3.4　聚乳酸的降解性

PLA是一種具有良好生物相容性和生物降解性的脂肪族聚酯，主鏈的酯鍵容易水解，在微生物和酶的作用下可降解，最終降解為水和二氧化碳，是目前最有應用前景的可生物降解高分子材料之一。

3.4.1　聚乳酸降解分類

PLA的降解主要分為簡單水解降解和微生物及酶降解，其次還包括熱降解和光降解等。

3.4.1.1　生物降解

PLA的分子量、酸堿性、結晶度及晶型對PLA的分解速率起主要作用。PLA以主鏈降解生成低聚體和單體為主要降解方式。當PLA的平均分子量較大且結晶程度較大時，PLA的降解時間就會延長。在微生物和有機廢物的共同作用下，會顯著提高聚乳酸分子的降解速率，縮短降解周期。因此聚乳酸是一種廢棄后降解周期相對比較短的高分子材料。從化學結構角度來說，高分子材料的降解方式主要有三種：①主鏈降解生成低聚體和單體；②側鏈水解生成可溶性的主鏈高分子；③交聯點裂解生成可溶性的線形高分子。被埋后的PLA在微生物、水等作用下可以被徹底分解成無毒物質二氧化碳和水，又再次成為合成淀粉的原材料。

聚乳酸的生物降解性與聚乳酸所處的環境息息相關。在人或者動物體內，聚乳酸的降解是通過水解發生的，這一階段形成的可溶性低聚物通過細胞代謝完成。在自然界的廢棄物中，聚乳酸先水解成低分子量的低聚物，之后在有微生物出現的環境中被轉化為CO₂和H₂O^［14］。然而，在自然環境中，PLA材料比其他可生物降解聚酯不易受微生物侵蝕^［15］。土壤掩埋實驗表明，PLA材料需要很長時間才能開始降解，降解速率相當緩慢^［16］。Kimura等^［17］研究表明，聚乳酸在自然界中可能需要幾年的時間才能被完全降解。目前，從土壤或水中分離出來多種類型的微生物都能夠降解PLA。但它們大多數為放線菌，其中一小部分屬于細菌和真菌。目前發現的能夠降解PLA的菌種如表3-4所示。

放線菌是絲狀菌，主要存在于土壤中，它作為抗生素的生產者被人們所熟知。一些放線菌能有效降解聚酯，如PLA、PCL、PHB、聚丁二酸乙烯酯^{［45，46］}。Amycolatopsis strain HT-32是首次從土壤中分離出來可以降解PLA的微生物，100mg的聚乳酸薄膜在其培養基中14天后可以降解掉60mg^［47］。隨后的研究發現，在Amycolatopsis菌的25種菌株中，有15種菌株對PLA都有降解作用，說明在這個菌屬中廣泛存在可以降解PLA的解聚酶^［48］。在之后的研究中，能夠降解PLA的Amycolatopsis菌中菌株3118號和K104-1號，也可以從不同環境中經過挑選和培養得到^{［18，49］}。但是，這些報告中指出由于缺乏相關的生物技術，分離降解PLA的微生物是相當困難的。Jarerat等^［50］分析了41類（105種菌株）以16S rRNA序列為基礎的放線菌，發現降解PLA的放線菌限于Pseudonocardiaceae系列及相關類別，包括Amycolatopsis、Saccharothrix、Lentzea、Kibdelosporangium和Streptoalloteichus，它們在降解PLA的微生物中起到了關鍵的作用。之后，隨著相關分子生物學技術的發展，一些研究人員已經發現了更多能夠降解PLA的放線菌，如表3-4所示。菌株主要是從土壤、池塘和河流等不同環境中通過富集培養分離出來，其中一部分來自研究機構。它們可以用來降解不同種類的PLA材料，如PLA薄膜、PLLA薄膜、PLA粉末和片材。

另外有研究表明，有一種放線菌，Amycolatopsis KT-s-9，能夠降解蠶絲蛋白，同時也能夠降解聚乳酸。許多能夠降解PLA的Amycolatopsis的菌株也都能夠降解蠶絲蛋白。這是因為蠶絲蛋白的主要成分L-丙氨酸，與聚乳酸中的L-丙交酯中手性碳原子的立體結構位置有相似之處^［51］，如圖3-4所示。這個事實說明了菌株降解PLA和蠶絲蛋白的機理是能夠識別聚乳酸中的L-乳酸和蠶絲蛋白中的L-丙氨酸而進行解聚反應的。

Pranamuda等^［52］從Amycolatopsis 41中提純了PLA解聚酶，分子量為43000，這個酶也可以降解酪蛋白和蠶絲蛋白，但是不能降解PCL和PHB。這個菌株中能夠降解PLA的解聚酶比蛋白酶K具有更高的底物特異性。同時，從Amycolatopsis K104-1菌株中也分離出了可以降解PLA的解聚酶，屬于絲氨酸類的蛋白酶。Tritirachium album的上清液可以降解蠶絲蛋白和彈性蛋白，而不能降解PCL、PHB、PBS，對其底物特異性研究發現，Tritirachium album中的酶屬于蛋白酶而不是脂肪酶或PHB解聚酶。Tritirachium album是目前發現的唯一能夠降解PLA的真菌。通過在基本培養基中加入1.0g/L明膠，可以大大地加快PLA的降解速率，說明明膠可以誘導PLA解聚酶的生成。這個現象在其他菌株（Lentzea waywayandensis和Kibdelosporangium aridum）降解PLA的過程中也同樣存在。

與放線菌相比，降解PLA細菌的文獻報道較少。Jeon和Penkhrue等人^{［23，38］}總結降解PLA的細菌包括Bacillus、Pseudomonas、Stenotrophomonas等。一些研究表明，降解PLA的細菌在自然環境中不是廣泛分布的。Bacillus brevi是第一個被報道降解PLA的細菌，它是從144個土壤樣品中使用富集培養基分離得到的^［30］。之后，一些降解PLA的細菌都通過使用富集培養基成功分離。探索PLA的細菌降解將為PLA的酶解研究提供大量有用的信息。據報道，降解PLA的細菌主要來自厚壁菌門，此外，其中大多數屬于嗜熱菌。

能夠降解PLA的真菌的研究也有很多，列于表3-4中。1996年，Torres等人對PLA真菌降解進行了研究^［53］。他們發現14個絲狀真菌菌株中只有兩個（Fusarium moniliforme和Penicillium roqueforti）能夠在液體培養基中吸收PDLLA。此外，液體培養使用白色念珠菌（ATCC 22563）對PLLA的真菌降解也進行了研究^［50］。結果表明，大部分PLA薄膜經添加明膠的培養基中放置14天后被降解。然而，許多研究主要關注在純真菌培養中PLA的降解。最近，一些研究人員探索了在土壤和堆肥條件下PLA的真菌降解^{［54，55］}。它表明，溫度是PLA真菌降解的一個關鍵參數。

在過去的幾十年里，大多數的PLA生物降解研究只是發現了一些新的微生物，主要注重實驗室條件。然而，在現實環境中PLA的生物降解是相當復雜的問題。隨著現代分子生物學技術的發展，如PCR、高通量測序技術和FISH，一些由微生物組成的群落被用來研究土壤修復。其中，一些研究集中于能參與降解PLA的微生物群落。Sangwan等^［56］描述了利用分子生物學技術鑒定堆肥中潛在的降解PLA的微生物。

3.4.1.2　酶降解

聚乳酸的生物降解歸根結底為聚乳酸的酶解。Williams^［57］在1981年首次報道從Tritirachium album中得到的蛋白酶K為水解PLA的酶。在那之后，Oda等將市售的56種蛋白酶對PLA的降解活性進行了測試^［58］。結果表明，酸性和中性蛋白酶有少量或幾乎沒有活性，而堿性蛋白酶中則形成數量可觀的乳酸。然而，由于條件限制，商業蛋白酶不能應用于實際環境中的PLA塑料。因此，現在實驗中通常使用蛋白酶K來降解純聚乳酸、聚乳酸共聚物以及聚乳酸的共混物。此外，酶的活性取決于最佳pH、溫度和PLA的性質（鏈的立體化學結構和材料結晶度）。

聚乳酸的酶解機理分為以下四步：第一，通過表面結合區域，酶吸附在底物的表面；第二，親核攻擊；第三，質子化作用；第四，酯鍵水解。絲氨酸蛋白酶可以降解PLLA和PDLLA，但是不降解PDLA，而脂肪酶可以降解低分子量的PLLA和一些PLA的共聚物，如PDLLA、聚（L-丙交酯-co-乙交酯）［P（LLA-co-GA）］和聚（D-丙交酯-co-乙交酯）［P（DLA-co-GA）］，但是不降解PDLA和高分子量的PLLA。純的PDLA不能降解，但PDLLA以及P（DLA-co-GA）都可以降解，通常這些共聚物具有較低的結晶度和較低的熔點，共聚物中D-丙交酯和乙交酯的含量越多，降解性能越差，通過調控共聚物中這兩者含量，可以控制共聚物的降解速率。

脂肪酶是酯酶中能夠降解脂肪族聚酯的一個重要成員。脂肪酶可以隨機切斷聚合物主鏈上的酯鍵，如PCL、PBS以及其他在分子中含有大量的亞甲基基團的聚酯。從豬胰臟、Candida cylindracea和Rhizopus arrhizus中分離出來的脂肪酶能夠降解無定形聚合物和PDLLA。然而，脂肪酶不能降解PLLA和PDLA，這個事實說明了脂肪酶可以降解低熔點、無手性碳原子并且在酯鍵與酯鍵之間有大量亞甲基基團的脂肪族聚酯和無定形聚合物，不能降解含有光學活性碳原子的聚酯。而聚乳酸解聚酶能夠選擇性地降解L-異構體中的α-酯鍵。Mac Donald等^［59］研究發現，蛋白酶K不能夠降解右旋聚乳酸。根據以上結果，可以確定PLA解聚酶是一類能夠識別聚乳酸中的L-乳酸單元（就像蠶絲蛋白中的L-丙氨酸單元）的一類蛋白酶。其中蛋白酶K等已成為商品化酶，個別降解酶的基因已經被克隆和表達。

3.4.1.3　水解降解

水解降解是由于聚乳酸分子鏈中酯鍵極易在水分子作用下斷裂為羥基和羧基，同時降解中產生的乳酸可能會對降解有催化作用，形成自催化效應。聚乳酸的水解速率主要取決于材料本身性質和水解條件。材料本身的性質包括分子結構、結晶度、分子量大小及其分布和立構規整度等；水解條件包括溫度、pH和催化劑的種類等^［60］。聚合物水解存在三種機制^［61］：①疏水性聚合物通過主鏈上不穩定鍵的水解變成低分子量的水溶性分子；②不溶于水的聚合物通過側鏈基團的水解、離子化或質子化，變成水溶性聚合物；③不溶于水的聚合物的不穩定交聯鏈被水溶解后變成可溶于水的線形聚合物。聚乳酸薄膜的水解主要為主鏈上不穩定的鍵水解變成低分子量的水溶性分子，其水解機理如圖3-5所示。從圖3-5可以看出，水分子攻擊聚乳酸中的酯鍵，生成羧基和羥基。由于PLA在水解過程中主鏈上的酯鍵會不斷水解生成相應的羧酸，羧基的存在可以進一步催化PLA的水解過程，形成自催化體系。

劉志華等^［62］考察了PLA于37℃恒溫槽中分別在去離子水、0.01mol/L鹽酸和pH為7.4的磷酸鹽緩沖溶液中的降解情況。其結果發現PLA在鹽酸中降解速率最快，在去離子水中降解速率居中，在磷酸鹽緩沖液中降解速率最慢。馬曉妍等^［63］考察了PLA分別在去離子水、0.01mol/L鹽酸、pH為7.4的磷酸鹽緩沖溶液、0.01mol/L氫氧化鈉溶液中的降解情況。同樣，發現PLA在氫氧化鈉溶液中降解最快。Tisserat等^［64］在不同溫度下，將純PLA和PLA質量分數為10%～25%的PLA-桑橙樹基復合材料（PLA-OO）的碎片置于不同濃度的氫氧化鈉溶液中，考察其水解情況。實驗結果表明：在所有實驗溫度下，高濃度的氫氧化鈉溶液比低濃度的氫氧化鈉溶液更容易使PLA和PLA-OO快速水解，PLA在0.25mol/L的氫氧化鈉溶液中僅1d就發生明顯水解，降解率為5.7%～15.0%；高溫（80℃）和低溫（20℃）都比中間溫度（40℃）更能促進PLA-OO的水解。Masaru等^［65］的研究表明，60mg PLA在反應溫度180℃、2mL濃度為0.6mol/L氫氧化鈉溶液中反應20min后幾乎全部降解為乳酸，無丙交酯產生，而在水中降解會產生少量丙交酯。Brake等^［66］研究了PLA在不加任何酸堿催化劑的條件下的水解過程，結果表明，在反應溫度為150℃時，75g PLA在38g水中反應1h后，可水解成乳酸質量分數為80%的乳酸與低聚物的混合液。Tanaka^［67］研究了水和PLA質量比為0.2～20.0條件下PLA的水解過程，在反應溫度為150℃的條件下，1g PLA在1g水中水解4h后，水解產物中乳酸質量分數大于90%。中性水解法可將PLA直接解聚為合成PLA的原料，且不產生酸堿廢液，是一種環境友好的過程，近年來已受到越來越多研究者的關注。但所得產品純度較低，其中含有少量低聚物，且很難脫除。

3.4.1.4　熱降解

熔融狀態下PLA的降解主要是由于PLA鏈端的分子內酯交換造成的。分子內酯交換^［68］生成乳酸的環狀低聚物和丙交酯，如圖3-6（a）和圖3-6（b）所示。同時反應是可逆的，生成的低聚物和丙交酯會重新插入線形的長鏈聚酯鏈段中，導致長鏈分子鏈段變短，引起聚合物分子量下降，分子量分布變寬。圖3-6（c）是不同鏈段之間的酯交換作用，屬于分子間酯交換。A鏈段（帶有R¹和R²鏈段）與B鏈段（帶有R³和R⁴鏈段）進行分子間酯交換，生成C鏈段（帶有R¹和R⁴鏈段）和D鏈段（帶有R³和R²鏈段）。

PLA熱降解機理按是否在降解過程中產生自由基，可以分為非自由基降解反應機理和自由基反應機理。非自由基降解機理主要包括隨機鏈段降解反應機理^［69］、分子間酯交換和分子內酯交換反應機理^［70］等；自由基降解機理^［71］主要為高溫裂解反應降解機理。由于PLA制備方法和生產工藝的不同，其熱穩定性有較大差別，聚乳酸熱穩定性的影響因素有很多，包括端基的結構、體系中的水含量、分子量的大小、殘留的小分子物質、殘留的催化劑及加工的工藝條件等^［72］。Doi等^［73］研究發現，聚酯的熱降解和水解是由隨機鏈斷降解造成的。他們認為聚合物受熱后，鏈段隨機斷裂，生成短鏈段聚合物，聚合物的鏈段的長度隨著受熱時間的增加而線性降低。Mc Neill等^［74］研究了PLA材料在控制持續升溫和等溫升溫條件下的分解情況，指出PLA分解過程中的主要產物是低聚物（包括丙交酯），另外含有一些低沸點產物，例如二氧化碳、乙醛、乙烯酮等。Shen等^［75］研究了L-乳酸低聚物端基改性的方法，在反應溫度210～220℃、反應壓力0.3～0.5kPa的條件下，將L-乳酸低聚物熱解聚成L-丙交酯，而羥基作為L-乳酸低聚物端基時可促進生成L-丙交酯的反應，同時減少副產物的產生量。Fan等^［76］使用乙酸酐對PLA進行封端處理，降低端羧基基團的含量，減緩熱降解的速率。他們通過TG研究發現，乙酰化后的PLA的熱分解起始溫度提高了40～50℃。秦志忠等^［77］研究了PLA在高溫下停留一段時間后分子量及端羧基的變化。說明隨熔融溫度的上升，PLA的端羧基含量上升，熔融溫度越高，端羧基增加越快，并隨時間的延長增加也越快。錢剛等^［78］將PLA溶解在氯仿中用甲醇洗滌除去雜質并烘干。將純化后的PLA分別在180℃、190℃、200℃、210℃下降解，每隔10min取樣用四氫呋喃溶解后測試黏均分子量，并提出PLA熱降解過程中主要降解反應為分子內酯交換反應及其逆反應，并得出熱降解模型，經過測試得到PLA的熱降解反應活化能為115.88kJ/mol。

3.4.1.5　光降解

一般聚合物材料暴露在陽光下都會發生降解反應，母體中的聚合物鏈的化學鍵和低分子量化合物吸收光后會發生諸如主鏈裂解、交聯、氧化或鍵的裂解等化學反應，導致材料出現失色或脆性斷裂等現象。聚合物材料的光降解主要是在戶外強光（不可見的低波長光和高能紫外線）的促進作用下引起的。聚乳酸如同很多其他塑料一樣在光照下會發生光降解。目前，關于聚乳酸材料光降解的報道不是很多。1985年Mc Neill^［79］利用中壓汞燈研究了聚乳酸在30℃真空條件下持續72h的光降解過程，得知聚乳酸在紫外線下的降解發生在酯基的C—O鍵處。Ikada^［80］發現PLLA的平均分子量在紫外線照射的1h內快速降低，并且當將空氣換成氮氣時降解過程會加速。Sakai等^［81］利用四甲基苯二胺（TMPD）作為光敏劑研究了PLLA在波長為356nm的紫外線下的光敏降解，通過ESR譜發現TMPD的光電離會產生TMPD自由基離子：PLLA的主鏈裂解自由基和PLLA主鏈終止自由基。Tsuji等^［82］發現TMPD的增加能夠有效地增強PLLA薄膜的光降解過程，并且紫外線會影響PLLA的熱性能如玻璃化轉變溫度（T_g）、冷結晶溫度（T_cc）和熔融溫度（T_m），這表明分子結構會改變鏈的裂解。

3.4.2　影響聚乳酸降解性的因素

影響PLA降解的因素有兩大方面。一個是外因，通常稱環境因素，包括pH值和環境溫度和濕度；另一個是內因，即PLA本身的分子結構，包括PLA的分子量和結晶性。

3.4.2.1　外部結構影響

（1）pH值的影響　PLA的化學降解是在酸性條件下，由于氫離子的作用使酯鍵斷開引起的。因此，pH值的大小對PLA的降解有一定的影響。

程艷玲^［83］等考察了四硼酸鈉（pH=9.18）、混合磷酸鹽（pH=6.36）、鄰苯二甲酸氫鉀（pH=4.00）三種不同介質對PLA降解性的影響，結果見表3-5。從表3-5中可以看到，PLA的降解速率主要取決于pH值的大小，PLA在堿性環境中降解速率最快，其次是酸性環境，在中性環境中降解比較慢。這是因為PLA的酯基水解生成羧酸鈉鹽，故水解反應向正反應方向進行，從而使得PLA在堿性環境中降解速率最快。

（2）溫度和濕度的影響　PLA的降解速率與環境的溫濕度條件有很大關系。Pometto^［84］等比較了PLA在實驗室和室外降解的速率，發現PLA薄膜在室外香蕉地里的降解速率比模擬的相同條件下實驗室中的快，提高溫度和濕度可以加快PLA降解速率，初始分子量為18萬的PLA在23.4～29.6℃、濕度80%下，經過6個月后就能夠明顯降解。

3.4.2.2　分子結構的影響

對于不同分子量的聚合物，在相同降解時間和相同降解環境下，分子量較高的降解相對較慢，分子量低的降解相對較快。幾乎所有降解實驗的結果都符合這個規律^［85］。

Wu^［86］認為：共聚物的分子量和聚合度分布性可顯著影響材料的水解速度。分子鏈上的酯鍵水解是無規則的，每個酯鍵都可能被水解，分子鏈越長，被水解的部位越多，分子量降低的也越快。分子量低了，端基數目增多，是直接加速其降解的原因之一。且共聚物的結晶度和熔點亦與分子量直接相關，因此分子量的大小對PLA的降解有著關聯影響。PLA分子量越高，其分子間的作用力越大，結晶度越高；分子量越小，PLA末端羧基的數目就越多，相對于分子量高的PLA來說，更容易發生水解。

（1）多臂結構　分子結構是影響聚乳酸類材料特性的一個重要因素。本身有部分酸性成分的聚合物比放在酸性環境中的聚合物的降解速率要快，這說明聚合物本身的結構比降解的自然環境更重要。Lee等^［87］制備了三臂、四臂的聚乳酸，相同分子量的不同星形結構的聚乳酸分子的端基數目不同，降解速率也不相同。Li等^［88］報道了隨著極性端基數目的增加，降解速率呈上升趨勢，由于含支化結構的聚合物具有較低的結晶度和較多的末端基，因此這同樣可以解釋相同分子量的星形結構比線形結構的聚乳酸降解快的道理。

（2）結晶度　PLA結晶度的大小也會導致其降解性。Lijian Liu等^［89］在用蛋白酶K降解PLA的研究中，發現蛋白酶K優先降解PLLA的無定形區域，很難降解PLLA晶體。無定形PLLA-PDLA共聚物的降解速率比部分結晶的PLLA-PDLA的快得多，這可以認為是鏈的排列分布不同導致的，反映出蛋白酶K對聚乳酸的結晶度具有很高的敏感度。在結晶區域分子結構排列緊密，酶分子很難進入到聚乳酸分子內部，因此降解速率很慢。但也有人認為結晶度的增加是由于無定形區的水解使得剩余樣品中結晶相的比例增加。無定形領域降解速率快，生成的短鏈產物迅速增加，分子鏈重排也可能導致結晶度增加。