生物表面活性劑的 應用及其發展趨勢概述

陶亮亮，胡 瑞

（陜西理工學院化學與環境科學學院，陜西 漢中 723001）

生物表面活性劑的 應用及其發展趨勢概述

陶亮亮，胡 瑞

（陜西理工學院化學與環境科學學院，陜西 漢中 723001）

文中探討了生物表面活性劑的分類、特點，對生物表面活性劑在石油工業、食品、環境工業、農業、洗滌化妝品、生物醫藥醫療、造紙工業、堆肥中的應用現狀進行論述，并對其在未來發展趨勢作一闡述。

生物表面活性劑；應用；發展趨勢；概述

生物表面活性劑是微生物在代謝過程中分泌出的具有一定表面活性、集親水基和疏水基結構于一分子之內、具有一定生物活性的次級代謝產物。生物表面活性劑的結構龐大、復雜，具有表面活性高、無毒或低毒、可生物降解、環境相容性良好等特性，同時還具有選擇性和專一性。隨著研究的不斷深入，生物表面活性劑將會在許多行業得到大量應用，尤其是在石油、環境治理、食品、洗滌劑、化妝品、造紙、生物醫藥及農業等領域的應用會越來越廣泛[1]。而且，隨著人們崇尚自然和環保意識的增強，生物表面活性劑的各種優勢還將日益凸顯。

1. 生物表面活性劑的分類

生物表面活性劑的親水基團可以是離子或非離子形式的單糖、二糖、多糖、羧基、氨基或肽鏈，其疏水基團則由各種脂肪烴組成。生物表面活性劑能在兩相界面上形成定向排列的分子層，在兩相界面的物質傳遞和能量傳遞方面起到十分重要的作用。各種生物表面活性劑都具有良好的耐熱及對酸（pH值）、酶等具有化學穩定性。

2. 生物表面活性劑的應用概述

2.1 石油工業

石油工業是目前生物表面活性劑應用最廣泛的領域，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復等方面都有應用。其主要作用體現在：①改變重烴組分的潤濕性；②通過降解長鏈飽和烴類降低原油的黏度；③產生溶解巖石，增大絕對滲透率的酸性物質；④產生可以增大油藏壓力及降低原油黏度的氣體；降低巖石中孔道的滲透性，從而提高驅替效率。

2.1.1 提高石油采收率

現大多數油田已經進入二次驅油的中后期，但仍有70%的原油滯留在儲油層中，通過篩選合適的采油微生物，可產生集親水基團和憎水基團于一身的各種生物表面活性劑，降低石油黏度和巖石-油-水系統的表面張力，增加原油的流動性，以滿足不同原油和不同地質的要求，從而提高石油采收率。用微生物提高石油采收率的技術目前前景頗為看好。近年來，在勝利油田、新疆克拉瑪依油田、青海油田、大港油田、文留油田、河南油田、文明寨極復雜斷塊油田、新北油田、徐家圍子低滲透油田、延長油田等都進行了相關的研究與應用[2]。

2.1.2 防止結蠟

現階段大多數油田采用加熱或添加化學除蠟劑的方法來解決結蠟問題。I. Lazar等人利用從油井中分離出的三株菌組成的混合菌落，可以很好地清除油井模型中瀝青質和石蠟的沉積物，而且可以降解已有的沉積物，直到固態有機物變成液態物質。

2.1.3 在原油清蠟和乳化中的應用

生物表面活性劑石油開采中可清洗井壁、溶解固形石蠟、疏通堵塞孔隙通道、提高流動性，從而提高原油產量。它具有較強的破乳性，能乳化碳氫化合物，且能被生物完全降解，對環境不造成污染，還能穩定其乳化體系，分離、回收石油餾分，提高對資源的再利用水平。勝利油田從HRB系列的7種生物破乳劑中選出了對勝利純梁油田含水原油脫水效果最好的生物破乳劑HRB-4，現已推廣至勝利油田其他采油廠。傳統的化學破乳劑一般為難降解的高分子有機物，對環境負面影響較大，而利用生物表面活性劑破乳

符合清潔生產的要求[3,4]。

2.1.4 在石油污染生物修復中的應用

生物表面活性劑用于石油污染生物修復中可以增強土壤中疏水污染物的生物可利用性和改善生物降解性，能有效地將石油烴分散成水液滴并進一步降解，促進石油污染的生物修復，減少對環境造成的污染和破壞等作用。韓慧龍等在中原油田石油污染耕地區域篩選出一株石油降解細菌，并將細菌、真菌協同修復技術用于石油污染土壤的原位修復，取得了很好的效果。研究發現，生物表面活性劑可以對石油烴產生乳化作用，從而可能提高石油烴的生物利用度[5,6]。

2.2 食品工業[7-9]

生物表面活性劑可以作為天然的食品添加劑，如乳化劑、保濕劑、防腐劑、潤濕劑、起泡劑、增稠劑等。在功能性食品中，生物表面活性劑可以作為其補充物的重要部分，提供人體所需的礦物質、維生素及由前生命期微生物產生的穩態營養復合物和副產物。

2.2.1 食品乳化劑

由于符合功能性食品和綠色食品添加劑的要求，部分生物表面活性劑已成為一種廣泛應用的食品乳化劑。微生物表面活性劑可作為乳化劑用于食品原料的加工，也可用于面包和肉類生產，改善面粉的流變學特性，以及部分裂解的脂肪組織的乳化。磷脂是最常用的乳化劑和穩定劑，在食品中一般用在糖果、快餐食品、速溶食品、面包、糕點、牛奶、仿奶制品、飲料及肉禽加工食品等方面。

2.2.2 食品保鮮劑

生物表面活性劑利用其兩親性分子特征通過溶解異源細胞膜的主要成分來實現殺菌功能，或者通過改變環境的界面性質，使環境更有利于自身的生存，從而抑制了其他微生物的生長。由于具有抗細菌、真菌藻類以及病毒的功能，生物表面活性劑可以廣泛用于食品的保鮮和防腐，如蔗糖脂可應用于果品保鮮。

2.2.3 食品補充劑

生物表面活性劑可以作為食品補充物的重要部分，提供人體所需的礦物質和維生素，同時分泌一些人體所必需的生物化學物質，如抗氧化超氧化物歧化酶、免疫支持體-葡萄糖、抗菌性肽類、生物素、輔酶等。此外，生物表面活性劑還可以用于提高淀粉制品的質地及貨架期，改善面團的質地、口感、焙烤面包的膨脹體積和穩定性以及含脂肪產品的流變學特性，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 風味劑

表面活性劑在食品中的天然成分如色素、香味成分、生物活性成分以及發酵產品的提取分離中也有廣泛的應用。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質量；鼠李糖既可以生產香料，也可作為食品添加劑加入高檔咖啡、飲料、面包、肉制品中。

2.3 環境工程

2.3.1去除重金屬[10]

這一領域目前研究較多的生物表面活性劑有鼠李糖脂、槐糖脂、枯草菌表面活性劑、皂角苷。主要通過其與重金屬離子絡合，降低表面張力使金屬從土壤上解吸下來，然后隨著淋洗液不斷的沖洗而從土壤中去除。主要通過兩種方式解析與土壤結合的重金屬：一是與土壤液相中的金屬離子絡合；二是通過降低界面張力，使土壤中重金屬離子與表面活性劑直接接觸。

2.3.2降解污染物[11]

生物表面活性劑能夠降解土壤或水中的烷烴污染物。在土壤或水中加入生物表面活性劑有利于改善油/水/微生物細胞界面的接觸行為，加快了微生物細胞對油類底物的利用速度而降低界面張力，其脫附作用促進了污水中有機物的降解，間接減少了污水中降解時間。另外，其抗菌、抗病毒等作用會對污水中的各種菌類起到一定的去除作用，可加速去除環境中各種污染物和重金屬。生物表面活性劑具有良好的環境兼容性，有利于將其在環境工程方面的應用擴展到更廣闊的領域。

2.4 農業

生物表面活性劑在農業中應用主要體現在它可以插入到細胞質膜中，破壞膜結構。生物表面活性劑具有滲透特性和保濕性能，可作為農藥和動物飼料添加劑。生物表面活性劑在植物病原體生物防治、改良土壤、促進水分在堆肥顆粒中傳輸和分散能力、減緩堆肥中水分蒸發、改善植物對某些農藥的抗藥性等方面具有很廣泛的應用。畜牧業、水產業和飼料工業正朝著提高安全性和提高效率的方向發展，生物表面活性劑作為一種綠色原料，將會在農業生產中得到越來越多的應用。

生物表面活性劑應用于堆肥過程時，主要涉及微生物細胞、堆肥原料及環境介質之間的多種物理化學和生物作用過程，可以加快堆肥進程，提高堆肥產品品質。它具有脫附作用、乳化或增溶作用、保濕性能和抗菌、抗病毒等作用，增大了堆肥有機物與降解菌細胞的接觸面積及可利用性，減緩堆肥中水分的蒸發，有利于保持微生物的活性，同時會對堆肥中的病原菌也能起到一定的去除作用。目前，生物表面活性劑在堆肥中的試驗研究還處于起步階段[12]。

2.5 洗滌化妝品業[13]

在化妝品行業，生物表面活性劑常用作乳化劑、滲透劑、凈洗劑、潤濕劑、殺菌劑、抗氧化劑等以及染發劑的助劑。它通過釋放化妝品中的活性組分來改變表面活性組分對人體的表面作用，具有安全無毒且無累積毒性的特點，對環境無污染，在生態學上是安全的。生物表面活性劑具有良好的pH 穩定性能，與其他表面活性劑的配伍性能良好，還具有抗氧化性能，在化妝品配方中有很大的應用潛力。其中，磷脂作為生物細胞的重要組成部分，在細胞代謝和細胞膜滲透性調節方面起著重要作用，在化妝品中可作為保濕劑、脂質的包裹劑、營養滋補劑等，可賦予皮膚柔軟性和潤濕性。

2.6 生物醫藥醫療

生物表面活性劑可以作為抗生素，具有良好的抗細菌、霉菌和病毒的性能，可抑制皰疹病毒和流行性感冒病毒。用發酵法生產的磷脂蛋白可以降低肺部空氣液體的表面張力，保護機體組織免受感染發炎。同時，它還具有潛在的抗菌活性，包括抗真菌、抗細菌、抗支原體和抗病毒等活性，可用在免疫調節分子黏合劑、疫苗及基因治療等方面。在藥學中，生物表面活性劑常用作增溶劑、助懸劑、抗氧化劑、滲透劑、防腐劑等。在藥物合成中，生物表面活性劑用作催化劑、吸附劑，在藥物分析中用作滴定劑。此外，磷脂還具有滋潤皮膚，增加傷口愈合、增強骨骼機能及抗出血作用。目前，國內外對于生物表面活性劑在生物醫藥方面的應用極少，主要是由于人們對其作用機理還沒有完全掌握，研究正處于起步階段[14-16]。

2.7 造紙工業

在造紙工業中，生物表面活性劑可用作制漿造紙廢水的絮凝劑，可用于制漿造紙廢水的脫色、固體懸浮物的去除、污泥的沉降等。能產生絮凝劑的微生物有很多種，有細菌、放線菌、真菌及藻類等，其化學本質與微生物產生的各種多糖類有關。生物絮凝劑還能有效改善污泥的沉降性能，防止污泥解絮，可使污泥的SVI（污泥容積指數）從290下降到50。在污泥的沉降性能得到改善的同時，不會降低有機物的去除效率。生物表面活性劑在造紙工業中還可用作蒸煮劑、廢紙脫墨劑、施膠劑、樹脂障礙控制劑、消泡劑、柔軟劑、抗靜電劑、阻垢劑、軟化劑、除油劑、殺菌滅藻劑、緩蝕劑等[17,18]。

2.8 其他行業

在精細化工業，生物表面活性劑可用作保濕劑、防腐劑、潤濕劑、起泡劑、增稠劑、潤滑劑等；在采礦業中，它可促進無機礦質的分散。此外，生物表面活性劑還可用于電鍍業、煤炭業、紡織業、涂料工業、陶瓷業、鈾礦加工及營養免疫品和作泥炭脫水劑等。

3. 存在問題與發展前景[19,20]

生物表面活性劑是一類新型表面活性劑，具有低毒性、易生物降解、環境適應性較好、可批量生產等優點，在石油工業、環境工程、食品工業等工業方面應用越來越廣泛。但其研究工作尚待深入，其生產和應用仍面臨一些亟待解決的問題，如生產費用較高（比化學表面活性劑高3～10倍）等，制約了其推廣應用。同時，生物表面活性劑在堆肥、去重金屬等方面仍處于初級研究階段。

未來生物表面活性劑的發展方向主要是改進生物表面活性劑的生產工藝、降低生產成本，同時加強基礎研究，擴展應用范圍，完善作用機理，消除可能造成的二次污染以及提高活性等。隨著公眾環境意識的增強和業界對生物表面活性劑研究的深入，生物表面活性劑的獨特優勢將得到更充分的認識。相信在不久的將來，生物表面活性劑必有更大的工業發展和應用。

[1] 馬歌麗, 彭新榜, 馬翠卿, 等. 生物表面活性劑及其應用[J]. 中國生物工程雜志,2003, 23(5): 42-45.

[2] 張良曉, 楊祥, 陳艷玲. 生物表面活性劑在采油工程中的研究及應用[J]. 四川化工, 2005, 8(4): 13-15.

[3] 楊麗, 李建波. 生物表面活性劑及在油田中的應用[J]. 內蒙古石油化工, 2006(2):18.

[4] 楊葆華, 黃翔峰, 聞岳, 等. 生物表面活性劑在石油工業中的應用[J]. 油氣田環境保護, 2008, 15(3): 17-20.

[5] 張麗芳, 李艷, 肖紅. 表面活性劑在石油污染治理中的應用[J]. 遼寧化工, 2002,31(9): 382-385.

[6] 譚麗泉, 周煥清. 表面活性劑在微生物降解石油中的應用研究進展[J]. 化學與生物工程, 2007, 24(10): 9-11.

[7] 侯占群, 高彥祥. 生物表面活性劑及其在食品工業中的應用進展[J]. 食品研究與開發, 2010, 31(4): 170-173.

[8] Nitschke M, Pastore G M. Production and properties of a surfactant obtained from Bacillus subtilis grown on cassava wastewater [J]. Bioresource Technology,2006, 97: 336-341.

[9] Mulligan C N. Environmental applications for biosurfactants[J]. Environmental Pollution, 2005, 133: 183-198.

[10] 包木太, 李彩霞, 孫培艷, 等. 生物表面活性劑及其在重金屬污染生態修復中的應用[J]. 城市環境與城市生態, 2006,19(5): 1-5.

[11] 方長云, 薛嘉韻, 源亮君. 生物表面活性劑及其在環境工程中的應用[J]. 廣東化工, 2005(12): 48-50.

[12] 趙明梅, 牛明芬, 楊雪蓮, 等. 生物表面活性劑在堆肥中的研究進展[J]. 安徽農業科學, 2007, 35(10): 2953- 2954.

[13] 束影, 周培. 生物表面活性劑及其在化妝品中的應用[J]. 日用化學品科學,2010, 33(3): 25-28.

[14] 趙成英, 王利民. 表面活性劑在制藥工業中的應用[J]. 日用化學工業, 2007,37(6): 389-392.

[15] 陳文求, 孫爭光. 生物表面活性劑的生產與應用[J]. 膠體與聚合物, 2007, 25(3): 45-46.

[16] 左晶, 王學川. 生物表面活性劑的應用[J].化學工業與工程技術, 2005, 26(2): 23-26.

[17] 張騰, 徐寶財, 周雅文, 等. 特種表面活性劑和功能性表面活性劑(Ⅶ)——生物表面活性劑的性能及應用研究進展[J]. 日用化學工業, 2010, 40(1): 60-63.

[18] 韓富, 劉志妍, 周雅文, 等. 特種表面活性劑和功能性表面活性劑(IV)——有機硅表面活性劑的應用[J]. 日用化學工業, 2009, 39(3): 200-210.

[19] 劉倫, 劉浪浪, 劉軍海. 生物表面活性劑應用概述及其發展前景[J]. 化工技術與開發, 2009, 38(9): 31-35.

[20] 劉倫. 生物表面活性劑的應用及發展前景[J]. 口腔護理用品工業, 2009, 15(9): 35-38.