可被回收制作成食品包裝的 PET 塑料（聚對苯二甲酸乙二醇酯，ethylene terephthalate）廢棄物數(shù)量有限，因此使得原料短缺?，F(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種酶，可拓寬原料的選擇。

塑料是極其有用的材料，特別適合用作包裝和其它各種消費品，但是管理不善的塑料廢棄物會造成土地和海洋污染。原則上，這個問題可以通過廢棄物回收來預(yù)防（圖 1）。機(jī)械回收是常用的回收方法，涉及將塑料廢棄物熔化和再加工。然而，許多塑料產(chǎn)品并非為機(jī)械回收而設(shè)計的，因此生產(chǎn)出來的材料的素質(zhì)低于原始塑料。

由廣泛使用的 PET 塑料和其它幾種常用聚合物為主要原料的物品，可以被轉(zhuǎn)換回分子結(jié)構(gòu)的組件（單體），聚合物就是由這些分子單體構(gòu)成的。隨后單體可提純并再聚合，制造出新的塑料，這是一種 " 閉環(huán) " 回收方式。標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)解聚過程是能源密集型的，需要大量的堿和酸，因此在經(jīng)濟(jì)或生態(tài)上都不可行。一個可能的解決方案是使用酶，但長期以來，因為沒有適合工業(yè)規(guī)模塑料解聚活性的酶，阻礙了這一回收策略的發(fā)展。近日，Lu 等人 [ 1 ] 在《自然》上撰文，報道了一種 PET 降解酶的工程變體，可能實現(xiàn)接近閉環(huán)回收常用的、非為機(jī)械回收設(shè)計的 PET 塑料產(chǎn)品。

圖 1 | 印度尼西亞泗水（Surabaya）地區(qū)收集回收的塑料瓶。目前，只有飲料瓶等少數(shù)幾種 PET 廢塑料（聚對苯二甲酸乙二醇酯）產(chǎn)品可在其廢棄后被回收制成食品級回收 PET。Lu 等人 [ 1 ] 報道發(fā)現(xiàn)了一種酶，可用于回收其它 PET 廢棄物。來源：Juni Kriswanto/AFP/Getty

PET 可以被用來制作各式包裝，比如，托盤、容器、杯子和氣泡袋，特別是對透明的食品級回收 PET（rPET）的需求，在過去 20 年里大為增加 [ 2 ] 。目前，高質(zhì)量的 rPET 是由押金制度收集的飲料瓶制成的，因為這些瓶子是為回收再利用專門設(shè)計，并且回收方法預(yù)防了錯誤分類。使用押金制度的國家數(shù)量正在穩(wěn)步增長，提高了高質(zhì)量 rPET 的產(chǎn)量。即便如此，PET 飲料瓶的市場仍然相對較小，無法為更大的 PET 包裝市場提供足夠的材料。此外，收集和分類好的 PET 瓶短缺，極大推高了這種原料的成本。

因此，為獲得更多的食品級透明 rPET, 關(guān)鍵點在于對非瓶類 PET 的收集和回收。為達(dá)到回收材料所需質(zhì)量，人們已經(jīng)嘗試了很多辦法。一些回收公司接收專為回收設(shè)計的托盤——即不包含其它聚合物成分的托盤。另外一些公司開發(fā)了化學(xué)回收方法，包括彩色 PET 瓶子的解聚、過濾和再聚合工藝。但這些原料數(shù)量仍然有限。

相比之下，在許多歐洲國家，越來越多收集和分類好的廢棄 PET 托盤可以免費取得——事實上，有時回收它們的公司甚至能收到一筆服務(wù)費。這些 PET 廢棄物包括用于裝食品的托盤和蛤殼狀包裝，以及杯子、帶蓋容器和氣泡袋。大多數(shù)的 PET 托盤被用于氣調(diào)包裝的肉類、魚和奶酪，以助這些食物在冰柜或冰箱中儲存，這些托盤含一層 PET 薄膜，其上會覆蓋一層其它塑料（聚乙烯）。聚乙烯內(nèi)層可以使托盤快速可靠地密封，這對于保持食品安全至關(guān)重要。然而，這一層重要的材料使機(jī)械回收變復(fù)雜了，因為它與透明 PET 混合會產(chǎn)生渾濁的混合物。這種混合物雖也能用于生產(chǎn)托盤，但市場上絕大部分份額還是透明食品級 rPET 占據(jù)著。

使用化學(xué)工藝回收分類好的 PET 托盤的嘗試一直未能成功。這一過程涉及在堿性催化劑幫助下，在乙二醇中以 195°C 煮沸塑料，常稱為皂化。然而，來自非 PET 材料（如，聚乙烯、印刷油墨、標(biāo)簽等）的殘留物在沸騰的乙二醇中會形成凝膠，阻礙皂化 PET 的過濾和進(jìn)一步加工。

基于酶分解 PET 的回收方法可能有助于解決這些問題。此前人們已經(jīng)研究過能降解 PET 的酶和微生物，包括一種很有前途的 PET 降解細(xì)菌，它通過一對酶來完成這項任務(wù) [ 3 ] ——但這種細(xì)菌只能降解無定形（非晶態(tài)）PET 薄膜，并且其解聚反應(yīng)不完全。此后發(fā)現(xiàn)了更具活性的酶，但沒有一種降解酶能夠在合理的處理時間內(nèi)完全分解常見的 PET 廢棄物。因此，商業(yè)回收公司對其興趣不大。Lu 和同事們發(fā)現(xiàn)的降解酶可能會改變這一切。

作者們使用一種機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)預(yù)測 PET 降解酶（PETases）的突變，以期提高酶的熱穩(wěn)定性和活性。通過對突變體進(jìn)行工程改造和測試，該團(tuán)隊確定了一種酶，和野生型 PET 降解酶相比，該酶包含 5 個突變，并且相對于野生型和工程化替代型具有更高的 PET 降解活性。Lu 等人將他們的酶命名為功能性（functional）、活性（active）、穩(wěn)定（stable）和耐受（tolerant）PET 降解酶，簡稱FAST-PETase。

FAST-PETase 在相對 " 溫和 " 的條件下可以完全解聚 PET ——即在室溫下一周內(nèi)或在 50°C 下一天內(nèi)完成。無定形 PET 可以直接解聚，而結(jié)晶度超過 25% 的 PET（例如用于制造瓶子的 PET）需要經(jīng)過預(yù)熱處理，使塑料轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形。作者們展示了這種酶可以降解 51 種未經(jīng)處理的 PET 產(chǎn)品（消費者使用過的）樣品，表明它有能力處理各種原材料。值得注意的是，由于這種酶在水溶液中的工作溫度僅為 50°C，混合物中任何來自非 PET 材料的殘留物都不會融化并形成凝膠，這使得解聚的 PET 溶液比皂化產(chǎn)生的更容易過濾和進(jìn)一步加工。

作者們表明，F(xiàn)AST-PETase 可用于閉環(huán)回收，從 3 克有色 PET 中可以生產(chǎn)約 2.8 克無色 PET。如果能夠開發(fā)出一套使用 FAST-PETase 的商業(yè)流程，相當(dāng)大一部分（例如，荷蘭有 10%-15%）的塑料包裝廢棄物將可以在閉環(huán)中回收制成食品級透明 rPET，準(zhǔn)備用于生產(chǎn)新的托盤、容器、杯子和氣泡袋。

參考文獻(xiàn)：

1. Lu, H. et al. Nature 604, 662 – 667 ( 2022 ) .

2. PETCORE Europe. https://www.petcore-europe.org/news-events/409-pet-market-in-europe-state-of-play-2022.html ( 2022 ) .

3. Yoshida, S. et al. Science 252, 1196 – 1199 ( 2016 ) .

利益沖突聲明：

E.U.T.v.V. 是荷蘭瓦赫寧根大學(xué)及研究中心食品和生物研究中心高級受托研究員。作為食品包裝和塑料包裝廢棄物回收領(lǐng)域的受托研究員，他與使用包裝的快速消費品行業(yè)有許多往來。他也被尋求專家意見，關(guān)于何謂 " 可持續(xù)包裝 "，以及什么是這些公司的最佳選擇。目前為止這些專家意見無關(guān) Lu 等人論文中描述的酶技術(shù)或其他酶技術(shù)，因為這些技術(shù)尚不夠先進(jìn)。因此他作為一位包裝和回收技術(shù)專家，樂于見到此類創(chuàng)新發(fā)展成熟。