本研究由Kousuke Tsuchiya（东京大学工学系研究科化学与生物技术系）、Hiroyasu Masunaga（日本同步辐射研究所）和Keiji Numata（京都大学工学系研究科材料化学系及理化学研究所可持续资源科学中心生物高分子研究组）共同完成，发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering期刊2025年第13卷，第3994至4004页。该研究聚焦于半芳香族聚酰胺的化学酶法聚合与解聚，旨在实现温和条件下的化学回收，为高性能聚酰胺材料的可持续循环利用提供新途径。

聚酰胺材料因其优异的力学性能和热稳定性而被广泛应用，但传统聚酰胺中的酰胺键化学性质稳定，难以在温和条件下选择性降解为单体。现有化学回收方法多依赖高温热解聚，能耗高且易产生副反应；而酶促降解虽能在常温下断裂酰胺键，但此前仅限于脂肪族聚酰胺，芳香族聚酰胺的酶促解聚鲜有报道。本研究设计了一类含4-氨基-3-羟基苯甲酸（AHB）单元的半芳香族聚酰胺，利用木瓜蛋白酶（papain）催化三肽酯单体在水相中聚合，再以蛋白酶K（proteinase K）实现序列选择性解聚，从而构建了一个完整的“聚合—解聚—再聚合”化学循环体系。

在实验流程方面，研究首先合成了六种含AHB的三肽酯单体，序列分别为GlyAHBGly、GlyAHBAla、AlaAHBGly、AlaAHBAla、GlyAHBSer和SerAHBGly。以GlyAHBGly为模型底物对聚合条件进行优化，发现磷酸盐缓冲液中无聚合产物生成，而碳酸盐缓冲液和Tris缓冲液均能促进聚合，其中Tris缓冲液（pH 9）在40°C反应4小时时产率最高，达到93.0%±5.6%。无酶对照实验无沉淀生成，证明聚合确由酶催化。蛋白酶筛选结果表明，木瓜蛋白酶和菠萝蛋白酶（bromelain）均能催化聚合，而胰蛋白酶（trypsin）、α-糜蛋白酶（α-chymotrypsin）、蛋白酶K及脂肪酶CALB均无聚合活性。在最优条件下，AlaAHBGly和SerAHBGly也成功聚合，产率分别为89.3%±6.7%和46.7%±9.1%，而C端非甘氨酸的单体（GlyAHBAla、AlaAHBAla、GlyAHBSer）均未获得目标聚酰胺。通过MALDI-TOF质谱和¹H NMR光谱确认了三种聚酰胺具有严格的周期性序列结构，其数均分子量（Mn）分别为8500、14900和14500，多分散指数（PDI）在1.31至1.47之间。对比热缩聚产物发现，酶法聚合产物序列规整、无明显缺陷结构（如环化或氨基酸缺失），而热缩聚产物存在多种副反应且分子量较低。

在聚酰胺的结构表征中，广角X射线衍射（WAXD）分析揭示了序列对结晶行为的显著影响。聚(GlyAHBGly)和聚(AlaAHBGly)的衍射图谱呈现类似聚丙氨酸β-折叠结构的特征峰，其中聚(GlyAHBGly)的晶面间距d值分别为5.4、4.8、4.2和3.7 Å，与聚丙氨酸β-折叠的典型d值（5.3、4.4、4.1和3.7 Å）接近。AHB单元上的额外羟基可能通过氢键诱导了β-折叠状结构的形成，即使对于富含甘氨酸的序列也是如此。聚(SerAHBGly)的衍射峰明显宽化，表明其更趋向无定形态，这归因于丝氨酸侧链的羟甲基阻碍了分子链的紧密堆积。此外，间位异构体聚(GlyAHBmGly)呈现完全无定形特征，说明芳香环连接方式对结晶性也有重要影响。热重分析显示聚(GlyAHBGly)在200°C以下具有良好热稳定性。

酶促降解实验中，三种聚酰胺均在pH 10的碱性水溶液中完全溶解，随后分别用木瓜蛋白酶、胰蛋白酶和蛋白酶K处理。GPC分析显示，聚(GlyAHBGly)经三种酶处理后峰均向低分子量方向略有偏移且峰形变宽，说明发生了非特异性降解但未获得单一产物。聚(AlaAHBGly)经蛋白酶K处理后出现一个与单体保留时间几乎一致的尖锐单峰，表明发生了选择性解聚；而木瓜蛋白酶和胰蛋白酶仅导致轻微峰移和峰宽化。聚(SerAHBGly)同样仅在蛋白酶K作用下解聚为单体。碱性对照实验证实，无酶条件下聚酰胺无明显降解，证明解聚确为酶促反应。¹H NMR分析进一步确认，聚(AlaAHBGly)和聚(SerAHBGly)的降解产物分别为C端羧酸形式的AlaAHBGly和SerAHBGly单体，仅含少量末端乙酯基残留。GPC定量分析显示单体转化率分别为93.3%±4.9%和79.3%±2.9%。这些羧酸末端单体经乙醇回流酯化后可定量转化为原乙酯单体，并能再次被木瓜蛋白酶聚合，证明了化学循环的可行性。固态降解实验表明，聚(SerAHBGly)粉末在蛋白酶K溶液中仅发生表面部分降解，而薄膜形式则几乎不降解，说明解聚需要在分子链可运动的溶液态下进行。

海水生物降解性通过生化需氧量（BOD）测试评估。三种聚酰胺膜在30天内生物降解率仅约5%，这归因于其在海水中的极低溶解度。而六种AHB单体因可溶于海水，30天内的生物降解率在20%至40%之间，表现出序列依赖性的中等降解能力。这一结果说明该类聚酰胺在常规使用条件下具有足够的环境稳定性，但若以小颗粒或溶解态进入海洋环境则可逐渐降解。

本研究的核心结论是：通过合理设计含芳香族单元的三肽酯单体，可利用木瓜蛋白酶在水相中高效合成具有严格周期性序列的半芳香族聚酰胺；通过选择底物特异性不同的蛋白酶K，可实现该类聚酰胺的序列选择性解聚为单体，再经简单酯化后重新聚合，构成完整的化学回收循环。该方法的科学价值在于首次证明了芳香族聚酰胺可以在温和酶促条件下实现选择性解聚，突破了此前酶促降解仅限于脂肪族聚酰胺的限制；同时揭示了酶对含非天然芳香族单元序列的差异识别是聚合与解聚选择性的关键因素。在应用层面，该策略为高性能聚酰胺材料的绿色合成与化学回收提供了新思路，有望推动下一代可持续工程塑料的发展。

本研究的亮点体现在三个方面：其一，利用化学酶法成功将非天然芳香族单元引入聚酰胺主链，并保持了严格的周期性序列，避免了热缩聚中常见的副反应；其二，实现了同一类型聚酰胺在不同蛋白酶作用下的聚合与解聚选择性切换，这种“酶—序列”匹配策略为设计可回收聚酰胺提供了通用原则；其三，通过溶液态与固态降解行为的对比，明确了分子链运动性对酶促解聚效率的关键影响，为实际回收工艺条件的选择提供了依据。