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1、2011 年第 30 卷第 3 期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 607 化 工 进 展 糖脂类生物表面活性剂的性质及其潜在应用进展 何海洋，陆利霞，姚丽丽，熊晓辉 （南京工业大学食品与轻工学院，江苏 南京 210009） 摘 要：与化学合成的表面活性剂相比微生物产生的生物表面活性剂具有表面活性高、良好的抑菌作用以及环 境友好等独特的性质。其中糖脂类生物表面活性剂由于其高产量和多功能生化特性，成为最有发展前途的生物 表面活性剂之一。本文综述了糖脂类生物表面活性剂的特性及潜在的应用。 关键词：糖脂；生物表面活性剂；特性 中图分类号：Q 54
2、6 文献标志码：A 文章编号：10006613（2011）03060706 Properties of glycolipid biosurfactants and their potential applications HE Haiyang，LU Lixia，YAO Lili，XIONG Xiaohui （School of Food Science and Light Industry，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，Jiangsu，China） Abstract：Biosurfactants（BS）produced by a
3、 variety of microorganisms show unique properties（e.g. high surface activity，good anti-microbial activity and environmental friendliness）compared to chemical surfactants. Glycolipid biosurfactants are the most promising ones in the future，due to high productivity and versatile biochemical properties
4、. The properties and potential applications of glycolipid biosurfactants are reviewed. Key words：glycolipid；biosurfactants；property 生物表面活性剂由不同的微生物利用可再生 资源如植物油、碳水化合物等生产得到。在发现之 初，由于其高可降解性和安全性，主要以“化学表 面活性剂的替代品” 引起人们的注意。 在近十年中， 生物表面活性剂以独特的性质，如常规的化学表面 活性剂不具备的生物化学性质，逐渐被重视。除了 这些优势外，随着生物技术发展，生物表面活性剂 的生产效率得到
5、改善1。 与化学表面活性剂相比生物表面活性剂有如 下特性：一个或多个官能团和手性中心；庞大 而复杂的结构；较高的生物降解性和低毒性； 低临界胶束浓度和较高的表面活性；逐步吸附和 持久的活性；多功能生物活性。由于这些特点， 生物表面活性剂的生产和应用已得到了广泛的研 究，并可能代替化学合成的表面活性剂。 生物表面活性剂根据亲水部分的结构不同主 要分为糖脂类2、脂肪酸类3、脂肽类4和聚合表面 活性剂5。在这些生物表面活性剂中，糖脂类生物 表面活性剂由于其高产量而得到了广泛的研究，具 有代表性的糖脂类生物表面活性剂的结构及生产菌 株分别见图 1图 4 和表 1。 本文主要介绍糖脂类生 物表面活性剂的
6、特性及潜在应用。 图 1 甘露糖赤藓糖醇脂 进展与述评 收稿日期：2010-07-22；修改稿日期：2010-11-09。 第一作者：何海洋（1986） ，女，硕士研究生。联系人：陆利霞， 博士，副教授。E-mail 。 DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2011.03.021 化 工 进 展 2011 年第 30 卷 608 图 2 鼠李糖脂 图 3 槐糖脂 图 4 海藻糖脂 1 糖脂类生物表面活性剂的主要种 类及性质 糖脂类生物表面活性剂分子结构是由疏水基 和亲水基两部分组成，疏水基一般为脂肪酰基链， 亲水基则为糖基等多种形式。糖脂类生物表面活性 剂具有多功能表面
7、活性，包括乳化、分散、增溶、 发泡、渗透、润湿功能13。 表 1 常见的糖脂类生物表面活性剂及其生产菌株 生物表面活性剂 生产菌株 参考文献 甘露糖赤藓糖醇脂 Pseudozyma antarctica 2 Pseudozyma rugulosa 6 Pseudozyma hubeiensis 7 槐糖脂 Candida bombicola 8 Candida batistae 8 鼠李糖脂 Pseudomonas aeruginosa 9 海藻糖脂 Rhodococcus erythropolis 10 Rhodococcus rubber 10 琥珀-海藻糖脂 Rhodococcus er
8、ythropolis 11 纤维二糖脂 Ustilago maydis 12 1.1 甘露糖赤藓糖醇脂 甘露糖赤藓糖醇脂（MEL）A 和 B（图 1）能 够很好地降低表面和界面张力，尽管其疏水部分由 C7C12的中链脂肪酸组成， 但仍具有较低的临界聚 集浓度（critical aggregate concentrations，CAC） 。 通过芘荧光法得到 MEL-A 和 MEL-B 的 CAC 分别 为 4.0106 mol/L 和 6.0106 mol/L14。近来， Konishi等7发现Pseudozyma hubeiensis KM-59主要 产生 MEL-C（图 1） ，而 MEL
9、-A 和 MEL-B 为次要 产物。MEL-C 的 CAC 为 6.0106 mol/L，且能够将 水的表面张力降至 25.1 mN/m 。 MEL 具有极好的囊泡形成特性。 囊泡的形成要 求严格的亲水-疏水平衡，因此形成较困难。在玻璃 盘上水合时，MEL 能够立即装配形成直径大于 10 m 的巨型囊泡。用相差显微镜观察时，可看到多 层结构和小管。表明 MEL 具有很好的分子取向及 亲水、疏水平衡。因此，MEL 能耦合其它载体如磷 脂、高分子材料用于各种药物和基因输送系统。此 外，MEL 能够提高面制品（如面包等）的流变性。 其碳水化合物主链甘露糖赤藓糖醇具有保湿 作用。 1.2 槐糖脂 Ca
10、ndida bombicola 产生的槐糖脂（图 3）为酸 式和内酯式组成的混合物。内酯式槐糖脂同系物的 表面和界面活性随着内酯环的打开而增强。酸式槐 糖脂的界面张力与十二烷基硫酸钠（SDS）相似。 酸性槐糖脂从水溶液中消除甘油三油酸酯的能力与 SDS、烷基苯磺酸盐相当。 第 3 期 何海洋等：糖脂类生物表面活性剂的性质及其潜在应用进展 609 Konishi 等8发现 Candida batistae 主要产生酸 式的槐糖脂（占总糖脂的 60%以上） ，与常规的主 要由单一内酯组成的槐糖脂有显著不同；现存的槐 糖脂混合物的临界胶束浓度为 366 mg/L，而常规的 仅有 17 mg/L。因此
11、，现存的槐糖脂与常规的相比 可能具有更高的亲水性；从而促进了糖脂类生物表 面活性剂的应用15。 槐糖脂在商业上主要用来作为清洁剂。 SARAYA Co. 有限公司近来利用葡萄糖及大豆油 生产槐糖脂，并且提供了一种含槐糖脂的新型清洁 剂。 与传统的清洁剂如乙烯-丙烯嵌段共聚物相比有 更好的生物降解性。 1.3 鼠李糖脂 鼠李糖脂（图 2）具有较好的表面活性，包括 乳化、分散、发泡、穿透等性能；不仅溶于一些有 机溶液中，而且在碱性水溶液中也具有良好的溶解 特性。尽管是一种阴离子型表面活性剂，仍有较低 的临界胶束浓度（CMC）（104105 mol/L）16。 一般，鼠李糖脂表面活性剂能使水的表面张
12、力从 72mN/m 降至 30 mN/m 左右， 使油水界面张力从 43 mN/m 降低至 1 mN/m 左右。 但由于其具有羧基侧链， 因此对 pH 值不稳定。 即： 在 pH 值大于 6.8 时形成胶束， 在 pH 值 6.6 6.8 形成脂质微粒， 在 pH 值 6.56.0 为片层结构， 进而在 pH 值 5.84.3 形成 50100 nm 大小的囊 泡17。 1.4 海藻糖脂 海藻糖脂 （TL）（图 4） 具有很高的化学稳定性， 能够适应较宽的温度范围、 pH 值和盐分浓度。 TL-1 和 TL-2 能够将水的表面张力由 72 mN/m 分别降至 36 mN/m 和 32 mN/m
13、18；将十六烷与水的界面张力 由 43 mN/m 分别降到 17 mN/m 和 14 mN/m。 由 Rhodococcus erythropolis SD-74 16利用十六 烷生产的 2 种琥珀-海藻糖（STL-1 和 STL -2）既有 羟基又有羧基，因此呈现较高的表面活性；尤其对 固体颗粒如-Fe2O3、炭黑、铜酞菁蓝具有较好的分 散和色散稳定作用。此外，海藻糖脂具有很好的抗 腐蚀性、抗辐射性、抗干燥脱水保护等作用，为生 物分子、 细胞膜、 细胞器以及医用生物制品的保存、 运输和使用带来极大的方便。 2 糖脂类生物表面活性剂的潜在应用 生物表面活性剂分子的自我组装能力、多方面 的生物化
14、学功能以及环境友好等特征使其成为在工 业领域特别引人的工具。可能应用的例子有冷热储 存、土壤修复、细胞周期调控、凝集素结合19、免 疫球蛋白检测20、基因传递21以及皮肤护理22。主 要介绍其在生物医学方面的应用。 2.1 抗菌和抗病毒效能 一般来说，具有高表面活性的表面活性剂在一 定程度上显示一定的抗菌活性。事实上，许多糖脂 类生物表面活性剂都具有不同的反映其碳水化合物 结构的生物活性23。由于细菌细胞壁组成及结构的 差异，生物表面活性剂对革兰氏阳性菌比革兰氏阴 性菌有更显著的抑制作用。此外，一些糖脂类生物 表面活性剂不仅能抑制细菌，且能抑制病毒和肿瘤 细胞繁殖。MEL-A 和 MEL-B
15、对革兰氏阳性菌具有 较高的抑制作用。纤维二糖脂和鼠李糖脂能抑制植 物致病真菌24。鼠李糖脂在浓度为 1035 mg/L 能 够抑制杆菌的生长。海藻糖脂对革兰氏阴性菌和酵 母菌的繁殖无抑制作用。 但 TL-1 在浓度为 300 mg/L 时，能够抑制丝状真菌分生孢子萌发。琥珀酸-海藻 糖脂在浓度为 1133 mg/L 时，能够抑制单纯疱疹 病毒和流感病毒繁殖。槐糖脂在浓度 629 mg/L 时，能够抑制葡萄球菌和粪链球菌的生长25。2005 年 Yoo 等26又报道了槐糖脂能够抑制植物病原真 菌，疫霉菌（Phytophthora sp.）和腐霉菌（Pythium sp.）的生长。500 mg/L
16、 的槐糖脂能抑制 8%菌丝体 的生长，并且 100mg/L 的槐糖脂使疫霉菌游动孢子 的游动性降低 90%；同时还发现致使游动孢子裂解 的浓度比抑制其游动的浓度高 2 倍。 2.2 抗肿瘤和细胞分化诱导活性 MEL、 琥珀酸-海藻糖脂、 槐糖脂等对人类的白 血病细胞， 如髓系白血病细胞 K562、 早幼粒白血病 细胞HL60及嗜碱性白细胞KU812等具有生长抑制 和诱导分化作用。MEL-A 和 MEL-B 在浓度为 5 10 mol/L 时，能够抑制 HL60 细胞生长。而诱导细 胞分化方向取决于表面活性剂的糖结构。MEL-A、 MEL-B 和海藻糖脂能够诱导鼠嗜铬细胞瘤 PC-12 的神经轴
17、突的外伸及部分细胞分化。 MEL-A 在抗神 经生长因子受体的抗体存在时，可诱导神经轴突生 长。该结果显示 MEL 与神经生长因子通过不同信 号转导途经诱导 PC-12 细胞神经轴突生长27。 2.3 对凝集素和免疫球蛋白的亲和性 从细菌到哺乳动物的所有物种在细胞膜中均 有糖组分28。细胞膜上的糖脂能与胞外的信号转导 化 工 进 展 2011 年第 30 卷 610 物（如免疫球蛋白、凝集素以及其它细胞表面的酶 或者受体）相互作用。例如，糖鞘脂类（如神经节 苷脂）通过蛋白质与碳水化合物或者碳水化合物与 碳水化合物的相互作用参与包括信号转导、细胞 周期、抗原性、细胞黏附及增殖的重要机能29。 糖
18、脂类生物表面活性剂可能与信号转导物具有亲 和作用。 免疫球蛋白 G 是最主要和基本的免疫球蛋白， 被广泛应用于免疫诊断与治疗应用。 由于蛋白-A 的 高亲和力，常用于免疫球蛋白的免疫亲和层析 30。 用蛋白-A 进行层析时，有两个主要缺点：配体蛋白 成本高及免疫球蛋白 G 的洗脱需要强酸性条件。 神 经节苷脂对免疫球蛋白具有高亲和力，从而作为一 种新的免疫球蛋白 G 的亲和配体。 可能开发细胞膜 的糖脂为实用配体，但由于其数量有限和异质性， 目前还很困难。Ikegami 等31已研究免疫球蛋白 G 是否可作为一种替代配体及 MELs 与人类免疫球蛋 白 G 的亲和作用。 在酶联免疫吸附法中，
19、MEL-A 对免疫球蛋白 G 的亲和力与牛的神经节苷脂 GM1 相同。MEL-A 以 非共价键与聚 2-羟乙基甲基丙烯酸（PHEMA）结 合， 所形成的复合物对蛋白质亲和力是蛋白-A 亲和 力的 4 倍。对人体免疫球蛋白的亲和力随着复合物 浓度增加而增大，达到 100 mg/g 复合物。这些结果 将促进糖脂类生物表面活性剂开发为免疫球蛋白的 亲和配体32。MEL-A 对外源凝集素也具有亲和力。 单层的 MEL-A 对伴刀豆凝集素 A 及怀槐凝集素-I （MAL-I）的亲和常数分别为（9.481.31）106和 （3.130.274）106 33。 2.4 基因转染 跨越细胞膜进入细胞核的基因传
20、递，即基因转 染，不仅是生物科学，也是遗传及后天疾病（如癌 症临床基因治疗）的基本技术。基因治疗的成功高 度依赖于安全及有效的转染载体。虽然基因转染的 最有效的方法病毒载体，但仍争论其传播及免 疫原性等危险。因此，研究非病毒基因传递系统具 有重要意义34。采用脂质体系统比病毒系统更方便 和安全。 利用阳离子脂质体将 DNA 和 RNA 传递到 细胞内，已经取得了一些成功。然而，脂质体介导 基因传递效率仍然较低。因为，阳离子脂质体通过 静电作用与细胞膜非特异性相互作用，因此必需有 针对性的基因转染系统。 最近， 糖脂受到多方关注， 可能作为进行定向基因传递的脂质体的主要材料， 开发在血液循环中增
21、强胶体稳定性的脂质体，且与 靶细胞能进行特异性结合35。 近来，已证明 MEL-A 能显著提高阳离子胆固 醇衍生物脂质体介导的基因转染效率36。与以前使 用的阳离子脂质体相比，含有 MEL-A 的新脂质体 可将编码荧光素酶的质粒传递到靶细胞的效率提高 5070 倍。 Ueno 等37认为脂质体中的 MEL-A 对 DNA 的 胶囊化及阴离子脂质体与细胞膜的融合均有促进作 用，这是基因转染的重要基础。而脂质体中的 MEL-B 和 MEL-C 只能提高胶囊化或膜融合。 同时， Ueno等38指出MEL-A通过诱导脂质体与靶细胞的 质膜间融合，可促进靶细胞的基因转染效率。 基于 MEL 基因转染的独
22、特机制，糖脂类生物 表面活性剂是载体脂质体形成的关键，因而将促进 新型基因传递系统的发展。 2.5 护肤材料 内酯型槐糖脂已作为化妆品的重要组分。其是 一种很好的保湿剂，对皮肤与头发护理效果好，并 消除了传统保湿剂的不利性质。槐糖脂具有抗自由 基及抗弹性酶抑制剂的性能，在美容学、卫生学或 药理皮肤病学中都有应用，尤其是用来保护皮肤。 其能够刺激皮肤成纤维细胞的新陈代谢及胶原蛋白 形成，减少皮下脂肪储存39。 近来，Morita 等40采用人体三维皮肤模型，发 现随 MEL-A 浓度增加，能显著提高由十二烷基硫 酸钠损坏的细胞活性。该结果表明 MEL-A 对皮肤 细胞具有类似神经酰胺的保湿作用。
23、 2.6 其它方面 糖脂类生物表面活性剂可用于合成金属纳米 粒子，且减少环境污染。Palanisamy 等41通过微乳 化技术利用鼠李糖脂、庚烷及水合成球形氧化镍纳 米粒子。与传统的油微乳化技术相比，利用鼠李糖 脂作为微乳液，减少了环境污染。 最近，Smyth 等42利用含重氢的底物发酵生产 含重氢的鼠李糖脂和槐糖脂。该糖脂产品可用于表 面吸附性能的中子散射研究。 3 展 望 研究证明，生物表面活性剂的抗菌、抗病毒、 免疫调节性质及其在基因治疗、免疫治疗和医疗 第 3 期 何海洋等：糖脂类生物表面活性剂的性质及其潜在应用进展 611 上的成功应用，表明其潜在价值。由于较高的潜 在经济效益，使其
24、在生物医学领域的应用处于领 先地位43。 近十年来，糖脂的研究与发展进入了一新阶 段。与传统的化学表面活性剂相比，糖脂类生物表 面活性剂有多种优异功能特性。此外，生物技术 的进步可大幅提高表面活性剂的产量及控制其化 学结构28。因此，生物表面活性剂的应用既有利于 环境保护，也具有显著经济效益。生物表面活性剂 可能成为“绿色”生物材料的旗舰。 参 考 文 献 1 Lang S. Biological amphiphiles （microbial surfactants） J. Curr. Opin. Colloid Interface Sci.，2002，7：12-20. 2 Kitamoto
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