一次性塑料有替代方案嗎？科學家利用大豆分離蛋白製造「純素蜘蛛絲」聚合物薄膜

劍橋大學化學系，透過模仿蜘蛛絲的特性，以大豆分離蛋白製造出製造聚合物薄膜，以有如「純素蜘蛛絲」的結構來取代一次性塑料，以解決目前的塑料汙染。

撰文＝編輯部

塑料的使用為人類帶來便利的生活，但因為塑料由單體聚合成堅固且複雜的結構，因此難以被自然分解，長年以來產生難以回收處理的大量塑料廢棄物。

2018年聯合國環境署負責人Erik Solheim表示：「從一次性塑料轉向可持續替代品是對我們環境未來的長期投資。」因此產業持續研發可降解塑料，用以替代一次性塑料，以避免製造更多的塑料廢棄物。

而根據Nature Communications期刊2021年6月10日發布的最新研究，團隊仿造蜘蛛絲結構，以大豆分離蛋白作成彷彿「純素蜘蛛絲」的聚合物薄膜，或許可以用來取代一次性塑料。

如何找到能取代一次性塑料的物質？大自然存在的蛋白質是可能解方

一次性塑料是多個單體聚集結合而成的，要取代一次性塑料就得要尋找同為多個單體聚集結合成的可替代類似物質，而大自然中就有大量存在的聚合物，例如蛋白質。

而蛋白質有更特殊的性質——自組裝（self-assembly），就像是自動化一樣，不需要依靠人力（外界力量）就能夠自己組成有序的結構。與一次性塑料相比，蛋白質自組裝不像塑料製成需要靠交聯劑才能維持其堅固結構，且一次性塑料添加的交聯劑通常為不可持續性的，有些甚至有毒，即便能形成更穩固的結構，但對於環境較有害，所以以蛋白質取代一次性塑料是對環境更友善的選擇。

自組裝（self-assembly），意指在沒有外力介入的情況下，蛋白質即可藉由自身產生化學鍵結或是互相吸引、排斥，形成有組織的結構。

蜘蛛絲具有蛋白質自組裝特性

而劍橋大學化學系Tuomas Knowles教授一直以來都在研究蛋白質與人類健康、疾病的關係，偶然發現蜘蛛絲能維持堅固結構的原因之一，來自「氫鍵」，讓蜘蛛絲可在空間中形成高密度的規則排列。

蜘蛛絲主要成分為蛋白質，除了具有自組裝的特性外，根據 Springer期刊2012年2月11日的資料顯示，蜘蛛絲中的蛋白質二級結構β摺板排列緊密，而β摺板之間有許多氫鍵，即使氫鍵的鍵能較一般化學鍵結（離子鍵、金屬鍵、共價鍵）弱，仍可以維持蜘蛛絲的強度。

考量成本、產量、純化步驟，將蜘蛛絲結構應用到大豆分離蛋白上

現今的蛋白質自組裝主要來自蠶絲、β乳球蛋白等天然動物性蛋白質。然而，天然動物性蛋白質在低產量且需要繁複的純化步驟之下，每公斤生產成本大於100美元；而相同具有自組裝功能的植物性蛋白質——大豆分離蛋白，可由大豆油的食品副產物中獲取，成本約為每公斤3.5～4.6美元，可大幅下降成本並解決產量太少的問題。

植物性蛋白難控制自組排列？醋酸＋水＋超聲波＋高溫可解決！

不過，雖然植物性蛋白質具生物降解性，代表自然界的微生物可將蛋白質分解，所以對環境的影響低，可取代對環境影響較大的塑料製品，但植物性蛋白質大多難溶於水，難以控制使其自組排列成有序的結構。

因此劍橋大學研究從蜘蛛絲的結構來發想，使用醋酸和水，結合超聲波和高溫，可以提高大豆分離蛋白的水溶性，且利用氫鍵增強分子間的相互作用力以穩定結構後，再去除醋酸與水，成功製成類似聚乙烯塑膠袋的薄膜。

可安全降解的商業化產品已在開發中

在劍橋大學研究團隊發明出這種「素蜘蛛絲」的聚合物薄膜後，Xampla公司隨之將此實驗結果進行商業化，開發出一次性塑膠的替代品，開發結果發現其產品可在自然環境中安全降解，不會像一次性塑料造成大量廢棄物，可望解決一次性塑料帶來的汙染，此研究與開發成果相當令人振奮，也期待未來能有更廣大的運用。

審稿編輯：林玉婷、謝承學、李依文