OVERFLADEAKTIVE STOFFER OG BIOSURFAKTANTER: HVAD DET ER TIL, EKSEMPLER OG ANVENDELSER - BIOLOGI - 2025

Et overfladeaktivt middel er en kemisk forbindelse, der er i stand til at reducere overfladespændingen af ​​et flydende stof, der virker ved en grænseflade eller kontaktoverflade mellem to faser, for eksempel vand-luft eller vand-olie.

Udtrykket overfladeaktivt middel kommer fra det engelske ord overfladeaktivt middel, som igen er afledt af forkortelsen af ​​udtrykket surf-ace-aktivt middel, hvilket betyder på spansk middel med grænseflade- eller overfladeaktivitet.

Figur 1. Struktur af overfladeaktive stoffer. Kilde: Større foranstaltning fra Wikimedia Commons

På spansk bruges ordet "overfladeaktivt middel", der henviser til en kemisk forbindelses evne til at virke på overfladespænding eller grænsefladespænding. Overfladespænding kan defineres som en modstand, som væsker er nødt til at øge deres overflade.

Vand har en høj overfladespænding, fordi dets molekyler er meget tæt bundet og modstår adskillelse, når der udøves et tryk på deres overflade.

F.eks. Kan nogle akvatiske insekter, såsom "skomager" (Gerris lacustris), bevæge sig på vandet uden at synke takket være vandets overfladespænding, som tillader dannelse af en film på dens overflade.

Figur 2. Insekt, der er i stand til at bevæge sig på vand. Kilde: TimVickers, fra Wikimedia Commons

En stålnål forbliver også på overfladen af ​​vandet og synker ikke på grund af vandets overfladespænding.

Struktur og funktion af overfladeaktive stoffer

Alle kemiske stoffer med overfladeaktivt middel eller overfladeaktivt middel er amfifile i naturen, dvs. at de har en dobbelt opførsel på grund af det faktum, at de kan opløse polære og ikke-polære forbindelser. Overfladeaktive stoffer har to hoveddele i deres struktur:

• Et hydrofilt polært hoved, beslægtet med vand og polære forbindelser.
• En lipofil, hydrofob ikke-polær hale, beslægtet med ikke-polære forbindelser.

Det polære hoved kan være ikke-ionisk eller ionisk. Den overfladeaktive hale, eller den apolære del, kan være en alkyl- eller alkylbenzencarbon- og brintkæde.

Denne meget bestemte struktur giver overfladeaktive kemiske forbindelser en dobbelt, amfifil adfærd: affinitet for polære forbindelser eller faser, opløselig i vand og også affinitet for ikke-polære forbindelser, uopløselig i vand.

Generelt reducerer overfladeaktive stoffer vandets overfladespænding, hvilket tillader denne væske at udvide sig og strømme i større grad, idet de tilstødende overflader og faser befugtes.

Hvad er overfladeaktive stoffer til?

Overfladeaktive kemikalier udøver deres aktivitet på overflader eller grænseflader.

Når de opløses i vand, vandrer de til vand-olie- eller vand-luft-grænsefladerne, hvor de kan fungere som:

• Dispergeringsmidler og opløsningsmidler af uopløselige eller dårligt opløselige forbindelser i vand.
• Humektanter, da de foretrækker passage af vand til uopløselige faser i det.
• Stabilisatorer til emulsioner af forbindelser, der er uopløselige i vand og vand, såsom olie og vand fra mayonnaise.
• Nogle overfladeaktive stoffer promoverer, og andre forhindrer skumdannelse.

Biosurfaktanter: overfladeaktive stoffer af biologisk oprindelse

Når det overfladeaktive middel kommer fra en levende organisme, kaldes det et biosurfaktant.

I en mere streng forstand betragtes biosurfaktanter som amfifile biologiske forbindelser (med dobbelt kemisk opførsel, opløselig i vand og fedt), produceret af mikroorganismer såsom gær, bakterier og filamentøs svamp.

Biosurfaktanter udskilles eller fastholdes som en del af den mikrobielle cellemembran.

Nogle biosurfaktanter fremstilles også ved bioteknologiske processer ved hjælp af enzymer, der virker på en biologisk kemisk forbindelse eller et naturligt produkt.

Eksempler på biosurfaktanter

Naturlige biosurfaktanter inkluderer plantesaponiner, såsom cayenneblomst (Hibiscus sp.), Lecithin, galdesafter fra pattedyr eller humant lungetensidaktivt middel (med meget vigtige fysiologiske funktioner).

Derudover er aminosyrer og deres derivater, betainer og phospholipider, alle disse naturlige produkter af biologisk oprindelse, biosurfaktanter.

Klassificering af biosurfaktanter og eksempler

-I henhold til arten af ​​den elektriske ladning i den polære del eller hoved

Biosurfaktanter kan grupperes i følgende kategorier baseret på den elektriske ladning af deres polære hoved:

Anioniske biosurfaktanter

De har en negativ ladning i den polære ende, ofte på grund af tilstedeværelsen af ​​en sulfonatgruppe –SO ₃ ^-.

Kationiske biosurfaktanter

De har en positiv ladning på hovedet, sædvanligvis en kvaternær ammoniumgruppe NR ₄ ⁺, hvor R betyder en kæde af carbon og hydrogen.

Amfotere biosurfaktanter

De har både positive og negative ladninger på det samme molekyle.

Ikke-ioniske biosurfaktanter

De har ikke ioner eller elektriske ladninger i hovedet.

-I henhold til dets kemiske natur

I henhold til deres kemiske karakter klassificeres biosurfaktanter i følgende typer:

Glycolipid biosurfaktanter

Glykolipider er molekyler, der i deres kemiske struktur har en del af lipid eller fedt og en del af sukker. De fleste af de kendte biosurfaktanter er glycolipider. Sidstnævnte består af sulfater af sukkerarter, såsom glukose, galactose, mannose, rhamnose og galactose.

Blandt glycolipiderne er de bedst kendte rhamnolipider, bioemulgatorer, der er blevet undersøgt omfattende, med høj emulgeringsaktivitet og høj affinitet for hydrofobe organiske molekyler (som ikke opløses i vand).

Disse betragtes som de mest effektive overfladeaktive stoffer til fjernelse af hydrofobe forbindelser i forurenet jord.

Eksempler på rhamnolipider inkluderer overfladeaktive stoffer produceret af bakterier af slægten Pseudomonas.

Der er andre glycolipider, produceret af Torulopsis sp., Med biocid aktivitet og brugt i kosmetik, mælkeprodukt, bakteriostats og som kropsdeodoranter.

Lipoprotein og lipopeptid biosurfaktanter

Lipoproteiner er kemiske forbindelser, der i deres struktur har en del af lipid eller fedt og en anden del af protein.

For eksempel er Bacillus subtilis en bakterie, der producerer lipopeptider kaldet surfactiner. Disse er blandt de mest kraftfulde overfladespændingsreducerende biosurfaktanter.

Surfactiner har evnen til at producere erythrocytelyse (nedbrydning af røde blodlegemer) hos pattedyr. Derudover kan de bruges som biocider til skadedyr som små gnavere.

Fedtsyrebiosurfaktanter

Nogle mikroorganismer kan oxidere alkaner (kulstof- og brintkæder) til fedtsyrer, der har overfladeaktive egenskaber.

Phosfolipid-biosurfaktanter

Phospholipider er kemiske forbindelser, der har fosfatgrupper (PO ₄ ^3-), der er knyttet til en del med en lipidstruktur. De er en del af membranerne i mikroorganismer.

Visse bakterier og gærer, der lever af kulbrinter, når de dyrkes på alkansubstrater, øger mængden af ​​phospholipider i deres membran. F.eks. Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans og Rhodococcus erythropolis.

Polymeriske biosurfaktanter

Polymeriske biosurfaktanter er makromolekyler med høj molekylvægt. De mest studerede biosurfaktanter i denne gruppe er: emulgator, fedtsugning, mannoprotein og polysaccharid-proteinkomplekser.

F.eks. Producerer bakterien Acinetobacter calcoaceticus polyanionisk emulgator (med forskellige negative ladninger), en meget effektiv bioemulgator for kulbrinter i vand. Det er også en af ​​de mest kraftfulde emulsionsstabilisatorer, der er kendt.

Liposan er et vandopløseligt, ekstracellulært emulgator bestående af polysaccharider og Candida lipolytica-protein.

Miljøhygiejne

Biosurfaktanter anvendes til bioremediering af jord, der er forurenet med giftige metaller, såsom uran, cadmium og bly (biosurfaktanter af Pseudomonas spp. Og Rhodococcus spp.).

De bruges også i bioremedieringsprocesser af jord og vand, der er forurenet med benzin eller oliespild.

Figur 3. Biosurfaktanter bruges i miljømæssige sanitetsprocesser på grund af oliespild. Kilde: Ecuadors udenrigsministerium, via Wikimedia Commons

For eksempel har Aeromonas sp. producerer biosurfaktanter, der tillader nedbrydning eller reduktion af store molekyler til mindre molekyler, der tjener som næringsstoffer til mikroorganismer, bakterier og svampe.

I industrielle processer

Biosurfaktanter bruges i vaske- og rengøringsindustrien, da de forbedrer rengøringsvirkningen ved at opløse de fedtstoffer, der beskidt tøj eller overflader i vaskevandet.

De bruges også som hjælpekemiske forbindelser inden for tekstil-, papir- og garveriindustrien.

I kosmetik- og farmaceutisk industri

I kosmetikindustrien producerer Bacillus licheniformis biosurfaktanter, der bruges som mælkeprodukt, bakteriostatisk og deodorant.

Nogle biosurfaktanter anvendes i den farmaceutiske og biomedicinske industri til deres antimikrobielle og / eller antifungale aktivitet.

I fødevareindustrien

I fødevareindustrien bruges biosurfaktanter til fremstilling af mayonnaise (som er en emulsion af ægvand og olie). Disse biosurfaktanter kommer fra lektiner og deres derivater, der forbedrer kvaliteten og desuden smag.

I landbruget

I landbruget bruges biosurfaktanter til biologisk bekæmpelse af patogener (svampe, bakterier, vira) i afgrøder.

En anden anvendelse af biosurfaktanter i landbruget er at øge tilgængeligheden af ​​mikronæringsstoffer fra jorden.

Referencer

1. Banat, IM, Makkar, RS og Cameotra, SS (2000). Potentielle kommercielle anvendelser af mikrobielle overfladeaktive stoffer. Anvendt mikrobiologi teknologi. 53 (5): 495-508.
2. Cameotra, SS og Makkar, RS (2004). Nylige anvendelser af biosurfaktanter som biologiske og immunologiske molekyler. Aktuelle udtalelser inden for mikrobiologi. 7 (3): 262-266.
3. Chen, SY, Wei, YH og Chang, JS (2007). Gentagen pH-stat-fødet-batchfermentering til rhamnolipidproduktion med oprindelig Pseudomonas aeruginosa Anvendt mikrobiologi-bioteknologi. 76 (1): 67-74.
4. Mulligan, CN (2005). Miljøanvendelser til biosurfaktanter. Miljøforurening. 133 (2): 183-198.doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. og Liu, T. (2018). Biosurfaktanter forbedrede fjernelse af tungmetaller fra slam i den elektrokinetiske behandling. Kemisk teknik Tidsskrift. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.