作者：Gaofei Zheng, Lijing Han*, Junjia Bian, Huiliang Zhang, Xiangguang Yang

01 论文信息

论文信息

Gaofei Zheng, Lijing Han, Junjia Bian, Huiliang Zhang and Xiangguang Yang. Self-biodegradable polylactide plastic with embedded engineered enzyme[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.04.002

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Self-biodegradable polylactide plastic with embedded engineered enzyme

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Green Carbon评述 | Nature: 工程酶嵌入聚乳酸实现快速自降解

02 背景简介 

全球不可降解塑料产量激增导致废弃物堆积，严重威胁生态系统，开发可生物降解塑料成为必然趋势。聚乳酸（PLA）作为生物基聚合物，源于可再生资源，兼具高强度、高透明度和良好加工性，广泛用于包装、纺织和生物医药领域，但它在自然环境（海水、土壤、家庭堆肥等，温度低于37 ℃）中需数十年降解，仅在60 ℃以上工业堆肥条件下180天内分解，而工业堆肥成本高、落地难，导致PLA废弃物全球累积风险加剧。

2024年7月，法国图卢兹生物技术研究所Alain Marty团队与Carbios生物技术公司合作在Nature发表一项突破性研究，题为“An engineered enzyme embedded into PLA to make self-biodegradable plastic”。该研究通过工程酶的定向改造与创新制备工艺开发，实现了PLA材料在室温下的快速生物降解与堆肥化，并推动了这一革新技术的实际应用。

针对这一成果，赣南科技学院韩立晶教授与中国科学院长春应用化学研究所张会良研究员团队在Green Carbon发表题为“Self-biodegradable polylactide plastic with embedded engineered enzyme”评述文章，对该技术的创新价值与应用前景进行了深入解读和探讨。

03 评述内容

研究者先从嗜热菌Actinomadura keratinilytica T16-1中分离出PLA降解酶PAM，通过同源建模与分子动力学模拟，对7个关键氨基酸位点进行饱和突变，获得活性更高的PAM^FLI突变体。但该突变体无法耐受PLA工业挤出所需的160 ℃高温，团队进一步从嗜热菌Thermus sp. strain Rt41A中筛选出耐高温酶Protein T，将PAM^FLI的关键突变引入其中，得到Protein^TFLTIER 突变体。该突变体热稳定性显著提升（熔点达79.4 ℃，较PAM^FLI高21.6 ℃），且在常温中性pH下活性优异，pH7.5时28 ℃和45 ℃条件下的比活性分别是原始Protein T的35倍和80倍，完美适配PLA高温加工需求。

为实现酶在PLA中的均匀分散与活性保留，团队采用聚己内酯（PCL）母粒法：先在70 ℃下将Protein^TFLTIER 与PCL熔融挤出制成 “含酶母粒”，去除水分以保护酶活性；再将该母粒与PLA在160 ℃下熔融挤出，制成仅含0.02%酶的PLA薄膜。该工艺使酶分散均匀，薄膜机械性能（拉伸强度、弹性模量等）符合工业包装要求，且在室温干燥条件下储存18个月，机械与降解性能无衰减，解决了酶热敏感性与PLA高加工温的矛盾。

实验表明，不含酶的PLA薄膜在自然环境中无降解迹象，而含Protein^TFLTIER 的PLA薄膜表现出卓越降解能力：在家庭堆肥条件下20-24周完全崩解，满足家庭堆肥标准；在58 ℃工业堆肥条件下1个月内全降解，较无酶对照组快4.2倍；厌氧消化环境中23天内碳转化率达91%，甲烷产率接近理论值，可用于沼气生产，契合不同场景的废弃物处理需求。

目前，法国Carbios公司已在克莱蒙费朗总部建成生产线，年产能可生产2500吨含该工程酶的 “Cabios Active” 产品，对应可制备5万吨酶嵌入型PLA材料，为PLA在柔性包装、短期消费品等领域的大规模应用奠定基础。

总结与展望

该技术通过将工程酶嵌入PLA，成功解决了PLA自然降解慢、工业堆肥成本高的痛点，实现了“高温加工保活性、室温储存保性能、自然环境快降解” 的目标，同时契合循环经济理念，可通过降解副产物回收沼气。未来需进一步降低生产成本、开发耐温超200 ℃的酶制剂、探索非粮生物质制备PLA的路径，并开展降解残留物的生态毒性评估。这项跨酶工程与材料科学的创新，有望推动可降解塑料行业发展，为缓解 “白色污染” 提供重要解决方案。

04 作者简介

韩立晶 教授

韩立晶，赣南科技学院教授，入选江西省"赣鄱英才计划"，赣州市生态高分子与新能源材料重点实验室负责人，《稀土》青年编委。2012年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，2012.07-2024.08先后任中国科学院长春应用化学研究所助理研究员、副研究员、项目研究员，2024年8月加入赣南科技学院。主要从事生物降解高分子材料的加工改性研究以及稀土阻燃高分子材料的研究。以第一作者或通讯作者身份发表SCI学术论文38篇，以第一发明人获授权发明专利8项（专利成果转化2项）。先后承担了国家自然科学基金、省部级项目和企业合作等项目10余项。

05 Green Carbon

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