吳意珣 / 成功大學化學工程系
生質尼龍是一種具有發展潛力的環保再生合成纖維。近幾年利用微生物發酵法生產生質尼龍取代傳統石化製程得到了廣泛的關注，因其性質與傳統化學合成之尼龍相似，且具有生物分解及生物相容等特性，廣泛應用於服裝、汽車、醫療等多個領域。在服裝行業，生質尼龍因其可持續性和低環境影響而受到青睞，許多知名品牌已開始使用生質尼龍製作運動服裝、內衣和外套。在汽車行業，由於其輕質和耐熱性，生質尼龍被用於製造汽車內部組件，如儀表板和門板，以減輕車輛重量和提高燃油效率。此外生質尼龍也展現在醫療領域的潛力，用於製造可分解的縫合線和一次性醫療材料中。
一、生質尼龍的關鍵化學單體
尼龍是一種高分子化合物，通過將二元胺與二元酸進行聚合反應製成。主要使用的二元胺包括四到六碳鏈長的化合物，例如丁二胺、戊二胺和己二胺；而二元酸則範圍更廣，從四碳到十二碳不等，如琥珀酸、己二酸、癸二酸至月桂二酸。以下將介紹生物質來源的單體原料。
1. 四碳鏈長二元胺化合物：丁二胺
丁二胺(Diaminobutane)，也稱為腐胺(Putrescine)，最早在生物體或腐爛的生物中被發現，具有臭味。傳統化學工程方法是先將氰化氫與丙烯腈反應生成丁二腈，然後通過碳酸鈉中和，再利用吡咯與鹽酸羥胺在高溫下反應生成丁二肟，最後在鈉汞(NaHg)作用下，通過加熱無水乙醇進行還原製備出丁二胺。相較之下，生物法則是利用兩種不同的胺基酸，通過鳥胺酸代謝途徑(ODC Pathway)只需經過基因工程過量表達鳥胺酸脫羧酶(SpeC)，或者通過精氨酸代謝途徑(ADC Pathway)表達精氨酸脫羧酶(SpeA)與胍丁胺酶(SpeB)，將鳥胺酸(L-ornithine)或精氨酸(L-arginine)作為基質轉化成丁二胺(圖一a)。
早在2009年，Qian等人使用大腸桿菌並調控 ODC 途徑相關基因，利用高密度發酵生產24.2 g/L的丁二胺；2012年，Schneider等人提升 ODC 途徑，並以谷氨酸桿菌高密度發酵生產……
2. 五碳鏈長二元胺化合物：戊二胺
戊二胺 (Diaminopentane) 又名屍胺 (Cadaverine)、1,5-二氨基戊烷、五亞甲基二胺，是生物胺類中的一種。1885年，德國柏林的醫師Ludwig Brieger 在腐敗的屍體中首次發現該胺類，並以此得名屍胺。同時戊二胺是一種具有生物活性的含氮鹼，也可作為一種正常生理物質存在於生物體中；細胞內的戊二胺是由離胺酸在離胺酸脫羧酶的催化脫羧作用後產生，比較有趣的是純戊二胺是8.8 莫耳濃度，其氣味比較臭，但在濃度2莫耳濃度時，反而是芋頭的味道。戊二胺在農業、醫藥等領域中也具有廣泛應用。
傳統利用化學合成技術生產戊二胺是從戊二腈的無水乙醇溶液煮沸後，以較快的速度加入金屬鈉，反應完後加入水，將乙醇蒸出，剩餘的反應物用稀鹽酸中和蒸乾，剩餘物以冷無水乙醇洗滌，再用少量固體氫氧化鉀及水分解所得的鹽酸鹽，進行減壓蒸餾即得戊二胺，但過程繁瑣及高污染。生物法製造戊二胺是經由酶催化法或細胞代謝生成。戊二胺以離胺酸 (L-lysine) 做為基質，經由基因工程的大腸桿菌將離胺酸脫羧酶過量表達，直接將離胺酸轉換成戊二胺 (圖一b)。在微生物生產戊二胺的過程中，有兩種離胺酸脫羧酶能直接將離胺酸轉換成戊二胺，分別是……
圖一、 (左)丁二胺；(右)戊二胺的生化製造流程
4. 六碳鏈長二元酸化合物：己二酸
因應尼龍66的生產，己二酸是目前最廣泛被應用的單體之一。首次生質己二酸的生產是以蔬菜油中的脂肪酸為碳源，由酵母菌 Candida viswanathii 本身的 ω-oxidation 與基因工程的 β-oxidation 將脂肪酸轉換成己二酸。近年的研究中則是利用葡萄糖或甘油為碳源，發展了四種不同的代謝路徑來生產己二酸。第一種代謝路徑，2014年Yu 團隊將 PaaJ、ech、ter、ptb-buk1基因過量表達並剔除 ptsG、poxB、pta、sdhA 及 iclR 基因，該研究用搖瓶培養產生約 0.6 mg/L己二酸。2016 年 Cheong 團隊剔除 ldhA、poxB、pta、adhE 及 sucD 基因，以發酵培養產生 2.5 g/L 己二酸。2018年Zhao 團隊將一株天然產生己二酸的菌株 Thermomonas fusca 中的基因Tfu_0875、Tfu_2399、Tfu_0067、Tfu_1647、Tfu_2576及 Tfu_2577 構建至大腸桿菌中，發酵培養生產可得 68 g/L己二酸。
第二種代謝路徑，利用reverse β–oxidation反應，細胞會合成6-hydroxycaproic acid 再通過 ω-oxidation 轉換成己二酸，當中…….
二、生質尼龍的生產方式
1. 生產關鍵單體
生質尼龍的主要前驅物是戊二胺，通常從葡萄糖發酵獲得L-離胺酸，再經細胞及酵素製造戊二胺。現代技術則通過直接發酵含澱粉的作物如玉米、高粱和木薯或是秸稈等生物質原料來製備L-離胺酸，其中以玉米澱粉為主要原料，生產1噸L-離胺酸約需3至4噸玉米。在特定條件下，利用特定生理特性的L-離胺酸產生菌進行發酵，目前多數企業採用發酵法生產L-離胺酸，其純度可達 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。