Biosynthesis of Poly(3-Hydroxybutyrate-co‑3-Hydroxyhexanoate) with a High 3-Hydroxyhexanoate Fraction and Low Molecular Weight for Polymer Blending

Abstract

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are aliphatic polyesters that are biosynthesized and accumulate in bacterial cells. Among PHAs, poly(3-hydroxybutyrate-co‑3-hydroxyhexanoate)s [P(3HB‑co‑3HHx)s] are known to be practical PHA copolymers with an appropriate degree of flexibility. In the biosynthesis of PHA, ethanol induces chain transfer (CT) reaction, resulting in the biosynthesis of low-molecular-weight PHA. In this study, P(3HB‑co‑3HHx)s were biosynthesized using recombinant Escherichia coli by feeding fatty acid(s) and ethanol as the 3HHx precursor and CT agent, respectively, to obtain polymers with high 3HHx fractions and low molecular weights. Two biosynthesized P(3HB‑co‑3HHx)s, whose 3HHx fractions were 49 and 86 mol% and weight average molecular weights were 1.5×104 and 2.8×104, respectively, were blended with P(3HB‑co‑5 mol% 3HHx) (PHBH5) as the base material. The blending properties were investigated to explore how the thermal properties can be modified. Thermal analysis by differential scanning calorimetry (DSC) showed that blends prepared by solution casting were obviously immiscible when 30 wt.% or more of biosynthesized polymer was added, even if its molecular weight was low. In the blended polymers, a lower crystallization effect compared to neat PHBH5 was observed without changing the melting temperature. However, crystallization was promoted in the blended material under specific blending conditions. Thus, blending is a simple method for producing polymer materials with altered thermal and microstructural properties

Полигидроксиалканоаты (ПГА) представляют собой алифатические полиэфиры, которые синтезируются и накапливаются в бактериальных клетках. Среди множества ПГА большой интерес представляет сополимер поли(3-гидроксибутират-со‑3- гидроксигексаноат) [П(3ГБ‑co‑3ГГ)], характеризующийся высокой эластичностью. В реакциях биосинтеза ПГА этанол индуцирует реакцию переноса цепи, в результате чего происходит биосинтез низкомолекулярных П ГА. В этом исследовании д ля получения ни зкомолекулярного сополимера П(3ГБ‑co‑3ГГ) с высоким содержанием мономеров 3ГГ рекомбинантный штамм Escherichia coli культивировали с подачей в среду жирных кислот и этанола в качестве предшественников мономеров 3ГГ и агента переноса цепи соответственно. Получены два образца П(3ГБ‑co‑3ГГ) с содержанием мономеров 3ГГ 49 и 86 мол.% и средневесовой молекулярной массой 1,5 × 104 и 2,8 × 104 соответственно. Были исследованы термические свойства смесей полученных сополимеров с П(3ГБ‑co‑5 мол.% 3ГГ) (PHBH5). Термический анализ с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии показал, что смеси, приготовленные литьем из раствора, очевидно, были несмешиваемыми при добавлении биосинтезированного полимера 30 мас.% или более, даже при его низкой молекулярной массе. В смешанных полимерах наблюдался более низкий эффект кристаллизации по сравнению с чистым PHBH5 без изменения температуры плавления. Однако некоторые условия смешивания способствовали ускорению кристаллизации смешанного материала. Таким образом, смешивание представляет собой простой метод получения полимерных материалов с измененными термическими и микроструктурными свойствами