2019年鼠李糖脂的表面化学和生物合成及其应用展望1

1、鼠李糖脂的表面化学和生物合成及其应用展望摘要鼠李糖脂是生物表面活性剂中一类非常重要且应用广泛的微生物发酵产 物，目前在重金属修复、生物堆肥、抑菌、生物采油等多方面需求量越来越多。 本综述介绍了鼠李糖脂的化学结构、性质、生物合成方法及在多个领域中的应 用，特别对其在油田中的广泛应用作了展望。关键词 生物表面活性剂 鼠李糖脂 生物合成 应用展望0引言素有“工业味精”之称的表面活性剂以其独特的作用在化学工业及生物技术 方面占有一席之地，而且随着科技的发展与应用领域的开拓其需求量不断增大。 由于资源的有限和合成过程中造成的环境污染问题，化学表面活性剂的缺点在 日益显露。而生物合成的表面活性剂则以它独特

2、的结构、环境无毒、可生物降 解等优点吸引人们的注意力。目前国内外研究较多的是铜绿假单胞菌分泌的鼠 李糖脂生物表面活性剂，假单胞菌属普遍存在于土壤、水体、植物等自然界中， 在特定的条件下它可用于生产鼠李糖脂类化合物，与化学合成的表面活性剂相 比，鼠李糖脂不仅具有增溶、乳化、破乳、消泡、洗涤、分散与絮凝、抗静电 和润滑、降低表/界面张力等多种功能，而且毒性小、可生物降解，因而在石 油工业、食品工业、生物医疗、环境工程等许多领域具有广阔的应用潜力，尤 其是不仅可以缓解环境污染的压力还可以提尤高采油率，因此对原油降解和三 次采油具有极其重要的作用。1鼠李糖脂的结构和性质1.1 鼠李糖脂的结构将铜绿假单

3、胞菌（Pseudomonas aerugino$ai种于一定配比的发酵液中，以烷 姓:类、糖类、油脂类等物质为碳源，在 3037C , pH 6.07.5的环境中培养， 一般可以得到四种主要的鼠李糖脂1,图1为鼠李糖脂的化学结构通式，其亲水 基团一般由12分子的鼠李糖构成，憎水基团则由12分子具有不同碳链长度 的饱和或不饱和脂肪酸构成。在生物合成过程中，这些基团之间可能相互链接而生成多种化学结构相近的同系物。研究表明1,发酵产物中一般含有4种主要 的鼠李糖脂，它们分别是 RLl(Rha2c10C10), RL2 (RhaCi0 C10), RL3 (Rha2c10)和 RL4(RhaCi0)(

4、如表1所示)。其中，Rha2Ci0Ci0的化学名为2-O-aL-叱喃鼠李糖甘-a 一L一叱喃鼠李糖甘-代羟基癸酰-8羟基癸酸，又称双鼠李糖脂；RhaCi0Ci0为aL 一叱喃鼠李糖甘-口羟基癸酰-羟基癸酸，又称单鼠李糖脂。表i鼠李糖脂的四种主要结构*李精脂的类型WR 名教曲1iJCrihnnapfnnMyl6桂菖於 IttRUHWhAII6桂普克股RL2Kh啊 C mrhamnopyrwOByl H R13时5HHKM1.2 鼠李糖脂的性质鼠李糖脂是一种阴离子表面活性剂，和其他表面活性剂一样，分子的两亲性 使其在溶液表面(或油、水界面)定向排列成单分子膜，这种定向吸附的特性， 使它具有很多特有

5、的表面活性，如：能显著降低水的表面张力，改变固体表面 的润湿性，具有乳化、破乳、消泡、洗涤分散与絮凝、抗静电和润滑等多种特 性，而这些表面活性依据于鼠李糖脂的常见性质和生物特性。1.2.1 鼠李糖脂的常见性质鼠李糖脂的一般物理性质见表2所示表2鼠李糖脂的常见性质2项目性质外观 气味 比重 沸点PH 水溶性 可溶性 挥发性 稳定性 降解性无色或浅黄色半固体状淡辛辣气味1. 06100 c4. 0-4. 3(0. 1%), 3. 43. 7(1 . 0%)(水溶液中)0. 1%水，大部分醇 不挥发室温稳定，C稳定至少lh ,极限pH稳定(昔键)易生物降解(OECD 301D, 209,和202)1

6、.2.2 鼠李糖脂的生物学特性1.2.2.1 天然性鼠李糖脂被看作是天然的环保产品，是因为他们是由铜绿假单胞菌发酵而成，不涉及化学合成等方式，且鼠李糖脂具有非致癌性，目前 FDA EPA EU/ 权威机构尚无证据说明鼠李糖脂具有致癌性。1.2.2.2 生物降解性鼠李糖脂是由鼠李糖环和脂肪酸组成的，鼠李糖是FDA比准的用于香料的一种食品添加剂，脂肪酸是动植物中常见的代谢产物，这两种物质都是具有生物 降解性的，因此鼠李糖脂被认为是环境友好型产品。1.2.2.3 非基因修饰或非基因工程3鼠李糖脂生产过程未使用任何基因修饰或基因工程材料。研究控制鼠李糖脂产量的基因是必要的，但欧盟等政府机构是禁止此种改

7、造后的材料作为原料。1.3 鼠李糖脂作为生物表面活性剂的优势与化学表面活性剂相比，作为生物表面活性剂的鼠李糖脂具有明显的优势， 具体见表3表3化学表面活性剂与生物表面活性剂优缺点对比比较项目化学合成表面活性剂生物表回活性剂来源石油化工产品天然产物价格昂贵天然产物对环境耐受能力/、耐高温与极端PH可耐高温与极端PH是否具有生物降解性否是是否增加水溶性否是是否增加脂类的生物利用率否是是否可以调节微生物吸附能力否是2鼠李糖脂的生物合成途径在图2所示的合成路径中，鼠李糖脂的生产依赖于中心代谢途径，主要包括 一羟基脂肪酸（HAAs）的合成和脱氧胸甘二磷酸（dTDP）激活的糖类合成。其中腺 甘二磷酸鼠李糖

8、（dTDP-L-鼠李糖）作为糖基的供体，L-鼠李糖甘-B-羟基癸酰 -B -羟基癸酸和B -羟基癸酰-B -羟基癸酸分别作为糖基的受体。HOoOdTDP-L-Rhamn o scCW3C1Lj-MyclroKy dc a nay l-产-hyd roxydecauiDyl -S-CoAL-Rfiamn asyQyt-fiydrgxydwanoaieL- R tiamn or yI - L.lh am 11 osyl-J-h ydroxydec an-hydroKydecan4a.1eHO CHCHj C O CHf HaCO S- CoAItl I'(CHz)rt OCH J.图2鼠李

9、糖脂的生物合成路径3鼠李糖脂的生物制备方法3.1 微生物发酵制备鼠李糖脂用假单胞菌利用糠油作为碳源、经发酵后得到鼠李糖脂。3.2 铜绿假单胞菌的诱变育种利用UV诱变法和UV+LiCl诱变法对菌株的诱变育种得到最优鼠李糖脂。3.3 预处理酸沉淀冷冻干燥法提取鼠李糖脂RL发酵液通过离心、硫酸俊沉淀和冰盐水（NaC1溶液）稀释破乳去除发酵液 中的细菌、蛋白类物质及残油.将经过预处理的上清液酸化，再进行离心并收 集沉淀；将收集到的淡黄色沉淀物冷冻干燥即得到 RL样品.目前国内外多采用微生物发酵制备 rl4,主要由铜绿假单胞菌发酵而成（鼠 李糖脂的产量最高），铜绿假单胞菌是一种单细胞杆菌属于革兰氏阴性菌

10、，其对 人和动物具有致病性的，因此产生的鼠李糖脂需经过灭菌处理，而且研究发现 了控制鼠李糖脂代谢与转运的相关基因，这将大大加速鼠李糖脂的工业化道路 5;而诱变育种的成本过于高昂，不能用于工业生产，因而影响其优良的生产应 用；国外文献报道，酸沉淀法提取 RL对环境无害，但未公布详细的工艺步骤和 参数，国内尚未有用酸沉淀法提取RL成功的报道64鼠李糖脂的应用4.1 重金属土壤修复重金属污染来源广泛、污染性强且是一种难以控制的污染。在采矿业、金属 加工业、冶炼化工业等工业领域，重金属会随着工业三废的排放而进入到自然 环境中。在农业领域，农业灌溉、化肥农药的使用也会使重金属进人土壤。进 入土壤的重金属

11、不能被微生物分解而在土壤中长期积累，有些被农作物吸收后 最终通过食物链作用进人人体，因而土壤中的重金属是人们优先考虑去除的污 染物。目前，用于修复重金属污染的表面活性剂主要是生物表面活性剂。徐卫华 7 等通过铜绿假单胞菌在Cr(VI)还原中的应用研究发现，pH=7.0时还原率最高可达 61.71%。研究证实，还原Cr(VI)主要是菌种体内的溶解性酶起作用， 细胞膜部分 几乎无还原作用。石福贵8通过进行土壤重金属的活化试验表明， 鼠李糖脂对土 壤中Cu> Zn、P麻口Cd勺解吸能强于皂角甘、吐温80、环糊精等化学表面活性剂。 土壤中共同加入鼠李糖脂和EDDS,增强了土壤重金属的活化和释放。

12、鼠李糖 脂与EDD复合处理，对土壤中Cu> Zn、PbffiCcE种重金属的解吸具有一定的协 同作用。其修复原理为鼠李糖脂首先吸附在土壤与重金属结合物的表面上，并与重金属络合，然后通过降低表面张力来改变土壤和重金属结合物表面性质，从而削 弱了重金属离子与土壤之间的粘附性，促进了金属离子与土壤的分离，随着淋 洗液的不断冲洗，络合物脱离土壤并与鼠李糖脂溶液中的胶束结合，金属即从 土壤中去除。4.2 抗菌性鼠李糖脂区别于化学合成表面活性剂的另一重要特性是具有较强的抑菌活 性，并能在多方面加以运用。4.2.1 控制作物病虫害的生物活性可用于特定病虫害的生物防治。Stanghellini网等发现，

13、铜绿假单胞菌代谢的鼠李糖脂生物表面活性剂可作为杀菌剂使用，浓度达到5-30g/mL时可破坏辣椒疫霉和瓜果腐霉游动抱子的细胞 质膜，而使其致死。Makkar10等通过研究发现，鼠李糖脂在质量分数为1%时即 能很好地控制马铃薯x病毒病和粘性烟草叶部的烟草花叶病毒病。4.2.2 抑制藻细胞生长的特性目前，赤潮严重，鼠李糖脂是抑藻的新思路，能够生物降解抑藻且筛选高 效、选择性好。当鼠李糖脂达到一定浓度时，可以有效抑制海洋硅藻的生长， 其抑藻作用又因硅藻种属的不同而异。海洋硅藻的各种多不饱和脂肪酸的含量 越低，鼠李糖脂对其生长的抑制作用越明显。对分属不同门类多种海洋微藻的 脂肪酸组成与鼠李糖脂抑藻作用强

14、弱的关系分析，进一步证实了海洋微藻生物 膜脂类结构的不同是鼠李糖脂抑藻作用具有选择性的主要原因。4.2.3 保鲜作用11鼠李糖脂保鲜剂是在4.5%的鼠李糖脂水溶液中分别加入0.2 %抗氧剂2, 6 二叔丁基对甲酚、0.5 %左右的杀菌剂山梨酸钾等复配成的涂膜浓缩液。水果保 鲜处理前，将两种保鲜剂用自来水以1: 3或1: 5稀释后使用。涂膜保鲜剂对苹 果、梨和产柑的保鲜具有较好的效果。腐烂率、干耗率和呼吸速率均降低，贮 藏期延长，且能保持较好的硬度，营养成份的损失也减少，原有风味基本不变。 4.3生物堆肥堆肥能在微生物作用下通过高温发酵使垃圾中的病原菌无害化、有机物腐殖化和稳定化，是处理各种有机

15、固体废弃物的有效途径。鼠李糖脂在生物堆肥中 通过与木质素降解菌的协同作用，强化酶活，提高降解率。莫丹 12等呷以稻草 为底物，对比了添加Tween8侨口鼠李糖脂对酶解过程的糖产率、酶稳定性以及对 酶动力学特征的影响。结果表明，鼠李糖脂不仅能够明显提高最大反应速度并 使米氏常数变大，而且显著地降低了纤维素酶在纤维素上的吸附。王仁佑 13等 证明鼠李糖脂对酶活性的影响与鼠李糖脂的浓度、投加形式、菌种及酶的种类 有关。对于鼠李糖脂的促进机理，普遍认为鼠李糖脂增强了细胞膜的通透性， 导致细胞释放更多的酶用于降解。鼠李糖脂能显著降低物质的界面张力和表面张力，其疏水端与有机分子结 合，亲水端与垃圾的孔际水

16、结合，使水在垃圾颗粒周围形成稳定的液膜，为微生物提供了良好的表面环境。鼠李糖脂对有机物如石油烧，有机农药，特别是难降解的多环芳烧，如菲、蔡、在、方等的降解非常有效，它能改变这类有机物在固相、液相中的分配，增大微生物与有机物的接触面积，促使农药从土壤 吸附态中解吸，提高了有害物质的运输能力。堆肥中的固态有机物质的存在， 刺激了微生物的繁殖，使多环芳煌得以顺利降解。为达到快速腐熟，应充分利 用鼠李糖脂作为生物表面活性剂的特点，使铜绿假单胞菌 （同时还有其它一些菌 群）大量繁殖，提高微生物对垃圾的降解速率；同时也可以在堆制过程中加入鼠 李糖脂发酵液，刺激该表面活性剂的生产。4.4生物采油表面活性剂溶

17、于水后使水的表面张力显著降低，既亲油又亲水的原活剂分子 吸附于油水界面并定向排列，形成胶束。胶束的结构、性质与含酶球状蛋白根 相似。在水溶液反应中起重要作用的分子间力是氢键、静电相互作用、电荷移 动相互作用、疏水键等。胶束的疏水键和电荷相互作用是特别重要的。这些相 互作用使反应基质浓度变高，碰撞频率增大，迁移状态稳定化，于是反应加速。 在配制低界面张力生物表面活性剂驱油体系时，所用的生物表活剂必需具有适 当长度的碳氢链和较高HLE3S,反离子供体的性质和浓度应恰当选择，以充分发 挥静电相互作用和疏水键的作用，使生物表活剂和外加反离子供体在溶液中产 生有效的“协同效应”。协同效应使油在水中被增溶

18、-界面张力急剧降低。根据 协同效应原理配制的低界面张力鼠李糖脂驱油体系，界面张力稳定地达到 2M0rmN/m,在室内岩心驱瞽试验中驱油率比水驱高出 25%。5鼠李糖脂在油田中的多种展望油层中只有40%勺原油可通过水驱法来获得，剩余油一般是重油存在于地层 的缝隙或裂缝中，采油化学类的EORf法降低石油与地层的粘度及石油与气，水 的表面张力比较困难。且这类产品的生物活性物质可以大大加速剩余原油的收 集。鼠李糖脂作为表面活性剂比其他化学产品价格低、环境友好且更高效，在 美国能源部（DOE三年的研究中发现，填砂模型试验中，42%勺剩余油只需250mg/L勺鼠李糖脂即可轻松清洗下来。它是随着现代生物工程

19、的发展，在75代起步研制的。它一方面具有化学表面活性剂的共性，另一方面又有稳定性好、 抗盐性较强、受温度影响小、能被生物降解、无毒、成本低等优点。生物表面活性剂用于提高原油采收率的研究，已引起广泛注意。它的技术优势为：（1）可以驱出40%勺剩余油；（2）比化学合成的表面活性剂效果好；（3）纯天然、安 全环保、无毒性物质残留；（4）与合成类和其他EO秋术相比更具经济性；（5） 最低的用量和最优的价格；（6）最低的油井设备、材料运输和储备价格。5.1 处理原油污水中的应用展望石油开采过程中钻井废水中石油姓:类的溢出和排放已成为一项主要石油污 染源。主要成分包括烧烧、环烧烂、芳香烂和非烂化合物，严重

20、威胁着人类的 健康和生存环境。原油污水的处理方法有：物理方法、化学方法及生物方法。 相较其他两种方法，生物技术处理石油污染物，已成为一种经济效益和环境效 益俱佳的手段。由于石油烂自然降解的过程较慢，生物法处理原油时，微生物 可能被油黏附并包裹，限制了微生物的呼吸、新陈代谢及生长繁殖，造成处理 效果下降，有时还会出现污泥上浮、微生物的大量死亡等现象，严重影响污水 处理系统的正常运行。研究表明，表面活性剂可以促进石油姓:的乳化， 提高石油姓:在水中溶解度及 生物可利用性。但化学表面活性剂本身具有毒性且难于降解，因而会引入二次 污染。生物表面活性剂不仅具有同化学表面活性剂相当的表面活性和乳化性能，

21、而且具有低毒和易于生物降解等独特优点，另外，许多烂类降解菌可原位合成 生物表面活性剂，这使其在石油姓:污染场地的生物治理方面具有广阔的应用前 景。鼠李糖脂作为一种表面活性和乳化性能强的生物表面活性剂，具备亲水亲 油、降低界面和表面张力等物理化学特性，能够促进微生物对难溶性底物的摄 取，被广泛地用于生物清洗和生物降解，其中最主要被用于废油污染的治理， 以其操作简单、费用低、无二次污染等优势成为治理石油烂类污染物的主要方 法。在水体系中，微生物主要在油-水界面活动，油的分散程度直接影响微生物 能接触到的石油烂的表面积，油一水界面面积的增加，不仅使石油烧更易到达 微生物，而且进入水体的乳化液滴使氧和

22、营养物更易被微生物获得，从而促进微生物对石油烂的降解作用，提高生物利用率。5.2 在驱油（三次采油）应用中的展望近年来，由于开采难度的加大，传统的采油方法已无法采出更多的原油，因 此，微生物采油技术应运而生。目前鼠李糖脂因其良好的乳化及表面活性，得 到了广泛的研究。黄梅14将鼠李糖脂生物表面活性剂与磺酸盐类表面活性剂复 配驱油，结果注入化学剂的成本降低 30%以上，而且体系与原油之间仍能达到 10-3mNZmg低界面张力值，中心井区提高采收率23.24%,全区提高采收率16.64 %。TayebZ15等详细地研究了一株从伊朗南部采油区分离得到的铜绿假单 胞菌，其能将表面张力降至28m# m正十

23、六烷白WL化指数（E24）能达到70%。 岩芯模拟实验证明可提高残余油采收率27.1 %。据资料报道，一次和二次采油后，原油的平均采收率只能达3035%。也就是说，在原始地层中还有65%70%的残余油未得到开采。其中最主要的一个 原因是由于油藏岩打孔隙存在有粘滞力和毛管力，使得残余原油以不连续的油 块和油珠被圈捕在油藏岩石孔隙中。生物表面活性剂溶液油就是针对上述问题， 通过选择具有适当碳氢链长度和较高 HLBS的活性剂，在配制过程中，选择好反 离子的性质和浓度，使溶液中的表面活性剂和反离子产生最佳的协同效应，从 而获得低界面张力的生物表面活性剂溶液，达到临界胶束浓度时，与地层中的残 余油会产生

24、增溶、乳化及互溶，这样就可以较为理想地把油驱替出来。6结语根据多个实验，对筛选出的铜绿假单胞菌株鼠李糖脂生物表面活性剂良好的 表/界面活性和乳化性能。目前生物表面活性剂的成本比化学表面活性剂的成 本高36倍，所以，未来生物表面活性剂的广泛应用主要受到其生产成本的限 制。一般地，应用于石油工业的生物表面活性剂可以直接使用菌体发酵液或者 除菌后的上清液，而用于食品和医药等行业的生物表面活性剂则对产品的纯度 要求较高。这也就不难解释为什么生物表面活性剂在降油和采油等石油工程应 用较为广泛，而在其它行业的应用则受到一定限制。决定生产成本的主要因素有底物原料、发酵工艺和下游回收方法等，设计高生产力的发酵

25、工艺和经济有 效的回收方法是今后的主要工作。从新产品角度来看，利用生物表面活性剂的 特殊性，开发出它的二次产品，用于化妆品、食品、制药等行业，可以在很大 程度上抵消生物表面活性剂的高成本。若生物表面活性剂的价格能达到消费者 可以接受的水平，其应用前景将十分广阔。参考文献1吴虹，汪薇，韩双艳.鼠李糖脂生物表面活性剂的研究进展J.微生物学通报.2007 年 34(1).2陈桂秋，曾光明，黄国和，等.鼠李糖脂的表面化学和生物合成及其在垃圾堆肥中的应用展望J.生物工程杂志.2005 : 12513.3微生物表面活性剂在工业、农业、医药卫生和环境保护中的应用.生物技术通报，2002年第3期.4李祖义，李江云，徐国良，等.微生物发酵制备鼠李糖最佳条件的研究J.微 生物工程学报.1999年.5鼠李糖脂导读.6马满英，施周，刘有势，等.预处理酸沉淀冷冻干燥法提取鼠李糖脂新工艺J.自然科学报.2008, 01.7徐卫华，刘云国，汤春芳，等.铜绿假单胞菌在Cr(VI)还原中应用的研究J .环境科学与技术，2005, 28(1) : 1-38石福贵.鼠李糖脂与EDDSt黑麦草修复重金属复合污染土壤的影响J.农业环境科学学报，2009, 28(9) : l8l8-18239 Stanghellini M E, Mille