171263-26-6

自从 Fleming发现微生物产生青霉素以来，微生物成为生物活性物质的一个重要来源，为天然合成化学品提供了丰富资源。生物表面活性剂的早期研究见于 1946年，19 65年之后，微生物对烃类乳化机制的研究引起人们关注。微生物产生的表面活性剂是微生物提高石油采收率的重要机制之一。用微生物生产表面活性剂成为生物技术领域中的一个新课题 。生物表面活性剂是微生物在一定条件下培养时，在其代谢过程中分泌出来的具有一定表面活性的代谢产物，如糖脂、 多糖蛋白脂、脂肽、磷脂和脂肪酸中性类脂衍生物等。它们与一般表面活性剂分子在结构上类似，即在分子中不仅有脂肪烃链构成的非极性憎水基，同时也含有极性的亲水基。1968年，Arima 等首次发现枯草芽胞杆菌株（Bacillussubtilis）产生的是脂肽类表面活性剂，呈晶状，商品名为表面活性素（surfactin），这类表 面活性剂主要含：伊枯草菌素（Iturins）、杆菌霉素（Bacilomycin）、芬荠素（Fen gycin）和表面活性素（Surfac in）等其中surfactin的表面活性最强，是迄今报道的效果最好的生物表面活性剂之一。
脂肽（lipopeptide，peptidolipid）又名脂酰肽（acylpeptide），脂肽分子由亲水的肽键和亲油的脂肪烃链两部分组成，具有良好的表面活性，能增加憎水的烃类的生物可获得性，激发烃的生物降解，与部分重金属结合能移除被污染的土壤和沉积物中的重金属，是一类重要的生物表面活性剂；同时，还具有特殊的生物活性，能提高尿激酶的活性，防止血液凝结。大多脂肽数具有抗微生物作用，也被称为抗生素。由于其特殊的化学组成和两亲型分子结构，脂肽类生物表面活性剂在医药、微生物采油、环境治理等领域有重要的应用前景。目前发现的脂肽类生物表面活性剂有数十种。

微生物产生的脂肽种类繁多、结构复杂，即使具有同一基本结构的脂肽也存 在多种结构类似物。按脂肽结构特征将其分为环状脂肽（cyclic lipopeptide）和线形脂肽（linear lip opeptide）两大类。

• 环状脂肽

环状脂肽是指分子中具有环状结构的一类肽，肽链的C-端氨酸的羧基与或脂肪酸中的氨基或羟基相连构成环状结构。形成环状结构的成分主要是氨基酸，部分脂肽中脂肪酸链也参与成环，参与成环的脂肪链可为羟基脂肪酸和氨基脂肪酸。
1）脂肪酸成环环状脂肽：脂肪酸是环状脂肽的一部分，仅去除脂肪酸则肽环变成肽链。脂肪酸的羧基与肽链的氨基酸 N-端相连，肽链的氨基酸C-端羧基又与脂肪酸的羟基或氨基相连形成环状结构。示意结构如图：

n为1，个别为0 ；m可变，为肽环的氨基酸残基数目。
2）氨基脂肪酸成环环状脂肽：成环脂肪酸是β-氨基脂肪酸，包括7 肽的伊枯草菌素（Itur insA、C 和AL）、杆菌抗霉素（Bacillomyc in L，D，F 和LC）、抗霉枯草菌素（Mycosubtilin），其分子结构如图：


 
3）α-氨基脂肪酸成环环状脂肽：Trapoxins A，B Helicomaambiens RF 1023 产生的环状四肽TrapoxinsA和B 是一种含α-氨基脂肪酸的环状脂肽，它们具有抑制转移致癌基因v-sis 的NIH3T3 细胞（sis/NIH3T3）的转化的活性， 可以作为抗肿瘤药，其分子结构如图：

4）脂肪酸接环环状脂肽脂肪酸的羧基通过肽环中 N-端氨基酸的α-氨基与肽环直接相连，肽链 C- 端的羧基与 N -端氨基酸的羟基或非α- 氨基相连形成环状结构。这类脂肽包括棘白菌素（Echinocandins，6肽环）和环状芽孢菌素（Circulocins，5、6 肽环）。棘白菌素类的环状脂肽包括棘白菌素 B、C 和 D、牟伦多菌素（Mulundocandin）、卡泊芬净（Caspofungin）、肺念定 B0（PneumocandinB0）、 棘孢曲菌素Aγ（Aculeacin Aγ）、WF11899和FK 463等。通式如下：

环状芽孢菌素是由环状芽孢杆菌生产，这类化合物有潜在的抗革兰氏阳性菌活性，包括青霉素耐药菌链球菌和万古霉素耐药菌。
5）脂肪酸离环环状脂肽：脂肪酸链通过氨基酸间接与肽环相连，肽环中除了正常的肽键外，多有由 C-端氨基酸的羧基与氨基酸（Thr或Ser）的羟基形成的酯键，仅多粘菌素B由C- 端氨基酸的羧基与氨基酸的非 α- 氨基形成的酰胺键。这类脂肽包括丰原、制磷脂菌素（8 环肽/10肽）、 库尔斯塔克素（4环肽/7肽）、恶臭溶菌素（4环肽/12 肽）、A 54145（10环肽/13 肽）、A21978（10环肽/13）、 达托霉素、雷莫拉宁（16环肽/17肽）、多粘菌素 B（7 环肽/ 9肽），通式为：

• 线形脂肽

线形脂肽是指氨基酸依次连接成线状、首尾不相连且无环状结构的一类脂肽，脂肪酸与肽链 N -端的α-氨基或其他羟基相连。有直链结构和支链结构之分。目前报道的仅有螺旋形素（spiroidesin）及TAN 1511系列。
1）TAN1511 A , B , C：从产紫晶链孢囊菌亚种（Fukuiense AL-23456）发酵
液中可以分离制得，具有支链结构：

2）螺旋形素：螺旋鱼腥藻发酵液经取、反相高效液相色谱分离，纯化制得，结构为：

 

自从 Fleming发现微生物产生青霉素以来，微生物成为生物活性物质的一个重要来源，为天然合成化学品提供了丰富资源。生物表面活性剂的早期研究见于 1946年，19 65年之后，微生物对烃类乳化机制的研究引起人们关注。微生物产生的表面活性剂是微生物提高石油采收率的重要机制之一。用微生物生产表面活性剂成为生物技术领域中的一个新课题 。生物表面活性剂是微生物在一定条件下培养时，在其代谢过程中分泌出来的具有一定表面活性的代谢产物，如糖脂、 多糖蛋白脂、脂肽、磷脂和脂肪酸中性类脂衍生物等。它们与一般表面活性剂分子在结构上类似，即在分子中不仅有脂肪烃链构成的非极性憎水基，同时也含有极性的亲水基。1968年，Arima 等首次发现枯草芽胞杆菌株（Bacillussubtilis）产生的是脂肽类表面活性剂，呈晶状，商品名为表面活性素（surfactin），这类表 面活性剂主要含：伊枯草菌素（Iturins）、杆菌霉素（Bacilomycin）、芬荠素（Fen gycin）和表面活性素（Surfac in）等其中surfactin的表面活性最强，是迄今报道的效果最好的生物表面活性剂之一。
脂肽（lipopeptide，peptidolipid）又名脂酰肽（acylpeptide），脂肽分子由亲水的肽键和亲油的脂肪烃链两部分组成，具有良好的表面活性，能增加憎水的烃类的生物可获得性，激发烃的生物降解，与部分重金属结合能移除被污染的土壤和沉积物中的重金属，是一类重要的生物表面活性剂；同时，还具有特殊的生物活性，能提高尿激酶的活性，防止血液凝结。大多脂肽数具有抗微生物作用，也被称为抗生素。由于其特殊的化学组成和两亲型分子结构，脂肽类生物表面活性剂在医药、微生物采油、环境治理等领域有重要的应用前景。目前发现的脂肽类生物表面活性剂有数十种。

菌株筛选：毛细管法、威廉米吊片法、环法、泡压法及悬滴法、液滴轴线对称分析法和比色法。
培养条件：在铁离子富集的培养基中，Surfactin的产量会大大提高；当葡萄糖培养基中Mn2+浓度为0. 01 mmol/L时，Surfactin的质量浓度可达到2.6 g/L，是一般0.33 g /L的8倍。
营养底物：在用硝酸铵作为氮源的培养基中，当铵被消耗完以后，在厌氧条件下，微生物就会利用硝酸根作为氮源；另外，用土豆加工过程中的废液做碳源培养枯草芽孢杆菌生产Surfac in是可行性的。
生产工艺：传统的生产工艺是采用发酵罐培养细菌生产表面活性剂。有人研究了用麦麸做原料制成填充柱反应器使枯草芽孢杆菌产生表面活性剂的可行性，表明填充柱式反应器可以作为生产生物表面活性剂的固相反应体系应用于商业领域 。

评价生物表面 活性剂的表面活性可以用空气与水之间的表面张力和油/水界面间的界面张力来表示，或者用乳化液的不稳定性（破乳能力）和亲水一亲脂值（HLB）来表示；或者用生物表面活性剂的效率—临界胶束浓度（CMC）来表示。大庆华理能源生物技术有限公司生产的脂肽生物表面活性剂发酵液下罐后表面张力为26.3Mn/ml，临界胶束浓度为23.4mg/L。张翠竹等从大港炼油厂污水中筛选到一株地衣芽抱杆菌NK-X3，产生一种脂肽类生物表面活性剂，在pH4-12范围内和4000mg/L的高钙离子浓度及15% 的高盐浓度下，仍维持原有表面活性，其显著的特点是在120 ℃的高温下不失活。该产物可将水的表面张力由76.6降至35.5 Mn/ml，其乳化活性值为1.50，临界胶束浓度值为30.0mg/L，对高含胶质沥青质油的降粘率高达50%以上，增溶与脱附作用显著，可使油水互溶而形成水包油型乳化小滴，使高含蜡油有效地乳化分散。

生物表面活性剂的表面活性与化学合成的表面活性剂相当 , 但具有可生物降解的优点，因而不会造成环境危害。生物表面活性剂在多种领域内有着广泛应用前景，可用于食品、化妆品、医药以及微生物采油等行业。

• 石油开采

微生物强化采油（microbial enhanced oil recover MEOR）技术，是生物表面活性剂的一个重要应用领域。在油田开采中，经一次开采后，仍有大约70%的原油滞留在储油层中。强化采油可使采油率提高到80%-85%。用生物表面活性剂驱油，不会对环境造成污染。由地衣芽孢杆菌NK-X3产生一种脂肽类生物表面活性剂，在 pH为4～12 和钙离子质量浓度4000 mg/L的条件下，于120 ℃高温下不失活，这些特点有利于该产品在原油的增采和输送中使用。

• 抗病毒作用

surfactin对脂包膜病毒的灭活比对非脂包膜病毒的灭活效率还高，尤其疱疹病毒、逆转录病毒的灭活效率更高。它的作用机制是能与细胞膜上的磷脂（Phosph olipids）相互作用形成离子通道，螯合一、二价阳离子，从而抑制了多种酶类如Cyclic AMP phosphodiesterase和胞质PLA2的活性；表面活性素还可以与病毒脂膜（Viruslipid membrane）相互作用来破坏病毒脂膜和衣壳，从而表现出抗病毒、 抗肿瘤、抗支原体、抗真菌和一定程度的抗细菌活性。抗生素类Iturin具有广谱抑制植物病原菌的作用，能够作为生物控制剂取代部分化学杀虫剂，能有效抑制病原菌对西红柿的危害。不同的枯草芽孢杆菌菌株还能产生杆菌抗霉素类似物，也具有强烈的抗真菌活性。枯草芽孢杆菌B2菌株产生的脂肽类抗生素，用于防治大白菜软腐病和油菜菌核病，有很好的防治效果。

• 降解残留农药

在农药污染的土壤中添加脂肽生物表面活性剂或表面活性剂产生菌，能显著降解有害成分。对硫丹杀虫剂的降解率可提高 30%～45%。

• 用于防治植物病原菌

抗生素类 Iturin 具有广谱抑制植物病原菌的作用。用大豆残渣固体培养发酵得到的 Iturin 产量是液体培养的10倍，此培养液能有效抑制西红柿的丝核菌。实验表明，Iturin 能够作为生物控制剂取代化学杀虫剂，使得食品工业的有机废料经细菌转化成具有生物杀虫剂作用的有机废料，有效地实现了有机废物循环利用。不同的枯草芽孢杆菌株还能产生杆菌抗霉素类似物，也具有强烈的抗真菌活性。

• 除去受污染土壤中的重金属离子

脂肽生物表面活性剂能选择性除去土壤中的Pb、Zn、Cu和 Cd 等重金属离子。其中，Cu 最易被除去，而且，NaOH 或Na2CO3对于Cu 的除去有重要影响。能够除去重金属离子的原因在于他们带有负电荷，能结合带正电的金属阳离子。由地衣芽孢杆菌产生的脂肽地衣素能够和阳离子螯和，且地衣素是比表活素 更稳定的阳离子螯合剂，Li chenysin-Ca2+复合物的个数比是 2∶1 ，即一个Ca2 +能结合两个地衣素分子，而 Surfactin的结合比是 1∶1 。

• 发泡性能

Surfactin 在水溶液中能形成稳定的泡沫，Surfacin浓度从0.05 增加到0. 2mg /ml 发泡体积几乎不变，形成的泡沫比 BSA（牛血清白蛋白）更加均匀细腻。而且加入 BSA 后 Surfactin 的发泡产生协同增效作用。脂肽表面活性剂的脂基和肽基结构对于发泡性能有影响。碳链数为14个碳原子时发泡性能最好。碳数增加到15 以上泡沫体积急剧减少，C13 的乳化性能好而另两者的发泡性能好。碳数相同时，Surfactin 能产生更细腻的泡沫而Iturin 产生的泡沫稳定性更好，表明肽结构对于发泡性能有重要影响。

[1] 杨福廷. 脂肽类生物表面活性剂研究进展. 精细化工.2006, 23 (2):121-125.
[2] 刘向阳等. 微生物脂肽的结构. 生物技术通报. 2005,4:18-25.
[3] 吕应年等. 脂肽的分离纯化与结构研究. 2005,32 (1) :67-72.
[4] 李俊峰等. 脂肽类生物表面活性剂的研究进展. 化学与生物工程. 2015,32(1)12-15.
[5] 沈玉江等. 脂肽类生物表面活性剂发展现状.科技论坛，115-117.
[6] 吕应年等. 脂肽类生物表面活性剂的研究进展. 生物技术通报.2004,6:11-16.