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塑料生物降解效率受限于酶对疏水PET的接触困难和产物抑制，本研究开发水基两相微乳体系（AMTPEs）实现协同催化与产物连续去除，使MHET产量最高提升20.8倍且系统可循环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
江苏大学化学与化学工程学院，中国江苏省镇江市212013
摘要
塑料废物的酶促降解为实现闭环回收中的单体回收提供了一条可持续的途径，但其效率受到酶难以接触疏水性聚合物表面和产品抑制作用的限制。在此，我们开发了一种水基胶束两相乳液（AMTPE），该乳液由非离子表面活性剂和多糖自组装而成，作为一种集成的催化和分离平台，用于增强聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的酶促降解。这些AMTPE表现出优异的稳定性和对PET底物及水解酶的高效共包封能力，通过一种协同的“润湿-包封”机制实现。由于系统中的动态微环境，酶对底物的亲和力显著提高。同时，连续的多糖相能够同时去除产物，从而克服产物的抑制作用。优化的Tween 80/Dex AMTPE系统对多种PET水解酶具有广泛的适用性，在24小时内使MHET的产量分别提高了7.7倍（FsC）、20.8倍（Fast-PETase）和15.0倍（LCC）。此外，在包括产物回收过程在内的四个催化循环后，系统仍保持了初始MHET产量的92.6%。这项工作确立了AMTPE作为一种集成且可回收的平台，有效解决了传统PET生物降解的固有局限性。
引言
全球聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）废物的积累带来了严重的环境挑战[1]，[2]，迫切需要开发高效的催化回收技术来减轻其生态影响并推动循环塑料经济的发展。目前，PET塑料废物的工业处理主要依赖于两类技术[3]：物理（机械）回收和化学回收。物理回收通过熔融加工和重新造粒将PET转化为再生颗粒（rPET）。尽管这种方法成本效益高且普遍使用，但它往往会降低材料性能，导致降级[4]，[5]。理想的PET废物管理途径是闭环回收，即将其降解为其组成单体（如MHET或TPA），再重新聚合为优质塑料[6]，从而实现可持续的循环聚合物经济。化学回收方法，如醇解[7]、[8]、水解[9]、[10]和糖酵解[11]，[12]，可以将PET降解为其单体或寡聚物，实现闭环回收。然而，这些方法通常能耗较高，需要专用设备，并涉及复杂的分离过程。
酶促降解（生物回收）作为一种具有温和反应条件和环境友好性的有前景的绿色技术，在近年来展现出巨大潜力[13]，[14]。这种方法可以高效处理复杂的塑料废物，并可能实现高价值单体的回收甚至升级利用。然而，一个根本的科学挑战是酶难以接触疏水性聚合物基底，在固体表面上催化效率低，这严重限制了反应速率和实际应用。为了解决这些限制，人们探索了多种策略来提高酶对底物的亲和力和催化效率。这些策略包括通过酶工程改善疏水性和位点活性[15]，[16]，[17]，通过底物预处理降低结晶度[18]，[19]和增加表面积[20]，以及使用界面活化剂或两亲分子[21]，[22]来促进酶-底物相互作用。虽然这些策略为提高酶性能提供了有价值的途径，但针对生物催化设计的基于溶液的系统的研究仍然有限。溶液系统可以与酶工程和底物预处理等现有方法结合，通过协同作用放大各自的优点。
乳液系统通过创建促进不相溶反应物之间接触的界面环境，为催化提供了极具优势的平台[23]。此外，乳液滴具有均匀的微环境，可作为纳米-宏观反应器，促进有机反应的区域选择性并加速产物的快速传递，从而显著提高反应速率[24]。这些特性使得组分能够被精准定位和分配溶解，加上催化剂富集和活化能的降低，可以显著提高催化效率，如在乳化增强的PET糖酵解中所示[25]。然而，在传统的乳液系统中，油水界面处的酶变性对生物催化构成了重大障碍，因为保持蛋白质的天然构象对于活性至关重要。
最近，全水基水包水（W/W）乳液系统的进展为克服这一障碍开辟了新的途径。W/W乳液可以通过两种不相溶的亲水性聚合物（在系统中热力学不兼容）水相的机械混合形成[26]，[27]。与传统油水界面相比，水包水系统的界面区域通常更厚且更模糊。W/W乳液系统固有的低界面张力抑制了小分子在水水界面的吸附[28]。尽管如此，这些系统中溶质的独特性质导致的相行为特征与油水乳液有相似之处。W/W乳液的生物相容性组分使其在涉及生物分子的应用中具有显著潜力，如水溶性药物的提取和活细胞的封装[29]，[30]，[31]。然而，W/W乳液在酶促PET降解中的应用仍很少报道，主要是由于PET底物的强疏水性，这限制了它们在传统水水相系统中的分布和相互作用，以及实现高效界面活化和连续催化回收的难度。因此，目前该领域的生物催化研究主要集中在少数几种酶上，如葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶[32]，[33]，[34]，[35]，而使用W/W乳液来封装和与固相组分反应的研究则非常有限。因此，W/W乳液在PET生物回收中的应用需要系统设计上的根本创新，以克服相组分-底物之间的不兼容性。
我们开发了一种水基胶束两相乳液（AMTPE）。该系统采用了集成的反应-分离设计：基于表面活性剂的胶束分散相用于通过独特的“润湿-包封”机制共包封PET颗粒和酶，结合富含多糖的连续相进行原位产物提取。这种设计直接解决了酶促PET降解的关键瓶颈——酶难以接触和产物抑制问题，通过创建一个拥挤的微反应器环境来提高局部浓度并持续去除抑制性产物（MHET）。结果表明，AMTPE平台对多种PET水解酶（例如FsC、Fast-PETase、LCC）具有广泛的适用性，使MHET的产量提高了7.7至20.8倍，并在多个催化循环中保持高效率。这项工作不仅成功地将W/W乳液应用于固体聚合物的酶促降解，还为开发针对PET酶促水解的先进微反应器提供了重要见解。
章节摘录
为优化PET酶促降解而设计的水基胶束两相乳液
为了解决酶难以接触疏水性PET基底的关键问题，我们设计了一系列水基胶束两相乳液（AMTPE）。设计策略侧重于提高PET在局部催化微环境中的润湿性和包封性。对候选组分进行了全面筛选，选择标准是每种材料显著降低PET界面张力的能力
结论
我们使用基于非离子表面活性剂的溶液成功开发了AMTPE，这些表面活性剂因对PET和疏水性蛋白质的亲和力而被选中作为分散相，而多糖聚合物溶液作为连续相。这些系统表现出对PET底物和Fast-PETase的显著包封效果，同时具有优异的稳定性。在初始条件下，所有AMTPE都显著提高了Fast-PETase的酶活性
化学试剂
来自Thermo Fisher Scientific Inc.的酵母提取物和Pierce BCA蛋白测定试剂盒；来自上海Macklin生化科技有限公司的荧光异硫氰酸酯（FITC）、硫酸镍（NiSO4）、右旋糖酐（150 kDa）、普鲁兰、Tween 80、4-((2-羟基乙氧基)羰基)苯甲酸（MHET）、双(2-羟乙基)对苯二甲酸酯（BHET）和对苯二甲酸（TPA）；来自Sangon Bioctech（上海）有限公司的异丙基-β-D-硫代半乳吡喃糖苷（IPTG）和硫酸卡那霉素；氯化钠（NaCl）、胰蛋白胨、钠环境影响
目前，大多数塑料废物被排放到环境中、焚烧或填埋，引发了日益严重的环境和健康问题。虽然可生物降解的PET技术为PET废物的闭环回收提供了有希望的途径，但其效率仍然较低。本研究旨在开发一种高效、多功能且成本效益高的方法，将PET生物降解为其单体，以促进PET的循环回收。我们构建了AMTPE作为一种集成且可回收的平台
CRediT作者贡献声明
Lei Wang：方法学、数据管理。Yang Zhou：资源获取、方法学、数据管理。Jiacong Wu：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学、数据分析。Yun Wang：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件使用、资源管理、方法学、资金获取、概念构思。Xinnan Ma：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿撰写、软件使用、方法学、实验研究、数据管理、概念构思。Juan Han：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件使用
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号22278191）的支持。
