餐厨废弃油脂生物转化鼠李糖脂的研究进展

张卉，陈小旭，李东华，朱丹

（沈阳化工大学制药与生物工程学院，辽宁沈阳110142）

餐厨废弃油脂生物转化鼠李糖脂的研究进展

张卉，陈小旭，李东华，朱丹

（沈阳化工大学制药与生物工程学院，辽宁沈阳110142）

综述以餐厨废弃油脂为碳源生物转化鼠李糖脂的研究进展，概括鼠李糖脂的研究现状，总结提高鼠李糖脂产量的优化途径，并对餐厨废弃油脂生物转化鼠李糖脂的未来发展进行展望。

生物表面活性剂；餐厨废弃油脂；鼠李糖脂

鼠李糖脂（rhamnolioid，RL）是目前研究较多的一类阴离子表面活性剂，由于具有其乳化、降低界面张力等性能，并且具有毒性低、易降解的特点，因而在石油化工、食品卫生、医药等多个领域应用广泛[1-2]。生物表面活性剂是由微生物在一定条件下代谢产生的同时具有亲水基和疏水基两种结构的两亲化合物，并且对人体、牲畜和环境都无毒无害的表面活性分子[3]。生物表面活性剂包括糖脂类、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂类等[4]。RL产生菌利用最多的为铜绿假单胞菌。铜绿假单胞菌能够利用不同的碳源转化为鼠李糖脂，并且随着碳源的改变，产生不同结构的RL[3]。为了降低RL的生产成本、提高RL产量，首先应考虑的因素是寻找合适的碳源。餐厨废弃油脂成分主要是烹饪调味用的植物油和食物中的动物油脂，其化学成分主要是脂肪酸甘油酯[5]。随着我国经济的迅速增长，据统计每年约产生700万吨左右的餐厨废油脂[6]，一旦进入环境或者被不法商贩利用，将会极大的破环生态环境和人体健康。利用餐厨废弃油脂为碳源生物转化RL，不仅为餐厨废油脂的安全处理开辟了新途径，而且降低了生产RL的成本，实现了废物的资源化利用。

1 鼠李糖脂的研究历史及现状

1949年Jarvis和Johnson首次利用铜绿假单胞菌生物合成生物表面活性剂RL，并研究发现它是由2 mol的L-鼠李糖和2 mol的羟基葵酸构成[7]。上世纪90年代，南斯拉夫学院研究人员在偶然的机会发现了鼠李糖脂和铜绿假单胞菌对皮肤灼伤有良好的治愈效果，从此人们开始了对鼠李糖脂在医学上应用的研究。美国Piljac等于1995年10月3日获得授权“以鼠李糖脂为基础的医药制剂”专利，进一步促进了鼠李糖脂在医学上的应用的研究[8]。1997年Bai等[9]研究发现RL与十二烷基硫酸钠和吐温80具有相差无几的乳化性能。Haba等[10]研究发现不同的铜绿假单胞菌上层培养液都能够乳化煤油，并稳定其乳化体系；当RL的浓度较高时具有抗菌效果。

发展至今，虽然RL具有优秀的乳化及增溶作用，在众多领域具有广阔的应用前景，却没有进行大规模的工业化生产，碳源成本过高、产量过低是其主要的原因。而碳源作为其中的限制因素却恰恰限制了RL的产量以及乳化性、表面张力等性能。目前许多研究者们都在寻找廉价易得并可以循环利用的废弃物为碳源以减少生产RL的成本，目前已有许多利用餐厨废弃油脂作为碳源生产鼠李糖脂的研究文献。RL的结构不仅受到碳源的影响，同时也受培养基、菌龄、假单胞菌种类及培养条件等因素的影响[2]。许多研究者已经开展了大量的有关餐厨废弃油脂以及其它限制因素对合成RL的研究，这些都对餐厨废弃油脂作为碳源生产其它生物表面活性剂的研究有重要指导作用[11]。

2 鼠李糖脂的主要产生菌

在当前研究中，RL主要通过铜绿假单胞菌代谢产生。可代谢产生鼠李糖脂的其它菌株包括：醋酸钙不动杆菌、阿式肠杆菌、生癌肠杆菌、荚壳伯克氏菌以及植物伯克氏菌等菌株[12-14]。但不同的菌株代谢产生的RL的活性和产量都各不相同，其中以假单胞菌的代谢活性最为突出，能够利用不同种类的餐厨废弃油脂作为碳源，并且对餐厨废弃油脂的利用率较高。因此当前生产RL的研究都以假单胞菌为出发菌株。

3 鼠李糖脂的应用

RL兼具良好的生物和化学特性，具有油、水两亲性，优良的表面活性和稳定的乳化性，同时具有低毒、易降解的特点，在石油工业、土壤修复、食品、化妆品等领域具有广阔的应用前景[15]。

近年来，随着工农业的发展，使土壤中的多环芳烃、重金属离子、原油等污染物过多超出了土壤自身的净化能力[16]。田丹妮等[17]研究表明RL对多环芳烃类物质（如萘、芘、菲）均具有较好的增溶作用，且随着RL浓度的增加，三种物质的溶解度均表现出不同程度的增加，当RL浓度为500 mg/L时，三者的表观溶解度最大。根据RL的性质，还可以通过调控温度、pH值及盐度等环境因素来提高RL对多环芳烃的增溶效率[18-19]。土壤中的重金属是通过和RL的胶束结合的方式被从土壤中去除，当胶束被破坏后，RL就不再具备和重金属结合的能力[20]。与化学表面活性剂相比，RL的低毒和易降解的特性决定了不会增加重金属淋溶的风险[21]。RL可促进土壤中原油的降解，缩短原油降解的半衰期，从而缩短修复时间。与化学合成表面活性剂相比，RL毒性低的特点不会成为土壤额外的污染源。另外RL在作为织物洗涤剂方面有很好的应用潜力，通过金黎等[22]的研究成果发现当RL与市场销售的洗衣粉复合使用，能够有效的提高去除高油脂类、蛋白质类污渍和血渍的效果。

除此之外RL作为一种生物表面活性剂，由于具有降低油水界面张力的特性，被广泛应用于3次采油技术中。我国稠油资源丰富，储量达16亿吨，但开采难度很大[23]。RL具有优越的增溶及乳化作用，如果能够充分的应用到石油工业中，就可以使石油得到充分的采集，这将会使石油工业的发展向前迈进一大步[24]。经过多年发展，RL用于3次采油和稠油开采都有很好的增产效果，已逐渐成为21世纪石油工业最重要的支撑点[25]。

4 餐厨废弃油脂生物转化鼠李糖脂的影响因素

为实现RL的大批量工业化生产，不仅要降低生产成本，还要提高其产量。碳源、氮源、pH值、微量元素以及培养方式的不同都会限制RL的产量。因此对于餐厨废弃油脂生物转化RL的影响因素的优化必不可少。

4.1 碳源

我国的餐厨废弃油脂随着经济增长也逐年增长，如果处理不当，不仅污染环境，还可能造成食品安全隐患[6]。丁建华等[26]研究表明，根据餐厨废弃油脂成分的复杂性、不同批次、不同地域的餐厨废弃油脂成分存在着很大的差异。使用前对其进行精制处理和官能团测定对于将这些废弃物转变成高附加值的表面活性剂产品显得十分重要。对于精制后的餐厨废弃油脂可以测定其相应的多种指标，如碘值、皂化值、过氧化值等，以此可为餐厨废弃油脂生物转化RL的实验反应提供参考依据。黄翔峰等[27]表示用不同的餐厨废弃油脂作为碳源发酵生产的RL在产量和性质上均有所差异：当以废弃煎炸油为碳源时，产物产量最高，结果为24.61 g/L；当以皂脚为碳源时产物的表面张力最低，结果为24 mN/m；当以棕榈油皂脚为碳源时，产物的CMC最低，结果为40.19 mg/L。

4.2 氮源

许多研究都表明，氮源能够提供合成原生质和细胞其他结构的原料，在微生物的生长发育和稳定生长期及细胞代谢生产生物表面活性剂方面都起着重要作用。在氮源利用上一般公认硝酸钠为铜绿假单胞菌的最佳氮源。黄翔峰等[27]认为，假单胞菌一般在静止期才会代谢出大量RL，如果体系中的氮源比例过高，假单胞菌会一直处在对数期，以菌体细胞生长为主，仅代谢出少量RL，所以氮源的比例不应过高。张祥胜等[28]认为保持较高的C/N有利于目标产物RL的合成。Benincasa等[29]比较了不同C/N条件下发酵得到的RL情况，研究结果表明C/N为8时，培养48 h后，RL产量达到最大7.3 g/L。所以选择最佳氮源并保持合理的C/N将提高RL的产量。

4.3 微量元素

微量元素作为微生物的生理物质的组成或者生理活动的调节物，在低浓度是会促进微生物的生长和产物合成，相反，在高浓度时则会出现较为明显的抑制作用。利用废弃油脂生物合成RL时，其培养基中一般都会含有锌、钼、锰、硼及铜5种微量元素[27]。但是Zhu等[30]却另外加入了钴和3价铁两种微量元素，此时发酵产生的RL的产量为24.61 g/L，可以说是目前为止研究得到的最高产量。虽然对于研究结果而言钴和铁对RL的产量可能并无决定性的影响，但研究者们都应因Zhu的这一举措得到启示。也有研究者认为在众多金属元素中，铁元素对RL的合成产量的影响最大[27]。

4.4 pH值

铜绿假单胞菌在pH值为5～9的范围内都能够生长。铜绿假单胞菌的生长最为适宜的pH值为7左右。从赵敏等[11]对废弃食用油脂生物合成RL的研究中发现，现在大多数培养条件的pH值控制在6.8到7.2，其中采用最多的pH值为6.8，此时的效果最佳。

4.5 培养方式

采用不同的培养方式培养铜绿假单胞菌，RL的产量也不尽相同。Raza等[31]通过比较摇瓶培养、分批补料与分批培养3种培养方式，发现发酵得到RL的产量最高的培养方式为分批补料，最低的为摇瓶培养。

5 餐厨废弃油脂生物转化鼠李糖脂的展望

利用餐厨废弃油脂为碳源生物合成鼠李糖脂是一种有效处理我国每年产生的大量的餐厨废弃油，并且降低鼠李糖脂生产成本的新方法。对于餐厨废弃油脂合成鼠李糖脂的生产工艺要不断完善、改进，以期实现对环境、社会以及经济效益的统筹兼顾，实现三者的有机统一。虽然，现在该项目在实验室的研究已经颇为成熟，但是想要实现工业化生产还需对以下几个方面的研究不断完善：

1）不同的餐厨废弃油脂发酵产生的RL的结构、性质、产量存在差异，在众多餐厨废弃油脂中选择发酵产生RL产量最高，性能最优的废弃油脂作为碳源。并在使用前，对餐厨废弃油脂进行精制处理及官能团测定。

2）不断进行氮源、pH值、微量元素以及培养方式等条件的具体研究，综合考虑RL的产量及经济成本，对培养条件进行优化选择，以最优的生产条件对RL进行规模化生产。

3）纯化菌株并利用诱变技术对纯化菌株进行诱变，同分离筛选培育出高效产出RL的菌株，同时研究并且建立出混合发酵代谢模型。以高效菌株和优秀的发酵体系提高RL的产量，优化生产。

4）充分利用RL的功效及特性，开发新产品，增加RL的利用价值。增加RL对医药、化妆品等领域的研究，进一步挖掘RL的潜在价值，扩大RL的应用范围，增加RL的附加值。

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Recent Progress on Rhamnolipid Produced from Meal Kithen Waste Oil

ZHANG Hui，CHEN Xiao-xu，LI Dong-hua，ZHU Dan
（Pharmaceutical&Bioengineering College，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，Liaoning，China）

The progress of rhamnolipid biosynthesis from rancidolipids as a carbon source was reviewed.The present research situation of rhamnolipid and the optimization of production of rhamnolipid was summarized.The future development of rhamnolipid conversion was also discussed.

biosurfactant；meal kitchen waste oil；rhamnolipid

2016-12-23

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.18.042

沈阳市科学技术计划（F16-205-1-22）

张卉（1968—），女（汉），副教授，博士，研究方向：食品生物技术。