“绿色”蛋白质表面活性剂及其研究进展.doc

1、“绿色”蛋白质表面活性剂及其研究进展（1.江西农业大学，教育部作物生理生态与遗传育种重点实验室，南昌 330045）摘 要：本文阐述了蛋白质表面活性剂（PBS）的概念，分类，合成，性能及应用。最后通过PBS诸多优良特性展望了其新的应用前景。关键词：蛋白质表面活性剂；分类；合成；性能；应用 “green” protein-based surfactants and its Research Progress Linjuan Ouyang1, Yangping Wen1, Chenyang Liu1, Haiwei Wang11. Key Laboratory of Crop Physiology

2、, Ecology and Genetic Breeding, Ministry of Education, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045,Abstract: The conception, classification, synthesis, properties, and application of protein-based surfactant (PBS) were elucidated in detail. Finally, the new application prospect of protein-based

3、 surfactant was viewed based on its merits of good properties.Key words: protein-based surfactants, classification, synthesis, properties, application1. 引言随着人们越来越关注各类产品的安全性、温和性和“绿色性”等要求的提高，研究并开发多功能、高质量、“绿色”新型表面活性剂已成为表面活性剂行业的主要发展方向1-4。传统表面活性剂虽然在生产和生活中的独特功效得以广泛应用, 但给环境也造成极大的危害。开发具有生物降解性和生物兼容性优良的新型表面活性

4、剂变得日趋迫切。高表面活性和生物降解性、多功能性及生物兼容性优良的“绿色”表面活性剂已成为新型表面活性剂技术进步的主要标志。发展这种表面活性剂的重要途径就是设计并模拟两亲分子结构，因此结构类似氨基酸、肽的表面活性剂正日益受到重视5-6。这种表面活性剂以蛋白质水解产物和脂肪酸为原料合成，是生物体组成部分，原料可再生，易生物降解且毒性低，因此被广泛应用于食品、医药、化妆品等行业，但仍以个人生活用品等传统应用领域为主3-5。目前较有影响的产品有美国的Hamposyl 、德国的Medialan、日本的Amisoft 等。国内在PBS的研究、开发和应用方面与国外相比还有很大的差距，对高质量规格产品的需求

5、仍靠进口，价格昂贵。因此很有必要在我国大力开展这方面的研究，开发适合我国国情的生产技术并扩大其应用范围，以满足国内日益扩大的市场需求。另外,随着生物技术和基因工程技术的不断发展及多种新工艺的产生与结合,不仅可以解决对环境的污染问题,同时还能降低能耗和原材料的消耗及成本,因此合成高生物兼容性和表面活性及降解性的PBS将具有广阔的发展和应用前景。2. 概念 PBS是指能显著改变（通常降低）液体表面张力或二相间界面张力的一类物质，是一种以生物物质为基础的，天然或可再生资源为原料的环境友好型(“绿色”)生物表面活性剂7-15。其分子结构是由具有亲水性部分和疏水性部分结构于一体的两性分子，亲水性部分称为

6、亲水基或疏油基，是由离子或极性基团组成；疏水性部分称为亲油基或憎水基，通常是由直链、支链或带芳香基的碳氢化合物组成。PBS可以在各种类型的界面上发生吸附，改变界面状态，从而实现或改善界面物理化学特性，形成的分子薄膜能够降低张力，从而实现润湿、乳化、增溶、分散、起泡等作用。3. 分类PBS主要分为氨基酸表面活性剂(AAS)和肽表面活性剂(PS)两大类，其中以AAS应用最为广泛1。3.1. 氨基酸表面活性剂 AAS主要由氨基酸及其衍生物与脂肪酸合成的新型环境友好型生物表面活性剂7-9。它具有良好的乳化性能和灭菌能力，同时对人体具有很好的生理协合性，因此在食品、医药和化妆品行业常用作乳化剂和消毒剂。

7、其性质随pH 的变化而变化，在碱性溶液中呈阴离子表面活性剂的性质,起泡性良好,去污力强；在酸性溶液中则显示阳离子表面活性剂的杀菌性。AAS按亲水基-氨基酸的不同以及结构的不同可分为两大类3-4,7-8：3.1.1 按氨基酸的不同分类 (1)根据分子中所含氨基和羧基的相对数目,氨基酸可分为中性、酸性和碱性,相应的AAS可分为:中性：十二烷基肌氨酸钠（SLS）、二(辛氨基乙基) 甘氨酸( TEGO)、 N-酰基-N-甲基-丙氨酸； 酸性：N-月桂酰谷氨酸(AGA)、N-酰基谷氨酸二酯、N-烷基天冬氨酸-烷基酯、碱性：N-椰子酰精氨酸乙酯(CAE)，N-酰基-L-赖氨酸和N-二甲基-N-酰基赖氨酸。

8、(2)根据氨基酸结构不同,及其溶于水时的离子类型不同可分为：阴离子型：AGA、SLS、N-酰基-N-甲基-丙氨酸；阳离子型：CAE；两性型：N-烷基天冬氨酸-烷基酯、N-酰基-L-赖氨酸和N-二甲基-N-酰基赖氨酸、TEGO；非离子型：N-酰基谷氨酸二酯、甘油单吡咯烷酮羧酸酯。 3.1.2 按结构的不同分类 第一类是脂肪类-氨基酸之间通过酰氨键相互连接而形成的AAS。主要有4 种结构：(a)线性同型低聚物；(b)带天然氨基酸的异型缩氨酸；(c)含有替代脂氨酸的异型缩氨酸；(d)类似于环肽的环状结构(图1)。 图1 第一类氨基酸型表面活性剂的结构第二类是指由-氨基酸与长脂肪酸链通过-氨基、-CO

9、OH 或支链基团(图2)相连接而形成的AAS。根据其不同连接形式也可分4种：直链或单链型(a)、双子/孪连型(b)、甘油酯结构类似型(d)、Bola两亲型(c)。图2 第二类氨基酸型表面活性剂的结构。脂肪酸或烷基卤化物分别通过氨基、羟基、巯基能合成相应的N-，O-，S-酰基和N-，O-，S-烷基衍生物。此外，氨基酸的羧基还可分别与烷基胺或脂肪醇缩合生成N-烷基氨基化合物及其酯类。当疏水部分通过氨基酸的侧链官能团引入时其合成的化合物与脂肪类-氨基酸类似。目前国内外主要研究和应用的就是这一类AAS。其中，N-酰基、O-酰基、N-烷基氨基酸及其酯类因其具有低毒性和高生物降解性备受广泛关注。含N-烷基

10、或酰基的AAS由氨基酸和脂肪酸反应制得，采用的氨基酸主要有肌氨酸、谷氨酸、丙氨酸、丝氨酸和亮氨酸等，其中以肌氨酸、谷氨酸和甘氨酸最为常用。采用的脂肪酸主要有月桂酸、油酸、椰子油酸、棕榈酸、油酸、硬脂肪酸、辛酸和葵酸等，其中以月桂酸和油酸最为常用。将结构不同的氨基酸和脂肪酸进行组配，即可合成结构和性能各异的AA S。3.2. 肽表面活性剂 PS主要由肽链或肽环及其衍生物与脂肪烃链组成的“绿色”生物表面活性剂7,11-14。它主要是一类由生物（主要是微生物）合成的具有独特表面活性和抗病毒生物活性的“绿色”生物表面活性剂，其中以环肽表面活性剂应用较为广泛。PS具有结构庞大、复杂，表面活性高，无毒或低

11、毒，能被生物降解，在极端苛刻条件下仍具有良好的选择性和专一性，生物兼容性。PS主要分为直链肽表面活性剂和环肽表面活性剂，其中直链肽表面活性剂又分为二肽、三肽和多肽表面活性剂。大多数多肽表面活性剂和环肽表面活性剂一般是革兰氏阳性的芽孢杆菌产生的代谢产物，代谢产物多为七肽。PS是由多个亲水的氨基酸组成的肽链和亲油的脂肪烃链两部分组成，由于其特殊的化学组成和生理功能及独特的两亲型分子结构，PS在医药、食品、化妆品及微生物采油等领域有着重要的应用前景，已成为研究开发的热点。目前发现的PS已有十多种，主要包括Surfactin、Iturin、Fengysin、 Lichenysin等。4.合成方法PBS

12、的合成目前主要采用四种方法3-5,7-34，化学法、酶法、化学-酶法、微生物发酵法，其中化学法是PBS合成的主要方法，尤其是合成AAS、二肽、三肽和部分多肽表面活性剂。酶法和化学-酶法仍处于研究阶段，微生物发酵法是合成大多数多肽或环肽表面活性剂的主要方法。4.1 化学法化学法始于1909 年S. Bondi合成N-酰基谷氨酸，进入20 世纪70 年代其研究工作最为活跃。化学法由于工艺流程和设备相对简单及原料易得，是目前国内外在工业上生产PBS的主要法。该法合成的主要是AAS（N-烷基氨基酸、N-酰基氨基酸及其盐类和氨基酸酯等）。合成N-烷基氨基酸的方法有丙烯酸甲酯法、丙烯腈法、丙烯酸法、-丙内

13、酯法等；合成N-酰基氨基酸及其盐类的工艺有脂肪酸酐与氨基酸盐的酰化反应工艺、脂肪腈水解酰化反应工艺、酰胺羰基化反应工艺、脂肪酰氯与氨基酸反应工艺及脂肪酸与氨基酸盐反应工艺等；合成氨基酸酯的方法有酸催化法、SOCl2 法、酯交换法、蛋白质醇解法以及碱催化酯化法等。其中使用最多的合成方法是肖顿-鲍曼缩合法和丙烯酸甲酯法3,23。肖顿-鲍曼工艺因较成熟是目前普遍采用的方法, 但成本较高,污染环境, 因此需要进一步改进已有工艺, 并研究其新工艺。4.2 酶法酶法始于20世纪80年代中期。最早由Novo-Nordisk等人提出将水解酶用于氨基酸的N-酰基化反应，他们选用Candida antarctic

14、a脂肪酶（Novozyme435）来催化脂肪酸与氨基之间的酰胺化反应。目前酶法在国内外仍处于研究阶段，还未见相关的工业化报道，国外在这方面研究较为广泛。但酶法作为清洁的生物技术，必将很好地推动PBS的快速发展，因此通过寻找合适的反应条件来提高产率的研究工作仍在不断地深入。 随着酶在非水介质中具有催化活性的发现，采用有机溶剂和无溶剂系统合成PBS已成为酶法的主流，其中无溶剂系统更备受广泛关注，其优势在于避免使用大量的有机溶剂，更加环保和经济，底物的转化率高，还避免了酶在有机溶剂中产生的惰性；底物溶解度差的问题。无溶剂系统特别适用于脂氨酸的合成，因为同时适合于亲水基和疏水基的溶剂很难找到。而在很多

15、情况下，疏水基在室温时呈液态或在酶活性最适温度下会熔化，这就为反应创造了所必需的液相。在酶法合成中，普遍采用的酶制剂主要有蛋白水解酶和脂肪酶两种，但研究表明，酶法应用于PBS的合成十分困难，其产率普遍较低，一般都在2 %19 %左右，所以选择合适的反应条件在一定程度上能提高产率，但仍不适于工业化生产。因此采用酶法合成PBS有待于进一步的深入研究。4.3 化学-酶法化学-酶法是上述两种方法的完美结合。该法不仅具有酶法的诸多优点，而且在一定程度上解决了酶法产率低的问题。Valivety 等25通过化学法引入苄氧羰基合成N-苄氧羰基-L-氨基酸以提高反应的混和性从而提高产率，他选用N-苄氧羰基-L-

16、丝氨酸作为底物，采用无溶剂系统、Novozyme435 作为酶催化剂的反应条件下制备3-O-豆蔻酰-L-丝氨酸，其反应总产率高达80%。双子或孪连型AAS的合成主要采用化学-酶法，虽然也存在成本高、对环境有一定污染等缺点, 但与前两种方法相比，它既缓解了化学法的环境污染问题，又在一定程度上解决了酶法的产率低的问题, 使AAS的生产工艺朝着绿色化学的方向发展, 因此当前它具有更为广阔的发展前景。4.4 微生物发酵法自然界中有很多微生物（酵母菌、真菌、细菌等）能通过代谢产生表面活性剂物质，主要有芽孢杆菌、节杆菌、分支杆菌和丁酸梭菌等。其中，研究的最多的是革兰氏阳性枯草芽孢杆菌，主要产生环肽和多肽表

17、面活性剂，代表性的有Surfactin和Iturin及fengycin families。这些脂肽有710个氨基酸的多肽链或肽环与-羟基或-胺基脂肪酸链组成，并且每种脂肽类都由不同的类似物和异构体组成。细菌代谢产生肽表面活性剂的过程中，培养条件（培养基的离子浓度、培养温度、营养底物以及生产发酵的工艺）对表面活性剂的产量有直接影响。又由于微生物产生的环脂肽为次级代谢产物，通常产量很低，同时微生物培养成本较高，即使环脂肽的应用有着明显的优势，但目前仍未大规模生产及应用。然而环脂肽合成酶及基因的研究，却有助于了解脂肽生物合成的机制，进而通过构建基因工程菌改进生产工艺、降低生产成本，在不久的将来可大规

18、模生产环肽表面活性剂用于医药工业、食品工业和植物保护等方面。4.5.其它方法我国古代用皂角提取液洗涤衣物；希腊用皂草提取液洗涤衣物，现在应用于食品、医药、化妆品等行业的一些PBS是从动植物体中分离提取出来的。分离提取相对较容易，天然含量丰富，简便易行、成本低廉。4. 特性 PBS与传统表面活性剂相比4, 7, 13, 21, 25, 35-37，具有以下优良特性：5.1. 表面活性 PBS具有优良的去污、抗钙、发泡、乳化和增溶等功能，与脂肪酸皂相比硬水稳定性好。如SLS是一种阴离子表面活性剂，在弱酸至中性PH范围内可以降低表面张力，在3.40810-3mol/L，25时的表面张力值（0.029

19、N/m）达到最低值，因此SLS作为一种良好的增溶剂。5.2.生物降解性许多文献已证实自然界中存在具有分解PBS的酶， 这种酶很容易把PBS酶解为脂肪酸和氨基酸，因此具有良好的生物降解性。AGA的生物降解比十二烷基苯磺酸钠(LAS)强，与十二烷基磺酸钠(SDS)分解程度相当。 N-酰基肌氨酸钠作为一种天然脂肪酸的衍生物在正常处理下能迅速降解，它用“rive die-away”法试验在没有预先的驯化作用下，3天内就被降解了。5.3.安全性PBS是一种温和的、低毒的、安全的而有效的生物表面活性。其对皮肤的刺激性极小，其低刺激性优于月桂酰牛磺酸盐和羟乙磺酸盐，毒性亦很低。AGA经对动物皮肤一次刺激性、

20、皮肤过敏性、光毒性，受伤皮肤一次刺激性，眼粘膜刺激性、疰疮形成性等试验，结果表明比SDS刺激性小。用不同的阴离子表面活性剂对比，做细胞毒性试验和一次眼刺激性试验，发现AAS对细胞生长的抑制作用最小，对眼睛的刺激性最温和，也作过人体斑点和皮肤湿疹患者临床试验，都没有发现异常。它对皮肤病患者，也能安全使用，吉田等人用鼹鼠测定NAA的LD50值，用白鼠进行了6个月的亚急性试验，又接着做了2年的慢性毒性试验，并用家兔做了粘膜刺激性，痤疮形成等试验，结果表明NAA比SDS刺激性更小，且未发现毒性和过敏性 。5.4.溶解性和抗硬水性脂肪酰基碳链长度不同和盐的种类不同，其溶解度有所不同。盐的种类相同时，酰基

21、碳链短的溶解度比酰基碳链长的好；酰基碳链相同时，以三乙醇胺盐溶解度最好，其次是钾盐、钠盐。SLS具有优越的水溶性，在高浓度的盐或碱中也不会盐析出来，其钙盐和镁盐比对应的碱土金属脂肪酸皂的溶解度高出1020倍。3的纯SLS水溶液在2.50l0 -4钙离子硬度时仍保持透明。5.5.配伍性PBS与非离子和阴离子表面活性剂有良好的配伍性；作为阴离子表面活性剂，它与阳离子表面活性剂（季铵盐）亦有良好的配伍性在该复配体系中，仍能保持阳离子表面活性剂的杀菌和柔软调理的特殊功能而不产生对抗性沉淀。5.6.抗菌能力PBS中的N-脂酰氨基酸对革兰氏阳性菌及部分丝状菌有抗菌作用，氨基酸酯类对革兰氏阴性菌及丝状葡萄球

22、菌显示出良好的抗菌能力。SLS的LD50为5.0gkg (小老鼠)，在浓度高至2.010-3 mol/L时对若干种鱼类仍无毒性，而相应于LAS和Kl2的毒性分别为l.0和4.010-5。SLS在酸性情况下有很好的抗菌和杀菌性，pH在4时，对绿脓杆菌有高的杀死活性；pH在5.8时，对金球菌和链球菌有良好的杀菌性。而在pH值大于7时，则没有抗微生物活性,而且还发现SLS有杀灭病毒的活性。综上所述，PBS不仅具有良好的表面活性，而且符合当前节约能源和保护环境的要求，也满足了人们对产品安全性和温和性不断提高的需求。6. 应用 ：PBS因为其独特的优良特性不仅被广泛应用于很多传统领域5, 7,13- 1

23、4, 21, 37-44，而且还开拓了一些应用的新领域。6.1在日用品中的应用洗涤剂是PBS的主要应用领域。在传统表面活性剂十二烷基醚硫酸盐中添加AAS，可以增加对毛发亲和力，从而具有保护头发的功能，不刺激皮肤和眼睛,特别适合皮肤敏感的人及婴儿使用，因此可制成液体皂、浴皂、美容皂和婴儿皂等。在干洗工艺中用加入AAS的CO2 液体代替传统的四氯乙烯溶剂具有更好的洗涤能力、低毒性和环保等优势，其中的N-月桂酰赖氨酸的洗涤能力最强。N-酰赖氨酸进行N位甲基化和N-烷基-丙氨酸的衍生物及N-十二烷基-亚氨基二丙酸都是很好的洗涤剂原料，有极好的去污能力和防腐杀菌作用。N-酰基氨基酸对皮肤和毛发作用温和，

24、有很高亲和力及润湿效果，因此是各种香波及化妆品的主要原料。可以用它配制洗发膏、洗发精、洗发乳，对皮肤无刺激、无毒、无损坏；它们也是洗面乳的原料，使洗面奶乳呈现弱酸性，具有良好的洗净力和起泡性，能增加皮肤光润；它们也是润肤霜和雪花膏的乳化稳定剂，其乳化能力比SDS和烷基苯磺酸钠强。如N-脂酰谷氨酸可作牙粉起泡剂用于牙膏、牙粉，有愉快的味道，气泡比普通牙粉强，也用于漱口剂中。N-酰基肌氨酸盐用于牙膏，在口腔内具有抑制葡萄糖变为乳酸的乳酸杆菌的作用。6.2在医学和制药中的应用PBS具有抗真菌、细菌、支原体和病毒的活性。如SLS对性传播病原体如疱疹病毒、艾滋病毒有较好的抑制作用；Surfactin对脂

25、包膜病毒，尤其是疱疹病毒、逆转录病毒具有较好的抗病毒活性。PBS有高生物安全性，使它成为合成药物和抗菌剂有效的替代品。在生物医药领域可作为助溶剂，提高维生素E的增溶性，有利人体吸收，减小对皮肤的刺激作用。在眼药水或眼膏中加入少量N-酰基氨基酸可提高其安全性和稳定性，增加其抗菌能力和舒适性。Surfactin的病毒灭活作用可以使它能够应用于增强生物技术的病毒安全性方面；而且由于Surfactin的异构体具有体内毒性低的优点，使得在制药工业中生产的药品用此类试剂后不再需要除去病毒灭活剂。Tego型表面活性剂就是目前广泛应用的强杀菌剂，其毒性低(约为苯酚的1/20)，对蛋白质和电解质比较稳定，对皮肤

26、刺激性小。因此，国外早已应用于外科手术、食品、病房和餐具杀菌消毒。6.3在环境工程中的应用PBS作为一种新型环境友好型生物表面活性剂具有易降解性和不污染性。为了消除土壤中有机物、重金属、农药、杀虫剂的污染，加入PS能够使污染物分散、增溶、乳化，进而提高生物可利用性，促使污染物尽快降解。PS在生物修复尤其是土壤修复中有很大的实用价值，已被认为是现代生物修复技术的一部分。PS在修复受石油污染和受多环芳香烃污染的土壤效果十分显著。在处理炼油厂废水时，若在活性污泥处理池中加人PS、能大大加快烷烃的生物降解过程。PS在油层中还能大大降低油水界面张力，使油类乳化，改变油层岩石的润湿性，以此达到驱油、提高石

27、油采收率的目的。脂肽-10和Surfactin能除去油污染土壤中的有机态铜和锌；工业废水中的Gr6+和Zn2+不同土壤中以及城市垃圾焚烧飞灰中的重金属取得了较好的效果。6.5在农业中的应用传统表面活性剂在农业中不易降解，部分残留在土壤中，影响土壤酸碱性，导致土壤肥效减弱，而PBS作为一种新型生物表面活性剂具有易降解性和不污染性，可用来制作农药乳化剂，调节土壤湿度。另外，在锄草剂、杀虫剂中使用PBS具有明显的增效作用。某些阴离子NAA处理大豆根瘤菌，可以提高其活性并增强固氮能力，在农药配制中，可以降低农药的毒性和刺激性，增加农药有效成分的活性。Surfactin和Lichenysin能溶解有毒的

28、有机化学物质如有机磷杀虫剂，增加其溶解性，同时加速农药的有效降解。6.5在食品工业中的应用PBS利用两亲型分子结构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，从而抑制其它微生物的增殖和生长。因此PBS可广泛用作食品保鲜剂、风味剂、乳化剂、添加剂等。PBS作为食品中的天然成分如色素、香味成分、生物活性成分及发酵产品被加入到高档咖啡、饮料、面包、肉制品等中。 PBS作为食品中的乳化剂已应用于色拉调味上。另外，PBS也是食品补充物的重要部分，提供人体所需的矿物质和维生素，一些由微生物产生的营养物和副产物，可以提高矿物质和维生素的利用率、吸收、使用效

29、果，同时还分泌一些人体所必须的生物活性物质。6.6在其它方面的应用PBS在涂料加工、金属焊接、纳米胶体的保护、涂料油墨制造和石油开采等领域中有也很好的应用效果。此外，N-脂酰氨基酸是防锈油的重要主组分，硬酯酰肌氨酸盐可作润滑脂的增稠剂、抗氧化剂和防锈剂。N-脂酰肌氨酸钙或钡盐可作柴油发动机的有效灭火剂。SLS 应用于制药和食品中脂溶性维生素E的快速增溶45，SLS被引入导电高分子聚（3,4-乙撑二氧噻吩）膜中，不仅可增加其单体在水溶液中的溶解性，还可形成微胶束降低其单体或阳离子自由基的起始氧化电位，同时，SLS掺入导电高分子-酶传感器除可增强聚合物膜与酶的生物兼容性和减弱有机材料的毒性外，还可

30、增强固定酶的生物活性和生物传感器的保存稳定性46。7. 展望随着PBS的合成工艺的改进和多种方法的结合，新的合成工艺生产的高表面活性、生物降解性、安全性和多功能性及生物兼容性优良的环境友好型PBS不仅可以更好的服务于传统领域和行业，满足日益扩大的市场需求，而且还可以合成各领域所需要的PBS或具有独特性能的PBS，扩宽其新的应用领域和行业。这种新型的PBS可应用于医药和食品企业的添加剂，或不容物质的增溶剂45，也可应用于有机材料在水中的增溶剂，同时降低其有机材料的毒性和增强其生物兼容性和生物活性，使它成为良好的生物材料更好地应用于各个领域，另外，PBS还可应用于生物传感器的掺杂剂，增强生物分子在

31、有机膜上的生物兼容性、生物活性、亲和力、稳定性和寿命46。而且含PBS的生物传感器将为农业应用开辟新的道路。PBS具有的高“绿色”性，安全性，降解性和低毒性及可再生性等优良特性将在未来的农业中，尤其是在农药的开发和应用中有很好的前景47-49。参考文献1. Kosaric N, Biosurfactants: production, properties, applications M, 1993,48, Marcel Dekker, NewYork2. Desai J D, Banat I M. Microbial production of surfactants and their co

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