综述：酶工程中平衡刚性与柔性以实现酯基塑料和增塑剂绿色回收：综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Balancing rigidity and flexibility in enzyme engineering for green recycling of ester-based plastics and plasticizers: A review

　　

## 摘要

酶催化解聚为酯基塑料单体回收提供了一条绿色途径，而酶催化水解则是实现酯基增塑剂生物修复和解毒的有效策略。然而，其工业化应用受到酶热稳定性差的严重限制。这一局限本质上源于结构刚性（赋予构象稳定性）与催化柔性（实现底物接近和催化活性口袋动态变化）之间微妙平衡的破坏。因此，通过蛋白质工程实现最佳的刚性-柔性平衡，是开发可扩展酶法回收工艺的核心挑战。本综述分析了酯基塑料和增塑剂的结构特征和环境风险，总结了回收技术，并探讨了酶热不稳定性的结构根源。评估了包括理性设计、定向进化、机器学习辅助工程和固定化在内的先进策略，揭示出一个共同目标：优化刚性与柔性的权衡。以"刚性-柔性整合"为指导，提出了一个从酶本身稳定化到微环境增强的多层次框架，并强调了智能设计作为预测性性质调控的关键方向。在该框架中，刚性在定量上与原子波动减少和熔融温度升高相关联，而柔性则与环区流动性、构象异质性和催化动态相关性相关联。最佳平衡表现为熔融温度（Tm）的同时升高以及kcat/Km值的保持或增强。最后，我们提出了综合技术路径，聚焦于多学科创新、工艺集成和可持续性评估，以推动可回收酶系统的开发，从而支持循环经济塑料经济的发展。

## 引言

塑料的广泛使用，尤其是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚乳酸（PLA）等酯基聚合物的使用，已引发严重且持久的环境污染。在已生产的约120亿吨塑料中，近85%已堆积在垃圾填埋场或以不受控制的垃圾形式进入自然生态系统[1]，[2]。随着时间推移，这些材料会碎裂为微塑料和纳塑料，并经历长距离的大气传输和海洋传输[3]，[4]，[5]。因此，它们在人体组织中被越来越频繁地检测到，包括血液、胎盘和肺部[6]，[7]，[8]，引发了迫切的公众健康关注（图1A）。然而，塑料很少是纯净的聚合物。增塑剂，尤其是邻苯二甲酸酯类（PAEs），是改善柔韧性最广泛使用的添加剂。与聚合物主链内的共价键不同，这些增塑剂与聚合物基质之间的键是非共价的，导致它们从塑料中持续泄漏到环境中（图1B）。作为内分泌干扰物，PAEs已在流行病学上与生殖毒性、代谢紊乱和心血管疾病相关联[9]，[10]，[11]，凸显了有效修复策略的迫切需要。

目前，传统的塑料废弃物处理方法，如焚烧和填埋，受到土地资源大量消耗和时间的限制，并产生重金属飞灰和二噁英等高度有毒物质。相比之下，酶法解聚凭借其独特优势已成为一种有前景的替代方案，包括立体选择性、区域选择性、副产物最少、高催化活性（通过酶工程，kcat/Km值可与野生型酶相比提高数倍至十倍有余），以及温和的反应条件（通常为30-60℃，pH 6.0-9.0，常压，在数小时至数天内实现完全解聚）[12]，[13]。该过程依赖于水解酶将聚合物链解聚为可重复使用的塑料单体，或将增塑剂水解为毒性较低的产品以实现生物修复[14]。

与因惰性碳-碳主链而抵抗酶法解聚的聚烯烃不同，酯基塑料和增塑剂含有可水解的酯键，使其本质上易于生物降解，是酶法回收的理想目标[16]，[17]。在酯基塑料的酶法解聚和酯基增塑剂的水解方面已取得显著进展。例如，来自Ideonella sakaiensis的PETase及其工程变体实现了PET的高效解聚[18]。此外，已证明多种酯酶可将PAEs增塑剂降解为邻苯二甲酸和相应的醇[19]。

尽管酶法回收具有巨大潜力，但其工业化应用仍受到大多数天然酶热稳定性差的严重限制。工业加工通常需要酶在高温（65-70℃或更高）下保持活性，以有效作用于聚合物底物并避免快速热失活[20]。热稳定性直接决定了酶的操作半衰期；更刚性的酶抵抗热诱导的展开，延长催化持续时间并降低工艺成本[21]。相反，高温增强了疏水性塑料和增塑剂的扩散速率，降低了介质粘度，促进了传质，这反过来要求酶保持足够的功能动态以实现高效的底物结合和催化[22]。因此，核心挑战不仅仅是增加刚性，而是实现"刚性-柔性平衡"——一种整体分子结构在热扰动下保持稳定，同时保持对催化必要的局部动态的状态。这是适应工业高温环境的必然要求，也是实现高效、连续且具有经济可行性的酶法回收工艺的核心突破（图2）。

尽管已有众多工程策略追求这种平衡，但之前的综述在很大程度上侧重于列举刚性增强的成功案例，而未明确将动态柔性指标或底物依赖的催化需求整合到统一框架中。我们的框架在这一常规方法上有所区别，体现在两个关键方面。首先，我们使用明确的、可量化的生物物理描述符来操作性地定义刚性和柔性。刚性与原子波动的减少（例如，分子动力学（MD）模拟中较低的平均方偏差/均方根波动值）和熔融温度的升高相关联，而柔性与环区流动性和催化动态相关网络相关联，最佳平衡表现为熔融温度（Tm）的同时升高以及kcat/Km值的保持或增强。这些参数为区分结构稳定化与功能动态提供了定量基础。其次，我们认识到最佳平衡点是底物依赖和条件依赖的。PET水解酶通常受益于增强的整体刚性，同时保持局部环动态以实现渐进性降解，而PAEs水解酶通常需要更高的构象适应性，这在生理条件下表现为底物结合环中较高的均方根波动，以适应不同的烷基链底物[23]，[24]。

在确立这一整合框架后，本综述按如下结构展开（图2）。首先，我们批判性地分析了传统的塑料和增塑剂回收方法，以阐明酶法解聚的独特优势，并确定基于酶的过程必须克服的具体瓶颈。然后，我们概述了酯基塑料和增塑剂的结构特征及其水解酶的催化机制。从刚性-柔性平衡的角度出发，我们系统评估了旨在通过蛋白质工程、固定化技术和预处理工艺提高酶稳定性的策略和案例研究。最后，我们在多策略协同下讨论了潜在的突破和未来方向，旨在为开发高效、稳定且具有经济可行性的酶法塑料回收工艺提供新的理论见解和系统性的技术路线图。

## 各章节片段

### 塑料和增塑剂的回收：传统策略与酶法机遇

塑料和增塑剂的广泛应用通过分散和生物积累导致了持久的环境污染，造成了重大的生态和公众健康担忧[25]，[26]。为此，近年来已制定了多种管理策略[27]。其中，回收作为一种可持续的替代方案，与填埋和焚烧等传统处置途径相比，主要通过防止二次污染物的产生而具有优势[28]。

### 酯基塑料的主要结构特征

酯基塑料是通过羧酸和醇的缩聚反应形成的合成高分子材料，其分子链中含有酯键结构。它们兼具优异的机械性能、加工性能和一定的生物降解潜力，在包装、纺织、工程塑料等领域占据重要地位。基于单体组成和聚合方法的差异，它们主要分为……

### 提高酶热稳定性的策略：从分子工程到过程强化

酶催化在塑料和增塑剂回收中展现出巨大的前景。然而，这些生物催化过程的工业化实施受到大多数天然酶本质热不稳定性差的严重限制。其最适活性在中等温度下（例如~37℃），与工业生物加工所需的高温形成鲜明对比，导致快速的热失活[136]。这种热诱导的失活源于……

### 设计酯基塑料和增塑剂的整合降解途径

酶催化降解为酯基塑料和增塑剂的可持续回收提供了一条有前景的科学途径。然而，其向工业化应用的转变仍受到若干瓶颈的限制，包括酶的热不稳定性、系统整体效率和成本效益。突破这些局限需要一种转变，从优化孤立技术转向建立多层次、跨学科的框架，从而……

### 结论与未来展望

酯基塑料与邻苯二甲酸酯类增塑剂在商业产品中的普遍共配，加上后者通过非共价泄漏从聚合物基质中持续释放到环境中，使得碎片化的修复策略不足以中断这种耦合污染级联。因此，建立能够同时进行塑料解聚和增塑剂解毒的整合酶系统已成为迫切的必要性，以……

## 利益冲突声明

作者声明，他们不知道任何可能影响本手稿所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

## CRediT作者贡献声明

徐友强：撰写——评审与编辑，软件，调查，资金获取，正式分析，数据整理，概念化。张心悦：撰写——初稿，正式分析，数据整理。冯春：撰写——评审与编辑。黄智国：撰写——评审与编辑，软件，数据整理。黄明泉：撰写——初稿。刘洋：撰写——评审与编辑。赵国平：正式分析。孙英：正式分析。魏春辉：正式分析，数据整理。

## 致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号32572513）和北京工商大学食品风味与健康交叉创新开放项目（FFHCI-2026049）的支持。

## 作者信息

张心悦 | 赖静辉 | 魏春辉 | 陈柯 | 赵国平 | 孙英 | 黄明泉 | 刘洋 | 冯春 | 黄智国 | 徐友强

教育部老年营养与健康重点实验室（北京工商大学），北京100048，中国