ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА И БИОСУРФАКТАНТЫ: ДЛЯ ЧЕГО, ПРИМЕРЫ И ПРИМЕНЕНИЕ - БИОЛОГИЯ - 2024

Поверхностно -активное вещество представляет собой химическое соединение , способное снижать поверхностное натяжение жидкого вещества, действующего на границе раздела или поверхности контакта между двумя фазами, например , вода-воздух или вода-нефть.

Термин «сурфактант» происходит от английского слова «сурфактант», которое, в свою очередь, происходит от аббревиатуры выражения «сурфактант», что по-испански означает «агент с межфазной или поверхностной активностью».

Рисунок 1. Структура поверхностно-активных веществ. Источник: Основные меры, из Wikimedia Commons.

На испанском языке используется слово «поверхностно-активное вещество», относящееся к способности химического соединения воздействовать на поверхностное или межфазное натяжение. Поверхностное натяжение можно определить как сопротивление жидкости увеличению поверхности.

Вода имеет высокое поверхностное натяжение, потому что ее молекулы очень плотно связаны и сопротивляются разделению, когда на их поверхность оказывается давление.

Например, некоторые водные насекомые, такие как «сапожник» (Gerris lacustris), могут перемещаться по воде, не тоня, благодаря поверхностному натяжению воды, которое позволяет образовывать пленку на ее поверхности.

Рисунок 2. Насекомое, способное передвигаться по воде. Источник: Тим Викерс, из Wikimedia Commons.

Кроме того, стальная игла остается на поверхности воды и не тонет из-за поверхностного натяжения воды.

Структура и функции поверхностно-активных веществ

Все поверхностно-активные или поверхностно-активные химические вещества имеют амфифильную природу, то есть имеют двойное поведение, поскольку они могут растворять полярные и неполярные соединения. Поверхностно-активные вещества в своей структуре состоят из двух основных частей:

• Гидрофильная полярная голова, родственная воде и полярным соединениям.
• Липофильный, гидрофобный неполярный хвост, похожий на неполярные соединения.

Полярная головка может быть неионной или ионной. Хвостовая часть поверхностно-активного вещества или неполярная часть может представлять собой алкильную или алкилбензольную углеродную и водородную цепь.

Эта особая структура придает химическим соединениям поверхностно-активных веществ двойное, амфифильное поведение: сродство к полярным соединениям или фазам, растворимым в воде, а также сродство к неполярным соединениям, нерастворимым в воде.

Как правило, поверхностно-активные вещества уменьшают поверхностное натяжение воды, позволяя этой жидкости расширяться и течь в большей степени, смачивая соседние поверхности и фазы.

Для чего нужны ПАВ?

Поверхностно-активные химические вещества проявляют свою активность на поверхностях или границах раздела.

При растворении в воде они мигрируют, например, к границе раздела вода-масло или вода-воздух, где могут выполнять следующие функции:

• Диспергаторы и солюбилизаторы нерастворимых или малорастворимых соединений в воде.
• Увлажнители, поскольку они способствуют переходу воды в нерастворимые фазы.
• Стабилизаторы для эмульсий соединений, нерастворимых в воде и воде, таких как масло и вода из майонеза.
• Некоторые поверхностно-активные вещества способствуют пенообразованию, а другие предотвращают его.

Биосурфактанты: поверхностно-активные вещества биологического происхождения.

Когда поверхностно-активное вещество поступает из живого организма, его называют биосурфактантом.

В более строгом смысле биосурфактанты считаются амфифильными биологическими соединениями (с двойным химическим поведением, растворимыми в воде и жире), продуцируемыми такими микроорганизмами, как дрожжи, бактерии и нитчатые грибы.

Биосурфактанты выводятся или задерживаются как часть мембраны микробной клетки.

Также некоторые биосурфактанты производятся биотехнологическими процессами с использованием ферментов, которые действуют на биологическое химическое соединение или натуральный продукт.

Примеры биосурфактантов

Природные биосурфактанты включают сапонины растений, такие как кайенский цветок (Hibiscus sp.), Лецитин, желчные соки млекопитающих или сурфактант из легких человека (с очень важными физиологическими функциями).

Кроме того, аминокислоты и их производные, бетаины и фосфолипиды, все эти натуральные продукты биологического происхождения, являются биосурфактантами.

Классификация биосурфактантов и примеры

-В зависимости от характера электрического заряда в полярной части или голове

Биосурфактанты можно разделить на следующие категории в зависимости от электрического заряда их полярной головы:

Анионные биосурфактанты

Они имеют отрицательный заряд на полярном конце, часто из-за присутствия сульфонатной группы –SO ₃ ^- .

Катионные биосурфактанты

Они имеют положительный заряд на голове, обычно четвертичной аммонийной группы NR ₄ ⁺ , где R представляет собой цепь углерода и водорода.

Амфотерные биосурфактанты

У них есть как положительные, так и отрицательные заряды на одной и той же молекуле.

Неионные биосурфактанты

У них в голове нет ионов или электрических зарядов.

-По химической природе

По химической природе биосурфактанты подразделяются на следующие типы:

Гликолипидные биосурфактанты

Гликолипиды - это молекулы, которые имеют в своей химической структуре часть липидов или жиров и часть сахара. Большинство известных биосурфактантов - это гликолипиды. Последние состоят из сульфатов сахаров, таких как глюкоза, галактоза, манноза, рамноза и галактоза.

Среди гликолипидов наиболее известны рамнолипиды, биоэмульгаторы, которые были тщательно изучены, с высокой эмульгирующей активностью и высоким сродством к гидрофобным органическим молекулам (которые не растворяются в воде).

Они считаются наиболее эффективными поверхностно-активными веществами для удаления гидрофобных соединений из загрязненных почв.

Примеры рамнолипидов включают поверхностно-активные вещества, продуцируемые бактериями рода Pseudomonas.

Существуют и другие гликолипиды, производимые Torulopsis sp., Обладающие биоцидной активностью и используемые в косметике, средствах против перхоти, бактериостатических средствах и в качестве дезодорантов для тела.

Липопротеины и липопептидные биосурфактанты

Липопротеины - это химические соединения, которые имеют в своей структуре часть липидов или жиров и другую часть белка.

Например, Bacillus subtilis - это бактерия, вырабатывающая липопептиды, называемые сурфактинами. Это одни из самых мощных биосурфактантов, снижающих поверхностное натяжение.

Сурфактины обладают способностью вызывать лизис эритроцитов (разрушение красных кровяных телец) у млекопитающих. Кроме того, их можно использовать в качестве биоцидов от вредителей, например мелких грызунов.

Биосурфактанты жирных кислот

Некоторые микроорганизмы могут окислять алканы (углеродные и водородные цепи) до жирных кислот, которые обладают свойствами поверхностно-активных веществ.

Биосурфактанты фосфолипидов

Фосфолипиды - это химические соединения, которые имеют фосфатные группы (PO ₄ ^3- ), прикрепленные к части с липидной структурой. Они входят в состав мембран микроорганизмов.

Некоторые бактерии и дрожжи, которые питаются углеводородами, при росте на алкановых субстратах увеличивают количество фосфолипидов в своей мембране. Например, Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans и Rhodococcus erythropolis.

Полимерные биосурфактанты

Полимерные биосурфактанты - это высокомолекулярные макромолекулы. Наиболее изученными биосурфактантами этой группы являются: эмульгатор, липосакция, маннопротеиновые и полисахаридно-белковые комплексы.

Например, бактерия Acinetobacter calcoaceticus производит полианионный эмульгатор (с различными отрицательными зарядами), очень эффективный биоэмульгатор для углеводородов в воде. Это также один из самых мощных известных стабилизаторов эмульсии.

Липозан - водорастворимый внеклеточный эмульгатор, состоящий из полисахаридов и белка Candida lipolytica.

Экологическая санитария

Биосурфактанты используются для биоремедиации почв, загрязненных токсичными металлами, такими как уран, кадмий и свинец (биосурфактанты Pseudomonas spp. И Rhodococcus spp.).

Они также используются в процессах биоремедиации почв и воды, загрязненных бензином или разливами нефти.

Рис. 3. Биосурфактанты используются в процессах оздоровления окружающей среды из-за разливов нефти. Источник: Министерство иностранных дел Эквадора, через Wikimedia Commons.

Например, Aeromonas sp. производит биоповерхностно-активные вещества, которые позволяют разлагать масло или восстанавливать большие молекулы до более мелких, которые служат питательными веществами для микроорганизмов, бактерий и грибов.

В промышленных процессах

Биосурфактанты используются в производстве моющих средств и чистящих средств, поскольку они усиливают очищающее действие, растворяя жиры, загрязняющие одежду или поверхности, в промывочной воде.

Они также используются в качестве вспомогательных химических соединений в текстильной, бумажной и кожевенной промышленности.

В косметической и фармацевтической промышленности

В косметической промышленности Bacillus licheniformis производит биосурфактанты, которые используются в качестве средств против перхоти, бактериостатических и дезодорирующих средств.

Некоторые биосурфактанты используются в фармацевтической и биомедицинской промышленности из-за их противомикробной и / или противогрибковой активности.

В пищевой промышленности

В пищевой промышленности биосурфактанты используются при производстве майонеза (который представляет собой эмульсию яичной воды и масла). Эти биосурфактанты происходят из лектинов и их производных, которые улучшают качество и, кроме того, вкус.

В сельском хозяйстве

В сельском хозяйстве биосурфактанты используются для биологической борьбы с патогенами (грибами, бактериями, вирусами) в сельскохозяйственных культурах.

Еще одно применение биосурфактантов в сельском хозяйстве - повышение доступности питательных микроэлементов из почвы.

Ссылки

1. Банат, И.М., Маккар, Р.С. и Камеотра, СС (2000). Возможные коммерческие применения микробных поверхностно-активных веществ. Прикладная микробиологическая технология. 53 (5): 495-508.
2. Камеотра, СС и Маккар, Р.С. (2004). Недавние применения биосурфактантов в качестве биологических и иммунологических молекул. Современные мнения в микробиологии. 7 (3): 262-266.
3. Chen, SY, Wei, YH и Chang, JS (2007). Повторная ферментация с подпиткой с подпиткой для получения рамнолипидов с использованием аборигенных Pseudomonas aeruginosa. Прикладная микробиологическая биотехнология. 76 (1): 67-74.
4. Маллиган, CN (2005). Экологические приложения биосурфактантов. Загрязнение окружающей среды. 133 (2): 183-198.doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
5. Тан Дж., Хе Дж., Синь X., Ху Х. и Лю Т. (2018). Биосурфактанты улучшают удаление тяжелых металлов из ила при электрокинетической обработке. Журнал химической инженерии. 334 (15): 2579-2592. DOI: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.