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1、第七章 生物表面活性剂,第一节 生物表面活性剂概述第二节 生物表面活性剂的生产第三节 生物表面活性剂的合成代谢调节第四节 生物表面活性剂的应用与前景,第一节 生物表面活性剂概述,一、前言 表面活性剂是当今生物技术中常用的和重要的化合物。它可以减少液体、固体和气体界面间的表面或界面张力，使其在水或其他液体中容易混合或扩散因而广泛应用于现代工业的几乎每一个领域。现今世界表面活性剂的年产量已超过300万吨，产值高达约40亿美元。目前大多数市售的表面活性剂主要来自石油的化学产品。,生物表面活性剂：具有特别高表面活性的生物分子称为生物表面活性剂。它可以来源于微生物、植物以及动物，其中微生物生产的生物表面
2、活性剂是一类具有特别高的表面活性的生物分子，具有较好的两亲性和界面优先分配的能力，而且比较适合于工业化生产。,生物表面活性剂与合成表面活性剂相比具有以下优势：具有特别高的表面活性和乳化活性；生物可降解性；没有毒性或者毒性低于化学表面活性剂；可在极端的温度和酸碱条件下使用。,二、生物表面活性剂的基本特性,生物表面活性剂由亲水和疏水部分组成，亲水部分由单糖、二糖或多糖、羧酸、氨基酸或肽组成，而疏水部分往往是饱和、不饱和或羟基取代的脂肪酸。对于一些高分子量的表面活性剂分子，如蛋白质多糖络合物，其亲水和疏水部分由不同的分子提供。,（一）特性和功能 生物表面活性剂可将发酵液表面张力降低到0.03N/m以
3、下，将正构烷烃的界面张力降低到0.13N/m以下。一些生物表面活性剂也表现出较好的热与化学稳定性。,（二）生理学功能 生物表面活性剂的生理学功能都与生物表面活性剂的两亲性有关。1.可以增强非极性底物的乳化作用和溶解作用，从而促进微生物在非极性底物中的生长。2.抗生性 生物表面活性剂（主要为脂肽和甘油酯）具有杀虫活性。这是由于它具有两亲性，能溶解大多数细胞膜成分而具有抗生素功能。,三、生物表面活性剂的类型,微生物生产的生物表面活性剂的类型主要取决于所采用的微生物。从化学类型可分为：（一）糖脂和分枝菌酸脂 分枝菌酸脂 海藻糖脂 鼠李糖脂 槐糖脂,（二）肽和聚合物 益沐神（Emulsan)由乙酸钙不
4、动杆菌产生 莎梵婷（Surfactin)由枯草芽孢杆菌生产（三）脂肪酸（四）磷脂,第二节 生物表面活性剂的生产,一、生物表面活性剂的合成及其遗传学（一）生物合成1.概论 生物表面活性剂的生物合成途径多种多样，有从头合成疏水部分、亲水部分或者两者都合成，对于那些非从头合成的组分通过改良碳源如糖类、烷烃等来生产，各种不同碳源基质常常能被结合进生物表面活性剂，形成一属有关的分子。,在脂肽中，脂和肽部分都由烷烃直接合成。糖脂如海藻糖脂是一个典型的化合物，其亲水部分（海藻二糖）不受碳基质的影响，而脂肪酸部分则取决于进料烷烃的链长。以烃类为基质生产的生物表面活性剂是生物表面活性剂中的一大类，许多微生物都可
5、以以烃类为单一碳源生长。酵母菌和真菌主要利用直链饱和烃，细菌则除了降解异构烃或环烷烃以外，还利用不饱和烃和芳香族化合物。,微生物降解烃类存在的主要问题是烃的憎水性。各种微生物以不同方式解决这一问题。细菌和酵母菌通过分泌离子型表面活性剂，使培养基中的烃基质乳化。另一些微生物则产生非离子表面活性剂。总之 在烃基质培养时，各种微生物都产生有利于烃基质被动扩散而进人细胞内的效应，这是通过由微生物产生的一大类物质起作用。这类物质也就是所谓的“生物表面活性剂”。,微生物以烃类为基质产生出生物表面活性剂可能由两方面的原因：（1)当生物表面活性剂为胞外产物时，它有利于烃类乳化；（2）当生物表面活性剂为胞壁结合
6、型时，有利于烃类穿透浆膜外周间隙,2.脂肪酸的合成在生物表面活性剂生产中，脂肪酸的碳链范围通常很窄，主要是C16酸、C18酸及C20酸。（1）乙酰CoA的来源 细菌中 酵解 丙酮酸脱氢酶 葡萄糖 丙酮酸 乙酰CoA 酵母菌和霉菌中乙酰CoA通过与肉毒碱或草酰乙酸反应透过线粒体。当以乙醇或乙酸等C2基质作为生长培养基时，乙酰CoA就会直接合成。,（2）乙酰CoA的羧基化乙酰CoA被乙酰CoA羧化酶羧化成丙二酰CoA，然后作为C2供体，以乙酰为单位在合成脂肪酸中逐步使碳链延长。（3）碳链的延伸过程乙酰基与丙二酰基缩合，产生C4单元，然后还原，脱水，C4单元进一步还原，形成丁酰基，丁酰基与另一个丙二
7、酰基缩合，按上述过程循环，产生C6单元，如此反复循环直至形成长链酰基。,（4）从烷烃生物合成脂肪酸 虽然非极性的烃类基质不溶于水，也不易被氧化，但在微生物产生的表面活性剂的作用下，微生物可以利用烷烃供其生长。烷烃和有关化合物异化作用的结果，合成得到的脂肪酸再被用于构成表面活性剂中的类脂部分。脂肪酸的去向：直接结合成更为复杂的类脂；通过其他代谢途径进一步代谢；作为许多微生物的培养基质，用来合成生物表面活性剂。,3.类脂的合成 生物表面活性剂的非极性憎水部分通常是由一个或多个长链酰基构成的类脂基。尽管由全程合成或由烃氧化生成脂肪酸在胞外可以以游离形式存在，但当胞内脂肪酸浓度大于某一极限时，细胞就不
8、能耐受其毒性，因此，脂肪酸在细胞外必须以某种酯化形式存在，以减少对细胞的毒性。真核细胞中最常见的类脂储藏形式时脂肪酸与甘油形成的甘油单、双、三酯，细菌中则可形成多种脂肪酸酯。,（二）遗传学,生物表面活性剂合成的遗传学分析还处于早期阶段，利用DNA技术控制生物表面活性剂生产进展很慢，目前用遗传工程生产生物表面活性剂的例子只有将乳糖利用基因在铜绿假单胞菌中的表达，使得其在乳糖或乳酪清中得以生长并生产鼠李糖脂。,最近，用B.Subtilis 生产表面活性剂所需的srfA基因，已被置于一个可诱导促进因子的控制之下，从而表面活性剂的生产仅仅依赖于在生长培养基中加入诱导物 isopropyl-galact
9、oside(IPTG)，其他具有增强生物表面活性剂生产的重组微生物也已经得到。,二、生物表面活性剂的生产,生产生物表面活性剂的微生物可分为三类：完全以烷烃为碳源生产表面活性剂，如 Arthrobacter sp;仅以水溶性底物为碳源，如Bacillus sp;以烷烃和水溶性底物为碳源，如 Pseudomonas sp,与其他微生物发酵一样，生物表面活性剂生产的目的是获得最大的产率、转化率和最终浓度。另外，减少其他代谢产物的积累十分重要，因为它们会影响产品的物理性质和提取过程。（一）培养基1.碳源是影响生物表面活性剂结构和产量的关键。加入烷烃对生物表面活性剂 的生产既可能起诱导作用，也可能起阻碍
10、作用。生物表面活性剂前体物质（蔗糖）的加入可以形成甘油脂亲水支链的组成部分，同样脂肪酸部分的结构也受烷烃链长的左右。,2.氮、磷、金属离子和其他添加剂等营养成分也可能会影响生物表面活性剂的生产。例如，Bacillus lichenifomis JF-2的脂肽生物表面活性剂的生产中，将磷浓度从100 mmol/dm3降低至50 mmol/dm3，可将产量从35 mg/dm3提高到110 mg/dm3。多价离子对生物表面活性剂生产的影响可能与氮代谢有关。青霉素或氯霉素等抗生素的加入增强或抑制生物表面活性剂的生产。3.此外，像许多其他发酵一样，培养温度、培养基pH和溶解氧水平或搅拌速率对生物表面活性
11、剂生产也具有重要影响。,（二）发酵,大多生物表面活性剂在微生物生长的稳定期和对数期都释放到培养基中。生物表面活性剂的生产可以在低稀释率下通过分批或连续发酵进行。对于可以通过休止细胞产生的生物表面活性剂，可以通过固定化酶进行生产，并可以结合具有吸附柱的生物反应器。除传统的液态发酵技术外，其他发酵操作也已被应用于生物表面活性剂的生产。例如，利用重组Bacillus subtillus 在豆腐残渣上固态发酵生产Surfactin,其产量是液体发酵的4倍以上。,第三节 生物表面活性剂的合成代谢调节,一、生物表面活性剂生产中的代谢调节生物表面活性剂合成前体的代谢途径有多种，在某种程度上取决于主要碳源的性
12、质。从碳水化合物合成糖脂表面活性剂时，有关的微生物代谢主要是糖解和脂肪形成；当以烃类为基质时，主要是脂解和糖原异生。,（一）碳水化合物分解代谢的机理,微生物产生生物表面活性剂常常以烃类为基础，然而也能以碳水化合物为基质。虽然生物表面活性剂分子由糖和类脂两部分构成，但在以碳水化合物为基质时，整个分子的合成速度受类脂的合成速度所控制。因此，影响碳水化合物基质中脂肪酸形成的因素同样也可能影响生物表面活性剂的合成。,图7-1 从从碳水化合物基质合成生物表面活性剂前体的中间代谢 A一磷酸果糖激酶 B一丙酮酸激酶 C一异柠檬酸脱氢酶 DATP柠檬酸裂合酶和丙酮酸脱氢酶 A、B、C和D为关键酶,（二）烃代谢
13、的控制机理,脂肪酸可以从烃，如正构烷烃合成得到。然后，脂肪酸基可以很方便地构成表面活性剂分子。但是，由于表面活性剂分子中还含有糖部分，它的合成必须经由糖异生途径，即通过-氧化将脂肪酸氧化到乙酰一CoA，或将奇数碳脂肪酸氧化到丙酰一CoA。这样，在异柠檬酸裂合酶的作用下，经过苹果酸、乙醛酸循环，烃类氧化得到的乙酰一CoA最终转化成草酰乙酸。它随后由磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶催化形成磷酸烯醇式丙酮酸。,图7-2 从烃基质合成生物表面活性剂前体的中间代谢A一异柠檬酸裂合酶 B一苹果酸合成酶 C一磷酸烯酸式丙酮酸羧基激酶 D1，6二磷酸果糖酶 A、B、C和D为关键酶,（三）生物表面活性剂合成的调节,生物
14、表面活性剂的合成可通过油性物质的诱发作用、葡萄糖等物质的代谢抑制、限氮及限多价阳离于以及其他作用方法调节。此外，改变微生物生长速度常常会使生物表面活性剂过量生产。温度对生物表面活性剂合成也有调节作用。目前研究最多的是烃和其他不溶于水的物质诱发微生物生产生物表面活性剂的调节方式。,据认为，烃的存在对生物表面活性剂的生成起诱导作用，且发现在生长培养基中添加烃时生长的细胞在形态学上有显著的差异。烃的类型可能也很重要。例如不动杆菌生产的乳化剂对特定烃类有一定的专一性。,第四节 生物表面活性剂的应用与前景,一、生物表面活性剂的应用1.生物表面活性剂在石油工业中的应用（1）利用微生物和微生物表面活性剂回收
15、岩层中的石油。（2）利用微生物表面活性剂降低石油粘滞度和净化贮油罐。,2.生物表面活性剂在采矿工业中的应用 生物表面活性剂可促进无机矿质的分散。乙酸钙不动杆菌产生的阴离子多糖可防止石灰石水混物发生絮凝，使其产生10的分散，也可促使石灰石裂解为小颗粒。3.生物表面活性剂在食品工业中的应用 乳化可在食品原料形成一定的浓度、质地和分散相中发挥重要作用。生物表面活性剂可作为乳化剂用于食品原料的加工，也可用于面包和肉类生产，改善面粉的流变学特征，以及部分裂解的脂肪组织的乳化。,4.生物表面活性剂在农业中的应用 近年来，鉴于化学农药对环境的污染，全球科学家均十分关注利用生物表面活性剂对作物病虫害进行生物防
16、治。生物表面活性剂可使粘重土壤亲水化，进而增加其可湿性，令肥料和农药均匀地分布于土壤。还可增加有机磷杀虫剂地溶解度。5.生物表面活性剂在医药中的应用 已证实微生物产生的表面活性剂可供药用。例如铜绿假单胞菌产生的鼠李糖脂、枯草芽孢杆菌和地衣状芽孢杆菌产生的脂肽，以及南极假丝酵母产生的甘露赤藓糖脂都有抗微生物活性。,6.生物表面活性剂在保健化妆品中的应用 微生物表面活性剂具有一定的保湿能力，且可与皮肤相容。假丝酵母以棕榈油和葡萄糖作为碳源可产生100150 g/L 的槐糖脂。已生产出一种含有1摩尔槐糖脂和12摩尔丙二醇的皮肤保湿剂。7.生物表面活性剂在环境保护中的应用（1）用生物表面活性剂消除海域
17、中的石油污染。已发现例如铜绿假单胞菌SB30等所产生的乳剂可将海滩中的石油迅速分散为微滴。,（2）利用微生物表面活性剂消除土壤中的烃污染 Bai等（1997）利用铜绿假单胞菌产生的阴离子鼠李糖脂生物表面活性剂，消除了沙柱中84或22的残余烃类（十六碳烷烃）。（3）用微生物表面活性剂消除多环芳族烃和脂族烃 只有少数微生物可降解土壤中具有4个以上稠合芳香环的多环芳族烃。微生物表面活性剂可通过增溶作用或乳化作用，使吸附于土壤有机物质的烃脱落。,（4）用生物表面活性剂消除土壤中的金属污染 将微生物表面活性剂加入土壤，可促进土壤中重金属的脱附。例如Tan等（1994）曾利用铜绿假单胞菌ATCC9027产生的鼠李糖脂消除土壤中的镉污染。8.生物表面活性剂在其他方面的应用 微生物表面活性剂还可用于水处理、纸浆合造纸工业、纺织工业、陶瓷工业、铀矿开采、木材防腐、沥青和水泥。,
