餐廚廢棄油脂生物轉化鼠李糖脂的研究進展

張卉，陳小旭，李東華，朱丹

（沈陽化工大學制藥與生物工程學院，遼寧沈陽110142）

餐廚廢棄油脂生物轉化鼠李糖脂的研究進展

張卉，陳小旭，李東華，朱丹

（沈陽化工大學制藥與生物工程學院，遼寧沈陽110142）

綜述以餐廚廢棄油脂為碳源生物轉化鼠李糖脂的研究進展，概括鼠李糖脂的研究現狀，總結提高鼠李糖脂產量的優化途徑，并對餐廚廢棄油脂生物轉化鼠李糖脂的未來發展進行展望。

生物表面活性劑；餐廚廢棄油脂；鼠李糖脂

鼠李糖脂（rhamnolioid，RL）是目前研究較多的一類陰離子表面活性劑，由于具有其乳化、降低界面張力等性能，并且具有毒性低、易降解的特點，因而在石油化工、食品衛生、醫藥等多個領域應用廣泛[1-2]。生物表面活性劑是由微生物在一定條件下代謝產生的同時具有親水基和疏水基兩種結構的兩親化合物，并且對人體、牲畜和環境都無毒無害的表面活性分子[3]。生物表面活性劑包括糖脂類、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂類等[4]。RL產生菌利用最多的為銅綠假單胞菌。銅綠假單胞菌能夠利用不同的碳源轉化為鼠李糖脂，并且隨著碳源的改變，產生不同結構的RL[3]。為了降低RL的生產成本、提高RL產量，首先應考慮的因素是尋找合適的碳源。餐廚廢棄油脂成分主要是烹飪調味用的植物油和食物中的動物油脂，其化學成分主要是脂肪酸甘油酯[5]。隨著我國經濟的迅速增長，據統計每年約產生700萬噸左右的餐廚廢油脂[6]，一旦進入環境或者被不法商販利用，將會極大的破環生態環境和人體健康。利用餐廚廢棄油脂為碳源生物轉化RL，不僅為餐廚廢油脂的安全處理開辟了新途徑，而且降低了生產RL的成本，實現了廢物的資源化利用。

1 鼠李糖脂的研究歷史及現狀

1949年Jarvis和Johnson首次利用銅綠假單胞菌生物合成生物表面活性劑RL，并研究發現它是由2 mol的L-鼠李糖和2 mol的羥基葵酸構成[7]。上世紀90年代，南斯拉夫學院研究人員在偶然的機會發現了鼠李糖脂和銅綠假單胞菌對皮膚灼傷有良好的治愈效果，從此人們開始了對鼠李糖脂在醫學上應用的研究。美國Piljac等于1995年10月3日獲得授權“以鼠李糖脂為基礎的醫藥制劑”專利，進一步促進了鼠李糖脂在醫學上的應用的研究[8]。1997年Bai等[9]研究發現RL與十二烷基硫酸鈉和吐溫80具有相差無幾的乳化性能。Haba等[10]研究發現不同的銅綠假單胞菌上層培養液都能夠乳化煤油，并穩定其乳化體系；當RL的濃度較高時具有抗菌效果。

發展至今，雖然RL具有優秀的乳化及增溶作用，在眾多領域具有廣闊的應用前景，卻沒有進行大規模的工業化生產，碳源成本過高、產量過低是其主要的原因。而碳源作為其中的限制因素卻恰恰限制了RL的產量以及乳化性、表面張力等性能。目前許多研究者們都在尋找廉價易得并可以循環利用的廢棄物為碳源以減少生產RL的成本，目前已有許多利用餐廚廢棄油脂作為碳源生產鼠李糖脂的研究文獻。RL的結構不僅受到碳源的影響，同時也受培養基、菌齡、假單胞菌種類及培養條件等因素的影響[2]。許多研究者已經開展了大量的有關餐廚廢棄油脂以及其它限制因素對合成RL的研究，這些都對餐廚廢棄油脂作為碳源生產其它生物表面活性劑的研究有重要指導作用[11]。

2 鼠李糖脂的主要產生菌

在當前研究中，RL主要通過銅綠假單胞菌代謝產生。可代謝產生鼠李糖脂的其它菌株包括：醋酸鈣不動桿菌、阿式腸桿菌、生癌腸桿菌、莢殼伯克氏菌以及植物伯克氏菌等菌株[12-14]。但不同的菌株代謝產生的RL的活性和產量都各不相同，其中以假單胞菌的代謝活性最為突出，能夠利用不同種類的餐廚廢棄油脂作為碳源，并且對餐廚廢棄油脂的利用率較高。因此當前生產RL的研究都以假單胞菌為出發菌株。

3 鼠李糖脂的應用

RL兼具良好的生物和化學特性，具有油、水兩親性，優良的表面活性和穩定的乳化性，同時具有低毒、易降解的特點，在石油工業、土壤修復、食品、化妝品等領域具有廣闊的應用前景[15]。

近年來，隨著工農業的發展，使土壤中的多環芳烴、重金屬離子、原油等污染物過多超出了土壤自身的凈化能力[16]。田丹妮等[17]研究表明RL對多環芳烴類物質（如萘、芘、菲）均具有較好的增溶作用，且隨著RL濃度的增加，三種物質的溶解度均表現出不同程度的增加，當RL濃度為500 mg/L時，三者的表觀溶解度最大。根據RL的性質，還可以通過調控溫度、pH值及鹽度等環境因素來提高RL對多環芳烴的增溶效率[18-19]。土壤中的重金屬是通過和RL的膠束結合的方式被從土壤中去除，當膠束被破壞后，RL就不再具備和重金屬結合的能力[20]。與化學表面活性劑相比，RL的低毒和易降解的特性決定了不會增加重金屬淋溶的風險[21]。RL可促進土壤中原油的降解，縮短原油降解的半衰期，從而縮短修復時間。與化學合成表面活性劑相比，RL毒性低的特點不會成為土壤額外的污染源。另外RL在作為織物洗滌劑方面有很好的應用潛力，通過金黎等[22]的研究成果發現當RL與市場銷售的洗衣粉復合使用，能夠有效的提高去除高油脂類、蛋白質類污漬和血漬的效果。

除此之外RL作為一種生物表面活性劑，由于具有降低油水界面張力的特性，被廣泛應用于3次采油技術中。我國稠油資源豐富，儲量達16億噸，但開采難度很大[23]。RL具有優越的增溶及乳化作用，如果能夠充分的應用到石油工業中，就可以使石油得到充分的采集，這將會使石油工業的發展向前邁進一大步[24]。經過多年發展，RL用于3次采油和稠油開采都有很好的增產效果，已逐漸成為21世紀石油工業最重要的支撐點[25]。

4 餐廚廢棄油脂生物轉化鼠李糖脂的影響因素

為實現RL的大批量工業化生產，不僅要降低生產成本，還要提高其產量。碳源、氮源、pH值、微量元素以及培養方式的不同都會限制RL的產量。因此對于餐廚廢棄油脂生物轉化RL的影響因素的優化必不可少。

4.1 碳源

我國的餐廚廢棄油脂隨著經濟增長也逐年增長，如果處理不當，不僅污染環境，還可能造成食品安全隱患[6]。丁建華等[26]研究表明，根據餐廚廢棄油脂成分的復雜性、不同批次、不同地域的餐廚廢棄油脂成分存在著很大的差異。使用前對其進行精制處理和官能團測定對于將這些廢棄物轉變成高附加值的表面活性劑產品顯得十分重要。對于精制后的餐廚廢棄油脂可以測定其相應的多種指標，如碘值、皂化值、過氧化值等，以此可為餐廚廢棄油脂生物轉化RL的實驗反應提供參考依據。黃翔峰等[27]表示用不同的餐廚廢棄油脂作為碳源發酵生產的RL在產量和性質上均有所差異：當以廢棄煎炸油為碳源時，產物產量最高，結果為24.61 g/L；當以皂腳為碳源時產物的表面張力最低，結果為24 mN/m；當以棕櫚油皂腳為碳源時，產物的CMC最低，結果為40.19 mg/L。

4.2 氮源

許多研究都表明，氮源能夠提供合成原生質和細胞其他結構的原料，在微生物的生長發育和穩定生長期及細胞代謝生產生物表面活性劑方面都起著重要作用。在氮源利用上一般公認硝酸鈉為銅綠假單胞菌的最佳氮源。黃翔峰等[27]認為，假單胞菌一般在靜止期才會代謝出大量RL，如果體系中的氮源比例過高，假單胞菌會一直處在對數期，以菌體細胞生長為主，僅代謝出少量RL，所以氮源的比例不應過高。張祥勝等[28]認為保持較高的C/N有利于目標產物RL的合成。Benincasa等[29]比較了不同C/N條件下發酵得到的RL情況，研究結果表明C/N為8時，培養48 h后，RL產量達到最大7.3 g/L。所以選擇最佳氮源并保持合理的C/N將提高RL的產量。

4.3 微量元素

微量元素作為微生物的生理物質的組成或者生理活動的調節物，在低濃度是會促進微生物的生長和產物合成，相反，在高濃度時則會出現較為明顯的抑制作用。利用廢棄油脂生物合成RL時，其培養基中一般都會含有鋅、鉬、錳、硼及銅5種微量元素[27]。但是Zhu等[30]卻另外加入了鈷和3價鐵兩種微量元素，此時發酵產生的RL的產量為24.61 g/L，可以說是目前為止研究得到的最高產量。雖然對于研究結果而言鈷和鐵對RL的產量可能并無決定性的影響，但研究者們都應因Zhu的這一舉措得到啟示。也有研究者認為在眾多金屬元素中，鐵元素對RL的合成產量的影響最大[27]。

4.4 pH值

銅綠假單胞菌在pH值為5～9的范圍內都能夠生長。銅綠假單胞菌的生長最為適宜的pH值為7左右。從趙敏等[11]對廢棄食用油脂生物合成RL的研究中發現，現在大多數培養條件的pH值控制在6.8到7.2，其中采用最多的pH值為6.8，此時的效果最佳。

4.5 培養方式

采用不同的培養方式培養銅綠假單胞菌，RL的產量也不盡相同。Raza等[31]通過比較搖瓶培養、分批補料與分批培養3種培養方式，發現發酵得到RL的產量最高的培養方式為分批補料，最低的為搖瓶培養。

5 餐廚廢棄油脂生物轉化鼠李糖脂的展望

利用餐廚廢棄油脂為碳源生物合成鼠李糖脂是一種有效處理我國每年產生的大量的餐廚廢棄油，并且降低鼠李糖脂生產成本的新方法。對于餐廚廢棄油脂合成鼠李糖脂的生產工藝要不斷完善、改進，以期實現對環境、社會以及經濟效益的統籌兼顧，實現三者的有機統一。雖然，現在該項目在實驗室的研究已經頗為成熟，但是想要實現工業化生產還需對以下幾個方面的研究不斷完善：

1）不同的餐廚廢棄油脂發酵產生的RL的結構、性質、產量存在差異，在眾多餐廚廢棄油脂中選擇發酵產生RL產量最高，性能最優的廢棄油脂作為碳源。并在使用前，對餐廚廢棄油脂進行精制處理及官能團測定。

2）不斷進行氮源、pH值、微量元素以及培養方式等條件的具體研究，綜合考慮RL的產量及經濟成本，對培養條件進行優化選擇，以最優的生產條件對RL進行規模化生產。

3）純化菌株并利用誘變技術對純化菌株進行誘變，同分離篩選培育出高效產出RL的菌株，同時研究并且建立出混合發酵代謝模型。以高效菌株和優秀的發酵體系提高RL的產量，優化生產。

4）充分利用RL的功效及特性，開發新產品，增加RL的利用價值。增加RL對醫藥、化妝品等領域的研究，進一步挖掘RL的潛在價值，擴大RL的應用范圍，增加RL的附加值。

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Recent Progress on Rhamnolipid Produced from Meal Kithen Waste Oil

ZHANG Hui，CHEN Xiao-xu，LI Dong-hua，ZHU Dan
（Pharmaceutical&Bioengineering College，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，Liaoning，China）

The progress of rhamnolipid biosynthesis from rancidolipids as a carbon source was reviewed.The present research situation of rhamnolipid and the optimization of production of rhamnolipid was summarized.The future development of rhamnolipid conversion was also discussed.

biosurfactant；meal kitchen waste oil；rhamnolipid

2016-12-23

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.18.042

沈陽市科學技術計劃（F16-205-1-22）

張卉（1968—），女（漢），副教授，博士，研究方向：食品生物技術。