生物表面活性剂及其应用

第40卷第4期

2010年8月

ChinaSurfactantDetergent&Cosmetics

日用化学工业

Vo.l40No.4Aug.2010

生物表面活性剂及其应用

赵国文,张丽萍,白利涛

(四川理工学院材料与化学工程学院,四川 自贡 643000)

摘要:简要介绍了生物表面活性剂相对于化学合成表面活性剂的特性、分类和制备方法;重点综述了生物表面活性剂在石油、医药、化妆品、农业、食品和环境工程等领域的应用,展现了生物表面活性剂有望取代化学合成表面活性剂,成为绿色表面活性剂发展的重要方向,提出了生物表面活性剂目前存在的主要问题和发展前景。关键词:生物表面活性剂;特性;应用

中图分类号:TQ423 文献标识码:A 文章编号:1001-1803(2010)04-0293-03

Biosurfactantsanditsapplications

ZHAOGuo-wen,ZHANGLi-ping,BAILi-tao

(DepartmentofMaterialandChemicalEngineering,SichuanInstituteofScienceandTechnology,Zigong,Sichuan 643000,China)

Abstract:Theproperties,classificationsandpreparationmethodsofbiosurfactantswereintroducedbriefly The

applicationsofbiosurfactantsinvariousfieldssuchaspetroleumexploi,tpreparationofmedicals,cosmetics,foodproductsaswellasinagricultureandenvironmentalprotectionwerereviewed Biosurfactantswouldbecomeanimportanttrendofthedevelopmentofgreensurfactantstosubstitutetheconventionalchemicalsurfactants Theprospectandcurrentmainprobleminthedevelopmentofbiosurfactantswereputforward Keywords:biosurfactan;tproperty;application 表面活性剂广泛应用于日常生活、工农业及高新技术领域,是当今最重要的工业助剂。大多数表面活性剂都是以石油化工产品为原料合成,在生产和使用过程中常常会带来严重的环境污染问题。随着人们环保意识的增强,许多不降解、难降解或降解周期长的表

[1-2]

面活性剂陆续受到限制。于是生物表面活性剂在20世纪70年代后期应运而生,成为国际生物工程领域中发展起来的一个新课题。

生物表面活性剂不仅具有优良的化学性质,而且还对人体、牲畜无毒无害,对人类赖以生存的环境无污染,能很快被生物降解等,同时其生产过程是一个环境净化、废物利用、变废为宝的过程,这引起了人们对生物表面活性剂的强烈兴趣,使得开发生物表面活性剂成为绿色表面活性剂发展的重要方向。

[3]

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高表面活性的

[4]

天然表面活性剂。生物表面活性剂是表面活性剂家族中的后起之秀,同一般化学表面活性剂相比,除具有显著降低表面张力、稳定乳状液、较低临界胶束浓度等特点外,还无毒或低毒;良好的选择性、专一性及生物相容性;结构多样性;具有抗菌、抗病毒及抗肿瘤等药理作用和免疫功能;可生物降解,对环境友好;可由工业废料生产,利于环境治理等特性。

生物表面活性剂有多种来源、多种生产方法、多种

[8]

化学结构和多种用途,因而可作多种分类。按来源可分为全微生物细胞代谢法生物表面活性剂、酶催化法生物表面活性剂和天然生物表面活性剂;按其离子类型可分为非离子型、阴离子型和阳离子型表面活性剂;按化学结构可分为糖脂类、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂类、高分子聚合生物表面活性剂和微粒生物表面活性剂;按用途分为生物表面活性剂和生物乳化剂。

[6-7]

[5]

1 生物表面活性剂的特性、种类及制备方法

1 1 特性与种类

生物表面活性剂是利用酶或微生物等通过生物催

1 2 制备方法

全微生物细胞代谢法:全微生物细胞代谢法合成

收稿日期:2009-12-30;修回日期:2010-04-28

作者简介:赵国文(1972-),男(汉),四川德阳人,工程师,硕士研究生,电话:[1**********],E-mai:[email protected]。通讯联系人:张丽萍,教授,E-mai:[email protected]。

专论与综述

日 用 化 学 工 业

第40卷

生物表面活性剂的过程是一种在细胞内进行代谢活动的多酶联合催化的生物转化过程。生产方法包括培养发酵、分离提取和粗产品纯化3步。此法合成生物表面活性剂在技术和经济上可行,适合大量生产。

酶催化法:与全微生物细胞代谢法相比,酶催化法合成的大多是一些结构相对简单,但同样具有优越的表面活性的分子。该法还具有生产条件相对粗放,原料价廉,反应专一性强、副反应少、产物易分离纯化及固化酶可以重复利用等优点。目前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,模拟内源多酶联合催化过程并使其处于可控状态,再将全微生物代谢法的优点嫁接到外源酶催化法上来,使得酶催化法合成生物表面活性剂具有更大的发展潜力。天然生物提取法:从天然生物原料中获取有效的生物表面活性剂,分离提取相对较易,含量丰富,制备简单,成本低廉,但受到原料的限制难以大量生产

[9]

应用生物表面活性剂强化环境中有机物的降解和重金属的修复已引起广泛重视。生物表面活性剂能促进土壤颗粒上污染物的分散和增溶、有选择性地降解土壤中的烷烃污染物,还能富集土壤中有毒物质、清除及降解含Pb,Cd等重金属污染物。Scheibenbogen等

[16]

用铜绿假单细孢菌产生的鼠李糖脂来处理受烃

类污染的砂土,可分别使脂肪族烃类和芳香族烃类的

[17]

回收率达到56%和73%。Man等利用铜绿假单细孢菌产生的一种表面活性剂能溶解有毒的有机化学物质,对污染物中的六氯联苯进行回收,其回收率提高了

[18]

31%。Asha等用鼠李糖脂去除污染土壤中的Pb和Cd取得了很好的效果,在淋滤36h后,Pb和Cd的去除率分别为88%和92%,并且鼠李糖脂对土壤中的微生物没有毒性影响,也未改变土壤的结构。

。

2 2 在医药和农业中的应用

生物表面活性剂在医药行业中的应用潜力最大,具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤等性能,改善脂肪代谢和免

[19]

疫功能,使其成为新药开发的重要对象。Uchida等

[20]

古代就用皂角提取液洗涤衣物,现代用于医疗、食品、化妆品等行业中的磷脂、卵磷脂类生物表面活性剂就是从蛋黄或大豆等天然生物原料中提取出来的。

2 生物表面活性剂的应用

生物表面活性剂的特性决定其具有广泛的应用范围,其应用已渗透到几乎所有的工业领域。

研究发现红串红球菌合成的琥珀酰-海藻糖脂

[21]

能够抑制单纯疱疹病毒和流感病毒。Inoh等发现甘露糖赤藓糖醇脂MEL-A能够显著提高由某种胆固醇衍生物构成的阳离子脂质体的基因转染效率,此研究推动了人们开发安全有效的非病毒质粒载体用于基因转染和基因治疗。卵磷脂是一种天然无毒的生物表面活性剂,在医药中的应用除直接作为药物或药物添加剂外,还作为合成其他药物的原料

[23]

[22]

2 1 在石油工业和环境工程中的应用

生物表面活性剂易溶于水,在油水界面上具有良好的表面活性,可增加含油岩石的润湿性,使岩孔中的残油易于脱附,对原油具有较强的乳化降黏效果,

[11]

其驱油效率比化学合成表面活性剂高3 5~8倍。前西德的FWagner试验室研制的海藻糖脂,用于Wintershall公司在北海油田提高原油采收率实验表明,加入50mg/L海藻糖脂,驱油效率提高30%,与一般

[12]

化学合成表面活性剂相比,驱油效果增大了5倍。有些原油含有较多的石蜡和沥青质,在油井和输油管道中的沉积会给原油的开采造成很大的影响。采用加热或添加化学除蜡剂则成本较高且后续处理困难,使用生物表面活性剂能很好地解决这一难题

[13]

[10]

。LuYan

等研究表明一种新型的由卵磷脂作为乳化剂的包含维生素E的静脉注射乳液,其中100mL乳液中含有卵磷脂1 0g,实验结果表明,得到的乳液热稳定性高,而且注射时引起的疼痛较小。

在农业方面,生物表面活性剂可用于土壤改良、用作肥料、清洁、植物保护以及杀虫剂等。卵磷脂在农业中的主要作用是土壤改良

[24]

。戴芳等

[25]

研究发现以稻草

秸秆和麸皮为堆肥原料,添加鼠李糖脂后,能够改善堆肥处理的微环境,增强聚合物的水合程度,促进有机质降解,加快堆肥进程,提高堆肥产品品质。高学文等

[26]

。属于

低黏高凝原油渤断块的东营市仙河镇以南地区,井筒结蜡严重,影响了油井的正常生产,需频繁地热洗或加

清防蜡剂来改善油井结蜡现象,胜利油田孤岛采油厂利用生物表面活性剂达到了清防蜡的目的

[14]

研究发现枯草芽孢杆菌B2菌株产生的脂肽类生物表面活性剂,可用于大白菜软腐病和油菜菌核病的防治。

。高分

2 3 在化妆品和食品中的应用

生物表面活性剂在化妆品工业中也具有极大的吸引力。生物表面活性剂通过释放化妆品中的活性组分

[27]

来改善人体表皮,更重要的是安全无毒。磷脂作为生物细胞的重要组成部分,在细胞代谢和细胞膜渗透

子生物表面活性剂Emulsan因具有牢固附着在油/水界面的特性,用相对少量的Emulsan就能使O/W型乳状液稳定,可用于稠油的运输、油罐的清洗、原油的回收和稠油乳状液的直接燃烧等方面[15]

。

第4期 赵国文,等:生物表面活性剂及其应用

专论与综述

性调节方面起着重要作用,用于化妆品中不仅提高化妆品的分散性,而且起到活化皮肤呼吸,保持皮肤湿润,调整皮肤氢离子浓度等作用。槐糖苷酯除了起到乳化剂作用外,还具有抗菌作用,用于去痤疮、头屑等护肤品的基料

[29]

[28]

[11][12][13]

。用拟球酵母菌制备的槐糖脂已

[30]

被日本花王有限公司用于口红、皮肤和头发等高级化妆品的皮肤保湿剂。蔗糖酯可以改善化妆品的水

[31]

洗性能,增加皮肤的光润和滑嫩性。

生物表面活性剂具有分散、增溶、润湿和渗透等性能,这是它在食品工业可广泛应用的物质基础

[32]

[14][15][16]

。鼠

[17]

李糖脂可生产香料,也可作为食品添加剂加入高档咖

[33]

啡、饮料、面包、肉制品中。卵磷脂是食品中常用的表面活性剂,在食品涂层、巧克力、人造奶油及焙烤食品中起乳化和抗氧化作用,还可改变产品外观、质地和风味,保持脂肪类成分均匀分散。产朊假丝酵母合

[35]

成的生物表面活性剂可用作色拉调味剂。

[34]

[18]

[19]

3 展望

生物表面活性剂具有生物可降解性、更强的表/界面活性和热稳定性,其生产过程是一个环境净化、废物利用、变废为宝的过程,成为绿色表面活性剂发展的重要方向。但其产量低,成本高,在价格上无法与化学合成表面活性剂相抗衡,推广应用受到限制。为了解决这个问题,需要加强以下4个方面的研究:寻求廉价原料,改进生产工艺,降低生产成本并加强微生物的重复利用;加强菌种的遗传学研究,通过基因工程诱变育种和构建基因工程高产菌,获得更有针对性的高效生物表面活性剂,发展快速检测高产菌株并评价其潜力的方法;进行全面的毒理学研究,以保证生物表面活性剂应用的安全性;利用生物表面活性剂的特殊性,开发出它的二次产品,提高其附加值。

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