海洋微生物生物表面活性剂的发酵生产研究进展

海洋微生物生物表面活性剂的发酵生产研究进展

摘要：生物表面活性剂一般是由微生物产生的一类两性分子的表面活性物质。与化学表面活性剂相比,微生物合成的表面活性剂拥有生物降解、环境友好、耐极端环境和低毒性等特点。本文综述了海洋微生物发酵生产生物表面活性剂的微生物源、发酵机理、发酵条件和产物分离技术等方面的研究进展，并简要介绍了其工业应用前景。

关键词：海洋微生物;生物表面活性剂;发酵

微生物在一定条件下培养时，在其代谢过程中分泌产生的一些具有一定表/界面活性，集亲水基和疏水基结构于一分子内部的两亲性化合物，称为生物表面活性剂(Biosurfactants)[1]。它们的分子结构主要由两部分组成：一部分是疏油亲水的极性基团，如单糖、聚糖、磷酸基等；另一部分是由疏水亲油的碳氢链组成的非极性基团，如饱和或非饱和的脂肪醇及脂肪酸等。和传统的化学合成表面活性剂相比，生物表面活性剂不仅因合成过程及原料简单在成本上占优势，而且在本身物理化学性质如表面活性、界面活性和破乳性等方面也有明显的优势[2]。此外，生物表面活性剂还具有无毒、能生物降解等优点[3]。生物表面活性剂的这些特性尤其适合于石油工业和环境工程，如石油的生物降粘、提高原油采收率、重油污染土壤的生物修复等。另外，生物表面活性剂作为天然添加剂，在食品工业、精细化工、医药和农业等工业方面也愈来愈受到人们的青睐。随着人们崇尚自然和环保意识的，增强，生物表面活性剂将有更加广阔的应用前景，并有可能成为化学合成表面活性剂的替代品或升级换代品[4]。

生产生物表面活性剂的微生物广泛分布于海洋、淡水水域、地下水、土壤、沉积物、淤泥及一些极端环境中(高盐地、储油库等)。海洋占地球表面的70%，使得海洋微生物成为生物表面活性剂的重要来源[5]。

1生物表面活性剂的分类及其来源的海洋微生物

生物表面活性剂主要分为糖脂类、脂肽和脂蛋白类、磷脂和脂肪酸类、聚合表面活性剂类和微粒表面活性剂类等五大类。

1.1糖脂类

糖脂类生物表面活性剂是研究得最多的生物表面活性剂之一，主要由糖基连结长链脂肪酸或羟基脂肪酸[6]。糖脂按分子中亲水部分所含糖营的个数分为单糖脂、双糖脂、多糖脂等。在糖脂中，人们最熟悉的是鼠李糖脂、海藻糖脂和槐糖

脂[1]。生产糖脂类生物表面活性剂的海洋微生物有产碱杆菌(Alcaligenes sp)、节杆菌(Arthrobacter)、食烷菌(Alcanivorax borkumensis)、红球菌(Rhodococcus)、盐单胞菌(Halomonas)及未鉴别的海洋细菌MM1[5](表1)。

表1 糖脂类生物表面活性剂生产菌及其产物活性

生产菌名称产物特性

产碱杆菌(Alcaligenes sp)抑制微鞭毛虫和微藻的生长

节杆菌(Arthrobacter)表面活性剂活性、乳化

食烷菌(Alcanivorax borkumensis)表面活性剂活性

红球菌(Rhodococcus) 增强对多环芳烃的溶解度

盐单胞菌(Halomonas) 乳化

未鉴别的海洋细菌MM1 表面活性剂活性

1.2脂肽类

脂肽类表面活性剂是一种公认降低界面张力能力最好的一类小分子生物表面活性剂。脂肽类生物表面活性剂一般是枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的代谢物，它的亲水基为多肽，疏水基为长链脂肪酸，两者以酰胺键和内酯键相连[3]。

一种脂肽往往是多种异构单体组成的混合体，由于脂肽中的脂肪酸链长和支链数量以及氨基酸的组成具有多变性，致使脂肤表面活性剂的种类繁多。具有代表性的脂肽有surfactin、lichenysin、fengycin、iturin、mycosubtilin及bacillomycin 等。脂肽类生物表面活性剂依照结构分为线性和环状两类，线性脂肤是短或者氨基酸通过酞胺键与脂肪酸相连,环状脂肤除此之外脂肪酸分子通过一个内脂键链接到亲水的肤的另一端从而形成一个环状结构。大多的脂肤具有抗菌活性，例如surfactin具有明显的抗细菌活性；fengycin有抗丝状真菌和抑制磷脂酶A2芳化酶活性的能力。迄今为止，关于脂肤抗菌活性及生理作用已有很多报道[7]。

生产脂肽类生物表面活性剂的海洋微生物有环状芽孢杆菌(Bacillus circulans)、地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)及圆褐固氮菌(Azotobacter chroococcum)[5](表2)。

表2脂肽类表面活性剂生产菌及其产物活性

生产菌名称产物特性

环状芽孢杆菌(Bacillus circulans)抗菌活性、无溶血活性

地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)抗菌活性、表面活性剂活性

圆褐固氮菌(Azotobacter chroococcum)乳化

1.3磷脂和脂肪酸类

有些微生物在以疏水性物质(如烷烃、PAHS)为碳源的情况下，可以产生大量的脂肪酸和磷脂类表面活性剂[7]。磷脂由亲水的磷酸基和亲油的烷基构成，可分为甘油磷脂和鞘磷脂两种。磷脂广泛分布于动物肝脏、脑和神经细胞中以及植物种子里，是细胞的必要组成成分。红球菌属(Rhodococcus)和硫杆菌属(Thiobacillus)的一些细菌在一定培养条件下可大量分泌磷脂。脂肪酸和中性脂生物表面活性剂以梭酸基为亲水基，包括甘油酯、脂肪酸、脂肪醇等。此类生物表面活性剂中较为常见的是脂肪酸单甘油酯。华兆哲等在研究南极假丝酵母(Candida Antarcriea WSH112)时发现，CandidaAntarctiea WSHllZ在以烷烃为碳源时可产生甘油酯类生物表面活性剂，该生物表面活性剂具有较高的热稳定性，能将水的表面张力降到38mN/m[8]。

Maneerat等[9]报道了Myroides SM1菌株能生产均有表面活性的胆汁酸。此外，M.odoratus JCM7458 和M.odoramitimus JCM7460也能生产此类型的生物表面活性剂[5]。

1.4 聚合表面活性剂

醋酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus)RAG1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；Nayon-venezia等从抗辐射不动杆菌(Acinetobacter radioresistens)KA-53分离出了一种含丙氨酸的阴离子杂多糖蛋白生物表面活性剂；荧光假单孢菌(Pseudomonas fluorescence)在汽油上生长时可产生一种生物乳化剂，它由50%的碳水化合物、19.6%的蛋白质和10%的脂组成。Satpute S K[5]等综述了生产聚合生物表面活性剂的海洋微生物种类(表3)

表3脂肽类表面活性剂生产菌及其产物活性

生产菌名称产物特性醋酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus)RAG1乳化

醋酸钙不动杆菌(A.calcoaceticus)A2分散

醋酸钙不动杆菌(A.calcoaceticus)BD4乳化抗辐射不动杆菌(Acinetobacter radioresistens)表面活性剂活性