏水性，這限制了它們在傳統(tǒng)水水相系統(tǒng)中的分布和相互作用，以及實現(xiàn)高效界面活化和連續(xù)催化回收的難度。因此，目前該領(lǐng)域的生物催化研究主要集中在少數(shù)幾種酶上，如葡萄糖氧化酶和辣根過氧化物酶[32]，[33]，[34]，[35]，而使用W/W乳液來封裝和與固相組分反應(yīng)的研究則非常有限。因此，W/W乳液在PET生物回收中的應(yīng)用需要系統(tǒng)設(shè)計上的根本創(chuàng)新，以克服相組分-底物之間的不兼容性。
我們開發(fā)了一種水基膠束兩相乳液（AMTPE）。該系統(tǒng)采用了集成的反應(yīng)-分離設(shè)計：基于表面活性劑的膠束分散相用于通過獨特的“潤濕-包封”機制共包封PET顆粒和酶，結(jié)合富含多糖的連續(xù)相進行原位產(chǎn)物提取。這種設(shè)計直接解決了酶促PET降解的關(guān)鍵瓶頸——酶難以接觸和產(chǎn)物抑制問題，通過創(chuàng)建一個擁擠的微反應(yīng)器環(huán)境來提高局部濃度并持續(xù)去除抑制性產(chǎn)物（MHET）。結(jié)果表明，AMTPE平臺對多種PET水解酶（例如FsC、Fast-PETase、LCC）具有廣泛的適用性，使MHET的產(chǎn)量提高了7.7至20.8倍，并在多個催化循環(huán)中保持高效率。這項工作不僅成功地將W/W乳液應(yīng)用于固體聚合物的酶促降解，還為開發(fā)針對PET酶促水解的先進微反應(yīng)器提供了重要見解。
章節(jié)摘錄
為優(yōu)化PET酶促降解而設(shè)計的水基膠束兩相乳液
為了解決酶難以接觸疏水性PET基底的關(guān)鍵問題，我們設(shè)計了一系列水基膠束兩相乳液（AMTPE）。設(shè)計策略側(cè)重于提高PET在局部催化微環(huán)境中的潤濕性和包封性。對候選組分進行了全面篩選，選擇標(biāo)準(zhǔn)是每種材料顯著降低PET界面張力的能力
結(jié)論
我們使用基于非離子表面活性劑的溶液成功開發(fā)了AMTPE，這些表面活性劑因?qū)ET和疏水性蛋白質(zhì)的親和力而被選中作為分散相，而多糖聚合物溶液作為連續(xù)相。這些系統(tǒng)表現(xiàn)出對PET底物和Fast-PETase的顯著包封效果，同時具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。在初始條件下，所有AMTPE都顯著提高了Fast-PETase的酶活性
化學(xué)試劑
來自Thermo Fisher Scientific Inc.的酵母提取物和Pierce BCA蛋白測定試劑盒；來自上海Macklin生化科技有限公司的熒光異硫氰酸酯（FITC）、硫酸鎳（NiSO4）、右旋糖酐（150 kDa）、普魯蘭、Tween 80、4-((2-羥基乙氧基)羰基)苯甲酸（MHET）、雙(2-羥乙基)對苯二甲酸酯（BHET）和對苯二甲酸（TPA）；來自Sangon Bioctech（上海）有限公司的異丙基-β-D-硫代半乳吡喃糖苷（IPTG）和硫酸卡那霉素；氯化鈉（NaCl）、胰蛋白胨、鈉環(huán)境影響
目前，大多數(shù)塑料廢物被排放到環(huán)境中、焚燒或填埋，引發(fā)了日益嚴(yán)重的環(huán)境和健康問題。雖然可生物降解的PET技術(shù)為PET廢物的閉環(huán)回收提供了有希望的途徑，但其效率仍然較低。本研究旨在開發(fā)一種高效、多功能且成本效益高的方法，將PET生物降解為其單體，以促進PET的循環(huán)回收。我們構(gòu)建了AMTPE作為一種集成且可回收的平臺
CRediT作者貢獻聲明
Lei Wang：方法學(xué)、數(shù)據(jù)管理。Yang Zhou：資源獲取、方法學(xué)、數(shù)據(jù)管理。Jiacong Wu：撰寫 – 審稿與編輯、監(jiān)督、方法學(xué)、數(shù)據(jù)分析。Yun Wang：撰寫 – 審稿與編輯、監(jiān)督、軟件使用、資源管理、方法學(xué)、資金獲取、概念構(gòu)思。Xinnan Ma：撰寫 – 審稿與編輯、撰寫 – 初稿撰寫、軟件使用、方法學(xué)、實驗研究、數(shù)據(jù)管理、概念構(gòu)思。Juan Han：撰寫 – 審稿與編輯、監(jiān)督、軟件使用
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競爭性財務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文報告的工作。
致謝
本研究得到了國家自然科學(xué)基金（編號22278191）的支持。
