玉米的“变身”

刘琪 何文清

相信很多人都喜欢吃玉米，其实，不仅我们人类爱吃，很多动物也把它当作美食。但你知道吗？除了作为粮食和饲料，玉米还是重要的工业原料，常被用来加工成玉米淀粉、玉米胚芽油、无水乙醇等，具有极其丰富的用途。更为神奇的是，利用科学“魔法”，我们还可以把它变成塑料呢！

无处不在的塑料污染

生活中，我们会不可避免地使用到塑料制品，它给我们带来诸多便利。但是，各种包装袋、购物袋、塑料餐具、饮料瓶、农用地膜、医疗用品等一次性的塑料制品，如果在使用后没有得到妥善回收和处置，就会对人类和动物的生存环境构成巨大的威胁。

如今，珠穆朗玛峰、马里亚纳海沟、南极海域等地，都发现了塑料垃圾的踪迹，无处不在的塑料污染正严重威胁地球的生态环境。

近年来，随着科学技术的进步、环境管理和人们环保意识的增强，许多国家和地区逐步推出“限塑令”，生物降解塑料的研究和应用也随之得到长足发展。

在众多生物降解塑料中，聚乳酸（PLA）因具有良好的生物安全性、相容性，可以全生物降解，易于加工且价格适中，在过去近20年中成为研究和应用最广泛的生物降解塑料之一。这也给了玉米“大展拳脚”的机会。

玉米如何变成聚乳酸

科研人员是如何给玉米“施展魔法”，让玉米变成聚乳酸的呢？其实，聚乳酸是以玉米提取的淀粉为最初原料，经过酶水解等途径得到葡萄糖，再加入乳酸菌发酵后变成乳酸，最后经过化学合成得到的。

聚乳酸是由单个的乳酸经过一系列化学过程聚合而成的，这个过程就像是成百上千的小朋友在较短时间内手拉手连起来一样。

其实，用于合成聚乳酸的乳酸来源十分广泛，除了可以用玉米提取出的淀粉，还可以用木薯、甘蔗、甜菜提取的糖以及甘蔗渣、甜菜粕和秸秆等提取的纤维素为原料，经过发酵、脱水等过程获得。

玉米变成聚乳酸的过程

由于发酵得到的乳酸中常含有微量甲酸、乙酸、乙醇或富马酸等杂质，它们就像是紧抱双臂拒绝拉手的“小淘气包”一样，会造成聚合反应的终止。因此，往往需要进行纯化去除这些副产物，才能完成聚乳酸的生产。

化学合成聚乳酸困难重重

那么，我们可不可以用化学合成的方法获得乳酸，再生产聚乳酸呢？答案是很难。

 无处不在的塑料污染正严重威胁地球的生态环境（概念图）

這里需要介绍一下手性化合物，它是指一对分子量、分子结构相同，但分子排列呈镜像对称的化合物，属于立体异构。一对手性化合物就像是镜子内外的物品，亦如人的左右手，从大拇指到小拇指的次序相同，但左手是从左向右，右手则是从右向左，左右对称。乳酸是自然界中最小的手性分子，包括左旋型L-乳酸和右旋型D-乳酸。

聚乳酸形成示意图

若想得到聚乳酸，通常要求

L-乳酸的占比要大于96%，即D-乳酸含量要小于4%。然而，化学合成的乳酸往往只能得到两者比例为1∶1的混合物，因此很难通过化学合成获得生产聚乳酸所需要的乳酸原料。由此，玉米等天然生物质就成为获得高L-乳酸的主要原料来源。

玉米通过光合作用，利用太阳光能将二氧化碳和水合成淀粉，玉米淀粉经过前面我们提到的一系列过程变成聚乳酸，再经过塑料加工过程获得聚乳酸制品，在其使用后通过堆肥等过程最终变回二氧化碳和水。

 左旋型L-乳酸和右旋型D-乳酸示意图

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聚乳酸那些你意想不到的用途

目前，聚乳酸常用于包装袋、购物袋、农用生物降解地膜、纺织纤维和一次性餐具等物品的生产。除了日常的一次性塑料制品，聚乳酸还有很多“高端”用途。在生物医学工程上，可用作手术缝合线、骨钉和骨板等，这些材料可以缓慢水解为乳酸而被身体代谢掉，免去拆线和二次手术的麻烦与风险。此外，聚乳酸还可以用于生产形状记忆聚合物、3D打印材料、汽车配件、电子产品、建筑材料、美容整形产品等。

聚乳酸产品废弃物处理方式有多种，包括堆肥、自然分解、焚化处理等，也可以再生利用，还可以转化为丙交酯、丙氨酸进行高值化利用。

聚乳酸是有利于实现碳达峰、碳中和目标的环保材料。从全生命周期角度看，在当今全球变暖的大背景下，合理利用聚乳酸是减少资源消耗和温室气体排放的一种有效途径，也是符合中国“双碳”目标的一项举措！