SURFACTANTS EN BIOSURFACTANTS: WAAR HET VOOR IS, VOORBEELDEN EN TOEPASSINGEN - BIOLOGIE - 2026

Een oppervlakteactieve stof is een chemische verbinding die in staat is om de oppervlaktespanning van een vloeibare stof te verminderen, die werkt op een grensvlak of contactoppervlak tussen twee fasen, bijvoorbeeld water-lucht of water-olie.

De term surfactant komt van het Engelse woord surfactant, dat op zijn beurt is afgeleid van het acroniem van de uitdrukking surf ace active agent, wat in het Spaans middel met grensvlak- of oppervlakte-activiteit betekent.

Figuur 1. Structuur van oppervlakteactieve stoffen. Bron: belangrijke maatregel, van Wikimedia Commons

In het Spaans wordt het woord "oppervlakteactieve stof" gebruikt, verwijzend naar het vermogen van een chemische verbinding om in te werken op oppervlakte- of grensvlakspanning. Oppervlaktespanning kan worden gedefinieerd als een weerstand die vloeistoffen moeten hebben om hun oppervlak te vergroten.

Water heeft een hoge oppervlaktespanning omdat de moleculen zeer sterk gebonden zijn en niet kunnen scheiden wanneer er druk op het oppervlak wordt uitgeoefend.

Sommige waterinsecten, zoals "schoenmaker" (Gerris lacustris), kunnen bijvoorbeeld op het water bewegen zonder te zinken, dankzij de oppervlaktespanning van het water, waardoor een film op het oppervlak kan worden gevormd.

Figuur 2. Insect dat kan bewegen op water. Bron: TimVickers, van Wikimedia Commons

Ook blijft een stalen naald op het wateroppervlak en zinkt niet door de oppervlaktespanning van het water.

Structuur en functie van oppervlakteactieve stoffen

Alle oppervlakteactieve of oppervlakteactieve chemische stoffen zijn amfifiel van aard, dat wil zeggen dat ze een tweeledig gedrag vertonen, aangezien ze polaire en niet-polaire verbindingen kunnen oplossen. Oppervlakteactieve stoffen hebben twee hoofdonderdelen in hun structuur:

• Een hydrofiele polaire kop, verwant aan water en polaire verbindingen.
• Een lipofiele, hydrofobe niet-polaire staart, vergelijkbaar met niet-polaire verbindingen.

De polaire kop kan niet-ionisch of ionisch zijn. De oppervlakteactieve staart of apolair deel kan een alkyl- of alkylbenzeenkoolstof- en waterstofketen zijn.

Deze zeer bijzondere structuur geeft oppervlakteactieve chemische verbindingen een tweeledig, amfifiel gedrag: affiniteit voor polaire verbindingen of fasen, oplosbaar in water en ook affiniteit voor niet-polaire verbindingen, onoplosbaar in water.

In het algemeen verminderen oppervlakteactieve stoffen de oppervlaktespanning van water, waardoor deze vloeistof meer kan uitzetten en stromen, waardoor aangrenzende oppervlakken en fasen nat worden.

Waar zijn oppervlakteactieve stoffen voor?

Oppervlakteactieve chemicaliën oefenen hun activiteit uit op oppervlakken of grensvlakken.

Wanneer ze zijn opgelost in water, migreren ze bijvoorbeeld naar de water-olie- of water-lucht-grensvlakken, waar ze kunnen functioneren als:

• Dispergeermiddelen en oplosbaar makende middelen van onoplosbare of slecht oplosbare verbindingen in water.
• Bevochtigers, omdat ze de doorgang van water naar onoplosbare fasen daarin bevorderen.
• Stabilisatoren voor emulsies van in water en water onoplosbare verbindingen, zoals olie en water uit mayonaise.
• Sommige oppervlakteactieve stoffen bevorderen en andere voorkomen schuimvorming.

Biosurfactants: oppervlakteactieve stoffen van biologische oorsprong

Wanneer de oppervlakteactieve stof afkomstig is van een levend organisme, wordt het een biosurfactant genoemd.

In strikte zin worden biosurfactants beschouwd als amfifiele biologische verbindingen (met dubbel chemisch gedrag, oplosbaar in water en vet), geproduceerd door micro-organismen zoals gist, bacteriën en draadschimmels.

Biosurfactants worden uitgescheiden of vastgehouden als onderdeel van het microbiële celmembraan.

Sommige biosurfactants worden ook geproduceerd door biotechnologische processen, met behulp van enzymen die werken op een biologisch chemische verbinding of een natuurlijk product.

Voorbeelden van biosurfactants

Natuurlijke bio-oppervlakte-actieve stoffen omvatten saponinen van planten zoals cayennepeper (Hibiscus sp.), Lecithine, galsappen van zoogdieren of menselijke long-oppervlakte-actieve stof (met zeer belangrijke fysiologische functies).

Bovendien zijn aminozuren en hun derivaten, betaïnen en fosfolipiden, al deze natuurlijke producten van biologische oorsprong, biosurfactants.

Classificatie van biosurfactants en voorbeelden

-Volgens de aard van de elektrische lading in het polaire deel of hoofd

Biosurfactants kunnen worden gegroepeerd in de volgende categorieën, op basis van de elektrische lading van hun polaire kop:

Anionische biosurfactants

Ze hebben een negatieve lading aan het polaire uiteinde, vaak door de aanwezigheid van een sulfonaatgroep –SO ₃ ^- .

Kationische biosurfactanten

Ze hebben een positieve lading op het hoofd, meestal een quaternaire ammoniumgroep NR ₄ ⁺ , waarbij R een keten van koolstof en waterstof voorstelt.

Amfotere biosurfactants

Ze hebben zowel positieve als negatieve ladingen op hetzelfde molecuul.

Niet-ionische biosurfactants

Ze hebben geen ionen of elektrische ladingen in hun hoofd.

-Volgens zijn chemische aard

Volgens hun chemische aard worden biosurfactants in de volgende typen ingedeeld:

Glycolipide biosurfactants

Glycolipiden zijn moleculen die in hun chemische structuur een deel van lipide of vet en een deel van suiker hebben. De meeste bekende biosurfactants zijn glycolipiden. Deze laatste bestaan ​​uit suikersulfaten zoals glucose, galactose, mannose, rhamnose en galactose.

Van de glycolipiden zijn de bekendste de rhamnolipiden, bio-emulgatoren die uitgebreid zijn bestudeerd, met een hoge emulgerende activiteit en een hoge affiniteit voor hydrofobe organische moleculen (die niet oplossen in water).

Deze worden beschouwd als de meest effectieve oppervlakteactieve stoffen voor het verwijderen van hydrofobe verbindingen in verontreinigde bodems.

Voorbeelden van rhamnolipiden zijn onder meer oppervlakteactieve stoffen die worden geproduceerd door bacteriën van het geslacht Pseudomonas.

Er zijn andere glycolipiden, geproduceerd door Torulopsis sp., Met biocidale activiteit en gebruikt in cosmetica, antiroosproducten, bacteriostatica en als lichaamsdeodorants.

Lipoproteïne en lipopeptide biosurfactants

Lipoproteïnen zijn chemische verbindingen die in hun structuur een deel van lipide of vet en een ander deel van eiwit hebben.

Bacillus subtilis is bijvoorbeeld een bacterie die lipopeptiden produceert die surfactines worden genoemd. Deze behoren tot de krachtigste oppervlaktespanning verlagende biosurfactants.

Surfactines hebben het vermogen om erytrocytenlysis (afbraak van rode bloedcellen) bij zoogdieren te produceren. Bovendien kunnen ze worden gebruikt als biociden voor ongedierte zoals kleine knaagdieren.

Vetzuur biosurfactants

Sommige micro-organismen kunnen alkanen (koolstof- en waterstofketens) oxideren tot vetzuren met oppervlakte-actieve eigenschappen.

Fosfolipide biosurfactants

Fosfolipiden zijn chemische verbindingen met fosfaatgroepen (PO ₄ ^3- ), gehecht aan een deel met een lipidestructuur. Ze maken deel uit van de membranen van micro-organismen.

Bepaalde bacteriën en gisten die zich voeden met koolwaterstoffen, wanneer ze groeien op alkaansubstraten, verhogen de hoeveelheid fosfolipiden in hun membraan. Bijvoorbeeld Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans en Rhodococcus erythropolis.

Polymere biosurfactants

Polymere biosurfactants zijn macromoleculen met een hoog molecuulgewicht. De meest bestudeerde biosurfactants van deze groep zijn: emulgeer-, liposan-, mannoproteïne- en polysaccharide-eiwitcomplexen.

Zo produceert de bacterie Acinetobacter calcoaceticus polyanionische emulgator (met verschillende negatieve ladingen), een zeer effectieve bio-emulgator voor koolwaterstoffen in water. Het is ook een van de krachtigste emulsiestabilisatoren die we kennen.

Liposan is een in water oplosbare, extracellulaire emulgator, bestaande uit polysacchariden en Candida lipolytica-eiwit.

Milieusanering

Biosurfactants worden gebruikt bij de bioremediatie van bodems die zijn verontreinigd met giftige metalen, zoals uranium, cadmium en lood (biosurfactants van Pseudomonas spp. En Rhodococcus spp.).

Ze worden ook gebruikt in bioremediatieprocessen van bodems en water die zijn verontreinigd door benzine- of olielozingen.

Figuur 3. Biosurfactants worden gebruikt in milieusaneringsprocessen als gevolg van olielozingen. Bron: Ministerie van Buitenlandse Zaken van Ecuador, via Wikimedia Commons

Aeromonas sp. produceert biosurfactants die oliedegradatie of reductie van grote moleculen tot kleinere mogelijk maken, die dienen als voedingsstoffen voor micro-organismen, bacteriën en schimmels.

In industriële processen

Biosurfactants worden gebruikt in de wasmiddelen- en reinigerindustrie, omdat ze de reinigende werking versterken door de vetten op te lossen die kleding of oppervlakken in het waswater bevuilen.

Ze worden ook gebruikt als aanvullende chemische verbindingen in de textiel-, papier- en leerlooierij-industrie.

In de cosmetische en farmaceutische industrie

In de cosmetica-industrie produceert Bacillus licheniformis biosurfactants die worden gebruikt als anti-roos, bacteriostatische en deodorantproducten.

Sommige biosurfactants worden in de farmaceutische en biomedische industrie gebruikt vanwege hun antimicrobiële en / of antischimmelactiviteit.

In de voedingsindustrie

In de voedingsindustrie worden biosurfactants gebruikt bij de bereiding van mayonaise (een emulsie van eierwater en olie). Deze biosurfactants zijn afkomstig van lectines en hun derivaten, die de kwaliteit en bovendien de smaak verbeteren.

In de landbouw

In de landbouw worden biosurfactants gebruikt voor de biologische bestrijding van pathogenen (schimmels, bacteriën, virussen) in gewassen.

Een ander gebruik van biosurfactants in de landbouw is om de beschikbaarheid van micronutriënten uit de bodem te vergroten.

Referenties

1. Banat, IM, Makkar, RS en Cameotra, SS (2000). Potentiële commerciële toepassingen van microbiële oppervlakteactieve stoffen. Toegepaste microbiologische technologie. 53 (5): 495-508.
2. Cameotra, SS en Makkar, RS (2004). Recente toepassingen van biosurfactants als biologische en immunologische moleculen. Huidige meningen in de microbiologie. 7 (3): 262-266.
3. Chen, SY, Wei, YH en Chang, JS (2007). Herhaalde pH-stat fed-batch-fermentatie voor de productie van rhamnolipiden met inheemse Pseudomonas aeruginosa Applied Microbiology Biotechnology. 76 (1): 67-74.
4. Mulligan, CN (2005). Milieutoepassingen voor biosurfactants. Milieuvervuiling. 133 (2): 183-198. Doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. en Liu, T. (2018). Biosurfactants verbeterden de verwijdering van zware metalen uit slib bij de elektrokinetische behandeling. Chemical Engineering Journal. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.