YTAKTANTER OCH BIOSURFAKTANTER: VAD DEN ÄR TILL FÖR, EXEMPEL OCH ANVÄNDNINGSOMRÅDEN - BIOLOGI - 2025

Ett ytaktivt medel är en kemisk förening som kan reducera ytspänningen hos en flytande substans, som verkar vid en gränsyta eller kontaktyta mellan två faser, till exempel vatten-luft eller vatten-olja.

Uttrycket surfaktant kommer från det engelska ordet surfactant, som i sin tur härrör från förkortningen av uttrycket surf ace active agent, vilket betyder i spanska medel med gränssnitt eller ytaktivitet.

Bild 1. Struktur av ytaktiva ämnen. Källa: Major åtgärd, från Wikimedia Commons

På spanska används ordet "ytaktivt medel", med hänvisning till förmågan hos en kemisk förening att verka på ytan eller gränsytespänningen. Ytspänning kan definieras som en motstånd som vätskor måste öka ytan.

Vatten har en hög ytspänning eftersom dess molekyler är mycket tätt bundna och motstår separering när tryck utövas på deras yta.

Till exempel kan vissa vattenlevande insekter, till exempel "skomakare" (Gerris lacustris), röra sig på vattnet utan att sjunka, tack vare ytspänningen i vattnet, vilket gör det möjligt att bilda en film på ytan.

Bild 2. Insekt som kan röra sig på vatten. Källa: TimVickers, från Wikimedia Commons

En stålnål stannar också på vattnet och sjunker inte på grund av vattens ytspänning.

Strukturen och funktionen av ytaktiva ämnen

Alla kemiska medel för ytaktiva medel eller ytaktiva ämnen är amfifila till sin natur, det vill säga de har ett dubbelt beteende, eftersom de kan lösa polära och icke-polära föreningar. Tensidmedel har två huvuddelar i sin struktur:

• Ett hydrofilt polärt huvud, besläktat med vatten och polära föreningar.
• En lipofil, hydrofob icke-polär svans, liknar icke-polära föreningar.

Det polära huvudet kan vara icke-joniskt eller joniskt. Den ytaktiva svansen, eller den apolära delen, kan vara en alkyl- eller alkylbensen-kol- och vätekedja.

Denna mycket speciella struktur ger kemiska föreningar med ytaktiva ämnen ett dubbelt, amfifilt beteende: affinitet för polära föreningar eller faser, löslig i vatten och även affinitet för icke-polära föreningar, olösliga i vatten.

I allmänhet minskar ytaktiva ämnen ytans spänning på vatten, vilket tillåter denna vätska att expandera och flöda i större grad, genom att väta närliggande ytor och faser.

Vad är ytaktiva ämnen för?

Ytaktiva kemikalier utövar sin aktivitet på ytor eller gränssnitt.

När de upplöses i vatten, migrerar de till vatten-olja eller vatten-luft gränssnitt till exempel, där de kan fungera som:

• Dispergeringsmedel och solubilisatorer av olösliga eller dåligt lösliga föreningar i vatten.
• Humektanter, eftersom de föredrar att vatten passerar till olösliga faser i det.
• Stabilisatorer för emulsioner av föreningar olösliga i vatten och vatten, såsom olja och vatten från majonnäs.
• Vissa ytaktiva ämnen främjar och andra förhindrar skumning.

Biosurfaktanter: ytaktiva ämnen av biologiskt ursprung

När det ytaktiva ämnet kommer från en levande organism, kallas det en biosurfaktant.

På ett striktare sätt betraktas biosurfaktanter som amfifiliska biologiska föreningar (med dubbelt kemiskt beteende, lösligt i vatten och fett), producerat av mikroorganismer som jäst, bakterier och filamentösa svampar.

Biosurfaktanter utsöndras eller behålls som en del av det mikrobiella cellmembranet.

Vissa biosurfaktanter produceras också genom bioteknologiska processer med användning av enzymer som verkar på en biologisk kemisk förening eller en naturlig produkt.

Exempel på biosurfaktanter

Naturliga biosurfaktanter inkluderar saponiner från växter som cayenneblomma (Hibiscus sp.), Lecitin, däggdjursgalljuicer eller humant lungtensid (med mycket viktiga fysiologiska funktioner).

Dessutom är aminosyror och deras derivat, betainer och fosfolipider, alla dessa naturliga produkter av biologiskt ursprung, biosurfaktanter.

Klassificering av biosurfaktanter och exempel

- Enligt arten av den elektriska laddningen i den polära delen eller huvudet

Biosurfaktanter kan grupperas i följande kategorier, baserat på den elektriska laddningen av deras polära huvud:

Anjoniska biosurfaktanter

De har en negativ laddning vid den polära änden, ofta på grund av närvaron av en sulfonatgrupp –SO ₃ ^- .

Kationiska biosurfaktanter

De har en positiv laddning på huvudet, vanligtvis en kvartar ammoniumgrupp NR ₄ ⁺ , där R betecknar en kedja av kol och väte.

Amfotära biosurfaktanter

De har både positiva och negativa laddningar på samma molekyl.

Icke-joniska biosurfaktanter

De har inte joner eller elektriska laddningar i huvudet.

- Enligt dess kemiska natur

Enligt deras kemiska karaktär klassificeras biosurfaktanter i följande typer:

Glykolipid biosurfaktanter

Glykolipider är molekyler som i sin kemiska struktur har en del av lipid eller fett och en del av socker. De flesta kända biosurfaktanter är glykolipider. Den senare består av sulfater av sockerarter såsom glukos, galaktos, mannos, rhamnos och galaktos.

Bland glykolipiderna är de mest kända rhamnolipiderna, bioemulgatorer som har studerats omfattande, med hög emulgerande aktivitet och hög affinitet för hydrofoba organiska molekyler (som inte upplöses i vatten).

Dessa anses vara de mest effektiva ytaktiva medlen för avlägsnande av hydrofoba föreningar i förorenade jordar.

Exempel på rhamnolipider inkluderar ytaktiva medel producerade av bakterier av släktet Pseudomonas.

Det finns andra glykolipider, producerade av Torulopsis sp., Med biocidaktivitet och används i kosmetika, mjällskyddsprodukter, bakteriostatika och som kroppsdeodoranter.

Lipoprotein och lipopeptid biosurfaktanter

Lipoproteiner är kemiska föreningar som i sin struktur har en del av lipid eller fett och en annan del av protein.

Till exempel är Bacillus subtilis en bakterie som producerar lipopeptider som kallas surfaktiner. Dessa är bland de mest kraftfulla ytspänningar som reducerar biosurfaktanter.

Surfaktiner har förmågan att producera erytrocytlys (nedbrytning av röda blodkroppar) hos däggdjur. Dessutom kan de användas som biocider för skadedjur som små gnagare.

Fettsyrabiosurfaktanter

Vissa mikroorganismer kan oxidera alkaner (kol- och vätekedjor) till fettsyror som har ytaktiva egenskaper.

Fosfolipid biosurfaktanter

Fosfolipider är kemiska föreningar som har fosfatgrupper (PO ₄ ^3- ), fästa vid en del med en lipidstruktur. De är en del av membranen hos mikroorganismer.

Vissa bakterier och jästar som lever på kolväten ökar mängden fosfolipider i membranet när de odlas på alkansubstrat. Till exempel Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans och Rhodococcus erythropolis.

Polymera biosurfaktanter

Polymeriska biosurfaktanter är högmolekylära makromolekyler. De mest studerade biosurfaktanterna i denna grupp är: emulgeringsmedel, fettsugning, mannoprotein och polysackarid-proteinkomplex.

Till exempel producerar bakterien Acinetobacter calcoaceticus polyanjonisk emulgator (med olika negativa laddningar), en mycket effektiv bioemulgator för kolväten i vatten. Det är också en av de mest kraftfulla emulsionsstabilisatorerna som är kända.

Liposan är ett vattenlösligt, extracellulärt emulgeringsmedel, bestående av polysackarider och Candida lipolytica-protein.

Miljömässig sanitet

Biosurfaktanter används vid bioremediering av jord som är förorenad av giftiga metaller, såsom uran, kadmium och bly (biosurfaktanter av Pseudomonas spp. Och Rhodococcus spp.).

De används också i processer för bioremediering av jord och vatten förorenat med spill av bensin eller olja.

Bild 3. Biosurfaktanter används i miljön sanitetsprocesser på grund av oljeutsläpp. Källa: Ecuadors utrikesministerium, via Wikimedia Commons

Till exempel Aeromonas sp. producerar biosurfaktanter som tillåter nedbrytning eller minskning av stora molekyler till mindre, som fungerar som näringsämnen för mikroorganismer, bakterier och svampar.

I industriella processer

Biosurfaktanter används i tvätt- och rengöringsindustrin eftersom de förbättrar rengöringsåtgärden genom att lösa fett som smutsar kläder eller ytor i tvättvattnet.

De används också som hjälpkemiska föreningar inom textil-, pappers- och garveriindustrin.

Inom kosmetika- och läkemedelsindustrin

I kosmetikindustrin producerar Bacillus licheniformis biosurfaktanter som används som mjäll, bakteriostatiska och deodorantprodukter.

Vissa biosurfaktanter används i den farmaceutiska och biomedicinska industrin för deras antimikrobiella och / eller svampdödande aktivitet.

Inom livsmedelsindustrin

I livsmedelsindustrin används biosurfaktanter vid tillverkning av majonnäs (som är en emulsion av äggvatten och olja). Dessa biosurfaktanter kommer från lektiner och deras derivat, vilket förbättrar kvaliteten och dessutom smak.

Inom jordbruket

I jordbruket används biosurfaktanter för biologisk kontroll av patogener (svampar, bakterier, virus) i grödor.

En annan användning av biosurfaktanter i jordbruket är att öka tillgången till mikronäringsämnen från jorden.

referenser

1. Banat, IM, Makkar, RS och Cameotra, SS (2000). Potentiella kommersiella tillämpningar av mikrobiella ytaktiva ämnen. Tillämpad mikrobiologiteknik. 53 (5): 495-508.
2. Cameotra, SS och Makkar, RS (2004). Nya applikationer av biosurfaktanter som biologiska och immunologiska molekyler. Aktuella åsikter inom mikrobiologi. 7 (3): 262-266.
3. Chen, SY, Wei, YH och Chang, JS (2007). Upprepad pH-stat-matad batchfermentering för rhamnolipidproduktion med inhemsk Pseudomonas aeruginosa Tillämpad mikrobiologi bioteknik. 76 (1): 67-74.
4. Mulligan, CN (2005). Miljöanvändningar för biosurfaktanter. Miljöförorening. 133 (2): 183-198.doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. och Liu, T. (2018). Biosurfaktanter förbättrade avlägsnandet av tungmetaller från slam vid den elektrokinetiska behandlingen. Chemical Engineering Journal. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.