生物表面活性剂综述

生物表面活性剂

摘要： 关键词：

随着人类生活水平和坏境意识的提高，人们对食品和环境的关注也进一步加强。近年来作为食品和环境中极其重要的一种物质—表面活性剂也受到人们的关注，传统的表面活性剂（多指化学表面活性剂）在食品中的安全隐患和在环境污染也被越来越重视，进而促进新型表面活性剂的出现，生物表面活性剂应运而生。生物表面活性剂（biosurfactant）是指利用酶或微生物等通过生物催化和生物合成等生物技术从微生物、植物和动物上得到的集亲水和憎水基结构于一体的具有表面活性的天然表面活性剂[1]。与化学合成的表面活性剂相比，它具有降低表面张力、分散性、生物降解性、环境相容性等特性，同时还具有低毒或无毒、化学结构多样、在极端温度、pH等极限条件下也具有更好的选择性和专一性。由于这些优点，生物表面活性剂具有广阔的应用前景。

1 生物表面活性剂的分类

生物表面活性剂种类繁多，按其不同的作用有以下分类方式： 按化学结构 按来源 按用途 生物表面活性剂 生物乳化剂 整胞生物转化法 酶促反应 以糖为亲水基团糖脂。如海藻糖脂、鼠李糖脂。 以低缩氨基酸为亲水基团的含氨基酸脂。如脂肽、脂蛋白等。 以磷酸基为亲水基团的磷脂。如磷脂酰丝氨酸、磷脂酰甘油等。 以羧酸基为亲水基团的脂肪酸中性脂。如脂肪酸、脂肪醇等。 结合多糖、蛋白质及脂的聚合物。如脂杂多糖、脂多糖复合物等。 特殊型生物表面活性剂。如全胞、膜载体等。 2 生物表面活性剂的特性

生物表面活性剂是一类两亲分子，其中含有亲水基团和亲脂基团。亲水基团主要是极性基团，如单糖、多糖、羧基、氨基等离子或分离子形式；而疏水基团

主要是非极性基团，如长链烃类、饱和或不饱和脂肪酸等。由于其特殊化学结构所以能在两相界面（如水油界面、水汽界面等）定向排列形成分子层，降低其界面张力或表面张力。例如这种性质在乳制品中具有十分重要的作用，它改善物质起泡性和泡沫稳定性，同时还具有无毒、口感好的优点。与合成表面活性剂相比较，它也有自己的独特之处。

2.1 具有良好的化学稳定性和热稳定性。如由地衣芽孢杆菌(Bacillus licheni formis)产生的脂肽在75℃时至少可耐热140h。生物表面活性剂在pH5.5~12保持稳定，当pH小于5.5时，会逐渐失活。

2.2 生物表面活性剂化学结构更为复杂，空间构象多而具有更大的开发潜力，如改性技术改善其溶解性、乳化性等。由于其种类繁多，弥补了部分化学不能合成的复杂大分子活性剂或化学不能合成的新型化学基团。

2.3 生物活性剂对环境友好，能完全微生物生物降解，没有污染和破坏。其产品本身无毒、使用量少且 生物相容性好，可广泛应用于药品、化妆品及食品添加剂等领域。

2.4 部分生物表面活性剂自身就具有很多生理、药理和免疫等功能，如生物活性肽类物质。

3 生物表面活性剂活性的评价方式

生物表面活性剂的活性评价方式主要有三种[]：

（1）表面张力和临界胶束浓度CMC（critical micell concentration）

蒸馏水的表面活性张力为72mN/m左右，增加表面活性剂后可将水溶液的表

面张力降至26~27mN/m。随表面活性剂增加到油/水或水/油体系，表面张力一直减小直到一个临界水平时，活性剂将很容易交联形成超分子结构，如胶团、双分子层等。这个临界值叫着临界胶束浓度CMC，被常用于测定表面活性剂的功效。CMC越低，说明表面活性越高【】。 （2）乳化液的稳定性

一液相以微液滴的方式分散到另一连续的液相之中形成乳液，表面活性剂能

够稳定乳液或破乳作用。

4 生物表面活性剂的制备

生物表面活性剂主要采用微生物发酵、酶法和从动植物材料中提取三种方

法，其中微生物发酵和酶法应用较为广泛。

4.1 微生物发酵法产生生物表面活剂

微生物在一定条件下进行培养后，分泌一种胞外两亲代谢物，如单糖脂类、

多糖脂类、脂蛋白类或类脂衍生物等。其中糖脂类是研究最广泛、最深入的一类生物表面活性剂，代表物有鼠李糖脂、2?葡糖?是如下：

OH2CHC(CH2)6CH3OHCHOHCCOOHCH2OROHOHCH2OROOOHOHH3CHOOC(CH2)n(CH2)m??葡糖苷、海藻糖脂，其结构

OHCH3O(CH2)6CH3OOOHOHOOCH3OHOH

H

鼠李糖脂 2?葡糖???葡糖苷

4.1.1 生物表面活性产生菌的选育

选育产生菌最关键的步骤是建立有效的筛选模型，1984年Mulligan等人【】

建立血平板筛选模型，依据某些生物表面活性剂(尤其是水溶性糖脂和脂肽)能够溶解红血球的特性。另外Van der vegt等人【】建立了轴对称液滴形状分析法(ADSA.P法)，测定培养液在氟代乙烯?丙烯表面的表面张力来检测生物表面活性剂产生菌。

另外还有一些其它较为简单的测定方法，如快速泡沫实验，薄层层析法，乳

化指数值测定（特别适合乳化生物活性剂）等。 4.1.2 生物表面活性剂产量影响因子

碳源和溶氧条件是生物表面活性剂常量主要的影响因子，其中不同碳源还对

活性剂成分有影响，如Pseudomonas菌在以正烷烃为唯一碳源的培养基中产生大量的鼠李糖脂，而在果糖或葡萄糖中培养基中只产生少量的鼠李糖。溶氧这

5 Davis D A，Lynch H C，Varley J.The production of Surfactin in batch culture by Bacillus subtilis ATCC21332 is strongly influenced by the conditions of nitrogen metabolism.Enzyme and MicrobialTechnol.，1999，25：322～329

培养基中的其余成分都可能对生物表面活性剂的产生有重要影响，如限制一

种或几种培养基成分（通常限制氮源）；控制C/N比；多价微量元素成分（Fe+2、Ca+2、Mg+2等）。

4.2 酶法合成生物表面活性剂

酶合成法生产条件温和（可在常温和常压下进行），反应具有专一性，可获

得高含量的目标产物且产物易回收，对环境污染少等特点，所以发展快速。目前酶合成法的主流是以非极性溶剂和无溶剂法合成生物表面活性剂，并获得了较高产率。特别是现代生物技术的发展，可以利用基因工程和蛋白质工程设计特定的、高效的酶具有重大意义，使酶合成具有较大的潜力。

目前应用酶合成生物表面活性剂主要有以下几种类型。

4.2.1 单酰化甘油酯合成

单酰化甘油酯的化学合成是在高温高压下进行，能量消耗大，产物不易分离，成本高。利用酶法在常温和常压下合成节约资源，减少副反应产生。

酶合成脂肪酸单甘油酯按其原料种类分则有：天然油脂水解、醇解；酯交换法；直接酯化法，其合成方式如下图。

H2CCHH2COOOCORCOR+2H2OCOR1,3-脂肪酶H2CHCH2COHOOHCOR+RCOOH

天然油脂水解

H2CCHH2COHOH+RCOOHOH酶H2CHCH2COHOOHH2CCOR+HCH2COOHOHCOR

直接酯化法

4.2.2 糖脂类合成

此类合成由于反应底物糖类是亲水物，而长链脂肪酸具有较强的憎水性，所

以必须找到一种合适的溶剂或方式，以使反应顺利的进行。目前常用的两种方法为糖基上引入修饰基团（如异亚丙基或丙烷）和烷基糖苷式修饰。其合成方式如下图。

游离糖修饰被修饰糖酶促反应被修饰糖脂去修饰糖脂

糖脂的修饰合成过程

4.2.3 氨基酸类合成

氨基酸类生物表面活性剂具有良好的乳化性、溶解性、起泡性和灭菌性，在

食品中具有推广应用前景。

4.2.4 磷脂类合成与修饰

磷脂分子结构内有多个官能团，利用酶的高度选择性和专一性。如利用不同的酶对磷脂酰胆碱可以生成磷酸酰甘油和溶血磷脂等一系列表面活性剂，其过程反应方程式如下图。

4.3 动植物材料中提取生物表面活性剂

我国动植物资源丰富,蕴含丰富的表面活性剂，如我国古代皂角的使用。现在从利用食用大豆油精炼副产品制取表面活性剂方法简介从，蛋黄分离提取磷脂、卵磷脂等表面活性剂，这些提取物已广泛应用于食品、医药、化妆品等工业。但由于杂质较多、分离步骤较多、相对成本较高等原因，限制部分生物表面活性剂的大规模生产。

5 生物表面活性剂的分离提纯

在食品、医药等其它行业对生物表面活性剂的纯度要求较高，一般生产出来

的产物都需要进行分离提纯。工业大多数的产物分离提纯主要有有以下几种方法：萃取、结晶与沉淀、超滤、泡沫色谱分离等。其中萃取是经典的表面活性剂提取方法之一，特别是利用甲醇、乙醚、丁醇等有机溶剂对亲油性生物表面活性剂的提取。结结晶与沉淀也是经典的表面活性剂提取方法之一，主要依据各组分在溶剂中溶解度的差异，使某些组分从溶液中结晶，用离心或过滤收集沉淀。超

滤法是从发酵液中提取生物表面活性剂的一种新方法。泡沫是由于发酵过程的快速搅拌和好氧微生物培养液中充氧气等产生。Davis等在这方面进行了研究。他们用泡沫分离法对一类生物表面活性剂surfactins进行了提取和浓缩，认为泡沫分离是一种有效的生物表面活性剂分离方法。

6 生物表面活性剂的应用

6.1 生物表面活性剂在食品工业中应用

生物表面活性剂在食品行业中可作为食品添加剂、乳化剂、风味剂、保鲜剂

等。如蔗糖酯可加入果糖、面包、蛋糕中，改善食品品质，同时还可以用于水果保鲜，李江云等；磷脂、卵磷脂等常做食品工业乳化剂和稳定剂；鼠李糖脂可产生香料，加入高档咖啡、饮料等产品中。 6.2 生物表面活性剂在医学领域中应用

生物表面活性剂有抗生素和抑制人类免疫缺陷病毒生长的作用；红串红球菌

产生的琥珀酰海藻糖脂能够抑制单纯疱疹病毒和流感病毒【】；Joachim等发现枯草杆菌C1株产生的脂肽N1能够抑制多种革兰阳性菌的活性，是一种非常有潜力的抗菌剂【】。

6.3 生物表面活性剂在化妆工业中应用

蔗糖酯能改善化妆品的水洗性能，增加皮肤的光润和滑嫩性；磷脂在细胞代谢和细胞膜渗透性调节方面起着重要作用，在化妆品中可作为保湿剂、乳化剂、抗氧化剂等，赋予皮肤柔软性和润湿性。槐糖脂具有良好的皮肤亲和性，可作为皮肤保湿剂用于化妆品中，还可用于制造洗涤剂、增加感光乳剂的稳定性等。 6.4生物表面活性剂在石油工业中应用

生物表面活性剂主要用于采油后期过程，当原油经过一次和二次采油之后地

下剩余原油仍然较高，为了提高采油率，常向下油层注入生物活性剂降低油/水界面张力，使重烃组分和油层岩石的润湿性改变，降低原油粘度，从而达到驱油、提高采油率的目的。

7 发展前景

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