微生物表面活性劑

表面活性劑是一種兩親性分子，含有一個親水基團和一個親脂基團。親脂基團通常是碳氫化合物，而親水基團則是帶正電、負電或兩性的基團。乙氧基化合物、氧化乙烯、氧化丙烯、山梨酸糖脂等都是常見的非離子型表面活性劑，脂肪酸、磺酸鹽和季銨鹽等都是常見的離子型表面活性劑。由於同一分子中具有親脂和親水基團，表面活性劑趨向於液相與另一種極性和氫鍵力不同的液相或氣相的界面（如水油界面、水氣界面），在界面形成分子層，降低界面能量（界面張力）或表面張力．這也是表面活性劑的唯一具有的特性，這種特性使得表面活性劑具有極其廣泛的應用，包括乳化、發泡、去污、浸潤、分散和增溶等。

許多生物大分子也具有兩親性，能趨向於界面分配，表現出相當高的表面活性和乳化能力，因而把由微生物、植物或動物產生的天然表面活性劑稱為微生物表面活性。微生物表面活性劑通常比合成表面活性劑化學結構更為複雜和龐大，單個分子佔據更大的空間，因而顯示出較低的臨界膠束濃度。與化學合成表面活性劑相比，微生物表面活性劑具有選擇性好、用量少、無毒，能夠被生物完全降解，不對環境造成污染，可用微生物方法引入化學方法難以合成的新化學基團等特點。另外，用微生物發酵生產，工藝簡便，發酵技術進一步成熟和產量達到一定規模后，生產成本可望進一步降低，進而可廣泛應用於工業、農業、醫藥以及人們日常生活用品等各個領域。

微生物表面活性劑是利用酶或微生物等通過生物催化和生物合成等生物技術從微生物、植物、動物上得到的集親水和憎水基結構於一體的具有高表面活性的天然表面活性劑。微生物表面活性劑是表面活性劑家族中的後起之秀，同一般化學表面活性劑相比，除具有顯著降低表面張力、穩定乳狀液、較低臨界膠束濃度等特點外，還無毒或低毒；良好的選擇性、專一性及生物相容性；結構多樣性；具有抗菌、抗病毒及抗腫瘤等藥理作用和免疫功能；可生物降解，對環境友好；可由工業廢料生產，利於環境治理等特性。

微生物表面活性劑有多種來源、多種生產方法、多種化學結構和多種用途，因而可作多種分類。按來源可分為全微生物細胞代謝法生物表面活性劑、酶催化法生物表面活性劑和天然生物表面活性劑；按其離子類型可分為非離子型、陰離子型和陽離子型表面活性劑；按化學結構可分為糖脂類、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂類、高分子聚合生物表面活性劑和微粒生物表面活性劑；按用途分為生物表面活性劑和生物乳化劑。

全微生物細胞代謝法：全微生物細胞代謝法合成生物表面活性劑的過程是一種在細胞內進行代謝活動的多酶聯合催化的生物轉化過程。生產方法包括培養發酵、分離提取和粗產品純化3步。此法合成生物表面活性劑在技術和經濟上可行，適合大量生產。

酶催化法：與全微生物細胞代謝法相比，酶催化法合成的大多是一些結構相對簡單，但同樣具有優越的表面活性的分子。該法還具有生產條件相對粗放，原料價廉，反應專一性強、副反應少、產物易分離純化及固化酶可以重複利用等優點。目前研究的外源多酶聯合催化技術，在體外將多酶串聯或共同作用，模擬內源多酶聯合催化過程並使其處於可控狀態，再將全微生物代謝法的優點嫁接到外源酶催化法上來，使得酶催化法合成生物表面活性劑具有更大的發展潛力。

天然生物提取法：從天然生物原料中獲取有效的的微生物表面活性劑，分離提取相對較易，含量豐富，製備簡單，成本低廉，但受到原料的限制難以大量生產。古代就用皂角提取液洗滌衣物，現代用於醫療、食品、化妝品等行業中的磷脂、卵磷脂類生物表面活性劑就是從蛋黃或大豆等天然生物原料中提取出來的。

微生物糖脂是生物表面活性劑（BS）中數量最大、品種最多的一類，甘露糖赤蘚糖醇脂（mannosylerythritollipid，MEL）是一種新型的非離子型生物表面活性劑，是糖脂中研究最少的一種。MEL由配糖體——甘露糖赤蘚糖醇（ME，親水部分）和脂肪酸（憎水部分）組成，通過假絲酵母或黴菌發酵烷烴、植物油甚至葡萄糖等得到。

MEL有著化學表面活性劑不可比擬的優勢，CMC小，HLB值在8.8左右，對皮膚和眼睛無毒，可生物降解性好，有良好的乳化性和表面活性（界面性能好，最小表面張力和界面張力分別可達28mN/m和2mN/m），還有抗菌性（特別是Gram氏陽性菌），並且穩定存在的pH和溫度範圍廣，最早應用在石油污染現場的防治上，高溫下乳化廢油，使其易於微生物降解。MEL應用於環保、食品、化妝品，用作乳化劑、表面活性劑、麵粉品質改良劑、保濕劑、抗凝結劑（抑制低溫儲存冰漿中冰粒的凝結）；而用在醫藥工業中，也是基於其特有的生理功能：提高基因轉染效率，可分化瘤細胞（包括嗜鉻神經瘤細胞、黑素瘤細胞），也能分化人類骨髓性白血病細胞線，以及與人類免疫球蛋白G之間有著強的配位能力（與伴刀豆球蛋白A也有很強的絡合能力）等。可見，MEL確實是一種新的最有前途的微生物表面活性劑之一。

微生物表面活性劑易溶於水，在油水界面上具有良好的表面活性，可增加含油岩石的潤濕性，使岩孔中的殘油易於脫附，對原油具有較強的乳化降黏效果，其驅油效率比化學合成表面活性劑高3.5—8倍。前西德的FWagner試驗室研製的海藻糖脂，用於Wintershall公司在北海油田提高原油採收率實驗表明，加入50mg/L海藻糖脂，驅油效率提高30%，與一般化學合成表面活性劑相比，驅油效果增大了5倍。有些原油含有較多的石蠟和瀝青質，在油井和輸油管道中的沉積會給原油的開採造成很大的影響。採用加熱或添加化學除蠟劑則成本較高且後續處理困難，使用生物表面活性劑能很好地解決這一難題。屬於低黏高凝原油渤斷塊的東營市仙河鎮以南地區，井筒結蠟嚴重，影響了油井的正常生產，需頻繁地熱洗或加清防蠟劑來改善油井結蠟現象，勝利油田孤島採油廠利用生物表面活性劑達到了清防蠟的目的。高分子生物表面活性劑Emulsan因具有牢固附著在油/水界面的特性，用相對少量的Emulsan就能使O/W型乳狀液穩定，可用於稠油的運輸、油罐的清洗、原油的回收和稠油乳狀液的直接燃燒等方面。

應用生物表面活性劑強化環境中有機物的降解和重金屬的修復已引起廣泛重視。生物表面活性劑能促進土壤顆粒上污染物的分散和增溶、有選擇性地降解土壤中的烷烴污染物，還能富集土壤中有毒物質、清除及降解含Pb，Cd等重金屬污染物。Scheibenbogen等用銅綠假單細孢菌產生的鼠李糖脂來處理受烴類污染的砂土，可分別使脂肪族烴類和芳香族烴類的回收率達到56%和73%。

微生物表面活性劑在醫藥行業中的應用潛力最大，具有抗菌、抗病毒、抗腫瘤等性能，改善脂肪代謝和免疫功能，使其成為新葯開發的重要對象。Uchida等研究發現紅串紅球菌合成的琥珀醯一海藻糖脂能夠抑制單純皰疹病毒和流感病毒。Inoh等發現甘露糖赤蘚糖醇脂MEL—A能夠顯著提高由某種膽固醇衍生物構成的陽離子脂質體的基因轉染效率，此研究推動了人們開發安全有效的非病毒質粒載體用於基因轉染和基因治療。卵磷脂是一種天然無毒的生物表面活性劑，在醫藥中的應用除直接作為藥物或藥物添加劑外，還作為合成其他藥物的原料。LuYan等研究表明一種新型的由卵磷脂作為乳化劑的包含維生素E的靜脈注射乳液，其中100ml乳液中含有卵磷脂1．0g，實驗結果表明，得到的乳液熱穩定性高，而且注射時引起的疼痛較小。

在農業方面，生物表面活性劑可用於土壤改良、用作肥料、清潔、植物保護以及殺蟲劑等。卵磷脂在農業中的主要作用是土壤改良。戴芳等研究發現以稻草秸稈和麩皮為堆肥原料，添加鼠李糖脂后，能夠改善堆肥處理的微環境，增強聚合物的水合程度，促進有機質降解，加快堆肥進程，提高堆肥產品品質。高學文等研究發現枯草芽孢桿菌B2菌株產生的脂肽類生物表面活性劑，可用於大白菜軟腐病和油菜菌核病的防治。

微生物表面活性劑在化妝品工業中也具有極大的吸引力。微生物表面活性劑通過釋放化妝品中的活性組分來改善人體表皮，更重要的是安全無毒。磷脂作為生物細胞的重要組成部分，在細胞代謝和細胞膜滲透性調節方面起著重要作用，用於化妝品中不僅提高化妝品的分散性，而且起到活化皮膚呼吸，保持皮膚濕潤，調整皮膚氫離子濃度等作用舊]。槐糖苷酯除了起到乳化劑作用外，還具有抗菌作用，用於去痤瘡、頭屑等護膚品的基料。用擬球酵母菌製備的槐糖脂已被日本花王有限公司用於口紅、皮膚和頭髮等高級化妝品的皮膚保濕劑。蔗糖酯可以改善化妝品的水洗性能，增加皮膚的光潤和滑嫩性。

生物表面活性劑具有分散、增溶、潤濕和滲透等性能，這是它在食品工業可廣泛應用的物質基礎。鼠李糖脂可生產香料，也可作為食品添加劑加入高檔咖啡、飲料、麵包、肉製品中。卵磷脂是食品中常用的表面活性劑，在食品塗層、巧克力、人造奶油及焙烤食品中起乳化和抗氧化作用，還可改變產品外觀、質地和風味，保持脂肪類成分均勻分散。產朊假絲酵母合成的生物表面活性劑可用作色拉調味劑。