絕對天然的「塑膠」－高耐熱聚乳酸材料

• 作者／王潔、許惠晴

• 作者簡介
  • 王潔／麻省理工學院材料工程學系博士，任教於清華大學化工系，研究領域為生物可降解高分子的開發與應用。
  • 許惠晴／清華大學化工碩士班畢業，現為塑膠生物分解相關領域研究助理。

• Take Home Message
  • 聚乳酸（PLA）為生物可分解塑膠，在高溫與高濕度的堆肥環境下 PLA 能被微生物分解並轉換成二氧化碳。
  • 目前臺灣並未將 PLA 的回收和堆肥機制立法，即使業者能回收、製作堆肥，也不能合法販售，無法使金錢流與物質流一同循環。
  • PLA 屬於塑膠回收分類的第七類，但臺灣民眾認識不足、政策與回收物末端處理也未做好準備，因此自今（2023）年8月起將禁用 PLA 免洗餐具。

在日常生活中購買商品時，常會看到商品標榜使用生物可分解塑膠（biodegradable plastics）作為盛裝容器，而聚乳酸（polylactide，PLA）則是許多人耳熟能詳的種類之一。自臺灣 2002 年實施限塑政策以來，PLA 逐漸被業者所採用，但在今（2023）年8月卻又將被政府修法禁用。

為什麼 PLA 過去能在塑膠市場中嶄露頭角？如今又為何被禁用？

來自可再生資源的PLA

雖然 PLA 的耐受溫度受限在 50℃ 以下，但它的外觀或材料強度，與日常可見的傳統塑膠如聚乙烯對苯二甲酸酯（polyethylene terephthalate，PET）、聚丙烯（polypropylene，PP）等十分相近。如果我們在生活中特別留意，可以發現生鮮托盤、雞蛋盒、冷飲杯、餐具等都可能是 PLA 製品。因此在拋棄時需要特別注意，將它與傳統塑膠區分開來，歸在塑膠回收分類的第七類（即其他類）。相較於傳統塑膠，PLA 除了號稱生物可分解之外，原料與製程也與傳統塑膠大有不同——PLA 的原料來自植物澱粉，例如玉米、馬鈴薯等，也就是所謂的生物基（biobased）。

澱粉經加熱或酵素分解成葡萄糖後，再藉由特定菌種的糖解（glycolysis）與發酵（fermentation）作用，成為聚合前的乳酸（lactic acid）單體，隨後再經由一連串加熱、脫水、聚合成為最終的高分子成品—— PLA。由於 PLA 的原料來自於可再生的植物資源，並非不可再生的石油，且植物在種植過程會吸收大氣中的二氧化碳，也能對溫室氣體的減量做出貢獻。因此在世界各國強調減碳的趨勢之下，PLA 確實是十分優秀的替代物。

可堆肥塑膠的生物分解過程

既然被稱為生物可分解塑膠，PLA 究竟如何被生物分解呢？PLA 屬於聚酯類（polyester），聚酯中的酯鍵較能被環境中的水分或生物水解酵素分解，可說是生物可分解塑膠類別裡的大宗。此外，在學術期刊中也能找到 PLA 藉由生物酵素、菌種或堆肥分解的資料。

不過在現實生活裡，處於「生物分解」過程中的塑膠會是什麼模樣呢？若以歐洲的可堆肥塑膠認證標準（EN 13432）為例，通過重金屬檢測的塑膠材料在「控制環境條件的堆肥」中存放三個月後，必須有90％ 崩解成小於兩毫米（mm）的碎塊；塑膠中 90％ 的有機質在六個月內能被轉換成二氧化碳；最後則是將此堆肥用於生物毒性測試，確認植物是否能於其中生長良好。

筆者團隊參考生物分解性試驗（ISO 14855-1 / ASTM D5338）的國際標準，透過控制環境條件的小型堆肥，實證 PLA 塑膠片的生物分解性（圖一）。在實驗中僅使用一般市售腐植質培養土作為資材，其中的菌類活躍程度應不如發酵中的堆肥，但依然能在兩個月內看見塑膠片碎裂、消失（圖二）。此外，含有PLA 塑膠片的堆肥相較於無添加 PLA 的堆肥，也被偵測到有較多的二氧化碳產出，透過計算可得出約有60％ 的 PLA 已被轉換成二氧化碳。然而，這些堆肥的「控制環境條件」特殊，溫度除了必須設定在50℃ 以上之外，還需要維持在高濕度。

PLA 堆肥實況與臺灣現況

如果在實驗室外、變動因素較多的環境下，PLA 塑膠也能如此順利地被分解嗎？對於這點，臺灣其實已有業者實做出 PLA 塑膠袋的回收與大型堆肥（圖三），並將熟成後的肥料實際用在自家農園中。然而這些堆肥其實也不僅是混合植物資材、動物糞便等有機質及 PLA 而已，堆肥中的各個資材種類需有特殊配比，才能讓堆肥在發酵至腐熟的過程中可以發熱至一定的高溫。此外，溫控設備需要將堆肥的溫度穩定控制在 60℃；還需要定期灑水與自動曝氣，幫助維持堆肥中微生物的生存條件。雖然號稱為生物可分解塑膠，但要讓 PLA 回歸大自然似乎不是件輕而易舉的事。

透過堆肥的方式使生物分解後繼續作為農用肥料，或是回收再製成二次塑膠，其實都是讓 PLA 留在物質循環裡的方式，也切中了近年來許多單位提倡的「循環經濟」（circular economy）。以現今的堆肥技術而言，PLA 堆肥已能夠穩定熟成並有所產出，在塑膠回收再製方面也有一定程度的技術，因此「效益」便是選擇做與不做的關鍵。

至今為止，臺灣對於制定可堆肥塑膠的相關政策仍未臻完善，並未立法建立回收機制讓 PLA 廢棄物能進入堆肥中。即使業者自行將塑膠獨立回收進行後續的堆肥處理，完成後的肥料也不能合法販售，無法形成完整的金錢流與物質流一同循環。

最後，PLA 在臺灣的普及度相較於傳統塑膠來說本來就不高，回收率又十分低迷：根據 2021 年環保署回收基管會的統計數據，PLA 在臺灣的回收率僅有5～6％。除了市場流通量小，再加上因為制度與民眾教育不足所導致的低回收率，使得 PLA 廢棄物的處理缺乏效益。沒有經濟誘因，何來循環？

歐盟政策推動塑膠永續的做法

歐洲對於塑膠永續的推動，在國際上可說是領先的角色。歐盟（European Union，EU）更是持續支持生物可分解塑膠或可堆肥塑膠的發展，並在去（2022）年11月底提出了《生物基、生物可分解與可堆肥塑膠政策框架》（EU policy framework on biobased, biodegradable and compostable plastics），聲明生物基、生物可分解與可堆肥塑膠在汙染議題中的目標、應用價值及適當的使用方式，進而引導往後的立法，以及永續的塑膠市場。

首先，以 PLA 的材料本質來說，它的原料來自於玉米、馬鈴薯等植物，雖然能夠減少消耗石油資源，但仍應當兼顧生態多樣性、土地與水源利用。畢竟種植經濟作物的同時，勢必得開發自然土地、占用部分水源，甚至不可避免地需要使用化學肥料或農藥，進而危害到原始生態系。另外，為了生產塑膠影響到糧食供應也可能是個隱憂，若能優先使用回收塑膠、有機廢棄物或副產物作為塑膠原料，將能夠降低為了生產 PLA 對生態系與糧食的影響。

歐盟的政策框架對於「生物可分解」塑膠的性質，則認為「廢棄物管理不周」的問題不應該以生物可分解塑膠作為解方。生物可分解塑膠常被應用在消耗快、難以資源循環、生命週期短的產品上，雖然容易被丟棄但仍有它的特定分解環境與分解時間需求。像是需要在高溫、高濕環境才能分解的 PLA 就是很貼切的實例，它需要搭配消費者正確的認知、使用與回收習慣，才不會和傳統塑膠一樣累積在環境中造成汙染。

總結來說，歐盟對於生物基、生物可分解與可堆肥塑膠的運用，希望以減量、再利用及回收，也就是「3R」（reduce、reuse、recycle）為優先原則，並達成資源循環、資源利用效率、氣候中和、零汙染、生態多樣性維持等永續目標。

PLA 的未來

雖然本意是為改善傳統塑膠汙染問題並因應限塑政策，但臺灣卻在立法、回收機制、廢棄物後端處理，以及民眾教育均尚未準備好的情況下就讓 PLA 進入市場。傳統塑膠回收分類中的六大類已經夠讓人眼花撩亂，再多一項 PLA 加入第七類，更會增加人們拋棄塑膠時的困擾。

也由於民眾尚未建立完整的回收概念、後端堆肥處理機制也未完善，導致 PLA 被使用後的去處如同沒被回收的傳統塑膠般，變成了垃圾；即使 PLA 被正確回收，也沒有廠商能二次使用或再製成堆肥。這兩項原因最終都可能讓 PLA 進入到焚化爐、掩埋場或流向大自然。

還有一種情形是民眾落實了塑膠回收，但卻將 PLA 與傳統塑膠歸在同一類，使 PLA 混入傳統塑膠的再製過程，影響了它二次塑膠的性質。美國知名速食業者在臺灣也曾以含有開口的 PLA 杯蓋取代傳統塑膠吸管的使用、冷飲杯與沙拉碗同樣使用 PLA 材質，但也因為察覺到消費者回收上的不便，以及質疑 PLA 的最終流向，令他們在 2020 年停用了 PLA 材質包裝。臺灣也終於要修法，即將於今年8月禁止使用生物可分解塑膠免洗餐具。

面對塑膠汙染議題，其實從來就不只是「塑膠材質是否為環境友善」單方面的責任。PLA 在來源以及生物可分解方面確實相較於傳統塑膠有它的優勢，但卻也需要使用者正確的觀念配合及政策支持才能完整達到環保的目的。最後，「塑膠減量與再利用」也是緩解塑膠汙染重要的一環。透過綠色塑膠材質與減量雙管齊下，才能讓塑膠發展平衡地邁向永續。

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 5 月號〉
• 科學月刊／在一個資訊不值錢的時代中，試圖緊握那知識餘溫外，也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

芋螺科（Conidae）──那些有著象形文字圖案、在十七世紀激起林布蘭靈感與貝殼瘋的錐形貝殼建造者，也打造了一座神經毒素軍火庫。牠們從八百多種化學物中汲取精準的劑量，捕捉獵物。

這些新化合物瞄準獵物身上的不同受體，讓全世界速度最慢的這種軟體生物，得以殺死速度最快的魚。芋螺也會部署毒素自我防衛，這就是為什麼牠們有時會攻擊那些撿拾或踩到牠們的人。

殺手芋螺（Conus geographus，又名地紋芋螺）的毒素，是目前已知的動物毒素中對人類最致命的。牠們有「香菸芋螺」（Cigarette Cone）的外號，據說是因為被牠螫到的受害者，在毒發身亡之前，還有時間可抽根菸──但實際上要花上好幾個小時才會死去。

芋螺的毒素，是毒也是藥

自然界的殺人武器也能用於治療。著名的案例之一，就是從芋螺毒素開發出來的一種名為含辛抗寧（ziconotide，商品名 Prialt）的慢性疼痛藥物，強度超過嗎啡一千倍，而且不會上癮。但這項藥物無法穿越血腦屏障（阻止血液中化合物侵入腦部的保護性屏障），它必須透過脊椎穿刺輸入，無法緩解因為嗎啡不再有效而處於極度疼痛狀態的某些癌症患者與愛滋患者。

霍福德深信，在海底、海岸或珊瑚礁的某個地方，在眾多有毒的海洋動物中，總有一種會攜帶可穿越血腦屏障的鎮痛性化學物質；在某些未知軟體動物的外殼下方，隱藏著一種鴉片類止痛藥的替代物。

目前，她正在繪製軟體動物基因組，尋找可製出該種藥物的芋螺毒組合，以及可治療癌症與其他疾病的配方。DNA 定序與分子親緣關係學都是比較容易的部分，但更大的挑戰是如何拯救動物多樣性，霍福德認為那才是改善所有生命的關鍵──在這個許多物種還來不及命名就消失的時代。

芋螺的毒素也能殺死人類！

目前所知第一位被「芋螺小魚叉」殺死的，是安汶東南方班達群島的一名女性奴隸，該島目前隸屬於印尼的摩鹿加省。一六○○年代初期，荷屬東印度公司以大屠殺手段奪取班達群島，荷蘭人將倖存者與附近島民當成奴隸，讓他們在肉豆蔻種植園工作。

博物學家倫菲爾斯在他的《安汶珍奇櫃》中，講述了其中一位的悲慘故事：「她只是將拉圍網時從海裡撿拾起來的小香螺拿在手上。她走在海灘上，突然感到手部微癢，癢感逐漸爬上手臂，穿過整個身體，然後當場就死了。」

倫菲爾斯的敘述是官方紀錄中的第一起。毒芋螺攻擊人事件共有一百四十多起，其中三十六起造成死亡。真實數字很可能遠高於此；在先前幾個世紀，大多數的死亡並未得到報導與紀錄。華盛頓大學無脊椎動物生物學家艾倫．科恩（Alan J. Kohn，他的姓氏﹝Kohn﹞與鑽研毒芋螺﹝cone﹞的生涯頗為合拍）六十幾年來一直保留著該份紀錄。

一九五○年代初唸研究所時，他在耶魯實驗室的水族箱中，第一次觀察到一隻細線芋螺（Striated Cone）用「顯然是非常強烈的一種神經毒素」麻痺了一條魚。往後的歲月裡，他持續研究芋螺令人印象深刻的演化與生態學。

帶有劇毒，卻也最具多樣性

芋螺演化出八百多個物種，使牠們在多樣性方面成為最成功的活軟體動物。科恩的研究有助於解釋，為何有這麼多近親可以在熱帶地區住得如此靠近（同一塊珊瑚礁上可高達三十六種不同物種），卻不會為了同樣的食物彼此競爭。

答案是，不同種的芋螺會製造各自的獨門毒素，瞄準不同的獵物。大多數芋螺都吃蠕蟲，有些也吃軟體動物，大約有一百種是食魚動物。有些獵魚者演化出用魚叉麻痺獵物，有些則是用世界上最美麗的漁網。

鬱金香芋螺悄悄貼近一條小魚，帶著流蘇般迷你觸手的嘴網翻騰滾動。這動物沒有牠的魚叉親戚那種戲劇性，只是輕輕將魚兒包入網中，釋出牠的麻痺毒素，並將那隻還來不及感受到自身命運的昏迷生物吸入體內。

親身試毒的海洋科學家

根據目前所知，只有獵魚為食的芋螺曾奪走過人命。科恩甚至認為，殺手芋螺很可能是唯一殺過人的。而目前已知唯一一位曾給自己注射芋螺毒素的人士想必也是如此認為，否則他就是有自殺傾向。

一九七○年代末，東京海洋科學家吉葉繁雄，從日本玳瑁芋螺（Thunderbolt Cone，學名 Conus fulmen）中提煉出牛奶白的生物毒素，將毒素注入不同的海洋生物、兩棲動物與哺乳動物體內。魚類抽搐而死；蛙類死前，銳角狀的後腳僵直不動；兔子失去行走能力，但一小時後恢復。吉葉也將小劑量注入自己前臂。

「沒出現神經性或功能性障礙，」他愉快地寫著。「只有局部發現諸如疼痛、發紅、缺血、水腫、搔癢等症狀，大約持續三天。」

——本文摘自《海之聲：貝殼與海洋的億萬年命運》，2022 年 11 月，臉譜出版，未經同意請勿轉載。

隱翅蟲是一群小型甲蟲的總稱；牠們以毒聞名，卻不見得都具有毒性。有些隱翅蟲會生產毒液儲存在身體裡，需要時噴射攻擊。毒液不只是嚇唬人的工具，像是跟螞蟻搶地盤這類場合，生化武器能發揮實在的優勢。

本文沒有真實隱翅蟲的圖像，閱讀時不用擔心。

隱翅蟲的毒液包含毒素和溶劑兩部分，有意思的是，兩者是獨立生產；溶劑本身沒有毒，毒素單獨存在也沒多少毒性。兩者極為依賴彼此，生產線卻是獨立運作，此一狀況是怎麼形成的？一項新研究投入大筆資源，便探討其演化過程。

「毒」加「液」才有毒液

這項研究探討的隱翅蟲叫作 Dalotia coriaria，為求簡化，本文之後稱之為「隱翅蟲」。它的毒素並非導致隱翅蟲皮膚炎的隱翅蟲素 (pederin) ，切莫混淆。

隱翅蟲的毒液發射器位於背上，體節的 A6、A7 之間，這兒有部分表皮細胞特化成儲存囊壁，並分泌脂肪酸衍生物作為溶劑。而毒素為配備苯環的化學物質 benzoquinone（苯醌），簡稱 BQ；另有一群細胞專門生產 BQ，再運送到儲存囊，和其中的脂肪酸衍生物混合後形成毒液。

生產毒素和溶劑的細胞，是兩類完全不一樣的細胞，各有不同的演化歷史。隱翅蟲的祖先，沒有毒素也沒有溶劑，兩者都可謂演化上的創新 (novelty) 。

論文將生產溶劑的細胞稱為「溶劑細胞」；分析成分得知溶劑總共有 4 種，是碳數介於 10 到 12 的脂肪酸衍生物。合成脂肪酸，本來就是各種生物的必備技能，但是溶劑細胞製作的脂肪酸衍生物，原料並非一般常見的脂肪酸。

脂肪酸的合成，都是以 2 個碳的基礎材料開始，作為類似 PCR 中引子 (primer) 的角色，然後由 FAS（全名 fatty acid synthase）這類酵素一次加上 2 個碳，2、4、6、8 碳一直加上去。人類的 FAS 通常會製作長度為 16 碳的棕櫚酸，昆蟲則會造出 14、16、18 碳的最終產物。

隱翅蟲的溶劑細胞中，脂肪酸衍生物只有 10 到 12 個碳，比 FAS 一般的產物更短。奇妙的是，這兒的脂肪酸並非由 14 或 16 個碳縮短而來，而是溶劑細胞內 FAS 的最終產物直接就是 12 個碳。

改造脂肪酸合成線路，製作溶劑

要闡明其中奧妙，必需先稍微認識昆蟲的脂肪酸合成系統。昆蟲有一群特殊的脂肪酸衍生物，稱為「表皮碳氫化合物（cuticular hydrocarbon，簡稱 CHC）」，具有防止水分散失、費洛蒙等作用。

表皮碳氫化合物多半由 oenocyte 所製造（類似人類的肝細胞），在 FAS 酵素催化形成 14 到 18 個碳長的脂肪酸以後，繼續由延長酶 (elongase) 增加長度，去飽和酶 (desaturase) 加上雙鍵，最後經過兩道尾端的還原手續，分別由 FAR（全名 fatty acyl-CoA reductase）和 CYP4G（全名 cytochrome p450 family 4 subfamily G）兩類酵素執行，產生通常介於 20 到 40 個碳長的產物。

隱翅蟲和其他昆蟲一樣，oenocyte 細胞內有完整的表皮碳氫化合物生產線，每一步驟的酵素一應俱全。比對可知，溶劑細胞內也有一條脂肪酸衍生物的產線，顯然是由表皮碳氫化合物的生產線改版而成。

隱翅蟲至少有 4 個 FAS 基因，3 個負責製作一般的脂肪酸和表皮碳氫化合物，只有一個特定的 FAS 參與溶劑生產，專職在溶劑細胞中大量表現，製造 12 碳的脂肪酸，最後也由 FAR 和 CYP4G 收尾形成衍生物。值得一提，已知產物長度為 12 碳的 FAS 酵素相當罕見。

溶劑細胞和表皮碳氫化合物的生產線，兩者都有 FAS、FAR、CYP4G 三類酵素，但是在溶劑細胞作用的三種酵素，都不管其他細胞的脂肪酸合成。除此之外，有時候還有另一種酵素 α-esterase 的參與。依靠這些專門在溶劑細胞工作的酵素們，隱翅蟲能生成 4 種溶劑。

演化上，隱翅蟲並沒有捨棄原本的脂肪酸生產線，整套都還存在；相對地，隱翅蟲在少數特定細胞新增一條產線，不影響原本的重要部門。這是隱翅蟲在遺傳和細胞層次的演化創新。

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改造粒線體代謝線路，生產毒素

類似的狀況，也在毒素生產線觀察到。隱翅蟲的毒素，也是由原本有重要功能的古老生產線，調整再改版而成。

論文將生產毒素的細胞稱為「BQ 細胞」，這部分沒有溶劑細胞了解的那麼詳盡，不過經由碳的穩定同位素追蹤，還是得知毒素原料來自食物中的氨基酸：酪胺酸 (tyrosine) ，經過一系列加工後形成 BQ。

這條生產線上有個關鍵酵素叫作 laccase，它一般的功能是參與 Coenzyme Q10，也就是 ubiquinone 的合成。這是粒線體有氧代謝中的重要成分，對生存不可或缺。和其他甲蟲相比，隱翅蟲多出一個 laccase 酵素，專門在 BQ 細胞表現，將 HQ (hydroquinone) 催化成 BQ 作為毒素。

由此看來，隱翅蟲祖先演化出溶劑和毒素的道理是一樣的。

溶劑方面，以舊的表皮碳氫化合物生產線為基底，改用多個新酵素基因，形成新的生產線。毒素方面，源自古老的粒線體代謝線路，同樣加入新的酵素基因，改版後變成毒素產線。兩者各自皆為遺傳與細胞層次的新玩意，合在一起則衍生出功能上的演化創新。

組合新功能，一步一步累積有利變異

這項研究有許多潛在的討論方向，有興趣的讀者可以自行鑽研。像是生物學研究者能估計所有實驗耗資多少，感受自己的微渺（例如為了分辨不同細胞的作用，論文使用大量昂貴的「單細胞轉錄組 single cell transcriptome」進行分析）。這邊只提兩點。

第一點有趣的問題是：隱翅蟲的溶劑和毒素要同時存在才有效果，可是演化上是哪個先出現呢？論文推測是溶劑細胞先出現。

假如只有 BQ 這類毒素存在，殺傷效果非常差（論文用果蠅幼蟲做實驗），但是溶劑細胞的產物，即使不作為 BQ 的溶劑，脂肪酸衍生物也可以有其他用途，像是潤滑油之類的，或是扮演別種物質的溶劑。

想來新的脂肪酸生產線比較可能先出現，扮演某些不是太重要的角色，接著再加入 BQ；毒素加上溶劑，兩者合體產生新的強大功能，脂肪酸生產線又由於獲得新功能而調整優化，最終形成現在的樣貌。

第二點有趣的是，這回發現產物為 12 碳的 FAS 酵素。乍看沒什麼，影響卻很關鍵。

FAS 這類酵素的差異，在於催化生成的脂肪酸最終產物有幾個碳（或是說，可以加到幾個碳那麼長）；已知幾乎皆為 14、16、18 個碳，隱翅蟲的溶劑細胞表現的 FAS 卻是 12 個碳。好像只差一點，然而實際測試發現，脂肪酸衍生物超過 13 個碳，作為 BQ 溶劑的效果便會差一大截。

也就是說，隱翅蟲倘若沒有脂肪酸產物僅 12 碳長的 FAS，儘管仍然可以生成溶劑，毒性將弱化不少。由此推想，隱翅蟲如今威力強大的毒液，並非透過少數變化一次到位，而是逐漸累積有利變異的結果。

想得更遠一點，由兩種細胞合作衍生而成的毒液，可以視為由多種細胞合夥，複雜器官的最簡單版本。原本不相關的各式細胞們，持續累積一個一個微小的改變，也有機會組合發展成複雜的組織或器官。

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參考資料

1. Evolutionary assembly of cooperating cell types in an animal chemical defense system.
2. A beetle chemical defense gland offers clues about how complex organs evolve

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。