特殊类型的表面活性剂论文

摘要：综述了生物表面活性剂的种类及其生产菌，介绍了目前常用的两种生产方法：微生物发酵法和酶法合成生物表面活性剂。总结了其在环境工程中的应用，如在废水处理中浮选去除重金属离子，在污染场地的生物修复中用于促进烷烃、多环芳烃(PAHs)的降解，修复受重金属污染的土壤等，并对今后的研究方向做了探讨。 关键词：生物表面活性剂 生物修复 重金属 多环芳烃 生物表面活性剂是微生物在一定条件下培养时，在代谢过程中分泌的具有表面活性的代谢产物。与化学合成表面活性剂相比，生物表面活性剂具有许多独特的属性，如：结构的多样性、生物可降解性、广泛的生物活性及对环境的温和性等[1]。由于化学合成表面活性剂受原材料、价格和产品性能等因素的影响，且在生产和使用过程中常会严重污染环境及危害人类健康。因此，随着人类环保和健康意识的增强，近二十多年来，对生物表面活性剂的研究日益增多，发展很快，国外已就多种生物表面活性剂及其生产工艺申请了专利[2]，如乙酸钙不动杆菌生产的一种胞外生物乳化剂已经有了成品出售。国内对生物表面活性剂的研制和开发应用起步较晚，但近年来也给予了高度重视，其中研究最多的就是生物表面活性剂在提高石油采收率以及生物修复中的应用。 1 生物表面活性剂的种类及其生产菌 1.1 生物表面活性剂的种类 化学合成表面活性剂通常是根据它们的极性基团来分类，而生物表面活性剂则通过它们的生化性质和生产菌的不同来区分。一般可分为五种类型：糖脂、磷脂和脂肪酸、脂肽和脂蛋白、聚合物和特殊表面活性剂[1]。 1.2 生物表面活性剂的生产菌 大多数生物表面活性剂是细菌、酵母菌和真菌的代谢产物。这些生产菌大多是从油类污染的湖泊、土壤或海洋中筛选得到的。如Banat等[3]从油泥污染的土壤中分离得到两株生物表面活性剂的菌株：芽孢杆菌AB-2和Y12-B。表1列出了一些主要的生物表面活性剂的种类及其生产菌[2,4]。 表1 生物表面活性剂的种类及其生产菌生物表面活性剂 生产菌 海藻糖脂 石蜡节杆菌(Arthrobacter paraffineus) 棒状杆菌(Corynebacterium spp.) 红平红球菌(Rhodococus erythropolis) 鼠李糖脂 铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa) 槐糖脂 解脂假丝酵母(Candida lipolytica) 球拟酵母(Torulopsis bombicola) 葡萄糖、果糖、蔗糖脂 棒状杆菌(Corynebacterium spp.) 红平红球菌(R.. erythropolis) 纤维二糖脂 玉蜀黍黑粉菌(Ustilago maydis) 脂多糖 乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus RAG1) 假单胞菌(Pseudomonas spp.) 脂肽 枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) 地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis) 荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens) 鸟氨酸，赖氨酸，缩氨酸 氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans) 盐屋链霉菌(Streptomyces sioyaensia) 葡萄糖杆菌(Gluconobacter cerinus) 磷脂 氧化硫硫杆菌(T. thiooxidans) 脂肪酸 野兔棒状杆菌(Corynebacterium lepus) 石蜡节杆菌(Arthrobacter paraffineus) 2 生物表面活性剂的生产 目前，可以通过两种途径生产生物表面活性剂:微生物发酵法和酶法。 采用发酵法生产时，生物表面活性剂的种类、产量主要取决于生产菌的种类、生长阶段，碳基质的性质，培养基中N、P 和金属离子Mg2+、Fe2+的浓度以及培养条件(pH、温度、搅拌速度等)。 如Davis等[5]在成批培养枯草芽孢杆菌时发现，在溶解氧耗尽和限氮条件下可得最大浓度(439.0 mg/L)的莎梵婷。Kitamoto等[6]利用南极假丝酵母的休止细胞生产甘露糖赤藓糖醇脂，对培养条件进行优化后，最高产量可达140 g/L。发酵法生产生物表面活性剂的优点在于生产费用低、种类多样和工艺简便等，便于大规模工业化生产，但产物的分离纯化成本较高。 与微生物发酵法相比，酶法合成的表面活性剂分子多是一些结构相对简单的分子，但同样具有优良的表面活性。其优点在于产物的提取费用低、次级结构改良方便、容易提纯以及固定化酶可重复使用等，且酶法合成的表面活性剂可用于生产高附加值产品，如药品组分。尽管现阶段酶制剂成本较高，但通过基因工程技术增强酶的稳定性与活性，有望降低其生产成本。 3 生物表面活性剂的提取 发酵产物的提取(也称下游处理)费用大约占总生产费用的60%，这是生物表面活性剂产品商业化的一个主要障碍。生物表面活性剂的最佳提取方法随发酵操作及其物理化学性质的不同而不同。其中溶剂萃取是最常用的提取方法，如Kuyukina等[7]利用甲基-叔丁基醚萃取红球菌生产的生物表面活性剂，可以获得较高产率10 mg/L。超滤是用于提取生物表面活性剂的一种新方法。Lin等[8]用分子量截止值为30000 Da的超滤膜从发酵液中提取枯草芽孢杆菌产生的脂肽类生物表面活性剂莎梵婷，收率达95%。Mattei等设计了一套连续提取生物表面活性剂的装置，应用切面流过滤法能连续提取产物，产率高达3 g/L[1]。能与连续发酵生产配套的产物提取方法有泡沫分离、离子交换树脂法等。Davis等[9]用泡沫分离法连续提取枯草芽孢杆菌产生的莎梵婷,收率达71.4%。鼠李糖脂的提取过程是先离心过滤除去细胞，再通过吸附色谱将鼠李糖脂浓缩在安珀莱特XAD-2树脂上，后用离子交换色谱法提纯，最后将液体蒸发和冷冻干燥可得纯度为90%的成品，收率达60%[2]。 4 生物表面活性剂在环境工程中的应用 许多化学合成表面活性剂由于难降解、有毒及在生态系统中的积累等性质而破坏生态环境，相比之下，生物表面活性剂则由于易生物降解、对生态环境无毒等特性而更适合于环境工程中污染治理。如：在废水处理工艺中可作为浮选捕收剂与带电胶粒相吸以除去有毒金属离子，修复受有机物和重金属污染的场地等。 4.1 在废水处理工艺中的应用 用生物法处理废水时，重金属离子对活性污泥中的微生物菌群常会产生抑制或毒害作用，因此，在用生物法处理含重金属离子的废水时须进行预处理。当前，常用氢氧化物沉淀法除去废水中的重金属离子，但其沉淀效率受氢氧化物溶解度的限制，应用效果不甚理想；浮选法用于废水预处理时又常因所用浮选捕收剂在其后续处理过程中难降解(如化学合成表面活性剂十二烷基磺酸钠)，易产生二次污染而受限制，因此，有必要开发易生物降解、对环境无毒害的替代品，而生物表面活性剂恰好具有这一优势。但是，国内外对这一方面的应用研究很少，直到最近才有报道。Zouboulis 等[10]研究了生物表面活性剂作为捕收剂除去广泛存在于工业废水中的两种有毒金属离子：Cr4＋和Zn2＋。结果表明,莎梵婷和地衣芽孢杆菌素在pH为4 时均能很好地从废水中分离吸附了Cr4＋的αFeO(OH)或Cr4＋与 FeCl3•6H2O形成的螯合物，极大地提高了Cr4＋(50 mg/L)的去除率，几乎可达100%；在pH为6时，莎梵婷对螯合物中的Zn2＋(50 mg/L)去除率高达96%，而在相同条件下，地衣芽孢杆菌素的处理效果不明显，去除率为50%左右。

表面活性剂在化妆品中的应用摘要：论述了表面活性剂的功能，如润湿、分散、乳化、增溶、起泡、消泡和洗涤去污等功能，以及在化妆品中的作用。介绍了表面活性剂和化妆品的分类情况，化妆品的原料以及化妆品对表面活性剂的要求。详细介绍了化妆品中常用的几种表面活性剂。对化妆品中用的表面活性剂的发展趋势进行了阐述。关键词：表面活性剂；化妆品；功能；应用表面活性剂在化妆品中的主要功能包括乳化、分散、增溶、起泡、清洗、润滑和柔软等。表面活性剂在化妆品中具有广泛的用途，起着重要的作用。化妆品中所利用的表面活性剂的性能不仅仅是其单一的性能，而是利用其多种性能，因此，表面活性剂是化妆品生产中不可缺少的原料，广泛应用于化妆品中。化妆品是指以涂抹、喷、洒或者其他类似方法，施于人体（皮肤、毛发、指趾甲和口唇齿等），以达到清洁、保养、美化、修饰和改变外观，或者修正人体气味，保持良好状态为目的的产品。目前，化妆品的发展趋势是向疗效性、功能性和天然性方向发展。1表面活性剂的分类表面活性剂的分类方法有很多种，根据表面活性剂的来源进行分类，通常把表面活性剂分为合成表面活性剂、天然表面活性剂和生物表面活性剂三大类。1.1合成表面活性剂合成表面活性剂是指以石油、天然气为原料，通过化学方法合成制备的表面活性剂。表面活性剂在性质上的差异，除与烃基的大小和形状有关外，主要与亲水基团类型有关。一般以亲水基团的结构为依据来分类，按亲水基团是否带电可将表面活性剂分为离子型和非离子型两大类，其中离子型表面活性剂又分为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和两性离子表面活性剂。1.2天然表面活性剂20世纪70年代的石油危机对以石油为基本原料的表面活性剂工业产生了巨大的冲击，引起人们对能源消耗、工艺生产过程、生态学和石油制品安全性等一系列问题的思考，从而引发了以天然油脂为原料生产表面活性剂的重大变革。由于生物新技术的应用，油脂分离精制技术的发展，植物油脂品种的改良及增产，使得大量获得价格较低的高纯度的天然油脂成为可能，新的抗氧化剂的开发成功，解决了天然油脂腐败变质的问题，再加上人们对安全及环保意识的提高，以油脂为原料的天然表面活性剂的开发引起人们的高度重视。目前在天然油脂中最受重视的要数棕榈油和棕榈仁油。1.3生物表面活性剂生物表面活性剂是指由细菌、酵母和真菌等多种微生物产生的具有表面活性剂特征的化合物。用微生物生产表面活性剂是20世纪70年代后期国际生物工程领域中研究的新课题。用微生物制取生物表面活性剂可以得到许多难以用化学方法合成的产物，在结构中引进了新的化学基团，而制得的产物易于被生物完全降解，无毒性，在生态学上是安全的。生物表面活性剂根据其亲水基的不同可分为糖脂系、酰基缩氨酸系、磷脂系、脂肪酸系和高分子表面活性剂五类。2表面活性剂的功能表面活性剂是一类具有多种功能的精细化学品，表面活性剂具有润湿、分散、乳化、增溶、起泡、消泡和洗涤去污等多种功能。当液体与固体表面接触时，气体被排斥，原来的固-气界面消失，代之以固-液界面，这种现象称为润湿。从普遍意义而言，润湿是一种流体被另一种流体自表面取代的过程。通常把一种物质的颗粒或液滴以及微小的形态分散到另一介质中的过程叫分散。所得到的均匀、稳定的体系叫分散体。乳化是一种液体以微小液滴或液晶形式均匀分散到另一种不相混溶的液体介质中形成的具有相当稳定性的多相分散体系的过程。表面活性剂在水溶液中形成胶束后，具有能使不溶或微溶于水的有机化合物的溶解度显著增大的能力，且溶液呈透明状，这种作用称为增溶作用。由液体薄膜或固体薄膜隔离开的气泡聚集体称为泡沫，可分为液体泡沫和固体泡沫。在液体泡沫中，液体和气体的界面起主要作用。一般地说，当表面张力低，膜的强度高时，不论是稳定泡沫还是不稳定泡沫，起泡力都较好。溶液的黏度对泡沫稳定在两方面起作用：一方面是增强泡沫液膜的强度；另外，表面黏度大，膜液体不易流动排出，延缓了液膜破裂，而增强了泡沫的稳定性。消泡作用分为破泡和抑泡两种。具有破泡能力的物质称为破泡剂。有效的消泡剂既要能迅速破泡，又要能在相当长的时间内防止泡沫生成。洗涤去污作用是表面活性剂应用最广泛、最具有实用意义的基本特性。洗涤去污过程是极为复杂的，与污垢种类、基本性能、表面活性剂和助剂的种类和结构密切相关，而其过程又是多种表面现象，如吸附、润湿、渗透、乳化、分散、泡沫和增溶等在不同情况下的综合效应。3化妆品的分类化妆品能对人体面部、皮肤表面、毛发和口腔起清洁保护和美化作用。化妆品的品种多种多样，分类方式也各不相同。按使用部位可分为：皮肤用化妆品、毛发用化妆品、指甲用化妆品和口腔用化妆品。按使用目的可分为：洁净用化妆品、基础保护化妆品、美容化妆品和芳香制品，还可根据化妆品本身的剂型分类。4化妆品的原料制造化妆品所用的原料有很多种，据统计大概有3 000多种。根据化妆品原料在化妆品中所含比例的大小，可分为基质原料和配合原料。基质原料是调配各种化妆品的主体，也成为基础原料。膏霜类的油脂，香粉类的滑石粉等均属基质原料；配合原料是用来改善化妆品的某些性质和赋予色、香等的辅助原料，如膏霜中的乳化剂、抗氧化剂和防腐剂等均属配合原料。配合原料在化妆品中的比例虽小，但对化妆品的质量影响却很大。它们之间没有绝对的界限，某一种原料在化妆品中起着基质原料的作用，而在另一化妆品中可能仅起着辅助原料的作用。4.1基质原料1）油脂类油脂是组成膏霜类化妆品的基本原料，主要起护肤、柔滑和滋润等作用。脂肪酸甘油酯是组成动植物油脂的主要成分，在常温下呈液态的称为油，呈固态的称为脂。根据来源又可分为植物性油脂和动物性油脂。植物性油脂包括椰子油、橄榄油、蓖麻籽油、杏仁油、花生油、大豆油和棕榈油等。动物油脂包括牛油、猪油、貂油和海龟油等。这些动植物油脂加氢后的产物称为硬化油。在化妆品中常用的硬化油有：硬化椰子油、硬化牛脂、硬化蓖麻油和硬化大豆油等。2）蜡类蜡是高碳脂肪酸和高碳脂肪醇所组成的酯。在化妆品中主要作为固定剂，增加化妆品的稳定性，调节其黏度，提高液体油的熔点，使用时对皮肤产生柔软的效果。依据来源的不同，蜡类也可分为植物性蜡和动物性蜡。植物性蜡包括巴西棕榈蜡、霍霍巴蜡和小烛树蜡等。动物蜡类包括蜂蜡、羊毛脂蜡、鲸油和虫蜡等。3）高碳烃类用于化妆品原料中的烃类主要包括烷烃和烯烃，它们在化妆品中的主要作用是其溶解作用，净化皮肤表面，还能在皮肤表面形成憎水性油膜，来抑制皮肤表面水分的蒸发，提高化妆品的功效。在化妆品中用的主要包括角鲨烷、凡士林、液体石蜡和固体石蜡等。4）粉类粉类是组成香粉、爽身粉、胭脂、牙粉和牙膏等粉类化妆品的基质原料。一般是不溶于水的固体，经