PHA中文名为聚羟基脂肪酸酯，这种物质原本是细菌体内合成的一种用于储存能量的胞内聚酯，现在发展为一种新兴的生物可降解塑料。研究发现PHA具有类似于合成塑料的物化特性及合成塑料所不具备的生物可降解性、生物相容性、光学活性、压电性、气体相隔性等许多优秀性能。

近年来，由于传统不可降解塑料的大范围使用，石油资源的过度开采，在加剧人类自然资源匮乏的基础上，还引发出很多环境问题、生态破坏。塑料污染、白色污染、温室效应问题日益显著，困扰着人类社会，影响人们的生活。为了解决不可降解性塑料对生态造成的破坏，对环境造成的影响，“生物基可降解材料”的概念逐渐被提出，聚羟基脂肪酸酯（PHA）也属于“生物基可降解材料”的一种，也是实现“碳减排”的一种方式。本文对聚羟基脂肪酸酯（PHA）的产品特性及其合成方式做简要介绍。

与众多高分子材料相同，PHA的本质也是由同一种或不同种的羟基脂肪酸作为单体相互缩合而成，单体间以酯键相连。但是与众多高分子材料不同的是，PHA是一种由多种微生物合成的生物聚酯，其合成位置位于微生物胞内，合成行为由生物过程直接完成。PHA在菌体中以不溶于水的包涵体存在。

PHA的种类

PHA的合成单体种类繁多，据资料统计，目前已发现组成PHA的羟基脂肪酸种类有150种以上。PHA的种类也根据其组成单体的种类、碳链长度、侧链R基的不同，分为很多种，其结构通式如下：

• 其中，m 通常为1、2 或3；n为单体链节数目；R 为侧链，一般为单纯的直链脂肪链，有时还带有支链、芳环、卤素等多种官能团。

• R-甲基，聚β-羟基丁酸（PHB）

  R-乙基，聚β-羟基戊酸（PHV)

  R-丙基，聚β-羟基己酸（PHC）

  R-丁基，聚β-羟基庚酸（PHH）

• 当单体中碳原子数目为3~5时，由此构成的 PHA 称为短链PHA；当碳原子数目为6~15时，称之为中长链 PHA。

• 就单体种类而言，组成特定PHA的单体为同一单体时，此PHA为均聚物；组成该PHA的单体为2种及以上时，此PHA为共聚物。

由于PHA的单体种类、碳链长度和侧链R基团的变化多样，使PHA具备了截然不同的材料学性质。通常而言，短链PHA结构简单规整，利于分子间的排布规整，材料结晶度较高，可达60%-80%。材料表现出硬度高、强度高，但柔韧性差；中长链PHA材料结构较复杂，柔韧性好，具有弹性塑料的特点，但是其结晶度、熔融温度和玻璃态转化温度过低。短链和中长链PHA各自的材料特点限制了它们的应用。随着 PHA生产技术的发展，将短链单体和中长链单体共聚后，这种共聚物具有比短链PHA更好的韧性和延展性，比中长链PHA 更优异的硬度和结晶速率以及更高的熔融温度。

PHA的特点

• 可降解性

  多年来，石油基一次性塑料的不可降解性造成了严重的环境污染，其他生物基可降解材料往往需要特定的环境条件才能降解，比如PLA需要进行集中堆肥处理。而PHA在自然条件下即可被多种微生物降解。

• 生物相容性

  生物相容性是评判材料是否属于生物材料的一个重要因素，生物相容性高的高分子材料能够与人体组织接触而不会引起负面反应。PHA合成环境位于微生物胞内，且在体内降解后会产生3-羟基丁酸(3HB), 3HB也是人体代谢中酮体的组成成分之一，并能在极端条件（如饥饿、大量运动后）下为机体供能。因此，被认为是生物相容性最好的高分子材料。

• 除此之外，PHA 还具有材料多变性、非线性光学性能、电压性能、气体阻隔性能、热塑性和可食用性等特性。

PHA的合成

与众多高分子材料相似，PHA的合成单体也是一些常见小分子化合物，而且在塑料的组成单体之中，有一些组分也可以被微生物重新利用，这主要包括一些二元醇、二元羧酸等。如 PU 的组成成分，己二酸( AA)和1,4-丁二醇(BDO)，乙二醇（EG）等都可以被微生物利用。下图是塑料降解的过程以及PHA的合成过程：

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目前合成PHA研究较多的微生物有：产碱杆菌属(Ralstonia eutropha)，假单胞菌属(Pseudonomas)，甲基营养菌(Methylotrophs)，固氮菌属(Azotobacter)，红螺菌属(Rhodospirilum)。自然合成 PHA 的细菌代谢途径已有数十种被报道。其中，主要的合成途径有 3 种：

• 第一种是由乙酰辅酶A通过3步酶反应并消耗NADPH，最终直接合成PHA的代谢途径。该途径主要合成短链PHA，是目前分布最广泛、研究最多的途径；

• 第二种是脂肪酸进入细胞作为碳源供能时，经过β-氧化途径转变成PHA的合成前体 3-羟基酯酰辅酶 A，最终由合成酶PhaC催化，合成中长链 PHA 的途径；

• 第三种是独立地利用脂肪酸合成途径，以乙酰辅酶 A作为起始物质，从头合成 PHA 的途径。

细菌形成PHA的3种主要代谢途径

2023上海医疗器械创新展Medtec创新展意识到，在应对环境变化、生态破坏问题，PHA因其独特的特点以及良好的生物安全性，在“碳减排”过程中发挥着重要作用。但是目前的应用仍然存在一些问题需要解决，例如：发酵过程容易染菌，原料转化率低，产物回收困难，生产成本较高，性能不够优越等等。随着合成生物学的不断发展，通过菌种、发酵、分离提取等各个阶段的不断优化，生物材料改性行业的不断发展，逐步优化PHA的性能，我们相信PHA会逐步应用到各种场景中。

文章来源：生物基可降解材料