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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面活性剂，代表性的有Surfactin和Iturin
