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鼠李糖脂—应用技术最为成熟的一种生物表面活性剂

来源:中国洗涤用品工业协会 浏览 131 次 发布时间:2022-09-09

鼠李糖脂是由假单胞菌或伯克氏菌类产生的一种生物代谢性质的生物表面活性剂。同时也是一种研究时间最长、应用技术最为成熟的一种生物表面活性剂。它在土壤、水体和植物中都自然存在。它属于一种糖脂类的阴离子表面活性剂。

它们是假单孢菌在以正构烷烃为唯一碳源的培养基时,得到的一种表面活性剂。如果假单孢菌在果糖或葡萄糖中生长,只能得到少量产物。一旦有鼠李糖脂生成,将有助于培养基中基质烃的乳化,从而可刺激菌体生长,加速产物的生成。

鼠李糖脂的结构多达几十种,一般在学术界经常看到双鼠李糖脂和单鼠李糖脂的表述。

理化性能

(1)鼠李糖脂的分子量通常在476~766g/mol之间。

(2)临界胶束浓度在20~200mg/L。

(3)鼠李糖脂的HLB值还没相关报道,按通常的计算方法,通过对官能影响的分析计算,它的HLB值在10~15之间。

(4)能使水的表面张力从72mN/m降低到30mN/m,油水界面张力从43 mN/m降到1mN/m。

(5)耐温性:在90℃的高温下仍可保持其表面活性。

(6)耐盐性:10%的盐溶液中仍不沉降或析出,而化学合成表面活性剂在2~3%的盐溶液中就会失活。

(7)可生化降解性:在水体或土壤生物环境中都易于降解。

(8)低毒或无毒,对环境友好。

鼠李糖脂是由微生物产生的阴离子生物表面活性剂,它们不仅溶于甲醇、氯仿和乙醚,在碱性水溶液中也表现出良好的溶解特性。它兼具良好的化学和生物特性。具有油、水两亲性,可以降低水表面张力,可以作为润湿剂、乳化剂和发泡剂使用,鼠李糖脂生物表面活性剂可以在温度、pH值及盐度处于极端状况下使用,并且无毒,可以生物降解。

为探究鼠李糖脂用作生物表面活性剂的潜力,华南理工大学食品与工程学院罗志刚以铜绿假单胞菌1.104 52发酵生产的鼠李糖脂为研究对象,利用高效液相色谱-质谱联用法(HPLC-MS)进行成分鉴定,并测定其临界胶束浓度(CMC)、乳化性、起泡性及抗菌活性。成分分析结果表明,该鼠李糖脂主要由9种同系物组成,且以双鼠李糖脂为主要成分。鼠李糖脂的临界胶束浓度为80 mg/L,其表面活性优于十二烷基硫酸钠(SDS)。与对照组相比,鼠李糖脂对大豆油(乳化指数为63.75%,余同)、液体石蜡(65.69%)和正己烷(52.54%)均表现出较好的乳化性。鼠李糖脂的起泡性和泡沫稳定性在纯水中与SDS接近,且在硬水中显著优于SDS。此外,鼠李糖脂在不同温度(-20~121℃)、氯化钠质量浓度(~25 g/L)及pH值(6~13)条件下均能够保持较好的表面活性和乳化能力。抑菌圈实验结果表明,鼠李糖脂对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌具有较强的抑菌活性。

对鼠李糖脂做为表面活性剂的性能,已经发表的文献及大量采油工程的应用表明,它有很好的可以替代或部分替代化学表面活性剂的功能。

目前它比较广泛的应用于石油工业、绿色农业和生态环境方面,此外在食品行业、化妆品、医疗方面也有较大的应用潜力。


在石油领域的应用

鼠李糖脂作为一种生物表面活性剂,具有降低油水界面张力的作用,运用于初次采油和二次采油之后的三采技术,主要作用原理有以下几种:

(1)作为牺牲剂使用,减少昂贵驱油剂的用量或在地层中的损耗,和其它驱油剂复配后具有驱油效果好、见效时间长的优点,但鼠李糖脂的加入有效的减少了驱油剂的用量,大大降低了成本。

(2)生物表面活性剂具有典型的生物活性,可以激活地层本源微生物,起到协同采油的作用,在油田的矿场试验水样中发现:注后半年较注前油井水样中细菌含量提高了2-3个数量级。

(3)作为一种活性剂使用,鼠李糖脂本身就是一种表面活性剂,可以降低油水界面张力,复配后驱油剂油水界面张力可达到10-3mN/m的水平,从而提高原油驱替效率。


农业领域应用

已有大量研究及实际应用证实,鼠李糖脂可以用在农作物、蔬菜、水果、花卉上用于刺激生长、辅助吸收营养、增加农药及肥料作用效果等,并经证实对人及动物无毒副作用。鼠李糖脂生物表面活性剂可作为润湿剂应用于叶面肥的生产上。

鼠李糖脂生物表活剂具备将部分微量元素螯合的功能,在弱碱性环境下电离出的羧基可固定根系周围的微量元素,降低微量元素在土壤中快速散失的可能性,保证了肥料的长效性。

对碱性土壤环境改善可以起到有效作用,是碱性土壤改性良好的添加剂。利用Rh在碱性条件下,电离出Rh-与H+的性能,与碱性土壤中的OH-中和改善土壤的碱性,从而改变土壤板结环境条件。

因为鼠李糖脂有润湿剂的作用及良好的表面活性,可应用到农药上起润湿、铺展及渗透作用。另外,对于一些农药残留,鼠李糖脂具有可将其降解的能力。

此外,鼠李糖脂具有良好的抑制真菌的作用(已发表过的文献中多次提到),用于农作物拌种和抑制真菌、霉菌的实验,已被证实。

国外对鼠李糖脂在农业方面的应用比较常见,美国纽约州环保局通过了生物药含鼠李糖脂的注册检测。(EPA,注册号72431-1)


环境领域应用

鼠李糖脂可用于处理多环芳烃PAHs(如:应用于墨西哥湾漏油事故中释放出来的多环芳香族碳氢化合物),用于处理水体中难生物降解COD,处理重金属污染等。鼠李糖脂可以修复人类所造成的环境污染,包括土壤、水、海岸线及海底中的油、金属或其他污染物。

鼠李糖脂具有一定的金属螯合能力(“Stability Constants for the Complexation of Various Metals with a Rhamnolipid Biosurfactant”,它作为螯合剂可以替代EDTA,用来清除土壤、污水及其他液体的重金属污染物。还可用作采用植物方法吸收土壤重金属离子的方式处理土壤,是植物技术原位处理被重金属污染土壤的良好方法。

针对杀虫剂或剧毒农药造成的土壤或水污染,鼠李糖脂和其生产菌铜绿假单胞菌有修复的功效,根据资料显示,鼠李糖脂能够促进铜绿假单胞杆菌降解硫丹,从而修复剧毒污染的土壤或水体。

鼠李糖脂作为生物表面活性剂具有无毒、两亲等性质,并随浓度升高至临界浓度时会对多环芳烃产生明显的增容作用。可以洗脱多氯联苯,并改变多氯联苯的HLB,使其容易被假单胞杆菌吸收降解。


食品领域的应用

目前鼠李糖脂在食品方面多用作增大烘焙体积的膨大剂和调味剂,其食用安全性已通过了美国环保署(EPA)的食用安全认证。


日化领域的应用

鼠李糖脂除了具备良好的表面活性外,还具备良好的细胞通透性,其来源于生物,具有良好的无毒害可降解特性。这些特点使其可广泛应用于各种日化产品中。

化妆品工业使用大量的表面活性剂,它们几乎在每种产品中都存在。

鼠李糖脂是天然的产物,在润肤霜,洗发水,肥皂,和上面列出的大多数化妆品中,将取代石油来源的表面活性剂和乳化剂,如SLS,SDS或NADS。

鼠李糖脂可以通过分散和润湿性能来使物质扩散。以帮助保留水分、润滑、产生泡沫、作为一种清洗剂。它可以保持混合物的体系稳定,控制产品的粘度,还可以乳化毛孔中的油脂,减少痤疮的发生。


在医药领域的应用

鼠李糖脂可用于处理皮肤灼伤及部分皮肤病,还可作为一种基础药物,相关研究及临床依据来源于克罗地亚和美国。

上世纪90年代,南斯拉夫学院研究人员在偶然的机会发现了鼠李糖脂和铜绿假单胞菌对皮肤灼伤有良好的治愈效果。