生物表面活性剂及其在食品工业中的应用

生物表面活性剂及其在食品工业中的应用
摘　要:生物表面活性剂是一类由微生物产生的应用潜力巨大的新型的表面活性剂,具有降低表面张力的作用,对环境无毒害,且生物降解性能好,其应用研究将有广阔的发展前景。
关键词:生物表面活性剂;应用;食品工业 0　前言目前,全球表面活性剂的年产量已超过300万吨,几乎所有的都是以石油化工产品为原料经化学合成得到。随着现代生物技术的迅猛发展,人们开始应用生物技术来生产。
生物表面活性剂一般都具有良好的降低表面张力、界面张力的性能;也有的不能显著降低界面张力,但对油-水界面表现出很强的亲和力,从而形成稳定的乳状液,故而又称为生物乳化剂;还有增加泡沫的作用。它的表面活性作用以及对热、ｐＨ的稳定性均与化学合成的表面活性剂相当,但还具有一般化学合成表面活性剂无法媲美的优点———与环境的兼容性,即没有毒性、可被生物降解,不会对环境造成不利影响。随着环保意识的增强,生物表面活性剂愈来愈受到人们的关注。1　生物表面活性剂主要特性和分类1968年,Ａｒｉｍａ等人报道了用Ｂａｃｉｌｌｕｓｓｕｂｔｉｌｉｓ菌株培养时,在发酵液中发现一种具有生物活性的新化合物,这便是生物表面活性剂的“雏形”。直到1980年,它们被认为有可能代替解决生态环境问题的化学合成表面活性剂时,才受到重视;而且如果生态问题能因此得到解决,那么生物表面活性剂将可在农业和石油工业中找到新用途。
1.1　定义及主要特性
生物表面活性剂(Ｂｉｏｓｕｒｆａｃｔａｎｔｓ,简称ＢＳ)是指由细菌、酵母和真菌等多种微生物产生的具有表面活性剂特征的化合物。微生物在代谢过程中常分泌出一些具有表面活性的代谢产物,它们与一般表面活性剂分子在结构上类似;具有两亲性,存在着非极性的疏水基团和极性的亲水基团,其中非极性基团大多数为脂肪烃链;极性部分则多种多样,如脂肪酸的羧基、单或双磷酸酯基团、多羟基基团或糖、多糖、缩氨酸,这些物质是微生物细胞的组成部分,并在一定条件下可分泌到细胞体外。但相比之下,许多生物大分子表现出相当高的表面活性和乳化能力,还具有以下优点:(1)化学结构更为复杂和庞大,单个分子占据更大的空间,表面活性高,乳化能力强;(2)无毒或低毒,环境友好,能被生物完全降解,不对环境造成污染和破坏;(3)生物相容性好,一般不会导致过敏、可消化,可应用于药品、化妆品,甚至作为功能性食品添加剂;(4)分子结构多样,具有特殊的官能团,专一性强,可用微生物方法引进化学方法难以合成的新化学基团,有可能适用于特殊领域;(5)生产工艺简便,常温、常压下即可发生反应,生成设备要求不高;(6)生产原料来源广阔、价廉,可以从工业废料和农副产品中生产,应用于环境的生物治理;生产过程不会对环境造成污染。
1.2　分类
生物表面活性剂根据其亲水基的不同,可分为糖脂系、酰基缩氨酸系、磷脂系、脂肪酸系和高分子表面活性剂五类(见表1)。
2　生物表面活性剂的生产和制备方法生物表面活性剂通常是由微生物产生的,且多数是由细菌和酵母菌产生的。微生物在一定条件下培养时,在其代谢过程中会分泌出具有一定表面活性的代谢产物,如糖脂、多糖脂、脂肽或中性类脂衍生物等。生物表面活性剂的生产除了从生物体内直接提取外,主要是用微生物法:发酵法生产生物表面活性剂;酶促反应生产表面活性剂。微生物发酵法生产生物表面活性剂的生产菌种可分为三类:一类是严格以烷烃作为碳源的微生物,如棒状杆菌Ｃｏｒｙｎｅｂａｃ ｔｅｒｉｕｍｓｐ;一类是以水溶性底物为碳源的微生物,如杆菌Ｂａｃｉｌｌｕｓｓｐ;另一类可以以烷烃和水溶性底物两者作为碳源,如假单胞菌Ｐｓｅｕ ｄｏｍｏｎａｓｓｐ。这些微生物在以碳氢化合物为底物的培养基上生长时,可合成一系列范围很广的具有表面活性的物质,如:糖脂、脂蛋白、多糖-蛋白质复合物、磷脂、脂肪酸和中性脂等。多数生物表面活性剂分子中含有亲水基团和疏水基团两部分。对于像蛋白质-多糖复合物等一些分子量较大的生物表面活性剂分子,其亲水及疏水部分可由不同的分子组成。@=================@###page###@=================@ 3　新型生物表面活性剂的研究与开发随着研究的不断深入,一些新型的、具有优良特性的生物表面活性剂不断出现。 3.1　糖酯糖酯化合物是自然界中的一类在细胞膜上承担物质传输和能量传递的具有生理活性的重要物质,同时该类物质还具有两亲结构,能降低水的表面张力形成胶束,具有去污、乳化、洗涤、分散、湿润、渗透、扩散、起泡、抗氧、粘度调节、杀菌、防止老化、抗静电和防止晶析等多种功能,主要用作食品、化妆品当中的乳化剂和溶剂。目前工业上生产糖酯主要采用化学法,由于糖环上-ＯＨ众多,用化学法合成选择性差,产率不理想,且需在高温高压条件下进行。脂肪酶催化合成糖酯是近几年出现的合成糖酯的新方法,由于脂肪酶具有高立体选择性、区域专一性和位置选择性,因而可合成光学纯的糖酯,因此具有重要的理论意义和应用价值。由于糖与油脂互不溶解,当今有机相中脂肪酶催化合成糖酯的研究主要采用在吡啶等强极性有机溶剂体系中进行糖的直接酯化,或将糖制成缩酮、糖苷的形式以增加其溶解性,或采用亲水载体吸附糖和酶的固定化体系。
3.2　蔗糖酯
蔗糖酯(Ｓｕｃｒｏｓｅｅｓｔｅｒ简称ＳＥ)是一种新型的多元醇型非离子表面活性剂,它可以作为食品添加剂,能改善口感;用做洗涤剂的活性剂能除去水果、蔬菜上的残存的农药,而本身却很少残留。蔗糖酯是目前引人注目的一种表面活性剂,无色,无味,无毒,广泛应用于食品、医药、化妆品等行业中。蔗糖酯水解后成为蔗糖和可食用的脂肪酸,具有营养价值。与一般合成的表面活性剂不同,蔗糖酯在好氧和厌氧的条件下都能生物降解,是一种绿色表面活性剂。 4　生物表面活性剂在食品工业中的应用 4.1　应用概况
表面活性剂已广泛应用于日常生活、工农业及高新技术领域,是当今最重要的工业助剂,其应用已渗透到几乎所有的工业领域,如石油开采业、环境工程、食品工业、农业和精细化工,被誉为“工业味精”。由于食品中使用新的添加剂需经过长期考察和多种毒性试验后才能被批准,故食品工业中还没有大规模使用生物表面活性剂。由发酵法生产的生物表面活性剂,如糖酯可能较易被接受作为食品添加剂,这是因为其结构与化学合成的糖酯十分相似,而化学合成的糖酯已经广泛地使用在食品中。日本对食品工业中使用生物技术制造的新产品不像其它国家那样严格,专利申请了槐糖脂作为面粉质量改良剂,70份面粉加入0.1份槐糖脂或其内酯,可延长焙烤食品的货架寿命。水解和经冷冻干燥的酵母细胞壁表面活性剂被申请用作人造黄油生产中的表面活性剂。使用微生物表面活性物质是20世纪70年代后期国际生物工程领域中的研究新课题。微生物表面活性剂在食品工业中可作为乳化剂用于食品原料的加工,使其形成一定的浓度、质地和分散相;也可用于面包和肉类生产,改善面粉的流变学特征,以及部分裂解的脂肪组织的乳化。目前已将卵磷脂及其衍生物作为乳化剂用于食品工业(Ｂｌｏｏｍｂｅｒｇ,1991)。还发现微生物表面活性剂可防止嗜热链球菌(Ｓｔｒｅｐ ｔｏｃｏｃｃｕｓｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｓ)在巴氏灭菌消毒器中的热交换板上的生长(Ｂｕｓｓｃｈｅｒ等,1996)。食品加工的许多过程都必须借助于表面活性剂的作用而进行,因此,在食品工业中,生物表面活性剂可作为添加剂,如乳化剂、保湿剂、防腐剂、润湿剂、起泡剂、增稠剂等。4.2　卵磷脂卵磷脂及其衍生物是目前常用的乳化剂。磷脂的胆碱酯称卵磷脂,存在于所有生物体内,在大豆和卵黄中含量最高,实际上磷脂和卵磷脂常常混用。卵磷脂因不溶于水而不能用作洗涤剂,但热水及碱性(ｐＨ=8)下可形成乳状液。由于从动植物(大豆、卵黄)中提得,卵磷脂安全性极高,无任何毒副作用,属纯天然食品添加剂,可广泛用作食品乳化剂。作为一种食品级的离子型表面活性剂,卵磷脂在食品中一般用在糖果、快餐食品、速溶食品、面包、糕点、牛奶、仿奶制品、饮料及肉禽加工食品等方面,大多数卵磷脂产品的使用量为成品重量的0.2%～1.0%,在一般情况下,使用量为成品重量的0.5%,这与化学表面活性剂的用量相一致。近年来,脱油卵磷脂在速溶食品中的用量很大,几乎所有婴儿食品配方中都使用亲水性脱油卵磷脂作为脂肪乳化剂。这些卵磷脂呈粉状或粒状,可加水或油脂液化。卵磷脂产品在一些新的领域也得以应用,用脱油卵磷脂作为重要成分,可使肉制罐头产品及冷冻肉制品中的动物脂肪凝固,从而解决了肉罐头制品中及其它高动物脂肪制品中产生脂肪浮层的问题。卵磷脂适于乳与乳制品的加工中应用,表明卵磷脂可以取代乳脂肪球表面的蛋白质(如β—酪蛋白),从而提高了浓缩奶及再制奶的热稳定性。在ｐＨ6.3～7.1范围内,不论在均质前或均质后加入大豆卵磷脂,其对再制奶的热稳定作用都很有效。而卵黄磷脂在均质前加入,在ｐＨ<6.7时会降低其热稳定性,使再制奶极易发生热凝结。在均质后加入,对热稳定性没有影响。但卵磷脂用为表面活性剂,究竟是否由于改变了酪蛋白的电荷,从而提高热稳定性的作用却说法不一。
@=================@###page###@=================@ 4.3　其他
蔗糖酯加入食品中可改善加工性能、提高食品香味质量和抗氧化防霉作用,如它对柑橘、苹果、梨等水果的保鲜已取得良好效果。此外,蔗糖酯还可以改善化妆品的水洗性能,增加皮肤的光润和滑嫩性。产朊假丝酵母(Ｃａｎｄｉｄａｕｔｉｌｉｓ)合成的生物乳化剂可用作色拉的调味。在精细化工中,槐糖脂具有良好的皮肤亲和性,可作为皮肤保湿剂用于化妆品中,还可用于制造洗涤剂,增加感光乳剂的稳定性等。由于生物表面活性剂符合功能性食品和绿色食品添加剂的要求,在人类崇尚健康至上的今天乃至将来,必将成为一种广泛应用的食品添加剂。 5　展望 5.1　发展的现状及分析生物表面活性剂是最近发展起来的一类具有巨大应用潜力的新型表面活性剂,并且有取代化学合成表面活性剂的发展趋势,市场需求量较大。人类环保意识的增强,现代生物技术的进步,推动着生物表面活性剂工业的发展并加快其取代化学合成表面活性剂的进程。它具有生物可降解性,对环境无毒害作用,因此深为工业界所看好。但目前生物表面活性剂只有少数产品走向市场,大多数处于实验研究阶段,没有进行大规模的工业化生产。这主要是由于它的经济成本较高影响了其广泛应用。据估计生物表面活性剂是化学生物表面活性剂成本的3～10倍。开发生物表面活性剂的应用潜力,降低其生产成本是当前研究开发的热点和主要发展方向。决定生物表面活性剂生产成本的主要因素有原料、发酵工艺和下游技术等。因此解决问题的途径有如下三种:(1)通过选育能以廉价碳源如葡萄糖、淀粉为第五代菌种或构建基因工程高产菌;发展快速检测表面活性剂高产菌株并评价其潜力的方法;(2)找到廉价发酵原料、设计高生产力的发酵工艺和经济有效的分离纯化方法、用先进的下游技术等方法提高生物表面活性剂的发酵产率和提取得率,从而大大降低它的生产成本;(3)从新产品角度来看,利用生物表面活性剂的特殊性,开发出它的二次产品,如用于化妆品、食品、制药等行业,在很大程度抵消的价格能达到消费者可以接受的水平,提高其附加值。这样就可使生物表面活性剂成为表面活性剂家族中的后起之秀。它一方面需要我们在培养工艺、底物的选择、菌株筛选等不断摸索改进,另一方面更需要引进当代基因工程技术,改造出高效微生物以解决这个问题。
5.2　新的研究发现生物表面活性剂作为微生物制品方面的研究正在飞速发展,新的结构和应用也被不断发现。如,Ｍｏｒｉｋａｗａ等近来又发现一种新的由Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒｓｐ.ＭＩＳ38产生的脂肽类表面活性剂Ａｒｔｈｒｏｆａｃｔｉｎ,它是目前所发现的表面活性最强的生物表面活性剂,能使水溶液的表面张力下降到仅24ｍＮ/ｍ,ＣＭＣ浓度只为1×10-5Ｍ。初步证明它的驱除原油的性能要优于合成表面剂。
5.3　发展趋势生物表面活性剂属于天然添加剂,具有降低表面张力的作用,对环境无毒害,并且生物降解性能好。除了在石油工业、环境工程等特殊领域受到重视外,随着生物及相关技术的发展,它的价格将逐步降到消费者可以接受的水平,越来越广泛地应用在食品工业、精细化工、医疗卫生等行业,与我们的日常生活密切相关,其应用研究将有广阔的发展前景