Povrchově aktivní látky a biologické povrchově aktivní látky, k čemu slouží, příklady a použití

4747
Sherman Hoover

A povrchově aktivní látka je chemická sloučenina schopná snížit povrchové napětí kapalné látky, působící na rozhraní nebo kontaktním povrchu mezi dvěma fázemi, například voda-vzduch nebo voda-olej.

Termín povrchově aktivní látka pochází z anglického slova povrchově aktivní látka, což je odvozeno od zkratky výrazu surfovataktivní činidlo, což ve španělštině znamená agent s povrchovou nebo povrchovou aktivitou.

Obrázek 1. Struktura povrchově aktivních látek. Zdroj: Hlavní opatření [public domain], Wikimedia Commons

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

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

Například nějaký vodní hmyz, například „švec“ (Gerris lacustris), mohou se pohybovat po vodě bez potopení díky povrchovému napětí vody, které umožňuje tvorbu filmu na jejím povrchu.

Obrázek 2. Hmyz schopný pohybu na vodě. Zdroj: TimVickers [public domain], z Wikimedia Commons

Ocelová jehla také zůstává na povrchu vody a neklesá kvůli povrchovému napětí vody..

Rejstřík článků

  • 1 Struktura a funkce povrchově aktivních látek
  • 2 K čemu jsou povrchově aktivní látky?
  • 3 Biosurfaktanty: povrchově aktivní látky biologického původu
    • 3.1 Příklady biosurfaktantů
  • 4 Klasifikace biologických povrchově aktivních látek a příklady
    • 4.1 - V závislosti na povaze elektrického náboje v polární části nebo hlavě
    • 4.2 - Podle jeho chemické povahy
    • 4,3 - Podle jeho molekulové hmotnosti
  • 5 Výroba biosurfaktantů
  • 6 Aplikace biosurfaktantů
    • 6.1 Ropný průmysl
    • 6.2 Sanitace životního prostředí
    • 6.3 V průmyslových procesech
    • 6.4 V kosmetickém a farmaceutickém průmyslu
    • 6.5 V potravinářském průmyslu
    • 6.6 V zemědělství
  • 7 Reference

Struktura a funkce povrchově aktivních látek

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

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

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

Tato velmi specifická struktura poskytuje povrchově aktivním chemickým sloučeninám dvojí, amfifilní chování: afinitu k polárním sloučeninám nebo fázím, rozpustnou ve vodě a také afinitu k nepolárním sloučeninám, nerozpustným ve vodě..

Obecně povrchově aktivní látky snižují povrchové napětí vody, což umožňuje této kapalině expandovat a proudit ve větší míře, smáčením sousedních povrchů a fází..

K čemu jsou povrchově aktivní látky?

Chemikálie na povrchově aktivní látky vyvíjejí svou aktivitu na povrchy nebo rozhraní.

Po rozpuštění ve vodě migrují například na rozhraní voda-olej nebo voda-vzduch, kde mohou fungovat jako:

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

Biosurfaktanty: povrchově aktivní látky biologického původu

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

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

Biosurfaktanty se vylučují nebo zadržují jako součást mikrobiální buněčné membrány.

Také některé biosurfaktanty se vyrábějí biotechnologickými procesy za použití enzymů, které působí na biologickou chemickou sloučeninu nebo přírodní produkt..

Příklady biosurfaktantů

Mezi přírodní biologické povrchově aktivní látky patří saponiny z rostlin, jako je kajenský květ (Ibišek sp.), lecitin, žlučové šťávy savců nebo povrchově aktivní látka v plicích člověka (s velmi důležitými fyziologickými funkcemi).

Aminokyseliny a jejich deriváty, betainy a fosfolipidy jsou navíc biologickými povrchově aktivními látkami, což jsou všechny tyto přírodní produkty biologického původu..

Klasifikace biologických povrchově aktivních látek 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 biologické povrchově aktivní látky

Mají záporný náboj na polárním konci, často kvůli přítomnosti sulfonátové skupiny -SO3-.

Kationtové biologické povrchově aktivní látky

Mají kladný náboj na hlavě, obvykle kvartérní amoniová skupina NR4+, kde R představuje řetězec uhlíku a vodíku.

Amfoterní biologické povrchově aktivní látky

Mají pozitivní i negativní náboj na stejné molekule.

Neiontové biologické povrchově aktivní látky

Nemají ionty ani elektrické náboje v hlavách.

-Podle jeho chemické povahy

Podle své chemické povahy jsou biologické povrchově aktivní látky klasifikovány do následujících typů:

Glykolipidové biologické povrchově aktivní látky

Glykolipidy jsou molekuly, které mají ve své chemické struktuře část lipidů nebo tuků a část cukru. Většina známých biologických povrchově aktivních látek jsou glykolipidy. Posledně uvedené se skládají ze síranů cukrů, jako je glukóza, galaktóza, manóza, rhamnóza a galaktóza..

Z glykolipidů jsou nejznámější rhamnolipidy, bioemulgátory, které byly rozsáhle studovány, s vysokou emulgační aktivitou a vysokou afinitou k hydrofobním organickým molekulám (které se nerozpouštějí ve vodě).

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 produkované Torulopsis sp., s biocidní aktivitou a používané v kosmetice, přípravcích proti lupům, bakteriostatikách a jako tělové deodoranty.

Lipoproteinové a lipopeptidové biologické povrchově aktivní látky

Lipoproteiny jsou chemické sloučeniny, které mají ve své struktuře část lipidů nebo tuků a další část bílkovin.

Například, Bacillus subtilis je to bakterie, která produkuje lipopeptidy zvané surfaktiny. Jedná se o jednu z nejsilnějších biosurfaktantů snižujících povrchové napětí..

Surfaktiny mají schopnost vyvolat u savců lýzu erytrocytů (rozklad červených krvinek). Kromě toho je lze použít 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..

Fosfolipidové biologické povrchově aktivní látky

Fosfolipidy jsou chemické sloučeniny, které mají fosfátové skupiny (PO43-), připojený k části s lipidovou strukturou. Jsou součástí membrán mikroorganismů.

Určité 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 biologické povrchově aktivní látky

Polymerní biosurfaktanty jsou makromolekuly s vysokou molekulovou hmotností. Nejvíce studovanými biosurfaktanty této skupiny jsou: emulgační, liposanové, mannoproteinové a polysacharidové-proteinové komplexy.

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

Liposan je extracelulární emulgátor rozpustný ve vodě, tvořený polysacharidy a bílkovinou z Candida lipolytica.

Saccharomyces cereviseae produkuje velké množství mannoproteinů s vynikající emulgační aktivitou pro oleje, alkany a organická rozpouštědla.

-Podle jeho molekulové hmotnosti

Biosurfaktanty jsou rozděleny do dvou kategorií:

Nízkomolekulární biosurfaktanty

S nižším povrchovým a mezifázovým napětím. Například rhamnolipidy.

Vysokomolekulární polymerní biosurfaktanty

Silně se váží na povrchy, jako jsou bioemulgátory potravin.

Výroba biosurfaktantů

Kultury mikroorganismů v bioreaktorech se používají k výrobě biosurfaktantů. Většina z těchto mikroorganismů je izolována ze znečištěného prostředí, jako jsou průmyslová zařízení nebo uhlovodíková ložiska likvidovaná ropným průmyslem..

Efektivní produkce biosurfaktantů závisí na několika faktorech, jako je povaha substrátu nebo zdroje uhlíku použitého jako kultivační médium a jeho stupeň slanosti. Kromě toho to závisí na faktorech, jako je teplota, pH a dostupnost kyslíku..

Aplikace biosurfaktantů

V současné době existuje obrovská komerční poptávka po biosurfaktantech, protože povrchově aktivní látky získané chemickou syntézou (z ropných derivátů) jsou toxické, biologicky nerozložitelné, a proto pro jejich použití existují environmentální předpisy..

Tyto problémy vyvolaly značný zájem o biosurfaktanty jako netoxické, biologicky odbouratelné alternativy..

Biosurfaktanty mají aplikace v mnoha oblastech, například:

Ropný průmysl

Biosurfaktanty se používají při těžbě ropy a bioremediaci (dekontaminaci živými organismy) uhlovodíků; příklad: biosurfaktant z Arthrobacter sp.

Používají se také v procesech biodesulfurizace (odstraňování síry pomocí mikroorganismů) z ropy. Byly použity druhy rodu Rhodococcus.

Sanitace životního prostředí

Biosurfactants are used in bioremediation of půdy kontaminovaných toxickými kovy, jako je uran, kadmium a olovo (biosurfactants of Pseudomonas spp. Y Rhodococcus spp.).

Používají se také v bioremediačních procesech půdy a vody kontaminované únikem benzínu nebo oleje..

Obrázek 3. Biosurfaktanty se používají v procesech sanitace životního prostředí kvůli únikům ropy. Zdroj: ekvádorský kancléř [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)], přes Wikimedia Commons

Například, Aeromonas sp. vyrábí biologické povrchově aktivní látky, které umožňují degradaci oleje nebo redukci velkých molekul na menší, které slouží jako živiny pro mikroorganismy, bakterie a houby.

V průmyslových procesech

Biosurfaktanty se používají v průmyslu detergentů a čisticích prostředků, protože zvyšují čisticí účinek rozpuštěním tuků, které znečišťují prádlo nebo povrchy ve vodě na praní..

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

V kosmetickém a farmaceutickém průmyslu

V kosmetickém průmyslu, Bacillus licheniformis vyrábí biologické povrchově aktivní látky, které se používají jako přípravky proti lupům, bakteriostatické a deodoranty.

Některé biosurfaktanty se používají ve farmaceutickém a biomedicínském průmyslu pro svou antimikrobiální a / nebo antifungální aktivitu..

V potravinářském průmyslu

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

V zemědělství

V zemědělství se biologické povrchově aktivní látky používají k biologické kontrole patogenů (plísní, bakterií, virů) v plodinách.

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

Reference

  1. Banat, I.M., Makkar, R.S. a Cameotra, S.S. (2000). Potenciální komerční aplikace mikrobiálních povrchově aktivních látek. Aplikovaná mikrobiologická technologie. 53 (5): 495-508.
  2. Cameotra, S.S. a Makkar, R.S. (2004). Nedávné aplikace biosurfaktantů jako biologických a imunologických molekul. Současné názory v mikrobiologii. 7 (3): 262-266.
  3. Chen, S.Y., Wei, Y.H. a Chang, J.S. (2007). Opakovaná vsázková fermentace pH-stat pro produkci rhamnolipidů s domácími Pseudomonas aeruginosa Aplikovaná mikrobiologická biotechnologie. 76 (1): 67-74.
  4. Mulligan, C.N. (2005). Environmentální aplikace biosurfaktantů. Znečištění životního prostředí. 133 (2): 183-198. Doi: 10,1016 / 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 kalu při elektrokinetické úpravě. Chemical Engineering Journal. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.

Zatím žádné komentáře