子囊菌生产生物表面活性剂的研究

摘要

表面活性剂用于降低水体系和非水体系的表面张力。目前，大多数合成表面活性剂都是从石油中提取的。然而，这些表面活性剂通常是剧毒的，并且很难被微生物降解。为了克服与合成表面活性剂相关的这些问题，近年来研究了微生物表面活性剂(称为生物表面活性剂)的生产。大多数关于生物表面活性剂生产的研究主要与细菌和酵母有关;然而，有越来越多的证据表明，从真菌中提取的那些是有希望的。研究了丝状真菌子囊菌从可再生基质生产生物表面活性剂。然而，子囊菌生产生物表面活性剂的产量取决于多种因素，如物种、营养来源和环境条件。本文就子囊菌生物表面活性剂的生产、化学性质及其应用进行了综述。

1.简介

生物表面活性剂是由植物和动物产生的化合物，但主要由微生物产生，如细菌、酵母和丝状真菌。生物分子(蛋白质、碳水化合物和脂类)等几种特性的结合降低了表面张力，从而起到乳化剂的作用[1］．所有的生物表面活性剂都是两亲性的，由极性和非极性部分组成。

生物表面活性剂由于其在乳化过程中的环境相容性和多功能性，对其需求量不断增加。生物表面活性剂的其他优点包括生物可降解性、低毒以及对不同环境因素(pH、温度和盐度)的耐受性。鉴于这些优势，科学界对研究生物表面活性剂潜力的兴趣大大增加了[2］．然而，在开始工业水平的大规模生产之前，必须解决生产成本高和回收纯产品的困难等问题，使合成产品具有竞争优势[3.，4］．此外，生产中使用的微生物和培养基的组合直接影响下游工艺中生物表面活性剂的回收率。

最近的几项研究表明，生物表面活性剂的生产和回收成本是这些分子工业化生产的限制因素[5- - - - - -7］．相比之下，一些研究表明，实验室规模的替代方案可能是应对涉及生产的挑战的一种解决方案[2，8］．

生物表面活性剂的结构多样性使各种应用在许多行业，如食品，制药和化妆品。未来的工业生物表面活性剂产量取决于生产成本和应用效益的比率[9，10］．因此，生物表面活性剂的理化和营养参数的优化和特性需要进行研究，以实现工业化规模的发展[3.］．近年来，研究人员主要集中在从细菌和酵母中生产鼠李糖脂和苦脂生物表面活性剂，而利用真菌生产生物表面活性剂的商业应用非常有限，因此，只有很少的报告[8］．因此，本综述的主要重点是讨论提高真菌子囊菌生物表面活性剂产量的策略工具及其应用。

2.合成表面活性剂与生物表面活性剂

表面活性剂是一种多功能分子，由两种不同的极性和非极性组分组成[11］．它们作用于不同极性液体之间的界面，通过降低表面张力和产生乳剂[12)(图1)．

合成表面活性剂和化学表面活性剂通常由石油基原料的有机官能团转化反应生产[13］．根据亲水性头部的电荷，表面活性剂分为离子型、(带负电荷)、阳离子型(带正电荷)、非阴离子型(不带任何电荷)和两性型(带正电荷和负电荷);表面活性剂疏水尾的特征是长链脂肪酸。最常用的商业表面活性剂是十二烷基硫酸钠(十二烷基硫酸钠)2)和十二烷基硫酸铵，用于清洁和化妆品工业[11］．近年来，表面活性剂在国内和工业上的消耗量不断增加。这些表面活性剂在生态系统中的积累会导致环境问题[14]，除了表面活性剂的毒性表现外[10，14- - - - - -16］．合成表面活性剂在疏水性和化学结构特性方面超过规定的浓度时可达到毒性水平[3.，14］．虽然文献中有大量关于表面活性剂对环境和人类健康的不利影响的报告，但由于缺乏经济上可行的替代品，完全禁止使用表面活性剂是不可能的。必威2490考虑到这些，生物表面活性剂的使用可以减少合成表面活性剂的使用[10，14］．

生物表面活性剂是由植物(如皂苷)、动物(如磷脂、肺表面活性剂和胆盐)和微生物(如糖脂)合成的天然表面活性剂。来自微生物的生物表面活性剂表现出表面活性剂的特性，因为它们可以降低表面张力并具有较高的乳化能力[11］．然而，这些生物表面活性剂在结构上比合成表面活性剂更复杂，因为它们是由生物分子(蛋白质、碳水化合物和脂类)组合形成的。微生物生物表面活性剂根据其化学结构进行分类，如糖脂由碳水化合物(葡萄糖、鼠李糖和半乳糖)与长链脂肪酸或羟基脂肪酸(含羟基(OH)基团和烷基分支的脂肪酸)结合组成;脂肽由生物分子形成，其中氨基酸与14碳脂肪酸链上的羧基和羟基结合;聚合生物表面活性剂是多糖-蛋白质复合物[11，17- - - - - -19)(图3.)．

生物表面活性剂表现出比合成表面活性剂更好的性能。以下列出了大多数生物表面活性剂的一些重要性质:(一)低毒性:鉴于生物表面活性剂用于清洁、食品和化妆品以及生物修复，确定生物表面活性剂确实具有低毒性或无毒性是至关重要的。最近的研究表明，生物表面活性剂对微生物或微甲壳类动物或对种子萌发没有毒性作用;生物表面活性剂在污染土壤和水的生物修复方面的潜力也得到了证实[20.］．检查在洗涤剂中使用表面活性剂的毒性的试验包括急性皮肤刺激、急性口腔毒性(LD₅₀和信用证₅₀)、表面活性、洗涤效率和与纯化硬水的相容性试验[21］．(b)高生物降解性:生物表面活性剂在水和土壤中可降解，可用于生物修复、从土壤中释放污染物、农药配方和生物防治[22- - - - - -24］．(c)对pH值变化、盐度和温度的耐受性:由于新型生物表面活性剂能够在极端温度、pH值和盐度下高效地工作，其商业应用已获得越来越多的研究关注[3.，25］．(d)可再生基质的使用:使用经济上更便宜的基质使工业上的生物表面活性剂生产过程具有成本效益[6］．(e)广泛的应用:各种类型的生物表面活性剂由于其乳化、抗菌、抗肿瘤、抗粘接和防腐的活性，在许多领域显示出了应用的潜力。这些特性对食品、纺织和生物医药行业都有好处。

与合成表面活性剂相比，生物表面活性剂的发泡性能使其成为利用原料进行商业生产的一种有前途的选择[26，27］．然而，生物表面活性剂的生产存在一些限制，必须采取一些策略来确保它们能够与合成表面活性剂竞争。这些策略包括利用可再生底物残基来降低初始生产成本，以及开发高效的生物工艺，包括优化培养条件，改进下游工艺，以及使用经过基因修饰或具有自然生产潜力的改良菌株[26］．

鼠李糖脂和槐糖脂已被广泛研究，因而在全球工业部门的应用中获得突出地位[28］．生物技术在生物表面活性剂工业生产中的进步受到相关行业的密切监测。其中，赢创工业率先生产洗发水、沐浴露和家庭清洁产品的关键组件[29];这类生物表面活性剂主要由细菌和酵母生产，尽管目前还没有由丝状真菌生产的生物表面活性剂在市场上出售[30.- - - - - -32］．然而，一些研究已经证明了真菌作为张力活性分子生产者的潜力[33与细菌产生的生物表面活性剂相比，其产量甚至更高[34］．

3.子囊菌生产生物表面活性剂

子囊菌是一种无性真菌，或无性变形，产生无性孢子(如分生孢子)的分支结构称为分生孢子。它们是有隔膜的真菌，有被称为隔膜的细胞分隔的细丝。35，36］．子囊菌通过吸收或交换(异养)生物合成次生代谢物。作为最大的真菌类群，子囊菌属约6100属的57000种已知物种以各种形式存在，包括霉菌、酵母或子实体，而子囊菌一词通常用来描述它们的“肉质”子实体[37，38］．

子囊菌在土壤中大量存在，但也可在水生环境和植物中发现，因为其中一些是植物病原体[39，40］．Egidi等[40]确定子囊菌门土壤优势真菌类群的模式和生态驱动因子。研究表明，全球分布的真菌包括属，如链格孢属，Aureobasidium，枝孢属、青霉菌，镰刀菌素，毛壳菌属，枝顶孢属,Curvularia，这是一种可以通过空气传播的风真菌。这些优势真菌的主要特征是它们在生物技术资源中的基因组潜力、微生物在环境中的竞争以及与其他真菌相比的抗逆性;然而，研究表明子囊菌可能更好地抵御环境压力，并可以利用更多的资源，从而导致更多的通才策略，这可能有助于它们在土壤中增加优势。

一个spergillus，青霉菌，和镰刀菌素其中，子囊菌被研究为生物表面活性剂的生产者[41- - - - - -43］．表格1提供了一些来源的隔离和类型的报告生物表面活性剂产生的这些子囊菌的概述。可以得出这样的结论曲霉属真菌，青霉菌,镰刀菌素是生产生物表面活性剂研究最多的属。丝状子囊菌在生产生物表面活性剂方面表现出优势[66]并显示出与酵母菌相比，其生产生物表面活性剂的产量更高的潜力[67］．因此，上述属具有稳定的乳化剂乳液，并具有良好的降低表面和界面张力的能力，是有前途的生物表面活性剂和乳化剂的生产商[44，49，53，55，59，68］．

产生生物表面活性剂的子囊菌可从不同来源获得，如植物、土壤和污染环境，并可在合成培养基或可再生基质上产生各种生物表面活性剂(表1)．此外，还可以将它们与受石油、污水或碳氢化合物污染的地区隔离开来[45，53，59，69，这就增加了分离产生这种化合物的真菌的机会。然而，一些研究表明，土壤、植物和海洋环境等区域是孤立的[42，49，50，61］．

表格1概述了生产生物表面活性剂最常用的属和常用分离的含有糖脂、脂肽、烯酰胺等的生物表面活性剂。子囊菌产生的生物表面活性剂主要是低分子量的生物表面活性剂(如糖脂和脂肽)[70］．糖脂是由具有两亲性质的糖基和脂质组分组成，赋予它们表面活性剂的性质。真菌糖脂是细胞内代谢物[44或次生代谢物，帮助真菌在特定的环境生态位中与其他微生物竞争时占据优势[68，71］．

脂肽和糖脂是真菌菌株在以橄榄油为碳源的矿物培养基上发酵时排出的生物表面活性剂[44]，在其他化学合成的表面活性剂中，其乳化活性比Triton X-100更高[46］．

4.生物合成的生物表面活性剂

生物表面活性剂已经用多种底物合成。它们可以自发产生，也可以由亲脂化合物、pH值变化、搅拌速度、应力和低浓度氮的存在诱导产生[72］．第一个报道的生物表面活性剂是鼠李糖脂，由铜绿假单胞菌,和脂肽(表面素)，由枯草芽孢杆菌。对真菌衍生生物表面活性剂生产的研究发现，脂质甘露糖醇(MEL)的来源假丝酵母［73］．

生物表面活性剂的生物合成通常涉及到形成亲水和疏水基团的不同途径，这些基团随后被结合[74］．生物表面活性剂前体合成的主要代谢途径依赖于碳源;主要的碳源是碳水化合物和脂类或碳氢化合物。当碳水化合物被用作培养基中产生糖脂的唯一碳源时，碳流被导向成脂(脂质形成)和糖酵解途径(亲水部分形成)。相反，当使用烃源时，生物合成被导向脂解和糖异生途径[75］．生物表面活性剂生物合成的一个例子是细菌在含有甘油的培养基中产生鼠李糖脂[30.］．鼠李糖脂是一种糖脂型生物表面活性剂铜绿假单胞菌，是第一个被破译的[76)(图4)．

虽然丝状真菌可以产生生物表面活性剂，并且可以识别生物表面活性剂的类型，但这些化合物的生物合成、它们的遗传基础和生物表面活性剂的生产途径尚未完全了解。大多数生物表面活性剂的生物合成受到严格的调控，疏水蛋白的生物合成受到严格的调控木霉属reesei取决于hfb1,hfb2基因(76］．

需要进一步探索的一个研究领域是测序方法和生物信息学分析工具的可用性，这些方法和工具可能允许从真菌基因组生物表面活性剂推断出生物合成基因。

5.生物工艺和营养条件对生物表面活性剂生产的影响

在生物表面活性剂生产过程中，对直接影响栽培条件的关键因素进行了评价，并将其归类为外部因素;这些包括搅拌，曝气和体积。此外，营养因素与使用的微生物直接相关，因此影响生产的生物表面活性剂的类型[67］．生物表面活性剂的合成在很大程度上取决于碳源的可得性以及碳与其他营养物质之间的平衡。每一种真菌都有特定的营养需求，这有利于生产一类生物表面活性剂，但这种优化/表征的相关性还有待探索，提高生物表面活性剂产量是该领域研究的主要目标(表)2)．

碳源在各种微生物的生长和生物表面活性剂的生产中发挥着重要作用，并且因物种而异。生产子囊菌所使用的碳的主要来源是大豆油、原油、农残、碳氢化合物和葡萄糖[50，57，58，60，61，78］．

氮是微生物生产生物表面活性剂的第二重要补充。各种有机和无机氮源已被用于生物表面活性剂的生产作为矿物介质、酵母提取物和蛋白胨[57，58，60，61，67，79］．添加葡萄糖作为碳源可以增加生物表面活性物质的产量，而酵母抽提物作为氮源也在生物表面活性物质的产量中发挥重要作用[50)(表2)．

大多数生物的重要特征是它们对细胞生长和次生代谢物产生的pH值的强烈依赖。它们在pH 6-7范围内生产的生物表面活性剂产量最高[50，61，78］．生物表面活性剂的组成取决于真菌的分离条件:从海洋环境中分离出来的真菌需要在培养基中添加盐。如果生物体是从被油污染的地方分离出来的，那么油可以作为生物过程中的诱导剂[45，50，59］．

大多数生物工艺条件在25-30°C的孵育温度和100 - 150 rpm的搅拌中进行，时间约为3-20天[57- - - - - -59，61］．这些条件可以针对每种真菌进行优化和定制，例如通过改变适当的pH值和营养成分(表2)．

培养条件的统计分析和析因设计已被证明是优化生物表面活性剂生产的有效工具。这些工具减少了实验室实验的数量，获得了可用于工业的数学模型，表明哪些因素是重要的，以及它们在生物表面活性剂生产中的相互作用。表格2提供了一些优化过程和条件的某些子囊菌真菌的生长的概述。研究了生物表面活性剂生产的最佳条件(如底物、pH值和温度)，特别是在农业工业废物的使用中[50，52，53］．

统计工具的使用在提高生物表面活性剂的产量和性能方面非常有效，其中大部分是析因设计和响应面方法(RSMs)，目的是优化受几个独立变量影响的响应[50，61，80］．利用这些统计工具，丝状真菌产生生物表面活性剂的联系已被广泛研究;在过去的几年里，Plackett-Burman作为一种选择工具的使用脱颖而出，考虑到作者测试各种真菌、条件和变量[59］．

为了提高生物表面活性剂的产量，需要优化几个因素，如碳源和氮源的可用性、pH值、搅拌和孵育。表格2总结了通过优化子囊菌真菌生产生物表面活性剂的研究获得的数据，确定了高乳化指数(>60%)和表面张力的降低(<25 mN/m)。

一般来说，使用统计方法来确定对所分析的因素及其相互作用的影响，可以提高生物表面活性剂的产量，而数学模型的重现为工业提供了有用的信息。

6.生物表面活性剂的萃取、纯化和化学表征

生物表面活性剂生产完成后，下一个重要的步骤是从发酵介质中回收它们，然后进行净化，使它们易于用于各种工业应用[67］．在获得生物表面活性剂的生物过程中，由于回收、纯化或两者兼有的成本，提取物仍然有限;成本约为总产量的60% [6］．

研究了降低生产成本的方法，主要是利用可再生资源;然而，这些资源污染或阻碍提取和纯化过程，因此，生物表面活性剂的特性。有几种技术用于获得生物技术相关产品，如用可溶于水的溶剂(如丙酮和乙醇)回收、酸化和向溶液中添加盐。表格3.介绍了丝状真菌产生的生物表面活性剂的回收方法。主要使用的方法是酸化、酒精沉淀和溶剂。

随后，通过质谱、红外(IR)和核磁共振(NMR)等光谱技术对粗制生物表面活性剂进行分析，以阐明生物表面活性剂的结构。色谱技术如气相色谱(GC)和高效液相色谱(HPLC)结合质谱(MS)也被用于生物表面活性剂的表征和纯化。在生物表面活性剂的研究中镰刀菌素fujikuroi，气相色谱-质谱联用-火焰离子化检测器[59］．

傅里叶变换红外光谱通常用于识别有机官能团(碳水化合物中的烷基、羰基、醚和酯键)。在贝利等人进行的一项研究中，[89]的红外光谱表明存在酯连接，酰胺基团证实了生物表面活性剂的结构上存在糖蛋白根霉arrhizus跟单信用证1607。

对丝状真菌产生的生物表面活性剂的表征仍然很缺乏，有时需要使用其他技术，如基质辅助激光解吸/电离-飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)。

根据表3.，丝状真菌提取生物表面活性剂的主要工艺是沉淀和溶剂萃取。可以通过酸化(HCl)或利用溶剂系统，如氯仿，甲醇，乙酸乙酯和乙醇来促进沉淀。此外，以往的研究表明，综合分析方法对化学表征是必要的，识别生物表面活性剂的技术包括薄层色谱(TLC)、高效液相色谱(HPLC)、傅里叶变换红外(FT-IR)和质谱。

7.工业应用

生物技术时代的自然资源开发，通过增加自然产品的价值，促进了科技的进步。生物表面活性剂在21世纪具有发展重大生物技术过程的潜力^圣世纪因其独特的乳化特性[7］．

生物表面活性剂由于其抗菌、抗真菌和抗病毒的特性，可被用作治疗剂[90，91］．这些分子在食品和化妆品配方中具有理想的性质，它们的抗菌和抗菌膜的潜力对食品加工行业有很大的兴趣[92］．研究已经调查并建立了生物表面活性剂的潜在应用前景(一些真菌也已被存入专利库;表格4)作为工业合成表面活性剂的替代品。生物表面活性剂的应用市场细分为食品、化妆品、保健、纺织等行业，以家用洗涤剂和个人护理用品为主要应用领域。

大多数生物表面活性剂工业在北美、亚洲和欧洲;因此，他们是主要的消费者。2019年，欧洲以52.5%的全球份额主导生物表面活性剂市场。这是由于消费者日益认识到化学表面活性剂对健康的危害[2］．然而，拉丁美洲具有巨大的潜力，因为其生物多样性巨大，生产的几种农工业残留物可以用作生物表面活性剂生产的基质;因此，尽管巴西是拉美国家生物表面活性剂研究的领导者，拥有大量的文章和专利，但在南美洲，特别是在巴西，生物表面活性剂的发展仍然是一个挑战[93］．

子囊菌丝状真菌生产生物表面活性剂的数量近年来有所增加。在子囊菌中，一些真菌将在工业领域脱颖而出，因为它们在使用不同的合成培养基和可再生基质生长时，除了生物活性外，还显示出了生产潜力。从真菌中获得的生物表面活性剂有多种化学类别，在工业、食品、生物医学和环境部门有多种应用。这些物质的专利、表征和应用仍需进一步研究。关于生物表面活性剂的代谢产生途径、相关基因和回收技术的理解仍然存在挑战，需要在未来的研究中加以解决。

8.结论

(我)子囊菌从各种环境中分离出来，具有利用可再生底物生产生物表面活性剂的潜力。(2)能够产生生物表面活性剂的子囊菌的主要属包括来自曲霉属真菌，镰刀菌素,而且青霉菌，主要产生糖脂和脂肽。(3)子囊菌产生的生物表面活性剂在很大程度上受不同的生长介质条件、pH值、温度和碳氮源的影响。主要通过设计因子法和响应面法研究了生产要素的影响。(iv)从培养基中获得生物表面活性剂的主要提取方法包括酸化或使用溶剂系统，生物表面活性剂的表征和结构阐明已使用分析、色谱和光谱技术的组合。

考虑到子囊菌获得的生物表面活性剂与人工合成的同类产品相比具有优势，几项研究的数据，以及它们生产生态安全和可持续产品的潜力，因此需要鼓励使用这种生物表面活性剂。

数据可用性

本研究中产生或分析的所有数据都包含在文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者希望感谢亚马逊州研究支持基金会(FAPEAM 030/2013-UNIVERSAL Amazonas)、高等教育人员改进协调(CAPES)和国家科学技术发展委员会(CNPq)的资助。

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