生物表面活性剂研究进展

向攀

（西北民族大学 生命科学与工程学院，甘肃 兰州730030）

1 引言

生物表面活性剂是20世纪70年代后期国际生物工程领域中发展起来的一个新课题。细菌、真菌、酵母菌等多种微生物在一定条件培养时，产生的含有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列并使表面张力显著下降的次级代谢产物，称为生物表面活性剂（Biosurfactants）。由于微生物较动植物而言，具有传代速度快，更易大规模生产，另外还可在分子中引入化学方法难以合成的复杂基团等优点，为许多领域提供新可能。目前，在可持续发展道路上，绿色表面活性剂的研发刻不容缓，而生物表面活性剂以其独特优势在该领域地位崇高。

2 微生物产生的生物表面活性剂

生物表面活性剂主要由微生物在好氧或厌氧条件下在不同的培养基中发酵产生的，大多数生物表面活性剂由绝对的亲水基和亲油基团组成：前者由单体、双体、聚糖、羧酸、氨基酸或肽组成；后者由饱和、不饱和或羟基脂肪酸组成。根据生物表面活性剂的化学结构，可将其分为5类：糖脂（glycolipids）、脂肽（lipoptides）和脂蛋白（lipoproteins）、磷脂（phospholipids）、中性脂（neutrallipids）和脂肪酸（fattyacids）、聚合表面活性剂（polymericbiosurfactant）与颗粒表面活性剂（particulatebiosurfactant）等五类。

2.1 生物表面活性剂的分类

具有代表性的生物表面活性剂及其微生物来源列出见表1。

2.1.1 糖脂类生物表面活性剂

糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，由碳水化合物与长链脂肪酸或羟基脂肪酸以共价键形式连接在一起组成的，种类众多。目前，研究深入的是鼠李糖脂、海藻糖脂、槐糖脂。阴离子型鼠李糖脂是由假单胞菌在限制生长条件下的胞外代谢产物，具有很好的分散、乳化、发泡、渗透、增溶效果。鼠李糖脂亲水基多由1～2分子的鼠李糖构成，憎水基由1～2分子具有不同碳链长度的脂肪酸构成。Jarvis和Johnson第一次报道了用绿脓假单胞菌（Pseudomomonasaeruginosa）产生鼠李糖脂。海藻糖脂具有免疫和对各种分枝杆菌或者霉菌的治病作用，主要用于石油开采，其优越的破乳性质有利于提高石油的开采率。槐糖脂主要由酵母菌产生，是糖脂中最有应用前途的一类生物表面活性剂。如假丝酵母菌（Candidasp.）、球拟酵母（Torulopsisbombicola）、嗜石油球拟酵母（T.petrophilum）和蜜蜂生球拟酵母（T.apicola）。

表1 生物表面活性剂及微生物来源

2.1.2 脂肽和脂蛋白类生物表面活性剂

脂肽是微生物在发酵过程中产生的次级代谢产物，脂肽生物表面活性剂通常是由β-氨基或β-羟基脂肪酸（亲油基团）与肽链或肽环（亲水基团）构成的一类生物表面活性剂，具有两亲性，是一类新型的天然表面活性剂。从结构上可以分为线性脂肽和环状脂肽，两种结构活性最好。脂肽生物表面活性剂主要来源于芽孢杆菌、链霉素、假单胞菌、沙雷氏菌属、曲霉菌和游动放线菌的菌属。1968 年，Arima等首次从枯草芽孢杆菌的发酵液中分离纯化出脂肽类生物表面活性剂，呈晶体状结构，是迄今为止报道的效果最好的生物表面活性剂之一，名为表面活性素（Surfactin），属于表面活性素类。其次还有伊枯草素类、多粘菌素类、大侧柏素、芬芥素及地衣素等。

2.1.3 磷脂、中性脂和脂肪酸

磷脂可由细菌和酵母在烷烃培养基上生长产生，是以磷酸基为亲水基团的一类生物表面活性剂，分为甘油磷脂和鞘磷脂，脑磷脂、卵磷脂和磷脂酰丝氨酸是构成机体最重要的3种甘油磷脂。不动杆菌（Acinetobacter sp）HO1-N 可产生磷脂酰乙醇胺，有乳化作用；曲霉（Aspergillusspp.）的一些种和硫氧化硫杆菌可产生大量磷脂；节杆菌菌株AK-19 和绿脓芽孢杆菌（P.aeruginosa）44T1在十六烷和橄榄油上生长能分别积累40%和80%（wt／wt）的磷脂；红串红球菌在正烷烃中生长时也可产生磷脂酰乙醇胺，能将水和十六烷之间的界面张力降到1Mm／m 以下。脂肪酸是以羧酸基为亲水基的一类生物表面活性剂，是脂类分子中重要的组分，包括亲酶孢子酸和覆盖霉菌酸。

2.1.4 聚合类表面活性剂

聚合生物表面活性剂多研究emulsan、liposan、mannoprotein和其他多聚糖蛋白。Emulsan是具有聚合阴离子的两性杂多糖主链通过O-酯键与脂肪酸相连接形成的。醋酸钙不动杆菌（Acinetobactercalcoacetius）RAG-1能产生一种有效的聚阴离子杂多糖，是水中烃类非常有效的乳化剂，在0.001%～0.01%的低浓度下仍然具有很强的乳化能力；Cameron等报道了用酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae）大量产生甘露蛋白的办法；Liposan是由Kappeli等从烷烃中生长的热带假丝酵母（Candidatropicalis）中分离出一种甘露聚糖-脂肪酸，是胞外乳化剂，由83%的碳氢化合物和17%的蛋白质构成，可稳定十六烷-水的乳化液，Liposan和十六烷的比例为1∶50时乳化效果最好，继续增加十六烷比例活性下降，另外，Liposan在pH2～5 之间活性最好，当温度为30～90℃时活性很稳定；Desai等报到啦生长在汽油中的荧光假单胞菌（Pseudomonasfluorescens）可产生一种生物乳化剂，是由50%的碳水化合物、19.6%的蛋白质、10%的脂组成。

2.1.5 颗粒生物表面活性剂

颗粒生物表面活性剂能形成一种微乳液，对微生物细胞在烷烃介质中的摄取媳妇起着非常重要的作用。不动杆菌HO1-N 产生的囊泡，直径20～50nm，浮力密度1.158g／cm3，是由蛋白质、脂多糖和磷脂构成。这些包胞外膜囊泡具有分割烃类的微乳化作用，这在微生物细胞吸收烷烃类物质中起到了重要作用。

2.2 生物表面活性剂的特点

生物表面活性剂的主要性能：①湿润或抗粘；②乳化或破乳；③起泡或消泡；④增溶；⑤分散；⑥渗透；⑦洗涤；⑧防腐；⑨抗静电；⑩无毒或低毒；○1易被生物降解；○12不致敏、易消化；○13专一性强；○14在极低温度、pH 值、盐浓度下稳定；○15结构多样。其中，最重要的是生物表面活性剂能满足人们对“绿色”工业的需要。

3 生物表面活性剂的主要应用

生物表面活性剂结构多样性决定其功能多样性，其相对于化学合成表面活性剂，有着许多优点，它在许多工业领域中有着广泛的应用。它们可以应用于石油工业、农业、医药、纺织、食品、化妆品和环境保护等诸多工业领域。

3.1 在石油工业的应用

生物表面活性剂在石油工业中主要是应用于提高石油采收率，具有水溶性好、反应产物均一、安全无毒、驱油效果好等特点。微生物采油（MEOR）由于其成本低、效果好、无污染，愈来愈受到人们广泛的重视。有报道Youssef等向油井中加入营养物质和芽孢杆菌混合菌种进行采油研究，发现产生的代谢产物为脂肽生物表面活性剂，可以开采出砂岩岩心中的捕集油，且微生物可以重新回到接种井中。Banat等利用生物表面活性剂去除原油储罐的残渣，去除率达到90%。Michael.J等筛选的地衣芽孢杆菌（B.licheniformis）可用于地下石油的开采。Javaheri等报到了B.licheniformisJF-2在严格缺氧的条件下能产生多种大大降低培养基表面张力（小于30mN／m）的脂肽类物质。Bihlugil等报道在38℃厌氧菌丙酮丁醇梭状芽孢杆菌能使石油采收率比对照提高12%。在污染的砂土和泥浆中，加入铜绿假单胞菌产生的鼠李糖脂可分别使脂肪族和芳香族烃类的回收率达56%和73%。

3.2 在农业方面的应用

由于农业中化学农药与杀虫剂的污染问题，迫使人们致力于寻找生物防治技术。生物表面活性剂在农业上有着广泛的应用，可作为土壤改良剂、杀菌、杀虫剂和生物肥料等。许多B.subtilis类拮抗体产生的次级代谢产物对病原菌的菌丝或孢子的细胞壁产生溶解作用，致病菌细胞壁穿孔、畸形、菌丝断裂、原生质溶解、外溢而丧失活力，例如B.subtilisPRS5菌株的代谢产物。有报道Kim 等从土壤中分离出B.thuringiensisCMB26，用于控制植物病原真菌。裴炎等从S-1蜡状芽孢杆菌中分离出的APS-1抗菌多肽对黑曲霉菌和瓜果霉腐菌具有较高抑制效果。

3.3 在医药方面的应用

生物表面活性剂常作为增溶剂、助悬剂、抗氧化剂、渗透剂、防腐剂等，与此同时还具有抗菌、抗支原体、抗真菌、抗炎、抗病毒等生物活性，能提高机体免疫力，使得生物表面活性剂在医疗领域具有重要的应用前景，肺组织中的表面活性剂是维持正常呼吸的必要因子是一种磷脂蛋白质复合物。枯草芽孢杆菌所产生的表面活性素Surfactin能对有包膜的病毒的灭活作用明显，还具有抑制支原体作用。Strieker等还提出一种新型酸性脂肽抗生素，可用于治疗皮肤感染。

3.4 在食品工业的应用

生物表面活性剂在食品工业中可作为添加剂、乳化剂、分散剂、稳定剂、润湿剂、起泡剂、增稠剂等。由于生物表面活性剂表现出对细菌、真菌、藻类和病毒的抗菌活性，因此生物表面活性剂可作为抑菌剂，防腐保鲜。表面活性剂还可控制脂肪球结块，改善含淀粉产品的质地和保存期限，改变面粉的流变学特性，改善含脂类产品的年度和质地。

3.5 在环境保护方面的应用及生物修复

生物表面活性剂能富集、清除、降解土壤中的有毒物质并能除去污泥中的重金属离子，处理多环芳烃和精炼油产物等，消除或减弱环境污染物的毒性。其原因为脂肽类生物表面活性剂为阴离子生物表面活性剂，带有负电，能够结合带正电的金属阳离子形成螯合物，因此能够除去重金属离子，例如Zn、Pb、Cu、Cd，其中Cu最容易被除去，在环境治理上，生物表面活性剂势必成为一种新型无污染的污水处理剂。生物表面活性剂也可乳化烃类和水的混合液，这个特性可显著增加烃类物质的分解。已从水中分离到该类型微生物：铜绿假单胞杆菌（P.aerugnasa）SB30 产生的一种乳化剂能迅速将油乳化为小分子，这种特性在海水污染上将起到举足轻重的作用。

3.6 降解残留农药

在农药污染的土壤中添加生物表面活性剂或表面活性剂产生菌，能降解有害成分。Awashti等研究表明由枯草芽孢杆菌MTCC2423产生的surfactin能够提高对农药硫丹杀虫剂的降解能力，使降解率提高30%～45%。

3.7 在生物修复方面的作用

用生物表面活性剂修复被烃类和原油污染的土壤是一项新技术。生物修复是治理石油污染土壤的一种经济环保又高效的方法，国内外已有许多生物修复石油污染土壤的成功事例的报道。吴涛博士等通过从黄河三角洲长期受盐渍化石油污染土壤中筛选出1株高效耐盐石油降解菌Bm38和一株产生物表面活性剂耐盐菌BF40，通过液体培养实验，研究了Bm38和BF40相关特性，并确定它们的生物修复功能。

3.8 在洗涤工业和化妆品工业的应用

Surfactin具有优良的表面活性，可以用作洗涤用品和化妆品的添加剂，增强去污能力。Mukherjee研究证实Bacillus subtilis DM-03和DM-04产生的环状肽具有耐热性和在极端酸碱条件下稳定，低毒易生物降解，污染性小，将其添加入洗涤剂中能提高洗涤能力。脂肽类生物表面活性剂在化妆品工业中作为乳化剂、起泡剂、分散剂、增溶剂柔软剂、杀菌剂、清洗剂等助剂，这类生物表面活性剂在使用过程中对人体无毒害或低毒作用，但均达到安全指标。

3.9 在纺织工业的应用

据估计，表面活性剂总产量的一半用于纺织业，因此，表面活性剂对纺织工业的贡献巨大，而且在高级纺织品工业中有着越来越重要的作用。纤维制品的印染织造加工过程，基本上都是在水相乳液中进行，因此常遇三种界面表象，这为充分发挥表面活性剂的作用提供了有利条件。表面活性剂及含表面活性剂的助剂的大量使用，也为提高和改善纺织品的质量和性能，缩短创造了条件。

3.10 在纳米材料方面的应用

纳米材料研究是目前国内外材料学方面研究的一个方向，纳米材料研究被公认为是21世纪最具有前途的科研研究。表面活性剂在纳米材料的研究和应用领域已经不可或缺。在其制备领域，纳米粒子的表面由于缺少邻近配位的原子，而具有很高的活性，使得纳米粒子彼此极其容易团聚，利用表面活性剂分子在分散体系中形成的有序聚集体如胶束、反胶束及微乳相等性质成功制备出各种纳米材料；阳离子表面活性剂作为作为无机硅酸盐的插层改性剂在聚合物纳米复合材料的制备中能发挥重要作用；表面活性剂还被应用于纳米材料的检测方面。从纳米材料制备、表征到应用，表面活性剂都发挥着重要作用。

3.11 在生命科学方面的应用

血细胞计数仪又称血液分析仪，在各大医院均广泛使用。溶血剂是血细胞计数仪白细胞计数的关键试剂，其主要成分为表面活性剂。它的作用原理为通过与血细胞的膜脂质作用，破坏膜的双层脂质结构，使脂质的排列秩序混乱，然后渗入到双层脂质之间和脂质层内，使两层脂质之间距离增大，结构疏松肿胀，脂质层局部乳化断裂。由于各种血细胞的膜脂蛋白含量存在差异，控制合适的表面活性剂浓度和作用时间，可以使红细胞膜溶解，并使血液中的淋巴细胞、单核细胞、中性粒细胞等的白细胞的体积发生规律性变化，从而可将白细胞分类。

4 结语

本文通过对生物表面活性剂在各领域的应用展开了深入分析和研究，当中主要选用了现阶段应用生物表面活性剂的热点问题进行分析，主要包括生物表面活性剂在石油工业的应用、在食品方面的应用以及在环境保护方面的应用等，相关问题希望能够成为后续研究与实践工作的开展提供一定的参考与借鉴。

［1］曹永梅.生物表面活性剂及其应用［M］.北京：化学工业出版社，2005：182～185.

［2］刘 瑾.生物表面活性剂及其产生菌的分离鉴定［D］.长春：吉林大学，2012.

［3］夏咏梅，方 云.生物表面活性剂的开发与应用［J］.日用化学工业，1999，29（1）：27～31.

［4］梅建凤，闵 航.生物表面活性剂及其应用［J］.工业微生物，2001，31（1）：54～57.

［5］宫立晶.一种新型生物表面活性剂的制备及应用研究［J］.辽宁科技大学，2011.

［6］马建中，储 芸.表面活性剂在纳米材料领域中的应用［J］.日用化学工业，2004（9）.

［7］杨福延.脂肽类生物表面活性剂研究进展［J］.精细化工，2006（2）.

［8］陈 静，张云瑞.槐糖脂的生产及其应用研究［J］.食品科学，2007（11）.