餐廚廢棄油脂生物轉(zhuǎn)化鼠李糖脂的研究進(jìn)展

張卉，陳小旭，李東華，朱丹

（沈陽化工大學(xué)制藥與生物工程學(xué)院，遼寧沈陽110142）

餐廚廢棄油脂生物轉(zhuǎn)化鼠李糖脂的研究進(jìn)展

張卉，陳小旭，李東華，朱丹

（沈陽化工大學(xué)制藥與生物工程學(xué)院，遼寧沈陽110142）

綜述以餐廚廢棄油脂為碳源生物轉(zhuǎn)化鼠李糖脂的研究進(jìn)展，概括鼠李糖脂的研究現(xiàn)狀，總結(jié)提高鼠李糖脂產(chǎn)量的優(yōu)化途徑，并對餐廚廢棄油脂生物轉(zhuǎn)化鼠李糖脂的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

生物表面活性劑；餐廚廢棄油脂；鼠李糖脂

鼠李糖脂（rhamnolioid，RL）是目前研究較多的一類陰離子表面活性劑，由于具有其乳化、降低界面張力等性能，并且具有毒性低、易降解的特點(diǎn)，因而在石油化工、食品衛(wèi)生、醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。生物表面活性劑是由微生物在一定條件下代謝產(chǎn)生的同時(shí)具有親水基和疏水基兩種結(jié)構(gòu)的兩親化合物，并且對人體、牲畜和環(huán)境都無毒無害的表面活性分子[3]。生物表面活性劑包括糖脂類、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂類等[4]。RL產(chǎn)生菌利用最多的為銅綠假單胞菌。銅綠假單胞菌能夠利用不同的碳源轉(zhuǎn)化為鼠李糖脂，并且隨著碳源的改變，產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)的RL[3]。為了降低RL的生產(chǎn)成本、提高RL產(chǎn)量，首先應(yīng)考慮的因素是尋找合適的碳源。餐廚廢棄油脂成分主要是烹飪調(diào)味用的植物油和食物中的動(dòng)物油脂，其化學(xué)成分主要是脂肪酸甘油酯[5]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速增長，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年約產(chǎn)生700萬噸左右的餐廚廢油脂[6]，一旦進(jìn)入環(huán)境或者被不法商販利用，將會(huì)極大的破環(huán)生態(tài)環(huán)境和人體健康。利用餐廚廢棄油脂為碳源生物轉(zhuǎn)化RL，不僅為餐廚廢油脂的安全處理開辟了新途徑，而且降低了生產(chǎn)RL的成本，實(shí)現(xiàn)了廢物的資源化利用。

1 鼠李糖脂的研究歷史及現(xiàn)狀

1949年Jarvis和Johnson首次利用銅綠假單胞菌生物合成生物表面活性劑RL，并研究發(fā)現(xiàn)它是由2 mol的L-鼠李糖和2 mol的羥基葵酸構(gòu)成[7]。上世紀(jì)90年代，南斯拉夫?qū)W院研究人員在偶然的機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)了鼠李糖脂和銅綠假單胞菌對皮膚灼傷有良好的治愈效果，從此人們開始了對鼠李糖脂在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的研究。美國Piljac等于1995年10月3日獲得授權(quán)“以鼠李糖脂為基礎(chǔ)的醫(yī)藥制劑”專利，進(jìn)一步促進(jìn)了鼠李糖脂在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用的研究[8]。1997年Bai等[9]研究發(fā)現(xiàn)RL與十二烷基硫酸鈉和吐溫80具有相差無幾的乳化性能。Haba等[10]研究發(fā)現(xiàn)不同的銅綠假單胞菌上層培養(yǎng)液都能夠乳化煤油，并穩(wěn)定其乳化體系；當(dāng)RL的濃度較高時(shí)具有抗菌效果。

發(fā)展至今，雖然RL具有優(yōu)秀的乳化及增溶作用，在眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，卻沒有進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，碳源成本過高、產(chǎn)量過低是其主要的原因。而碳源作為其中的限制因素卻恰恰限制了RL的產(chǎn)量以及乳化性、表面張力等性能。目前許多研究者們都在尋找廉價(jià)易得并可以循環(huán)利用的廢棄物為碳源以減少生產(chǎn)RL的成本，目前已有許多利用餐廚廢棄油脂作為碳源生產(chǎn)鼠李糖脂的研究文獻(xiàn)。RL的結(jié)構(gòu)不僅受到碳源的影響，同時(shí)也受培養(yǎng)基、菌齡、假單胞菌種類及培養(yǎng)條件等因素的影響[2]。許多研究者已經(jīng)開展了大量的有關(guān)餐廚廢棄油脂以及其它限制因素對合成RL的研究，這些都對餐廚廢棄油脂作為碳源生產(chǎn)其它生物表面活性劑的研究有重要指導(dǎo)作用[11]。

2 鼠李糖脂的主要產(chǎn)生菌

在當(dāng)前研究中，RL主要通過銅綠假單胞菌代謝產(chǎn)生?？纱x產(chǎn)生鼠李糖脂的其它菌株包括：醋酸鈣不動(dòng)桿菌、阿式腸桿菌、生癌腸桿菌、莢殼伯克氏菌以及植物伯克氏菌等菌株[12-14]。但不同的菌株代謝產(chǎn)生的RL的活性和產(chǎn)量都各不相同，其中以假單胞菌的代謝活性最為突出，能夠利用不同種類的餐廚廢棄油脂作為碳源，并且對餐廚廢棄油脂的利用率較高。因此當(dāng)前生產(chǎn)RL的研究都以假單胞菌為出發(fā)菌株。

3 鼠李糖脂的應(yīng)用

RL兼具良好的生物和化學(xué)特性，具有油、水兩親性，優(yōu)良的表面活性和穩(wěn)定的乳化性，同時(shí)具有低毒、易降解的特點(diǎn)，在石油工業(yè)、土壤修復(fù)、食品、化妝品等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[15]。

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，使土壤中的多環(huán)芳烴、重金屬離子、原油等污染物過多超出了土壤自身的凈化能力[16]。田丹妮等[17]研究表明RL對多環(huán)芳烴類物質(zhì)（如萘、芘、菲）均具有較好的增溶作用，且隨著RL濃度的增加，三種物質(zhì)的溶解度均表現(xiàn)出不同程度的增加，當(dāng)RL濃度為500 mg/L時(shí)，三者的表觀溶解度最大。根據(jù)RL的性質(zhì)，還可以通過調(diào)控溫度、pH值及鹽度等環(huán)境因素來提高RL對多環(huán)芳烴的增溶效率[18-19]。土壤中的重金屬是通過和RL的膠束結(jié)合的方式被從土壤中去除，當(dāng)膠束被破壞后，RL就不再具備和重金屬結(jié)合的能力[20]。與化學(xué)表面活性劑相比，RL的低毒和易降解的特性決定了不會(huì)增加重金屬淋溶的風(fēng)險(xiǎn)[21]。RL可促進(jìn)土壤中原油的降解，縮短原油降解的半衰期，從而縮短修復(fù)時(shí)間。與化學(xué)合成表面活性劑相比，RL毒性低的特點(diǎn)不會(huì)成為土壤額外的污染源。另外RL在作為織物洗滌劑方面有很好的應(yīng)用潛力，通過金黎等[22]的研究成果發(fā)現(xiàn)當(dāng)RL與市場銷售的洗衣粉復(fù)合使用，能夠有效的提高去除高油脂類、蛋白質(zhì)類污漬和血漬的效果。

除此之外RL作為一種生物表面活性劑，由于具有降低油水界面張力的特性，被廣泛應(yīng)用于3次采油技術(shù)中。我國稠油資源豐富，儲(chǔ)量達(dá)16億噸，但開采難度很大[23]。RL具有優(yōu)越的增溶及乳化作用，如果能夠充分的應(yīng)用到石油工業(yè)中，就可以使石油得到充分的采集，這將會(huì)使石油工業(yè)的發(fā)展向前邁進(jìn)一大步[24]。經(jīng)過多年發(fā)展，RL用于3次采油和稠油開采都有很好的增產(chǎn)效果，已逐漸成為21世紀(jì)石油工業(yè)最重要的支撐點(diǎn)[25]。

4 餐廚廢棄油脂生物轉(zhuǎn)化鼠李糖脂的影響因素

為實(shí)現(xiàn)RL的大批量工業(yè)化生產(chǎn)，不僅要降低生產(chǎn)成本，還要提高其產(chǎn)量。碳源、氮源、pH值、微量元素以及培養(yǎng)方式的不同都會(huì)限制RL的產(chǎn)量。因此對于餐廚廢棄油脂生物轉(zhuǎn)化RL的影響因素的優(yōu)化必不可少。

4.1 碳源

我國的餐廚廢棄油脂隨著經(jīng)濟(jì)增長也逐年增長，如果處理不當(dāng)，不僅污染環(huán)境，還可能造成食品安全隱患[6]。丁建華等[26]研究表明，根據(jù)餐廚廢棄油脂成分的復(fù)雜性、不同批次、不同地域的餐廚廢棄油脂成分存在著很大的差異。使用前對其進(jìn)行精制處理和官能團(tuán)測定對于將這些廢棄物轉(zhuǎn)變成高附加值的表面活性劑產(chǎn)品顯得十分重要。對于精制后的餐廚廢棄油脂可以測定其相應(yīng)的多種指標(biāo)，如碘值、皂化值、過氧化值等，以此可為餐廚廢棄油脂生物轉(zhuǎn)化RL的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)提供參考依據(jù)。黃翔峰等[27]表示用不同的餐廚廢棄油脂作為碳源發(fā)酵生產(chǎn)的RL在產(chǎn)量和性質(zhì)上均有所差異：當(dāng)以廢棄煎炸油為碳源時(shí)，產(chǎn)物產(chǎn)量最高，結(jié)果為24.61 g/L；當(dāng)以皂腳為碳源時(shí)產(chǎn)物的表面張力最低，結(jié)果為24 mN/m；當(dāng)以棕櫚油皂腳為碳源時(shí)，產(chǎn)物的CMC最低，結(jié)果為40.19 mg/L。

4.2 氮源

許多研究都表明，氮源能夠提供合成原生質(zhì)和細(xì)胞其他結(jié)構(gòu)的原料，在微生物的生長發(fā)育和穩(wěn)定生長期及細(xì)胞代謝生產(chǎn)生物表面活性劑方面都起著重要作用。在氮源利用上一般公認(rèn)硝酸鈉為銅綠假單胞菌的最佳氮源。黃翔峰等[27]認(rèn)為，假單胞菌一般在靜止期才會(huì)代謝出大量RL，如果體系中的氮源比例過高，假單胞菌會(huì)一直處在對數(shù)期，以菌體細(xì)胞生長為主，僅代謝出少量RL，所以氮源的比例不應(yīng)過高。張祥勝等[28]認(rèn)為保持較高的C/N有利于目標(biāo)產(chǎn)物RL的合成。Benincasa等[29]比較了不同C/N條件下發(fā)酵得到的RL情況，研究結(jié)果表明C/N為8時(shí)，培養(yǎng)48 h后，RL產(chǎn)量達(dá)到最大7.3 g/L。所以選擇最佳氮源并保持合理的C/N將提高RL的產(chǎn)量。

4.3 微量元素

微量元素作為微生物的生理物質(zhì)的組成或者生理活動(dòng)的調(diào)節(jié)物，在低濃度是會(huì)促進(jìn)微生物的生長和產(chǎn)物合成，相反，在高濃度時(shí)則會(huì)出現(xiàn)較為明顯的抑制作用。利用廢棄油脂生物合成RL時(shí)，其培養(yǎng)基中一般都會(huì)含有鋅、鉬、錳、硼及銅5種微量元素[27]。但是Zhu等[30]卻另外加入了鈷和3價(jià)鐵兩種微量元素，此時(shí)發(fā)酵產(chǎn)生的RL的產(chǎn)量為24.61 g/L，可以說是目前為止研究得到的最高產(chǎn)量。雖然對于研究結(jié)果而言鈷和鐵對RL的產(chǎn)量可能并無決定性的影響，但研究者們都應(yīng)因Zhu的這一舉措得到啟示。也有研究者認(rèn)為在眾多金屬元素中，鐵元素對RL的合成產(chǎn)量的影響最大[27]。

4.4 pH值

銅綠假單胞菌在pH值為5～9的范圍內(nèi)都能夠生長。銅綠假單胞菌的生長最為適宜的pH值為7左右。從趙敏等[11]對廢棄食用油脂生物合成RL的研究中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在大多數(shù)培養(yǎng)條件的pH值控制在6.8到7.2，其中采用最多的pH值為6.8，此時(shí)的效果最佳。

4.5 培養(yǎng)方式

采用不同的培養(yǎng)方式培養(yǎng)銅綠假單胞菌，RL的產(chǎn)量也不盡相同。Raza等[31]通過比較搖瓶培養(yǎng)、分批補(bǔ)料與分批培養(yǎng)3種培養(yǎng)方式，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵得到RL的產(chǎn)量最高的培養(yǎng)方式為分批補(bǔ)料，最低的為搖瓶培養(yǎng)。

5 餐廚廢棄油脂生物轉(zhuǎn)化鼠李糖脂的展望

利用餐廚廢棄油脂為碳源生物合成鼠李糖脂是一種有效處理我國每年產(chǎn)生的大量的餐廚廢棄油，并且降低鼠李糖脂生產(chǎn)成本的新方法。對于餐廚廢棄油脂合成鼠李糖脂的生產(chǎn)工藝要不斷完善、改進(jìn)，以期實(shí)現(xiàn)對環(huán)境、社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)籌兼顧，實(shí)現(xiàn)三者的有機(jī)統(tǒng)一。雖然，現(xiàn)在該項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)室的研究已經(jīng)頗為成熟，但是想要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)還需對以下幾個(gè)方面的研究不斷完善：

1）不同的餐廚廢棄油脂發(fā)酵產(chǎn)生的RL的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、產(chǎn)量存在差異，在眾多餐廚廢棄油脂中選擇發(fā)酵產(chǎn)生RL產(chǎn)量最高，性能最優(yōu)的廢棄油脂作為碳源。并在使用前，對餐廚廢棄油脂進(jìn)行精制處理及官能團(tuán)測定。

2）不斷進(jìn)行氮源、pH值、微量元素以及培養(yǎng)方式等條件的具體研究，綜合考慮RL的產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)成本，對培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化選擇，以最優(yōu)的生產(chǎn)條件對RL進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。

3）純化菌株并利用誘變技術(shù)對純化菌株進(jìn)行誘變，同分離篩選培育出高效產(chǎn)出RL的菌株，同時(shí)研究并且建立出混合發(fā)酵代謝模型。以高效菌株和優(yōu)秀的發(fā)酵體系提高RL的產(chǎn)量，優(yōu)化生產(chǎn)。

4）充分利用RL的功效及特性，開發(fā)新產(chǎn)品，增加RL的利用價(jià)值。增加RL對醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域的研究，進(jìn)一步挖掘RL的潛在價(jià)值，擴(kuò)大RL的應(yīng)用范圍，增加RL的附加值。

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Recent Progress on Rhamnolipid Produced from Meal Kithen Waste Oil

ZHANG Hui，CHEN Xiao-xu，LI Dong-hua，ZHU Dan
（Pharmaceutical&Bioengineering College，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，Liaoning，China）

The progress of rhamnolipid biosynthesis from rancidolipids as a carbon source was reviewed.The present research situation of rhamnolipid and the optimization of production of rhamnolipid was summarized.The future development of rhamnolipid conversion was also discussed.

biosurfactant；meal kitchen waste oil；rhamnolipid

2016-12-23

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.18.042

沈陽市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃（F16-205-1-22）

張卉（1968—），女（漢），副教授，博士，研究方向：食品生物技術(shù)。