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生物表面活性剂及其应用

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生物 表面活性剂 及其 应用
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第40卷第4期 2010年8月 日用化学工业 0 010 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:献标识码:A 文章编号:1001—1803(2010)04—0293—03 uo—i—i—43000,he of he of in as of aS as in an of of to he in of 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 面活性剂陆续受到限制¨ 。于是生物表面活性剂在 2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 J,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。 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 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 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_6 J。 生物表面活性剂有多种来源、多种生产方法、多种 化学结构和多种用途,因而可作多种分类 J。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。 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(1972一),男(汉),四川德阳人,工程师,硕士研究生,电话:15881327693,E—63.通讯联系人:张丽萍,教授,E—26.·293· 与综 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 。 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,其应片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¨ , 其驱油效率比化学合成表面活性剂高3.5~8倍川 。 前西德的F 于 加入50 海藻糖脂,驱油效率提高30%,与一般 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l】 。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¨ 。高分 子生物表面活性剂 界面的特性,用相对少量的型乳 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H 。 .294· 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|J 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 回收率达到56%和73%。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 31%。用鼠李糖脂去除污染土壤中的淋滤36 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 疫功能¨ ,使其成为新药开发的重要对象。 20 研究发现红串红球菌合成的琥珀酰一海藻糖脂 能够抑制单纯疱疹病毒和流感病毒。现 甘露糖赤藓糖醇脂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 。 研究表明一种新型的由卵磷脂作为乳化剂的包 含维生素中100 卵磷脂1.0 g,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 。戴芳等 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 J 研究发现枯草芽孢杆菌性剂,可用于大白菜软腐病和油菜菌核病的防治。 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 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 箜兰塑——————一塑 !簦!生塑壅亘 丝型垦基堕 赫与 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 。用拟球酵母菌制备的槐糖脂已 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 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 。鼠 李糖脂可生产香料,也可作为食品添、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 成的生物表面活性剂可用作色拉调味剂 。 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。 参考文献: [I]向智男,宁正祥.生物表面活性剂及其在食品工业中的应用[J]. 粮油食品科技,2005,13(1):50—52. 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