文 献 综 述

1.1前言

生物表面活性剂是利用酶或微生物等通过生物催化和生物合成等生物技术从微生物、植物和动物上得到的集亲水和憎水基结构于一体的具有高表面活性的天然表面活性剂^[1]，其结构多样，包括糖脂、脂肽、脂蛋白、磷脂以及中性类脂衍生物等。同一般化学表面活性剂相比，生物表面活性剂除具有显著降低表面张力、稳定乳状液、较低临界胶束浓度等特点外^[2] , 还无毒或低毒; 良好的选择性、专一性及生物相容性; 结构多样性; 具有抗菌、抗病毒及抗肿瘤等药理作用和免疫功能；可生物降解, 对环境友好;可由工业废料生产, 利于环境治理等特性^[3-4]。所以，其在医药、化妆品、洗涤剂和食品等工业方面具有潜在的应用价值，并且在难降解有机化合物如PAH、PCBs、石油烃的修复中，也具有重要作用^[5-8]。鼠李糖脂是生物表面活性剂中研究比较深入的一类，属于糖脂类，是一种非离子型生物表面活性剂，不仅具有降低油水界面/界面张力、乳化、增溶和改变分子极性等功能，而且其毒性小、易于生物降解。目前，限制鼠李糖脂在工业上广泛应用的主要因素是其较低的产量和过高的生产成本，而选育表面活性剂高产菌并且寻找价格低廉、来源广泛的原料作为微生物发酵生产鼠李糖脂的培养基，成为人们越来越关注的课题。

1.2鼠李糖脂化学性质

鼠李糖脂是由亲水基和疏水基组成，亲水基由1-2分子鼠李糖环构成，疏水基由1-2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。图1是鼠李糖脂化学结构通式。

图1 鼠李糖脂的化学结构通式^[9]

研究表明，发酵产物中一般含有4种主要的鼠李糖脂，它们分别是 RL1(Rha₂C_l0C_l0)，RL2 (RhaC_l0 C_l0)，RL3 (Rha₂C_l0)和 RL4(RhaC₁₀)其中，Rha₂C_l0C_l0化学名为2-0-α-L-吡喃鼠李糖苷 -β-羟基癸酰 -β-羟基癸酸，又称双鼠李糖脂；RhaC_l0 C_l0为α-L-吡喃鼠李糖苷-β-羟基癸酰 -β-羟基癸酸，又称单鼠李糖脂。单鼠李糖脂只含有一个鼠李糖环，化学式为C₂₆H₂₈O_9，双鼠李糖脂含两个鼠李糖环，化学式为C₃₂H₅₈0_13。

1.3.制备方法

一般采用发酵法生产鼠李糖脂，其中包括生长细胞法，代谢控制的细胞生长法，休止细胞法和加入前体法^[10]。生长细胞法是底物的消耗、细胞的生长、表面活性剂的生成同步进行的一种方法。它的优点是底物的存在诱导细胞体内产生大量的酶，从而提高细菌的转化活力，但发酵过程易被杂菌污染，还要求底物对细胞的生长不能有抑制作用。代谢控制的细胞生长法是通过限制一种或几种培养基成分以获得较高产率，通常限制培养基中的氮源和多价离子可使细胞在稳定器产生过量的鼠李糖脂;休止细胞法首先将正在培养的、处于生长期的细胞通过离心或过滤的方式从培养液中分离出来，悬浮在缓冲液中保持其活性或进行固定化，再加入底物进行转化合成表面活性剂，该法由于细胞的生长和底物的转化在不同条件下进行，副产物较少，分离纯化较容易，可降低产物的回收成本，而且采用固定化细胞进行转化可以提高其操作稳定性和在反应器中进行连续化生产；加入前体法是向培养基中加入表面活性剂的前体，诱导微生物发酵产生表面活性剂，其优点是可以刺激细胞产生鼠李糖脂。常用的发酵方法是代谢控制法和休止细胞法。

1.4.生物学特性

1.4.1 天然性

鼠李糖脂由铜绿假单胞菌发酵生成，不涉及化学合成等方式，并且其具有非致癌性，目前FDA、EPA和EU等权威机构还无法证明鼠李糖脂有致癌性^[11]。

1.4.2 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批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用于代谢产物，这两种物质都是具有生物降解性的。

1.4.3 非基因修饰或非基因工程^[12]。

生产鼠李糖脂过程中未使用任何基因修饰或基因工程材料。非常有必要研究控制鼠李糖脂产量的基因，但欧盟等政府机构是禁止此种改造后的材料作为原料。

1.5．鼠李糖脂的应用

1.5.1 重金属土壤修复

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^[13]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了作用，细胞膜部分几乎无还原作用。石福贵^[14]通过进行土壤重金属的活化试验表明，对土壤中Cu、Zn、Pb和Cd的解吸鼠李糖脂能强于皂角苷、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后，增强了土壤重金属的活化和释放。鼠李糖脂与EDDS复合处理，对土壤中Cu、Zn、Pb和Cd四种重金属的解吸具有一定的协同作用。

1.5.2 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。

1.5.2.1 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

Makkar^[15]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。

1.5.2.2 抑制藻细胞生长的特性

鼠李糖脂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。

1.5.2.3保鲜作用^[16]

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2，6一二叔丁基对甲酚、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。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。

1.5.3 生物堆肥

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。

王仁佑^[17]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。

1.5.4 生物采油

表面活性剂溶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HLB值，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”。

1.6 ARTP诱变选育

ARTP是常压室温等离子体（Atmospheric and Room Temperature Plasma）的简称，能够在大气压下产生温度在25-40℃之间的、具有高活性粒子（包括处于激发态的氦原子、氧原子、氮原子、OH自由基等）浓度的等离子体射流.

1.6.1 诱变机理

采用氦气为工作气体的常压室温等离子体源中含有多种化学活性粒子成分，如OH、氮分子二正系统、氮分子一负系统、激发态氦原子、氢原子和氧原子等。这些化学活性粒子能够使DNA等遗传物质的分子结构发生改变。菌株出现遗传物质损伤后，微生物启动SOS修复机制，其诱导产生DNA聚合酶IV和V，它们不具有3ˊ核酸外切酶校正功能，于是在DNA链的损伤部位即使出现不配对碱基，复制仍能继续前进。在此情况下允许错配可增加存活的机会。ARTP对遗传物质造成的损伤，多样性较高；又SOS诱导修复本身为容错性修复，因此，ARTP多样性的损伤将可能在修复过程中包容于DNA链中，在微生物进行复制修复时，其可能带来多样性的错配可能。

本课题研究的目的和意义：

生物表面活性剂具有生物可降解性、更强的表/界面活性和热稳定性，其生产过程是一个环境净化、废物利用、变废为宝的过程，成为绿色表面活性剂发展的重要方向。但其产量低，成本高， 在价格上无法与化学合成表面活性剂相抗衡，推广应用受到限制。为了解决这个问题， 需要加强以下4个方面的研究: 寻求廉价原料， 改进生产工艺, 降低生产成本并加强微生物的重复利用； 加强菌种的遗传学研究，通过基因工程诱变育种和构建基因工程高产菌，获得更有针对性的高效生物表面活性剂，发展快速检测高产菌株并评价其潜力的方法；进行全面的毒理学研究，以保证生物表面活性剂应用的安全性；利用生物表面活性剂的特殊性，开发出它的二次产品，提高其附加值。

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