SURFAKTANTY I BIOSURFAKTANTY: DO CZEGO SŁUŻĄ, PRZYKŁADY I ZASTOSOWANIA - BIOLOGIA - 2026

Środek powierzchniowo czynny to związek chemiczny zdolny do zmniejszania napięcia powierzchniowego substancji ciekłej, działający na granicy faz lub powierzchni styku między dwiema fazami, na przykład woda-powietrze lub woda-olej.

Termin surfaktant pochodzi od angielskiego słowa surfactant, które z kolei pochodzi od akronimu wyrażenia surf ace active agent, co w języku hiszpańskim oznacza środek o aktywności międzyfazowej lub powierzchniowej.

Rysunek 1. Struktura środków powierzchniowo czynnych. Źródło: główna miara, źródło Wikimedia Commons

W języku hiszpańskim słowo „środek powierzchniowo czynny” jest używane w odniesieniu do zdolności związku chemicznego do działania na napięcie powierzchniowe lub międzyfazowe. Napięcie powierzchniowe można zdefiniować jako opór, który płyny muszą zwiększać swoją powierzchnię.

Woda ma wysokie napięcie powierzchniowe, ponieważ jej cząsteczki są bardzo mocno związane i nie rozdzielają się pod wpływem nacisku na ich powierzchnię.

Na przykład niektóre owady wodne, takie jak „cobbler” (Gerris lacustris), mogą poruszać się po wodzie bez tonięcia, dzięki napięciu powierzchniowemu wody, które umożliwia tworzenie się błony na jej powierzchni.

Rysunek 2. Owad zdolny do poruszania się po wodzie. Źródło: TimVickers, z Wikimedia Commons

Ponadto stalowa igła pozostaje na powierzchni wody i nie tonie ze względu na napięcie powierzchniowe wody.

Struktura i funkcja surfaktantów

Wszystkie środki powierzchniowo czynne lub środki powierzchniowo czynne są z natury amfifilowe, to znaczy mają podwójne zachowanie, ponieważ mogą rozpuszczać związki polarne i niepolarne. Struktura surfaktantów składa się z dwóch głównych części:

• Hydrofilowa głowa polarna, podobna do wody i związków polarnych.
• Lipofilowy, hydrofobowy niepolarny ogon, podobny do związków niepolarnych.

Głowica polarna może być niejonowa lub jonowa. Ogon środka powierzchniowo czynnego lub część niepolarna może być łańcuchem węglowym i wodorowym alkilu lub alkilobenzenu.

Ta bardzo szczególna struktura nadaje surfaktantowym związkom chemicznym podwójne, amfifilowe zachowanie: powinowactwo do związków lub faz polarnych, rozpuszczalnych w wodzie, a także powinowactwo do związków niepolarnych, nierozpuszczalnych w wodzie.

Ogólnie rzecz biorąc, środki powierzchniowo czynne zmniejszają napięcie powierzchniowe wody, umożliwiając jej rozszerzanie się i płynięcie w większym stopniu, zwilżając sąsiednie powierzchnie i fazy.

Do czego służą środki powierzchniowo czynne?

Chemikalia powierzchniowo czynne wywierają swoje działanie na powierzchnie lub interfejsy.

Po rozpuszczeniu w wodzie migrują na przykład do granicy faz woda-olej lub woda-powietrze, gdzie mogą funkcjonować jako:

• Środki dyspergujące i solubilizujące nierozpuszczalne lub słabo rozpuszczalne w wodzie związki.
• Humektanty, ponieważ sprzyjają przechodzeniu wody do nierozpuszczalnych w niej faz.
• Stabilizatory do emulsji związków nierozpuszczalnych w wodzie i wodzie, np. Olej i woda z majonezu.
• Niektóre środki powierzchniowo czynne promują, a inne zapobiegają pienieniu.

Biosurfaktanty: środki powierzchniowo czynne pochodzenia biologicznego

Gdy środek powierzchniowo czynny pochodzi z żywego organizmu, nazywany jest biosurfaktantem.

Mówiąc ściślej, biosurfaktanty są uważane za amfifilowe związki biologiczne (o podwójnym działaniu chemicznym, rozpuszczalne w wodzie i tłuszczu), wytwarzane przez mikroorganizmy, takie jak drożdże, bakterie i grzyby strzępkowe.

Biosurfaktanty są wydalane lub zatrzymywane jako część błony komórkowej drobnoustrojów.

Również niektóre biosurfaktanty są wytwarzane w procesach biotechnologicznych przy użyciu enzymów, które działają na biologiczny związek chemiczny lub produkt naturalny.

Przykłady biosurfaktantów

Naturalne biosurfaktanty obejmują saponiny roślinne, takie jak kwiat kajeński (Hibiscus sp.), Lecytyna, soki żółciowe ssaków czy surfaktant płucny człowieka (o bardzo ważnych funkcjach fizjologicznych).

Ponadto aminokwasy i ich pochodne, betainy i fosfolipidy, wszystkie te naturalne produkty pochodzenia biologicznego, są biosurfaktantami.

Klasyfikacja biosurfaktantów i przykłady

-Zgodnie z naturą ładunku elektrycznego w części polarnej lub głowie

Biosurfaktanty można podzielić na następujące kategorie, w zależności od ładunku elektrycznego ich głowy polarnej:

Anionowe biosurfaktanty

Mają ujemny ładunek na końcu polarnym, często z powodu obecności grupy sulfonianowej - SO ₃ ^- .

Kationowe biosurfaktanty

Mają dodatni ładunek na głowie, zwykle czwartorzędową grupę amoniową NR ₄ ⁺ , gdzie R reprezentuje łańcuch węgla i wodoru.

Amfoteryczne biosurfaktanty

Mają zarówno ładunki dodatnie, jak i ujemne na tej samej cząsteczce.

Niejonowe biosurfaktanty

Nie mają w głowach jonów ani ładunków elektrycznych.

-Zgodnie ze swoim chemicznym charakterem

Ze względu na ich charakter chemiczny biosurfaktanty dzieli się na następujące typy:

Biosurfaktanty glikolipidowe

Glikolipidy to cząsteczki, które w swojej strukturze chemicznej mają część lipidów lub tłuszczu oraz część cukru. Większość znanych biosurfaktantów to glikolipidy. Te ostatnie składają się z siarczanów cukrów, takich jak glukoza, galaktoza, mannoza, ramnoza i galaktoza.

Wśród glikolipidów najbardziej znane są ramnolipidy, szeroko badane bioemulgatory o wysokiej aktywności emulgującej i wysokim powinowactwie do hydrofobowych cząsteczek organicznych (które nie rozpuszczają się w wodzie).

Są one uważane za najskuteczniejsze środki powierzchniowo czynne do usuwania związków hydrofobowych w zanieczyszczonych glebach.

Przykłady ramnolipidów obejmują środki powierzchniowo czynne produkowane przez bakterie z rodzaju Pseudomonas.

Istnieją inne glikolipidy produkowane przez firmę Torulopsis sp., O działaniu biobójczym, stosowane w kosmetykach, produktach przeciwłupieżowych, bakteriostatykach oraz jako dezodoranty do ciała.

Biosurfaktanty lipoproteinowe i lipopeptydowe

Lipoproteiny to związki chemiczne, które w swojej strukturze mają część lipidową lub tłuszczową oraz inną część białka.

Na przykład Bacillus subtilis to bakteria produkująca lipopeptydy zwane surfaktynami. Są to jedne z najsilniejszych biosurfaktantów redukujących napięcie powierzchniowe.

Surfaktyny mają zdolność wywoływania lizy erytrocytów (rozpadu czerwonych krwinek) u ssaków. Ponadto mogą być stosowane jako środki biobójcze na szkodniki, takie jak małe gryzonie.

Biosurfaktanty kwasów tłuszczowych

Niektóre mikroorganizmy mogą utleniać alkany (łańcuchy węglowe i wodorowe) do kwasów tłuszczowych, które mają właściwości powierzchniowo czynne.

Biosurfaktanty fosfolipidowe

Fosfolipidy to związki chemiczne posiadające grupy fosforanowe (PO ₄ ^3- ), przyłączone do części o budowie lipidowej. Są częścią błon mikroorganizmów.

Niektóre bakterie i drożdże żywiące się węglowodorami, gdy rosną na podłożach alkanowych, zwiększają ilość fosfolipidów w swojej błonie. Na przykład Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans i Rhodococcus erythropolis.

Polimerowe biosurfaktanty

Polimerowe biosurfaktanty to makrocząsteczki o dużej masie cząsteczkowej. Najbardziej przebadanymi biosurfaktantami z tej grupy są: emulgator, liposukcja, kompleksy mannoproteinowe i polisacharydowo-białkowe.

Na przykład bakteria Acinetobacter calcoaceticus wytwarza emulgator polianionowy (z różnymi ładunkami ujemnymi), bardzo skuteczny bioemulgator węglowodorów w wodzie. Jest to również jeden z najsilniejszych znanych stabilizatorów emulsji.

Liposan jest rozpuszczalnym w wodzie, pozakomórkowym emulgatorem, składającym się z polisacharydów i białka Candida lipolytica.

Higiena środowiska

Biosurfaktanty są stosowane w bioremediacji gleb zanieczyszczonych toksycznymi metalami, takimi jak uran, kadm i ołów (biosurfaktanty Pseudomonas spp. I Rhodococcus spp.).

Znajdują również zastosowanie w procesach bioremediacji gleb i wód zanieczyszczonych wyciekami benzyny lub ropy.

Rysunek 3. Biosurfaktanty są stosowane w procesach odkażania środowiska z powodu wycieków ropy. Źródło: Ministerstwo Spraw Zagranicznych Ekwadoru, źródło Wikimedia Commons

Na przykład Aeromonas sp. wytwarza biosurfaktanty, które umożliwiają degradację oleju lub redukcję dużych cząsteczek do mniejszych, które służą jako składniki odżywcze dla mikroorganizmów, bakterii i grzybów.

W procesach przemysłowych

Biosurfaktanty są stosowane w przemyśle detergentów i środków czyszczących, ponieważ wzmacniają działanie czyszczące rozpuszczając w wodzie tłuszcze zabrudzające ubrania lub powierzchnie.

Znajdują również zastosowanie jako pomocnicze związki chemiczne w przemyśle tekstylnym, papierniczym i garbarskim.

W przemyśle kosmetycznym i farmaceutycznym

W przemyśle kosmetycznym Bacillus licheniformis wytwarza biosurfaktanty, które są stosowane jako produkty przeciwłupieżowe, bakteriostatyczne i dezodorujące.

Niektóre biosurfaktanty są stosowane w przemyśle farmaceutycznym i biomedycznym ze względu na ich działanie przeciwbakteryjne i / lub przeciwgrzybicze.

W przemyśle spożywczym

W przemyśle spożywczym biosurfaktanty są wykorzystywane do produkcji majonezu (będącego emulsją wody i oleju jajecznego). Te biosurfaktanty pochodzą z lektyn i ich pochodnych, które poprawiają jakość i dodatkowo smak.

W rolnictwie

W rolnictwie biosurfaktanty są stosowane do biologicznego zwalczania patogenów (grzybów, bakterii, wirusów) w uprawach.

Innym zastosowaniem biosurfaktantów w rolnictwie jest zwiększenie dostępności mikroelementów z gleby.

Bibliografia

1. Banat, IM, Makkar, RS i Cameotra, SS (2000). Potencjalne komercyjne zastosowania mikrobiologicznych środków powierzchniowo czynnych. Technologia stosowanej mikrobiologii. 53 (5): 495–508.
2. Cameotra, SS i Makkar, RS (2004). Najnowsze zastosowania biosurfaktantów jako cząsteczek biologicznych i immunologicznych. Aktualne opinie w mikrobiologii. 7 (3): 262–266.
3. Chen, SY, Wei, YH i Chang, JS (2007). Powtarzana fermentacja wsadowa pH-stat z zasilaniem w celu produkcji ramnolipidów przy użyciu autochtonicznej bakterii Pseudomonas aeruginosa Applied Microbiology Biotechnology. 76 (1): 67–74.
4. Mulligan, CN (2005). Zastosowania środowiskowe biosurfaktantów. Zanieczyszczenie środowiska. 133 (2): 183-198. Doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. and Liu, T. (2018). Biosurfaktanty poprawiły usuwanie metali ciężkich z szlamu podczas obróbki elektrokinetycznej. Dziennik Inżynierii Chemicznej. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.