生物表面活性劑的 應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)概述

陶亮亮，胡 瑞

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

生物表面活性劑的 應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)概述

陶亮亮，胡 瑞

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

文中探討了生物表面活性劑的分類、特點(diǎn)，對(duì)生物表面活性劑在石油工業(yè)、食品、環(huán)境工業(yè)、農(nóng)業(yè)、洗滌化妝品、生物醫(yī)藥醫(yī)療、造紙工業(yè)、堆肥中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行論述，并對(duì)其在未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)作一闡述。

生物表面活性劑；應(yīng)用；發(fā)展趨勢(shì)；概述

生物表面活性劑是微生物在代謝過(guò)程中分泌出的具有一定表面活性、集親水基和疏水基結(jié)構(gòu)于一分子之內(nèi)、具有一定生物活性的次級(jí)代謝產(chǎn)物。生物表面活性劑的結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜，具有表面活性高、無(wú)毒或低毒、可生物降解、環(huán)境相容性良好等特性，同時(shí)還具有選擇性和專一性。隨著研究的不斷深入，生物表面活性劑將會(huì)在許多行業(yè)得到大量應(yīng)用，尤其是在石油、環(huán)境治理、食品、洗滌劑、化妝品、造紙、生物醫(yī)藥及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛[1]。而且，隨著人們崇尚自然和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，生物表面活性劑的各種優(yōu)勢(shì)還將日益凸顯。

1. 生物表面活性劑的分類

生物表面活性劑的親水基團(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，其疏水基團(tuán)則由各種脂肪烴組成。生物表面活性劑能在兩相界面上形成定向排列的分子層，在兩相界面的物質(zhì)傳遞和能量傳遞方面起到十分重要的作用。各種生物表面活性劑都具有良好的耐熱及對(duì)酸（pH值）、酶等具有化學(xué)穩(wěn)定性。

2. 生物表面活性劑的應(yīng)用概述

2.1 石油工業(yè)

石油工業(yè)是目前生物表面活性劑應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，在石油的生物降黏、提高原油采收率、重油污染土壤的生物修復(fù)等方面都有應(yīng)用。其主要作用體現(xiàn)在：①改變重?zé)N組分的潤(rùn)濕性；②通過(guò)降解長(zhǎng)鏈飽和烴類降低原油的黏度；③產(chǎn)生溶解巖石，增大絕對(duì)滲透率的酸性物質(zhì)；④產(chǎn)生可以增大油藏壓力及降低原油黏度的氣體；降低巖石中孔道的滲透性，從而提高驅(qū)替效率。

2.1.1 提高石油采收率

現(xiàn)大多數(shù)油田已經(jīng)進(jìn)入二次驅(qū)油的中后期，但仍有70%的原油滯留在儲(chǔ)油層中，通過(guò)篩選合適的采油微生物，可產(chǎn)生集親水基團(tuán)和憎水基團(tuán)于一身的各種生物表面活性劑，降低石油黏度和巖石-油-水系統(tǒng)的表面張力，增加原油的流動(dòng)性，以滿足不同原油和不同地質(zhì)的要求，從而提高石油采收率。用微生物提高石油采收率的技術(shù)目前前景頗為看好。近年來(lái)，在勝利油田、新疆克拉瑪依油田、青海油田、大港油田、文留油田、河南油田、文明寨極復(fù)雜斷塊油田、新北油田、徐家圍子低滲透油田、延長(zhǎng)油田等都進(jìn)行了相關(guān)的研究與應(yīng)用[2]。

2.1.2 防止結(jié)蠟

現(xiàn)階段大多數(shù)油田采用加熱或添加化學(xué)除蠟劑的方法來(lái)解決結(jié)蠟問(wèn)題。I. Lazar等人利用從油井中分離出的三株菌組成的混合菌落，可以很好地清除油井模型中瀝青質(zhì)和石蠟的沉積物，而且可以降解已有的沉積物，直到固態(tài)有機(jī)物變成液態(tài)物質(zhì)。

2.1.3 在原油清蠟和乳化中的應(yīng)用

生物表面活性劑石油開(kāi)采中可清洗井壁、溶解固形石蠟、疏通堵塞孔隙通道、提高流動(dòng)性，從而提高原油產(chǎn)量。它具有較強(qiáng)的破乳性，能乳化碳?xì)浠衔?，且能被生物完全降解，?duì)環(huán)境不造成污染，還能穩(wěn)定其乳化體系，分離、回收石油餾分，提高對(duì)資源的再利用水平。勝利油田從HRB系列的7種生物破乳劑中選出了對(duì)勝利純梁油田含水原油脫水效果最好的生物破乳劑HRB-4，現(xiàn)已推廣至勝利油田其他采油廠。傳統(tǒng)的化學(xué)破乳劑一般為難降解的高分子有機(jī)物，對(duì)環(huán)境負(fù)面影響較大，而利用生物表面活性劑破乳

符合清潔生產(chǎn)的要求[3,4]。

2.1.4 在石油污染生物修復(fù)中的應(yīng)用

生物表面活性劑用于石油污染生物修復(fù)中可以增強(qiáng)土壤中疏水污染物的生物可利用性和改善生物降解性，能有效地將石油烴分散成水液滴并進(jìn)一步降解，促進(jìn)石油污染的生物修復(fù)，減少對(duì)環(huán)境造成的污染和破壞等作用。韓慧龍等在中原油田石油污染耕地區(qū)域篩選出一株石油降解細(xì)菌，并將細(xì)菌、真菌協(xié)同修復(fù)技術(shù)用于石油污染土壤的原位修復(fù)，取得了很好的效果。研究發(fā)現(xiàn)，生物表面活性劑可以對(duì)石油烴產(chǎn)生乳化作用，從而可能提高石油烴的生物利用度[5,6]。

2.2 食品工業(yè)[7-9]

生物表面活性劑可以作為天然的食品添加劑，如乳化劑、保濕劑、防腐劑、潤(rùn)濕劑、起泡劑、增稠劑等。在功能性食品中，生物表面活性劑可以作為其補(bǔ)充物的重要部分，提供人體所需的礦物質(zhì)、維生素及由前生命期微生物產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)營(yíng)養(yǎng)復(fù)合物和副產(chǎn)物。

2.2.1 食品乳化劑

由于符合功能性食品和綠色食品添加劑的要求，部分生物表面活性劑已成為一種廣泛應(yīng)用的食品乳化劑。微生物表面活性劑可作為乳化劑用于食品原料的加工，也可用于面包和肉類生產(chǎn)，改善面粉的流變學(xué)特性，以及部分裂解的脂肪組織的乳化。磷脂是最常用的乳化劑和穩(wěn)定劑，在食品中一般用在糖果、快餐食品、速溶食品、面包、糕點(diǎn)、牛奶、仿奶制品、飲料及肉禽加工食品等方面。

2.2.2 食品保鮮劑

生物表面活性劑利用其兩親性分子特征通過(guò)溶解異源細(xì)胞膜的主要成分來(lái)實(shí)現(xiàn)殺菌功能，或者通過(guò)改變環(huán)境的界面性質(zhì)，使環(huán)境更有利于自身的生存，從而抑制了其他微生物的生長(zhǎng)。由于具有抗細(xì)菌、真菌藻類以及病毒的功能，生物表面活性劑可以廣泛用于食品的保鮮和防腐，如蔗糖脂可應(yīng)用于果品保鮮。

2.2.3 食品補(bǔ)充劑

生物表面活性劑可以作為食品補(bǔ)充物的重要部分，提供人體所需的礦物質(zhì)和維生素，同時(shí)分泌一些人體所必需的生物化學(xué)物質(zhì)，如抗氧化超氧化物歧化酶、免疫支持體-葡萄糖、抗菌性肽類、生物素、輔酶等。此外，生物表面活性劑還可以用于提高淀粉制品的質(zhì)地及貨架期，改善面團(tuán)的質(zhì)地、口感、焙烤面包的膨脹體積和穩(wěn)定性以及含脂肪產(chǎn)品的流變學(xué)特性，增加酸性食品的黏度，抑制食品功能成分的氧化降解等。

2.2.4 風(fēng)味劑

表面活性劑在食品中的天然成分如色素、香味成分、生物活性成分以及發(fā)酵產(chǎn)品的提取分離中也有廣泛的應(yīng)用。蔗糖脂加入食品中，可以改善食品的加工性能，提高食品抗氧化、防霉作用和改善香味質(zhì)量；鼠李糖既可以生產(chǎn)香料，也可作為食品添加劑加入高檔咖啡、飲料、面包、肉制品中。

2.3 環(huán)境工程

2.3.1去除重金屬[10]

這一領(lǐng)域目前研究較多的生物表面活性劑有鼠李糖脂、槐糖脂、枯草菌表面活性劑、皂角苷。主要通過(guò)其與重金屬離子絡(luò)合，降低表面張力使金屬?gòu)耐寥郎辖馕聛?lái)，然后隨著淋洗液不斷的沖洗而從土壤中去除。主要通過(guò)兩種方式解析與土壤結(jié)合的重金屬：一是與土壤液相中的金屬離子絡(luò)合；二是通過(guò)降低界面張力，使土壤中重金屬離子與表面活性劑直接接觸。

2.3.2降解污染物[11]

生物表面活性劑能夠降解土壤或水中的烷烴污染物。在土壤或水中加入生物表面活性劑有利于改善油/水/微生物細(xì)胞界面的接觸行為，加快了微生物細(xì)胞對(duì)油類底物的利用速度而降低界面張力，其脫附作用促進(jìn)了污水中有機(jī)物的降解，間接減少了污水中降解時(shí)間。另外，其抗菌、抗病毒等作用會(huì)對(duì)污水中的各種菌類起到一定的去除作用，可加速去除環(huán)境中各種污染物和重金屬。生物表面活性劑具有良好的環(huán)境兼容性，有利于將其在環(huán)境工程方面的應(yīng)用擴(kuò)展到更廣闊的領(lǐng)域。

2.4 農(nóng)業(yè)

生物表面活性劑在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用主要體現(xiàn)在它可以插入到細(xì)胞質(zhì)膜中，破壞膜結(jié)構(gòu)。生物表面活性劑具有滲透特性和保濕性能，可作為農(nóng)藥和動(dòng)物飼料添加劑。生物表面活性劑在植物病原體生物防治、改良土壤、促進(jìn)水分在堆肥顆粒中傳輸和分散能力、減緩堆肥中水分蒸發(fā)、改善植物對(duì)某些農(nóng)藥的抗藥性等方面具有很廣泛的應(yīng)用。畜牧業(yè)、水產(chǎn)業(yè)和飼料工業(yè)正朝著提高安全性和提高效率的方向發(fā)展，生物表面活性劑作為一種綠色原料，將會(huì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

生物表面活性劑應(yīng)用于堆肥過(guò)程時(shí)，主要涉及微生物細(xì)胞、堆肥原料及環(huán)境介質(zhì)之間的多種物理化學(xué)和生物作用過(guò)程，可以加快堆肥進(jìn)程，提高堆肥產(chǎn)品品質(zhì)。它具有脫附作用、乳化或增溶作用、保濕性能和抗菌、抗病毒等作用，增大了堆肥有機(jī)物與降解菌細(xì)胞的接觸面積及可利用性，減緩堆肥中水分的蒸發(fā)，有利于保持微生物的活性，同時(shí)會(huì)對(duì)堆肥中的病原菌也能起到一定的去除作用。目前，生物表面活性劑在堆肥中的試驗(yàn)研究還處于起步階段[12]。

2.5 洗滌化妝品業(yè)[13]

在化妝品行業(yè)，生物表面活性劑常用作乳化劑、滲透劑、凈洗劑、潤(rùn)濕劑、殺菌劑、抗氧化劑等以及染發(fā)劑的助劑。它通過(guò)釋放化妝品中的活性組分來(lái)改變表面活性組分對(duì)人體的表面作用，具有安全無(wú)毒且無(wú)累積毒性的特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，在生態(tài)學(xué)上是安全的。生物表面活性劑具有良好的pH 穩(wěn)定性能，與其他表面活性劑的配伍性能良好，還具有抗氧化性能，在化妝品配方中有很大的應(yīng)用潛力。其中，磷脂作為生物細(xì)胞的重要組成部分，在細(xì)胞代謝和細(xì)胞膜滲透性調(diào)節(jié)方面起著重要作用，在化妝品中可作為保濕劑、脂質(zhì)的包裹劑、營(yíng)養(yǎng)滋補(bǔ)劑等，可賦予皮膚柔軟性和潤(rùn)濕性。

2.6 生物醫(yī)藥醫(yī)療

生物表面活性劑可以作為抗生素，具有良好的抗細(xì)菌、霉菌和病毒的性能，可抑制皰疹病毒和流行性感冒病毒。用發(fā)酵法生產(chǎn)的磷脂蛋白可以降低肺部空氣液體的表面張力，保護(hù)機(jī)體組織免受感染發(fā)炎。同時(shí)，它還具有潛在的抗菌活性，包括抗真菌、抗細(xì)菌、抗支原體和抗病毒等活性，可用在免疫調(diào)節(jié)分子黏合劑、疫苗及基因治療等方面。在藥學(xué)中，生物表面活性劑常用作增溶劑、助懸劑、抗氧化劑、滲透劑、防腐劑等。在藥物合成中，生物表面活性劑用作催化劑、吸附劑，在藥物分析中用作滴定劑。此外，磷脂還具有滋潤(rùn)皮膚，增加傷口愈合、增強(qiáng)骨骼機(jī)能及抗出血作用。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于生物表面活性劑在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用極少，主要是由于人們對(duì)其作用機(jī)理還沒(méi)有完全掌握，研究正處于起步階段[14-16]。

2.7 造紙工業(yè)

在造紙工業(yè)中，生物表面活性劑可用作制漿造紙廢水的絮凝劑，可用于制漿造紙廢水的脫色、固體懸浮物的去除、污泥的沉降等。能產(chǎn)生絮凝劑的微生物有很多種，有細(xì)菌、放線菌、真菌及藻類等，其化學(xué)本質(zhì)與微生物產(chǎn)生的各種多糖類有關(guān)。生物絮凝劑還能有效改善污泥的沉降性能，防止污泥解絮，可使污泥的SVI（污泥容積指數(shù)）從290下降到50。在污泥的沉降性能得到改善的同時(shí)，不會(huì)降低有機(jī)物的去除效率。生物表面活性劑在造紙工業(yè)中還可用作蒸煮劑、廢紙脫墨劑、施膠劑、樹(shù)脂障礙控制劑、消泡劑、柔軟劑、抗靜電劑、阻垢劑、軟化劑、除油劑、殺菌滅藻劑、緩蝕劑等[17,18]。

2.8 其他行業(yè)

在精細(xì)化工業(yè)，生物表面活性劑可用作保濕劑、防腐劑、潤(rùn)濕劑、起泡劑、增稠劑、潤(rùn)滑劑等；在采礦業(yè)中，它可促進(jìn)無(wú)機(jī)礦質(zhì)的分散。此外，生物表面活性劑還可用于電鍍業(yè)、煤炭業(yè)、紡織業(yè)、涂料工業(yè)、陶瓷業(yè)、鈾礦加工及營(yíng)養(yǎng)免疫品和作泥炭脫水劑等。

3. 存在問(wèn)題與發(fā)展前景[19,20]

生物表面活性劑是一類新型表面活性劑，具有低毒性、易生物降解、環(huán)境適應(yīng)性較好、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在石油工業(yè)、環(huán)境工程、食品工業(yè)等工業(yè)方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但其研究工作尚待深入，其生產(chǎn)和應(yīng)用仍面臨一些亟待解決的問(wèn)題，如生產(chǎn)費(fèi)用較高（比化學(xué)表面活性劑高3～10倍）等，制約了其推廣應(yīng)用。同時(shí)，生物表面活性劑在堆肥、去重金屬等方面仍處于初級(jí)研究階段。

未來(lái)生物表面活性劑的發(fā)展方向主要是改進(jìn)生物表面活性劑的生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本，同時(shí)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，擴(kuò)展應(yīng)用范圍，完善作用機(jī)理，消除可能造成的二次污染以及提高活性等。隨著公眾環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)和業(yè)界對(duì)生物表面活性劑研究的深入，生物表面活性劑的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)將得到更充分的認(rèn)識(shí)。相信在不久的將來(lái)，生物表面活性劑必有更大的工業(yè)發(fā)展和應(yīng)用。

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