表面活性劑(Surfactants)是一類重要的化工原料,素有“工業(yè)味精”之稱,它在石油工業(yè)､環(huán)境工程､食品工業(yè)､精細(xì)化工等許多領(lǐng)域中占有特殊和重要的地位。目前,幾乎所有的表面活性劑都是以石油為原料化學(xué)合成而來,化學(xué)合成的表面活性劑在生產(chǎn)和使用過程中常常會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。生物表面活性劑(Biosurfactants)是表面活性劑家族中的后起之秀,它是由微生物所產(chǎn)生的一類具有表面活性的生物大分子物質(zhì)。與化學(xué)合成的表面活性劑相比,生物表面活性劑除具有降低表面張力､穩(wěn)定乳化液和增加泡沫等相同作用外,還具有一般化學(xué)合成表面活性劑所不具備的無毒､能生物降解等優(yōu)點。生物表面活性劑的這些特性尤其適合于石油工業(yè)和環(huán)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復(fù)等。另外,生物表面活性劑作為天然添加劑,在食品工業(yè)､精細(xì)化工､醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等工業(yè)方面也愈來愈受到人們的青睞。隨著人們崇尚自然和環(huán)保意識的增強,生物表面活性劑將有更加廣闊的應(yīng)用前景,并有可能成為化學(xué)合成表面活性劑的替代品或升級換代品。

1 生物表面活性劑的研究歷史

早在20世紀(jì)40年代,Zobell在研究硫酸鹽還原細(xì)菌從沙粒中釋放原油的機制時就指出,微生物產(chǎn)生表面活性劑是細(xì)菌驅(qū)油的主要機制之一。1957年,捷克的Dostalek和Spumy把脫硫弧菌(Desulfovibrio)和假單胞菌同糖蜜一起注入油層,原油產(chǎn)量提高。他們認(rèn)為,可能是細(xì)菌產(chǎn)生的表面活性物質(zhì),改變了巖石 油 水三相系統(tǒng)的界面張力所致。

60年代后,石油工業(yè)開始發(fā)展,微生物對烴類物質(zhì)的乳化機制引起關(guān)注。對提取的微生物表面活性劑集中于結(jié)構(gòu)､性能､生物合成及調(diào)控的研究。1976年,Zajie和Panchal綜述了微生物乳化劑的來源及特性,預(yù)測了其應(yīng)用潛力。1980年,Cooper和Zajie評述了微生物表面活性劑的化學(xué)特性。1984年,Zajie和Seffens闡述了微生物表面活性劑的理化性能。1991年,Vander等進(jìn)行的軸對稱液滴分析(ADSA)非常有效,其他比較簡單的方法有快速液滴破裂實驗､產(chǎn)表面活性劑菌落的薄層層析及比色法檢測解烴細(xì)菌與產(chǎn)鼠李糖脂的細(xì)菌。近年來的研究熱點是發(fā)展快速檢測表面活性劑高產(chǎn)菌株并評價其潛力的方法。

用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)表面活性劑是70年代后期發(fā)展起來的。加拿大､英國､德國､前蘇聯(lián)等主要研究并開發(fā)各類新型生物表面活性劑､尋找最適生產(chǎn)條件,表面活性劑結(jié)構(gòu)剖析與改性,物化性能測試,室內(nèi)驅(qū)油物理模擬等。Zajie實驗室?guī)讉€產(chǎn)品已商業(yè)化。Singer實驗室選育的一種細(xì)菌,以正構(gòu)烷烴為唯一碳源,產(chǎn)生一種胞外和胞內(nèi)糖脂型表面活性劑,使重油粘度降低95%以上,形成穩(wěn)定的水包油乳狀液。

2 生物表面活性劑的種類及其微生物來源

2.1 生物表面活性劑的種類

微生物產(chǎn)生的生物表面活性劑包括許多不同的種類。依據(jù)他們的化學(xué)組成和微生物來源可分為糖脂､脂肽和脂蛋白､脂肪酸和磷脂､聚合物和全胞表面本身等五大類。

2.2 產(chǎn)生生物表面活性劑的微生物來源

生物表面活性劑多數(shù)由細(xì)菌､酵母菌､真菌(霉菌)等產(chǎn)生。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)生物表面活性劑的生產(chǎn)菌種大致可分為三類:一類是嚴(yán)格以烷烴作為碳源的微生物,如棒狀桿菌Corynebateriumsp.;一類是以水溶性底物為碳源的微生物,如桿菌Bacillus sp.;另一類可以烷烴和水溶性底物兩者作為碳源,如假單孢菌Pseudomonas sp。表1列出了生物表面活性劑的種類及其微生物來源。

3 生物表面活性劑的性能

生物表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)中既有極性基團(tuán)又有非極性基團(tuán),是一類中性兩極分子。親水基團(tuán)可以是離子或非離子形式的單糖､二糖､多糖､羧基､氨基或肽鏈;疏水基團(tuán)則由飽和脂肪酸､不飽和脂肪酸或帶羥基的脂肪酸組成。對于像蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物等一些分子量較大的生物表面活性劑分子,其親水和疏水部分可以由不同的分子組成。

生物表面活性劑能在兩相界面定向排列形成分子層,能降低界面的能量,即表面張力,多數(shù)生物表面活性劑可將表面張力減小至30mN/m。它們在決定界面的流變學(xué)特性以及在兩相間物質(zhì)傳遞方面起著十分重要的作用。

生物表面活性劑具有良好的熱及化學(xué)穩(wěn)定性,如由地衣芽孢桿菌產(chǎn)生的脂肽在75℃時至少可耐熱140h。生物表面活性劑在pH5.5～12之間保持穩(wěn)定,當(dāng)pH小于5.5時,會逐漸失活。

與化學(xué)合成的表面活性劑相比,生物表面活性劑更具優(yōu)越性,表現(xiàn)在其反應(yīng)產(chǎn)物均一,可引進(jìn)新類型的化學(xué)基團(tuán),其中有些基團(tuán)是化學(xué)方法難以合成的;生物表面活性劑安全､無毒､生產(chǎn)工藝簡單,常溫常壓下即可發(fā)生反應(yīng)。

4 生物表面活性劑的應(yīng)用

生物表面活性劑有非常廣泛的應(yīng)用,能用于石油開采業(yè)､環(huán)境工程､食品工業(yè)､農(nóng)業(yè)和精細(xì)化工等行業(yè)。然而最有應(yīng)用前景的是清除污染的油罐､重油的運移和提高原油采收率。

4.1 應(yīng)用于石油開采業(yè)(MEOR技術(shù))

由于石油工業(yè)對生物表面活性劑的純度和專一性要求不高,所以可直接使用含完整微生物細(xì)胞的生物表面活性劑發(fā)酵液。微生物強化采油(microbial enhanced oil recovery,MEOR)技術(shù)就是指往油層中注入某些微生物,同時注入一些微生物生長所必需的營養(yǎng)物,這些微生物在生長的同時,能產(chǎn)生生物表面活性劑。這些生物表面活性劑可降低原油與水兩相界面的張力,從而可提高油田的開采量。MEOR技術(shù)是生物表面活性劑的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。在油田開采中,應(yīng)用一次及二次采油技術(shù)開采后,仍有大約70%的原油滯留在儲油層中。為進(jìn)一步采集這些極為可觀的殘留原油,通常向油井中注入化學(xué)合成的表面活性劑,以降低原油與水的界面張力,使地層毛細(xì)管孔隙中所夾持的原油大量釋放出來,從而提高原油采收率。但化學(xué)合成的表面活性劑通常難以生物降解,會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。而生物表面活性劑可被微生物降解,所以不會對環(huán)境造成污染。

直接向地下注入產(chǎn)生物表面活性劑的微生物,并配以適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì),以地下石油為唯一碳源,將油層當(dāng)作生物反應(yīng)器的微生物驅(qū)采油方法是目前國內(nèi)外力爭攻克的難題。微生物驅(qū)與化學(xué)驅(qū)的重要區(qū)別是微生物不但可沿注水壓差方向運移,還可在油層中縱深遷移,并與水驅(qū)難以掃及的原油作用,大大提高了水驅(qū)或化學(xué)驅(qū)的波及效率。另外微生物在與原油作用的同時,會產(chǎn)生有利于提高原油采收率的代謝產(chǎn)物,除產(chǎn)生生物表面活性劑外,還產(chǎn)生某些小分子的有機酸､有機溶劑等,既能降低油水間界面張力,又使油層的通透性增強。在此基礎(chǔ)上,再與化學(xué)驅(qū)結(jié)合將會在最大程度提高原油采收率的同時,大大降低化學(xué)驅(qū)的成本。據(jù)報道,紫紅諾卡氏菌(Nocardia rhodochrous)產(chǎn)生的海藻糖脂,用于地下砂石中石油的回收,出油率提高了30%。

4.2 在環(huán)境生物工程上的應(yīng)用

近年來,隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,工業(yè)排放的廢水､固體廢棄物､農(nóng)田中施用的農(nóng)藥､石油開采中的井噴及運輸中的泄漏等對水體和土壤的污染日趨嚴(yán)重,從而引起人們的關(guān)注。研究表明:加入微生物或表面活性劑(生物的或化學(xué)合成的),能夠增強憎水性化合物的親水性和生物可利用性,使進(jìn)入環(huán)境的污染物不斷地降解,該技術(shù)稱為生物修復(fù)(biore mediation),其中使用到生物表面活性劑。土壤微生物降解烷烴化合物是烷烴污染物從土壤中消失的基本機制。為了提高烷烴降解速度,接種非土壤微生物的效果仍有很大爭議。然而,可以通過提高土壤中微生物的數(shù)量,繼而提高烷烴的降解速度,而且降解速度的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單獨加入某種營養(yǎng)成分所提高的速度。糖脂類生物表面活性劑不僅可提高烷烴的去除率,而且可加速烷烴的礦化程度,縮短可被微生物利用的適應(yīng)時間。華兆哲等用假絲酵母生產(chǎn)的甘露糖赤蘚糖醇酯對正構(gòu)烷烴具有較好的降解能力。VanDyke等研究表明,銅綠假單胞菌合成的鼠李糖脂加入沙土或沙壤土中,烷烴的去除率分別提高25%～70%和40%～80%。生物表面活性劑同樣也可用于修復(fù)受重金屬､菲､多氯聯(lián)苯污染的土壤。

4.3 在食品工業(yè)和精細(xì)化工中的應(yīng)用

由于符合功能性食品和綠色食品添加劑的要求,在人們崇尚自然,健康至上的今天,生物表面活性劑已成為一種廣泛應(yīng)用的食品添加劑。蔗糖酯､卵磷脂､山梨聚糖等都是目前食品工業(yè)常用的乳化劑。另外,生物表面活性劑還可以用作食品加工業(yè)和精細(xì)化工中的保濕劑､防腐劑､潤濕劑､起泡劑､增稠劑､潤滑劑等。據(jù)報道蔗糖酯加入食品中可以改善食品的加工性能､提高食品抗氧化防霉作用和香味質(zhì)量,蔗糖酯對柑桔､蘋果､梨等水果的保鮮已取得良好效果。產(chǎn)朊假絲酵母(Candida utilis)合成的生物乳化劑可用作色拉調(diào)味劑?；碧侵哂辛己玫钠つw親和性,可作為皮膚保濕劑用于化妝品中,還可用于制造洗滌劑､增加感光乳劑的穩(wěn)定性等。蔗糖酯也可以改善化妝品的水洗性能,增加皮膚的光潤和滑嫩性。

4.4 在其他方面的應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)方面,生物表面活性劑可用于土壤改良､用作肥料､清潔､植物保護(hù)以及殺蟲劑等。在醫(yī)療衛(wèi)生方面,生物表面活性劑可用于治療某些疾病。據(jù)報道,紅串紅球菌(Rhodococcus erythropolis)合成的琥珀酰海藻糖脂能夠抑制單純皰疹病毒和流感病毒。用發(fā)酵法生產(chǎn)的磷脂蛋白對人體細(xì)胞中的免疫缺陷蛋白病毒具有抑制作用。

生物表面活性劑還可用于高效細(xì)胞破碎和快速測定微生物的數(shù)量。由于生物表面活性劑可高效地將細(xì)菌和真菌的細(xì)胞破碎,細(xì)胞內(nèi)的ATP釋放后與熒光素酶和熒光素系統(tǒng)反應(yīng)產(chǎn)生熒光,ATP的量與細(xì)胞的數(shù)量相關(guān),因此通過測定所產(chǎn)生的熒光的量即能推算出細(xì)胞的數(shù)量,從而達(dá)到快速測定的目的。此外,生物表面活性劑還能用于殺菌劑､殺蟲劑效果的監(jiān)測,以及發(fā)酵工業(yè)發(fā)酵過程的細(xì)胞數(shù)量隨程監(jiān)控等方面。

5         問題和發(fā)展前景

目前,生物表面活性劑只有少數(shù)產(chǎn)品走向市場,大多數(shù)品種處于實驗研究階段,還沒有進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn),這主要是由于它的生產(chǎn)成本較高。據(jù)估計生物表面活性劑是化學(xué)生物表面活性劑成本的3～10倍。為了開發(fā)生物表面活性劑的應(yīng)用潛力,降低其生產(chǎn)成本是當(dāng)前研究開發(fā)的熱點和主要目標(biāo)。決定生物表面活性劑生產(chǎn)成本的主要因素有原料､發(fā)酵工藝和下游技術(shù)等。因此解決問題的途徑有如下三種:(1)通過選育高產(chǎn)菌株､構(gòu)建基因工程高產(chǎn)菌;發(fā)展快速檢測表面活性劑高產(chǎn)菌株并評價其潛力的方法;(2)找到廉價發(fā)酵原料､改進(jìn)發(fā)酵工藝､用先進(jìn)的下游技術(shù)等方法提高生物表面活性劑的發(fā)酵產(chǎn)率和提取得率,從而大大降低它的生產(chǎn)成本;(3)利用生物表面活性劑的特殊性,開發(fā)出它的二次產(chǎn)品,提高其附加值。如用于化妝品､食品､制藥等行業(yè)。

總之,生物表面活性劑是最近發(fā)展起來的一類新型表面活性劑,它具有降低表面張力的作用,對環(huán)境無毒害,且生物降解性能好,屬于天然添加劑。除了在石油工業(yè)和環(huán)境工程等一些特殊領(lǐng)域受到重視外,隨著生物技術(shù)和相關(guān)技術(shù)手段的快速發(fā)展,生物表面活性劑的價格將逐步降到消費者可以接受的水平,越來越廣泛地應(yīng)用在食品工業(yè)､精細(xì)化工､醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè),與我們的日常生活密切相關(guān)。生物表面活性劑及其應(yīng)用研究將有廣闊的發(fā)展前景。