生物表面活性剂研究进展

应用——石油化工
M.E.Singer是以正烷烃、芳香烃和原油为碳源、用H—13细 菌产生的乙二醇脂表面活性剂，能降低原油黏度 95%以上，由 原来6.510Pas降到0.145Pas，并形成稳定的水包油乳状液。德国 用酵母菌Torulopsisbombicola生产的槐糖脂具有较强的驱油能力， 石油采收率可达87%。厌氧和好氧生物表面活性剂，可以使油 水界面张力降低到10-5N/m以下，残余采收率为37.7%～87.7%。 Wagner利用实验室用海藻糖等生物表面活性剂在北海油田驱油 实验。加入海藻糖50mg/L，驱油效率提高30%，与一般表面活 性剂相比，驱油效果增大5倍。直接向地下注入产生生物表面活 性剂的微生物，并配以适当的营养物质，以地下石油为唯一碳 源，将油层当作生物反应器的微生物驱油技术，是目前国内外 攻克的主要难题。微生物在与原油作用的同时，会产生有利于 提高原油采收率的代谢产物和某些小分子的有机酸、有机溶剂 等，能降低油水界面张力，又使油层的通透性增强。在此基础 上，生物表面活性剂和其他表面活性剂复配，可降低三元复合 驱油表面活性剂的用量。Evans等进行了单独的化学驱、微生物 驱、微生物化学驱的对比实验。结果发现，微生物化学驱比其 他单独驱提高的采收率值都高，可以减少 3次采油的费用。
课题背景
生物表面活性剂
生物表面活性剂是指利用酶或微生物通过生物催化和 生物合成法得到的具有一定表面活性的代谢产物。它们在 结构上与一般表面活性剂分子类似，即在分子中不仅有脂 肪烃链构成的非极性憎水基，而且含有极性的亲水基，如 磷酸根或多烃基基团，是集亲水基和憎水基结构于一身的 两亲化合物。
生物表面活性剂优点
研究概况
微生物发酵法
生物表面活性剂多数由细菌、酵母菌、真菌等微生物产生。 通过微生物发酵生产生物表面活性剂，根据不同的微生物和目标 分子，生产表面活性剂的微生物发酵法可分为四种：生长细胞法， 代谢控制的细胞生长法，休止细胞法以及加入前体法。与其他合 成方法相比，微生物发酵法具有以下优点：（ 1）微生物发酵生成 的生物表面活性剂一般结构复杂，表面活性高，其他方法难以合 成。David Gutnick等以乙酸不动杆菌RAG-1在常温下合成了一种 类似生物聚合物的大分子生物表面活性剂，乳化性能好，产量高， 可作为生物乳化剂；（2）原料来源广泛，生成的表面活性剂可完 全降解，对环境不会造成危害，例如脂肽类生物表面活性剂的主 要生产菌种枯草芽孢杆菌，可利用葡萄糖、蔗糖和可溶淀粉等碳 源发酵生产；（3）工艺简单，成本低，具有很高的经济价值，适 合大量生产。Dogan将透明颤菌血红蛋白基因插入到污泥登式菌 中，并使其进行稳定表达，发酵实验显示其产物海藻糖脂的产量 提高了4倍多。
海藻糖二霉菌酸酯
地衣素 粘液菌素 甘露糖赤藓糖醇脂
红平红球菌
地衣芽孢杆菌 荧光假单胞菌 甘蔗黑穗病菌
胞外乳化剂
戈登氏菌
研究概况
目前为止，生物表面活性剂按照化学结构分类可主要分为五大类。
（1）糖脂类生物表面活性剂。如：绿脓杆菌产生的鼠李糖脂、红色 球菌产生的海藻糖脂和酵母菌产生的槐糖脂等； （2）含氨基酸类生物表面活性剂。如：枯草杆菌产生的脂肽和棒状 杆菌产生的脂蛋白等； （3）磷脂类生物表面活性剂； （4）脂肪酸类生物表面活性剂。如：棒杆菌和不动杆菌产生的甘油 酯，棒杆菌和节杆菌产生的脂肪酸等； （5）结合多糖、蛋白质类高分子生物表面活性剂。如：不动杆菌属 和酵母菌产生的脂多糖复合物等。 在生物表面活性剂中，阴离子或中性表面活性剂较常见，而阳离子表 面活性剂比较少。生物表面活性剂分子的疏水部分主要由长链脂肪酸、 羟基脂肪酸或α—烷基—β—羟基脂肪酸构成，亲水部分主要是碳水化 合物、氨基酸、环肽、磷酸盐、羧酸、乙醇等。
研究概况
表面活性肽
另一种典型产生物表面活性剂的微生物是枯草芽孢杆菌， 所产生物表面活性剂属于脂肽，通常称为表面活性肽。表 面活性肽是一种功能非常强大的表面活性剂，在浓度只有 0.5 mg ／ L的情况下仍然能将表面张力降低至 27mN／ m。 早在研究的初期，人们已经发现了表面活性肽是一个具有 内酯环结构的β-羟基脂肪酸七肽，Bonmatin利用H-NMR指 纹图谱技术进一步报道了它的三维结构。表面活性肽在空 间上多呈β片状折叠结构，在水溶液及空气／水的界面看上 去有点类似于马鞍状，而它的增溶和表面活性特征往往取 决于分子的排列情况。
研究概况
酶催化合成法
酶催化合成法主要应用于合成一些结构较简单而表面活性 高的生物表面活性剂。酶催化法在常温常压下就能进行，反应 产率高，副反应少，后处理过程简单，产物易回收，而且酶在 非极性溶剂中或微水条件下仍能很好地发挥其催化作用，这极 大地拓展了酶催化法合成生物表面活性剂的应用范围。固定化 酶技术和非水介质酶催化技术是目前最重要的两种酶技术。 Pernilla Turner为了增加反应物在非水介质正己醇中的溶解度， 然后使用β—葡萄糖苷酶B作为催化剂进行反应，得到糖脂衍 生物。 虽然酶催化优点很多，但是酶制剂价格昂贵，成本太高， 在一定程度上大大限制了其在工业生产中的的发展。目前正在 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， 模拟了内源多酶联合催化过程，并使其处于可控状态，将整胞 微生物代谢法的优点嫁接到外源酶催化法上来，使其合成生物 表面活性剂具有更大发展潜力。
研究概况
槐糖脂
槐糖脂是糖脂中重要的一员。槐糖脂是由假丝酵母菌属等非 致病类酵母菌产生的一种胞外糖脂，产量高达 4 00g /L，具有较好 的表面性能以及生物可降解性、环境相容性、低毒性等优点，在 食品、医药、化妆品、冶金、石油开采、环境修复和纳米技术等 许多领域中得到了不同程度的应用。除了具有较好的表面特性， 槐糖脂还具有抑菌、抗病毒、抗肿瘤、抗炎等多种生物活性。不 同类型的槐水基团两部分构成，亲水部分由槐糖（ sophorose）构 成，疏水部分由羟基脂肪酸构成，二者通过β—糖苷键连接。微生 物通常不会合成单一分子结构的槐糖脂，而是合成结构略有不同 的槐糖脂分子的混合物。这些差异主要体现在槐糖脂中槐糖分子 是否发生乙酰化，以及是否与脂肪酸生成内酯，据此可将槐糖脂 分为酸型和内酯型两种。
应用
石油化工
环境工程
食品
应用——石油化工
人们对生物表面活性剂的兴趣最早源于石油工业，且目前 也是最主要的应用领域。通过筛选合适微生物和改变生长条件 可以生产出满足不同原油和地质条件的生物表面活性剂。微生 物强化采油(mi—crobial enhanced oil recovery，简称MEOR技术) 是生物表面活性剂最为重要的应用领域。在油田中注入一些微 生物和其生长所必须的营养物质，微生物在生长的同时，可以 产生生物表面活性剂，这些生物表面活性剂能降低原油和水两 相界面的张力，从而提高原油的开采量。与化学合成生物表面 活性剂相比，生物表面活性剂可被微生物降解，不会对环境造 成污染。微生物驱油和化学驱油最大的不同是微生物不但可沿 注水压差方向 运移，还可在油层中纵深迁移，大大提高了水驱 或化学驱的效率。地衣杆菌JF—2是目前研究最多的产生物表面 活性剂的菌种。Lin用地衣芽孢杆菌JF—2产生的生物表面活性 剂具有较高的表面活性，界面张力可达到 1.6×10-5N/m。Marsh 发现乙酰丁醇芽孢杆菌和JF—2可将油田采收率提高21%和23%。
研究概况
磷脂
磷脂是一类含有磷酸的脂类，机体中主要含有两大类磷 脂，由甘油构成的磷脂称为甘油磷脂；由神经鞘氨醇构成 的磷脂，称为鞘磷脂。其结构特点是：具有由磷酸相连的 取代基团（含氨碱或醇类）构成的亲水头和由脂肪酸链构 成的疏水尾。在生物膜中磷脂的亲水头位于膜表面，而疏 水尾位于膜内侧。磷脂是重要的两亲物质，它们是生物膜 的重要组分、乳化剂和表面活性剂（表面活性剂是能降低 液体，通常是水的，表面张力，沿水表面扩散的物质）。 磷脂是生物膜的重要组成部分，其特点是在水解后产生含 有脂肪酸和磷酸的混合物。根据磷脂的主链结构分为磷酸 甘油脂和鞘磷脂。
研究概况
鼠李糖脂
生物表面活性剂中被研究较多的是铜绿假单胞菌（ Pseudomonas aeruginosa，原称绿脓杆菌）产的鼠李糖脂。其亲水基团一般由1-2分子 具有不同碳链长度和饱和或不饱和脂肪酸构成。 鼠李糖脂是一种阴离子表面活性剂，它们不仅溶于甲醇、氯仿和乙 醚，在碱性水溶液中也表现出良好的溶解特性。然而鼠李糖脂最突出 的特性是它的表面活性，能够显著降低水的表面张力，改变固体表面 的润湿性。一般地，鼠李糖脂表面活性剂能使水的表面张力从 72mN／ m降至30mN／m左右，使油水界面张力从43mN／m降至1mN／m左右。 在不同组成的培养基及培养条件下，不同菌株生产得到的鼠李糖脂各 同系物组成及含量均各异，因此表面性质也各有差别。双鼠李糖脂 Rha2C10C10表现出的临界胶束浓度（CMC，5mg/L）低于单鼠李糖脂 RhaC10C10的临界胶束浓度（CMC，40mg/L），而亲水性更强的鼠李 糖脂RhaC10和Rha2C10的CMC则为200mg/L。
稳定性好 乳化和破乳能力强 无毒、用量少 能被微生物完全降解
研究概况
20世纪40年代
Zobell
1949年
1968年
Arima
提出
微生物产生表面活性剂是 细菌驱油的主要机制之一 利用假单胞菌生产生物表 面活性剂鼠李糖脂。
发现
首次从枯草芽胞杆菌发酵 液中发现表面活性素，属 于脂肽类表面活性剂。
近年
1997年
生物表面活性剂研究进展
目录 课题背景
研究概况 应用 展望
Hale Waihona Puke Baidu 课题背景
表面活性剂
表面活性剂是一类少量加入就能大幅度降低溶剂表面张力， 并能明显改变体系的界面性质和状态，从而产生润湿、乳化、 起泡、洗涤、分散、抗静电、润滑、加溶等作用的两性化合物。 纳米材料合成中常用的表面活性剂主要有离子型表面活性 剂和非离子型表面活性剂。
研究概况
动植物细胞内提取法
目前，从动植物体如蛋黄、大豆、黄豆、羊毛和茶叶等生物 中分离提取的生物表面活性剂主要有卵磷脂、胆甾醇、羊毛脂、 茶皂素、蛋白质、皂苷类、糖类及烷基多苷等。这类表面活性 剂无毒副作用、安全性高、易被生物降解，并具有良好的乳化 性和表面活性，广泛应用于食品、医药、洗涤用品和化妆品等 工业领域。但由于受到原料来源的限制，动植物细胞内提取生 物表面活性剂难以大规模生产。
研究概况
磷脂
磷酸甘油酯phosphoglycerides主链为甘油-3-磷酸，甘油分 子中的另外两个羟基都被脂肪酸所酯化，噒酸基团又可被 各种结构不同的小分子化合物酯化后形成各种磷酸甘油酯。 体内含量较多的是磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺 （脑磷脂）、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰甘油、二磷脂酰甘油 及磷脂酰肌醇等，每一磷脂可因组成的脂肪酸不同而有若 干种。 鞘磷脂sphingomyelin鞘磷脂是含鞘氨醇或二氢鞘氨醇的磷 脂，其分子不含甘油，是一分子脂肪酸以酰胺键与鞘氨醇 的氨基相连。鞘氨醇或二氢鞘氨醇是具有脂肪族长链的氨 基二元醇。 有长链脂肪烃基构成的疏水尾和两个羟基及一 个氨基构成的极性头。 鞘磷脂含磷酸，其末端烃基取代基团为磷酸胆碱酰乙醇胺。 人体含量最多的鞘磷脂是神经鞘磷脂，由鞘氨醇、脂肪酸 及磷酸胆碱构成。神经鞘磷酯是构成生物膜的重要磷酯。 它常与卵磷脂并存细胞膜外侧。
鼠 李 糖 脂
槐糖脂 表面活性肽
研究概况
合成方法
天然物生物提取法
合 成 方 法
微生物发酵法
酶催化合成法
动植物细胞内提取法
研究概况
天然物生物提取法
磷脂、卵磷脂类等生物表面活性剂是从蛋黄或大豆中分离提 取出来，皂角苷是从植物体内提取的，这类生物表面活性剂的 来源都是天然生物原料，但是此方法受到原料限制，难以大量 生产。
离子型表面活性剂
十二烷基苯磺酸钠（SDBS） 十二烷基硫酸钠（SDS） 十六烷三甲基溴化铵（CTAB） 聚乙烯醇（PVA） 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）
非离子型表面活性剂
课题背景
表面活性剂
SDBS
SDS PVP
目前，大多数表面活性剂主要以石油为原料经化学合成而 来，由于受化工原料、产品的理化特性及其在生产和使用过程 对环境造成严重污染等原因，使表面活性剂的应用前景受到极 大的挑战。
Nakayama
20世纪70年代后期 发现
出现了一些新型生物表面 活性剂，如蔗糖酯是一种 新型的多元醇型非离子表 面活性剂等。
重组枯草杆菌生产一种新 型的Surfactin。
利用生物合成法生产生物 表聚甘油脂肪酸酯。
研究概况
生物表面活性剂分类
生物表面活性剂 鼠李糖脂 槐糖脂 表面活性肽 海藻糖四脂 杂多糖类 蛋白类 来源微生物 胞外乳化剂；产碱假单胞菌；醋酸钙不 动杆菌；阿氏肠杆菌；霍氏肠杆菌 ；玉米细菌性枯萎病菌； 泛菌属 球拟酵母 枯草芽孢杆菌 藤黄微球菌 威尼斯不动杆菌 抗辐射不动杆菌
研究概况
海藻糖脂
目前对海藻糖脂的生产研究相对较少。海藻糖脂具有很好 的抗腐蚀性、抗辐射性、抗干燥脱水保护等作用，为生物 分子、细胞膜、细胞器以及医用生物制品的保存、运输和 使用带来极大的方便。海藻糖脂尚未进行大规模生产及应 用，主要瓶颈在于碳源的成本过高和产量较低。碳源是培 养基中的限制性因素，影响海藻糖脂的产量、表面张力、 乳化能力等。