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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的结
2、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胞菌(Pseudom
3、onas aeruginosa)接种于一定配比的发酵液中，以烷烃类、糖类、油脂类等物质为碳源，在3037 ，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(Rha2Cl0Cl0)，RL2 (RhaCl0 Cl0)，RL3 (Rha2Cl0)和RL4(RhaC10) (如表1所示)。其中，Rha2c10c10的
4、化学名为2-O-L-吡喃鼠李糖苷-一L一吡喃鼠李糖苷-羟基癸酰-羟基癸酸，又称双鼠李糖脂；RhaC10C10为-L一吡喃鼠李糖苷-一羟基癸酰-一羟基癸酸，又称单鼠李糖脂。图1 鼠李糖脂的化学结构通式表1 鼠李糖脂的四种主要结构1.2 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
5、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1061004043(01)，3437(10)(水溶液中)01水，大部分醇不挥发室温稳定，l2l 稳定至少lh，极限pH不稳定(苷键)易生物降解(OECD 301D，209，和202)1.2.2 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等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
6、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面活性剂来源 价格对环境耐受能力是否具有生物降解性是
7、否增加水溶性是否增加脂类的生物利用率是否可以调节微生物吸附能力 石油化工产品 昂贵 不耐高温与极端PH 否 否 否 否 天然产物 天然产物可耐高温与极端PH 是 是 是 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)的合成和脱氧胸苷二磷酸(dTDP)激活的糖类合成。其中腺苷二磷酸鼠李糖（dTDP-L-鼠李糖）作为糖基的供体，L-鼠李糖苷-羟基癸酰-羟基癸酸和-羟基癸酰-羟基癸酸分别作为糖基的受体。图2 鼠李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
8、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、硫酸铵沉淀和冰盐水(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，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
9、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6。4 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，
10、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、Pb和Cd的解吸能强于皂角苷、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。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
11、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。Stanghellini9等发现，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孢子的细胞质膜，而使其致死。Makkar10等通过研究发现，鼠李糖脂在
12、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2，6一二叔丁基
13、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、梨和芦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等吲以稻草为底物，对比了添加Tween80和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
14、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烃，有机农药，特别是难降解的多环芳烃，如菲、萘、芘、芴等的降解非常有效 ，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
15、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，使多环芳烃得以顺利降解。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
