生物表面活性剂研究进展.docx
- 文档编号:30517420
- 上传时间:2023-08-16
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:156.50KB
生物表面活性剂研究进展.docx
《生物表面活性剂研究进展.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《生物表面活性剂研究进展.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
生物表面活性剂研究进展
生物表面活性剂研究进展
生物表面活性剂概述
表面活性剂是一类少量加入就能大幅度降低溶剂表面张力,并能明显改变体系的界面性质和状态,从而产生润湿、乳化、起泡、洗涤、分散、抗静电、润滑、加溶等作用的两性化合物。
表面活性剂能在相界面上形成分子层,具有降低界面能量的特性,因而被广泛应用于工业领域。
目前,大多数表面活性剂主要以石油为原料经化学合成而来,由于受化工原料、产品的理化特性及其在生产和使用过程对环境造成严重污染等原因,使表面活性剂的应用前景受到极大的挑战。
图1.SDBS
为了改进和提高表面活性剂的性能,研究人员开始利用生物技术合成表面活性剂即生物表面活性剂。
生物表面活性剂是指利用酶或微生物通过生物催化和生物合成法得到的具有一定表面活性的代谢产物。
它们在结构上与一般表面活性剂分子类似,即在分子中不仅有脂肪烃链构成的非极性憎水基,而且含有极性的亲水基,如磷酸根或多烃基基团,是集亲水基和憎水基结构于一身的两亲化合物。
与化学合成表面活性剂相比,除具有降低表面张力、稳定乳化液和发泡功能外,生物表面活性剂还具备良好的热稳定性和化学稳定性;结构复杂;乳化和破乳能力强;无毒、用量少;与生态环境相容,能被微生物完全降解等优良性能,因而生物表面活性剂属“绿色表面活性剂”。
由于具有上述优良特性,生物表面活性剂将逐渐取代化学合成表面活性剂,广泛应用于医药食品、环境工程、石油工业、污水处理、生态修复和化妆品等领域。
生物表面活性剂的形成是依靠微生物对培养基的生物降解而完成的,作为培养基的可以是正构烷烃、植物油、糖类甚至工业废料。
许多微生物都可以仅依靠烃类为单一碳源生长,如:
酵母菌和真菌主要利用直链饱和烃,细菌则除了降解异构烃成环烷烃意外,还利用不饱和烃和芳香族化合物。
在微生物利用烃类时,烃类必须通过外层亲水细胞壁进入细胞内,在烃降解酶的作用下而被降解,为了解决烃基质的憎水性问题,各种微生物都产生有利于烃基质被动扩散而进入细胞内的效应,也就是生成了表面活性剂,使培养基中的烃基质乳化,从而使烃基质能够进入细胞内。
一些细菌和酵母菌分泌出离子型表面活性剂,如Pseudomonassp.产生的鼠李糖脂或由Torulopsissp.产生的槐糖脂。
另一些微生物产生非离子型表面活性剂,如Candidalipolytica和Candidatropicalis在正构烷烃中培养时产生细胞壁结合脂多糖,Rhodococcuserythropolis、Arthrobacterparaffineus和Mycobacteriumsp.产生非离子海藻糖脂。
生物表面活性剂研究概况
早在20世纪40年代,Zobell在研究硫酸盐还原细菌从沙粒中释放原油的机制时就指出,微生物产生表面活性剂是细菌驱油的主要机制之一。
1949年利用假单胞菌生产生物表面活性剂鼠李糖脂。
1955年Hasking发现黑粉菌在葡糖糖培养上可产生赤藓糖醇、甘露糖和高级脂肪酸酯化的糖脂。
1957年,捷克的Dostalek和Spumy把脱硫弧菌(Desulfovibrio)和假单胞菌同糖蜜一起注入油层,原油产量提高。
他们认为,可能是细菌产生的表面活性物质,改变了岩石-油-水三相系统的界面张力所致。
60年代后,石油工业开始发展,微生物对烃类物质的乳化机制引起关注。
对提取的微生物表面活性剂集中于结构、性能、生物合成及调控的研究。
1968年,Arima等首次从枯草芽胞杆菌发酵液中发现表面活性素(Surfactin),该化合物具有较强的表面活性,属于脂肽类表面活性剂。
1979年Belsky从乙酸不动杆菌的发酵液中分离出由杂多糖和脂肪酸构成的脂多糖。
20世纪70年代后期,研究发现可以利用生物合成法生产生物表聚甘油脂肪酸酯。
1996年张念湘用硅胶吸附糖和脂肪酶,在有机溶剂中与乙酸酐酰化合成糖脂。
1997年Nakayama等利用重组枯草杆菌生产一种新型的Surfactin。
2001年Veenanadig等将枯草杆菌FE-2接种在以小麦糠为原料的30L的生物反应器中,得到一种能分散有机磷杀虫剂Fenthion的生物表面活性剂。
近年来,随着研究的不断深入,出现了一些新型生物表面活性剂,如蔗糖酯是一种新型的多元醇型非离子表面活性剂。
赵裕蓉等将解烃棒状杆菌接种在以蔗糖为唯一碳源的培养基上能够产生蔗糖酯,并对其进行了定性定量检测。
目前,英国、加拿大和日本等国家的研究人员对生物表面活性剂进行了大量的基础研究和应用开发,研制了一些新型表面活性剂,极大地拓宽了表面活性剂的应用领域。
国内对生物表面活性剂的研究较晚,大多数处于实验研究阶段,主要针对生物表面活性产生菌的筛选和培养条件的优化方面进行研究和探索。
生物表面活性剂分类
目前为止,生物表面活性剂按照化学结构分类可主要分为五大类。
(1)糖脂类生物表面活性剂。
如:
绿脓杆菌产生的鼠李糖脂、红色球菌产生的海藻糖脂和酵母菌产生的槐糖脂等;
(2)含氨基酸类生物表面活性剂。
如:
枯草杆菌产生的脂肽和棒状杆菌产生的脂蛋白等;(3)磷脂类生物表面活性剂;(4)脂肪酸类生物表面活性剂。
如:
棒杆菌和不动杆菌产生的甘油酯,棒杆菌和节杆菌产生的脂肪酸等;(5)结合多糖、蛋白质类高分子生物表面活性剂。
如:
不动杆菌属和酵母菌产生的脂多糖复合物等。
在生物表面活性剂中,阴离子或中性表面活性剂较常见,而阳离子表面活性剂比较少。
生物表面活性剂分子的疏水部分主要由长链脂肪酸、羟基脂肪酸或α—烷基—β—羟基脂肪酸构成,亲水部分主要是碳水化合物、氨基酸、环肽、磷酸盐、羧酸、乙醇等。
生物表面活性剂类别
来源微生物
鼠李糖脂
胞外乳化剂;产碱假单胞菌;醋酸钙不动杆菌;阿氏肠杆菌;霍氏肠杆菌;玉米细菌性枯萎病菌;泛菌属
槐糖脂
球拟酵母
表面活性肽
枯草芽孢杆菌
海藻糖四脂
藤黄微球菌
杂多糖类
威尼斯不动杆菌
蛋白类
抗辐射不动杆菌
海藻糖二霉菌酸酯
红平红球菌
地衣素
地衣芽孢杆菌
粘液菌素
荧光假单胞菌
甘露糖赤藓糖醇脂
甘蔗黑穗病菌
胞外乳化剂
戈登氏菌
以下简单介绍几种典型的生物表面活性剂。
鼠李糖脂
生物表面活性剂中被研究较多的是铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa,原称绿脓杆菌)产的鼠李糖脂。
图1和图2为鼠李糖脂的化学结构通式,其亲水基团一般由1-2分子具有不同碳链长度和饱和或不饱和脂肪酸构成。
在生物合成过程中,这些基团之间可能相互链接而生成多种化学结构相近的同系物,研究表明铜绿假单胞菌能够以烷烃C11和C12、琥珀酸、丙酮酸、柠檬酸、果糖、甘油、橄榄油、葡萄糖和甘露醇等作为碳源产鼠李糖脂,当P.aeruginosaKY4025在正烷烃中培养时则主要生成单鼠李糖脂RhaC10C10和双鼠李糖脂Rha2C10C10。
而鼠李糖脂的结构和产量取决于发酵工艺、pH值、营养成分、培养基以及温度等培养条件。
鼠李糖脂是一种阴离子表面活性剂,它们不仅溶于甲醇、氯仿和乙醚,在碱性水溶液中也表现出良好的溶解特性。
然而鼠李糖脂最突出的特性是它的表面活性,如能显著降低水的表面张力,改变固体表面的润湿性,具有乳化、破乳、消泡、洗涤、分散于絮凝、抗静电和润滑等多种功能。
一般地,鼠李糖脂表面活性剂能使水的表面张力从72mN/m降至30mN/m左右,使油水界面张力从43mN/m降至1mN/m左右。
在不同组成的培养基及培养条件下,不同菌株生产得到的鼠李糖脂各同系物组成及含量均各异,因此表面性质也各有差别。
双鼠李糖脂Rha2C10C10表现出的临界胶束浓度(CMC,5mg/L)低于单鼠李糖脂RhaC10C10的临界胶束浓度(CMC,40mg/L),而亲水性更强的鼠李糖脂RhaC10和Rha2C10的CMC则为200mg/L。
图2.鼠李糖脂
图3.鼠李糖脂
槐糖脂
槐糖脂是糖脂中重要的一员。
槐糖脂是由假丝酵母菌属等非致病类酵母菌产生的一种胞外糖脂,产量高达400g/L,具有较好的表面性能以及生物可降解性、环境相容性、低毒性等优点,在食品、医药、化妆品、冶金、石油开采、环境修复和纳米技术等许多领域中得到了不同程度的应用。
除了具有较好的表面特性,槐糖脂还具有抑菌、抗病毒、抗肿瘤、抗炎等多种生物活性。
不同类型的槐水基团两部分构成,亲水部分由槐糖(sophorose)构成,疏水部分由羟基脂肪酸构成,二者通过β—糖苷键连接。
微生物通常不会合成单一分子结构的槐糖脂,而是合成结构略有不同的槐糖脂分子的混合物。
这些差异主要体现在槐糖脂中槐糖分子是否发生乙酰化,以及是否与脂肪酸生成内酯,据此可将槐糖脂分为酸型和内酯型两种。
图4.槐糖脂
表面活性肽
另一种典型产生物表面活性剂的微生物是枯草芽孢杆菌,所产生物表面活性剂属于脂肽,通常称为表面活性肽。
表面活性肽是一种功能非常强大的表面活性剂,在浓度只有0.5mg/L的情况下仍然能将表面张力降低至27mN/m。
早在研究的初期,人们已经发现了表面活性肽是一个具有内酯环结构的β-羟基脂肪酸七肽,Bonmatin利用H-NMR指纹图谱技术进一步报道了它的三维结构。
表面活性肽在空间上多呈β片状折叠结构,在水溶液及空气/水的界面看上去有点类似于马鞍状,而它的增溶和表面活性特征往往取决于分子的排列情况。
图5.表面活性肽
海藻糖脂
目前对海藻糖脂的生产研究相对较少。
海藻糖脂具有很好的抗腐蚀性、抗辐射性、抗干燥脱水保护等作用,为生物分子、细胞膜、细胞器以及医用生物制品的保存、运输和使用带来极大的方便。
海藻糖脂尚未进行大规模生产及应用,主要瓶颈在于碳源的成本过高和产量较低。
碳源是培养基中的限制性因素,影响海藻糖脂的产量、表面张力、乳化能力等。
磷脂
磷脂是一类含有磷酸的脂类,机体中主要含有两大类磷脂,由甘油构成的磷脂称为甘油磷脂;由神经鞘氨醇构成的磷脂,称为鞘磷脂。
其结构特点是:
具有由磷酸相连的取代基团(含氨碱或醇类)构成的亲水头和由脂肪酸链构成的疏水尾。
在生物膜中磷脂的亲水头位于膜表面,而疏水尾位于膜内侧。
磷脂是重要的两亲物质,它们是生物膜的重要组分、乳化剂和表面活性剂(表面活性剂是能降低液体,通常是水的,表面张力,沿水表面扩散的物质)。
磷脂是生物膜的重要组成部分,其特点是在水解后产生含有脂肪酸和磷酸的混合物。
根据磷脂的主链结构分为磷酸甘油脂和鞘磷脂。
磷酸甘油酯phosphoglycerides主链为甘油-3-磷酸,甘油分子中的另外两个羟基都被脂肪酸所酯化,噒酸基团又可被各种结构不同的小分子化合物酯化后形成各种磷酸甘油酯。
体内含量较多的是磷脂酰胆碱(卵磷脂)、磷脂酰乙醇胺(脑磷脂)、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰甘油、二磷脂酰甘油及磷脂酰肌醇等,每一磷脂可因组成的脂肪酸不同而有若干种。
鞘磷脂sphingomyelin鞘磷脂是含鞘氨醇或二氢鞘氨醇的磷脂,其分子不含甘油,是一分子脂肪酸以酰胺键与鞘氨醇的氨基相连。
鞘氨醇或二氢鞘氨醇是具有脂肪族长链的氨基二元醇。
有长链脂肪烃基构成的疏水尾和两个羟基及一个氨基构成的极性头。
鞘磷脂含磷酸,其末端烃基取代基团为磷酸胆碱酰乙醇胺。
人体含量最多的鞘磷脂是神经鞘磷脂,由鞘氨醇、脂肪酸及磷酸胆碱构成。
神经鞘磷酯是构成生物膜的重要磷酯。
它常与卵磷脂并存细胞膜外侧。
生物表面活性剂合成方法
天然物提取法
磷脂、卵磷脂类等生物表面活性剂是从蛋黄或大豆中分离提取出来,皂角苷是从植物体内提取的,这类生物表面活性剂的来源都是天然生物原料,但是此方法受到原料限制,难以大量生产。
微生物发酵法
生物表面活性剂多数由细菌、酵母菌、真菌等微生物产生。
通过微生物发酵生产生物表面活性剂,根据不同的微生物和目标分子,生产表面活性剂的微生物发酵法可分为四种:
生长细胞法,代谢控制的细胞生长法,休止细胞法以及加入前体法。
与其他合成方法相比,微生物发酵法具有以下优点:
(1)微生物发酵生成的生物表面活性剂一般结构复杂,表面活性高,其他方法难以合成。
DavidGutnick等以乙酸不动杆菌RAG-1在常温下合成了一种类似生物聚合物的大分子生物表面活性剂,乳化性能好,产量高,可作为生物乳化剂;
(2)原料来源广泛,生成的表面活性剂可完全降解,对环境不会造成危害,例如脂肽类生物表面活性剂的主要生产菌种枯草芽孢杆菌,可利用葡萄糖、蔗糖和可溶淀粉等碳源发酵生产;(3)工艺简单,成本低,具有很高的经济价值,适合大量生产。
Dogan将透明颤菌血红蛋白基因插入到污泥登式菌中,并使其进行稳定表达,发酵实验显示其产物海藻糖脂的产量提高了4倍多。
酶催化法
酶催化合成法主要应用于合成一些结构较简单而表面活性高的生物表面活性剂。
酶催化法在常温常压下就能进行,反应产率高,副反应少,后处理过程简单,产物易回收,而且酶在非极性溶剂中或微水条件下仍能很好地发挥其催化作用,这极大地拓展了酶催化法合成生物表面活性剂的应用范围。
固定化酶技术和非水介质酶催化技术是目前最重要的两种酶技术。
PernillaTurner为了增加反应物在非水介质正己醇中的溶解度,然后使用β—葡萄糖苷酶B作为催化剂进行反应,得到糖脂衍生物。
虽然酶催化优点很多,但是酶制剂价格昂贵,成本太高,在一定程度上大大限制了其在工业生产中的的发展。
目前正在研究的外源多酶联合催化技术,在体外将多酶串联或共同作用,模拟了内源多酶联合催化过程,并使其处于可控状态,将整胞微生物代谢法的优点嫁接到外源酶催化法上来,使其合成生物表面活性剂具有更大发展潜力。
动植物细胞内提取法
目前,从动植物体如蛋黄、大豆、黄豆、羊毛和茶叶等生物中分离提取的生
物表面活性剂主要有卵磷脂、胆甾醇、羊毛脂、茶皂素、蛋白质、皂苷类、糖类
及烷基多苷等。
这类表面活性剂无毒副作用、安全性高、易被生物降解,并具有
良好的乳化性和表面活性,广泛应用于食品、医药、洗涤用品和化妆品等工业领域。
但由于受到原料来源的限制,动植物细胞内提取生物表面活性剂难以大规模生产。
生物表面活性剂应用
石油工业
人们对生物表面活性剂的兴趣最早源于石油工业,且目前也是最主要的应用领域。
通过筛选合适微生物和改变生长条件可以生产出满足不同原油和地质条件的生物表面活性剂。
微生物强化采油(mi—crobialenhancedoilrecovery,简称MEOR技术)是生物表面活性剂最为重要的应用领域。
在油田中注入一些微生物和其生长所必须的营养物质,微生物在生长的同时,可以产生生物表面活性剂,这些生物表面活性剂能降低原油和水两相界面的张力,从而提高原油的开采量。
与化学合成生物表面活性剂相比,生物表面活性剂可被微生物降解,不会对环境造成污染。
微生物驱油和化学驱油最大的不同是微生物不但可沿注水压差方向运移,还可在油层中纵深迁移,大大提高了水驱或化学驱的效率。
地衣杆菌JF—2是目前研究最多的产生物表面活性剂的菌种。
Lin用地衣芽孢杆菌JF—2产生的生物表面活性剂具有较高的表面活性,界面张力可达到1.6×10-5N/m。
Marsh发现乙酰丁醇芽孢杆菌和JF—2可将油田采收率提高21%和23%。
M.E.Singer是以正烷烃、芳香烃和原油为碳源、用H—13细菌产生的乙二醇脂表面活性剂,能降低原油黏度95%以上,由原来6.510Pas降到0.145Pas,并形成稳定的水包油乳状液。
德国用酵母菌Torulopsisbombicola生产的槐糖脂具有较强的驱油能力,石油采收率可达87%。
厌氧和好氧生物表面活性剂,可以使油水界面张力降低到10-5N/m以下,残余采收率为37.7%~87.7%。
Wagner利用实验室用海藻糖等生物表面活性剂在北海油田驱油实验。
加入海藻糖50mg/L,驱油效率提高30%,与一般表面活性剂相比,驱油效果增大5倍。
直接向地下注入产生生物表面活性剂的微生物,并配以适当的营养物质,以地下石油为唯一碳源,将油层当作生物反应器的微生物驱油技术,是目前国内外攻克的主要难题。
微生物在与原油作用的同时,会产生有利于提高原油采收率的代谢产物和某些小分子的有机酸、有机溶剂等,能降低油水界面张力,又使油层的通透性增强。
在此基础上,生物表面活性剂和其他表面活性剂复配,可降低三元复合驱油表面活性剂的用量。
Evans等进行了单独的化学驱、微生物驱、微生物化学驱的对比实验。
结果发现,微生物化学驱比其他单独驱提高的采收率值都高,可以减少3次采油的费用。
环境工程
1.生物修复
利用生物表面活性剂能够增强水性化合物的亲水性和生物利用度,使环境污染物不断降解,该技术称为生物修复(bioremediation)。
用生物表面活性剂可以修复被烃类和原油污染的土壤。
铜绿假单孢杆菌(P.aeruginosa)UG2可以降解土壤中的烷烃,效果优于十二烷基硫酸钠(SDS);P.aeruginosa产生的鼠李糖脂可以明显增加三环芳烃的水溶性,是使用SDS效率的2倍。
由镶边假单孢杆菌Pseudo—monasmarginalis产生的鼠李糖脂可以增加菲的水溶解性和生物降解性能。
单孢杆菌Pseudomonasspp、海杆菌Marinobacter.spp和鞘氨醇单胞菌Sphingomonas.spp均可以降解土壤中的萘。
嗜热枯草杆菌thermophilisBacillus可以降解萘;从海洋泥土沉积物中分离得到的芽孢杆菌B.naphtho—vorans也可用于萘的降解。
2.用于浮选
针铁矿(Fe(OH)3)是一种非常重要的矿产资源,可以吸附土壤和工业废水中有毒的金属离子。
用针铁矿吸附、共沉淀金属离子,再用生物表面活性剂作为絮凝剂载体,可将金属离子分离出来。
Zouboulis用地衣芽孢杆菌(Bacilluslichenifoumis)产生的lichenysinA和从枯草芽孢杆菌(Bacillussultilies)产生的枯草菌脂肽(Surfactin)处理含金属离子的针铁矿,将Zn和Cr(VI)浮选出来。
结果发现,Surfactin的效果优于lichenysin。
在质量浓度为250mg/LSurfactin液中,得到50%的Zn,而在40mg/L的Surfacin,100mg/L的针铁矿中,Cr(VI)的浮选效率可达60%。
食品工业
在食品工业中生物表面活性剂可作为食品添加剂、乳化剂、风味剂等。
产朊假丝酵母(Candidauti—lis)产生的新生物乳化剂已应用于色拉调味上;牛乳嗜热链球菌产生的生物表面活性剂可以阻止产生的异味嗜热链球菌增殖;生物表面活性剂和蔗糖酯一起可应用于果品保鲜;鼠李糖可以生产香料,也可作为品添加剂加入高档咖啡、饮料、面包、肉制品中。
生物表面活性剂是食品补充物的重要部分,提供人体所需的矿物质和维生素,一些由前生命期微生物产生的稳态营养复合物和副产物,可以提高矿物质和维生素的生物利用率、吸收、使用效果,同时分泌一些人体所必须的生物化学物质,如抗氧化超氧化物歧化酶、免疫支持体β—葡萄糖、抗菌性肽类、生物素、辅酶等。
展望
资源的紧缺以及人类环保意识的加强,将进一步推动绿色表面活性剂工业的发展。
当前,世界表面活性剂市场呈稳定而缓慢的增长趋势,更多新型、性能优良、易生物降解、高效、安全的表面活性剂出现,会给人们的生活和工业生产注入活力。
根据国外一些大公司及专家预测,未来表面活性剂工业发展趋向主要是:
(1)提高表面活性剂的生物降解性。
表面活性剂的可生物降解性将成为未来表面活性剂发展的重要方向,生命周期评价也将成为表面活性剂绿色化过程中的一个重要指标;
(2)大力开发和利用天然可再生资源。
开发和利用天然脂肪醇和棕榈油、糖类、淀粉等原料制备表面活性剂,可最大限度的降低表面活性剂中的有毒物质,使其符合生态与环保要求;(3)反应过程的绿色化。
采用绿色原料、催化剂、溶剂以降低表面活性剂在制备过程对环境产生的污染;(4)表面活性剂的功能性和有效性。
开发和制备一批具有高效功能性的表面活性剂,具有重要的意义。
但是在研究和开发绿色表面活性剂产品的同时,应进一步加大绿色表面活性剂的使用力度,促使我国绿色表面活性剂事业实现飞速发展,进而带动我国其他行业的快速发展。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 生物 表面活性剂 研究进展
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)