生物表面活性劑槐糖脂研究概況

蔡京榮 呂佳佳

（陽煤豐喜泉稷能源有限公司，山西稷山，043200）

槐糖脂（sophorolipid）是一種具有可生物降解、毒性低、環境相容性好等特點的生物表面活性劑[1]。它首次發現于1954年，是由Torulopsis sp產生的[2]。除了有較好的乳化、分散、增溶等表面特性外，槐糖脂還具有抑菌、抗病毒、抗腫瘤、抗炎等生物活性[3-4]。目前已在食品、醫藥、日化、冶金、環保、廢油回收等領域獲得應用。

國際上對槐糖脂的有關理論和應用的研究已開展多年，國內雖然進行了有關研究，但整體上仍處于起步階段。本文從化學結構、理化性質、生產方法、分離和純化、主要應用、研究現狀等方面對槐糖脂的研究概況進行綜述，以期為相關研究提供借鑒。

1 槐糖脂的結構和性質

1.1 化學結構

由微生物代謝產生的槐糖脂一般是由一系列槐糖脂分子組成的混合物，這些槐糖脂分子均包含親水基和疏水基，親水基是由兩分子葡萄糖以β-1,2糖苷鍵結合而成的槐糖，疏水基為飽和或不飽和長鏈ω-（或ω-1）羥基脂肪酸，親水基和疏水基以β-糖苷鍵連接，這些槐糖脂依其是否存在內酯化，可分為內酯型和酸型[5]。

1.2 槐糖脂的性質

1.2.1 理化性質

槐糖脂臨界膠束濃度為11～250 mg/L，表面活性較強，可將水的表面張力從72.8 mN/m降至30-40 mN/m。當pH≤5.0時呈膠態分布；當pH 5.6～5.8時溶解度最高；當pH≈6.0時，可完全溶解于水；當pH≥7.0時，乙酰基和酯鍵發生不可逆水解。一般來說，內酯型槐糖脂的親脂性較高，具有降低液體表面張力的能力，酸型槐糖脂的水溶性較好，發泡能力較強[6]。

圖1 內酯型槐糖脂結構式

研究表明：槐糖脂脂肪酸碳鏈的長度越長，其表面活性和生物可降解性越高，CMC值越小。Zhang等[7]將一系列槐糖脂烷基酯的表面活性和降解性進行了對比，結果表明：槐糖脂烷基酯脂肪酸碳鏈每增加一個-CH2，其CMC值降低50%，而生物可降解性隨之增加。隨后，Shin等[8]發現槐糖脂脂肪酸碳鏈為油酸（C18）的槐糖脂甲酯比脂肪酸碳鏈為芥酸（C22）的槐糖脂甲酯更難降解。

1.2.2 生物活性

槐糖脂具有抗腫瘤、抗細菌、抗真菌、抗病毒和抗炎等生物活性。

胡靜等[9]分別以豆油和葡萄糖為底物，發酵制得槐糖脂，研究了槐糖脂對人宮頸癌細胞的抑制作用，發現不同底物發酵制得的槐糖脂對人宮頸癌細胞均有抑制作用，且細胞存活率隨槐糖脂濃度的增加均呈現降低趨勢，以葡萄糖為底物制備的槐糖脂質量濃度達到200 μg/mL時的體外抑瘤率可達87.4%，以豆油為底物的槐糖脂濃度達到500 μg/mL時的體外抑瘤率為71.1%。

圖2 酸型槐糖脂結構式

Kim等[10]發現內酯型槐糖脂對部分引起泌尿系統感染、胃腸道感染的革蘭氏陰性菌及引起新生兒腦膜炎的鏈球菌，均表現出優良的抑制作用，當其濃度達到30 μg/mL時，對致病性革蘭氏陰性菌的致死率可達到100%。

袁兵兵等[11]對槐糖脂的抑真菌性能進行了研究，發現了槐糖脂對水果有保鮮作用，經過槐糖脂涂抹的水果失重率明顯降低，且表皮可保持光澤不起褶皺，從而，有望開發一款新型果蔬保鮮殺菌劑。

Bluth等[12]發現槐糖脂可通過抑制動物體內敗血癥病毒的增殖，減少生物敗血癥病毒性休克，降低動物死亡率。

Napolitano等[13]對患有敗血癥的小鼠，通過靜脈注射槐糖脂，明顯提高了小鼠存活率。他認為是槐糖脂加速了巨噬細胞的衰減，抑制了炎癥的發展與擴散。

2 槐糖脂的生產、分離提純方法

2.1 槐糖脂的主要生產菌種

目前槐糖脂主要采用微生物發酵法生產，科學家們于20世紀60-70年代，經過篩選、鑒定，得到Torulopsis magnolia（現稱為Candida apicola）、Torulopsis gropengiesseri、Trulopsis bobmbicola及Candidabogoriensis等槐糖脂產生菌[14]。近幾十年，有關研究者又逐步篩選出Wickerhamiella domercqiae、Pichia anomala、Candida batistae、Candida riodocensis、Candida stellata和Candida sp.Y-27208等新的產生菌[15]。

槐糖脂的產生菌主要為各種非致病性酵母菌，除Rhodotorula bogoriensis為擔子菌外，多為子囊菌，其不同物種的親緣關系見圖3。其中Candida bombicola的應用最廣泛。

2.2 槐糖脂的生物合成途徑

圖3 槐糖脂產生菌和非槐糖脂產生菌的系統樹

在槐糖脂的微生物合成過程中，涉及的關鍵酶主要有細胞色素P450[16]、兩種葡萄糖基轉移酶[17]、乙酰基轉移酶[18]、內酯化酶[19]和一種輸送酶[20]。

根據碳源的不同，槐糖脂的生物合成途徑也不同，但均需要活化后的葡萄糖和一種普通的脂肪酸。

2.2.1 以葡萄糖和脂肪酸為復合碳源

部分葡萄糖經糖酵解，分解為丙酮酸，然后在丙酮酸脫羧酶的作用下生成乙酰CoA，乙酰CoA進入三羧酸循環，為菌體提供生長代謝能量。脂肪酸在單加氧酶細胞色素P450的作用下生成ω-/ω-l羥基脂肪酸，在葡萄糖基轉移酶I的作用下，將一個葡萄糖分子轉移到ω-/ω-l羥基脂肪酸，生成葡萄糖脂；在萄糖基轉移酶II的作用下將另一個葡糖分子轉移到葡萄糖上，生成槐糖脂；在乙酰轉移酶和內酯化酶的作用下生成乙酰化的內酯型槐糖脂[21]。

2.2.2 以烴類物質或脂肪酸為唯一碳源

圖4 以葡萄糖和脂肪酸為復合碳源時槐糖脂的合成途徑

在脂肪酸脫氫酶或脂肪醇氧化酶的作用下，烴類物質變成脂肪酸，部分脂肪酸經氧化生成乙酰CoA，進入三羧酸循環，為細胞生長和代謝提供能量；三羧酸循環過程中產生的中間產物通過糖異生途徑生成葡萄糖。部分脂肪酸在單加氧酶細胞色素Cyt P450的作用下生成ω-/ω-1羥基脂肪酸，由葡萄糖基轉移酶I催化，將一個葡萄糖分子轉移到ω-/ω-1羥基脂肪酸，生成葡萄糖脂；在葡萄糖基轉移酶II的作用下將另一個葡萄糖分子轉移到葡萄糖脂上生成槐糖脂；最后由乙酰基轉移酶和內酯化酶催化，生成乙酰化的酸型/內酯型槐糖脂[22]。

2.2.3 以葡萄糖為唯一碳源

葡萄糖經EMP途徑分解為丙酮酸，其中一部分通過糖異生途徑生成新的葡萄糖分子；另一部分在丙酮酸脫羧酶的作用下，生成乙酰CoA，部分乙酰CoA進入TCA循環，為菌體的生長代謝提供能量，部分通過從頭合成途徑合成脂肪酸。新合成的脂肪酸在單加氧酶細胞色素Cyt P450的作用下生成ω-/ω-1羥基脂肪酸，由葡萄糖基轉移酶I催化，將一個葡萄糖分子轉移到ω-/ω-1羥基脂肪酸，生成葡萄糖脂；在葡萄糖基轉移酶II的作用下將另一個葡萄糖分子轉移到葡萄糖脂上生成槐糖脂；最后由乙酰轉移酶或內酯化酶催化，生成乙酰化的酸型或內酯型槐糖脂[23]。

2.4 槐糖脂的分離純化

依據最終產物純度的差異，可以把槐糖脂純化過程分為粗提、中度純化和精細純化三個階段。常用的純化方法有凝膠過濾層析和薄層層析[24]。

圖5 以烴類物質或脂肪酸為唯一碳源時槐糖脂的合成途徑

硅膠柱層析法是根據硅膠對被分離物質的吸附力的不同而得到分離純化，吸附力的強弱是由被分離物質極性大小而定。一般情況下，極性較弱的物質不易被硅膠吸附，極性較大的物質易被硅膠吸附。被分離物質的整個層析過程包括：吸附、解吸、再吸附、再解吸的過程。

凝膠過濾層析法又名排阻層析或者分子篩方法，依據蛋白質的大小和形狀，通過在層析柱中填充某些惰性的多孔網狀結構物質進行分離，從而對蛋白質的質量進行分離和純化。

硅膠層析法是依據硅膠和各種不同物質之間吸附力的不同而能夠將不同物質分離開來。

薄層層析又名薄層色譜，屬于色譜法的一個種類，通過固-液吸附色譜從而快速分離和定性分析少量物質的一種重要的實驗技術，同時具備了柱色譜和紙色譜的優點。

3 槐糖脂的主要應用

3.1 食品工業

槐糖脂不僅具有乳化、增稠、潤滑等特性，而且無臭、無味、無毒、對人體無害，因此，可以作為食品添加劑用來改善食品的口味和品質。此外，還有報道在冷藏運輸過程中，用于防止形成冰粒子。

3.2 石油工業

Beckman1926年首先提出的用微生物提高原油采收率的設想，被稱為最有發展前景的一項采油技術。生物表面活性劑可以很容易地溶解在地層水和注入水中，在油-水界面上發揮其較高的表面活性。研究表明：生物表面活性劑的驅油效率比人工合成的表面活性劑的驅油效率高3.5～8倍[25]。

德國學者將酵母菌生產的槐糖脂發酵液用于室內驅油實驗，發現它具有較強的驅油能力，不加助表面活性劑時石油采收率便能達到87%。國內學者篩選出的一種耐鹽3%～5%、耐溫40～80℃的糖脂類表面活性劑，在與多糖、槐糖脂或鼠李糖脂復配時呈現“超加和”現象，能獲得低界面張力[26]。

3.3 環境保護

槐糖脂已被應用于環境保護中的多個方面，例如：石油污染的生物修復、從焦油中分離瀝青[27]、土壤中重金屬離子的去除[28]、水中金屬離子和烴類的去除[29]、有害藻類危害的減輕[30]等。

3.4 醫藥領域

很多報道均證明槐糖脂具有很好的抗菌活性、抗炎癥活性、抗腫瘤活性、抗病毒活性和殺精子活性等。這些在醫藥領域的應用，提高了槐糖脂的經濟附加值，使槐糖脂具有良好的應用前景。但槐糖脂的分子結構與槐糖脂藥學活性的關系目前還不清楚[31]。

3.5 日化領域

法國Soliance公司推出的化妝品Sopholiance S，主要成分為槐糖脂，具有較溫和的殺菌功效，可以高效抑制痤瘡丙酸桿菌及乳酸棒桿菌，同時可以抑制脂肪酶的活性，防止皮脂分解而產生游離脂肪酸。另外，據很多專利報道，槐糖脂還能刺激人真皮層纖維細胞的生長和膠原蛋白的重新合成，減少皮下脂肪儲存，因此，可以添加到抗衰老化妝品中[32]。

另外，槐糖脂在納米技術[33]、昂貴材料[34]方面也有相關應用報道。

4. 槐糖脂目前研究的重點

雖然槐糖脂具有諸多優點，特別是在環境污染生物治理方面具有極其重要的作用，但其成本居高不下，限制了其廣泛應用。目前有關研究主要是圍繞如何優化發酵條件和提高提取純化工藝手段、如何獲取廉價的發酵生產材料、如何運用生物技術手段（基因改造、基因重組、基因突變等）選育出高產菌株，以提高產量和降低成本而展開。

脂肪酸的羥基化是球擬酵母在合成槐糖脂過程中的關鍵步驟，該步驟耗氧較大，因此，在較高密度情況下發酵，溶解氧水平往往是制約菌體細胞生長和合成槐糖脂的重要因素[35]。通過調整發酵工藝可以有效提高菌體細胞外源的溶氧供給水平，如增加通氣量、加快攪拌速度、提高罐壓、提高發酵罐的徑高比等傳統措施，但這些對設備強度等要求較高，且二氧化碳分壓過高還會限制細胞的生長；另外，添加補料技術也是提高溶氧供給水平的重要工藝手段，且該技術對設備沒有特殊要求。

目前，見諸報道的可用于槐糖脂發酵生產的廉價底物有還原糖類、脂肪酸類、烴類、工業副產品及木質纖維素類等。Zhou等[36]以100g/L葡萄糖、10.5% 菜籽油（體積分數）和4g/L酵母粉為培養基，發酵8天，轉化率達到80%，槐糖脂的產量達到90～110g/L。Casas等[37]以葡萄糖和不同植物油為復合底物間歇培養C. bombicola，疏水性底物為葵花油時槐糖脂產量最高，達到11.0g/L，其次分別是橄欖油、玉米油、葡萄籽油和椰子油。Davila等[38]分別以C12、C14、C16、C18烷烴為單一碳源時，發現隨著碳原子數的增加、碳鏈的增長，則更有利于槐糖脂的合成，產量分別為 17.0、20.0、95.0和175.0 g/L，且C16和C18合成槐糖脂的效率更高。Kim等[39]提出以100 g/L葡萄糖和100 g/L大豆黑油為共底物，對C. bombicola進行流加培養，7天后得到90.0 g/L的槐糖脂。Konishi等[40]改進了玉米芯合成槐糖脂的工藝，降低了酸用量，獲得了43.8 g/L的產量。

通過基因重組手段，在槐糖脂生產菌株中導入氧的傳輸和利用基因以提高胞內氧氣利用率，是槐糖脂生產菌株基因重組的關鍵環節。透明顫菌血紅蛋白（VHb）在表面活性劑產生菌Gordonia amarae和銅綠假單胞菌重組菌株PaJC及畢赤酵母中的異源表達可明顯促進菌株對氧的利用率。

5 結束語

作為一種最具有發展前景的生物表面活性劑，槐糖脂雖然在日化、環境、食品、醫藥方面都有應用價值，但大都處于實驗階段，目前制約槐糖脂廣泛應用的主要瓶頸是其昂貴的價格，所以，今后有關研究的重點，將緊緊圍繞如何降低槐糖脂的成本而展開。其一是在生產菌株改造方面，通過誘變和基因改造，篩選出產量更高、遺傳性更穩定的高產菌株；其二是對發酵生產工藝進行更深層次的優化，尤其是分離純化階段的研究，開發出適合規模化生產的發酵工藝；其三是拓寬廉價原材料的范圍，進一步降低槐糖脂的生產成本；最后是對槐糖脂的結構、活性及其構效關系進行更深入的研究，為槐糖脂的開發應用創造更廣闊的前景。