文摘
利用表面活性剂降低表面张力在水和非水系统。目前,大多数合成表面活性剂都来自石油。然而,这些表面活性剂通常剧毒和不被微生物降解。克服这些问题与合成表面活性剂,微生物表面活性剂的生产(称为生物表面活性剂)近年来进行了研究。大多数研究调查生产生物表面活性剂主要有关系与细菌和酵母;然而,有新兴的证据表明,这些来自真菌是有前途的。研究了丝状真菌的子囊菌生产可再生基质的生物表面活性剂。然而,生物表面活性剂的产量子囊菌取决于几个因素,如物种的营养来源,和环境条件。在本文中,我们探讨了生产、化学特性和应用子囊菌的生物表面活性剂。
1。介绍
生物表面活性剂是由植物和动物的化合物,但在很大程度上是由微生物,如细菌、酵母和丝状真菌。几个属性的组合,包括生物分子(蛋白质、碳水化合物和脂肪)降低表面张力作为一种乳化剂(1]。生物表面活性剂是两亲性和由极性和非极性部分。
生物表面活性剂的需求增加了,因为他们在乳化的环境兼容性和通用性。生物表面活性剂的其他优点包括生物降解性、低毒性和宽容不同的环境因素(pH值、温度和盐度)。鉴于这些优点,科学界的兴趣研究生物表面活性剂(已大幅增加的潜力2]。然而,高生产成本等问题和困难复苏的纯产品必须解决工业级别的大规模生产开始之前,允许对合成同行竞争优势(3,4]。此外,微生物和培养基用于生产直接影响下游过程中生物表面活性剂的恢复。
生物表面活性剂的生产成本和恢复是工业生产的限制因素这些分子,像最近的一些研究表明5- - - - - -7]。相比之下,一些研究已经证明了实验室规模选择挑战涉及生产[作为一个可能的解决方案2,8]。
生物表面活性剂的结构多样性使各种应用程序在许多行业,如食品、药品和化妆品。未来工业生物表面活性剂生产取决于生产成本之间的比例和应用效益(9,10]。因此,物理化学和营养参数的优化和生物表面活性剂的特性需要研究开发在工业规模3]。近年来,研究人员主要集中在生产鼠李糖脂和sophorolipid从细菌和酵母生物表面活性剂,而商业利用真菌生物表面活性剂的生产已经非常有限,因此,只有少数报告可用的(8]。因此,本文的重点是讨论战略工具增强生物表面活性剂的生产从真菌子囊菌及其应用。
2。合成表面活性剂和生物表面活性剂
表面活性剂是多才多艺的分子组成的两个截然不同的极性和非极性成分(11]。他们的行为在不同的极性液体之间的界面通过降低表面张力和生产乳剂(12)(图1)。
合成和化学表面活性剂是由有机官能团转换传统生产的石油原料的反应(13]。基于电荷的亲水头部,分为离子型表面活性剂,(带负电),阳离子(带正电)nonanionic(没有任何费用),或两性带正、负电荷(都);表面活性剂的疏水尾部的特征是长链脂肪酸。最常用的商业表面活性剂十二烷基硫酸钠(十二烷基硫酸钠)(图2月桂醇硫酸酯)和铵,用在清洁和化妆品工业(11]。国内和工业消费近年来表面活性剂增加了没有限制和限制。积累这些表面活性剂在生态系统会导致环境问题14),除了表面活性剂毒性的表现10,14- - - - - -16]。合成表面活性剂可以达到有毒水平时超过规定的浓度比,疏水性和化学结构特征(3,14]。虽然已经有大量的文献报道的负面影响表面活性剂对环境和人类健康,全面禁止使用表面活性剂是不可能由于缺少经济上可行的替代方案。考虑到这些,利用生物表面活性剂可以减少使用合成表面活性剂(10,14]。
生物表面活性剂是天然表面活性剂合成植物(如皂苷)、动物(如磷脂,肺表面活性剂和胆汁盐),和微生物(如糖脂)。生物表面活性剂来源于微生物表现出表面活性剂降低表面张力和属性高乳化能力(11]。然而,这些生物表面活性剂比合成表面活性剂结构更复杂,因为他们是由组合形成的生物分子(蛋白质、碳水化合物和脂肪)。生物表面活性剂从微生物基于它们的化学结构进行分类,例如,糖脂是由碳水化合物(葡萄糖、鼠李糖和半乳糖)结合长链脂肪酸成分或hydroxyaliphatic酸(烷基脂肪酸包含羟基(OH)组和分支机构);lipopeptides形成从生物分子的氨基酸是连着羧基和羟基14-carbon脂肪酸链;和高分子生物表面活性剂polysaccharide-protein复合物(11,17- - - - - -19)(图3)。
生物表面活性剂表现出更好的性能比合成同行。在大多数生物表面活性剂的一些重要特性观察给出如下:(一)低毒性:鉴于生物表面活性剂用于清洗、食品和化妆品,在生物修复,确定生物表面活性剂确实较低或没有毒性是至关重要的。最近的研究表明没有毒性,生物表面活性剂对微生物或microcrustaceans或种子的萌发;潜在的生物表面活性剂在生物修复被污染的土壤和水(也得到了证实20.]。测试,以检查这些有毒的表面活性剂在洗涤剂中的应用包括急性皮肤刺激,急性口服毒性(LD50和信用证50)、表面活性与纯化硬水洗涤效率和兼容性测试(21]。(b)高生物降解性:生物表面活性剂在水和土壤降解,它们可以被用于生物修复的过程中,释放的污染物从土壤,在农药剂型,在生物防治22- - - - - -24]。(c)宽容,pH值变化、盐度和温度:生物表面活性剂已经增加了他们的商业应用研究关注由于新型生物表面活性剂在极端的温度下能够有效地发挥作用,pH值,盐度(3,25]。(d)使用可再生基质:经济便宜的基质的使用呈现有效的生物表面活性剂在工业生产过程6]。(e)广泛应用:各种类型的生物表面活性剂表现出潜在的应用在许多领域,由于其乳化,抗菌,抗肿瘤,antiadhesive和防腐活动。这些属性感兴趣的食物,纺织,生物医药产业。
生物表面活性剂的发泡性能相比,合成表面活性剂使他们一个有前途的替代商业生产用原材料(26,27]。然而,有局限性与生物表面活性剂的生产,和策略必须采取确保他们可以竞争与合成表面活性剂。这些策略包括使用可再生衬底残留减少最初的生产成本和开发高效的生物处理包括培养条件的优化,改善下游流程和提高菌株的使用自然生产潜力的基因修改或(26]。
鼠李糖脂和sophorolipids已经被广泛的研究,因此在他们的应用程序获得声望在全球工业部门(28]。生物技术的进步生产生物表面活性剂工业规模是密切监测有关的行业。其中,赢创工业率先生产的关键部件生产洗发水、沐浴露、家用清洁产品(29日];这样生产生物表面活性剂主要由细菌和酵母,虽然没有商用(丝状真菌产生的生物表面活性剂30.- - - - - -32]。然而,几项研究已经证明了真菌的潜力作为生产者tension-active分子(33)和更大的产量相比,生物表面活性剂产生菌(34]。
3所示。生物表面活性剂的生产由子囊菌
子囊菌是一种无性繁殖的真菌,或鉴定,产生无性孢子(如分生孢子)分支结构称为分生孢子。他们有隔膜的真菌丝分区由细胞隔膜(35,36]。子囊菌biosynthesize次生代谢物通过吸收或交换(异养)。代表最大的真菌,57000种已知物种从大约6100属子囊菌存在的各种形式,包括霉菌、酵母、或孢子果,子囊果一词通常用来描述他们的“肉”子实体37,38]。
子囊菌丰富的土壤中,但也可以在水生环境和植物中发现有些植物病原体(39,40]。Egidi et al。40)确定模式和主要土壤真菌类群的生态司机发生在子囊菌类门。研究表明,全球分布的真菌包括属等链格孢属,Aureobasidium,枝孢属、青霉菌,镰刀菌素,毛壳菌属,枝顶孢属,Curvularia,这是风媒真菌可以通过空气分散。大部分的这些优势菌的特点是他们的基因潜在的用于生物技术资源,微生物之间的竞争环境中,宽容和压力比其他真菌;然而,研究表明,子囊菌可能能更好地抵抗环境压力和可以利用更多的资源,从而导致更多的多面手策略可能导致土壤中日益增加的主导地位。
一个spergillus,青霉菌,和镰刀菌素等,正在研究生物表面活性剂生产商(子囊菌41- - - - - -43]。表1概述了几个孤立的来源和类型的报道这些子囊菌产生的生物表面活性剂。它可以得出结论曲霉属真菌,青霉菌,镰刀菌素属最研究了生物表面活性剂的生产。丝状子囊菌显示优势生产生物表面活性剂(66年)并显示一个潜在的生产生物表面活性剂与更高的收益率相比,这些酵母(67年]。因此,上述属是有前途的生物表面活性剂和乳化剂生产商乳剂稳定,有一个很好的减少表面和界面张力的能力(44,49,53,55,59,68年]。
子囊菌生产生物表面活性剂已经从不同的来源获得,如植物,土壤,污染环境,可以产生各种各样的生物表面活性剂合成媒体或可再生基质(表1)。此外,它们可以隔绝地区石油污染,废水或碳氢化合物(45,53,59,69年),这就增加了隔离真菌产生复合的机会。然而,几项研究已经证明了孤立的地区如土壤、植物和海洋环境(42,49,50,61年]。
表1概述属最常用的一般生产生物表面活性剂和孤立的含糖脂的生物表面活性剂,lipopeptides enamides等。子囊菌产生的生物表面活性剂的主要类型是低分子量生物表面活性剂(如糖脂和lipopeptides) [70年]。糖脂是由糖基与脂质分数两亲性质,赋予他们表面活性剂性质。真菌糖脂细胞内代谢物(44]或次生代谢物,帮助在真菌的优势与其他微生物在一个给定的环境竞争利基(68年,71年]。
Lipopeptides和糖脂是生物表面活性剂是以真菌菌株在发酵过程中产生的矿物媒体用橄榄油作为碳源(44)和乳化活性高于Triton x - 100等化学合成表面活性剂(46]。
4所示。生物合成的生物表面活性剂
已经使用各种基质合成生物表面活性剂。它们可以产生自发或诱发的亲脂性的化合物,pH值变化,搅拌速度、压力,和低浓度的氮(72年]。第一个报道生物表面活性剂鼠李糖脂,所产生的铜绿假单胞菌,和lipopeptide (surfactin),所产生的枯草芽孢杆菌。研究调查fungi-derived生产生物表面活性剂已经发现了脂质mannosylethitritol (MEL)派生假丝酵母(73年]。
生物表面活性剂的合成通常包括独立通路形成亲水和疏水根,而随后结合(74年]。的主要代谢途径参与前体合成生物表面活性剂取决于碳源;碳的主要来源是碳水化合物和脂质或碳氢化合物。当碳水化合物作为唯一碳源的培养基中糖脂的生产,碳流同时指向脂肪生成的(脂质形成)和糖酵解途径(形成亲水部分)。相反,当一个烃源,生物合成是分解脂肪的和糖质新生途径(75年]。生物表面活性剂生物合成的一个例子是由细菌生产鼠李糖脂中含有甘油(30.]。鼠李糖脂的分子生物合成的调控,glycolipid-type产生的生物表面活性剂铜绿假单胞菌,是第一个被破译76年)(图4)。
尽管丝状真菌可以生产生物表面活性剂和可以识别生物表面活性剂的类型,这些化合物的生物合成,他们的遗传基础,生物表面活性剂的生产路线尚未完全了解。大多数生物表面活性剂的生物合成是严格管制,hydrophobins的生物合成木霉属reesei取决于hfb1,hfb2基因(76年]。
的研究需要进一步探索测序生物信息学分析方法和工具的可用性可能允许扣除的生物合成基因真菌基因组生物表面活性剂。
5。生物过程的影响和营养条件对生物表面活性剂的生产
在生物表面活性剂的生产过程,关键因素,直接影响培养条件进行了评估和分类为外部因素;这些包括搅拌、充气和体积。此外,营养因素直接相关,因此使用的微生物影响产生的生物表面活性剂的类型(67年]。生物表面活性剂的合成在很大程度上取决于可用的碳源和碳之间的平衡和其他营养素。每个真菌都有特定的营养需求,生物表面活性剂的生产类的,但是这种优化/特征相关性还有待探索,生物表面活性剂的产量的增加生产的主要目标这一领域的研究(表2)。
碳源中扮演重要角色的增长和生产生物表面活性剂的各种微生物和因物种的不同而异。碳的主要来源用于子囊菌的生产大豆油、原油、农业的和工业的残留物,碳氢化合物,和葡萄糖50,57,58,60,61年,78年]。
氮是第二个最重要的补充,供微生物生物表面活性剂的生产。各种有机和无机氮源已经用于生产生物表面活性剂作为矿物中,酵母膏和蛋白胨57,58,60,61年,67年,79年]。补充葡萄糖作为碳源可以增加生物表面活性剂的生产,和酵母提取物作为氮源也起着重要的作用在生物表面活性剂的生产(50)(表2)。
大多数生物的重要特征是他们强烈依赖pH值对细胞生长和次生代谢物的生产。他们生产生物表面活性剂的产量最高的pH值范围6 - 7 (50,61年,78年]。生物表面活性剂成分取决于真菌隔离条件:真菌分离海洋环境需要添加盐培养基。如果生物隔绝石油污染,油可以作为诱导物的生物过程(45,50,59]。
大多数生物工艺条件发生在25 - 30°C之间的孵化温度和搅拌在100年和150年之间rpm在3天左右(57- - - - - -59,61年]。这些条件可以优化和定制的真菌,如通过改变相应的pH值和营养成分(表2)。
培养条件的统计分析以及因子设计已被证明是有效的工具优化生物表面活性剂的生产。这样的工具导致实验的数量减少,收购数学模型,可用于工业、展示哪些因素是重要的,他们的相互作用在生物表面活性剂的生产。表2概述了一些优化流程和条件子囊菌类真菌的生长。寻找最好的条件(如基质、pH值和温度)对生物表面活性剂的生产一直在探索,特别是在农业的和工业的废物的使用(50,52,53]。
统计工具的使用是非常有效的提高生产和生物表面活性剂的性质,其中大多数是阶乘设计和响应面方法(RSMs)的目标优化响应,由几个独立变量的影响(50,61年,80年]。协会的丝状真菌生产生物表面活性剂被广为研究使用这些统计工具;在过去的几年里,Plackett-Burman作为选择工具的使用,考虑到作者测试各种真菌、条件和变量(59]。
可用性等几个因素,碳和氮的来源,pH值,搅拌,和孵化,需要优化提高生物表面活性剂产量。表2总结了从研究获得的数据确定高乳化指数(> 60%)和降低表面张力(< 25 mN / m)通过优化由子囊菌真菌生物表面活性剂的生产。
一般来说,使用统计方法来确定影响因素分析和生产生物表面活性剂的相互作用导致增强收益,和繁殖的可能性的数学模型提供的信息感兴趣的行业。
6。提取、净化和生物表面活性剂的化学特性
生物表面活性剂的生产后,下一个重要步骤是恢复他们从发酵媒体随后净化让他们现成的各种工业应用(67年]。在获得了生物表面活性剂的生物过程,提取仍是有限的,因为成本的复苏,净化处理,或两者兼而有之;成本大约是总数的60%的生产(6]。
研究了降低生产成本的方法,主要使用可再生资源;然而,这些资源污染或阻碍提取和纯化过程,因此,生物表面活性剂的特性。几个技术用于获取生物技术感兴趣的产品,比如与水溶性液体复苏溶剂,如丙酮和乙醇,酸化,增加盐的解决方案。表3显示了复苏丝状真菌产生的生物表面活性剂的方法。的主要方法是酸化,与酒精沉淀,溶剂。
描述过程后,分析了原油生物表面活性剂使用光谱质谱等技术的结合,红外(IR)和核磁共振(NMR)谱阐明生物表面活性剂的结构。色谱技术,如气相色谱(GC)、高效液相色谱法(HPLC)结合质谱(MS)也用于生物表面活性剂的特性和净化。调查产生的生物表面活性剂镰刀菌素fujikuroi,发现的化合物气相色谱加上女士和火焰离子化检测器(59]。
傅里叶变换红外光谱学常被用来识别有机官能团(烷基、羰基、醚和酯碳水化合物)的联系。在一项由贝利et al ., (89年)的红外光谱表明一个酯键的存在,和一个酰胺基确认上的糖蛋白的结构所产生的生物表面活性剂根霉arrhizus跟单信用证1607。
丝状真菌产生的生物表面活性剂的特性仍然是稀缺的,,,有时,就需要使用其他技术如matrix-assisted激光解吸/ ionization-time-of-flight女士(女士MALDI-TOF)。
根据表3由丝状真菌中提取生物表面活性剂的主要过程是降水和溶剂分数。降水酸化可促进(HCl)或利用溶剂系统,如氯仿、甲醇、乙酸乙酯和乙醇。此外,先前的研究已经表明,组合的分析方法是必要的化学特征,识别生物表面活性剂和技术包括薄层色谱法(TLC)、高效液相色谱法、傅里叶变换红外(ir)和MS。
7所示。工业应用
探索自然资源在生物技术时代促进了科学和技术进步通过添加天然产品的价值。生物表面活性剂有潜力发展的重大生物技术过程21圣世纪由于他们独特的乳化性质(7]。
生物表面活性剂可以作为治疗药物,因为他们的抗菌、抗真菌、抗病毒性质(90年,91年]。这些分子具有理想性质的公司在食品和化妆品配方,及其抗菌和antibiofilm潜在感兴趣的食品加工行业(92年]。研究调查,建立了生物表面活性剂的有前途的潜在应用(一些真菌也被存入银行专利;表4)作为替代合成表面活性剂。生物表面活性剂的应用程序市场划分为食品、化妆品、健康、和纺织工业,家用清洁剂和个人护理产品的主要生物表面活性剂的应用。
大多数生物表面活性剂行业在北美、亚洲和欧洲;因此,他们是主要的消费者。欧洲主导的生物表面活性剂市场2019年全球52.5%的份额。这是由于越来越多的消费者对健康危害的认识与化学表面活性剂(2]。然而,拉丁美洲潜力巨大,由于其巨大的生物多样性和农业的和工业的几个残留,可以用作基质生产生物表面活性剂的生产;因此,生物表面活性剂在南美洲的发展,特别是在巴西,仍然是一个挑战,尽管巴西是一个领袖在拉丁美洲国家在生物表面活性剂的研究中,有大量的文章和专利93年]。
生物表面活性剂的生产子囊菌丝状真菌近年来已经增加。在子囊菌,一些真菌会站在工业部门,因为他们已经证明了生产潜力时使用不同的合成培养基和可再生基质生长,除了他们的生物活动。生物表面活性剂从真菌有多种化学类,它支持多个应用程序在工业、食品、生物医学和环境领域。仍然是一个需要进一步研究的专利,这些物质的特性,应用。挑战关于代谢生产途径的理解,感兴趣的基因,和技术对生物表面活性剂的复苏仍和应该在将来的研究中得到解决。
8。结论
(我)子囊菌分离从不同的环境中有可能产生生物表面活性剂使用可再生基质。(2)的主要属子囊菌能够产生生物表面活性剂包括物种曲霉属真菌,镰刀菌素,和青霉菌,主要生产糖脂和lipopeptides。(3)生物表面活性剂的生产从子囊菌在很大程度上是受到各种媒体增长条件的差异,pH值、温度、和碳和氮源。生产的影响因素进行了研究,主要是通过设计阶乘和响应面方法。(iv)主要提取方法获得生物表面活性剂从文化媒体包括酸化或溶剂系统的使用,和表征和生物表面活性剂的结构说明已经通过使用分析、色谱和光谱技术。生物表面活性剂的使用获得的子囊菌需要鼓励,鉴于优势合成同行相比,几项研究的数据,他们可能产生的生态安全和可持续发展的产品。
数据可用性
所有生成的数据或分析在本研究包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢收到的基础研究的资助支持亚马孙州(FAPEAM 030/2013-UNIVERSAL亚马孙),协调改善高等教育的人员(披肩)和国家科学技术发展委员会(CNPq)。