3.4 聚乳酸的降解性
PLA是一种具有良好生物相容性和生物降解性的脂肪族聚酯，主链的酯键容易水解，在微生物和酶的作用下可降解，最终降解为水和二氧化碳，是目前最有应用前景的可生物降解高分子材料之一。
3.4.1 聚乳酸降解分类
PLA的降解主要分为简单水解降解和微生物及酶降解，其次还包括热降解和光降解等。
3.4.1.1 生物降解
PLA的分子量、酸碱性、结晶度及晶型对PLA的分解速率起主要作用。PLA以主链降解生成低聚体和单体为主要降解方式。当PLA的平均分子量较大且结晶程度较大时，PLA的降解时间就会延长。在微生物和有机废物的共同作用下，会显著提高聚乳酸分子的降解速率，缩短降解周期。因此聚乳酸是一种废弃后降解周期相对比较短的高分子材料。从化学结构角度来说，高分子材料的降解方式主要有三种：①主链降解生成低聚体和单体；②侧链水解生成可溶性的主链高分子；③交联点裂解生成可溶性的线形高分子。被埋后的PLA在微生物、水等作用下可以被彻底分解成无毒物质二氧化碳和水，又再次成为合成淀粉的原材料。
聚乳酸的生物降解性与聚乳酸所处的环境息息相关。在人或者动物体内，聚乳酸的降解是通过水解发生的，这一阶段形成的可溶性低聚物通过细胞代谢完成。在自然界的废弃物中，聚乳酸先水解成低分子量的低聚物，之后在有微生物出现的环境中被转化为CO2和H2O［14］。然而，在自然环境中，PLA材料比其他可生物降解聚酯不易受微生物侵蚀［15］。土壤掩埋实验表明，PLA材料需要很长时间才能开始降解，降解速率相当缓慢［16］。Kimura等［17］研究表明，聚乳酸在自然界中可能需要几年的时间才能被完全降解。目前，从土壤或水中分离出来多种类型的微生物都能够降解PLA。但它们大多数为放线菌，其中一小部分属于细菌和真菌。目前发现的能够降解PLA的菌种如表3-4所示。
表3-4 降解PLA的微生物及其产生的酶、底物特异性以及用于降解的条件
注：a为大阪发酵研究所（IFO 12362）收集；b为日本微生物保藏中心收集（JCM 9114，JCM 7912）；c为泰国Kasetsart大学科学系微生物学系培养收集；d为日本东京的Meito Sangyo公司收集；e为美国微生物保藏中心收藏；f是由比利时科学卫生研究所提供的。
放线菌是丝状菌，主要存在于土壤中，它作为抗生素的生产者被人们所熟知。一些放线菌能有效降解聚酯，如PLA、PCL、PHB、聚丁二酸乙烯酯［45，46］。Amycolatopsis strain HT-32是首次从土壤中分离出来可以降解PLA的微生物，100mg的聚乳酸薄膜在其培养基中14天后可以降解掉60mg［47］。随后的研究发现，在Amycolatopsis菌的25种菌株中，有15种菌株对PLA都有降解作用，说明在这个菌属中广泛存在可以降解PLA的解聚酶［48］。在之后的研究中，能够降解PLA的Amycolatopsis菌中菌株3118号和K104-1号，也可以从不同环境中经过挑选和培养得到［18，49］。但是，这些报告中指出由于缺乏相关的生物技术，分离降解PLA的微生物是相当困难的。Jarerat等［50］分析了41类（105种菌株）以16S rRNA序列为基础的放线菌，发现降解PLA的放线菌限于Pseudonocardiaceae系列及相关类别，包括Amycolatopsis、Saccharothrix、Lentzea、Kibdelosporangium和Streptoalloteichus，它们在降解PLA的微生物中起到了关键的作用。之后，随着相关分子生物学技术的发展，一些研究人员已经发现了更多能够降解PLA的放线菌，如表3-4所示。菌株主要是从土壤、池塘和河流等不同环境中通过富集培养分离出来，其中一部分来自研究机构。它们可以用来降解不同种类的PLA材料，如PLA薄膜、PLLA薄膜、PLA粉末和片材。
另外有研究表明，有一种放线菌，Amycolatopsis KT-s-9，能够降解蚕丝蛋白，同时也能够降解聚乳酸。许多能够降解PLA的Amycolatopsis的菌株也都能够降解蚕丝蛋白。这是因为蚕丝蛋白的主要成分L-丙氨酸，与聚乳酸中的L-丙交酯中手性碳原子的立体结构位置有相似之处［51］，如图3-4所示。这个事实说明了菌株降解PLA和蚕丝蛋白的机理是能够识别聚乳酸中的L-乳酸和蚕丝蛋白中的L-丙氨酸而进行解聚反应的。
图3-4 聚左旋乳酸中的L-丙交酯和蚕丝蛋白中的L-丙氨酸的结构式
Pranamuda等［52］从Amycolatopsis 41中提纯了PLA解聚酶，分子量为43000，这个酶也可以降解酪蛋白和蚕丝蛋白，但是不能降解PCL和PHB。这个菌株中能够降解PLA的解聚酶比蛋白酶K具有更高的底物特异性。同时，从Amycolatopsis K104-1菌株中也分离出了可以降解PLA的解聚酶，属于丝氨酸类的蛋白酶。Tritirachium album的上清液可以降解蚕丝蛋白和弹性蛋白，而不能降解PCL、PHB、PBS，对其底物特异性研究发现，Tritirachium album中的酶属于蛋白酶而不是脂肪酶或PHB解聚酶。Tritirachium album是目前发现的唯一能够降解PLA的真菌。通过在基本培养基中加入1.0g/L明胶，可以大大地加快PLA的降解速率，说明明胶可以诱导PLA解聚酶的生成。这个现象在其他菌株（Lentzea waywayandensis和Kibdelosporangium aridum）降解PLA的过程中也同样存在。
与放线菌相比，降解PLA细菌的文献报道较少。Jeon和Penkhrue等人［23，38］总结降解PLA的细菌包括Bacillus、Pseudomonas、Stenotrophomonas等。一些研究表明，降解PLA的细菌在自然环境中不是广泛分布的。Bacillus brevi是第一个被报道降解PLA的细菌，它是从144个土壤样品中使用富集培养基分离得到的［30］。之后，一些降解PLA的细菌都通过使用富集培养基成功分离。探索PLA的细菌降解将为PLA的酶解研究提供大量有用的信息。据报道，降解PLA的细菌主要来自厚壁菌门，此外，其中大多数属于嗜热菌。
能够降解PLA的真菌的研究也有很多，列于表3-4中。1996年，Torres等人对PLA真菌降解进行了研究［53］。他们发现14个丝状真菌菌株中只有两个（Fusarium moniliforme和Penicillium roqueforti）能够在液体培养基中吸收PDLLA。此外，液体培养使用白色念珠菌（ATCC 22563）对PLLA的真菌降解也进行了研究［50］。结果表明，大部分PLA薄膜经添加明胶的培养基中放置14天后被降解。然而，许多研究主要关注在纯真菌培养中PLA的降解。最近，一些研究人员探索了在土壤和堆肥条件下PLA的真菌降解［54，55］。它表明，温度是PLA真菌降解的一个关键参数。
在过去的几十年里，大多数的PLA生物降解研究只是发现了一些新的微生物，主要注重实验室条件。然而，在现实环境中PLA的生物降解是相当复杂的问题。随着现代分子生物学技术的发展，如PCR、高通量测序技术和FISH，一些由微生物组成的群落被用来研究土壤修复。其中，一些研究集中于能参与降解PLA的微生物群落。Sangwan等［56］描述了利用分子生物学技术鉴定堆肥中潜在的降解PLA的微生物。
3.4.1.2 酶降解
聚乳酸的生物降解归根结底为聚乳酸的酶解。Williams［57］在1981年首次报道从Tritirachium album中得到的蛋白酶K为水解PLA的酶。在那之后，Oda等将市售的56种蛋白酶对PLA的降解活性进行了测试［58］。结果表明，酸性和中性蛋白酶有少量或几乎没有活性，而碱性蛋白酶中则形成数量可观的乳酸。然而，由于条件限制，商业蛋白酶不能应用于实际环境中的PLA塑料。因此，现在实验中通常使用蛋白酶K来降解纯聚乳酸、聚乳酸共聚物以及聚乳酸的共混物。此外，酶的活性取决于最佳pH、温度和PLA的性质（链的立体化学结构和材料结晶度）。
聚乳酸的酶解机理分为以下四步：第一，通过表面结合区域，酶吸附在底物的表面；第二，亲核攻击；第三，质子化作用；第四，酯键水解。丝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。纯的PDLA不能降解，但PDLLA以及P（DLA-co-GA）都可以降解，通常这些共聚物具有较低的结晶度和较低的熔点，共聚物中D-丙交酯和乙交酯的含量越多，降解性能越差，通过调控共聚物中这两者含量，可以控制共聚物的降解速率。
脂肪酶是酯酶中能够降解脂肪族聚酯的一个重要成员。脂肪酶可以随机切断聚合物主链上的酯键，如PCL、PBS以及其他在分子中含有大量的亚甲基基团的聚酯。从猪胰脏、Candida cylindracea和Rhizopus arrhizus中分离出来的脂肪酶能够降解无定形聚合物和PDLLA。然而，脂肪酶不能降解PLLA和PDLA，这个事实说明了脂肪酶可以降解低熔点、无手性碳原子并且在酯键与酯键之间有大量亚甲基基团的脂肪族聚酯和无定形聚合物，不能降解含有光学活性碳原子的聚酯。而聚乳酸解聚酶能够选择性地降解L-异构体中的α-酯键。Mac Donald等［59］研究发现，蛋白酶K不能够降解右旋聚乳酸。根据以上结果，可以确定PLA解聚酶是一类能够识别聚乳酸中的L-乳酸单元（就像蚕丝蛋白中的L-丙氨酸单元）的一类蛋白酶。其中蛋白酶K等已成为商品化酶，个别降解酶的基因已经被克隆和表达。
3.4.1.3 水解降解
水解降解是由于聚乳酸分子链中酯键极易在水分子作用下断裂为羟基和羧基，同时降解中产生的乳酸可能会对降解有催化作用，形成自催化效应。聚乳酸的水解速率主要取决于材料本身性质和水解条件。材料本身的性质包括分子结构、结晶度、分子量大小及其分布和立构规整度等；水解条件包括温度、pH和催化剂的种类等［60］。聚合物水解存在三种机制［61］：①疏水性聚合物通过主链上不稳定键的水解变成低分子量的水溶性分子；②不溶于水的聚合物通过侧链基团的水解、离子化或质子化，变成水溶性聚合物；③不溶于水的聚合物的不稳定交联链被水溶解后变成可溶于水的线形聚合物。聚乳酸薄膜的水解主要为主链上不稳定的键水解变成低分子量的水溶性分子，其水解机理如图3-5所示。从图3-5可以看出，水分子攻击聚乳酸中的酯键，生成羧基和羟基。由于PLA在水解过程中主链上的酯键会不断水解生成相应的羧酸，羧基的存在可以进一步催化PLA的水解过程，形成自催化体系。
图3-5 聚乳酸的水解机理［3］
刘志华等［62］考察了PLA于37℃恒温槽中分别在去离子水、0.01mol/L盐酸和pH为7.4的磷酸盐缓冲溶液中的降解情况。其结果发现PLA在盐酸中降解速率最快，在去离子水中降解速率居中，在磷酸盐缓冲液中降解速率最慢。马晓妍等［63］考察了PLA分别在去离子水、0.01mol/L盐酸、pH为7.4的磷酸盐缓冲溶液、0.01mol/L氢氧化钠溶液中的降解情况。同样，发现PLA在氢氧化钠溶液中降解最快。Tisserat等［64］在不同温度下，将纯PLA和PLA质量分数为10%～25%的PLA-桑橙树基复合材料（PLA-OO）的碎片置于不同浓度的氢氧化钠溶液中，考察其水解情况。实验结果表明：在所有实验温度下，高浓度的氢氧化钠溶液比低浓度的氢氧化钠溶液更容易使PLA和PLA-OO快速水解，PLA在0.25mol/L的氢氧化钠溶液中仅1d就发生明显水解，降解率为5.7%～15.0%；高温（80℃）和低温（20℃）都比中间温度（40℃）更能促进PLA-OO的水解。Masaru等［65］的研究表明，60mg PLA在反应温度180℃、2mL浓度为0.6mol/L氢氧化钠溶液中反应20min后几乎全部降解为乳酸，无丙交酯产生，而在水中降解会产生少量丙交酯。Brake等［66］研究了PLA在不加任何酸碱催化剂的条件下的水解过程，结果表明，在反应温度为150℃时，75g PLA在38g水中反应1h后，可水解成乳酸质量分数为80%的乳酸与低聚物的混合液。Tanaka［67］研究了水和PLA质量比为0.2～20.0条件下PLA的水解过程，在反应温度为150℃的条件下，1g PLA在1g水中水解4h后，水解产物中乳酸质量分数大于90%。中性水解法可将PLA直接解聚为合成PLA的原料，且不产生酸碱废液，是一种环境友好的过程，近年来已受到越来越多研究者的关注。但所得产品纯度较低，其中含有少量低聚物，且很难脱除。
3.4.1.4 热降解
熔融状态下PLA的降解主要是由于PLA链端的分子内酯交换造成的。分子内酯交换［68］生成乳酸的环状低聚物和丙交酯，如图3-6（a）和图3-6（b）所示。同时反应是可逆的，生成的低聚物和丙交酯会重新插入线形的长链聚酯链段中，导致长链分子链段变短，引起聚合物分子量下降，分子量分布变宽。图3-6（c）是不同链段之间的酯交换作用，属于分子间酯交换。A链段（带有R1和R2链段）与B链段（带有R3和R4链段）进行分子间酯交换，生成C链段（带有R1和R4链段）和D链段（带有R3和R2链段）。
图3-6 熔融状态下聚乳酸的降解机理
PLA热降解机理按是否在降解过程中产生自由基，可以分为非自由基降解反应机理和自由基反应机理。非自由基降解机理主要包括随机链段降解反应机理［69］、分子间酯交换和分子内酯交换反应机理［70］等；自由基降解机理［71］主要为高温裂解反应降解机理。由于PLA制备方法和生产工艺的不同，其热稳定性有较大差别，聚乳酸热稳定性的影响因素有很多，包括端基的结构、体系中的水含量、分子量的大小、残留的小分子物质、残留的催化剂及加工的工艺条件等［72］。Doi等［73］研究发现，聚酯的热降解和水解是由随机链断降解造成的。他们认为聚合物受热后，链段随机断裂，生成短链段聚合物，聚合物的链段的长度随着受热时间的增加而线性降低。Mc Neill等［74］研究了PLA材料在控制持续升温和等温升温条件下的分解情况，指出PLA分解过程中的主要产物是低聚物（包括丙交酯），另外含有一些低沸点产物，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，在反应温度210～220℃、反应压力0.3～0.5kPa的条件下，将L-乳酸低聚物热解聚成L-丙交酯，而羟基作为L-乳酸低聚物端基时可促进生成L-丙交酯的反应，同时减少副产物的产生量。Fan等［76］使用乙酸酐对PLA进行封端处理，降低端羧基基团的含量，减缓热降解的速率。他们通过TG研究发现，乙酰化后的PLA的热分解起始温度提高了40～50℃。秦志忠等［77］研究了PLA在高温下停留一段时间后分子量及端羧基的变化。说明随熔融温度的上升，PLA的端羧基含量上升，熔融温度越高，端羧基增加越快，并随时间的延长增加也越快。钱刚等［78］将PLA溶解在氯仿中用甲醇洗涤除去杂质并烘干。将纯化后的PLA分别在180℃、190℃、200℃、210℃下降解，每隔10min取样用四氢呋喃溶解后测试黏均分子量，并提出PLA热降解过程中主要降解反应为分子内酯交换反应及其逆反应，并得出热降解模型，经过测试得到PLA的热降解反应活化能为115.88kJ/mol。
3.4.1.5 光降解
一般聚合物材料暴露在阳光下都会发生降解反应，母体中的聚合物链的化学键和低分子量化合物吸收光后会发生诸如主链裂解、交联、氧化或键的裂解等化学反应，导致材料出现失色或脆性断裂等现象。聚合物材料的光降解主要是在户外强光（不可见的低波长光和高能紫外线）的促进作用下引起的。聚乳酸如同很多其他塑料一样在光照下会发生光降解。目前，关于聚乳酸材料光降解的报道不是很多。1985年Mc Neill［79］利用中压汞灯研究了聚乳酸在30℃真空条件下持续72h的光降解过程，得知聚乳酸在紫外线下的降解发生在酯基的C—O键处。Ikada［80］发现PLLA的平均分子量在紫外线照射的1h内快速降低，并且当将空气换成氮气时降解过程会加速。Sakai等［81］利用四甲基苯二胺（TMPD）作为光敏剂研究了PLLA在波长为356nm的紫外线下的光敏降解，通过ESR谱发现TMPD的光电离会产生TMPD自由基离子：PLLA的主链裂解自由基和PLLA主链终止自由基。Tsuji等［82］发现TMPD的增加能够有效地增强PLLA薄膜的光降解过程，并且紫外线会影响PLLA的热性能如玻璃化转变温度（Tg）、冷结晶温度（Tcc）和熔融温度（Tm），这表明分子结构会改变链的裂解。
3.4.2 影响聚乳酸降解性的因素
影响PLA降解的因素有两大方面。一个是外因，通常称环境因素，包括pH值和环境温度和湿度；另一个是内因，即PLA本身的分子结构，包括PLA的分子量和结晶性。
3.4.2.1 外部结构影响
（1）pH值的影响 PLA的化学降解是在酸性条件下，由于氢离子的作用使酯键断开引起的。因此，pH值的大小对PLA的降解有一定的影响。
程艳玲［83］等考察了四硼酸钠（pH=9.18）、混合磷酸盐（pH=6.36）、邻苯二甲酸氢钾（pH=4.00）三种不同介质对PLA降解性的影响，结果见表3-5。从表3-5中可以看到，PLA的降解速率主要取决于pH值的大小，PLA在碱性环境中降解速率最快，其次是酸性环境，在中性环境中降解比较慢。这是因为PLA的酯基水解生成羧酸钠盐，故水解反应向正反应方向进行，从而使得PLA在碱性环境中降解速率最快。
表3-5 不同介质对PLA降解性的影响
（2）温度和湿度的影响 PLA的降解速率与环境的温湿度条件有很大关系。Pometto［84］等比较了PLA在实验室和室外降解的速率，发现PLA薄膜在室外香蕉地里的降解速率比模拟的相同条件下实验室中的快，提高温度和湿度可以加快PLA降解速率，初始分子量为18万的PLA在23.4～29.6℃、湿度80%下，经过6个月后就能够明显降解。
3.4.2.2 分子结构的影响
对于不同分子量的聚合物，在相同降解时间和相同降解环境下，分子量较高的降解相对较慢，分子量低的降解相对较快。几乎所有降解实验的结果都符合这个规律［85］。
Wu［86］认为：共聚物的分子量和聚合度分布性可显著影响材料的水解速度。分子链上的酯键水解是无规则的，每个酯键都可能被水解，分子链越长，被水解的部位越多，分子量降低的也越快。分子量低了，端基数目增多，是直接加速其降解的原因之一。且共聚物的结晶度和熔点亦与分子量直接相关，因此分子量的大小对PLA的降解有着关联影响。PLA分子量越高，其分子间的作用力越大，结晶度越高；分子量越小，PLA末端羧基的数目就越多，相对于分子量高的PLA来说，更容易发生水解。
（1）多臂结构 分子结构是影响聚乳酸类材料特性的一个重要因素。本身有部分酸性成分的聚合物比放在酸性环境中的聚合物的降解速率要快，这说明聚合物本身的结构比降解的自然环境更重要。Lee等［87］制备了三臂、四臂的聚乳酸，相同分子量的不同星形结构的聚乳酸分子的端基数目不同，降解速率也不相同。Li等［88］报道了随着极性端基数目的增加，降解速率呈上升趋势，由于含支化结构的聚合物具有较低的结晶度和较多的末端基，因此这同样可以解释相同分子量的星形结构比线形结构的聚乳酸降解快的道理。
（2）结晶度 PLA结晶度的大小也会导致其降解性。Lijian Liu等［89］在用蛋白酶K降解PLA的研究中，发现蛋白酶K优先降解PLLA的无定形区域，很难降解PLLA晶体。无定形PLLA-PDLA共聚物的降解速率比部分结晶的PLLA-PDLA的快得多，这可以认为是链的排列分布不同导致的，反映出蛋白酶K对聚乳酸的结晶度具有很高的敏感度。在结晶区域分子结构排列紧密，酶分子很难进入到聚乳酸分子内部，因此降解速率很慢。但也有人认为结晶度的增加是由于无定形区的水解使得剩余样品中结晶相的比例增加。无定形领域降解速率快，生成的短链产物迅速增加，分子链重排也可能导致结晶度增加。