生物表面活性剂的分离提纯及其应用前景

生物表面活性剂的制备、提纯及其应用

摘要：生物表面活性剂是由微生物产生的天然产物，具有表面活性高、对环境无污染、生物可降解性及良好的抑菌作用等优于化学合成的表面活性剂的独特性质。本文对生物表面活性剂的合成方法进行了介绍，对生物表面活性剂在石油工业、环境工业、医药、食品、农业和化妆品工业等领域的应用进行了总结，展望了生物表面活性剂的良好应用前景。

关键词：生物表面活性剂制备提纯应用

生物表面活性剂主要是由微生物在好氧或厌氧条件下在碳源培养基中生长时产生的。这些碳源可以是碳水化合物、烃类、油、脂肪或者是它们的混合物。生物表面活性剂可分为非离子型和阴离子型, 阳离子型较为少见。像其它表面活性物质一样, 生物表面活性剂由一个或多个亲水性和憎水性基团组成, 亲水基可以是酯、羟基、磷酸盐、或羧酸盐基团、或者是糖基, 憎水基可以是蛋白质或者是含有憎水性支链的缩氨酸。根据生物表面活性剂的结构特点, 可将其分为5 类:糖脂、脂肽、多糖蛋白质络合物、磷脂和脂肪酸或中性脂。

和传统的化学合成的表面活性剂相比, 生物表面活性剂有许多明显的优势:(1)更强的表面和界面活性;(2)对热的稳定性;(3)对离子强度的稳定性;(4)生物可降解性;(5) 破乳性。

由于这些显著特点, 使生物表面活性剂在一些方面可以逐渐代替化学合成的表面活性

剂, 而且应用也越来越广泛。

1 生物表面活性剂的性质、分类及制备

1. 1 生物表面活性剂的特性

生物表面活性剂分子结构包含极性基团和非极性基团，是一种具有亲水、疏水两性特点的生物大分子化合物。生物表面活性剂分子的亲水基和疏水基可以由不同的分子成分组成。

生物表面活性剂与其他表面活性剂比较，主要特性就是无毒性、稳定性好、耐酸耐盐性好、可以被生物降解、对环境无污染及抗菌性。

1. 2 生物表面活性剂的分类

生物表面活性剂根据其化学结构的不同，可以分为酰基缩氨酸系、糖脂系、磷脂系、高分子聚合物和脂肪酸系表面活性剂五类，如表1 所示。

表1 生物表面活性剂的分类

分类典型产物

酰基缩氨酸系脂蛋白、脂肽、脂氨基酸

糖脂海藻糖脂、鼠李糖脂、槐糖脂

磷脂磷脂酰乙醇胺

中性脂/脂肪酸甘油脂、脂肪酸、脂肪醇、蜡

聚合物脂杂多糖、脂多糖复合物、蛋白质-多糖复合物

1. 3 生物表面活性剂的制备方法

1.3.1 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,微生物在不同的条件下产生各种类型的生物表面活性剂。其中, 以微生物制备糖脂类生物表面活性剂为例, 发酵法生产生物表面活性剂的具体方法一般分为 3 步, 即培养发酵、分离提取和产品纯化。生物表面活性剂是一类结构多样的化合物, 其发酵过程也随具体产物而不同, 但大多数微生物发酵产生的表面活性剂的分离、提取和纯化都有一些类似的方法如萃取、盐析、离心沉淀、结晶以及冷冻干燥等, 在技术和经济上非常适合大量生产。

1.3.2 酶合成法

与微生物发酵方法相比较, 酶合成法起步较晚,但发展迅速。由于酶在非极性溶剂中或微水条件下仍然能很好地发挥其催化功能, 这极大地拓宽了酶作为催化剂催化合成生物表面活性剂的应用范围。另外酶法的生产条件不十分苛刻, 反应具有专一性,可获得高含量的目标产物, 且产物易回收。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, 再将整胞微生物代谢法的优点嫁接到外源酶催化法上来, 使得酶法合成生物表面活性剂具有更大的发展潜力。所以酶合成法也是生物表面活性剂生产和制备的主要方法之一。例如单甘脂、糖脂、磷脂、烷基糖苷和氨基酸等生物表面活性剂都是用酶法合成。近几年, 酶合成法与微生物发酵法相结合成为了发展方向。

1.3.3 其他制备法

天然生物提取法, 例如磷脂、卵磷脂类等生物表面活性剂存在于蛋黄或大豆中天然生物原料中, 现早已被提取而出应用到人们的生活与生产当中。从天然生物原料中提取有效的生物表面活性剂, 分离提取相对较易, 天然含量丰富, 制备简单, 成本低廉,但是受到原料的限制难以大量生产。

2 生物表面活性剂的分离提纯

生物表面活性剂的分离提纯主要有以下一些方法:

2.1 萃取

萃取是生物表面活性剂经典提取方法之一, 特别是对于亲油性的生物表面活性剂。萃取方法经济可行, 操作方法简便, 因此在生物表面活性剂的提纯中得以较广泛的运用, 各种有机溶剂, 如甲醇、乙醚、乙酸乙酯、戊烷、丁醇、氯仿等已被广泛运用于生物表面活性剂的提取, 它们或者单独使用, 或者被联合使用。实验室里, 使用得最多的是氯仿和甲醇的各种比例的混合物, 这种萃取剂的极性很容易调整到目标萃取物所需的极性, 因而很受科研工作者的青睐。

2.2 结晶与沉淀

结晶与沉淀也是表面活性剂的经典提取方法之一, 利用样品组分中各组份在溶剂中的溶解度差异, 使某些组分从溶液中生成结晶分离出来, 是纯化物质的一种很有效的方法, 用离心或过滤取出沉淀物。必要时可再溶解后, 用重结晶或重沉淀进一步纯化。

2.3 泡沫层析法

生物表面活性剂的提纯除了上述一些经典方法外, 还有“随程提取”的方法, 这是一些连续提取的方法, 运用这些方法可以在微生物培养的同时, 培养液中连续转移出产物。泡沫层析法就是“随程提取”的方法之一。泡沫层析已被

成功地运用于浓缩表面活性化合物, 如蛋白质和表面活性剂。然而, 用起泡法直接从培养液中回收发酵产品的研究相对来说目前还是一种较新的方法。当用稀释了的溶液, 起泡法有很好的效果,且其运行费用较低, 可用于化合物的原混合液中, 所以其在这个领域尤其有运用潜力。

2.4 超滤法

超滤法是膜分离的一种, 是基于一种半透性薄膜,使溶液中的某些组分通过, 而阻止或截留其它组份的分离方法, 用超滤法从发酵液中提取生物表面活性剂

还是一种较新的方法。它是在压力的作用下让不易过滤的样品通过膜。这种方法速度快、回收率高, 在国外应用较为广泛。

超滤法最主要的优点是产品的损失很少。像脂蛋白、糖脂等高分子生物表面活性物质, 可以将其溶液经半透膜过滤来进行浓缩。但超滤作为膜分离的一种,具有其局限性, 不透性溶质分子S 随溶剂一起流至膜表面, 但因它透不过, 因

而在膜表面积聚, 并形成一层密集的“溶质层” , 这层溶质层的存在, 将增大渗透压力, 形成溶剂流动的附加压力, 从而影响溶剂通过膜层的流动, 对膜操

作不利, 这种现象称之为“浓度极化”现象。浓度极化作用将影响膜分离操作, 降低过滤速率,其中浓溶液的浓度极化作用比稀溶液更严重, 但是, 在膜表面处进行搅拌混合, 有助于极化作用的减弱。

2.5 柱色谱

所谓柱色谱法, 通常指经典的常压柱色谱, 又称柱层析, 是色谱史上最悠

久的一种。它是基于混合物组分在固定相(吸附剂)和流动相(即洗脱系统;两相是不相溶的)之间分配平衡的差异而实现的, 常用的柱填料有硅胶、氧化铝、聚酰胺粉、离子交换剂、高分子凝胶等。

生物表面活性剂的分离常用硅胶填料。

2.6 薄层色谱法(TLC)

薄层色谱法是把吸附剂平铺在一种载体上成一薄层作固定相, 以不同的溶

剂做流动相, 靠吸附中的毛细现象, 沿着一定方向移动, 使样品中的各组份在

薄层中的吸附剂和展开剂之间, 由于吸附与解吸的性质差异而得以相互分离。薄层色谱法已广泛运用于剖析研究中分离纯化与样品制备, 通常采用柱色谱法作

粗分离后, 可采用TLC 作进一步纯化, 这样会得到较满意的分离效果。

2.7 高效液相色谱(HPLC)

所谓高效液相色谱法是一种柱色谱法, 它使用极细的颗粒的填充物作为固

定相, 采用高压泵输送流动相。是一种20 世纪60 年代末发展起来的具有很高分离效率的仪器分析法。其突出的优点是分析速度快, 柱效高, 检测灵敏度高, 使定量分析方法的准确度大大提高。因此, 其已广泛应用于生物分子的测定、定量与纯化, 但它在生物表面活性剂分析上的应用的首例是用C18 柱反相分析由Bacillus lichenifomis JF_2 产生的生物表面活性剂。相对于张力测定和TLC 分析法, 高效液相色谱对于生物表面活性剂的测定可达到预期的灵敏度和选择性。已经有用高效液相色谱进行定量分析或者纯化某些脂肽生物表面活性剂的报道。

3 生物表面活性剂应用研究进展

3. 1 在石油工业的应用

化工方面得到了广泛应用,尤其是聚合型活性剂,其在高浓度盐的条件下能够将残留下来的芬香烃、脂肪烃乳化掉,这一功能对于清洗储油罐、输油管道以及运油车具有重要作用,且在清洗时用到的活性剂量十分少,而且还能够将清洗下来的石油进行回收,减少浪费,增加经济效益。目前,生物活性剂在石油开采中的应用已经拓展到油田上,在油田中的应用方法主要是将生物活性剂注人到油田的岩层当中进行微生物的培养,所产生的活性剂能够有助于强化油,提高石油开采效率。

而在石油行业的其他领域当中，生物表面活性剂也得到了广泛应用,活性剂能够对重油进行乳化,从而降低了油粘度,提高重油的品质。同时,活性剂还可用于处理炼油厂的废水,在炼油厂废水处理池中加人生物活性剂能够加快正构烷烃的降解,加快废水处理,起到净化废水的目的。

3. 2 在环境工业的应用

生物表面活性剂能加快有机物降级这一特性,已经被环境工程所发现,其所具有的降解作用能够帮助净化海上溢油,同时还能够增加土壤中的有机物质。而上面也提到,生物活性剂能够加快炼油厂中废水正构烷烃降解,这主要是由于活性剂中的活性物质能够明显改变水油表面的活性,改善水油接触行为,从而加快了油类底物在微生物中的利用速度,这样就省去了微生物对油类物质表面张力的分解作用,提高了带有油类的废水处理效率。生物活性剂所具有的这些功能都使得其在环境工程中的应用前景越来越广,可以预见在未来生物活性剂将在环境保护方面发挥越来越重要的作用。

3. 3 在农业中的应用

生物表面活性剂除了应用在以上行业中, 在农业等其他领域的应用也日益增加。如卵磷脂、淀粉动植物胶类等在农业中的主要作用是土壤的改良。生物表面活性剂的渗透特性, 促进了水分在堆肥颗粒中传输和分散, 缩短水分渗透到堆肥深层的时间,起到了一定的疏水作用,而且生物表面活性剂良好的保湿性能, 减缓了堆肥中水分的蒸发, 有利于保持微生物的活性。生物表面活性剂可作农药和动物饲料添加剂。农药中较多的应用主要是皂角苷等来改善植物对某些农药的抵抗力。饲料用改性大豆磷脂、鱼浆、淀粉、海藻酸钠、动植物胶类等, 经科学加工精制而成为纯天然营养型添加剂, 适用于各种畜、禽和水产养殖的饲料和饵料添加需要。另外, 生物表面活性剂常用在果蔬保鲜被覆膜中, 用含磷脂, 各种脂肪和油的水溶性乳化剂对苹果进行处理,可以减少冷藏时的损坏。

随着畜牧业、水产业和饲料工业正朝着提高安全性和提高效率的方向发展, 生物表面活性剂作为一种绿色的原料, 将会在农业中得到越来越多的应用。

3. 4 在医药行业中的应用

生物表面活性剂在18 世纪开始应用于药学, 在20 世纪80 年代有了飞跃的发展, 在药学中常作增溶剂、助悬剂、抗氧化剂、渗透剂、防腐剂等。在药物合成中用作催化剂、吸附剂, 在药物分析中用作滴定剂。它可以降低溶剂与难溶药物两相间的表面张力, 使互不相溶的两物质液化成相溶的乳剂或混悬剂。在膏剂中常用作基质的表面活性剂有吐温类、司盘类等, 它主要改变药物的分配系数

或直接作用于皮肤, 从而使药物透皮吸收。生物表面活性剂中具有很强乳化能力的磷脂类可以作静脉注射用乳剂的乳化剂, 用量在1 %～ 3 %即可将乳剂颗粒乳化成1 μm 左右, 在体内被代谢经肾脏排泄出去。此外, 磷脂还具有滋润皮肤, 增加伤口愈合, 增强骨骼机能及抗出血作用。一些生物表面活性剂还有抗菌、抗病毒、抗肿瘤等的药理作用、改善脂肪代谢和免疫功能, 在生物医疗中得到较好的应用。

由于医药是一种特殊的行业, 目前在国内外, 生物表面活性剂在这方面的应用极少, 主要是由于人们对它的作用机理还没有完全掌握, 其研究状况正处于起步阶段。

3. 5 在化妆品中的应用

生物表面活性剂在化妆品行业中常用作乳化剂、渗透剂、净洗剂、润湿剂、杀菌剂、抗氧化剂以及染发剂等化妆品助剂。它通过有力地释放化妆品中的活性组分来改变表面活性组分对人体的表面作用, 更重要的是生物表面活性剂具有安全无毒性能, 以及无累积毒害作用,对环境无污染, 在生态学上是安全的。其良好的pH 稳定性能, 与表面活性剂的配伍性能及抗氧化性能, 完全可将其应

用于化妆品配方中。其中, 用拟球酵母菌制备的槐糖脂已被日本花王有限公司作为保湿剂用于化妆品, 商品名为sof ina ,该公司已开发出生产槐糖脂的发酵工艺流程, 再经过两步脂化处理, 产品可用于口红、皮肤和头发的保湿剂。

随着人们生活品质的提高, 绿色洗涤剂的需求也迫在眉睫。生物表面活性剂在洗涤化妆行业中的应用有广阔的发展空间, 对保护生态环境也有着深远的意义, 同时体现了走“可持续发展”的路线。

3. 6 在食品工业的应用

由于生物表面活性剂与化学活性剂不同，具有安全无毒的特点,因而具备作为食品生产原料的资格,但食品生产的要求很高,作为新添加剂用于食品生产还有很长一段时间,因而在目前生物活性剂还没有被广泛应用到食品生产当中。其中采用发酵法生产的活性剂当中,只有糖脂类活性剂其结构与食品生产中所应用的合成糖脂相似,因而使得其在食品生产中也得到了广泛应用。

4 展望

生物表面活性剂具有兼容性高、可降解、安全无毒以及对环境影响小等优点,随着社会经济的发展,生物活性剂在食品、化妆品、医药、石油化工等行业中应用的范围也将也越来越广,可见生物活性剂的生产工艺将成为未来生物化工领域中研究的重要热点。