POVRCHOVĚ AKTIVNÍ LÁTKY A BIOSURFAKTANTY: K ČEMU SLOUŽÍ, PŘÍKLADY A POUŽITÍ - BIOLOGIE - 2025

Povrchově aktivní látka je chemická sloučenina schopná snížit povrchové napětí kapalné látky, které působí na stykovou plochu, nebo kontakt mezi dvěma fázemi, například voda-vzduch nebo voda-olej.

Termín povrchově aktivní látka pochází z anglického slova povrchově aktivní látka, které je zase odvozeno od akronymu výrazu surf surfovací aktivní činidlo, což znamená ve španělském činidle s mezifázovou nebo povrchovou aktivitou.

Obrázek 1. Struktura povrchově aktivních látek. Zdroj: Hlavní míra z Wikimedia Commons

Ve španělštině se používá slovo „povrchově aktivní látka“, odkazující na schopnost chemické sloučeniny působit na povrchové nebo mezifázové napětí. Povrchové napětí lze definovat jako odpor, který musí kapaliny zvyšovat svůj povrch.

Voda má vysoké povrchové napětí, protože její molekuly jsou velmi pevně vázány a odolávají oddělení, když je na jejich povrch vyvíjen tlak.

Například některý vodní hmyz, například „švec“ (Gerris lacustris), se může pohybovat po vodě bez klesání díky povrchovému napětí vody, které umožňuje vytvoření filmu na jeho povrchu.

Obrázek 2. Hmyz schopný pohybu po vodě. Zdroj: TimVickers, z Wikimedia Commons

Také ocelová jehla zůstává na povrchu vody a neklesne kvůli povrchovému napětí vody.

Struktura a funkce povrchově aktivních látek

Všechna povrchově aktivní činidla nebo chemická činidla povrchově aktivní látky jsou svou povahou amfifilní, to znamená, že mají dvojí chování, protože mohou rozpustit polární a nepolární sloučeniny. Povrchově aktivní látky mají ve své struktuře dvě hlavní části:

• Hydrofilní polární hlava, podobná vodě a polárním složkám.
• Lipofilní, hydrofobní nepolární ocas, podobný nepolárním sloučeninám.

Polární hlava může být neiontová nebo iontová. Ocas povrchově aktivní látky nebo nepolární část může být alkylový nebo alkylbenzenový uhlíkový a vodíkový řetězec.

Tato velmi specifická struktura dává chemickým sloučeninám povrchově aktivní látky dvojí amfifilní chování: afinitu pro polární sloučeniny nebo fáze, rozpustnou ve vodě a také afinitu pro nepolární sloučeniny, nerozpustnou ve vodě.

Obecně povrchově aktivní látky snižují povrchové napětí vody, což umožňuje, aby tato kapalina expandovala a tekla ve větší míře, a to zvlhčováním sousedních povrchů a fází.

K čemu jsou povrchově aktivní látky?

Chemikálie povrchově aktivní látky vykonávají svou aktivitu na povrchech nebo rozhraních.

Když se rozpustí ve vodě, migrují například na rozhraní voda-olej nebo voda-vzduch, kde mohou fungovat jako:

• Dispergátory a solubilizátory nerozpustných nebo špatně rozpustných sloučenin ve vodě.
• Zvlhčovadla, protože upřednostňují průchod vody do nerozpustných fází.
• Stabilizátory pro emulze sloučenin nerozpustných ve vodě a ve vodě, jako je olej a voda z majonézy.
• Některé povrchově aktivní látky podporují a jiné zabraňují pěnění.

Biosurfaktanty: povrchově aktivní látky biologického původu

Když povrchově aktivní látka pochází z živého organismu, nazývá se biosurfaktant.

V přísnějším smyslu jsou biosurfaktanty považovány za amfifilní biologické sloučeniny (s dvojím chemickým chováním, rozpustné ve vodě a tuku), produkované mikroorganismy, jako jsou kvasinky, bakterie a vláknité houby.

Biosurfaktanty jsou vylučovány nebo zadržovány jako součást membrány mikrobiálních buněk.

Některé biosurfaktanty jsou také produkovány biotechnologickými procesy, využívajícími enzymy, které působí na biologickou chemickou sloučeninu nebo přírodní produkt.

Příklady biosurfaktantů

Přírodní biosurfaktanty zahrnují rostlinné saponiny, jako je kajenský květ (Hibiscus sp.), Lecitin, žlučové šťávy z savců nebo lidská plicní povrchově aktivní látka (s velmi důležitými fyziologickými funkcemi).

Kromě toho aminokyseliny a jejich deriváty, betainy a fosfolipidy, všechny tyto přírodní produkty biologického původu, jsou biosurfaktanty.

Klasifikace biosurfaktantů a příklady

-Podle povahy elektrického náboje v polární části nebo hlavě

Biosurfaktanty lze rozdělit do následujících kategorií na základě elektrického náboje jejich polární hlavy:

Aniontové biosurfaktanty

Mají záporný náboj na polárním koncem, často v důsledku přítomnosti sulfonátové skupiny -SO ₃ ^-.

Kationtové biosurfaktanty

Mají kladný náboj na hlavě, obvykle kvartérní amoniová skupina NR ₄ ⁺, kde R představuje skupinu atomů uhlíku a vodíku.

Amfoterní biosurfaktanty

Mají kladné i záporné náboje na stejné molekule.

Neiontové biosurfaktanty

V hlavách nemají ionty ani elektrické náboje.

- Podle své chemické povahy

Podle chemické povahy jsou biosurfaktanty klasifikovány do následujících typů:

Glykolipidová biosurfaktiva

Glykolipidy jsou molekuly, které mají ve své chemické struktuře část lipidu nebo tuku a část cukru. Většina známých biosurfaktantů jsou glykolipidy. Posledně jmenované sestávají ze síranů cukrů, jako je glukóza, galaktóza, manóza, ramnóza a galaktóza.

Mezi glykolipidy jsou nejznámější rhamnolipidy, bioemulgátory, které byly rozsáhle studovány, s vysokou emulgační aktivitou a vysokou afinitou pro hydrofobní organické molekuly (které se nerozpouštějí ve vodě).

Toto jsou považovány za nejúčinnější povrchově aktivní látky pro odstraňování hydrofobních sloučenin v kontaminovaných půdách.

Příklady rhamnolipidů zahrnují povrchově aktivní látky produkované bakteriemi rodu Pseudomonas.

Existují další glykolipidy, které vyrábí Torulopsis sp., S biocidní aktivitou a používané v kosmetice, přípravcích proti lupům, bakteriostatikám a jako deodoranty v těle.

Lipoproteinové a lipopeptidové biosurfaktanty

Lipoproteiny jsou chemické sloučeniny, které mají ve své struktuře část lipidu nebo tuku a další část proteinu.

Například Bacillus subtilis je bakterie, která produkuje lipopeptidy nazývané surfaktiny. Patří k nejsilnějším biosurfaktantům snižujícím povrchové napětí.

Surfaktiny mají schopnost vyvolat lýzu erytrocytů (rozklad červených krvinek) u savců. Kromě toho mohou být použity jako biocidy pro škůdce, jako jsou drobní hlodavci.

Biosurfaktanty mastných kyselin

Některé mikroorganismy mohou oxidovat alkany (uhlíkové a vodíkové řetězce) na mastné kyseliny, které mají povrchově aktivní vlastnosti.

Fosfolipidová biosurfaktiva

Fosfolipidy jsou chemické sloučeniny, které mají fosfátových skupin (PO ₄ ³), připojené k části s lipidové struktury. Jsou součástí membrán mikroorganismů.

Některé bakterie a kvasinky, které se živí uhlovodíky, když rostou na alkanových substrátech, zvyšují množství fosfolipidů v jejich membráně. Například Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans a Rhodococcus erythropolis.

Polymerní biosurfaktanty

Polymerní biosurfaktanty jsou makromolekuly s vysokou molekulovou hmotností. Nejstudovanějšími biosurfaktanty v této skupině jsou: emulgátor, liposukce, mannoprotein a polysacharid-proteinové komplexy.

Například bakterie Acinetobacter calcoaceticus produkuje polyaniontový emulgátor (s různými negativními náboji), velmi účinný bioemulgátor pro uhlovodíky ve vodě. Je to také jeden z nejsilnějších známých emulzních stabilizátorů.

Liposan je ve vodě rozpustný extracelulární emulgátor, sestávající z polysacharidů a Candida lipolytica protein.

Sanace životního prostředí

Biosurfaktanty se používají při bioremediaci půdy kontaminované toxickými kovy, jako je uran, kadmium a olovo (biosurfaktanty Pseudomonas spp. A Rhodococcus spp.).

Používají se také při bioremediačních procesech půdy a vody kontaminované benzinem nebo ropnými skvrnami.

Obrázek 3. Biosurfaktanty se používají v procesech sanace životního prostředí v důsledku úniku oleje. Zdroj: Ekvádorské ministerstvo zahraničí prostřednictvím Wikimedia Commons

Například Aeromonas sp. produkuje biosurfaktanty, které umožňují degradaci oleje nebo redukci velkých molekul na menší molekuly, které slouží jako živiny pro mikroorganismy, bakterie a houby.

V průmyslových procesech

Biosurfaktanty se používají v průmyslu pracích a čisticích prostředků, protože zlepšují čisticí účinek tím, že rozpouští tuky, které špiní oděv nebo povrchy v prací vodě.

Používají se také jako pomocné chemické sloučeniny v textilním, papírenském a koželužnickém průmyslu.

V kosmetickém a farmaceutickém průmyslu

V kosmetickém průmyslu Bacillus licheniformis vyrábí biosurfaktanty, které se používají jako přípravky proti lupům, bakteriostatickým látkám a deodorantům.

Některá biosurfaktiva se používají ve farmaceutickém a biomedicínském průmyslu pro svou antimikrobiální a / nebo antimykotickou aktivitu.

V potravinářském průmyslu

V potravinářském průmyslu se biosurfaktanty používají při výrobě majonézy (což je emulze vaječné vody a oleje). Tyto biosurfaktanty pocházejí z lektinů a jejich derivátů, které zlepšují kvalitu a navíc chuť.

V zemědělství

V zemědělství se biosurfaktanty používají k biologické kontrole patogenů (houby, bakterie, viry) v plodinách.

Dalším využitím biosurfaktantů v zemědělství je zvýšení dostupnosti mikroživin z půdy.

Reference

1. Banat, IM, Makkar, RS a Cameotra, SS (2000). Potenciální komerční aplikace mikrobiálních povrchově aktivních látek. Aplikovaná mikrobiologická technologie. 53 (5): 495-508.
2. Cameotra, SS a Makkar, RS (2004). Nedávné aplikace biosurfaktantů jako biologických a imunologických molekul. Aktuální názory v mikrobiologii. 7 (3): 262-266.
3. Chen, SY, Wei, YH a Chang, JS (2007). Opakovaná pH-statová vsádková fermentace pro produkci rhamnolipidů s domácí Pseudomonas aeruginosa Applied Microbiology Biotechnology. 76 (1): 67-74.
4. Mulligan, CN (2005). Environmentální aplikace pro biosurfaktanty. Znečištění životního prostředí. 133 (2): 183-198.doi: 10,016 / j.env.pol.2004.06.009
5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. a Liu, T. (2018). Biosurfaktanty zlepšily odstraňování těžkých kovů z kalů při elektrokinetickém zpracování. Chemical Engineering Journal. 334 (15): 2579-2592. doi: 10,016 / j.cej.2017.12.010.