ПОВЪРХНОСТНОАКТИВНИ ВЕЩЕСТВА И БИОСЪРФАКТАНТИ: ЗА КАКВО Е, ПРИМЕРИ И ПРИЛОЖЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

А повърхностно активно вещество е химическо съединение, способно да намали напрежението на течно вещество повърхност, която действа по интерфейс или контакт повърхност между две фази, като например вода, въздух или вода-масло.

Терминът повърхностно активно вещество идва от английската дума surfactant, която от своя страна произлиза от съкращението на експресивния surf ace active agent, което означава на испански агент с междуфазна или повърхностна активност.

Фигура 1. Структура на ПАВ. Източник: Основна мярка, от Wikimedia Commons

На испански се използва думата „повърхностно активно вещество“, отнасяща се до способността на химичното съединение да действа на повърхностно или междуфазно напрежение. Повърхностното напрежение може да се определи като съпротивление, което течностите трябва да увеличат повърхността си.

Водата има високо повърхностно напрежение, тъй като нейните молекули са много плътно свързани и издържат на разделяне, когато се упражнява натиск върху тяхната повърхност.

Например, някои водни насекоми, като „калдарън“ (Gerris lacustris), могат да се движат по водата без потъване, благодарение на повърхностното напрежение на водата, което позволява образуването на филм върху повърхността му.

Фигура 2. Насекомо, способно да се движи по вода. Източник: TimVickers, от Wikimedia Commons

Също така стоманена игла остава на повърхността на водата и не потъва, поради повърхностното напрежение на водата.

Структура и функция на ПАВ

Всички повърхностно активни или повърхностноактивни химични агенти са амфифилни по природа, тоест имат двойно поведение, тъй като могат да разтварят полярни и неполярни съединения. Повърхностноактивните вещества имат две основни части в структурата си:

• Хидрофилна полярна глава, близка до водата и полярните съединения.
• Липофилна, хидрофобна неполярна опашка, сходна с неполярни съединения.

Полярната глава може да бъде не-йонна или йонна. Опашката на повърхностно-активното вещество или аполарната част може да бъде алкилова или алкилбензолна въглеродна и водородна верига.

Тази много специфична структура дава на повърхностноактивните химични съединения двойно, амфифилно поведение: афинитет към полярни съединения или фази, разтворим във вода, а също и афинитет към неполярни съединения, неразтворими във вода.

По принцип повърхностноактивните вещества намаляват повърхностното напрежение на водата, което позволява на тази течност да се разшири и да тече в по-голяма степен, намокряйки съседни повърхности и фази.

За какво са ПАВ?

Повърхностноактивните химикали упражняват своята активност върху повърхности или интерфейси.

Когато се разтварят във вода, те преминават към интерфейсите вода-масло или вода-въздух, например, където те могат да функционират като:

• Дисперсанти и разтворители на неразтворими или слабо разтворими съединения във вода.
• Humectants, тъй като те благоприятстват преминаването на водата до неразтворими фази в нея.
• Стабилизатори за емулсии на съединения, неразтворими във вода и вода, като масло и вода от майонеза.
• Някои ПАВ насърчават, а други предотвратяват разпенването.

Био surfaktant: повърхностноактивни вещества от биологичен произход

Когато повърхностно активното вещество идва от жив организъм, то се нарича биосърфактант.

В по-строг смисъл биосурните вещества се считат за амфифилни биологични съединения (с двойно химично поведение, разтворими във вода и мазнини), произведени от микроорганизми като дрожди, бактерии и нишковидни гъби.

Биосурфактантите се екскретират или задържат като част от микробната клетъчна мембрана.

Също така някои биосурфактанти се произвеждат чрез биотехнологични процеси, като се използват ензими, които действат върху биологично химично съединение или природен продукт.

Примери за биологично активни вещества

Естествените биосурни вещества включват растителни сапонини като кайеново цвете (Hibiscus sp.), Лецитин, жлъчни сокове от бозайници или човешки сърфактант в белия дроб (с много важни физиологични функции).

Освен това аминокиселините и техните производни, бетаините и фосфолипидите, всички тези естествени продукти от биологичен произход, са биосърфактанти.

Класификация на биологично активни вещества и примери

-Съобразявайки се с естеството на електрическия заряд в полярната част или главата

Биосурфактантите могат да бъдат групирани в следните категории въз основа на електрическия заряд на полярната им глава:

Анионни биосурфактанти

Те имат отрицателен заряд в полярния край, често поради наличието на сулфонатна група –SO ₃ ^-.

Катионни биологично активни вещества

Те имат положителен заряд на главата, обикновено кватернерна амониева група NR ₄ ⁺, където R означава верига от въглерод и водород.

Амфотерични биосърфактанти

Те имат както положителни, така и отрицателни заряди върху една и съща молекула.

Неионни био-повърхностно активни вещества

Те нямат йони или електрически заряди в главата си.

-Следвайки своята химическа природа

Според химическата си природа биоразнообразуващите вещества се класифицират в следните видове:

Гликолипидни биосурфактанти

Гликолипидите са молекули, които имат в своята химическа структура част от липидите или мазнините и част от захарта. Повечето от известните биосурфактанти са гликолипиди. Последните се състоят от сулфати на захари като глюкоза, галактоза, маноза, рамноза и галактоза.

Сред гликолипидите най-известни са рамнолипидите, биоемулгаторите, които са широко проучени, с висока емулгираща активност и висок афинитет към хидрофобни органични молекули (които не се разтварят във вода).

Те се считат за най-ефективните повърхностноактивни вещества за отстраняване на хидрофобни съединения в замърсени почви.

Примерите за рамнолипиди включват повърхностно активни вещества, произведени от бактерии от рода Pseudomonas.

Има и други гликолипиди, произведени от Torulopsis sp., С биоцидна активност и използвани в козметиката, продуктите срещу пърхот, бактериостатите и като дезодоранти за тяло.

Липопротеинови и липопептидни биосурфактанти

Липопротеините са химични съединения, които имат в структурата си част от липиди или мазнини и друга част от протеини.

Например, Bacillus subtilis е бактерия, която произвежда липопептиди, наречени сурфактини. Те са сред най-мощните повърхностни напрежения, намаляващи биологичните вещества.

Сърфактините имат способността да произвеждат лизис на еритроцити (разпад на червените кръвни клетки) при бозайници. В допълнение, те могат да се използват като биоциди за вредители като малки гризачи.

Мастнокисели биоактивни вещества

Някои микроорганизми могат да окисляват алкани (въглеродни и водородни вериги) до мастни киселини, които имат свойства на повърхностно-активното вещество.

Фосфолипидни биосурфактанти

Фосфолипидите са химични съединения, които имат фосфатни групи (PO ₄ ^3-), прикрепени към част с липидна структура. Те са част от мембраните на микроорганизмите.

Някои бактерии и дрожди, които се хранят с въглеводороди, когато растат върху алканови субстрати, увеличават количеството на фосфолипидите в мембраната си. Например Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans и Rhodococcus erythropolis.

Полимерни биосърфактанти

Полимерните биосурфактанти са високомолекулни макромолекули. Най-изследваните биосурфактанти в тази група са: емулгатори, липосукция, манопротеин и полизахаридно-протеинови комплекси.

Например, бактерията Acinetobacter calcoaceticus произвежда полианионен емулгатор (с различни отрицателни заряди), много ефективен биоемулгатор за въглеводороди във вода. Той е и един от най-мощните стабилизатори на емулсия.

Liposan е водоразтворим, извънклетъчен емулгатор, състоящ се от полизахариди и Candida lipolytica протеин.

Екологична санитария

Биосърфактантите се използват в биоремедиацията на почви, замърсени с токсични метали, като уран, кадмий и олово (биосърфактанти от Pseudomonas spp. И Rhodococcus spp.).

Те се използват и в процесите на биоремедиация на почви и вода, замърсени от разливи от бензин или нефт.

Фигура 3. Биосурфактантите се използват в процеса на саниране на околната среда поради нефтени разливи. Източник: Министерство на външните работи на Еквадор, чрез Wikimedia Commons

Например, Aeromonas sp. произвежда биосурфактанти, които позволяват разграждане на маслото или редукция на големи молекули до по-малки, които служат като хранителни вещества за микроорганизми, бактерии и гъбички.

В индустриалните процеси

Биосерфичните вещества се използват в промишлеността за почистване и почистване, тъй като те засилват почистващото действие, като разтварят мазнините, които замърсяват дрехите или повърхностите във водата за измиване.

Те се използват и като помощни химични съединения в текстилната, хартиената и кожената промишленост.

В козметичната и фармацевтичната индустрия

В козметичната индустрия Bacillus licheniformis произвежда биосърфактанти, които се използват като продукти против пърхот, бактериостатици и дезодоранти.

Някои биосурфактанти се използват във фармацевтичната и биомедицинската индустрия за тяхното антимикробно и / или противогъбично действие.

В хранително-вкусовата промишленост

В хранително-вкусовата промишленост при производството на майонеза се използват био-активни вещества (която е емулсия от яйчна вода и масло). Тези биосурфактанти идват от лектини и техните производни, които подобряват качеството и допълнително вкус.

В селското стопанство

В селското стопанство биосурните вещества се използват за биологичен контрол на патогени (гъби, бактерии, вируси) в културите.

Друго използване на биотоагентите в селското стопанство е да се увеличи наличието на микроелементи от почвата.

Препратки

1. Banat, IM, Makkar, RS и Cameotra, SS (2000). Потенциални търговски приложения на микробни повърхностноактивни вещества. Приложна микробиологична технология. 53 (5): 495-508.
2. Cameotra, SS и Makkar, RS (2004). Скорошни приложения на биосурфактанти като биологични и имунологични молекули. Актуални мнения в микробиологията. 7 (3): 262-266.
3. Chen, SY, Wei, YH и Chang, JS (2007). Многократна рН-статична ферментация с подхранвана порция за производство на рамнолипид с местна Pseudomonas aeruginosa Приложна микробиология Биотехнология. 76 (1): 67-74.
4. Mulligan, CN (2005). Приложения за околната среда за биологично активни вещества. Замърсяване на околната среда. 133 (2): 183-198.doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. и Liu, T. (2018). Биосурфактантите подобряват отстраняването на тежки метали от утайките при електрокинетичната обработка. Списание за химическо инженерство. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.