[科普中国]-微生物表面活性剂

微生物表面活性剂是一种由微生物代谢、合成的，具有降低表面与界面张力能力的生物分子。微生物表面活性剂除具有表面活性剂的一般特点外，还具有毒性低、易降解、结构特异等特点。微生物表面活性剂具有极佳的应用潜力，在环境污染治理中，微生物表面活性剂可以作为生物降解作用的助剂，通过降低界面张力，促进乳化作用，增大油水界面面积，便于细胞与较大污染物液滴之间的直接接触，便于细菌吸收粒径小于自身的油滴，从而促进污染物的降解。1

简介表面活性剂是一种两亲性分子，含有一个亲水基团和一个亲脂基团。亲脂基团通常是碳氢化合物，而亲水基团则是带正电、负电或两性的基团。乙氧基化 合物、氧化乙烯、氧化丙烯、山梨酸糖脂等都是常见的 非离子型表面活性剂，脂肪酸、磺酸盐和季胺盐等都 是常见的离子型表面活性剂。由于同一分子中具有 亲脂和亲水基团，表面活性剂趋向于液相与另·种极 性和氢键力不同的液相或气相的界面(如水油界面、 水气界面)，在界面形成分子层，降低界面能量(界面张力)或表面张力．这也是表面活性剂的唯一具有的 特性，这种特性使得表面活性剂具有极其广泛的应 用，包括乳化、发泡、去污、浸润、分散和增溶等。

许多生物大分子也具有两亲性，能趋向于界面分配，表现出相当高的表面活性和乳化能力，因而把由微生物、植物或动物产生的天然表面活性剂称为微生物表面活性。微生物表面活性剂 通常比合成表面活性剂化学结构更为复杂和庞大，单个分子占据更大的空间，因而显示出较低的临界胶束 浓度。与化学合成表面活性剂相比，微生物表面活性剂具有选择性好、用量少、无毒，能够被生物完全降解，不对环境造成污染，可用微生物方法引入化学方法难以合成的新化学基团等特点。另处，用微生物发酵生产，工艺简便，发酵技术进一步成熟和产量达到一定规模后，生产成本可望进一步降低，进 而可广泛应用于工业、农业、医药以及人们日常生活 用品等各个领域。

特性与分类微生物表面活性剂是利用酶或微生物等通过生物催化和生物合成等生物技术从微生物、植物、动物上得到的集亲水和憎水基结构于一体的具有高表面活性的天然表面活性剂。微生物表面活性剂是表面活性剂家族中的后起之秀，同一般化学表面活性剂相比，除具有显著降低表面张力、稳定乳状液、较低临界胶束浓度等特点外，还无毒或低毒；良好的选择性、专一性及生物相容性；结构多样性；具有抗菌、抗病毒及抗肿瘤等药理作用和免疫功能；可生物降解，对环境友好；可由工业废料生产，利于环境治理等特性。

微生物表面活性剂有多种来源、多种生产方法、多种化学结构和多种用途，因而可作多种分类。按来源可分为全微生物细胞代谢法生物表面活性剂、酶催化法生物表面活性剂和天然生物表面活性剂；按其离子类型可分为非离子型、阴离子型和阳离子型表面活性剂；按化学结构可分为糖脂类、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂类、高分子聚合生物表面活性剂和微粒生物表面活性剂；按用途分为生物表面活性剂和生物乳化剂。2

制备方法全微生物细胞代谢法：全微生物细胞代谢法合成生物表面活性剂的过程是一种在细胞内进行代谢活动 的多酶联合催化的生物转化过程。生产方法包括培养 发酵、分离提取和粗产品纯化3步。此法合成生物表 面活性剂在技术和经济上可行，适合大量生产。

酶催化法：与全微生物细胞代谢法相比，酶催化法 合成的大多是一些结构相对简单，但同样具有优越的 表面活性的分子。该法还具有生产条件相对粗放，原 料价廉，反应专一性强、副反应少、产物易分离纯化及 固化酶可以重复利用等优点。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，再将全微生 物代谢法的优点嫁接到外源酶催化法上来，使得酶催 化法合成生物表面活性剂具有更大的发展潜力。

天然生物提取法：从天然生物原料中获取有效的的微生物表面活性剂，分离提取相对较易，含量丰富，制备简单，成本低廉，但受到原料的限制难以大量生产。古代就用皂角提取液洗涤衣物，现代用于医疗、食品、化妆品等行业中的磷脂、卵磷脂类生物表面活性剂就是从蛋黄或大豆等天然生物原料中提取出来的。2

甘露糖赤藓糖醇微生物糖脂是生物表面活性剂(BS)中数量最大、品种最多的一类，甘露糖赤藓糖醇脂(mannosylerythritollipid，MEL)是一种新型的非离子型生物表面活性剂，是糖脂中研究最少的一种。MEL由配糖体——甘露糖赤藓糖醇(ME，亲水部分)和脂肪酸(憎水部分)组成，通过假丝酵母或霉菌发酵烷烃、植物油甚至葡萄糖等得到。

MEL有着化学表面活性剂不可比拟的优势，CMC小，HLB值在8.8左右，对皮肤和眼睛无毒，可生物降解性好，有良好的乳化性和表面活性(界面性能好，最小表面张力和界面张力分别可达28mN/m和2 mN/m)，还有抗菌性(特别是Gram氏阳性菌)，并且稳定存在的pH和温度范围广，最早应用在石油污染现场的防治上，高温下乳化废油，使其易于微生物降解。MEL应用于环保、食品、化妆品，用作乳化剂、表面活性剂、面粉品质改良剂、保湿剂、抗凝结剂(抑制低温储存冰浆中冰粒的凝结)；而用在医药工业中，也是基于其特有的生理功能：提高基因转染效率，可分化瘤细胞(包括嗜铬神经瘤细胞、黑素瘤细胞)，也能分化人类骨髓性白血病细胞线，以及与人类免疫球蛋白G之间有着强的配位能力(与伴刀豆球蛋白A也有很强的络合能力)等。可见，MEL确实是一种新的最有前途的微生物表面活性剂之一。3

应用在石油工业和环境工程中的应用微生物表面活性剂易溶于水，在油水界面上具有良好的表面活性，可增加含油岩石的润湿性，使岩孔中的残油易于脱附，对原油具有较强的乳化降黏效果，其驱油效率比化学合成表面活性剂高3.5—8倍. 前西德的F Wagner试验室研制的海藻糖脂，用于 Wintershall公司在北海油田提高原油采收率实验表明， 加入50 mg/L海藻糖脂，驱油效率提高30%，与一般 化学合成表面活性剂相比，驱油效果增大了5倍。有些原油含有较多的石蜡和沥青质，在油井和输油管 道中的沉积会给原油的开采造成很大的影响。采用加热或添加化学除蜡剂则成本较高且后续处理困难，使 用生物表面活性剂能很好地解决这一难题。属于低黏高凝原油渤断块的东营市仙河镇以南地区，井筒 结蜡严重，影响了油井的正常生产，需频繁地热洗或加 清防蜡剂来改善油井结蜡现象，胜利油田孤岛采油厂利用生物表面活性剂达到了清防蜡的目的。高分子生物表面活性剂Emulsan因具有牢固附着在油/水 界面的特性，用相对少量的Emulsan就能使O/W型乳状液稳定，可用于稠油的运输、油罐的清洗、原油的回 收和稠油乳状液的直接燃烧等方面。

应用生物表面活性剂强化环境中有机物的降解和 重金属的修复已引起广泛重视。生物表面活性剂能促 进土壤颗粒上污染物的分散和增溶、有选择性地降解 土壤中的烷烃污染物，还能富集土壤中有毒物质、清除及降解含Pb，Cd等重金属污染物。Scheibenbogen 等用铜绿假单细孢菌产生的鼠李糖脂来处理受烃类污染的砂土，可分别使脂肪族烃类和芳香族烃类的 回收率达到56%和73%。

在医药和农业中的应用微生物表面活性剂在医药行业中的应用潜力最大， 具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤等性能，改善脂肪代谢和免疫功能，使其成为新药开发的重要对象。Uchida 等研究发现红串红球菌合成的琥珀酰一海藻糖脂 能够抑制单纯疱疹病毒和流感病毒。Inoh等发现甘露糖赤藓糖醇脂MEL—A能够显著提高由某种胆 固醇衍生物构成的阳离子脂质体的基因转染效率，此 研究推动了人们开发安全有效的非病毒质粒载体用于 基因转染和基因治疗。卵磷脂是一种天然无毒的生物 表面活性剂，在医药中的应用除直接作为药物或药物 添加剂外，还作为合成其他药物的原料。Lu Yan 等研究表明一种新型的由卵磷脂作为乳化剂的包 含维生素E的静脉注射乳液，其中100 ml乳液中含 有卵磷脂1．0 g，实验结果表明，得到的乳液热稳定性 高，而且注射时引起的疼痛较小。

在农业方面，生物表面活性剂可用于土壤改良、用 作肥料、清洁、植物保护以及杀虫剂等。卵磷脂在农业中 的主要作用是土壤改良。戴芳等研究发现以稻草 秸秆和麸皮为堆肥原料，添加鼠李糖脂后，能够改善堆 肥处理的微环境，增强聚合物的水合程度，促进有机质 降解，加快堆肥进程，提高堆肥产品品质。高学文等研究发现枯草芽孢杆菌B2菌株产生的脂肽类生物表面 活性剂，可用于大白菜软腐病和油菜菌核病的防治。

在化妆品和食品中的应用微生物表面活性剂在化妆品工业中也具有极大的吸引力。微生物表面活性剂通过释放化妆品中的活性组分来改善人体表皮，更重要的是安全无毒。磷脂作为生物细胞的重要组成部分，在细胞代谢和细胞膜渗透性调节方面起着霞要作用，用于化妆品中不仅提高化 妆品的分散性，而且起到活化皮肤呼吸，保持皮肤湿 润，调整皮肤氢离子浓度等作用旧]。槐糖苷酯除了起到乳化剂作用外，还具有抗菌作用，用于去痤疮、头屑 等护肤品的基料。用拟球酵母菌制备的槐糖脂已 被日本花王有限公司用于口红、皮肤和头发等高级化 妆品的皮肤保湿剂。蔗糖酯可以改善化妆品的水 洗性能，增加皮肤的光润和滑嫩性。

生物表面活性荆具有分散、增溶、润湿和渗透等性 能，这是它在食品工业可广泛应用的物质基础。鼠李糖脂可生产香料，也可作为食品添加剂加入高档咖 啡、饮料、面包、肉制品中。卵磷脂是食品中常用的 表面活性剂，在食品涂层、巧克力、人造奶油及焙烤食 品中起乳化和抗氧化作用，还可改变产品外观、质地和 风味，保持脂肪类成分均匀分散。产朊假丝酵母合成的生物表面活性剂可用作色拉调味剂。2

本词条内容贡献者为:

李廉 - 副教授 - 中国矿业大学