Поверхнево-активні речовини і біоповерхнево-активні речовини, що вони є, приклади і застосування



A поверхнево-активна речовина являє собою хімічну сполуку, здатну зменшувати поверхневий натяг рідкої речовини, що діє на поверхні розділу або контактної поверхні між двома фазами, наприклад, водою повітря або водою.

Термін поверхнево-активна речовина походить від англійського слова поверхнево-активна речовина, що в свою чергу випливає з абревіатури виразу серфінгace активного агента, що означає іспанський агент з міжфазною або поверхневою активністю.

У іспанській мові використовується слово "поверхнево-активна речовина", що посилається на діючу здатність хімічної сполуки на поверхневий або міжфазний натяг. Поверхневий натяг може бути визначений як стійкість рідини до збільшення їх поверхні.

Вода має високий поверхневий натяг, тому що його молекули дуже сильно зв'язані між собою і протистоять відділенню, коли тиск впливає на його поверхню.

Наприклад, деякі водні комахи, такі як "сапожник" (Gerris lacustris), Можна рухатися по воді без опускання, завдяки поверхневому натягу води, що дозволяє формувати плівку на її поверхні.

Крім того, сталева голка утримується над поверхнею води і не тоне, внаслідок поверхневого натягу води.

Індекс

  • 1 Структура і робота ПАР
  • 2 Для чого використовуються поверхнево-активні речовини??
  • 3 Біосорфактанти: поверхнево-активні речовини біологічного походження
    • 3.1 Приклади біоповерхнево-активних речовин
  • 4 Класифікація біоповерхнево-активних речовин та приклади
    • 4.1 - За характером електричного заряду в полярній або головній частині
    • 4.2 - За своєю хімічною природою
    • 4.3 - За його молекулярною масою
  • 5 Виробництво біорозчинників
  • 6 Застосування біоповерхневих речовин
    • 6.1 Нафтова промисловість
    • 6.2 Екологічна санітарія
    • 6.3 У промислових процесах
    • 6.4 У косметичній та фармацевтичній промисловості
    • 6.5 У харчовій промисловості
    • 6.6 У сільському господарстві
  • 7 Посилання

Структура і робота ПАР

Всі хімічні поверхнево-активні речовини або поверхнево-активні речовини мають природу амфіфільний, тобто вони мають подвійну поведінку, тому що вони можуть розчиняти полярні і неполярні сполуки. Поверхнево-активні речовини мають у своїй структурі дві основні частини:

  • Гідрофільна полярна головка, подібна до води і полярних сполук.
  • Неполярний гідрофобний, ліпофільний хвіст, пов'язаний з неполярними сполуками.

Полярна головка може бути неіонною або іонною. Хвіст поверхнево-активної речовини або аполярної частини, може представляти собою ланцюг вуглецю і водень алкила або алкилбензола.

Ця особлива структура надає хімічним сполукам поверхнево-активної речовини подвійну амфіфільну поведінку: спорідненість до сполук або полярних фаз, розчинних у воді, а також спорідненість до неполярних сполук, нерозчинних у воді.

Взагалі, поверхнево-активні речовини знижують поверхневий натяг води, що дозволяє цій рідині розширюватися і текти більшою мірою, зволожуючи сусідні поверхні і фази.

Для чого використовуються поверхнево-активні речовини??

Хімічні сполуки ПАВ проявляють свою активність на поверхнях або інтерфейсах.

Коли вони розчиняються у воді, вони мігрують у водно-масляні або водно-повітряні інтерфейси, наприклад, де вони можуть функціонувати як:

  • Диспергатори і солюбілізатори нерозчинних або погано розчинних сполук у воді.
  • Зволожувачі, тому що вони сприяють проходженню води в нерозчинні фази в цьому.
  • Емульсії стабілізаторів сполук, нерозчинних у воді і воді, таких як нафта і майонезна вода.
  • Деякі поверхнево-активні речовини корисні, а інші запобігають утворенню піни.

Біосорфактанти: поверхнево-активні речовини біологічного походження

Коли поверхнево-активна речовина надходить з живого організму, його називають біосорфактант.

У більш суворому сенсі біосурфактанти розглядаються як амфіфільні біологічні сполуки (подвійної хімічної поведінки, розчинні у воді та у жирах), вироблені мікроорганізмами, такими як дріжджі, бактерії та міцеліальні гриби..

Біосорфактанти виділяються або утримуються як частина мембрани мікробної клітини.

Також деякі біосурфактанти виробляються біотехнологічними процесами з використанням ферментів, що діють на біологічні хімічні сполуки або природні продукти.

Приклади біосурфактантів

Серед природних біосурфактантів можна згадати сапоніни рослин, такі як кайенська квітка (Гібіскус sp.), лецитин, жовчні соки ссавців або людський легеневий сурфактант (з дуже важливими фізіологічними функціями).

Крім того, амінокислоти та їх похідні, бетаїни та фосфоліпіди - це всі біосорфакти, всі ці природні продукти біологічного походження.

Класифікація біосурфактантів та приклади

-За характером електричного заряду в полярній або головній частині

Біосорфактанти можуть бути згруповані в наступні категорії, залежно від електричного заряду полярної голови:

Аніонні біосурфактанти

Вони мають негативний заряд на полярному кінці, часто обумовлений наявністю сульфонатной групи -SO3-.

Катіонні біосурфактанти

Вони мають позитивний заряд на голові, зазвичай четвертинні амонієві групи NR4+, де R являє собою вуглецевий і водневий ланцюг.

Амфотерні біосурфактанти

Вони мають дві заряди, позитивні і негативні в одній молекулі.

Неіоногенні біоповерхневі речовини

У їхніх головах немає іонів або електричних зарядів.

-За своєю хімічною природою

За їхньою хімічною природою біосорфактанти поділяються на наступні типи:

Гліколіпідні біосурфактанти

Гліколіпіди - це молекули, що мають у своїй хімічній структурі частину ліпідів або жиру і частину цукру. Найбільш відомими біоповерхневими речовинами є гліколіпіди. Останні складаються з сульфатів цукрів, таких як глюкоза, галактоза, маноза, рамноза і галактоза.

Серед гліколіпідів найбільш відомими є широко вивчені рамноліпіди, біомельгатори, висока емульгуюча активність і висока спорідненість до гідрофобних органічних молекул (які не розчиняються у воді).

Вони вважаються найбільш ефективними поверхнево-активними речовинами для видалення гідрофобних сполук на забрудненому грунті.

В якості прикладів рамнолипидов можна згадати поверхнево-активні речовини, які продукують бактерії роду Pseudomonas.

Є й інші гліколіпіди, що продукуються Torulopsis sp., з біоцидною активністю і застосовується в косметиці, проти лупи, бактеріостатичних препаратах і в якості дезодорантів для тіла.

Біосорфактанти ліпопротеїнів і липопептидов

Ліпопротеїни - це хімічні сполуки, що мають частину ліпідів або жирів у своїй структурі та іншу частину білка.

Наприклад, Bacillus subtilis являє собою бактерію, яка продукує ліпопептиди, звані поверхневими речовинами. Це найпотужніші поверхневі натяги, що зменшують біоповерхневі речовини.

Поверхневі речовини мають здатність виробляти лізис еритроцитів (розриву еритроцитів) ссавців. Крім того, вони можуть бути використані як біоциди шкідників як дрібні гризуни.

Біосорфакти жирних кислот

Деякі мікроорганізми можуть окислювати алкани (вуглецеві та водневі ланцюги) до жирних кислот, які мають властивості ПАР.

Фосфоліпідні біосурфактанти

Фосфоліпіди є хімічними сполуками, які мають фосфатні групи (РО43-), приєднаний до частини з ліпідною структурою. Вони входять до складу мембран мікроорганізмів.

Деякі бактерії і дріжджі, які харчуються вуглеводнями, коли вони ростуть на алканових субстратах, збільшують кількість фосфоліпідів у їх мембрані. Наприклад, Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans і Rhodococcus erythropolis.

Полімерні біоповерхневі речовини

Полімерні біоповерхневі речовини є макромолекулами високої молекулярної маси. Найбільш вивченими біосурфактантами цієї групи є: емульсан, ліпосан, маннопротеин і полісахарид-білкові комплекси..

Наприклад, бактерія Acinetobacter calcoaceticus виробляє поліаніонні емульсани (з кількома негативними зарядами), дуже ефективний біоемульгатор для вуглеводнів у воді. Він також є одним з найбільш потужних відомих стабілізаторів емульсії.

Ліпосан являє собою позаклітинний емульгатор, розчинний у воді, утворений полісахаридами і білком Candida lipolytica.

Saccharomyces cereviseae виробляє великі кількості маннопротеинов з відмінною емульгуючою активністю масел, алканів і органічних розчинників.

-За своєю молекулярною масою

Біосорфікати поділяються на дві категорії:

Низькомолекулярні біосурфактанти

З незначними поверхневими і міжфазними напругами. Наприклад, рамноліпіди.

Високомолекулярні полімерні біоповерхневі речовини

Що сильно зв'язується з поверхнями, такими як харчові біоемульгатори.

Виробництво біоповерхневих речовин

Для виробництва біоповерхневих речовин в біореакторах використовуються культури мікроорганізмів. Більшість цих мікроорганізмів виділяють із забруднених середовищ, таких як ділянки промислових відходів або кар'єри вуглеводнів, викинуті нафтовою промисловістю.

Ефективне виробництво біосурфактантів залежить від декількох факторів, таких як природа субстрату або джерела вуглецю, що використовуються в якості культурального середовища, і його ступінь солоності. Крім того, це залежить від таких факторів, як температура, рН і доступність кисню.

Застосування біосурфактантів

В даний час існує величезна комерційна потреба в біосурфактантах, оскільки поверхнево-активні речовини, отримані в результаті хімічного синтезу (з нафтових похідних), є токсичними, не піддаються біологічному розкладанню і тому мають екологічні норми для їх використання.

Ці проблеми викликали значний інтерес до біосурфактантів як біорозкладаних, нетоксичних альтернатив.

Біосорфактанти мають застосування у багатьох областях, таких як:

Нафтової промисловості

Біосорфакти використовуються при видобутку нафти та біоремедіації (дезактивації живими організмами) вуглеводнів; Наприклад: біосорфактант Arthrobacter sp.

Вони також застосовуються в процесах біодесульфуризації (усунення сірки за допомогою мікроорганізмів) нафти. Були використані види роду Rhodococcus.

Екологічна санітарія

Біосорфактанти використовуються для біоремедіації ґрунтів, забруднених токсичними металами, такими як уран, кадмій і свинець (біосорфактанти з Pseudomonas spp. і Rhodococcus spp.).

Вони також використовуються в процесах біоремедіації ґрунтів і води, забрудненої розливами бензину або нафти.

Наприклад, Aeromonas sp. виробляє біосурфактанти, які дозволяють деградацію нафти або зменшення великих молекул до більш дрібних, які служать поживними речовинами для бактерій і грибів мікроорганізмів.

У промислових процесах

Біосорфактанти використовуються в промисловості мийних і очищувальних засобів, оскільки вони підвищують дію очищення, розчиняючи жири, які забруднюють одяг або поверхні, в промивній воді.

Вони також використовуються як допоміжні хімічні сполуки в текстильній, паперовій та шкіряній промисловості.

У косметичній та фармацевтичній промисловості

У косметичній промисловості, Bacillus licheniformis виробляє біосурфактанти, які використовуються в якості протипожежних, бактеріостатичних і дезодорантних продуктів.

Деякі біосорфактанти використовуються у фармацевтичній та біомедичній промисловості для їх антимікробної та / або протигрибкової активності.

У харчовій промисловості

У харчовій промисловості біосурфактанти використовуються у виробництві майонезу (який являє собою емульсію яєчної води та олії). Ці біосурфактанти походять з лектинів та їх похідних, які покращують якість і додатково аромат.

У сільському господарстві

У сільському господарстві біосурфактанти використовуються для біологічного контролю патогенів (грибів, бактерій, вірусів) культур.

Іншим застосуванням біосорфактантів у сільському господарстві є збільшення доступності ґрунту в мікроелементах.

Список літератури

  1. Banat, I.M., Makkar, R.S. і Cameotra, S.S. (2000). Потенційні комерційні застосування мікробних ПАР. Технологія прикладної мікробіології. 53 (5): 495-508.
  2. Cameotra, S.S. і Makkar, R.S. (2004). Нещодавні застосування біосурфактантів як біологічних і імунологічних молекул. Актуальні думки в мікробіології. 7 (3): 262-266.
  3. Chen, S.Y., Wei, Y.H. і Chang, J.S. (2007). Повторне рН-стат-підживлення-серійне бродіння для виробництва ячменю з корінними Pseudomonas aeruginosa Прикладна мікробіологія Біотехнологія. 76 (1): 67-74.
  4. Mulligan, C.N. (2005). Екологічні застосування для біоповерхневих речовин. Забруднення навколишнього середовища. 133 (2): 183-198.doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
  5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. і Liu, T. (2018). Біосорфактанти підвищували видалення важких металів з осаду в електрокінетичній обробці. Журнал хімічної інженерії. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.