干貨！一文讀懂生物表面活性劑！
時(shí)間：2023-12-23 10:05:24 來源：創(chuàng)始人
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據(jù)研究機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets預(yù)測(cè)：生物表面活性劑市場(chǎng)將由2022年的1.2億美元以 11.2% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，截止2027年將增長(zhǎng)至1.9億美元。比起整體化妝品行業(yè)，這個(gè)體量或許不足為奇，但對(duì)于一個(gè)較新的原料賽道來講，還是有不錯(cuò)的想象空間。
生物表面活性劑主要是由微生物在好氧或厭氧條件下在碳源培養(yǎng)基中生長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的。這些碳源可以是碳水化合物、烴類、油、脂肪或者是它們的混合物。生物表面活性劑可分為非離子型和陰離子型，陽離子型較為少見。像其它表面活性物質(zhì)一樣，生物表面活性劑由一個(gè)或多個(gè)親水性和憎水性基團(tuán)組成，親水基可以是醋、輕基、磷酸鹽、或夢(mèng)酸鹽基團(tuán)、或者是糖基，憎水基可以是蛋白質(zhì)或者是含有憎水性支鏈的縮氨酸。
和傳統(tǒng)的化學(xué)合成的表面活性劑相比，生物表面活性劑有許多明顯的優(yōu)勢(shì):根據(jù)生物表面活性劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其分為5類:糖脂、脂膚、多糖蛋白質(zhì)絡(luò)合物、磷脂和脂肪酸或中性脂。一些重要的生物表面活性劑及其生產(chǎn)菌如表1。
就目前的情況而言，糖脂類的以鼠李糖脂和槐糖脂在生物表面活性劑中占比最大。鼠李糖脂由鼠李糖連接一或兩分子的B-基奚酸組成，可以通過以糖為主要原料的發(fā)酵過程可持續(xù)地生產(chǎn)。槐糖脂主要由酵母菌生成，如球擬酵母菌和磨石油球擬酵母菌，槐糖脂由二聚槐糖連接到長(zhǎng)鏈輕基脂肪酸構(gòu)成。這類生物表面活性劑至少是6-9種不同疏水槐糖的混臺(tái)物。大量含有十膚抗生素(短桿菌膚)和脂膚抗生素(多黏桿菌素)的環(huán)狀脂分別由短芽跑桿菌和多粘芽跑桿菌產(chǎn)生得到。由枯草芽抱桿菌ATCC 21332產(chǎn)生的環(huán)狀脂隊(duì)表面活性劑是一種很強(qiáng)功效的生物表面活性劑。用地衣芽跑桿前產(chǎn)生的幾種生物表面活性劑表形出了良好的協(xié)同作用和對(duì)溫度、pH值以及鹽的穩(wěn)定性。部分細(xì)菌和酵母菌在正構(gòu)烷烴中發(fā)酵產(chǎn)生了大量的脂肪酸和磷脂表面活性劑。在不動(dòng)桿菌菌株H01-N中，產(chǎn)生了大量的磷脂酷基乙醇胺泡囊。研究者觀察到這些泡囊在水中能產(chǎn)生光學(xué)透明的正烷烴做乳液，從而證明了這些泡囊具有很強(qiáng)的表面活性劑性能。紅平紅球菌在正構(gòu)烷經(jīng)中產(chǎn)生的騰脂疏基了胺可以將水和十六烷界面張力降低至1m/m以下，臨界膠束濃度(CMC)至30mg/。
聚合物生物表面活性劑是生物乳化劑、甲殼表、甘露糖蛋白以及其它的多糖蛋白質(zhì)復(fù)合物。Novonvenezia等人報(bào)道了alasan隔離體，它是一種含雜多糖蛋白質(zhì)生物表面活性劑的陰離子丙氨酸，其分子量為1MDa，由抗輻射不動(dòng)桿菌KA-53產(chǎn)生由抗輻射不動(dòng)桿菌株產(chǎn)生的Alasan是陰離子多糖和蛋白質(zhì)的復(fù)合物。因?yàn)楹泄矁r(jià)健連接的丙有酸，所以這種alasan多精是不尋常的。蛋白質(zhì)組分在復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和活性方面都扮演了重要的角色。甲殼素則是一種胞外水溶性乳化劑，它由解脂假絲酵母菌產(chǎn)生，含有83%的碳水化合物和17%的蛋白質(zhì)，其中的碳水化合物是葡糖、半乳糖、半到糖胺和半乳糖醒酸等組成的雜多糖。Kitamoto等人在南極假絲酵母菌T-34中制備了兩種甘露糖赤蘚糖醇脂。-合成生物學(xué)在生物表活的應(yīng)用案例-
合成生物學(xué)是指在工程學(xué)思想指導(dǎo)下，按照特定目標(biāo)理性設(shè)計(jì)、改造乃至從頭合成人工生物體系。細(xì)胞工廠的設(shè)計(jì)和構(gòu)建是合成生物學(xué)的一個(gè)重要研究方向，目前已發(fā)展了從分子、途徑到基因組各個(gè)層次的微生物細(xì)胞工廠設(shè)計(jì)和工程化構(gòu)建策略，相比于傳統(tǒng)的篩選、誘變育種等非理性設(shè)計(jì)方式，創(chuàng)制效率大幅提升。對(duì)于代謝途徑中的關(guān)鍵酶，合成生物學(xué)提供了多種蛋白質(zhì)工程手段來優(yōu)化其催化性能；在代謝途徑層面，合成生物學(xué)提供了大量基因表達(dá)調(diào)控元件來精細(xì)調(diào)控甚至動(dòng)態(tài)調(diào)控各個(gè)途徑酶的表達(dá)量；蓬勃發(fā)展的基因編輯和DNA合成技術(shù)使大規(guī)模改造甚至從頭合成宿主基因組成為可能，將為細(xì)胞工廠創(chuàng)造更優(yōu)良的底盤生物。在上述策略的指導(dǎo)下，產(chǎn)鼠李糖脂細(xì)胞工廠的構(gòu)建近年來也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。如下表。
盡管通過優(yōu)化培養(yǎng)基和生物工藝條件，可以提高生物表面活性劑的產(chǎn)量。但大規(guī)模生物表面活性劑的生產(chǎn)受到產(chǎn)量較低、產(chǎn)生表面和界面特性不同的同系物分子混合物以及安全性的限制。未來，隨著代謝工程和合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多種改造策略如代謝通路改造、酶工程、定向進(jìn)化、底盤工程、實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)進(jìn)化等，未來也將有更多技術(shù)應(yīng)用于其中。去年2022年3月15日-科萊恩近日推出全新Vita 100%生物基表面活性劑和聚乙二醇（PEG）；贏創(chuàng)正在其斯洛伐克工廠投資建設(shè)一個(gè)工業(yè)規(guī)模的工廠，用于生產(chǎn)可持續(xù)的鼠李糖脂質(zhì)生物表面活性劑。預(yù)計(jì)于今年年底完成；國內(nèi)合成生物企業(yè)代表百葵銳推出了性能均衡的生物表活S100。此外，（跨行業(yè)）的主要市場(chǎng)參與者還包括：Biotensidon GmbH（德國）、Saraya Co.，Ltd.（日本）、Allied Carbon Solutions Co.， Ltd.（日本）、大慶 VICTEX 化學(xué)工業(yè)有限公司（中國）、Jeneil Biotech，Inc.（美國）、BASF SE（德國）、Holiferm Limited（英國）和Solvay S.A.（比利時(shí)）等。
林海球