Биосурфактанты

Биосурфактанты — амфифильные молекулы, вырабатываемые микроорганизмами; коммерчески это прежде всего гликолипиды: сахарная головка, соединённая с одним или несколькими жирнокислотными хвостами. Рамнолипиды несут рамнозу, софоролипиды — дисахарид софорозу, маннозилэритритоллипиды — маннозо-эритритольную головку.

Что такое поверхностная активность

Сурфактант понижает межфазное натяжение потому, что два его конца хотят разной среды. На границе масло — вода или воздух — вода молекула адсорбируется хвостом наружу из воды, а головкой в неё, и каждая адсорбированная молекула заменяет часть высокоэнергетической границы чем-то менее энергоёмким.

Выше пороговой концентрации граница насыщается, и добавочные молекулы вместо этого собираются в мицеллы в объёме. Этот порог — критическая концентрация мицеллообразования — и является осмысленным показателем силы, поскольку выше него поверхностное натяжение падать перестаёт. Сурфактант с низкой ККМ делает ту же работу при меньшей дозе.

У гликолипидных биосурфактантов ККМ, как правило, заметно ниже, чем у распространённых нефтехимических. Структурная причина в том, что они объёмнее и выраженнее амфифильны: дисахаридная головка обильно связывается водородными связями с водой, тогда как разветвлённый или гидроксилированный хвост из воды вытесняется сильно, поэтому агрегация выгодна уже при меньшей концентрации. Более низкая ККМ при более высокой цене за единицу — вот действительный размен категории, и сравнение цен за килограмм вместо цены за единицу эффекта его искажает.

Строение определяет функцию, и это видно

Яснее всего это на софоролипидах. Их выделяют в виде смеси двух форм: кислотной, со свободной карбоксильной группой на жирнокислотном хвосте, и лактонной, в которой этот карбоксил этерифицировался обратно на сахар, замкнув цикл.

Ведут они себя по-разному. Открытая кислотная форма лучше растворима в воде, лучше пенится и является лучшим моющим средством. Замкнутая лактонная гидрофобнее, плотнее упаковывается на границе раздела и обладает заметно более сильной антимикробной активностью: её жёсткий цикл эффективнее встраивается в мембраны. Соотношение форм задают условия ферментации и последующая обработка, поэтому один организм даёт либо моющий сурфактант, либо антимикробное средство — в зависимости от того, как продукт доведён.

Процесс воюет с продуктом

Производство гликолипидов аэробно, поэтому аппарат барботируют и перемешивают. Продуктом является сурфактант. Результатом становится сильное пенообразование, которое выносит культуральную жидкость из аппарата, забивает фильтры выхлопа и ограничивает интенсивность аэрации, — а это, в свою очередь, ограничивает перенос кислорода и, значит, продуктивность. Химические пеногасители работают против собственной функции продукта и загрязняют его. Настоящими ответами являются механические пеногасители, сниженный рабочий объём и конструкции с пенной фракционировкой, снимающие продукт из пены, — а последнее превращает проблему в стадию выделения.

Выделение — вторая трудность, и корень у неё тот же. Сурфактант эмульгирует ту жидкость, в которой находится, поэтому обычная жидкостная экстракция даёт устойчивые эмульсии, которые не разрушаются. Вместо неё применяют осаждение кислотой, экстракцию при тщательно подобранных условиях или пенную фракционировку.

Там, где субстратом служит растительное масло, а не сахар, — обычное дело для софоролипидов — в аппарате находятся три фазы, и производимый сурфактант эмульгирует собственное сырьё, что помогает его усвоению и осложняет всё дальнейшее.

Биоразлагаемость действительно благоприятна, поскольку это гликолипиды, расщепляемые обычными организмами среды, но заявлять её следует как измеренную в определённом тесте, а не выводить из происхождения.