POVRCHOVO AKTÍVNE LÁTKY A BIOSURFAKTANTY: NA ČO SLÚŽI, PRÍKLADY A POUŽITIA - BIOLÓGIE - 2025

Povrchovo aktívna látka je chemická zlúčenina schopná znížiť povrchové napätie kvapalné látky, ktoré pôsobia na stykovú plochu, alebo kontakt medzi dvoma fázami, napríklad voda-vzduch alebo voda-olej.

Pojem povrchovo aktívne činidlo pochádza z anglického slova povrchovo aktívne činidlo, ktoré je zase odvodené od akronymu výrazu surfaktantové aktívne činidlo, čo znamená v španielskom činidle s medzifázovou alebo povrchovou aktivitou.

Obrázok 1. Štruktúra povrchovo aktívnych látok. Zdroj: Hlavné opatrenie, z Wikimedia Commons

V španielčine sa používa slovo „povrchovo aktívna látka“, ktoré sa týka schopnosti chemickej zlúčeniny pôsobiť na povrchové alebo medzifázové napätie. Povrchové napätie možno definovať ako odpor, ktorý musia kvapaliny zvyšovať svoj povrch.

Voda má vysoké povrchové napätie, pretože jej molekuly sú veľmi pevne viazané a pri tlaku na ich povrch odolávajú oddeľovaniu.

Napríklad niektoré vodné hmyzy, ako napríklad „švec“ (Gerris lacustris), sa môžu pohybovať po vode bez toho, aby sa potápali, a to vďaka povrchovému napätiu vody, ktoré umožňuje na ich povrchu vytvoriť film.

Obrázok 2. Hmyz schopný pohybu po vode. Zdroj: TimVickers, z Wikimedia Commons

Aj oceľová ihla zostáva na povrchu vody a neklesne kvôli povrchovému napätiu vody.

Štruktúra a funkcia povrchovo aktívnych látok

Všetky povrchovo aktívne látky alebo chemikálie povrchovo aktívnych látok sú svojou povahou amfifilné, to znamená, že majú dvojaké správanie, pretože môžu rozpúšťať polárne a nepolárne zlúčeniny. Povrchovo aktívne látky majú vo svojej štruktúre dve hlavné časti:

• Hydrofilná polárna hlava podobná vode a polárnym zlúčeninám.
• Lipofilné, hydrofóbne nepolárne chvosty, podobné nepolárnym zlúčeninám.

Polárna hlava môže byť neiónová alebo iónová. Zvyšok povrchovo aktívnej látky alebo nepolárna časť môže byť alkylový alebo alkylbenzénový uhlíkový a vodíkový reťazec.

Táto veľmi špecifická štruktúra dáva chemickým zlúčeninám povrchovo aktívneho činidla dvojaké amfifilné správanie: afinitu k polárnym zlúčeninám alebo fázam, rozpustnú vo vode a tiež afinitu k nepolámym zlúčeninám, nerozpustným vo vode.

Všeobecne povrchovo aktívne činidlá znižujú povrchové napätie vody, čo umožňuje tejto tekutine expandovať a tečieť vo väčšej miere a zvlhčuje susedné povrchy a fázy.

Na čo sú povrchovo aktívne látky?

Povrchovo aktívne látky pôsobia na povrchy alebo rozhrania.

Keď sa rozpúšťajú vo vode, migrujú napríklad na rozhranie voda-olej alebo voda-vzduch, kde môžu fungovať ako:

• Dispergátory a solubilizátory nerozpustných alebo zle rozpustných zlúčenín vo vode.
• Zvlhčovadlá, pretože uprednostňujú priechod vody do nerozpustných fáz v nej.
• Stabilizátory pre emulzie zlúčenín nerozpustných vo vode a vode, ako je olej a voda z majonézy.
• Niektoré povrchovo aktívne látky podporujú a iné zabraňujú peneniu.

Biosurfaktanty: povrchovo aktívne látky biologického pôvodu

Keď povrchovo aktívna látka pochádza z živého organizmu, nazýva sa biosurfaktant.

Presnejšie povedané, biosurfaktanty sa považujú za amfifilné biologické zlúčeniny (s duálnym chemickým správaním, rozpustné vo vode a tuku), ktoré sú produkované mikroorganizmami, ako sú kvasinky, baktérie a vláknité huby.

Biosurfaktanty sa vylučujú alebo zachovávajú ako súčasť membrány mikrobiálnych buniek.

Niektoré biosurfaktanty sa tiež vyrábajú biotechnologickými procesmi, pri ktorých sa používajú enzýmy, ktoré pôsobia na biologickú chemickú zlúčeninu alebo prírodný produkt.

Príklady biosurfaktantov

Prírodné biosurfaktanty zahŕňajú saponíny z rastlín, ako je napríklad kajenský kvet (Hibiscus sp.), Lecitín, žlčové šťavy cicavcov alebo ľudské pľúcne povrchovo aktívne látky (s veľmi dôležitými fyziologickými funkciami).

Aminokyseliny a ich deriváty, betaíny a fosfolipidy sú navyše biosurfaktanty, všetky tieto prírodné produkty biologického pôvodu.

Klasifikácia biosurfaktantov a príklady

- Podľa charakteru elektrického náboja v polárnej časti alebo hlave

Biosurfaktanty možno rozdeliť do nasledujúcich kategórií na základe elektrického náboja ich polárnej hlavy:

Aniónové biosurfaktanty

Majú záporný náboj na polárnym koncom, často v dôsledku prítomnosti sulfonátové skupiny -SO ₃ ^- .

Katiónové biosurfaktanty

Majú kladný náboj na hlave, obvykle kvartérna amóniová skupina NR ₄ ⁺ , kde R predstavuje skupinu atómov uhlíka a vodíka.

Amfotérne biosurfaktanty

Majú kladné aj záporné náboje na tej istej molekule.

Neiónové biosurfaktanty

Nemajú v hlavách ióny ani elektrické náboje.

- Podľa svojej chemickej povahy

Podľa chemickej povahy sa biosurfaktanty klasifikujú do týchto typov:

Glykolipidové biosurfaktanty

Glykolipidy sú molekuly, ktoré majú vo svojej chemickej štruktúre časť lipidu alebo tuku a časť cukru. Väčšina známych biosurfaktantov sú glykolipidy. Posledne uvedené pozostávajú zo síranov cukrov, ako je glukóza, galaktóza, manóza, ramnóza a galaktóza.

Z glykolipidov sú najznámejšie rhamnolipidy, bioemulgátory, ktoré sa intenzívne študovali, s vysokou emulgačnou aktivitou a vysokou afinitou pre hydrofóbne organické molekuly (ktoré sa nerozpúšťajú vo vode).

Tieto sa považujú za najúčinnejšie povrchovo aktívne látky na odstránenie hydrofóbnych zlúčenín v kontaminovaných pôdach.

Príklady ramnolipidov zahŕňajú povrchovo aktívne látky produkované baktériami rodu Pseudomonas.

Existujú aj ďalšie glykolipidy vyrábané spoločnosťou Torulopsis sp., S biocídnou aktivitou a používané v kozmetike, výrobkoch proti lupinám, bakteriostatikách a ako dezodoranty v tele.

Lipoproteínové a lipopeptidové biosurfaktanty

Lipoproteíny sú chemické zlúčeniny, ktoré majú vo svojej štruktúre časť lipidov alebo tukov a ďalšiu časť bielkovín.

Napríklad Bacillus subtilis je baktéria, ktorá produkuje lipopeptidy nazývané surfaktíny. Patria medzi najsilnejšie biosurfaktanty znižujúce povrchové napätie.

Surfaktíny majú schopnosť produkovať lýzu erytrocytov (rozklad červených krviniek) u cicavcov. Okrem toho sa môžu použiť ako biocídy pre škodcov, ako sú malé hlodavce.

Biosurfaktanty mastných kyselín

Niektoré mikroorganizmy môžu oxidovať alkány (uhlíkové a vodíkové reťazce) na mastné kyseliny, ktoré majú povrchovo aktívne vlastnosti.

Fosfolipidové biosurfaktanty

Fosfolipidy sú chemické zlúčeniny, ktoré majú fosfátových skupín (PO ₄ ³ ), pripojenej k časti s lipidovej štruktúry. Sú súčasťou membrán mikroorganizmov.

Určité baktérie a kvasinky, ktoré sa živia uhľovodíkmi, keď rastú na alkánových substrátoch, zvyšujú množstvo fosfolipidov v ich membráne. Napríklad Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans a Rhodococcus erythropolis.

Polymérne biosurfaktanty

Polymérne biosurfaktanty sú makromolekuly s vysokou molekulovou hmotnosťou. Najštudovanejšie biosurfaktanty v tejto skupine sú: emulgátor, liposukcia, komplexy mannoproteínu a polysacharid-proteín.

Napríklad baktéria Acinetobacter calcoaceticus produkuje polyaniónový emulgátor (s rôznymi negatívnymi nábojmi), veľmi účinný bioemulgátor pre uhľovodíky vo vode. Je to tiež jeden z najúčinnejších známych emulzných stabilizátorov.

Liposan je vo vode rozpustný extracelulárny emulgátor pozostávajúci z polysacharidov a proteínu Candida lipolytica.

Environmentálna hygiena

Biosurfaktanty sa používajú pri bioremediácii pôd kontaminovaných toxickými kovmi, ako je urán, kadmium a olovo (biosurfaktanty Pseudomonas spp. A Rhodococcus spp.).

Používajú sa tiež pri bioremediačných procesoch v pôde a vode kontaminovanej benzínovým alebo olejovým únikom.

Obrázok 3. Biosurfaktanty sa používajú v procesoch sanácie životného prostredia v dôsledku úniku oleja. Zdroj: Ekvádorské ministerstvo zahraničných vecí, prostredníctvom Wikimedia Commons

Napríklad Aeromonas sp. vyrába biosurfaktanty, ktoré umožňujú degradáciu alebo redukciu oleja na veľké molekuly na menšie molekuly, ktoré slúžia ako živiny pre mikroorganizmy, baktérie a huby.

V priemyselných procesoch

Biosurfaktanty sa používajú v priemysle pracích a čistiacich prostriedkov, pretože zvyšujú čistiaci účinok tým, že rozpúšťajú tuky, ktoré znečistili odev alebo povrchy vo vode na umývanie.

Používajú sa tiež ako pomocné chemické zlúčeniny v textilnom, papierenskom a koželužskom priemysle.

V kozmetickom a farmaceutickom priemysle

V kozmetickom priemysle vyrába Bacillus licheniformis biosurfaktanty, ktoré sa používajú ako výrobky proti lupinám, bakteriostatiká a dezodoranty.

Niektoré biosurfaktanty sa používajú vo farmaceutickom a biomedicínskom priemysle pre svoju antimikrobiálnu a / alebo protiplesňovú aktivitu.

V potravinárskom priemysle

V potravinárskom priemysle sa biosurfaktanty používajú pri výrobe majonézy (čo je emulzia vaječnej vody a oleja). Tieto biosurfaktanty pochádzajú z lektínov a ich derivátov, ktoré zlepšujú kvalitu a navyše chuť.

V poľnohospodárstve

V poľnohospodárstve sa biosurfaktanty používajú na biologickú kontrolu patogénov (húb, baktérií, vírusov) v plodinách.

Ďalším využitím biosurfaktantov v poľnohospodárstve je zvýšenie dostupnosti mikroživín z pôdy.

Referencie

1. Banat, IM, Makkar, RS a Cameotra, SS (2000). Potenciálne komerčné aplikácie mikrobiálnych povrchovo aktívnych látok. Aplikovaná mikrobiologická technológia. 53 (5): 495 - 508.
2. Cameotra, SS a Makkar, RS (2004). Nedávne aplikácie biosurfaktantov ako biologických a imunologických molekúl. Aktuálne názory na mikrobiológiu. 7 (3): 262-266.
3. Chen, SY, Wei, YH a Chang, JS (2007). Opakovaná vsádzková fermentácia s pH-statom na výrobu ramnolipidov s pôvodnou mikrobiologickou biotechnológiou Pseudomonas aeruginosa. 76 (1): 67-74.
4. Mulligan, CN (2005). Environmentálne aplikácie pre biosurfaktanty. Environmentálne znečistenie. 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 zlepšili odstraňovanie ťažkých kovov z kalov pri elektrokinetickom spracovaní. Chemical Engineering Journal. 334 (15): 2579-2592. doi: 10,016 / j.cej.2017.12.010.