1984年利用某些生物表面活性剂(尤其是水溶性糖脂和脂肽)能够溶解红血球的特性,建立了血平板筛选模型,将富集培养基中分离出的微生物接种于红血球琼脂平板上,通过比较红血球琼脂平板上的菌落周围形成的透明圈直径的方法进行快速有效的筛选。对于只在烃类物质上生长期间产生表面活性剂的、或产生粘连于细胞壁上而不具有扩散性糖脂的微生物,不适宜采用此类方法。
Vandervegt等建立了轴对称液滴形状分析法(ADSA-P法)来检测生物表面活性剂产生菌:培养液的液滴滴在氟代乙烯-丙烯表面,微滴的外形用弧面检测器进行测定,并计算其表面张力。只有生物表面活性剂产生菌的悬浮液出现表面张力减少现象。Shulga等描述了一种用比色测定法测定生物表面活性剂的方法,测定时要求阴离子表面活性剂能与阳离子指示剂反应生成显色性物质。
另外,还有一些简单的测定方法:(1)快速破泡实验:滴一滴悬浮液于一油性表面,不含有生物表面活性剂的液滴保持稳定而含有生物表面活性剂的液滴立即破灭。(2)薄层层析法:将富集培养基中分离的微生物接种在含不同碳源的琼脂平板上培养成菌落,每个菌落直接转移到硅胶TLC薄板上。先用正己烷和二氯甲烷的混合物或正己烷作为展开剂进行预展以去掉细胞物,再用二氯甲烷和甲醇的混合物作为展开剂进行薄层层析。最好用糖脂试剂检验展开的斑点。此法适合于产生胞壁粘连糖脂的微生物。(3)乳化指数值测定:将培养液和同等体积的煤油猛力摇晃,24h后测量其乳化值,这种方法特别适用于乳化生物表面活性剂
[11]
。
另外,通过致突变等手段筛选高产菌株是一种有效地获取生物表面活性剂生
产菌的途径。通常可采用紫外灯照射或加入致突变剂等方法来使一些菌株发生变异。Bacillus licheniformisJF-2能在好氧和厌氧条件下产生生物表面活性剂,并且能生活在含10%的NaCl、温度高至50℃、pH值从4到9的油层环境中,这些特点非常适合用于微生物法提高石油采收率。但和Bacillu subtilis相比,由B.licheniformisJF-2产生的生物表面活性剂的产量却少的多。因此,通过改变B.licheniformisJF-2的性状来增加生物表面活性剂的产量是十分必要的。Sung-chyr Lin等在在研究中向2mL的B.licheniformisJF-2培养液中加入诱变剂N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍(MN-NG),使其浓度达到0.1mg/mL,得到的悬浮液在42℃的温度下培养10min,然后将培养液用预冷却的新鲜的矿物盐水稀释20
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倍,随后进行一系列的筛选过程,最后得到一株变异体B.licheniformisKGL11,它产生的生物表面活性剂的浓度为390mg/L,是B.licheniformisJF-2产生的生物表面活性剂的浓度的12倍,且生物表面活性剂的种类相同[12]。 4生物表面活性剂的发酵生产 4.1 生物表面活性剂的发酵机理研究
生物表面活性剂的过量合成往往需要培养基中含有大量的碳源,以及一些限制性条件,如限制性氮源、限制性Mg2+等。从代谢的角度分析,培养基中碳比氮多时,胞生长将持续到氮源耗尽。当细胞不再生长,需氮的生物合成反应亦不再进行时,碳仍可运入细胞,在细胞中经糖解或烃氧化,发生脂肪酸的累积。但当胞内脂肪酸浓度大于某一极限量时,细胞就不再能忍受其毒性。因此,脂肪酸与糖苷、氨基酸、磷酸基等结合,从而生成了各种生物表面活性剂。也就是说,生物表面活性剂是微生物调节自身代谢过程的一种产物。 4.2生物表面活性剂的发酵条件
碳源和溶氧条件是生物表面活性剂产量的主要影响因子。培养基中的碳源是决定微生物表面活性剂产量和结构的重要因素,有的微生物仅在烃类培养基上生长时才产生生物表面活性剂,但也有的只需要一些糖类和氨基酸就可以产生。 5生物表面活性剂的提取和纯化
由于微生物在发酵液中代谢产物较多,因而生物表面活性剂的提取较为困难,其生产成本也相应较高,增大了生物表面活性剂的生产成本。用于石油工业的生物表面活性剂可以直接使用发酵液,而用于食品和医药等行业的生物表面活性剂则对产品的纯度要求较高。对于大多数细菌分泌形成表面活性剂的分离提取和产品纯化的方法均相类似:萃取、盐析、渗析、离心、沉淀、结晶以及冷冻干燥。
一般情况下,发酵液慢慢冷却后,加入电解质,使发酵液分为两层,取出上层澄清部分。沉淀部分再用饱和电解质溶液清洗,并离心分出上层清亮部分,合并两次的液体部分用硅藻土过滤。将收集到的沉淀溶于水中,用乙醚萃取后,再用蒸馏水渗析,然后冷冻干燥,即可得到一种属于聚合糖类的生物表面活性剂的粗产品。粗产品溶于水中,室温下加入十六烷基三甲基溴化铵,使其凝聚沉淀,然后进行离心分离,沉淀部分用蒸馏水清洗,再将洗后的沉淀溶于硫酸钠溶液中,不溶部分通过离心而除去。然后加碘化钾,形成的十六烷基三甲基溴化铵进行离
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心分离。所剩清液部分用蒸馏水渗析,然后冷冻干燥,得到白色固体,即为较纯净的表面活性剂[11]。 6生物表面活性剂的应用前景
人类经济的高速发展引起的资源匮乏、能源短缺给社会的发展带来了新的压力。实施在工业生产过程的绿色制造和节能减排已提到科技创新的日程。化学表面活性剂在各种工业中的应用已作出举足轻重的贡献,但其主要来源于石油工业产品,在使用中容易造成二次污染。而通过微生物发酵法生产的生物表面活性剂作为重要的生物技术产品,由于它特定的作用模式、低毒性、可降解、不依赖石油产品,能利用可再生低廉材料生产,取代化学表面活性剂作为乳化剂、破乳剂、润湿剂、渗透剂和气泡剂等在食品、饮料、医药、化妆品、石油与矿业开采、废水处理、农用化学等的领域具有巨大的应用前景[13]。 6.1石油工业
生物表面活性剂应用潜力最大的是石油工业,由于它对生物表面活性剂的纯度和专一性要求不高,可直接使用含完整细胞的发酵液。微生物法提高石油采收率技术(Microbial Enhanced Oil Recovery,MEOR)可以将工厂中生产出来的微生物表面活性剂直接注入油层以改善水的驱油性能(Extra Situ MEOR,地面法MEOR);也可以将整个储油层作为一个巨大的生物反应器,把能产生表面活性剂的活微生物注入油层,或者直接利用油层中的土著微生物,同时注入微生物生长必需的营养物,从而让它们在储油层中的细胞-油界面上生产表面活性剂(In Situ MEOR,地下法MEOR)。紫红诺卡氏菌(Nocardia rhodochrous)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%。 6.2环境工程
生物表面活性剂在环境生物工程领域有着极大的应用潜力。在受烷烃和原油污染的土壤中加入表面活性剂,能够增强憎水性化合物的亲水性和生物可利用性,可以提高土壤微生物的数量。这样,既避免了接种非土壤微生物去降解污染物,又提高了烷烃的降解速度,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,因而被认为是现代生物修复技术的一部分。 6.3食品工业
在食品工业中,生物表面活性剂可作为添加剂。由于生物表面活性剂符合功
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能性食品和绿色食品添加剂的要求,随着人们对于健康的日益重视,将成为一种广泛应用的食品添加剂。蔗糖酯(Sucrose ester或Sucrose fatty acid ester)是目前引人注目的一种表面活性剂,无色,无味,无毒,广泛应用于食品、医药、化妆品、制糖、果蔬保鲜、化肥、饲料及炸药等领域。蔗糖酯水解后成为蔗糖和可食用的脂肪酸,具有营养价值。与一般合成的表面活性剂不同,蔗糖酯在好氧和厌氧的条件下都能生物降解,是一种绿色表面活性剂。 6.4其他领域
表面活性剂可以用于口红和作为皮肤及头发的保湿剂。表面活性剂在医药、造纸、纺织、农药、采矿等领域也有着广阔的前景。 7展望
生物表面活性剂是最近几十年发展起来的一类新型表面活性剂。它具有生物可降解性、对环境无毒害作用等优点,因此深为工业界所看好。海洋微生物作为生物表面活性剂的重要来源,也越来越受到科研工作者的关注。目前阻碍生物表面活性剂大规模工业化生产的主要原因是生产成本高。但通过诱变育种和构建基因工程高产菌,设计高生产力的发酵工艺和经济有效的回收方法,可以大大降低生产成本,而且与动、植物生长速率相比,微生物具有更短的代时,因此通过细菌和真菌来生产生物表面活性剂更容易。可以预见,作为表面活性剂家族的后起之秀的生物表面活性剂将可能成为化学合成表面活性剂的替代品或升级换代产品,有着巨大的社会效益和经济效益。
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