表面活性剂(Ｓｕｒｆａｃｔａｎｔｓ)是一类重要的化工原料,素有“工业味精”之称,它在石油工业、环境工程、食品工业、精细化工等许多领域中占有特殊和重要的地位。目前,几乎所有的表面活性剂都是以石油为原料化学合成而来,化学合成的表面活性剂在生产和使用过程中常常会带来严重的环境污染问题。生物表面活性剂(Ｂｉｏｓｕｒｆａｃｔａｎｔｓ)是表面活性剂家族中的后起之秀,它是由微生物所产生的一类具有表面活性的生物大分子物质。与化学合成的表面活性剂相比,生物表面活性剂除具有降低表面张力、稳定乳化液和增加泡沫等相同作用外,还具有一般化学合成表面活性剂所不具备的无毒、能生物降解等优点。生物表面活性剂的这些特性尤其适合于石油工业和环境工程,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复等。另外,生物表面活性剂作为天然添加剂,在食品工业、精细化工、医药和农业等工业方面也愈来愈受到人们的青睐。随着人们崇尚自然和环保意识的增强,生物表面活性剂将有更加广阔的应用前景,并有可能成为化学合成表面活性剂的替代品或升级换代品。
1 生物表面活性剂的研究历史
早在20世纪40年代,Ｚｏｂｅｌｌ在研究硫酸盐还原细菌从沙粒中释放原油的机制时就指出,微生物产生表面活性剂是细菌驱油的主要机制之一。1957年,捷克的Ｄｏｓｔａｌｅｋ和Ｓｐｕｍｙ把脱硫弧菌(Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ)和假单胞菌同糖蜜一起注入油层,原油产量提高。他们认为,可能是细菌产生的表面活性物质,改变了岩石 油 水三相系统的界面张力所致。
60年代后,石油工业开始发展,微生物对烃类物质的乳化机制引起关注。对提取的微生物表面活性剂集中于结构、性能、生物合成及调控的研究。1976年,Ｚａｊｉｅ和Ｐａｎｃｈａｌ综述了微生物乳化剂的来源及特性,预测了其应用潜力。1980年,Ｃｏｏｐｅｒ和Ｚａｊｉｅ评述了微生物表面活性剂的化学特性。1984年,Ｚａｊｉｅ和Ｓｅｆｆｅｎｓ阐述了微生物表面活性剂的理化性能。1991年,Ｖａｎｄｅｒ等进行的轴对称液滴分析(ＡＤＳＡ)非常有效,其他比较简单的方法有快速液滴破裂实验、产表面活性剂菌落的薄层层析及比色法检测解烃细菌与产鼠李糖脂的细菌。近年来的研究热点是发展快速检测表面活性剂高产菌株并评价其潜力的方法。
用微生物发酵法生产表面活性剂是70年代后期发展起来的。加拿大、英国、德国、前苏联等主要研究并开发各类新型生物表面活性剂、寻找最适生产条件,表面活性剂结构剖析与改性,物化性能测试,室内驱油物理模拟等。Ｚａｊｉｅ实验室几个产品已商业化。Ｓｉｎｇｅｒ实验室选育的一种细菌,以正构烷烃为唯一碳源,产生一种胞外和胞内糖脂型表面活性剂,使重油粘度降低95%以上,形成稳定的水包油乳状液。
2 生物表面活性剂的种类及其微生物来源
2、1 生物表面活性剂的种类微
生物产生的生物表面活性剂包括许多不同的种类。依据他们的化学组成和微生物来源可分为糖脂、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类。
2、2 产生生物表面活性剂的微生物来源
生物表面活性剂多数由细菌、酵母菌、真菌(霉菌)等产生。微生物发酵法生产生物表面活性剂的生产菌种大致可分为三类:一类是严格以烷烃作为碳源的微生物,如棒状杆菌Ｃｏｒｙｎｅｂａｃｔｅｒｉｕｍｓｐ.;一类是以水溶性底物为碳源的微生物,如杆菌Ｂａｃｉｌｌｕｓｓｐ.;另一类可以烷烃和水溶性底物两者作为碳源,如假单孢菌Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｓｐ.。表1列出了生物表面活性剂的种类及其微生物来源。
3 生物表面活性剂的性能
生物表面活性剂的分子结构中既有极性基团又有非极性基团,是一类中性两极分子。亲水基团可以是离子或非离子形式的单糖、二糖、多糖、羧基、氨基或肽链;疏水基团则由饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸或带羟基的脂肪酸组成。对于像蛋白质-多糖复合物等一些分子量较大的生物表面活性剂分子,其亲水和疏水部分可以由不同的分子组成。
生物表面活性剂能在两相界面定向排列形成分子层,能降低界面的能量,即表面张力,多数生物表面活性剂可将表面张力减小至30ｍＮ ｍ。它们在决定界面的流变学特性以及在两相间物质传递方面起着十分重要的作用。
生物表面活性剂具有良好的热及化学稳定性,如由地衣芽孢杆菌产生的脂肽在75℃时至少可耐热140ｈ。生物表面活性剂在ｐＨ5 5～12之间保持稳定,当ｐＨ小于5 5时,会逐渐失活。
与化学合成的表面活性剂相比,生物表面活性剂更具优越性,表现在其反应产物均一,可引进新类型的化学基团,其中有些基团是化学方法难以合成的;生物表面活性剂安全、无毒、生产工艺简单,常温常压下即可发生反应。
4 生物表面活性剂的应用
物表面活性剂有非常广泛的应用,能用于石油开采业、环境工程、食品工业、农业和精细化工等行业。然而最有应用前景的是清除污染的油罐、重油的运移和提高原油采收率。
4、1 应用于石油开采业(ＭＥＯＲ技术)
由于石油工业对生物表面活性剂的纯度和专一性要求不高,所以可直接使用含完整微生物细胞的生物表面活性剂发酵液。微生物强化采油(ｍｉｃｒｏｂｉａｌｅｎｈａｎｃｅｄｏｉｌｒｅｃｏｖｅｒｙ,ＭＥＯＲ)技术就是指往油层中注入某些微生物,同时注入一些微生物生长所必需的营养物,这些微生物在生长的同时,能产生生物表面活性剂。这些生物表面活性剂可降低原油与水两相界面的张力,从而可提高油田的开采量。ＭＥＯＲ技术是生物表面活性剂的一个重要应用领域。在油田开采中,应用一次及二次采油技术开采后,仍有大约70%的原油滞留在储油层中。为进一步采集这些极为可观的残留原油,通常向油井中注入化学合成的表面活性剂,以降低原油与水的界面张力,使地层毛细管孔隙中所夹持的原油大量释放出来,从而提高原油采收率。但化学合成的表面活性剂通常难以生物降解,会造成严重的环境污染。而生物表面活性剂可被微生物降解,所以不会对环境造成污染。
直接向地下注入产生物表面活性剂的微生物,并配以适当的营养物质,以地下石油为唯一碳源,将油层当作生物反应器的微生物驱采油方法是目前国内外力争攻克的难题。微生物驱与化学驱的重要区别是微生物不但可沿注水压差方向运移,还可在油层中纵深迁移,并与水驱难以扫及的原油作用,大大提高了水驱或化学驱的波及效率。另外微生物在与原油作用的同时,会产生有利于提高原油采收率的代谢产物,除产生生物表面活性剂外,还产生某些小分子的有机酸、有机溶剂等,既能降低油水间界面张力,又使油层的通透性增强。在此基础上,再与化学驱结合将会在最大程度提高原油采收率的同时,大大降低化学驱的成本。据报道,紫红诺卡氏菌(Ｎｏｃａｒｄｉａｒｈｏｄｏｃｈｒｏｕｓ)产生的海藻糖脂,用于地下砂石中石油的回收,出油率提高了30%。
4、2 在环境生物工程上的应用
近年来,随着工农业生产的发展,工业排放的废水、固体废弃物、农田中施用的农药、石油开采中的井喷及运输中的泄漏等对水体和土壤的污染日趋严重,从而引起人们的关注。研究表明:加入微生物或表面活性剂(生物的或化学合成的),能够增强憎水性化合物的亲水性和生物可利用性,使进入环境的污染物不断地降解,该技术称为生物修复(ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ),其中使用到生物表面活性剂。土壤微生物降解烷烃化合物是烷烃污染物从土壤中消失的基本机制。为了提高烷烃降解速度,接种非土壤微生物的效果仍有很大争议。然而,可以通过提高土壤中微生物的数量,继而提高烷烃的降解速度,而且降解速度的提高远远高于单独加入某种营养成分所提高的速度。糖脂类生物表面活性剂不仅可提高烷烃的去除率,而且可加速烷烃的矿化程度,缩短可被微生物利用的适应时间。华兆哲等用假丝酵母生产的甘露糖赤藓糖醇酯对正构烷烃具有较好的降解能力。ＶａｎＤｙｋｅ等研究表明,铜绿假单胞菌合成的鼠李糖脂加入沙土或沙壤土中,烷烃的去除率分别提高25%～70%和40%～80%。生物表面活性剂同样也可用于修复受重金属、菲、多氯联苯污染的土壤。
4、3 在食品工业和精细化工中的应用
由于符合功能性食品和绿色食品添加剂的要求,在人们崇尚自然,健康至上的今天,生物表面活性剂已成为一种广泛应用的食品添加剂。蔗糖酯、卵磷脂、山梨聚糖等都是目前食品工业常用的乳化剂。另外,生物表面活性剂还可以用作食品加工业和精细化工中的保湿剂、防腐剂、润湿剂、起泡剂、增稠剂、润滑剂等。据报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质量,蔗糖酯对柑桔、苹果、梨等水果的保鲜已取得良好效果。产朊假丝酵母(Ｃａｎｄｉｄａｕｔｉｌｉｓ)合成的生物乳化剂可用作色拉调味剂。槐糖脂具有良好的皮肤亲和性,可作为皮肤保湿剂用于化妆品中,还可用于制造洗涤剂、增加感光乳剂的稳定性等。蔗糖酯也可以改善化妆品的水洗性能,增加皮肤的光润和滑嫩性。
4、4 在其他方面的应用
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。
在医疗卫生方面,生物表面活性剂可用于治疗某些疾病。据报道,红串红球菌(Ｒｈｏｄｏｃｏｃｃｕｓｅｒｙｔｈｒｏｐｏｌｉｓ)合成的琥珀酰海藻糖脂能够抑制单纯疱疹病毒和流感病毒。用发酵法生产的磷脂蛋白对人体细胞中的免疫缺陷蛋白病毒具有抑制作用。
生物表面活性剂还可用于高效细胞破碎和快速测定微生物的数量。由于生物表面活性剂可高效地将细菌和真菌的细胞破碎,细胞内的ＡＴＰ释放后与荧光素酶和荧光素系统反应产生荧光,ＡＴＰ的量与细胞的数量相关,因此通过测定所产生的荧光的量即能推算出细胞的数量,从而达到快速测定的目的。此外,生物表面活性剂还能用于杀菌剂、杀虫剂效果的监测,以及发酵工业发酵过程的细胞数量随程监控等方面。
5 问题和发展前景
目前,生物表面活性剂只有少数产品走向市场,大多数品种处于实验研究阶段,还没有进行大规模的工业化生产,这主要是由于它的生产成本较高。据估计生物表面活性剂是化学生物表面活性剂成本的3～10倍。为了开发生物表面活性剂的应用潜力,降低其生产成本是当前研究开发的热点和主要目标。决定生物表面活性剂生产成本的主要因素有原料、发酵工艺和下游技术等。因此解决问题的途径有如下三种:(1)通过选育高产菌株、构建基因工程高产菌;发展快速检测表面活性剂高产菌株并评价其潜力的方法;(2)找到廉价发酵原料、改进发酵工艺、用先进的下游技术等方法提高生物表面活性剂的发酵产率和提取得率,从而大大降低它的生产成本;(3)利用生物表面活性剂的特殊性,开发出它的二次产品,提高其附加值。如用于化妆品、食品、制药等行业。
总之,生物表面活性剂是最近发展起来的一类新型表面活性剂,它具有降低表面张力的作用,对环境无毒害,且生物降解性能好,属于天然添加剂。除了在石油工业和环境工程等一些特殊领域受到重视外,随着生物技术和相关技术手段的快速发展,生物表面活性剂的价格将逐步降到消费者可以接受的水平,越来越广泛地应用在食品工业、精细化工、医疗卫生等行业,与我们的日常生活密切相关。生物表面活性剂及其应用研究将有广阔的发展前景。
