一般来说,塑料的加工温度超过一百摄氏度。相比之下,酶通常不能承受这些高温。弗劳恩霍夫应用聚合物研究所 IAP 的研究人员设法调和了这些矛盾:他们能够将酶嵌入塑料中,而酶在此过程中不会失去活性。这项创造的潜力是巨大的。

研究人员将酶成功嵌入塑料中 酶在此过程中不会失去活性

在加工中试工厂生产生物功能化薄膜。(图片:弗劳恩霍夫 IAP)


如果我们设法将活性酶嵌入塑料中,那么可自行清洁、具有防霉表面甚至自降解的材料只是其中的几个例子。但是为了将酶的特异性特性转移到材料上,酶必须不会受到损坏,因为它们嵌入在塑料中。


作为“聚合物材料 BioPol 的生物功能化/生物化”项目的一部分,Fraunhofer IAP 的科学家们已经开发出解决该问题的方法。自 2018 年夏季以来,该项目一直与 BTU Cottbus-Senftenberg 合作运行。勃兰登堡州科学、研究和文化部正在资助该项目。


从一开始就很明显,我们并不打算在实验室规模上生产生物功能化塑料。我们想迈出一大步来证明技术生产是可能的,弗劳恩霍夫 IAP 的“生物功能化材料和(糖)生物技术”部门负责人 Ruben R. Rosencrantz 博士在总结雄心勃勃的项目目标时说。

研究人员将酶成功嵌入塑料中 酶在此过程中不会失去活性

在项目的中点左右,重大突破已经出现:酶已成功嵌入,无论是酶本身还是加工技术。


具有更高温度稳定性的无机保护载体


为了寻求一种稳定酶的方法,研究人员使用了无机载体。这些载体对酶起到一种保护作用。正如 Rosencrantz 解释的那样,例如,我们使用高度多孔的无机颗粒。酶通过嵌入孔中与这些载体结合。尽管这限制了酶的流动性,但它们仍保持活性并能够承受更高的温度。


然而,罗森克兰茨强调,没有普遍适用的稳定过程,没有两种酶是相同的。最适合嵌入过程的载体和技术仍然是酶特异性的。


稳定的酶:不仅在塑料表面,也在内部


研究人员特意寻找一种方法,不仅可以将稳定的酶应用于塑料表面,还可以将它们直接嵌入塑料中。


尽管难度更大,但这项技术还能防止材料表面出现影响塑料功能的磨损迹象,该研究所在施瓦茨海德的生物聚合物加工试验工厂负责人 Thomas Büsse 解释说。


为了在下游工艺中获得最佳材料结果,稳定的酶必须尽快分布在添加它们的热塑料熔体中,而不会受到过度的力或升高的温度。


一种对 Büsse 有利的平衡行为,我们开发了一种既适用于生物塑料又适用于传统石油基塑料(如聚乙烯)的工艺。我们的研究还表明,一旦嵌入塑料中,稳定的酶就能够承受比以前更高的热负荷。这使得酶的使用和所有工艺步骤变得更加容易。


自洁塑料仅仅是个开始


到目前为止,Fraunhofer IAP 的研究人员主要评估蛋白酶作为他们选择的酶。蛋白酶能够分解其他蛋白质。这使得由这些蛋白酶功能化的塑料具有自清洁效果。例如,管道不会轻易关闭或堵塞。但其他酶也在系统地进行测试。例如,BTU Cottbus-Senftenberg 的合作伙伴更密切地关注用于降解塑料和有毒物质的酶。


第一批功能化塑料颗粒、薄膜和注塑成型体已经生产出来。研究人员已经确定嵌入在这些产品中的酶仍然具有活性。现在的下一步是测试并进一步优化在各种应用中日常使用的过程。Rosencrantz 和 Büsse 很乐观,他们也为他们的研究提交了专利申请。


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