生物表面活性劑研究進展

向攀

（西北民族大學 生命科學與工程學院，甘肅 蘭州730030）

1 引言

生物表面活性劑是20世紀70年代后期國際生物工程領域中發展起來的一個新課題。細菌、真菌、酵母菌等多種微生物在一定條件培養時，產生的含有固定的親水親油基團，在溶液的表面能定向排列并使表面張力顯著下降的次級代謝產物，稱為生物表面活性劑（Biosurfactants）。由于微生物較動植物而言，具有傳代速度快，更易大規模生產，另外還可在分子中引入化學方法難以合成的復雜基團等優點，為許多領域提供新可能。目前，在可持續發展道路上，綠色表面活性劑的研發刻不容緩，而生物表面活性劑以其獨特優勢在該領域地位崇高。

2 微生物產生的生物表面活性劑

生物表面活性劑主要由微生物在好氧或厭氧條件下在不同的培養基中發酵產生的，大多數生物表面活性劑由絕對的親水基和親油基團組成：前者由單體、雙體、聚糖、羧酸、氨基酸或肽組成；后者由飽和、不飽和或羥基脂肪酸組成。根據生物表面活性劑的化學結構，可將其分為5類：糖脂（glycolipids）、脂肽（lipoptides）和脂蛋白（lipoproteins）、磷脂（phospholipids）、中性脂（neutrallipids）和脂肪酸（fattyacids）、聚合表面活性劑（polymericbiosurfactant）與顆粒表面活性劑（particulatebiosurfactant）等五類。

2.1 生物表面活性劑的分類

具有代表性的生物表面活性劑及其微生物來源列出見表1。

2.1.1 糖脂類生物表面活性劑

糖脂是含糖而不含磷酸的脂類，由碳水化合物與長鏈脂肪酸或羥基脂肪酸以共價鍵形式連接在一起組成的，種類眾多。目前，研究深入的是鼠李糖脂、海藻糖脂、槐糖脂。陰離子型鼠李糖脂是由假單胞菌在限制生長條件下的胞外代謝產物，具有很好的分散、乳化、發泡、滲透、增溶效果。鼠李糖脂親水基多由1～2分子的鼠李糖構成，憎水基由1～2分子具有不同碳鏈長度的脂肪酸構成。Jarvis和Johnson第一次報道了用綠膿假單胞菌（Pseudomomonasaeruginosa）產生鼠李糖脂。海藻糖脂具有免疫和對各種分枝桿菌或者霉菌的治病作用，主要用于石油開采，其優越的破乳性質有利于提高石油的開采率。槐糖脂主要由酵母菌產生，是糖脂中最有應用前途的一類生物表面活性劑。如假絲酵母菌（Candidasp.）、球擬酵母（Torulopsisbombicola）、嗜石油球擬酵母（T.petrophilum）和蜜蜂生球擬酵母（T.apicola）。

表1 生物表面活性劑及微生物來源

2.1.2 脂肽和脂蛋白類生物表面活性劑

脂肽是微生物在發酵過程中產生的次級代謝產物，脂肽生物表面活性劑通常是由β-氨基或β-羥基脂肪酸（親油基團）與肽鏈或肽環（親水基團）構成的一類生物表面活性劑，具有兩親性，是一類新型的天然表面活性劑。從結構上可以分為線性脂肽和環狀脂肽，兩種結構活性最好。脂肽生物表面活性劑主要來源于芽孢桿菌、鏈霉素、假單胞菌、沙雷氏菌屬、曲霉菌和游動放線菌的菌屬。1968 年，Arima等首次從枯草芽孢桿菌的發酵液中分離純化出脂肽類生物表面活性劑，呈晶體狀結構，是迄今為止報道的效果最好的生物表面活性劑之一，名為表面活性素（Surfactin），屬于表面活性素類。其次還有伊枯草素類、多粘菌素類、大側柏素、芬芥素及地衣素等。

2.1.3 磷脂、中性脂和脂肪酸

磷脂可由細菌和酵母在烷烴培養基上生長產生，是以磷酸基為親水基團的一類生物表面活性劑，分為甘油磷脂和鞘磷脂，腦磷脂、卵磷脂和磷脂酰絲氨酸是構成機體最重要的3種甘油磷脂。不動桿菌（Acinetobacter sp）HO1-N 可產生磷脂酰乙醇胺，有乳化作用；曲霉（Aspergillusspp.）的一些種和硫氧化硫桿菌可產生大量磷脂；節桿菌菌株AK-19 和綠膿芽孢桿菌（P.aeruginosa）44T1在十六烷和橄欖油上生長能分別積累40%和80%（wt／wt）的磷脂；紅串紅球菌在正烷烴中生長時也可產生磷脂酰乙醇胺，能將水和十六烷之間的界面張力降到1Mm／m 以下。脂肪酸是以羧酸基為親水基的一類生物表面活性劑，是脂類分子中重要的組分，包括親酶孢子酸和覆蓋霉菌酸。

2.1.4 聚合類表面活性劑

聚合生物表面活性劑多研究emulsan、liposan、mannoprotein和其他多聚糖蛋白。Emulsan是具有聚合陰離子的兩性雜多糖主鏈通過O-酯鍵與脂肪酸相連接形成的。醋酸鈣不動桿菌（Acinetobactercalcoacetius）RAG-1能產生一種有效的聚陰離子雜多糖，是水中烴類非常有效的乳化劑，在0.001%～0.01%的低濃度下仍然具有很強的乳化能力；Cameron等報道了用釀酒酵母（Saccharomycescerevisiae）大量產生甘露蛋白的辦法；Liposan是由Kappeli等從烷烴中生長的熱帶假絲酵母（Candidatropicalis）中分離出一種甘露聚糖-脂肪酸，是胞外乳化劑，由83%的碳氫化合物和17%的蛋白質構成，可穩定十六烷-水的乳化液，Liposan和十六烷的比例為1∶50時乳化效果最好，繼續增加十六烷比例活性下降，另外，Liposan在pH2～5 之間活性最好，當溫度為30～90℃時活性很穩定；Desai等報到啦生長在汽油中的熒光假單胞菌（Pseudomonasfluorescens）可產生一種生物乳化劑，是由50%的碳水化合物、19.6%的蛋白質、10%的脂組成。

2.1.5 顆粒生物表面活性劑

顆粒生物表面活性劑能形成一種微乳液，對微生物細胞在烷烴介質中的攝取媳婦起著非常重要的作用。不動桿菌HO1-N 產生的囊泡，直徑20～50nm，浮力密度1.158g／cm3，是由蛋白質、脂多糖和磷脂構成。這些包胞外膜囊泡具有分割烴類的微乳化作用，這在微生物細胞吸收烷烴類物質中起到了重要作用。

2.2 生物表面活性劑的特點

生物表面活性劑的主要性能：①濕潤或抗粘；②乳化或破乳；③起泡或消泡；④增溶；⑤分散；⑥滲透；⑦洗滌；⑧防腐；⑨抗靜電；⑩無毒或低毒；○1易被生物降解；○12不致敏、易消化；○13專一性強；○14在極低溫度、pH 值、鹽濃度下穩定；○15結構多樣。其中，最重要的是生物表面活性劑能滿足人們對“綠色”工業的需要。

3 生物表面活性劑的主要應用

生物表面活性劑結構多樣性決定其功能多樣性，其相對于化學合成表面活性劑，有著許多優點，它在許多工業領域中有著廣泛的應用。它們可以應用于石油工業、農業、醫藥、紡織、食品、化妝品和環境保護等諸多工業領域。

3.1 在石油工業的應用

生物表面活性劑在石油工業中主要是應用于提高石油采收率，具有水溶性好、反應產物均一、安全無毒、驅油效果好等特點。微生物采油（MEOR）由于其成本低、效果好、無污染，愈來愈受到人們廣泛的重視。有報道Youssef等向油井中加入營養物質和芽孢桿菌混合菌種進行采油研究，發現產生的代謝產物為脂肽生物表面活性劑，可以開采出砂巖巖心中的捕集油，且微生物可以重新回到接種井中。Banat等利用生物表面活性劑去除原油儲罐的殘渣，去除率達到90%。Michael.J等篩選的地衣芽孢桿菌（B.licheniformis）可用于地下石油的開采。Javaheri等報到了B.licheniformisJF-2在嚴格缺氧的條件下能產生多種大大降低培養基表面張力（小于30mN／m）的脂肽類物質。Bihlugil等報道在38℃厭氧菌丙酮丁醇梭狀芽孢桿菌能使石油采收率比對照提高12%。在污染的砂土和泥漿中，加入銅綠假單胞菌產生的鼠李糖脂可分別使脂肪族和芳香族烴類的回收率達56%和73%。

3.2 在農業方面的應用

由于農業中化學農藥與殺蟲劑的污染問題，迫使人們致力于尋找生物防治技術。生物表面活性劑在農業上有著廣泛的應用，可作為土壤改良劑、殺菌、殺蟲劑和生物肥料等。許多B.subtilis類拮抗體產生的次級代謝產物對病原菌的菌絲或孢子的細胞壁產生溶解作用，致病菌細胞壁穿孔、畸形、菌絲斷裂、原生質溶解、外溢而喪失活力，例如B.subtilisPRS5菌株的代謝產物。有報道Kim 等從土壤中分離出B.thuringiensisCMB26，用于控制植物病原真菌。裴炎等從S-1蠟狀芽孢桿菌中分離出的APS-1抗菌多肽對黑曲霉菌和瓜果霉腐菌具有較高抑制效果。

3.3 在醫藥方面的應用

生物表面活性劑常作為增溶劑、助懸劑、抗氧化劑、滲透劑、防腐劑等，與此同時還具有抗菌、抗支原體、抗真菌、抗炎、抗病毒等生物活性，能提高機體免疫力，使得生物表面活性劑在醫療領域具有重要的應用前景，肺組織中的表面活性劑是維持正常呼吸的必要因子是一種磷脂蛋白質復合物。枯草芽孢桿菌所產生的表面活性素Surfactin能對有包膜的病毒的滅活作用明顯，還具有抑制支原體作用。Strieker等還提出一種新型酸性脂肽抗生素，可用于治療皮膚感染。

3.4 在食品工業的應用

生物表面活性劑在食品工業中可作為添加劑、乳化劑、分散劑、穩定劑、潤濕劑、起泡劑、增稠劑等。由于生物表面活性劑表現出對細菌、真菌、藻類和病毒的抗菌活性，因此生物表面活性劑可作為抑菌劑，防腐保鮮。表面活性劑還可控制脂肪球結塊，改善含淀粉產品的質地和保存期限，改變面粉的流變學特性，改善含脂類產品的年度和質地。

3.5 在環境保護方面的應用及生物修復

生物表面活性劑能富集、清除、降解土壤中的有毒物質并能除去污泥中的重金屬離子，處理多環芳烴和精煉油產物等，消除或減弱環境污染物的毒性。其原因為脂肽類生物表面活性劑為陰離子生物表面活性劑，帶有負電，能夠結合帶正電的金屬陽離子形成螯合物，因此能夠除去重金屬離子，例如Zn、Pb、Cu、Cd，其中Cu最容易被除去，在環境治理上，生物表面活性劑勢必成為一種新型無污染的污水處理劑。生物表面活性劑也可乳化烴類和水的混合液，這個特性可顯著增加烴類物質的分解。已從水中分離到該類型微生物：銅綠假單胞桿菌（P.aerugnasa）SB30 產生的一種乳化劑能迅速將油乳化為小分子，這種特性在海水污染上將起到舉足輕重的作用。

3.6 降解殘留農藥

在農藥污染的土壤中添加生物表面活性劑或表面活性劑產生菌，能降解有害成分。Awashti等研究表明由枯草芽孢桿菌MTCC2423產生的surfactin能夠提高對農藥硫丹殺蟲劑的降解能力，使降解率提高30%～45%。

3.7 在生物修復方面的作用

用生物表面活性劑修復被烴類和原油污染的土壤是一項新技術。生物修復是治理石油污染土壤的一種經濟環保又高效的方法，國內外已有許多生物修復石油污染土壤的成功事例的報道。吳濤博士等通過從黃河三角洲長期受鹽漬化石油污染土壤中篩選出1株高效耐鹽石油降解菌Bm38和一株產生物表面活性劑耐鹽菌BF40，通過液體培養實驗，研究了Bm38和BF40相關特性，并確定它們的生物修復功能。

3.8 在洗滌工業和化妝品工業的應用

Surfactin具有優良的表面活性，可以用作洗滌用品和化妝品的添加劑，增強去污能力。Mukherjee研究證實Bacillus subtilis DM-03和DM-04產生的環狀肽具有耐熱性和在極端酸堿條件下穩定，低毒易生物降解，污染性小，將其添加入洗滌劑中能提高洗滌能力。脂肽類生物表面活性劑在化妝品工業中作為乳化劑、起泡劑、分散劑、增溶劑柔軟劑、殺菌劑、清洗劑等助劑，這類生物表面活性劑在使用過程中對人體無毒害或低毒作用，但均達到安全指標。

3.9 在紡織工業的應用

據估計，表面活性劑總產量的一半用于紡織業，因此，表面活性劑對紡織工業的貢獻巨大，而且在高級紡織品工業中有著越來越重要的作用。纖維制品的印染織造加工過程，基本上都是在水相乳液中進行，因此常遇三種界面表象，這為充分發揮表面活性劑的作用提供了有利條件。表面活性劑及含表面活性劑的助劑的大量使用，也為提高和改善紡織品的質量和性能，縮短創造了條件。

3.10 在納米材料方面的應用

納米材料研究是目前國內外材料學方面研究的一個方向，納米材料研究被公認為是21世紀最具有前途的科研研究。表面活性劑在納米材料的研究和應用領域已經不可或缺。在其制備領域，納米粒子的表面由于缺少鄰近配位的原子，而具有很高的活性，使得納米粒子彼此極其容易團聚，利用表面活性劑分子在分散體系中形成的有序聚集體如膠束、反膠束及微乳相等性質成功制備出各種納米材料；陽離子表面活性劑作為作為無機硅酸鹽的插層改性劑在聚合物納米復合材料的制備中能發揮重要作用；表面活性劑還被應用于納米材料的檢測方面。從納米材料制備、表征到應用，表面活性劑都發揮著重要作用。

3.11 在生命科學方面的應用

血細胞計數儀又稱血液分析儀，在各大醫院均廣泛使用。溶血劑是血細胞計數儀白細胞計數的關鍵試劑，其主要成分為表面活性劑。它的作用原理為通過與血細胞的膜脂質作用，破壞膜的雙層脂質結構，使脂質的排列秩序混亂，然后滲入到雙層脂質之間和脂質層內，使兩層脂質之間距離增大，結構疏松腫脹，脂質層局部乳化斷裂。由于各種血細胞的膜脂蛋白含量存在差異，控制合適的表面活性劑濃度和作用時間，可以使紅細胞膜溶解，并使血液中的淋巴細胞、單核細胞、中性粒細胞等的白細胞的體積發生規律性變化，從而可將白細胞分類。

4 結語

本文通過對生物表面活性劑在各領域的應用展開了深入分析和研究，當中主要選用了現階段應用生物表面活性劑的熱點問題進行分析，主要包括生物表面活性劑在石油工業的應用、在食品方面的應用以及在環境保護方面的應用等，相關問題希望能夠成為后續研究與實踐工作的開展提供一定的參考與借鑒。

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