生物表面活性剂的 应用及其发展趋势概述

陶亮亮，胡 瑞

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西 汉中 723001）

生物表面活性剂的 应用及其发展趋势概述

陶亮亮，胡 瑞

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西 汉中 723001）

文中探讨了生物表面活性剂的分类、特点，对生物表面活性剂在石油工业、食品、环境工业、农业、洗涤化妆品、生物医药医疗、造纸工业、堆肥中的应用现状进行论述，并对其在未来发展趋势作一阐述。

生物表面活性剂；应用；发展趋势；概述

生物表面活性剂是微生物在代谢过程中分泌出的具有一定表面活性、集亲水基和疏水基结构于一分子之内、具有一定生物活性的次级代谢产物。生物表面活性剂的结构庞大、复杂，具有表面活性高、无毒或低毒、可生物降解、环境相容性良好等特性，同时还具有选择性和专一性。随着研究的不断深入，生物表面活性剂将会在许多行业得到大量应用，尤其是在石油、环境治理、食品、洗涤剂、化妆品、造纸、生物医药及农业等领域的应用会越来越广泛[1]。而且，随着人们崇尚自然和环保意识的增强，生物表面活性剂的各种优势还将日益凸显。

1. 生物表面活性剂的分类

生物表面活性剂的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，其疏水基团则由各种脂肪烃组成。生物表面活性剂能在两相界面上形成定向排列的分子层，在两相界面的物质传递和能量传递方面起到十分重要的作用。各种生物表面活性剂都具有良好的耐热及对酸（pH值）、酶等具有化学稳定性。

2. 生物表面活性剂的应用概述

2.1 石油工业

石油工业是目前生物表面活性剂应用最广泛的领域，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复等方面都有应用。其主要作用体现在：①改变重烃组分的润湿性；②通过降解长链饱和烃类降低原油的黏度；③产生溶解岩石，增大绝对渗透率的酸性物质；④产生可以增大油藏压力及降低原油黏度的气体；降低岩石中孔道的渗透性，从而提高驱替效率。

2.1.1 提高石油采收率

现大多数油田已经进入二次驱油的中后期，但仍有70%的原油滞留在储油层中，通过筛选合适的采油微生物，可产生集亲水基团和憎水基团于一身的各种生物表面活性剂，降低石油黏度和岩石-油-水系统的表面张力，增加原油的流动性，以满足不同原油和不同地质的要求，从而提高石油采收率。用微生物提高石油采收率的技术目前前景颇为看好。近年来，在胜利油田、新疆克拉玛依油田、青海油田、大港油田、文留油田、河南油田、文明寨极复杂断块油田、新北油田、徐家围子低渗透油田、延长油田等都进行了相关的研究与应用[2]。

2.1.2 防止结蜡

现阶段大多数油田采用加热或添加化学除蜡剂的方法来解决结蜡问题。I. Lazar等人利用从油井中分离出的三株菌组成的混合菌落，可以很好地清除油井模型中沥青质和石蜡的沉积物，而且可以降解已有的沉积物，直到固态有机物变成液态物质。

2.1.3 在原油清蜡和乳化中的应用

生物表面活性剂石油开采中可清洗井壁、溶解固形石蜡、疏通堵塞孔隙通道、提高流动性，从而提高原油产量。它具有较强的破乳性，能乳化碳氢化合物，且能被生物完全降解，对环境不造成污染，还能稳定其乳化体系，分离、回收石油馏分，提高对资源的再利用水平。胜利油田从HRB系列的7种生物破乳剂中选出了对胜利纯梁油田含水原油脱水效果最好的生物破乳剂HRB-4，现已推广至胜利油田其他采油厂。传统的化学破乳剂一般为难降解的高分子有机物，对环境负面影响较大，而利用生物表面活性剂破乳

符合清洁生产的要求[3,4]。

2.1.4 在石油污染生物修复中的应用

生物表面活性剂用于石油污染生物修复中可以增强土壤中疏水污染物的生物可利用性和改善生物降解性，能有效地将石油烃分散成水液滴并进一步降解，促进石油污染的生物修复，减少对环境造成的污染和破坏等作用。韩慧龙等在中原油田石油污染耕地区域筛选出一株石油降解细菌，并将细菌、真菌协同修复技术用于石油污染土壤的原位修复，取得了很好的效果。研究发现，生物表面活性剂可以对石油烃产生乳化作用，从而可能提高石油烃的生物利用度[5,6]。

2.2 食品工业[7-9]

生物表面活性剂可以作为天然的食品添加剂，如乳化剂、保湿剂、防腐剂、润湿剂、起泡剂、增稠剂等。在功能性食品中，生物表面活性剂可以作为其补充物的重要部分，提供人体所需的矿物质、维生素及由前生命期微生物产生的稳态营养复合物和副产物。

2.2.1 食品乳化剂

由于符合功能性食品和绿色食品添加剂的要求，部分生物表面活性剂已成为一种广泛应用的食品乳化剂。微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性，以及部分裂解的脂肪组织的乳化。磷脂是最常用的乳化剂和稳定剂，在食品中一般用在糖果、快餐食品、速溶食品、面包、糕点、牛奶、仿奶制品、饮料及肉禽加工食品等方面。

2.2.2 食品保鲜剂

生物表面活性剂利用其两亲性分子特征通过溶解异源细胞膜的主要成分来实现杀菌功能，或者通过改变环境的界面性质，使环境更有利于自身的生存，从而抑制了其他微生物的生长。由于具有抗细菌、真菌藻类以及病毒的功能，生物表面活性剂可以广泛用于食品的保鲜和防腐，如蔗糖脂可应用于果品保鲜。

2.2.3 食品补充剂

生物表面活性剂可以作为食品补充物的重要部分，提供人体所需的矿物质和维生素，同时分泌一些人体所必需的生物化学物质，如抗氧化超氧化物歧化酶、免疫支持体-葡萄糖、抗菌性肽类、生物素、辅酶等。此外，生物表面活性剂还可以用于提高淀粉制品的质地及货架期，改善面团的质地、口感、焙烤面包的膨胀体积和稳定性以及含脂肪产品的流变学特性，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 风味剂

表面活性剂在食品中的天然成分如色素、香味成分、生物活性成分以及发酵产品的提取分离中也有广泛的应用。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质量；鼠李糖既可以生产香料，也可作为食品添加剂加入高档咖啡、饮料、面包、肉制品中。

2.3 环境工程

2.3.1去除重金属[10]

这一领域目前研究较多的生物表面活性剂有鼠李糖脂、槐糖脂、枯草菌表面活性剂、皂角苷。主要通过其与重金属离子络合，降低表面张力使金属从土壤上解吸下来，然后随着淋洗液不断的冲洗而从土壤中去除。主要通过两种方式解析与土壤结合的重金属：一是与土壤液相中的金属离子络合；二是通过降低界面张力，使土壤中重金属离子与表面活性剂直接接触。

2.3.2降解污染物[11]

生物表面活性剂能够降解土壤或水中的烷烃污染物。在土壤或水中加入生物表面活性剂有利于改善油/水/微生物细胞界面的接触行为，加快了微生物细胞对油类底物的利用速度而降低界面张力，其脱附作用促进了污水中有机物的降解，间接减少了污水中降解时间。另外，其抗菌、抗病毒等作用会对污水中的各种菌类起到一定的去除作用，可加速去除环境中各种污染物和重金属。生物表面活性剂具有良好的环境兼容性，有利于将其在环境工程方面的应用扩展到更广阔的领域。

2.4 农业

生物表面活性剂在农业中应用主要体现在它可以插入到细胞质膜中，破坏膜结构。生物表面活性剂具有渗透特性和保湿性能，可作为农药和动物饲料添加剂。生物表面活性剂在植物病原体生物防治、改良土壤、促进水分在堆肥颗粒中传输和分散能力、减缓堆肥中水分蒸发、改善植物对某些农药的抗药性等方面具有很广泛的应用。畜牧业、水产业和饲料工业正朝着提高安全性和提高效率的方向发展，生物表面活性剂作为一种绿色原料，将会在农业生产中得到越来越多的应用。

生物表面活性剂应用于堆肥过程时，主要涉及微生物细胞、堆肥原料及环境介质之间的多种物理化学和生物作用过程，可以加快堆肥进程，提高堆肥产品品质。它具有脱附作用、乳化或增溶作用、保湿性能和抗菌、抗病毒等作用，增大了堆肥有机物与降解菌细胞的接触面积及可利用性，减缓堆肥中水分的蒸发，有利于保持微生物的活性，同时会对堆肥中的病原菌也能起到一定的去除作用。目前，生物表面活性剂在堆肥中的试验研究还处于起步阶段[12]。

2.5 洗涤化妆品业[13]

在化妆品行业，生物表面活性剂常用作乳化剂、渗透剂、净洗剂、润湿剂、杀菌剂、抗氧化剂等以及染发剂的助剂。它通过释放化妆品中的活性组分来改变表面活性组分对人体的表面作用，具有安全无毒且无累积毒性的特点，对环境无污染，在生态学上是安全的。生物表面活性剂具有良好的pH 稳定性能，与其他表面活性剂的配伍性能良好，还具有抗氧化性能，在化妆品配方中有很大的应用潜力。其中，磷脂作为生物细胞的重要组成部分，在细胞代谢和细胞膜渗透性调节方面起着重要作用，在化妆品中可作为保湿剂、脂质的包裹剂、营养滋补剂等，可赋予皮肤柔软性和润湿性。

2.6 生物医药医疗

生物表面活性剂可以作为抗生素，具有良好的抗细菌、霉菌和病毒的性能，可抑制疱疹病毒和流行性感冒病毒。用发酵法生产的磷脂蛋白可以降低肺部空气液体的表面张力，保护机体组织免受感染发炎。同时，它还具有潜在的抗菌活性，包括抗真菌、抗细菌、抗支原体和抗病毒等活性，可用在免疫调节分子黏合剂、疫苗及基因治疗等方面。在药学中，生物表面活性剂常用作增溶剂、助悬剂、抗氧化剂、渗透剂、防腐剂等。在药物合成中，生物表面活性剂用作催化剂、吸附剂，在药物分析中用作滴定剂。此外，磷脂还具有滋润皮肤，增加伤口愈合、增强骨骼机能及抗出血作用。目前，国内外对于生物表面活性剂在生物医药方面的应用极少，主要是由于人们对其作用机理还没有完全掌握，研究正处于起步阶段[14-16]。

2.7 造纸工业

在造纸工业中，生物表面活性剂可用作制浆造纸废水的絮凝剂，可用于制浆造纸废水的脱色、固体悬浮物的去除、污泥的沉降等。能产生絮凝剂的微生物有很多种，有细菌、放线菌、真菌及藻类等，其化学本质与微生物产生的各种多糖类有关。生物絮凝剂还能有效改善污泥的沉降性能，防止污泥解絮，可使污泥的SVI（污泥容积指数）从290下降到50。在污泥的沉降性能得到改善的同时，不会降低有机物的去除效率。生物表面活性剂在造纸工业中还可用作蒸煮剂、废纸脱墨剂、施胶剂、树脂障碍控制剂、消泡剂、柔软剂、抗静电剂、阻垢剂、软化剂、除油剂、杀菌灭藻剂、缓蚀剂等[17,18]。

2.8 其他行业

在精细化工业，生物表面活性剂可用作保湿剂、防腐剂、润湿剂、起泡剂、增稠剂、润滑剂等；在采矿业中，它可促进无机矿质的分散。此外，生物表面活性剂还可用于电镀业、煤炭业、纺织业、涂料工业、陶瓷业、铀矿加工及营养免疫品和作泥炭脱水剂等。

3. 存在问题与发展前景[19,20]

生物表面活性剂是一类新型表面活性剂，具有低毒性、易生物降解、环境适应性较好、可批量生产等优点，在石油工业、环境工程、食品工业等工业方面应用越来越广泛。但其研究工作尚待深入，其生产和应用仍面临一些亟待解决的问题，如生产费用较高（比化学表面活性剂高3～10倍）等，制约了其推广应用。同时，生物表面活性剂在堆肥、去重金属等方面仍处于初级研究阶段。

未来生物表面活性剂的发展方向主要是改进生物表面活性剂的生产工艺、降低生产成本，同时加强基础研究，扩展应用范围，完善作用机理，消除可能造成的二次污染以及提高活性等。随着公众环境意识的增强和业界对生物表面活性剂研究的深入，生物表面活性剂的独特优势将得到更充分的认识。相信在不久的将来，生物表面活性剂必有更大的工业发展和应用。

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