生物表面活性剂及其在食品工业中的应用进展

侯占群，高彦祥

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083）

生物表面活性剂及其在食品工业中的应用进展

侯占群，高彦祥*

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083）

化学表面活性剂所带来的环境问题使人们越来越多的关注生物表面活性剂，因为它具有低毒性及生物可降解性。生物表面活性剂具有乳液起泡性、稳定性以及抗黏性、抗微生物活性等特性，尽管目前生物表面活性剂主要用来处理污染物，但在食品工业中的应用具有很大的潜力，可用于食品加工和配方中。主要探讨生物表面活性剂的功能特性以及在食品工业中应用的进展。

生物表面活性剂；食品工业；应用

表面活性剂是一种两性物质，它同时含有亲水性和疏水性基团，从而可以减少液体、固体和气体界面间的表面或界面张力，因而广泛用于现代工业的每个领域[1-2]，如今已是当今最重要的工业助剂之一，其应用已渗透到几乎所有的工业领域，如石油开采业、环境工程、食品工业、农业和精细化工，被誉为“工业味精”。目前，几乎所有的表面活性剂都是以石油化工产品为原料，经化学合成得到，但由于化学表面活性剂所带来的环境污染问题，使得微生物来源的生物表面活性剂（Biosurfactants）越来越受到人们的关注。生物表面活性剂具有优良的乳化性和起泡性，对热、pH的稳定性，而且无毒、生物可降解，与化学表面活性剂相比，具有良好的环境兼容性，不会对环境造成不利影响[3-5]。因此，随着人们环保意识的增强，生物表面活性剂将受到广泛的关注。就生物表面活性剂的功能特性以及在食品工业中应用的最新进展进行简要概述。

1 生物表面活性剂的定义、主要来源及功能特性

1.1 生物表面活性剂的定义及主要来源

生物表面活性剂（Biosurfactants）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制备的集亲水和疏水性基团于一体的天然表面活性剂[5]。如：磷脂、糖脂以及中性类脂衍生物等，其中磷脂已广泛用于食品的生产。

生物表面活性剂的种类很多，一般根据其亲水基的不同，可分为糖脂系、氨基酸类脂系、磷脂系、脂肪酸系和高分子聚合物五类（见表1）[5-6]。此外，也可以根据生物表面活性剂分子量的大小及生物来源进行分类[7]。

1.2 生物表面活性剂的功能特性

生物表面活性剂的分子结构中既有极性基团又有非极性基团，是一类中性两极分子。亲水基团可以是离子或非离子形式的单糖、二糖、多糖、羧基或肽链；疏水基团则由饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸或带羟基的脂肪酸组成。对于蛋白质-多糖复合物等一些分子量较大的生物表面活性剂分子，其亲水和疏水部分可以由不同的分子组成。生物表面活性剂的最主要特性就是耐酸、热及离子强度、低毒性、生物可降解性以及抗菌性等。

表1 生物表面活性剂的来源及分类Table1 Classification and sources of biosurfactants

1.2.1 耐酸、热及离子强度

大多数生物表面活性剂及其表面活性并不受环境（如温度、pH、离子强度等）的影响。McInerney等[8]研究表明地衣芽孢杆菌（Bacillus liqueniformis）产生的地衣素在50℃、pH 4.5～9.0以及NaCl和CaCl2浓度分别在50 g/L及25 g/L时能够保持稳定。Nitschke等[9]获得了一种脂肽，将其加热至120℃保持20 min依然能保持稳定，并且此脂肽在pH5～11均能保持其活性。

1.2.2 生物可降解及低毒性

与化学合成表面活性剂不同的是，生物表面活性剂很容易被降解，是一种环境友好型表面活性剂[3,10]。随着消费者对环境问题的日益关注以及各国政府对具有环境污染性质的化学合成表面活性剂的限制性规定，使得生物表面活性剂作为化学合成表面活性剂的替代品而受到消费者及生产厂家的青睐[11]。

对于生物表面活性剂的毒性，虽然大部分仍处于研究阶段，但诸多研究者通过试验证明大多生物表面活性剂是无毒或低毒的，而且其毒性远远小于化学合成的表面活性剂。如Poremba等[12-13]通过比较各种化学合成表面活性剂与生物来源的表面活性剂-鼠李糖脂发现，化学合成表面活性剂毒性是鼠李糖脂的10倍左右，此外，还发现大多生物表面活性剂的降解速度明显高于合成表面活性剂。Edwards等[14]比较了3种微生物来源的表面活性剂与3种合成表面活性剂，结果发现合成表面活性剂的毒性均明显高于生物表面活性剂。

1.2.3 抗菌性

一些生物表面活性剂具有抗细菌、真菌以及病毒的功能。如Klich等[15]在玉米、花生以及棉籽的储藏过程中发现脂肽在浓度为50 mg/L～100 mg/L时具有抗真菌的功效。此外，Vollenbroich等[16]发现脂肽在80 μmol/L的浓度时便具有抗病毒功效。而且经试验证明鼠李糖脂或其与槐糖脂的混合物具有抑制有害藻类、真菌及细菌生长的功能[17-19]。因此，鉴于生物表面活性剂的抗菌性，作为食品以及化妆品等行业的防腐剂具有很大的潜在应用价值。

2 生物表面活性剂在食品工业中应用的最新进展

生物表面活性剂具有化学合成品很难具有的特殊结构，具有一定的生理特性和营养价值，可以生物降解而且降解产物无害，具有两亲性分子结构以及分散、增溶、润湿和渗透等性能，这是它在食品工业中可以广泛应用的物质基础。此外，生物表面活性剂与生物、微生物细胞之间特殊的联系也是化学合成表面活性剂所欠缺的，这是生物表面活性剂在食品、医药和化妆品等工业取代化学合成品的生理基础，但由于其具体的生理功能和作用机理并不清楚，限制了生物表面活性剂更多的应用。由于食品中使用新的添加剂需经过多种毒性试验评价后才能被批准，故食品工业中还没有大规模使用生物表面活性剂。较容易接受为食品添加剂的为发酵法生产的生物表面活性剂，如糖脂。这是因为糖脂的结构与化学合成的糖脂十分相似，而且化学合成的糖脂已经广泛地用在食品中。目前已将卵磷脂及其衍生物作为乳化剂用于食品工业。生物表面活性剂在食品工业中可用作乳化剂、保湿剂、防腐剂、润湿剂、起泡剂、增稠剂、润滑剂等。

2.1 食品乳化剂

乳状液（emulsion），是一种液体在另一种与之不互溶的液体（通常称为油或水）中的分散体系。由于分散相质点较大，乳状液易发生沉降、絮凝，最终分成油和水两相。因此，乳状液是热力学不稳定体系，需要所谓的乳化剂来维持相对稳定[20]。由于符合功能性食品和绿色食品添加剂的要求，在人们崇尚自然，健康至上的今天，部分生物表面活性剂已成为一种广泛应用的食品乳化剂。微生物表面活性剂可作为乳化剂用于食品原料的加工，也可用于面包和肉类生产，改善面粉的流变学特性，以及部分裂解的脂肪组织的乳化。磷脂是最常用的乳化剂和稳定剂，在食品中一般用在糖果、快餐食品，速溶食品、面包、糕点、牛奶、仿奶制品、饮料及肉禽加工食品等方面。除磷脂外，蔗糖脂、卵磷脂等都是目前食品工业常用的乳化剂。

生物表面活性剂的乳化性能根据来源以及分子结构不同，也有较大差异。一般来说，高分子量的生物乳化剂的乳化性高于低分子量的生物表明活性剂[21-22]。如Cooper等[23]研究发现，鼠李糖脂可以有效的降低油水界面的表面张力，但其形成的乳状液却缺乏稳定性，而Cirigliano等[24]应用甲壳素乳化食用油脂，发现甲壳素不仅可以有效降低油水界面的张力而且可以保持稳定。聚合表面活性剂可以完全包裹住分散相中的油滴，从而可以形成高度稳定的乳液。因此，可以应用与食品以及化妆品行业中水包油型乳液的制备。此外，在奶酪以及冰淇淋制备中加入生物表面活性剂不仅可以提高产品的质量和口感，还可以降低热能值[7]。

尽管目前生物表面活性剂大多还应用在环境及石油工业中碳氢化合物的分离和提取方面。但研究发现，生物表面活性剂作为乳化剂在食品工业也具有独特的应用价值。如Lukondeh等[25]从酵母菌中得到一种糖蛋白，并用于乳化玉米油，所形成的乳液可以保存3个月以上，因此利用酵母进行生物表面活性剂的生产引起了科学家的广泛关注。最近，Nitschke等[26]通过从枯草杆菌（Bacillus subtilis）中分离得到一种脂肽，并将其用于乳化大豆油及椰子油，发现具有良好的乳化性和乳化稳定性。此研究展现了生物表面活性剂在食品领域中的潜在应用价值。

2.2 食品保鲜剂

生物表面活性剂利用其两亲性分子特征通过溶解异源细胞膜的主要成分来实现杀菌功能或者通过改变环境的界面性质，使环境更有利于自身的生存从而抑制了其它微生物的生长。由于具有抗细菌、真菌、藻类以及病毒的功能，生物表面活性剂可以广泛用于食品的保鲜和防腐。如蔗糖脂可应用于果品保鲜，李江云等[27]运用4.0%～4.5%的蔗糖脂和4.5%的鼠李糖脂分别和0.2%抗氧化剂2,6-二叔丁基对甲苯酚，0.5%左右的杀菌剂山梨酸钾复配制成涂膜保鲜剂在柑橘、苹果、梨等水果的保鲜已取得良好效果。用蔗糖脂和鼠李糖脂等无公害的保鲜材料来处理番茄、辣椒、茄子、苹果和梨等5种果蔬近10个品种，结果表明对降低“自然耗”，“腐烂率”和提高果实硬度都有明显作用。此外，生物表面活性剂在食品加工过程中的灭菌功效也日益受到广泛关注。如Busscher等[28]将生物表面活性剂用于巴氏杀菌过程中的热交换器内，可有效抑制嗜热链球菌的繁殖。Meylheuc小组[29-31]通过系统研究证明了生物表面活性剂在食品加工过程中所用不锈钢和聚四氟乙烯材料上的吸附及其对微生物生长及细菌的抑制作用，表明其在食品加工过程中具有巨大的应用潜力。

2.3 食品补充剂

除用于乳化剂及保鲜剂外，生物表面活性剂可以作为食品补充物的重要部分，提供人体所需的矿物质和维生素，同时分泌一些人体所必需的生物化学物质，如抗氧化超氧化物歧化酶、免疫支持体-葡萄糖、抗菌性肽类、生物素、辅酶等。此外，还可以用于提高淀粉制品的质地及货架期，改善面团的质地、口感、焙烤面包的膨胀体积和稳定性以及含脂肪产品的流变学特性、增加酸性食品的黏度、抑制食品功能成分的氧化降解等[5]。

2.4 风味剂

表面活性剂在食品中的天然成分如色素、香味成分、生物活性成分以及发酵产品的提取分离中也有广泛的应用。产阮假丝酵母（Candida utilis）合成的生物乳化剂可用作色拉调味剂；蔗糖脂加入食品中可以改善食品的加工性能、提高食品抗氧化、防霉作用和香味质量，鼠李糖既可以生产香料，也可作为食品添加剂加入高档咖啡、饮料、面包、肉制品中[5,32]。

3 生物表面活性剂的发展前景

生物表面活性剂不仅具有乳化性、抗菌性，而且符合功能性食品和绿色食品添加剂的要求。但由于缺乏相关的安全性评价以及生产的成本过高，使得生物表面活性剂在食品工业中的应用受到很大的限制。因此，需要建立、健全适合生物表面活性剂的安全评价体系。

目前生物表面活性剂还有很多品种处于试验研究阶段，只有少数产品走向了市场。这主要是由于其生产成本较高，据估计生物表面活性剂的成本比化学合成表面活性剂的成本高3倍～10倍，高成本影响了其广泛应用。因此，选育高产菌株，改进发酵工艺，降低生产成本是进一步研究开发生物表面活性剂的主要方向。

现代生物技术的进步，推动着生物表面活性剂的发展。人类环保意识的增强，加快了生物表面活性剂发展进程。最近研究发现，利用农业废弃物生产生物表面活性剂可以极大的降低生产成本。如以廉价碳源如葡萄糖、淀粉以及油和乳品加工废料为底物的菌种或构建基因工程菌，生产并纯化生物表面活性剂，用于化妆品、食品以及制药等行业，可以在很大程度上降低生物表面活性剂的成本。因此，寻找生产生物表面活性剂的新资源、新技术也是将来的重要研究方向。

总之，随着世界各国对可持续发展的重视，以及人们对环境的日益关注，新型绿色生产及制造技术必将受到欢迎。生物表面活性剂虽然处于探索和开发阶段，但由于其具有无毒、生物降解性好等优点，属于天然添加剂，必将受到食品配料工业的瞩目。随着生物技术和相关技术手段的快速发展，生物表面活性剂的价格逐步降低，越来越广泛地应用在食品工业、精细化工、医疗卫生等行业，今后必将成为表面活性剂的升级换代产品。

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Biosurfactants and Its Application Developments in Food Industry

HOU Zhan-qun,GAO Yan-xiang*
（College of Food Science＆ Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

The increasing environmental concern about chemical surfactants triggers attention to microbialderived surface-active compounds essentially due to their low toxicity and biodegradable nature.Associated with emulsion forming and stabilization,antiadhesive and antimicrobial activities are some properties of biosurfactants,which could be explored in food processing and formulation.At present,biosurfactants are predominantly used in remediation of pollutants;however,they show potential applications in many sectors of food industry.The properties and application development of biosurfactants in food industry were reviewed.

biosurfactants;food industry;application

“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAD27B00）

侯占群(1982—)，男(汉)，博士研究生，研究方向：天然产物与食品乳化技术。

*通讯作者：高彦祥，教授。

2009-09-28