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微生物发酵生产生物表面活性剂的研究进展*

2016-07-16黄毅梅邓丰李静

广东轻工职业技术学院学报 2016年2期
关键词:发酵微生物优化

黄毅梅 邓丰 李静

(1. 广东工业大学 环境科学与工程学院,广东广州510006; 2. 广东省循环经济和资源综合利用协会,广东广州510075;3. 广东轻工职业技术学院,广东广州510300)



微生物发酵生产生物表面活性剂的研究进展*

黄毅梅1, 3邓丰2李静3

(1. 广东工业大学 环境科学与工程学院,广东广州510006; 2. 广东省循环经济和资源综合利用协会,广东广州510075;3. 广东轻工职业技术学院,广东广州510300)

摘要:介绍了生物表面活性剂分类及常见类型,对其高产微生物的筛选、发酵过程优化、廉价原料的利用以及促产因子的研究进展进行了综述,最后对生物表面活性剂的研究方向进行了展望。

关键词:生物表面活性剂;微生物;发酵;优化

生物表面活性剂是由微生物在一定条件下代谢产生的一类具有表面活性,集亲水基和疏水基于一体的化合物。对比化学表面活性剂,生物表面活性剂除了具有降低表面张力、发泡和稳定乳化液的功能外,同时兼具无毒或低毒、良好的生物降解性、更好的环境相容性、结构多样性、可利用原位合成等优点[1-5]。生物表面活性剂在石油工业、环境修复、农业生产、化妆品工业、医药食品行业等领域具有良好的应用前景[3]。

1生物表面活性剂分类和制备

根据化学成分和产生菌的不同,生物表面活性剂可分为五大类,分别是糖脂、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂、聚合物、全胞表面本身。其分子结构由单糖、寡糖或多糖,氨基酸或多肽,羧酸或磷酸基团构成的亲水基和由饱和或不饱和脂肪酸构成的疏水基构成[6],如表1所示。

生物表面活性剂的制备可采用合成法或者提取法,其中合成法又可分为全微生物细胞代谢法和酶催化合成法。与酶催化法相比,全微生物发酵法的生物表面活性剂具有种类多、原料广、工艺简单的优点,目前关于微生物发酵生产生物表面活性剂的研究很多,包括在不同条件下高产生物表面活性剂微生物的筛选,发酵条件的优化以及产物分离鉴定等,然而微生物法发酵合成表面活性剂还停留在实验室研究,未能真正实现大规模工业化生产,主要原因是高成本和低产量[3,7]。

表1 生物表面活性剂的分类

2微生物发酵生产生物表面活性剂研究进展

为了解决生物表面活性剂工业化生产的高成本、低产量的限制因素,研究人员采取了各种措施:筛选高产菌株、优化发酵条件、优化产物分离提纯方法及添加促产因子。虽然生物表面活性剂的研究已有30多年的历史,但仍处于研究初步阶段。随着人们对微生物生产表面活性剂机理的深入研究,近期提高生物表面活性剂产量及降低生产成本方面取得了较好的进展。本文主要从微生物筛选、发酵条件优化、发酵条件优化等方面介绍国内生物表面活性剂研究进展。

2.1高产生物表面活性剂微生物的筛选和重组

发酵生产生物表面活性剂依赖于微生物,高产生物表面活性剂菌种的筛选是生物表面活性剂研究的一个重要领域,根据生物表面活性剂的应用领域不同,研究人员从油田或炼油厂等受石油污染的水体或土壤、食堂下水道、堆肥料、污泥中筛选生物表面活性剂高产菌。黄杨[8]等从受石油污染的土壤中筛选得到一株肺炎克雷伯氏菌,在最适条件下生物表面活性剂的产量可达到0.742g/L,经薄层分析和FT-IR分析,该生物表面活性剂为磷脂类生物表面活性剂;肖兵[9]等从油田油藏采出水中筛选得到一株高效表面活性剂产生菌,经鉴定为地衣芽孢杆菌,该菌在24h内将发酵液表面张力降低61.76%;明聪聪[10]等从制革污泥中分离出一株高产鼠李糖脂的菌株,产量达2.9g/L。

温度是微生物生命活动的重要影响因子,对高产生物表面活性剂菌株筛选研究大都集中在常温菌上,为了避免生物表面活性剂产生菌在极端环境下的应用受限制,筛选适应极端环境产生物表面活性剂菌株受到越来越多研究人员的关注。刘畅[5]等从低温环境下自然腐烂的秸秆中分离出一株表面活性剂产生菌B-17,在10℃发酵条件下,5d内可使发酵液表面张力降低50.32%;李彩凤[11]等从胜利油田油井产出液及含油污水等样品中筛选出1株蜡样芽孢杆菌,能在高温( 60℃)、高压(10MPa)下以原油为唯一碳源生长且能有效产出生物表面活性剂,表面张力可降低至35.6 mN/m。

生物表面活性剂在石油污染环境修复中能增强修复效果,筛选既能降解石油污染物,又能以石油烃为碳源合成生物表面活性剂的菌株,在治理石油污染方面具有很好的应用前景,目前关于产生物表面活性剂的石油烃高效降解菌的研究报道较少,有研究者从受石油污染的土壤中筛选出一株既产生物表面活性剂又高效降解石油烃的菌株B-6,该菌株经鉴定属假单胞菌属[12];有研究报道称粘质沙雷氏菌、居植物柔武氏菌、克雷伯氏菌和蜡状芽孢杆菌既能降解原油物质又能降低发酵液表面张力[13];张卉[14]等从长期被石油污染的油泥中筛选得到一株高产生物表面活性剂菌株LJ2,在34℃条件下,处理质量浓度为2g/L的石油污染废水,5d后降解率达99.5%。

微生物菌种的遗传特性是高效发酵生产的重要因素,发酵工业生产的关键是获得具有稳定遗传特性的高产微生物菌株。近年来,利用微生物育种手段改造微生物菌种的方法被人们运用于生物表面活性剂高产菌的研究。梁小龙[15]等通过原生质体融合的方法,以筛选自油田采出水中的好氧产脂肽类表面活性剂的解淀粉芽孢杆菌BQ2和兼性厌氧的施氏假单胞菌DQ1为亲本菌,构建了一株能在厌氧条件下迅速生长并能产脂肽类表面活性剂的融合子JD3,在厌氧条件下培养36 h,融合子JD3发酵液的表面张力降低了48.4%。

2.2发酵培养条件的优化与廉价原料的利用

微生物菌种和发酵条件是影响生物表面活性剂产量的两大因素,所以发酵原料和发酵条件优化有利于提高生物表面活性剂的产量,降低生产成本。依据影响生物合成的培养基组分和培养条件,研究人员采用单因素、正交试验以及响应面法等统计学方法优化培养基及发酵条件,提高生物表面活性剂的产量。朱震[16]等人通过响应面法对解淀粉芽孢杆菌发酵生产表面活性素的液体发酵培养基和培养条件进行优化研究,表面活性素产量较优化前提高了2倍;付瑞敏[17]在单因素的基础上结合响应面分析法对石油降解菌CQ6生产表面活性剂的发酵条件进行优化,发酵液表面张力降低了16.9%,石油降解率提高了15.82%。微生物发酵生产生物表面活性剂培养基成本占总成本的50%,其中碳源是主要的限制因素,目前研究者已关注使用廉价易得的碳源生产生物表面活性剂并开展了研究。刘佳[18]等以废弃食用油脂为碳源发酵制备生物破乳剂,与采用液体石蜡为碳源相比,提高了生物破乳剂的产量和破乳效果;李慧娟[1]等以泔水油和豆粕为碳源、氮源,发酵培养不动杆菌菌株XH-2使发酵液表面张力由73.01mN/m降至25.25 mN/m。有研究人员以添加酵母粉和炸货油的天然海水作为培养基,发酵培养铜绿假单胞菌Z3,同时使用合成培养基培养作为对比,研究简易发酵和摇瓶发酵两种方式下,对产物鼠李糖脂产量的影响。实验结果显示,菌株Z3能在添加酵母粉和炸货油的海水培养基中发酵,发酵液中鼠李糖脂产量达10g/L左右,大概为摇瓶发酵时合成培养基的65%,大大降低了生产成本[19]。

2.3促产因子的添加

脂肽分子由1条脂肪酸链和1条肽链构成,其中肽链上的氨基酸能与脂肪酸链上的羟基、羧基结合。黄翔峰等人的研究发现利用脂肪酸酯为碳源培养枯草芽孢杆菌合成脂肽,在培养基中添加谷氨酸,脂肽产量提高了93.2%,有研究人员认为氨基酸能够促进脂肽产量的提高一方面是微生物在利用氨基酸过程中产生的中间产物或者氨基酸本身能影响微生物的生长,增加微生物量;另一方面是氨基酸可能作为产物前体调控产量,或者影响细胞壁结构促进产物外排。Fe、Mn、Zn等金属离子对微生物新陈代谢有重要调节作用,这类金属离子可通过促进微生物对碳源的利用,或者通过调控底物代谢酶活或者调节生物表面活性剂转录和翻译的关键酶活来影响微生物次级代谢过程,进而影响生物表面活性剂产量。黄翔峰在培养基中投加不同浓度的Fe2+不仅能够提高B.subtilis CICC23659的生物量,还能大幅提高脂肽产量,当Fe2+添加浓度为5 mmol/L时,生物量提高了6倍,脂肽产量提高了9.5倍[6,20,21]。目前关于促产因子的研究多为优化和调控方面,对其促产机制及细胞代谢路径等方面的研究还不是很全面。

3展望

生物表面活性剂要实现大规模工业化生产和应用,首先降低其生产成本,提高生产效率。目前,对高产菌株的筛选,发酵条件的优化,廉价发酵原料的利用,发酵过程中促产因子的添加等方面进行了大量的研究,以提高生物表面活性剂的产量,但要真正实现生物表面活性剂的产业化生产需要加强做大量工作:

1) 改良菌种,利用基因工程和突变技术改造微生物菌种,以获得高产工程菌;

2)廉价原料的利用研究,以及相关促产因子的促产机制的进一步深入研究。

参考文献:

[1] 李慧娟,丁瑞,孙云鹏,等.低成本原料发酵生产生物表面活性剂及其特性研究[J].化学与生物工程,2016,33(1):43-48.

[2] 黄翔峰,陈旭远,刘佳,等.废弃食用油脂合成鼠李糖脂研究进展[J].微生物学通报,2009,36(11):1738-1743.

[3] 刘江红,陈逸桐,贾云鹏,等.生物表面活性剂应用研究进展[J].化学通报,2013,76(7):590-593.

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[5] 刘畅,赵伟,李涛,等.一株产生物表面活性剂低温细菌的筛选与鉴定[J]. 生态学杂志,2013,32(4):1075-1082.

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[7] 韩双艳,任昌琼,林影.生物表面活性剂的生产与应用[J].中国工程科学,2009,34(7):26-30.

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[14] 张卉,张笔成,张妍,等.生物表面活性剂产生菌处理水体石油污染物的研究[J].安全与环境学报,2015,15(6):269-273.

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[21] 黄翔峰,詹鹏举,彭开铭,等.培养基中铁离子对枯草芽孢杆菌CICC 23659发酵产脂肽的影响研究 [J].中国生物工程杂志,2013,33(6):52-61.

Research Progress on Microorganisms Fermentation of Biosurfactants

HUANG Yimei1, 3DENG Feng2LI Jing3

(1. Faculty of Environmental Science and Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China; 2. Guangdong Association of Circular Economy and Resources Comprehensive Utilization, Guangzhou 510075,China;3.Guangdong Industry Polytechnic, Guangzhou 510300,China)

Abstract:This paper introduced the classification and common type of biosurfactants, summarized the research progress on screening high productive strains, optimization of fermentation process, the use of low-cost raw materials and the impacts of promoting factors. At the end of this review, the prospect on research direction of biosurfactants are introduced.

Key words:biosurfactant; microorganism; fermentation; optimization

收稿日期:2016-05-20

*基金项目:广东高校特色调味品工程技术开发中心建设项目(GCZX-B1103)

作者简介:黄毅梅(1987—),女,广东梅州人,在读硕士研究生。

中图分类号:TQ423.99

文献标识码:A

文章编号:1672-1950(2016)02-0006-04

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