《ChemBioEng Reviews》：Advancements and Challenges in the Production of Biosurfactants: A Path Toward Sustainable Surfactant Alternatives
編輯推薦：
這篇綜述系統(tǒng)梳理了生物表面活性劑（BSs）作為可持續(xù)表面活性劑替代品的最新進(jìn)展與挑戰(zhàn)。文章詳細(xì)闡述了BSs的微生物來源、多樣化生產(chǎn)策略（包括發(fā)酵優(yōu)化、遺傳工程和CRISPR-Cas9技術(shù)）、生命周期評(píng)估（LCA）以及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，并指出通過利用工農(nóng)業(yè)廢棄物作為低成本底物和先進(jìn)生物技術(shù)是降低其生產(chǎn)成本、推動(dòng)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵路徑。
生物表面活性劑（Biosurfactants, BSs）是一類由微生物（如細(xì)菌、酵母和絲狀真菌）產(chǎn)生的具有表面活性的兩親化合物。與傳統(tǒng)化學(xué)表面活性劑相比，BSs具有可生物降解、低毒性和環(huán)境友好等突出優(yōu)點(diǎn)，在個(gè)人護(hù)理、環(huán)境修復(fù)、食品醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，其高昂的生產(chǎn)成本仍是制約其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸。
生物表面活性劑的生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)
BSs的市場(chǎng)價(jià)格遠(yuǎn)高于化學(xué)表面活性劑，例如，最易得的微生物BSs——槐糖脂（Sophorolipids, SLs）的市場(chǎng)價(jià)格約為25美元/千克，而化學(xué)表面活性劑的成本僅為1-3美元/千克。鼠李糖脂和表面活性素（Surfactin）的最低售價(jià)分別不應(yīng)低于60美元/千克和840美元/千克。全球BSs市場(chǎng)在2019年已超過15億美元，并預(yù)計(jì)在2026年達(dá)到25億美元，但其在全球表面活性劑市場(chǎng)中仍只占很小份額。生產(chǎn)成本高的原因主要包括原料成本（約占50%）、下游加工處理成本（可占總成本的10-80%）、以及低產(chǎn)品濃度和發(fā)酵過程中的泡沫穩(wěn)定等問題。解決這些挑戰(zhàn)的策略包括選育高效菌株、優(yōu)化培養(yǎng)基組成、利用免費(fèi)的農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢棄物作為底物，以及開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的下游加工技術(shù)。
環(huán)境與健康影響
合成表面活性劑對(duì)水生生物（如魚類和貝類）具有毒性，會(huì)影響酶的活性，并可能在水環(huán)境中持久存在，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康構(gòu)成威脅。未經(jīng)處理或初步處理的含表面活性劑廢水排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成顯著影響。相比之下，BSs通常具有更好的生物降解性和更低的生態(tài)毒性，在制藥、寵物和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域能保證安全使用和處置。生命周期評(píng)估（LCA）是評(píng)估BSs生產(chǎn)全過程環(huán)境影響的有效工具，研究表明BSs相較于合成表面活性劑具有更小的環(huán)境足跡。利用廢棄物（如廢棄食用油）作為底物生產(chǎn)BSs可以進(jìn)一步降低其環(huán)境影響。
生物表面活性劑的來源與微生物
能產(chǎn)生BSs的微生物分布廣泛，存在于各種環(huán)境中，包括土壤、沉積物、水體和油藏等。常見的BSs生產(chǎn)菌包括假單胞菌屬（Pseudomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、紅球菌屬（Rhodococcus）和酵母菌如假絲酵母屬（Candida）。BSs可根據(jù)分子量分為低分子量（如糖脂、脂肽）和高分子量（如脂蛋白、多糖）兩類。許多工業(yè)廢棄物，如動(dòng)物脂肪、皂料、玉米漿、糖蜜和淀粉廢料等，均可作為低成本原料用于BSs的大規(guī)模生產(chǎn)。
基于各種底物的生物表面活性劑生產(chǎn)
底物的選擇直接影響微生物的生長(zhǎng)和BSs的產(chǎn)量及結(jié)構(gòu)。利用工農(nóng)業(yè)廢棄物作為底物是降低生產(chǎn)成本的有效途徑。例如，乳清廢棄物可用于乳酸菌生產(chǎn)BSs；廚房廢油（KWO）可作為銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）生產(chǎn)鼠李糖脂的廉價(jià)碳源；啤酒釀造廢料（如酒花糟）可作為芽孢桿菌生產(chǎn)表面活性素的碳源；農(nóng)業(yè)廢棄物（如甘蔗渣、香蕉皮）也顯示出作為BSs生產(chǎn)底物的潛力。固態(tài)發(fā)酵（SSF）和液態(tài)發(fā)酵（SmF）是兩種主要的生產(chǎn)方式，SSF因其用水量少、能耗低、可使用廉價(jià)底物等優(yōu)點(diǎn)而顯示出成本優(yōu)勢(shì)。
生物表面活性劑的生產(chǎn)策略
提高BSs產(chǎn)量的策略多種多樣：
- •
發(fā)酵優(yōu)化：通過調(diào)整培養(yǎng)基組成（碳源、氮源）、pH、溫度、通氣量等參數(shù)來優(yōu)化發(fā)酵過程。響應(yīng)面法（RSM）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-遺傳算法（ANN-GA）等統(tǒng)計(jì)和人工智能方法被用于培養(yǎng)基和工藝條件的優(yōu)化。
- •
遺傳修飾：通過誘變（如紫外線、化學(xué)誘變劑）或現(xiàn)代基因編輯技術(shù)（如CRISPR-Cas9）對(duì)生產(chǎn)菌株進(jìn)行改造，可以敲除抑制基因、過表達(dá)關(guān)鍵酶、引入異源合成途徑，從而顯著提高BSs的產(chǎn)量和效率。例如，利用CRISPR-Cas9技術(shù)改造芽孢桿菌和假單胞菌，已成功提高了表面活性素和鼠李糖脂的產(chǎn)量。
- •
代謝工程：通過調(diào)控微生物的代謝通路，將代謝流導(dǎo)向目標(biāo)產(chǎn)物的合成。這包括增加前體供應(yīng)、提高限速酶活性、減少競(jìng)爭(zhēng)途徑消耗等策略。
- •
組學(xué)技術(shù)應(yīng)用：基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)有助于全面了解BSs的生物合成機(jī)制，識(shí)別關(guān)鍵基因和調(diào)控節(jié)點(diǎn)，為理性設(shè)計(jì)高產(chǎn)菌株提供指導(dǎo)。
挑戰(zhàn)與未來展望
盡管BSs優(yōu)勢(shì)明顯，但其大規(guī)模生產(chǎn)仍面臨挑戰(zhàn)：生產(chǎn)成本需進(jìn)一步降低以實(shí)現(xiàn)與合成表面活性劑的成本競(jìng)爭(zhēng)；生產(chǎn)過程的放大和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性需要解決；需要探索更多樣、更廉價(jià)的底物來源；產(chǎn)品的穩(wěn)定性和保質(zhì)期也需要關(guān)注。未來的研究將集中于開發(fā)更高效的菌株、優(yōu)化生物工藝、整合廢棄物資源化利用以及進(jìn)行全面的生命周期可持續(xù)性評(píng)估（LCSA）。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和法規(guī)的收緊，BSs作為可持續(xù)表面活性劑替代品的潛力巨大，通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和多學(xué)科合作，有望在未來實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
