生物表面活性劑主要是由微生物在好氧或厭氧條件下在碳源培養基中生長時產生的。這些碳源可以是碳水化合物､烴類､油､脂肪或者是它們的混合物。生物表面活性劑可分為非離子型和陰離子型,陽離子型較為少見。像其它表面活性物質一樣,生物表面活性劑由一個或多個親水性和憎水性基團組成,親水基可以是酯､羥基､磷酸鹽､或羧酸鹽基團､或者是糖基,憎水基可以是蛋白質或者是含有憎水性支鏈的縮氨酸。根據生物表面活性劑的結構特點,可將其分為5類:糖脂､脂肽､多糖蛋白質絡合物､磷脂和脂肪酸或中性脂。

和傳統的化學合成的表面活性劑相比,生物表面活性劑有許多明顯的優勢:(1)更強的表面和界面活性;(2)對熱的穩定性;(3)對離子強度的穩定性;(4)生物可降解性;(5)破乳性。

由于這些顯著特點,使生物表面活性劑在一些方面可以逐漸代替化學合成的表面活性劑,而且應用也越來越廣泛。如微生物產生的生物表面活性劑可以增強油類提取(MEOR);對于被油污染的海面或土壤,可加快油類的降解;對重金屬污染的土壤和地下水的修復等。隨著人們對環境問題的認識加深,從源頭減少污染及治理污染的同時不產生二次污染已經成為人們的共識,因此生物表面活性劑無疑是未來發展的趨勢。

1 生物表面活性劑的合成及其生產菌

生物表面活性劑已有20多年的發展歷史,人們對產生生物表面活性劑的微生物及其產生機理已有了較多的認識。在通過發酵法生產生物表面活性劑的過程中,可以利用不同條件下的微生物細胞生產生物表面活性劑,如細胞生長相關型生物表面活性劑是細胞繁殖生長過程中的代謝產物,在各種限制條件下可利用生長細胞或休止細胞生產生物表面活性劑,或是將發酵法與生物轉換結合起來通過加入一種底物前體生產生物表面活性劑。一些重要的生物表面活性劑及其生產菌如表1。

生物表面活性劑的產生量小､結構復雜､性能也有較大差異,國內外對生物表面活性劑及其生產菌進行了多方面的研究,來提高產量､降低成本､生產出高性能的生物表面活性劑。 

1.1 菌株的篩選及改良 生物表面活性劑的生產首先依賴于生產菌,不同的生產菌產生不同的生物表面活性劑。如何快速而有效地篩選和分離出生物表面活性劑生產菌,是人們研究很多的一個問題。已有許多方法通過測量液體和空氣或兩種液體之間的界面力來確定生物表面活性劑的濃度,從而判定出生物表面活性劑生產菌的存在。這些方法包括毛細上升法､威廉米吊片法､環法､泡壓法及懸滴法。近年來,不少文獻報道了一些快速的生物表面活性劑產生菌的篩選方法。如液滴軸線對稱分析法(ADSAP)和比色法等方法。Jain等曾報道了一種液滴分散法,可以定性地確定生物表面活性劑產生菌的種類。Bodour等對這種方法進行了改進,使液滴分散法既可以定性地篩選出生物表面活性劑生產菌,又可以定量地測定出生物表面活性劑的濃度。測定是在一個有96個微槽的碟子上進行,每個微槽內都覆蓋一薄層油,然后加入5μL的樣品液滴,一分鐘后觀察,可以通過液滴的聚集､輕微分散或完全散開來判斷表面活性物質的量。這種方法和常用的環法相比有許多優勢:需要很少的樣品量(5μL),能夠測量較大的有效濃度范圍,而且不需要特殊的設備。

另外,通過致突變等手段篩選高產菌株是一種有效地獲取生物表面活性劑生產菌的途徑。通常可采用紫外燈照射或加入致突變劑等方法來使一些菌株發生變異。Bacillus licheni for mis JF-2能在好氧和厭氧條件下產生生物表面活性劑,并且能生活在含10%的NaCl､溫度高至50℃､pH值從4到9的油層環境中,這些特點非常適合用于微生物法提高石油采收率。但和Bacillu subtilis相比,由B.licheni for mis JF-2產生的生物表面活性劑的產量卻少的多。因此,通過改變B.licheni for mis JF-2的性狀來增加生物表面活性劑的產量是十分必要的。Sung chyr Lin等在這方面進行了有益地嘗試,他們在研究中向2mL的B.licheni for mis JF-2培養液中加入誘變劑N-甲基-N-硝基-N-亞硝基胍(MN-NG),使其濃度達到0.1mg/mL,得到的懸浮液在42℃的溫度下培養10min,然后將培養液用預冷卻的新鮮的礦物鹽水稀釋20倍,隨后進行一系列的篩選過程,最后得到一株變異體Blicheniformis KGL11,它產生的生物表面活性劑的濃度為390mg/L,是B.licheni for mis JF-2產生的生物表面活性劑的濃度的12倍,且生物表面活性劑的種類相同。

1.2 培養條件的優化 在微生物的培養過程中可以通過控制發酵條件及各種營養物質的量,使生產菌最有效的產生生物表面活性劑。Surfactin是一種由Bacillus subrilis產生的脂肽類生物表面活性劑。Yu-hong Wei等研究發現,在鐵離子富集的培養基中, Surfactin的產量會大大提高,同時導致了生物量的增加。進一步研究發現,當用1.7mmol/L的硫酸鐵加入到不同鐵離子起始濃度或發酵的不同階段的培養基中時, Surfactin的濃度都會增加到幾百mg/L。但隨著鐵離子的加入,培養基就會出現酸化現象,當pH降低到5以下時,由于沉淀作用, Surfactin在培養基中消失。然而,如果通過各種手段(如加入堿)避免了這種酸化現象, Surfactin產量就會增加到3,500mg/L。這個濃度要比所有曾報道過的通過基因改良獲得的菌種產量都要高。Davis等對Bacillus subtilis ATCC21332產生的生物表面活性劑Surfactin的產量和氮的代謝情況的關系進行了研究。在一個用硝酸銨作為氮源的培養基中,當銨被消耗完以后,在厭氧條件下,微生物就會利用硝酸根作為氮源。研究發現,在這種厭氧且硝酸根受限制的培養基中,生物表面活性劑的產量比其它條件下都要高。

另外,對于大規模的生產來說,選擇經濟合理的培養底物也是十分重要的。SandraLFox和GregBala報道了用土豆加工過程中的廢物作碳源培養Bacillus subtilis ATCC21332生產生物表面活性劑的可行性。這種方法解決了土豆加工工廠的廢物處理問題,同時也降低了生物表面活性劑的生產費用。

1.3 對新型生物表面活性劑研究與開發 隨著研究的不斷深入,一些新型的､具有優良特性的生物表面活性劑不斷出現。蔗糖酯(Sucrose ester簡稱SE)是一種新型的多元醇型非離子表面活性劑,它可以作為食品添加劑,能改善口感;用做洗滌劑的活性劑能除去水果､蔬菜上的殘存的農藥,而本身卻很少殘留。趙裕蓉等采用解烴棒狀桿菌(Corynebai feriun hydrocarboclestes)為生產菌,在以蔗糖為唯一碳源的培養基中培養,通過紫外分光光度法､氣相色譜､薄層色譜等一系列方法對產物蔗糖酯進行了定性和定量的檢測。張翠竹等從大港煉油廠污水中篩選到一株地衣芽孢桿菌NK-X₃,在含糖的培養基中培養可產生一種脂肽類生物表面活性劑,該生物表面活性劑在pH值為4～12的范圍內和4,000mg/L的高鈣離子濃度及15%的高鹽濃度下仍維持表面活性,更為顯著的特點是在120℃高溫下不失活,這些特點有利于原油的增采和輸送。Wolf-Rainer Abraham等從Alcanivorax borkumensis的烷烴培養基中分離并鑒定了一系列極性脂類生物表面活性劑,這些生物表面活性劑是含有脂肪酸支鏈的陰離子糖脂,在結構上有10種不同的衍生物,主要是4個β羥基脂肪酸支鏈的鏈長(C₆,C₈,C₁₀)及位置不同。

2生物表面活性劑的提取

目前,生物表面活性劑工業規模的應用與合成的表面活性劑相比并不具有優勢,主要是由于生物表面活性劑的生產費用較高,而產物的提取或稱下游的處理費用占生產費用的大部分。而生物表面活性劑在發酵液中的低濃度和兩親性常妨礙其有效分離。隨著研究的不斷深入,一些傳統的方法不斷完善,新的方法不斷出現。

2.1 萃取 溶劑萃取是一種常用的提取方法,被許多研究者采用。常用的有機溶劑有甲醇､乙醇､戊烷､丙酮､氯仿､二氯甲烷,這些溶劑既可以單獨使用,也可以混合使用。氯仿和甲醇以不同比例的混合溶液是一種比較有效的萃取液,它可以使萃取劑的極性與目標提取物的極性相協調。Mata Sandoval等在對銅綠假單胞菌(Pseudomona saeruginose UG2)產生的鼠李糖脂(rha mnolipid)生物表面活性劑的提取過程中采用了氯仿 甲醇(2∶1)的萃取劑,取得了很好的效果。但對于大規模的生產來說,需要大量的氯仿做溶劑,這在經濟上是不合理的。而且,氯仿是一種高毒性的有機氯化物,對人體和環境都有害。因此,尋找一種既便宜又低毒性的生物表面活性劑萃取劑是十分必要的。Marias.Kuyukina等對生物表面活性劑的萃取劑進行了研究,他們用甲基-叔丁基醚萃取Rhodococcus產生的生物表面活性劑,通過和其它常用的溶劑相比較,認為用甲基 叔丁基醚做萃取劑可以取得較高的產品產率(10g/L),高效率(臨界膠束濃度為130～170mg/L),同時產品具有良好的表面活性(表面張力和界面張力分別為29和0.9mN/m)。甲基 叔丁基醚具有低毒､可生物降解､易回收､不易燃及不易爆炸等優良特性。因此,對于大規模的生物表面活性劑生產也是良好的萃取劑。

2.2 超濾 超濾是用于從發酵液中提取生物表面活性劑的一種新方法。它是在壓力的作用下讓不易過濾的樣品通過膜。這種方法速度快､回收率高,在國外應用較為廣泛。Sungchyr Lin等用分子量截止值(MWCO)為30,000D的超濾膜對Bacillus licheniformis的變異體產生的生物表面活性劑進行了提取分析,同時還使超濾和高效液相色譜相結合,設計了一套對生物表面活性劑的提取､分析方法。由于生物表面活性劑在臨界膠束濃度(CMC)以上時形成微膠束,使得超濾膜截取的分子量比生物表面活性劑的分子量大兩個數量級,而向培養液中加入一定量的甲醇,膠束就會分散,生物表面活性劑就會通過濾膜。這樣讓原培養液､超濾濾液､及在培養液中加入甲醇后的超濾濾液分別通過高效液相色譜,得到3張色譜圖。在原培養液色譜圖中出現的峰,如在濾液的色譜中消失,而在加入甲醇的濾液的色譜圖中又出現,則可證明這個峰是生物表面活性劑的峰。而那些只在培養液的色譜圖中出現的峰就不是生物表面活性劑的峰。這種方法可以排除生物大分子(如蛋白質等)的干擾,因為生物大分子在甲醇的作用下不會裂解。

2.3 泡沫分離 微生物的發酵過程中都會產生泡沫現象,產生表面活性物質的過程中尤其顯著。泡沫是由于快速攪動及向好氧微生物培養液中充氧而產生的,在表面活性物質存在的情況下穩定下來。泡沫會使產品､營養成分及細胞流失。為了抑制泡沫的產生就必須加入一些化學抑泡劑,這不僅增加了費用､減弱氧的傳遞,而且還會對微生物產生負面影響。但如果利用這些泡沫來回收表面活性物質,可能是一種既經濟又合理的方法。Davis等對這方面進行了研究。他們用泡沫分離法對一類生物表面活性劑Surfactins進行了提取和濃縮,證明了泡沫分離是一種有效的生物表面活性劑分離方法。而且使泡沫分離和發酵過程相結合,建立了連續的生產過程。·

3 展望近

些年來,生物技術迅猛發展,而且不斷向其它工業領域滲透。生物表面活性劑的產生發展就是一個最好的例證。它不僅在一些領域逐步代替化學合成的表面活性劑,而且突破了傳統的表面活性劑的應用領域。生物表面活性劑的研究在我國處于起步階段,在發達國家也是新興領域,其工業化水平較低,技術不成熟,但有很大的發展潛力。

生物表面活性劑潛在的應用領域不斷被拓寬,但它能不能成功地應用取決于生物表面活性劑能不能以經濟的生產費用大規模地生產。目前,生產技術的改善已使生物表面活性劑的生產效率和使用效率有了很大的提高,今后應以經濟可行性為方向,進行以下各方面的研究。

培養基的優化研究。對于特定的生產菌株,建立各種營養因素(C､N､P等)及底物的增加和產量及生產費用之間的關系模型,從而確定最經濟的培養條件。

進行廢物資源化的研究。開發出可被生物表面活性劑生產菌利用的有機廢物培養基,結合菌種的篩選與優化,建立一套利用有機廢物的生物表面活性劑生產體系。

通過菌種改良提高產量,利用當代基因工程技術,進行優良基因的組合,改造出高效菌種。

開發出簡單､高效的生物表面活性劑分離､提取技術,并使其產業化,降低生產成本。

在有機廢水及有機垃圾的生物處理過程中,向反應器中接種生物表面活性劑生產菌,控制反應條件,使其更有效的處理難降解物質。