综述：工程化聚羟基脂肪酸酯（PHAs）的未来：面向定制化PHA基材料的系统设计策略

《Biochemical Engineering Journal》：Engineering the Future of polyhydroxyalkanoates (PHAs): Systematic Design Strategies for Tailored PHA-based Materials

　　

研究人员对当前微调聚羟基脂肪酸酯（PHAs）的策略进行了关键性评估。上游选项包括菌株（strain）和底物（substrate）选择以及补料策略（feeding strategies）。仍然需要更绿色、更可持续的PHA功能化方法。提取和回收方法强烈影响最终PHA的性能。计算机模拟技术（in-silico techniques）可以加速定制化PHA基材料的设计。

2. Biochemical tools
生化工具部分讨论了通过发酵过程的上游策略来定制PHA性能，包括菌株选择、底物选择和补料策略。基于PHA合酶（PHA synthase）的类别，不同微生物产生不同结构的PHA。Class I PHA合酶（如Cupriavidus necator）主要合成短链长度（scl）PHA，包括聚-3-羟基丁酸酯（PHB）及其共聚物，如聚-3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯（PHBV）和聚-3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯（P4HB）。Class II PHA合酶（主要存在于Pseudomonas属）合成中链长度（mcl）PHA，具有弹性体特性。Class III PHA合酶（如Haloferax mediterranei）存在于嗜盐古菌中，可在非灭菌条件下生产。Class IV PHA合酶（如Bacillus cereus）具有醇解能力，可调控分子量。工程化PHA合酶扩展了底物范围，例如通过嵌合酶（PhaC_AR）生产嵌段共聚物。底物选择直接影响PHA的分子量（MW）和单体组成，例如甘油作为链终止剂降低MW，而不同挥发性脂肪酸（VFA）产生不同单体比例。补料策略通过共补料或顺序补料影响PHA微结构，顺序补料可产生嵌段共聚物，具有更优的力学性能和抗老化特性。

3. Post-synthetic modification tools
后合成修饰工具包括回收方法、加工技术、共混与复合以及物理/化学/酶促改性。回收方法中，溶剂萃取（如1,2-碳酸丙烯酯（PC））可降低毒性，但影响分子量；高压均质（HPH）带来增塑效应；天然深共晶溶剂（NADES）提供绿色替代方案，但需甲醇作为反溶剂；酶促和自溶菌株提取实现无溶剂过程。加工技术如溶剂浇铸、静电纺丝、热拉伸和退火可显著改善力学性能，例如热拉伸超高分子量PHB使断裂伸长率（?_b）从18%提升至257%，退火处理可对抗老化。共混与复合中，与聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等生物聚合物共混可调整性能，但需注意相容性；添加增塑剂（如柠檬酸三乙酯（TEC））降低玻璃化转变温度（T_g）并提高柔性；木质素和生物二氧化硅等填料可改善热稳定性和力学性能。物理/化学/酶促改性包括酶促酯化、自由基接枝和表面处理（如氧等离子体），但当前化学改性方法（如自由基接枝）通常使用大量有毒溶剂，原子经济性差，需发展更绿色的工艺。

4. Biochemical functionalisation/chemical modification approach
生化功能化与化学改性结合的策略可避免单一方法的缺点。通过向微生物供给结构相关底物，可原位生产带有反应性基团的PHA，例如带有烯烃末端的P(3HB-co-3-羟基-10-十一碳烯酸酯)（PHBU），随后通过硫醇-烯点击化学进行交联，使拉伸强度（TS）提高200%。另一例中，利用基因改造的Halomonas bluephagenesis生产带有乙烯基的PHA，再通过硫醇-烯点击反应接枝N-乙酰半胱氨酸，并螯合稀土金属，获得具有光致发光特性的材料。这些方法结合了生物合成的多样性和化学改性的精确性，但需优化反应条件以减少溶剂使用。

5. In-silico Design
计算机模拟设计部分强调聚合物信息学在加速PHA材料设计中的应用。定量结构-性质关系（QSPR）模型通过将聚合物化学结构转化为数值描述符（如SMILES字符串），训练机器学习（ML）算法来预测性质。例如，Barnett等利用ML筛选气体分离膜，合成了两种预测性能超过现有上限的聚合物。针对PHA，Choo开发了基于语言模型的生成模型，可设计含多种单体和不同微结构的PHA共聚物。Bejagem等建立了预测PHA熔点（T_m）的ML模型，训练集包含137种PHA，均方根误差（RMSE）为8.47°C。本研究还整理了一个包含500多个数据点的PHA性质数据集，绘制了热学和力学性质图谱，显示PHA的T_m和T_g范围较窄（-48至42°C和53至179°C），但力学性能范围宽广，如P4HB具有超高的TS和?_b。

6. Challenges and prospects
挑战与展望部分指出，生化改性策略相对成熟，但对微结构的影响研究不足，特别是补料策略对共聚物微结构的影响。回收和加工技术对材料性能的影响需进一步评估。化学改性方法需向绿色化发展，如等离子体处理和γ-辐照虽有潜力，但能耗高。共混时需解决相容性问题。生化功能化与点击化学的结合是强大工具，但研究较少。计算机模拟设计潜力巨大，但需要更多高质量实验数据，特别是标准化降解数据。PHA的降解性是其核心优势，但文献中降解数据可比性差，建议采用统一方法。

7. Conclusions
结论部分总结，尽管PHA是最早发现的生物降解聚合物之一，但大规模应用受限于经济成本和材料多样性不足。本综述通过对改性策略和结构-性质关系的系统分析，展示了PHA可通过工程化满足特定功能需求。理性开发应用驱动的PHA材料，结合集成工程和材料科学方法，对于弥合实验室创新与工业实施之间的差距至关重要。