微生物發(fā)酵生產(chǎn)生物表面活性劑的研究進展*

黃毅梅　鄧豐　李靜

(1. 廣東工業(yè)大學 環(huán)境科學與工程學院，廣東廣州510006； 2. 廣東省循環(huán)經(jīng)濟和資源綜合利用協(xié)會，廣東廣州510075；3. 廣東輕工職業(yè)技術學院，廣東廣州510300)

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微生物發(fā)酵生產(chǎn)生物表面活性劑的研究進展*

黃毅梅1, 3鄧豐2李靜3

(1. 廣東工業(yè)大學 環(huán)境科學與工程學院，廣東廣州510006； 2. 廣東省循環(huán)經(jīng)濟和資源綜合利用協(xié)會，廣東廣州510075；3. 廣東輕工職業(yè)技術學院，廣東廣州510300)

摘要：介紹了生物表面活性劑分類及常見類型，對其高產(chǎn)微生物的篩選、發(fā)酵過程優(yōu)化、廉價原料的利用以及促產(chǎn)因子的研究進展進行了綜述，最后對生物表面活性劑的研究方向進行了展望。

關鍵詞：生物表面活性劑；微生物；發(fā)酵；優(yōu)化

生物表面活性劑是由微生物在一定條件下代謝產(chǎn)生的一類具有表面活性，集親水基和疏水基于一體的化合物。對比化學表面活性劑，生物表面活性劑除了具有降低表面張力、發(fā)泡和穩(wěn)定乳化液的功能外，同時兼具無毒或低毒、良好的生物降解性、更好的環(huán)境相容性、結(jié)構(gòu)多樣性、可利用原位合成等優(yōu)點[1-5]。生物表面活性劑在石油工業(yè)、環(huán)境修復、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化妝品工業(yè)、醫(yī)藥食品行業(yè)等領域具有良好的應用前景[3]。

1生物表面活性劑分類和制備

根據(jù)化學成分和產(chǎn)生菌的不同，生物表面活性劑可分為五大類，分別是糖脂、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂、聚合物、全胞表面本身。其分子結(jié)構(gòu)由單糖、寡糖或多糖，氨基酸或多肽，羧酸或磷酸基團構(gòu)成的親水基和由飽和或不飽和脂肪酸構(gòu)成的疏水基構(gòu)成[6]，如表1所示。

生物表面活性劑的制備可采用合成法或者提取法，其中合成法又可分為全微生物細胞代謝法和酶催化合成法。與酶催化法相比，全微生物發(fā)酵法的生物表面活性劑具有種類多、原料廣、工藝簡單的優(yōu)點，目前關于微生物發(fā)酵生產(chǎn)生物表面活性劑的研究很多，包括在不同條件下高產(chǎn)生物表面活性劑微生物的篩選，發(fā)酵條件的優(yōu)化以及產(chǎn)物分離鑒定等，然而微生物法發(fā)酵合成表面活性劑還停留在實驗室研究,未能真正實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，主要原因是高成本和低產(chǎn)量[3,7]。

表1　生物表面活性劑的分類

2微生物發(fā)酵生產(chǎn)生物表面活性劑研究進展

為了解決生物表面活性劑工業(yè)化生產(chǎn)的高成本、低產(chǎn)量的限制因素，研究人員采取了各種措施：篩選高產(chǎn)菌株、優(yōu)化發(fā)酵條件、優(yōu)化產(chǎn)物分離提純方法及添加促產(chǎn)因子。雖然生物表面活性劑的研究已有30多年的歷史，但仍處于研究初步階段。隨著人們對微生物生產(chǎn)表面活性劑機理的深入研究，近期提高生物表面活性劑產(chǎn)量及降低生產(chǎn)成本方面取得了較好的進展。本文主要從微生物篩選、發(fā)酵條件優(yōu)化、發(fā)酵條件優(yōu)化等方面介紹國內(nèi)生物表面活性劑研究進展。

2.1高產(chǎn)生物表面活性劑微生物的篩選和重組

發(fā)酵生產(chǎn)生物表面活性劑依賴于微生物，高產(chǎn)生物表面活性劑菌種的篩選是生物表面活性劑研究的一個重要領域，根據(jù)生物表面活性劑的應用領域不同，研究人員從油田或煉油廠等受石油污染的水體或土壤、食堂下水道、堆肥料、污泥中篩選生物表面活性劑高產(chǎn)菌。黃楊[8]等從受石油污染的土壤中篩選得到一株肺炎克雷伯氏菌，在最適條件下生物表面活性劑的產(chǎn)量可達到0.742g/L，經(jīng)薄層分析和FT-IR分析，該生物表面活性劑為磷脂類生物表面活性劑；肖兵[9]等從油田油藏采出水中篩選得到一株高效表面活性劑產(chǎn)生菌，經(jīng)鑒定為地衣芽孢桿菌，該菌在24h內(nèi)將發(fā)酵液表面張力降低61.76%；明聰聰[10]等從制革污泥中分離出一株高產(chǎn)鼠李糖脂的菌株，產(chǎn)量達2.9g/L。

溫度是微生物生命活動的重要影響因子，對高產(chǎn)生物表面活性劑菌株篩選研究大都集中在常溫菌上，為了避免生物表面活性劑產(chǎn)生菌在極端環(huán)境下的應用受限制，篩選適應極端環(huán)境產(chǎn)生物表面活性劑菌株受到越來越多研究人員的關注。劉暢[5]等從低溫環(huán)境下自然腐爛的秸稈中分離出一株表面活性劑產(chǎn)生菌B-17，在10℃發(fā)酵條件下，5d內(nèi)可使發(fā)酵液表面張力降低50.32%；李彩鳳[11]等從勝利油田油井產(chǎn)出液及含油污水等樣品中篩選出1株蠟樣芽孢桿菌,能在高溫( 60℃)、高壓(10MPa)下以原油為唯一碳源生長且能有效產(chǎn)出生物表面活性劑,表面張力可降低至35.6 mN/m。

生物表面活性劑在石油污染環(huán)境修復中能增強修復效果，篩選既能降解石油污染物，又能以石油烴為碳源合成生物表面活性劑的菌株，在治理石油污染方面具有很好的應用前景，目前關于產(chǎn)生物表面活性劑的石油烴高效降解菌的研究報道較少，有研究者從受石油污染的土壤中篩選出一株既產(chǎn)生物表面活性劑又高效降解石油烴的菌株B-6，該菌株經(jīng)鑒定屬假單胞菌屬[12]；有研究報道稱粘質(zhì)沙雷氏菌、居植物柔武氏菌、克雷伯氏菌和蠟狀芽孢桿菌既能降解原油物質(zhì)又能降低發(fā)酵液表面張力[13]；張卉[14]等從長期被石油污染的油泥中篩選得到一株高產(chǎn)生物表面活性劑菌株LJ2，在34℃條件下，處理質(zhì)量濃度為2g/L的石油污染廢水，5d后降解率達99.5%。

微生物菌種的遺傳特性是高效發(fā)酵生產(chǎn)的重要因素，發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的關鍵是獲得具有穩(wěn)定遺傳特性的高產(chǎn)微生物菌株。近年來，利用微生物育種手段改造微生物菌種的方法被人們運用于生物表面活性劑高產(chǎn)菌的研究。梁小龍[15]等通過原生質(zhì)體融合的方法，以篩選自油田采出水中的好氧產(chǎn)脂肽類表面活性劑的解淀粉芽孢桿菌BQ2和兼性厭氧的施氏假單胞菌DQ1為親本菌，構(gòu)建了一株能在厭氧條件下迅速生長并能產(chǎn)脂肽類表面活性劑的融合子JD3，在厭氧條件下培養(yǎng)36 h，融合子JD3發(fā)酵液的表面張力降低了48.4%。

2.2發(fā)酵培養(yǎng)條件的優(yōu)化與廉價原料的利用

微生物菌種和發(fā)酵條件是影響生物表面活性劑產(chǎn)量的兩大因素，所以發(fā)酵原料和發(fā)酵條件優(yōu)化有利于提高生物表面活性劑的產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本。依據(jù)影響生物合成的培養(yǎng)基組分和培養(yǎng)條件，研究人員采用單因素、正交試驗以及響應面法等統(tǒng)計學方法優(yōu)化培養(yǎng)基及發(fā)酵條件，提高生物表面活性劑的產(chǎn)量。朱震[16]等人通過響應面法對解淀粉芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)表面活性素的液體發(fā)酵培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件進行優(yōu)化研究，表面活性素產(chǎn)量較優(yōu)化前提高了2倍；付瑞敏[17]在單因素的基礎上結(jié)合響應面分析法對石油降解菌CQ6生產(chǎn)表面活性劑的發(fā)酵條件進行優(yōu)化，發(fā)酵液表面張力降低了16.9%，石油降解率提高了15.82%。微生物發(fā)酵生產(chǎn)生物表面活性劑培養(yǎng)基成本占總成本的50%，其中碳源是主要的限制因素，目前研究者已關注使用廉價易得的碳源生產(chǎn)生物表面活性劑并開展了研究。劉佳[18]等以廢棄食用油脂為碳源發(fā)酵制備生物破乳劑，與采用液體石蠟為碳源相比，提高了生物破乳劑的產(chǎn)量和破乳效果；李慧娟[1]等以泔水油和豆粕為碳源、氮源，發(fā)酵培養(yǎng)不動桿菌菌株XH-2使發(fā)酵液表面張力由73.01mN/m降至25.25 mN/m。有研究人員以添加酵母粉和炸貨油的天然海水作為培養(yǎng)基，發(fā)酵培養(yǎng)銅綠假單胞菌Z3，同時使用合成培養(yǎng)基培養(yǎng)作為對比，研究簡易發(fā)酵和搖瓶發(fā)酵兩種方式下，對產(chǎn)物鼠李糖脂產(chǎn)量的影響。實驗結(jié)果顯示，菌株Z3能在添加酵母粉和炸貨油的海水培養(yǎng)基中發(fā)酵，發(fā)酵液中鼠李糖脂產(chǎn)量達10g/L左右，大概為搖瓶發(fā)酵時合成培養(yǎng)基的65%,大大降低了生產(chǎn)成本[19]。

2.3促產(chǎn)因子的添加

脂肽分子由1條脂肪酸鏈和1條肽鏈構(gòu)成，其中肽鏈上的氨基酸能與脂肪酸鏈上的羥基、羧基結(jié)合。黃翔峰等人的研究發(fā)現(xiàn)利用脂肪酸酯為碳源培養(yǎng)枯草芽孢桿菌合成脂肽，在培養(yǎng)基中添加谷氨酸，脂肽產(chǎn)量提高了93.2%，有研究人員認為氨基酸能夠促進脂肽產(chǎn)量的提高一方面是微生物在利用氨基酸過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物或者氨基酸本身能影響微生物的生長，增加微生物量；另一方面是氨基酸可能作為產(chǎn)物前體調(diào)控產(chǎn)量，或者影響細胞壁結(jié)構(gòu)促進產(chǎn)物外排。Fe、Mn、Zn等金屬離子對微生物新陳代謝有重要調(diào)節(jié)作用，這類金屬離子可通過促進微生物對碳源的利用，或者通過調(diào)控底物代謝酶活或者調(diào)節(jié)生物表面活性劑轉(zhuǎn)錄和翻譯的關鍵酶活來影響微生物次級代謝過程，進而影響生物表面活性劑產(chǎn)量。黃翔峰在培養(yǎng)基中投加不同濃度的Fe2+不僅能夠提高B.subtilis CICC23659的生物量,還能大幅提高脂肽產(chǎn)量，當Fe2+添加濃度為5 mmol/L時,生物量提高了6倍,脂肽產(chǎn)量提高了9.5倍[6,20,21]。目前關于促產(chǎn)因子的研究多為優(yōu)化和調(diào)控方面，對其促產(chǎn)機制及細胞代謝路徑等方面的研究還不是很全面。

3展望

生物表面活性劑要實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和應用，首先降低其生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。目前，對高產(chǎn)菌株的篩選，發(fā)酵條件的優(yōu)化，廉價發(fā)酵原料的利用，發(fā)酵過程中促產(chǎn)因子的添加等方面進行了大量的研究，以提高生物表面活性劑的產(chǎn)量，但要真正實現(xiàn)生物表面活性劑的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)需要加強做大量工作：

1) 改良菌種，利用基因工程和突變技術改造微生物菌種，以獲得高產(chǎn)工程菌；

2)廉價原料的利用研究，以及相關促產(chǎn)因子的促產(chǎn)機制的進一步深入研究。

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Research Progress on Microorganisms Fermentation of Biosurfactants

HUANG Yimei1, 3DENG Feng2LI Jing3

(1. Faculty of Environmental Science and Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China; 2. Guangdong Association of Circular Economy and Resources Comprehensive Utilization, Guangzhou 510075,China;3.Guangdong Industry Polytechnic, Guangzhou 510300,China)

Abstract：This paper introduced the classification and common type of biosurfactants, summarized the research progress on screening high productive strains, optimization of fermentation process, the use of low-cost raw materials and the impacts of promoting factors. At the end of this review, the prospect on research direction of biosurfactants are introduced.

Key words：biosurfactant; microorganism; fermentation; optimization

收稿日期：2016-05-20

*基金項目：廣東高校特色調(diào)味品工程技術開發(fā)中心建設項目(GCZX-B1103)

作者簡介：黃毅梅(1987—)，女，廣東梅州人，在讀碩士研究生。

中圖分類號：TQ423.99

文獻標識碼：A

文章編號：1672-1950(2016)02-0006-04