生物表面活性劑及其在食品工業中的應用進展

侯占群，高彥祥

（中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083）

生物表面活性劑及其在食品工業中的應用進展

侯占群，高彥祥*

（中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083）

化學表面活性劑所帶來的環境問題使人們越來越多的關注生物表面活性劑，因為它具有低毒性及生物可降解性。生物表面活性劑具有乳液起泡性、穩定性以及抗黏性、抗微生物活性等特性，盡管目前生物表面活性劑主要用來處理污染物，但在食品工業中的應用具有很大的潛力，可用于食品加工和配方中。主要探討生物表面活性劑的功能特性以及在食品工業中應用的進展。

生物表面活性劑；食品工業；應用

表面活性劑是一種兩性物質，它同時含有親水性和疏水性基團，從而可以減少液體、固體和氣體界面間的表面或界面張力，因而廣泛用于現代工業的每個領域[1-2]，如今已是當今最重要的工業助劑之一，其應用已滲透到幾乎所有的工業領域，如石油開采業、環境工程、食品工業、農業和精細化工，被譽為“工業味精”。目前，幾乎所有的表面活性劑都是以石油化工產品為原料，經化學合成得到，但由于化學表面活性劑所帶來的環境污染問題，使得微生物來源的生物表面活性劑（Biosurfactants）越來越受到人們的關注。生物表面活性劑具有優良的乳化性和起泡性，對熱、pH的穩定性，而且無毒、生物可降解，與化學表面活性劑相比，具有良好的環境兼容性，不會對環境造成不利影響[3-5]。因此，隨著人們環保意識的增強，生物表面活性劑將受到廣泛的關注。就生物表面活性劑的功能特性以及在食品工業中應用的最新進展進行簡要概述。

1 生物表面活性劑的定義、主要來源及功能特性

1.1 生物表面活性劑的定義及主要來源

生物表面活性劑（Biosurfactants）是指利用酶或微生物等通過生物催化和生物合成等生物技術制備的集親水和疏水性基團于一體的天然表面活性劑[5]。如：磷脂、糖脂以及中性類脂衍生物等，其中磷脂已廣泛用于食品的生產。

生物表面活性劑的種類很多，一般根據其親水基的不同，可分為糖脂系、氨基酸類脂系、磷脂系、脂肪酸系和高分子聚合物五類（見表1）[5-6]。此外，也可以根據生物表面活性劑分子量的大小及生物來源進行分類[7]。

1.2 生物表面活性劑的功能特性

生物表面活性劑的分子結構中既有極性基團又有非極性基團，是一類中性兩極分子。親水基團可以是離子或非離子形式的單糖、二糖、多糖、羧基或肽鏈；疏水基團則由飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸或帶羥基的脂肪酸組成。對于蛋白質-多糖復合物等一些分子量較大的生物表面活性劑分子，其親水和疏水部分可以由不同的分子組成。生物表面活性劑的最主要特性就是耐酸、熱及離子強度、低毒性、生物可降解性以及抗菌性等。

表1 生物表面活性劑的來源及分類Table1 Classification and sources of biosurfactants

1.2.1 耐酸、熱及離子強度

大多數生物表面活性劑及其表面活性并不受環境（如溫度、pH、離子強度等）的影響。McInerney等[8]研究表明地衣芽孢桿菌（Bacillus liqueniformis）產生的地衣素在50℃、pH 4.5～9.0以及NaCl和CaCl2濃度分別在50 g/L及25 g/L時能夠保持穩定。Nitschke等[9]獲得了一種脂肽，將其加熱至120℃保持20 min依然能保持穩定，并且此脂肽在pH5～11均能保持其活性。

1.2.2 生物可降解及低毒性

與化學合成表面活性劑不同的是，生物表面活性劑很容易被降解，是一種環境友好型表面活性劑[3,10]。隨著消費者對環境問題的日益關注以及各國政府對具有環境污染性質的化學合成表面活性劑的限制性規定，使得生物表面活性劑作為化學合成表面活性劑的替代品而受到消費者及生產廠家的青睞[11]。

對于生物表面活性劑的毒性，雖然大部分仍處于研究階段，但諸多研究者通過試驗證明大多生物表面活性劑是無毒或低毒的，而且其毒性遠遠小于化學合成的表面活性劑。如Poremba等[12-13]通過比較各種化學合成表面活性劑與生物來源的表面活性劑-鼠李糖脂發現，化學合成表面活性劑毒性是鼠李糖脂的10倍左右，此外，還發現大多生物表面活性劑的降解速度明顯高于合成表面活性劑。Edwards等[14]比較了3種微生物來源的表面活性劑與3種合成表面活性劑，結果發現合成表面活性劑的毒性均明顯高于生物表面活性劑。

1.2.3 抗菌性

一些生物表面活性劑具有抗細菌、真菌以及病毒的功能。如Klich等[15]在玉米、花生以及棉籽的儲藏過程中發現脂肽在濃度為50 mg/L～100 mg/L時具有抗真菌的功效。此外，Vollenbroich等[16]發現脂肽在80 μmol/L的濃度時便具有抗病毒功效。而且經試驗證明鼠李糖脂或其與槐糖脂的混合物具有抑制有害藻類、真菌及細菌生長的功能[17-19]。因此，鑒于生物表面活性劑的抗菌性，作為食品以及化妝品等行業的防腐劑具有很大的潛在應用價值。

2 生物表面活性劑在食品工業中應用的最新進展

生物表面活性劑具有化學合成品很難具有的特殊結構，具有一定的生理特性和營養價值，可以生物降解而且降解產物無害，具有兩親性分子結構以及分散、增溶、潤濕和滲透等性能，這是它在食品工業中可以廣泛應用的物質基礎。此外，生物表面活性劑與生物、微生物細胞之間特殊的聯系也是化學合成表面活性劑所欠缺的，這是生物表面活性劑在食品、醫藥和化妝品等工業取代化學合成品的生理基礎，但由于其具體的生理功能和作用機理并不清楚，限制了生物表面活性劑更多的應用。由于食品中使用新的添加劑需經過多種毒性試驗評價后才能被批準，故食品工業中還沒有大規模使用生物表面活性劑。較容易接受為食品添加劑的為發酵法生產的生物表面活性劑，如糖脂。這是因為糖脂的結構與化學合成的糖脂十分相似，而且化學合成的糖脂已經廣泛地用在食品中。目前已將卵磷脂及其衍生物作為乳化劑用于食品工業。生物表面活性劑在食品工業中可用作乳化劑、保濕劑、防腐劑、潤濕劑、起泡劑、增稠劑、潤滑劑等。

2.1 食品乳化劑

乳狀液（emulsion），是一種液體在另一種與之不互溶的液體（通常稱為油或水）中的分散體系。由于分散相質點較大，乳狀液易發生沉降、絮凝，最終分成油和水兩相。因此，乳狀液是熱力學不穩定體系，需要所謂的乳化劑來維持相對穩定[20]。由于符合功能性食品和綠色食品添加劑的要求，在人們崇尚自然，健康至上的今天，部分生物表面活性劑已成為一種廣泛應用的食品乳化劑。微生物表面活性劑可作為乳化劑用于食品原料的加工，也可用于面包和肉類生產，改善面粉的流變學特性，以及部分裂解的脂肪組織的乳化。磷脂是最常用的乳化劑和穩定劑，在食品中一般用在糖果、快餐食品，速溶食品、面包、糕點、牛奶、仿奶制品、飲料及肉禽加工食品等方面。除磷脂外，蔗糖脂、卵磷脂等都是目前食品工業常用的乳化劑。

生物表面活性劑的乳化性能根據來源以及分子結構不同，也有較大差異。一般來說，高分子量的生物乳化劑的乳化性高于低分子量的生物表明活性劑[21-22]。如Cooper等[23]研究發現，鼠李糖脂可以有效的降低油水界面的表面張力，但其形成的乳狀液卻缺乏穩定性，而Cirigliano等[24]應用甲殼素乳化食用油脂，發現甲殼素不僅可以有效降低油水界面的張力而且可以保持穩定。聚合表面活性劑可以完全包裹住分散相中的油滴，從而可以形成高度穩定的乳液。因此，可以應用與食品以及化妝品行業中水包油型乳液的制備。此外，在奶酪以及冰淇淋制備中加入生物表面活性劑不僅可以提高產品的質量和口感，還可以降低熱能值[7]。

盡管目前生物表面活性劑大多還應用在環境及石油工業中碳氫化合物的分離和提取方面。但研究發現，生物表面活性劑作為乳化劑在食品工業也具有獨特的應用價值。如Lukondeh等[25]從酵母菌中得到一種糖蛋白，并用于乳化玉米油，所形成的乳液可以保存3個月以上，因此利用酵母進行生物表面活性劑的生產引起了科學家的廣泛關注。最近，Nitschke等[26]通過從枯草桿菌（Bacillus subtilis）中分離得到一種脂肽，并將其用于乳化大豆油及椰子油，發現具有良好的乳化性和乳化穩定性。此研究展現了生物表面活性劑在食品領域中的潛在應用價值。

2.2 食品保鮮劑

生物表面活性劑利用其兩親性分子特征通過溶解異源細胞膜的主要成分來實現殺菌功能或者通過改變環境的界面性質，使環境更有利于自身的生存從而抑制了其它微生物的生長。由于具有抗細菌、真菌、藻類以及病毒的功能，生物表面活性劑可以廣泛用于食品的保鮮和防腐。如蔗糖脂可應用于果品保鮮，李江云等[27]運用4.0%～4.5%的蔗糖脂和4.5%的鼠李糖脂分別和0.2%抗氧化劑2,6-二叔丁基對甲苯酚，0.5%左右的殺菌劑山梨酸鉀復配制成涂膜保鮮劑在柑橘、蘋果、梨等水果的保鮮已取得良好效果。用蔗糖脂和鼠李糖脂等無公害的保鮮材料來處理番茄、辣椒、茄子、蘋果和梨等5種果蔬近10個品種，結果表明對降低“自然耗”，“腐爛率”和提高果實硬度都有明顯作用。此外，生物表面活性劑在食品加工過程中的滅菌功效也日益受到廣泛關注。如Busscher等[28]將生物表面活性劑用于巴氏殺菌過程中的熱交換器內，可有效抑制嗜熱鏈球菌的繁殖。Meylheuc小組[29-31]通過系統研究證明了生物表面活性劑在食品加工過程中所用不銹鋼和聚四氟乙烯材料上的吸附及其對微生物生長及細菌的抑制作用，表明其在食品加工過程中具有巨大的應用潛力。

2.3 食品補充劑

除用于乳化劑及保鮮劑外，生物表面活性劑可以作為食品補充物的重要部分，提供人體所需的礦物質和維生素，同時分泌一些人體所必需的生物化學物質，如抗氧化超氧化物歧化酶、免疫支持體-葡萄糖、抗菌性肽類、生物素、輔酶等。此外，還可以用于提高淀粉制品的質地及貨架期，改善面團的質地、口感、焙烤面包的膨脹體積和穩定性以及含脂肪產品的流變學特性、增加酸性食品的黏度、抑制食品功能成分的氧化降解等[5]。

2.4 風味劑

表面活性劑在食品中的天然成分如色素、香味成分、生物活性成分以及發酵產品的提取分離中也有廣泛的應用。產阮假絲酵母（Candida utilis）合成的生物乳化劑可用作色拉調味劑；蔗糖脂加入食品中可以改善食品的加工性能、提高食品抗氧化、防霉作用和香味質量，鼠李糖既可以生產香料，也可作為食品添加劑加入高檔咖啡、飲料、面包、肉制品中[5,32]。

3 生物表面活性劑的發展前景

生物表面活性劑不僅具有乳化性、抗菌性，而且符合功能性食品和綠色食品添加劑的要求。但由于缺乏相關的安全性評價以及生產的成本過高，使得生物表面活性劑在食品工業中的應用受到很大的限制。因此，需要建立、健全適合生物表面活性劑的安全評價體系。

目前生物表面活性劑還有很多品種處于試驗研究階段，只有少數產品走向了市場。這主要是由于其生產成本較高，據估計生物表面活性劑的成本比化學合成表面活性劑的成本高3倍～10倍，高成本影響了其廣泛應用。因此，選育高產菌株，改進發酵工藝，降低生產成本是進一步研究開發生物表面活性劑的主要方向。

現代生物技術的進步，推動著生物表面活性劑的發展。人類環保意識的增強，加快了生物表面活性劑發展進程。最近研究發現，利用農業廢棄物生產生物表面活性劑可以極大的降低生產成本。如以廉價碳源如葡萄糖、淀粉以及油和乳品加工廢料為底物的菌種或構建基因工程菌，生產并純化生物表面活性劑，用于化妝品、食品以及制藥等行業，可以在很大程度上降低生物表面活性劑的成本。因此，尋找生產生物表面活性劑的新資源、新技術也是將來的重要研究方向。

總之，隨著世界各國對可持續發展的重視，以及人們對環境的日益關注，新型綠色生產及制造技術必將受到歡迎。生物表面活性劑雖然處于探索和開發階段，但由于其具有無毒、生物降解性好等優點，屬于天然添加劑，必將受到食品配料工業的矚目。隨著生物技術和相關技術手段的快速發展，生物表面活性劑的價格逐步降低，越來越廣泛地應用在食品工業、精細化工、醫療衛生等行業，今后必將成為表面活性劑的升級換代產品。

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Biosurfactants and Its Application Developments in Food Industry

HOU Zhan-qun,GAO Yan-xiang*
（College of Food Science＆ Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

The increasing environmental concern about chemical surfactants triggers attention to microbialderived surface-active compounds essentially due to their low toxicity and biodegradable nature.Associated with emulsion forming and stabilization,antiadhesive and antimicrobial activities are some properties of biosurfactants,which could be explored in food processing and formulation.At present,biosurfactants are predominantly used in remediation of pollutants;however,they show potential applications in many sectors of food industry.The properties and application development of biosurfactants in food industry were reviewed.

biosurfactants;food industry;application

“十一五”國家科技支撐計劃項目（2006BAD27B00）

侯占群(1982—)，男(漢)，博士研究生，研究方向：天然產物與食品乳化技術。

*通訊作者：高彥祥，教授。

2009-09-28