INDUSTRIJSKI BIOPROCESI: PROIZVODNJA POVRŠINSKO AKTIVNIH SNOVI

Transcription

1 1 UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA ŠTUDIJ ŽIVILSKA TEHNOLOGIJA INDUSTRIJSKI BIOPROCESI: PROIZVODNJA POVRŠINSKO AKTIVNIH SNOVI Mojca PERŠUH, Drago POHARC, Urška PIVK, Staša PUNČUH (študentje tretjega letnika študija Živilske tehnologije) asist. Maja Paš, dipl.inž in prof. dr. Peter Raspor (mentorja) Ljubljana 2000

2 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Seminarska naloga pri predmetu Biotehnologija Povzetek Mikrobiološko površinsko aktivne snovi so strukturno raznolika skupina površinsko aktivnih molekul, ki jih sintetizirajo mikroorganizmi. Sestavljeni so iz hidrofilnega in hidrofobnega dela in vključujejo različne kemijske strukture kot so glikolipidi, lipopeptidi, polisaharidni-proteinski kompleksi, fosfolipidi, maščobne kisline in nevtralne maščobe. Najbolj razširjene površinsko aktivne snovi so glikolipidi. Med najbolj raziskane površinsko aktivne snovi prištevamo ramnolipide iz rodu Pseudomonas aeruginosa in trehalolipide iz rodu Rhodococcus erythropolis. Na splošno lahko mikroorganizmi izkoriščajo dva načina za pridobivanje reduciranega ogljika v hidrofobnih verigah površinsko aktivnih snovi. Razgradnjo lahko delimo tudi glede na naravo površinsko aktivnih snovi in sicer anionskih, kationskih in neionskih površinskih snovi. Površinsko aktivne snovi, imajo to prednost, da so enostavno biološko razgradljivi in imajo lastnosti, ki so primerljive s kemično proizvedenimi površinsko aktivnimi snovmi in so zato uporabni v številne namene. Veliko površinsko aktivnih snovi je sintetiziranih s specifičnimi mikroorganizmi ob prisotnosti oglijkovih hidratov v rastnem mediju pod anaerobnimi pogoji. Za čim večji izkoristek bioprocesa pa mora produkcija potekati pri optimalnih pogojih. Uporaba bioloških površinsko aktivnih snovi za boj proti onesnaženju z ogljikovodiki, predvsem na odprtem morju, še vedno predstavlja določen izziv. Izdelki v kozmetični, farmacevtski in živilski industriji so majhni, vendar predstavljajo veliko vrednost v svoji kategoriji, zato bi lahko te industrije uporabljale dražje izdelovanje površinsko aktivnih snovi. Ta razred biološko površinsko aktivnih snovi je zaželjen v kozmetični industriji in industriji za izdelavo izdelkov za osebno nego, kjer je pomembna izpopolnitev in prijaznost izdelka do uporabnika. Summary Microbial surface active agents (biosurfactants) are a structurally diverse group of surface active molecules synthesized by hydrophilic and hydrophobic domains and include a wide variety of chemical structures such as glycolipides, lipopeptides, polysaccharide- protein complexes, phospholipids, fatty acids and neutral lipids. The most widespread microbial surfactants are glycolipids. Among the best studied biosurfactants are the rhamnolipids of Pseudomonas aeruginosa and the trehalose lipids of Rhodococcus erythropolis. In general microorganisams can use two different strategies for producing reductional carbon in hydrophobic chains of biosurfactants. Biosurfactants are amphipathic molecules produced by many microorganisms during fermentation of carbohidrates. These compounds are usually biodegrable and in same cases, more potetnt that synthetic surfactants. For maximum yield of the bioproces the production has to run under optimal conditions.for the moment, the use of biosurfactants to fight hydrocarbon pollution, especially on the open sea, remains a challenge. The cosmetics, food, and pharmaceutical industries are low-volumne, high-value categories which could absorb the higher cost of biosurfactants. This class of biosurfactants is desired in

3 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, the cosmetics and health care industries, where mildness and performance of surfactants are important.

4 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, KAZALO VSEBINE: Poglavje Stran 1. UVOD 4 2. ZGODOVINA BIOPROCESA: 5 3. MIKROBIOLOŠKE OSNOVE BIOPROCESA 6 4. BIOKEMIJSKE OSNOVE BIOPROCESA 9 5. BIOINŽENIRSKE OSNOVE BIOPROCESA EKOLOŠKI ASPEKT BIOPROCESA UPORABA BIOPROIZVODOV V PROIZVODNJI HRANE IMPLIKACIJE DRUGIH TEHNOLOGIJ IN IMLIKACIJE NA DRUGE TEHNOLOGIJE REFERENCE 28

5 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, UVOD Med rastjo na različnih substratih veliko število mikroorganizmov sintetizira komponente s površinsko aktivnimi lastnostmi, ki jih imenujemo površinsko aktivne snovi. Takšne molekule so ekstracelularne ali se nahajajo na celični površini. Kemična zgradba površinsko aktivnih snovi je zelo raznolika: maščobne kisline, fosfolipidi, glikolipidi, lipopeptidi, lipoproteini, polisaharidno-lipidni kompleksi, polisaharidno-proteinski kompleksi; Zgradba je odvisna od vrste mikroorganizmov, substrata in rastnih pogojev. Površinsko aktivne snovi so amfipatične molekule. Ta lastnost jim omogoča, da se skoncentrirajo na površini, zmanjšajo površino in njeno napetost. Pogosto so dobri emulgatorji, tako da ponavadi naredijo stabilnejše emulzije kot kemijsko površinsko aktivne snovi. Mikrobiološko površinsko aktivne snovi so pomembni izdelki v različnih industrijah. Njihove edinstvene lastnosti so spreminjanje aktivnosti površin kot so: zmanjšanje površine in medpovršinske napetosti, vlaženje in penetracijske aktivnosti, hidrofilne in hidrofobne lastnosti, emulgiranje in deemulgiranje, razkuževanje, želiranje, penjenje, flokuliranje, povečanje rasti mikroorganizmov in antimikrobno delovanje. Površinsko aktivne snovi imajo veliko prednosti pred kemično sintetiziranimi površinsko aktivnimi snovmi in te so: biorazgradnja niso toksični naravno sprejemljiv in prebavljivi, kar omogoča njihovo uporabo v kozmetiki, farmaciji in kot aditivi v namenski prehrani na voljo so surovi materijali; površinsko aktivne snovi lahko izdelamo iz poceni surovin, ki so na voljo v velikih količinah; kot vir ogljika lahko uporabimo ogljikove hidrate in ogljikovodike ter lipide, katere lahko uporabljamo posebej ali v kombinaciji z ostalimi sprejemljiva cena proizvodnje; površinsko aktivne snovi lahko proizvedemo tudi iz industrijskih odpadkov in stranskih produktov proizvodnje lahko jih uporabljamo za kontrolo varovanja okolja so specifični zaradi določenih funkcionalnih skupin, katere odražajo njihovo specifično delovanje delujejo tudi pri ekstremnih temperaturah, ph-jih in slanosti.

6 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, ZGODOVINA BIOPROCESA Vse površinsko aktivne snovi, ki jih uporabljamo so večinoma kemičnega izvora. Imajo širok spekter uporabe v različnih industrijah. Povpraševanje po površinsko aktivnih snoveh narašča, saj je vedno več naravi prijaznih. Raziskujejo se možnosti pridobivanja s fermentacijo. Površinsko aktivne snovi so strukturno raznolika skupina, ki jih sintetizirajo mikroorganizmi. Te molekule zmanjšujejo površinsko napetost na površini ter med dvema površinskima slojema in imajo mnogo prednosti pred kemično površinsko aktivnimi snovmi kot so npr. nizka toksičnost, boljše penjenje, višja selektivnost, specifična aktivnost pri ekstremnih temperaturah, ekstremnih ph-jih in so okolju prijaznejši. Veliko znanstvenikov je raziskovalo kemijo, lastnosti in biosintezo površinsko aktivnih snovi. Zadnjih nekaj let je bilo veliko raziskovanj na področju fermentativne produkcije kot tudi genetike. NOVEJŠE ANALITIČNE METODE To so hitre in zanesljive metode za mikroskopiranje mikroorganizmov, ki sintetizirajo biopovršinsko aktivne snovi. Van der Vegt je razvil "axisymmetric drop shape analysis" (ADSA) za določanje posameznega mikroorganizma, ki sintetizira biopovršinsko aktivne snovi. Shulga je opisal kolorimetrično metodo, ki temelji na tem, da imajo anionsko površinsko aktivne snovi zmožnost reagiranja s kationskimi indikatorji v barvni kompleks. Ostale tehnike so še: tenkoplastna kromatografija, kolorimetrična metoda po Siegmundu in Wagnerju itd. Aktivnost površinsko aktivnih snovi lahko merimo s spremembo površinske napetosti, s stabilizacijo ali destabilizacijo emulzije in s hidrofilnim-lipofilnim ravnotežjem. Emulzija se ustvari, ko je ena tekočinska faza dispergirana v drugi tekočini. Površinsko aktivne snovi lahko stabilizirajo ali destabilizirajo emulzijo. Površinsko napetost za sistem zrak/voda in sistem olje/voda lahko merimo z voltmetrom.

7 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, MIKROBIOLOŠKE OSNOVE BIOPROCESA Površinsko aktivne snovi so visokomolekularni lipidni kompleksi, ki so navadno proizvedeni pri aerobnih pogojih. Klasificirani so glede na njihov mikrobiološki izvor in kemijsko sestavo. Njihova struktura vključuje hidrofilni del, ki je sestavljen iz aminokislin, peptidov, monosaharidov, disaharidov, polisaharidov ter hidrofobnega dela nasičenih in nenasičenih maščobnih kislin. Druge strukture, ki sestavljajo biopovršinsko aktivne snovi so: glikolipidi, lipopeptidi, lipoproteini, fosfolipidi in maščobne kisline. Čeprav je bilo dosti napisanega o sintezi površinsko aktivnih snovi iz mikroorganizmov, so nekateri površinsko aktivne snovi sintetizirani na vodnotopnih komponentah kot so glukoza, saharoza, glicerol in etanol. RAZREDI POVRŠINSKO AKTIVNIH SNOVI: 1.Bakterijski površinsko aktivne snovi Veliko bakterij je bilo identificiranih kot proizvajalke glikolipidov. Glikolipidi lahko vsebujejo različne sladkorje kot so ramnoza, trehaloza, saharoza in glukoza. Ramnolipidi lahko vsebujejo eno ali dve ramnozi in dva β-hidroksidekanojska kislinska ostanka.trehalolipidi se največkrat nahajajo v celični steni. Saharozni lipidi so bili izolirani iz bakterije Arthrobacter paraffineus, acilne glukoze pa iz bakterije Corynebacterium diphteriae, ki so bile gojene na glukoznem subsratu. 2.Kvasni površinsko aktivne snovi So zelo pomembni v prehrambeni in kozmetični industriji. Rod Torulopsis je zelo pomemben pri proizvodnji kvasnih površinsko aktivnih snovi. 3.Eksopolisaharidni bioemulgatorji Mikrobni eksocelularni polisaharidi z veliko molsko maso so pokazali uporabne fizikalne in mehanične lastnosti kot npr. visoka viskoznost, raztegljivost itd. Zelo so razširjeni v industriji gum, reologiji, visoko viskoznih stabilizatorjev, želirnih agensov itd. Ti materiali igrajo pomembno vlogo pri prilagajanju mikroorganizmov na specifične pogoje. Najpomembnejša lastnost bioemulgatorjev je njihova visoka afiniteta za površinski sistem olje-voda in za oblikovnje stabilnega oljnega filma. Glikolipidi: Najbolj znane površinsko aktivne snovi so glikolipidi. So ogljikovodiki v kombinaciji z dolgo verigo alifatskih kislin ali hidroksialifatskih kislin. V skupini glikolipidov so najbolj znani ramnolipidi, trehalolipidi in soforolipidi. Ramnolipidi so iz ene ali dveh molekul ramnoze in ene ali dveh molekul betahidroksidekanojske kisline. Ti so tudi najbolj raziskani. Ramnolipidi so bili prvi opisani pri vrsti Pseudomonas aeruginosa. Pri trehalolipidih je bilo opisanih veliko strukturnih tipov. Soforolipidi so večinoma produkti naslednjih kvasovk Torulopsis bombicola, T. petrophilum, T. apicola.

8 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Sestavljeni so iz dvojne verige oglikohidratne soforoze, ki je povezana z dolgo verigo hidroksi maščobnih kislin. Ti površinsko aktivne snovi so mešanica najmanj šestih do devetih različnih hidrofobnih soforoznih verig. Raziskali so podobno mešanico vodotopnih soforolipidov iz različnih kvasovk. Kljub temu, da soforolipidi lahko znižajo površinsko napetost, niso dobri emulgatorji. Lipopeptidi in lipoproteini: Veliko število cikličnih lipopeptidov, ki vsebujejo dekapeptidne in lipopeptidne antibiotike in jih sintetizirajo Bacillus brevis in B.polymyxa imajo zelo dobro površinsko-aktivno sposobnost. Maščobne kisline, fosfolipidi, nevtralni lipidi: Veliko bakterij in kvasovk, ki rastejo na n-alkanih sintetizira maščobne kisline in fosfolipidne površinsko aktivne snovi. Dolgoverižne površinsko aktivne snovi: Najbolj raziskane dolgoverižne površinsko aktivne snovi so emulzan, liposan, manoprotein in ostali polisaharidni-proteinski kompleksi. Emulzan je zelo učinkovit emulgator. Je eden najmočnejših emulzijskih stabilizatorjev kar jih poznajo danes. Liposan je ekstracelularni vodotopni emulgator, sintetiziran iz plesni Candida lipolyticae. Posebne površinsko aktivne snovi: Ekstracelularni membranski vezikli delijo ogljikovodike v nastanek mikroemulzije, katera igra pomembno vlogo v mikrobni celici. Membranski vezikli vsebujejo okoli 5-krat več fosfolipidov in okoli 350-krat več polisaharidov kot zunanja membrana istega organizma. FIZIOLOGIJA Površinsko aktivne snovi sintetizirajo različni mikroorganizmi. Negativne površinsko aktivne snovi mutantov P.aeruginosa KY-4025 in P.Aeruginosa PG- 201 sta pokazala slabo rast na n-parafinu in heksadekanu, z dodatkom ramnolipidov pa se je rast izboljšala. Iz fiziološkega vidika bi bila proizvodnja velikega števila polimerov neprimerna, če ne bi imela nobene funkcije. Delovanje površinsko aktivnih snovi v mikrobni celici še ni povsem pojasnjeno. Zaradi tehničnih in ekonomičnih vzrokov površinsko aktivne snovi še niso bile veliko uporabljene v industriji. To se počasi spreminja sedaj, ko izdelujejo industrijske kemikalije, ki so okolju prijazne. Mikrobiološke površinsko aktivne snovi, so lahko razgradljive in so zelo primerne za ekološko uporabo kot je razkroj razlitih olj, kar pa ne velja za sintetične.

9 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Tabela 1:Površinsko aktivne snovi in organizmi,ki jih proizvajajo Površinsko aktivne snovi Organizmi Glikolipidi Ramnolipidi Pseudomonas aeruguinosa Pseudomonas sp. Trehalolipidi Rhodococcus erythropolis Nocardia erythropolis Mycobacterium sp. Sohorolipidi Torulopsis bombicola T.apicola T.petrophilum Celobiolipidi Ustilago zeae,u.maydis Lipopeptidi in lipoproteini Peptid-lipid Seravetin Viskozin Surfaktin Subtilizin Gramicidini Polimiksini Bacillus licheniformis Serratia marcescens P.fluorescenc B.subtilis B.subtilis B.brevis B.polymyxa Maščobne kisline,neutralni lipidi in fosfolipidi Maščobne kisline Neutralni lipidi Fosfolipidi Corynebacterium lepus N.erythropolis Thiobacillus thiooxidans Polimerni surfaktanti Emulzan Biodisperzan Manan-lipid-protein Liposan Karbohidrat-protein-lipid Protein PA Posebni površinsko aktivne snovi Vezikli in fimbrie Vse celice Acinetobacter calcoaceticus A.calcoaceticus C.tropicalis C.lipolytica P.fluorescens Debaryomyces polymorphis P.aeruginosa A.calcoaceticus različne bakterije

10 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, BIOKEMIJSKE OSNOVE BIOPROCESA Površinsko aktivne snovi lahko nastanejo iz substratov ogljikovodikov in substratov ogljikovih hidratov. Mikroorganizmi so zmožni asimilacije ogljikovodikov, ki izločajo ionske površinsko aktivne snovi, ti pa emulgirajo ogljikovodike v mediju in zato pospešijo njihovo rast po celici. Veliko površinsko aktivnih snovi sintetizirajo specifični mikroorganizmi ob prisotnosti ogljikovih hidratov v rastnem mediju. To ima velik pomen v masovnem pridobivanju teh snovi s čimer bi cena substrata lahko bila znatno zmanjšana z uporabo poceni ogljikovih hidratov oziroma celo odpadkov. Površinsko aktivne snovi se lahko proizvedejo pod pogoji rastne asociacije in rastnega omejevanja, prav tako pa z neaktivnimi celicami in z dodatkom prekurzorjev. Ključni korak v proizvodnji večine površinsko aktivnih snovi je kovalentna povezava hidrofobnih alkilnih verig, ki jih najdemo v kmetijskih lipidnih hranilnih ostankih, vezava s hidrofilno skupino, največkrat na primer SO 3 skupino ali kot sulfonat ali pa kot sulfatni ester. Na splošno lahko mikroorganizmi izkoriščajo dva načina za pridobivanje reduciranega ogljika v hidrofobnih verigah površinsko aktivnih snovi: s separacijo hidrofilne od hidrofobne skupine z odcepom alkilne verige skupaj z delujočo skupino, ki je pripravljena metabolizirat (kot na primer -CH 2 OH ali COOH) ali z direktno vezavo na ω-pozicijo na nepoškodovane molekule s hidrofilno skupino. v nekaterih površinsko aktivnih snoveh hidrofilni del vsebuje pomembne količine polimernega ogljika na primer v obliki polietilenglikolov. V takšnih primerih je ta način stopnjujoč razpad hidrofilne skupine z zaporedno odstranitvijo glikolnih enot. Vsi trije načini bodo pokazali rezultat v izgubi lastnosti teh snovi. Ta faza procesa, ki je lahko dosegljiva (npr. narast površinske napetosti) se imenuje primarna razgradnja. Produkti primarne razgradnje bakterijskega metabolizma so CO 2, H 2 O in komponente, ki so»normalni«matabolični intermediati bakterijskih celic. Ta faza se nanaša na končno razgradnjo. Obstajajo dokazi, da so produkti primarne razgrdnje bolj strupeni za vodne in druge organizme kot za izvorne komponente (nastanek etil fenolov iz alkil fenol etokrilatov). V kontekstu okolja je pomembno oceniti propad vseh delov površinsko aktivnih snovi, v smislu mikrobnega uničenja pa je še posebej pomemben primarni korak. Na količino nastalih površinsko aktivnih snovi pa s kemijskega stališča vplivajo naslednji parametri: ph, temperatura, izvor dušika, vir ogljika. Dodatek ustreznih lipofilnih komponent kot dolgoverižnih kislin, estrov, ogljikovodikov ali gliceridov k rastoči kulturi Torulopsis bombicola je povečalo proizvodnjo glikolipida 2 do 3 krat. Poleg teh dejavnikov pa še pomembno vpliva dolžina vezi ogljikovodika. Corynebacterium hydrocarboclactus je dal najboljši donos, ko je bila prisotna dolga linearna veriga z C atomi. Dodatek glicerola, glukoze in etanola pa da nižji izkoristek površinsko aktivnim snovem.

11 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, SINTEZA POVRŠINSKO AKTIVNIH SNOVI Površinsko aktivne snovi se lahko sintetizirajo na tri načine, odvisno od tega ali prevladuje hidrofoben, hidrofilen ali oba dela v kombinaciji. V lipopeptidih se tako lipid kot peptid sintetizirata iz ogljikovih hidratov. Primer sta pri lipopeptidih herbicolin A in surfaktin, ki sta oba sintetizirana iz ogljikovih hidratov. Dodatek aminokislin ali maščobnih kislin k rastnemu mediju vpliva na donos, ne pa na strukturo produkta. Na trehalolipide nastale iz vrste Rhodococcus erythropolis, ogljikov substrat ne učinkuje. Količina maščobne kisline je odvisna od dolžine alkanske verige. Maščobna kislina se esterificira v trehalozo 6 fosfat, ki je posledično predmet defosforilacije in nadaljnega preoblikovanja. Vir ogljika pa pomembno vpliva na površinsko aktivne snovi proizvedene iz vrste Arthrobacter paraffineus. Sinteza lipopeptidov Lipopeptidi se sintetizirajo z zelo kompleksnimi encimskimi sistemi, ki ga ponazarja gramicidin S sinteteza. Prvi korak pri tvorbi dekapeptidnega gramicidina S je v aktivaciji aminokisline s pomočjo ATP ja. Vmesni produkti so vezani s tioestersko vezjo. Na peptid deluje tudi kofaktor pantoten, ki ima reaktivno SH skupino. Kofaktor deluje kot prenašalec pri transportu peptida k aktiviranim aminokislinam. Tirocidin se proizvede na podoben način, le da tirocidin sintetazni kompleks namesto treh vsebuje dva encima. Surfaktin pa sintetizirata tirocidin sintetaza in gramicidin S sintetaza. Ta sinteza potrebuje ATP, Mg 2+, prekurzorje in sukrozo. Kot prekurzorji nam lahko služijo le L izomere aminokislin, zaradi stabilizacije encimskega kompleksa. Zaradi vsega tega imajo lipopeptidi in glikoliptidi antibiotičen in/ali biostatičen učinek delovanja. Antimikroben učinek delovanja površinsko aktivnih snovi pa je povezan z hidrofobnostjo molekul. MEHANIZMI RAZGRADNJE Veliko mikroorganizmov je sposobno presnove in s tem razkroja aromatskih ogljikovodikov. Razgradnjo za nasičene in nenasičene alifatske ogljikovodike predstavljata shemi 1 in 2.

12 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Shema1: Razgradnja alifatskih ogljikovodikov. Razkroj alkanov s terminalno oksidacijo z monooksigenazami in ß-oksidacijo v acetil CoA. CH 3-(CH 2) n-ch=ch 2 OH OH O OH OH I I / I I I CH 3-CH-(CH 2) n-1-ch=ch 2 CH 3-(CH 2)-CH-CH 3 CH 3-(CH 2) n-ch-ch 2 CH 2-(CH 2) n-ch=ch 2 CH 3-(CH 2) n-ch 2-CH 2 O O OH OH II II I I CH 3-C-(CH 2) n-1-ch=ch 2 CH 3-(CH 2) n-c-ch 3 CH 3-(CH 2) n-ch-ch 2 HOOC-(CH 2) n-ch=ch 2 CH 3-(CH 2) n-ch 2-COOH Subterminalna ß-oksidacija oksidacija OH ali I podaljšanje za 2C CH 3-(CH 2) n-ch-cooh CH 3-(CH 2) n-cooh + CO 2 ß-oksidacija ali podaljšanje za 2C ali ω-oksidacija Shema2: Razgradnja alkanov. Pseudomonas oksidira aromate. Proizvajajo katehol in njegove derivate kot enega izmed pomembnih vmesnih produktov.

13 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Katehol je lahko podvržen nadaljnjemu orto in meta razkroju. Končni produkti v tem razkroju so acetilcoa in sukcinati (za orto cepitev) ter acetaldehid in piruvat (za meta cepitev), ki predstavljajo lahke metabolične substrate za preproste biokemijske poti. Mikrobna kolonija je sposobna anaerobno razgraditi fenole in katehole, kjer je prilagoditveni čas za razkroj katehola običajno daljši. Če so aromati klorirani, postane njihov razkroj težji, kar je odvisno od začetnih hranil, oksidacije in cepitve stranskega radikala. Na splošno se klorirane aromatske komponente presnavljajo v klorofenole. Deklorinacija združena z oksidacijo kloriranih aromatov je predstavljena v aerobnih in anaerobnih sistemih, kot npr. Brevibacterium sp. lahko dekarboksilirajo in deklorirajo triklorobenzoate z anaerobnimi mikrobnimi kolonijami. Sledeč povzetek prikazuje razgradnjo kloriranih komponent: 1. Razgradnja je odvisna od: ionskega položaja komponente števila, vrste in lege substituent splošne oblike molekule ph, temperature, redoks potenciala, hranil in rastnih faktorjev koncentracije toksičnih metabolitov 2. Mikroorganizmi potrebujejo prilagoditveni čas pred začetkom razgradnje 3. Včasih so potrebne kolonije mikroorganizmov 4. Plesni in bakterije presnavljajo večino komponent z različnimi biokemijskimi reakcijami 5. Napovedi rezultatov so nepredvidljive, zato so potrebni eksperimenti 6. Produkte moramo izmeriti in identificirati Razgradnjo lahko delimo tudi glede na naravo površinsko aktivnih snovi in sicer na razgradnjo: anionskih površinskih snovi, kationskih površinskih snovi, neionskih površinskih snovi.

14 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, BIOINŽENIRSKE OSNOVE BIOPROCESA Površinsko aktivne snovi so amfipatične molekule, ki jih proizvaja veliko mikroorganizmov med fermentacijo oglikovih hidratov. Znano je, da le-ti omejujejo zlepljenost ostalih bakterijskih vrst na površini s spreminjanjem pogojev med ploskovnimi prostori. Te sestavine so ponavadi biološko razgradljive in v posameznih primerih so bolj učinkovite kot pa umetno sintetizirane snovi, ki preprečujejo zlepljenost pod ekstremnimi pogoji glede na temperaturo, ph in slanost. Produkcija površinsko aktivnih snovi igra pomembno vlogo pri varovanju okolja za obnavljanje ogljikovodikov iz peska in za odstranjevanje bioloških težko razgradljivih prevlek. Površinsko aktivne snovi so biološko sintetizirane. To so ekstracelularne makromulekule, ki nastanejo kot metabolični produkti mikrobne transformacije organskih substratov. Površinsko aktivne snovi, imajo to prednost, da se enostavno biološko razgradijo in imajo lastnosti, ki so primerljive z kemično proizvedenimi površinsko aktivnimi snovmi in so zato uporabni v različne namene. Proizvajanje površinsko aktivnih snovi iz že uporabljenega rastlinskega olja in motornih olj je način postopanja z odpadki tako v prehrambeni kot tudi v avtomobilski industriji za zmanjšanje nastajanja le-teh. Večina površinsko aktivnih snovi so visoko molekularni lipidni kompleksi, ki so proizvedeni pod pogoji z visoko vsebnostjo kisika v zraku. To je dosegljivo v aerobnih bioreaktorjih. Nizka vsebnost kisika zahteva ohranitev anaerobnih mikroorganizmov in s tem njihove anaerobne sinteze površinsko aktivnih snovi, kajti pri drugih pogojih je ta sinteza zavirana. Mikroorganizmi, ki so sposobni presnavljati ogljikovodike izločijo ionske površinsko aktivne snovi, ki jih emulgirajo v mediju in s tem pospešijo prehajanje snovi v celice. To je značilno za rod Pseudomonas. Soforolipide po istem mehanizmu proizvaja več različnih vrst rodu Torulopsis. Po drugi strani pa nekateri mikroorganizmi spremenijo strukturo svoje celične stene z izgradnjo lipopolisaharidnih ali neionsko površinsko aktivnih snovi. V to skupino spadata vrsti Candida lipolytica in Candida tropicalis, ki proizvajata celično stenske vezi lipopolisahariov, kadar raste v n-alkanskem mediju. Neionsko trehalozo (korinomikolate) sintetizirajo vrste Rhodococcus erythropolis in številne Mycobacterium in Arthrobacter.

15 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Površinsko aktivne snovi so lahko proizvedene v štirih fazah: 1. V območju aktivne rasti začetek proizvodnje z lipofilnimi substrati povečanje proizvodnje z optimalno sestavo medija (gojišča) povečanje proizvodnje z optimalnimi pogoji kot so ph, temperatura, zračenje, hitrost tresenja... povečanje proizvodnje z dodatkom snovi, ki spremenijo prepustnost celične stene kot so penicilin, EDTA povečanje proizvodnje z dodatkom reagentov, ki povzročijo ločitev na celično steno vezanih površinsko aktivnih snovi v medij kot alkane, kerozin, EDTA, V območju omejene rasti proizvodnja pod omejeno koncentracijo dušika proizvodnja pod omejitvijo mnogovalentnimi kationi povečanje proizvodnje s spremebo pogojev, ph-ja in temperature 3. Ko je celica v spečem stanju proizvodnja spečih prostih celic proizvodnja spečih imobiliziranih celic proizvodnja spečih imobiliziranih celic z istočasnim odvzemom produktov 4. Proizvodnja površinsko aktivnih snovi z dodatki prekurzorjev aktivnim in spečim, prostim in fiksiranim celicam. Viri ogljika so dokaj pomembni. Npr. Pseudomonas vrste kažejo najboljšo proizvodnjo površinsko aktivnih snovi ob prisotnosti n-alkanov v gojišču za produkcijo ramnolipidov. Glicerol, glukoza in etanol dajejo slabšo produkcijo površinsko aktivnih snovi. Vpliv na produkcijo ima tudi dolžina ogljikovodikove verige. Corynebacterium hydrocarboclastus daje najboljše rezultate ob prisotnost nerazvejanih alkanov z 12, 13 ali 14 ogljikovimi atomi. Arthobater paraffineus zraste na gojišču z glukozo in izdela površinsko aktivne snovi z dodatkom heksadekana v gojišče v stacionarni fazi rasti. Dodatek ustreznih lipofilnih snovi, kot so dolgo verižne kisline, estri, ogljikovodiki ali gliceridi, k rastoči kulturi Torulopsis bombicola poveča glikolipidno produkcijo za 2-3krat. Ista kultura sorazmerno poveča glikolipidno produkcijo ob dodatku rastlinskih olj v pozno eksponentni fazi rasti. Predhodno smo že omenili, da dušikova omejitev igra pomembno vlogo. Narava dušikovega izvora tudi vpliva na produkcijo površinsko aktivnih snovi. Mikroorganizmi uporabljajo kot vir dušika različne aminokisline (aspartat, glicin, glutaminska kislina) v anorganskem slanem gojišču, kvasni ekstrakt, pepton, baktotripton in hranilno brozgo. Na kvasnem ekstraktu je proizvedenih 6-krat več površinsko aktivnih snovi kot pa pri kontroli. Asparagin služi izključno samo kot vir dušika. Kadar so anorganske snovi uporabljene kot vir dušika, imajo mikroorganizmi raje dušik v obliki amonijevega iona kot nitrat. Sečnina je lahko uporabljena kot čisti vir dušika ali v kombinaciji z anorganskimi dušikovimi solmi.

16 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Oba primera dajeta relativno visoko stopnjo koncentracije površinsko aktivnih snovi v brozgi. Temperatura, ph in ionska intenzivnost vplivajo na produkcijo površinsko aktivnih snovi. Temperatura predvsem vpliva pri vrstah A. paraffineus, R. erythropolis, Pseudomonas sp. Speče celice moramo pred produkcijo površinsko aktivnih snovi najprej nacepiti na ustrezno gojišče, centrifugirati in sprati od možnih motečih produktov. Mokra biomasa se uporablja za nadaljnjo produkcijo površinsko aktivnih snovi (sekundarnih metabolitov) pod specifičnimi pogoji. Ta metoda je bila zelo uspešna pri biosintezi ramnolipidov pri vrsti Pseudomonas sp., soforolipidov pri vrsti Torulopsis bombicola in še trehaloze tetraester pri vrsti Rhodococcus erythropolis. Pri produkciji ramno lipidov vrste Pseudomonas aeroguiosase je zbiranje teh površinsko aktivnih snovi pojavilo v eksponentni in stacionarni fazi, največ izkoristek (P/X) je bil dosežen, ko je bilo razmerje oglika proti dušiku (C/N) enako 6'6. Produkcija lipopeptidnih površinsko aktivnih snovi pri vrsti Bacillus Licheniformis je dosegla maksimalno koncentracijo 110 mg L -1 lipopeptidov v optimalnem gojišču z 1.0% (w/v) glukoze kot vir ogljika. Zanimivo je tudi to, da maksimalna količina površinsko aktivnih snovi nastane v zgodnji stacionarni fazi kulture, toda pozneje se količina hitro zmanjšuje in popolnoma izgine zaradi vrenja brozge v osmih urah. Vrsta Bacillus licheniformis je bil tudi uspešno uporabljen za produkcijo pri anaerobnih pogojih. Anaerobna proizvodnja je še v posebnem interesu, zaradi "in situ" zviševanja ponovne uporabe olja. Za isti učinek so bile narejene raziskave na površinsko aktivnih snoveh, ki so bile proizvedene ob visoki koncentraciji soli. Trehalolipidi so prav tako zanimivi pri zviševanju ponovne uporabe. S tem namenom sta bila preučena roda Rhodococcus in Corynebacterium. Uporaba odpadnega olja kot substrat pri produkciji površinsko aktivnih snovi pri ne sterilnih pogojih je še v raziskavi. Namenijo jih za substrat pri privajanju izolirane Flavobacterium sp. za proizvodnjo površinsko aktivnih snovi pod aseptičnimi pogoji. Pri tem so kontrolirali naslednje parametre: površinska napetost, ph, ORP in kapaciteto emulgiranja. Obnavljanje površinsko aktivnih snovi z uporabo mešanice take kot je kloroform/metanolom in NaOH je pa še v raziskovanju. Proizvajanje površinsko aktivnih snovi pod aseptično fermentacijo ima površinsko napetost brozge znižano na 29*10-3 N/m po štiriindvajsetih urah postopka. Površinsko napetost površinsko aktivnih snovi pripada predvsem proteinskim komponentam in delno tudi sladkorju. Iz raztopine celično prostega supernatanta so ekstrahirali topne ekstrakte površinsko aktivnih snovi. Kljub velikemu številu topljencev je kloroform/metanolu(1:1) daje najboljši izkoristek. Površinsko aktivne snovi proizvedene iz v vodi netopnih substratov npr. odpadno olje, ki znižajo površinsko napetost vode na 29*10-3 N/m, so bili proizvedeni med rastno fazo. Proizvedeni površinsko aktivne snovi povečajo topnost naftalena iz 32 na vse do 500 mg/l. Veliko površinsko aktivnih snovi je sintetiziranih s specifičnimi mikroorganizmi ob prisotnosti oglijkovih hidratov v rastnem mediju. Z uporabo cenenih ogljikovih hidratov ali celo iz odpadkov se cena substrata relativno zniža. To je v delnem interesu za masovno produkcijo površinsko aktivnih snovi. Proizvodnja površinsko aktivnih snovi je pogosto povezana s nastajanjem pen, z nižanjem površinske in medploskovne napetosti v gojišču in z emulzijo lipofilnih substratov v brozgi. Te

17 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, karakteristike lahko uporabimo za kvantitativno oceno biosinteze površinsko aktivnih snovi. Dodatek ustreznih lipofilnih snovi, kot so dolgo verižne kisline, estri, ogljikovodiki ali gliceroli, k rastoči kulturi Torulopsis bombicola poveča glikolipidno produkcijo za 2-3krat. Ista kultura sorazmerno poveča glikolipidno produkcijo ob dodatku rastlinskih olj v pozno eksponentni fazi rasti. odpadna glukoza (10g) Lipomyces CO 2 (7g) svetloba enocelično olje Chlorella (2,5g) enocelično olje (1,5g) Torulopsis bombicola glikolipidi (2g) Shema6: Produkcija soforolipidov z Lipomyces, Chlorella in Torulopsis bombicola. Za maksimalni izkoristek glikolipidov pri Torulopsis bombicola sta potrebna dva substrata sladkor in lipidi oziroma ogljikovodiki. Z uporabo cenenih substratov so te snovi dostopne na trgu po zmernih cenah. Iz primerjave podatkov različnih proizvodenj soforolipidov je razvidno, da je dosežen relativno visok izkoristek, kar je še posebej uporabno v komerciali. Da bi zmanjšali stroške proizvodnje se lahko uporabi hkrati več različnih kultur mikroorganizmov (shema6). Potrebujemo primerno lipogeno bakterijo ali kvasovko npr. Lipomyces in primerno algo npr. Chlorella, saj sta to kulturi za proizvodnjo mikrobnih posameznih oljnih kapljic v obliki triacilglicerolov. Mikrobni triacilgliceroli in sladkor uporabimo za hranjenje lipogenega mikroorganizma Torulopsis bombicola, s tem pa nastajajo glikolipidi. Lipogeni mikroorganizmi lahko zrastejo na hranljivih odpadkih kot so hidrolizirane riževe tropine, odpadne škrobne raztopine, sirotka, domači odpadki... Proizvodnji procesi osnovani na teh odpadkih bi znižali stroške približno za 30%, ker bi običajno dobili odpadke za minimalno ceno ali pa sploh zastonj.

18 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, EKOLOŠKI ASPEKT BIOPROCESA Pri proizvodnji površinsko aktivnih snovi se lahko biomasa kvasovke Torulopsis razgradi vse do začetka celotnega procesa obdelave ali pa se loči od medija in se prodaja kot kvasni prehrambeni dodatek, plinski produkti (CO 2 + CH 4 ) pa so lahko ponovno uporabni pri procesu. Pridobljenih je pet končnih proizvodov: obdelana voda, visoko kakovostna biomasa, nizko kakovosta biomasa, površinsko aktivne snovi in mešanica plinov z visoko vsebnostjo metana. Proizvodnje površinsko aktivnih snovi je koristna predvsem zaradi uporabe neprijetne odpadne brozge in s tem pripomore k ohranjanju čistega okolja.

19 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, UPORABA BIOPROIZVODOV V PROIZVODNJI HRANE Priprave in postopki različnih živil, posebej v industriji, se olajšajo z dodatkom manjših količin izbranih aditivov oz. dodatkov. Površinsko aktivne snovi so pomembne zato, ker ustvarijo določen učinek, čeprav jih uporabljamo v zelo majhnih količinah. Njihov pomen bo postajal vedno večji, saj omogočajo izdelovanje novih živilskih proizvodov ter razvoj novih tehnologij za že obstoječe živilske izdelke. Čeprav so za zdaj zelo učinkovite komercialne sintetično izdelane površinsko aktivne snovi za uporabo v živilski industriji, se iskanje novih boljših proizvodov nadaljuje. Površinsko aktivne snovi se uporabljajo v proizvodnji živil za spremembo ali izboljšavo funkcionalnih lastnosti izdelka. Lastnosti površinsko aktivnih snovi za uporabo v živilih: 5. Glavne lastnosti: demulgatorji topila suspenzorji vlažilci protipenilci zgoščevalci mazala zaščitne snovi 2. Specifične lastnosti: interakcije z lipidi interakcije s proteini interakcije z ogljikovimi hidrati Tabela1: Biotehnološki izdelki, ki so povezani s proizvodnjo in pripravo hrane. IZDELEK Organske kisline, njihove soli in derivati Mono-oligosaharidi Polisaharidi UPORABA Snovi za kontrolo ph, za zakisanje, varovalci, za izboljšanje okusa, za poudarjanje okusa, stabilizatorji barve, otrjevalci gela, za spreminjanje topnosti, za zmanjševanje motnosti itd. Sladila za dietna in zdrava živila Zgoščevalci, snovi za vezanje vode, želerji, penilci, za spremembo striga, hranilni dodatki Aminokisline, peptidi Osnova proteinskih hidrolizatov za aromatiziranje, protimikrobne snovi (nizin, bakterocin), natrijev glutamat za izboljšanje okusa Proteini Encimi»Single-cell proteins (SCP)«kot dodatki živilom in krmi Mikrobna sirišča, mehčalci mesa, modifikacijske proteaze

20 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Lipidi in njihovi derivati Ostale snovi za uporabo v živilski industriji moke, stabilizatorji/čistilci piva, amilaze, glikoamilaze in pululanaze za hidrolizo škroba, glukozne izomeraze za izdelavo fruktoze in visoko-fruktoznega sirupa, encimi za razgradnjo pektina (pri izdelavi sadnih sokov), lipaze za protirestrikcijsko katalizo (v proizvodnji živilskih površinsko aktivnih snovi), glukozna oksidaza za odstranjevanje kisika, invertaza za slaščičarske izdelke Posebne maščobe in olja, emulgatorji in deemulgatorji, lubrikatorji, vlažilci, preprečevalci razrasti maščob itd. Vitamini B-kompleksa, L-askorbinska kislina, posebne arome (vanilija, sadje, gobe, mentol, čebula itd.), barvila, izboljševalci okusa (5 -nukleotidi) Tabela2: Funkcionalne lastnosti živilskih emulgatorjev: Funkcija Emulgator (voda v olju) Emulgator (olje v vodi) Prezračevanje Izboljšanje penjenja Izboljšanje kristalizacije maščobe Mehčanje Izboljšanje svežosti (proti staranju) Kondicioniranje testa Izboljšanje volumna štruce Omejitev pogojev skrajševanja Snov za sproščanje topila Stabilizator maščobe Snov proti škropljenju Snov proti lepljenju Zaščitna prevleka Površinsko aktivna snov Nadzorovanje viskoznosti Izboljšanje topnosti Škrobni kompleks Vlažilec Plastifikator Protipenilec Stabilizacija aromatičnih olj Snov proti izsušenju Izboljšanje vlažnosti Zaviranje kristalizacije sladkorja Stabilnost zmrznjenega tajenja Primer izdelka / procesa Margarina Majoneza Spenjene polivke Spenjene polivke Bonboni Bonboni Kruh Testo za kruh Kruh Kruh Kvašeno testo in ostali izdelki iz testa Živilska olja Margarina in olja za praženje Karamelni bonboni Sveže sadje in zelenjava Sirupi, molase Topljena čokolada Instant pijače Instant krompir Zmrznjene torte Zmrznjene torte Izdelovanje sladkorja Aromatični emulgator Sladoled Instant juhe Topljene prevleke Spenjene polivke V živilski industriji se biološko proizvedene površinsko aktivne snovi še ne uporabljajo veliko saj pravila, ki se nanašajo na uporabo novih sestavin v živilih, še

21 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, niso uzakonjena. Teme, ki se na to nanašajo so: hranilne, funkcijske, senzorične, biološke in toksikološke lastnosti novih sestavin in ekonomično proizvajanje teh. Te lastnosti moramo primerjati s sintetičnimi površinsko aktivnimi snovmi za isto uporabo, s sprejemljivostjo uporabnikov za nove sestavine, s pravnimi predpisi ter z osnovnimi prehranjevalnimi navadami in običaji. Povedati moramo, da so glikolipidne biološko proizvedene površinsko aktivne snovi analogne sintetičnim maščobno kislinskim estrom mono- in oligosaharidov, ki se pogosto uporabljajo v industriji. Uspešna uporaba soforolipidnih bioloških površinsko aktivnih snovi in alkoksilatnih derivatov v kozmetičnih pripravkih je lahko kopetitivna klasičnim sintetičnim živilskim površinsko aktivnim snovem, ki so miogenično in pravno priznane. Prvi pogoj pri uporabi novih sestavin kot aditivov v živilih je, da ni toksičnih intermediatov ali produktov njihovega metabolizma v organizmu med razgradnjo in izločanjem. Dolgo so že znani in se uporabljajo sintetični izdelki iz saharoze in maščobnih kislin. Poleg tega se saharoza že dolgo uporablja kot sladilo. Na Japonskem, kjer nimajo tako strogih pravil kot drugod, so soforolipidi patentirani kot dodatki za moko, ker izboljšajo pekarski izdelek in njihovo skorjo. Površinsko aktivne lastnosti liofiliziranih celičnih sten kvasovk (Saccharomyces uvarum) so bile patentirane kot površinsko aktivne snovi v proizvodnji margarine. Ostali glikolipidi so bili patentirani kot dodatki v kozmetiki in farmaciji. Ramnolipidi, ki jih proizvajajo s pomočjo Pseudomonas BOP100 so se uporabljali za vzdrževanje liposomov. Emulzije primerne za kozmetiko, živila in farmacevtske izdelke so pripravljeni z 2-O-(2-decenoril) ramnolipid. Ramnolipidi Pseudomonas aeruginosae UI29791, so bili narejeni s pomočjo visoko produktivnega kvasa v semikontinuirnih kulturah na koruznem olju kot viru ogljika. Ta je med ostalim priporočen za uporabo v živilih. Nekateri novi manosileritritolni lipidi so nove potencialne površinsko aktivne snovi. Primer je 4-o-(di-o-acetil-di-O-alkanoil-β-D-manopiranozil) eritritol in monoacetil derivat kot dve veliki sestavini vse lipidne proizvodnje s Candida antarctica T34, ki raste na sojinem olju kot viru ogljika. Nekateri visokomolekularni emulgatorji, ki jih proizvajajo prokarionti, so predlagani kot živilski emulgatorji. Na primer emulcian, ekstracelularni kompleks sestavljajo ogljikovi hidrati, maščobne kisline in del proteinov, ki ga proizvaja cianobakterija Phormidium J-1 ATCC Dobro je poznana ogljikohidratna emulzijska aktivnost lipopoliheterosaharidov rodu Acinetobacter. Kot dodatek predlagani uporabi emulzij in apoemulzij, ki jih pridobivamo s pomočjo A. calcoaceticus, (uporabljamo za izdelke za osebno nego), se lahko mikrobne površinsko aktivne snovi povezane s sintetičnimi (npr. polioksietilen oleil eter) uporabljajo tudi kot živilski emulgatorji. Na Novi Zelandiji je bil razvit obrat za proizvodnjo nadomestka za kakavovo maslo iz sirotke. Sterole izolirane iz že uporabljenega kvasa lahko konventiramo v obliko vitamina D tako da onemogočimo celičnim mehanizmom, da bi zavirali nalaganje sterolov. V živilski industriji se trenutno uporabljajo kot emulgatorji biološke površinsko aktivne snovi: lecitin in njegovi derivati, estri maščobnih kislin, ki vsebujejo glicerol, sorbitan, etilen glikol, etoksilatni derivati monoglicerolov z, pred kratkim sintetizranimi, oligopeptidi. Za uporabo pri proizvodnji solatnih polivk, so se izkazali novi bioemulgatorji proizvodeni s pomočjo Candida utilis. Biološke

22 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, površinsko aktivne snovi so potencialni kandidati v iskanju uporabno različnih izdelkov, ker ugajajo zahtevam uporabnih živilskih dodatkov.

23 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, IMPLIKACIJE DRUGIH TEHNOLOGIJ IN IMPLIKACIJE NA DRUGE TEHNOLOGIJE Komercialne implikacije bioloških površinsko aktivnih snovi so determinirane s ceno in z lastnostmi, ki se povezujejo s kompetitivnimi sintetičnimi komponentami. Trenutno uporaba bioloških površinsko aktivnih snovi v živilski in kemični industriji na splošno ni kompetitivna, ker je njihova proizvodnja dražja, vendar so mikrobno pridobljene sestavine okolju sprejemlivejše. Kemična raznolikost bioloških površinsko aktivnih snovi se kaže v široki raznovrstnosti fizikalno-kemičnih lastnosti in njihovi specifičnosti. Specifičnost teh snovi se bo povečala, čim več snovi bo na voljo v komercialnih količinah in jih lahko uporabimo za poskusne namene. 8.1 Lastnosti bioloških površinsko aktivnih snovi za uporabo v kozmetiki Uporaba površinsko aktivnih snovi v kozmetiki je zelo široka. Lastnosti površinsko aktivnih snovi se bistveno razlikujejo glede na uporabo. Splošen pregled uporabe površinsko aktivnih snovi za različne izdelke: Površinsko aktivne snovi delujejo kot: emulgatorji, penilci, vlažilci, čistilci, antimikrobne snovi, posredovalci encimske aktivnosti. Oblike kozmetičnih preparatov: krema, losjon, tekočina, pasta, puder, stick, gel, razpršilo, prevleka za kožo. Kozmetični izdelki, ki vsebujejo površinsko aktivne snovi: izdelki za odganjanje insektov, za kopanje, proti mravljam, blazinice za ogrce, izdelki proti prhljaju, raztopine za kontaktne leče, barve za lase in njihovo nego, regenerator za lase, deodoranti, izdelki za nego nohtov, šminke, svinčnik za ustnice, dodatki za masažo telesa, senčilo za oči, maskara, milo, zobna krema in belilo, čistila za proteze, obliži, izdelki proti potenju, lubricirani kondomi, izdelki za dojenčke, pene, antiseptiki, šamponi, izdelki za britje in depilacijo, vlažilci, izdelki za zdravje in lepoto. Skupine površinsko aktivnih snovi: I. amfoterične površinsko aktivne snovi: acilne amino kisline, N-acilne amino kisline II. anionske površinsko aktivne snovi: acilne amino kisline in derivati, karboksilne kisline, estri in etri karboksilnih kislin, fosforni kislinski estri, sulfonska kislina (acilni izotionati, alkirani sulfonati, sulfosukcinati), III. žveplovi kislinski estri (alkil eter sulfat, alkil sulfat) kationske površinsko aktivne snovi: alkilamini, alkilimidazoli, etoksilirani amini, kvartarne spojine (alkilbenzildimetilamonijeve soli, alkil betaini, heterocikličneamonijeve soli, tetraalkilneamonijeve soli) IV. neionske površinsko aktivne snovi: alkoholi, alkanolamidi (alkanolaminski derivatiamidov, etoksilirani amidi), aminski oksidi, estri (estri etoksiliranih karboksilnih kislin, etoksilirani gliceridi, glikolni estri, monogliceroli, poliglicerolni estri, estri polihidroksi alkoholov, sorbitolni estri, triestri fosforne kisline), etri (etoksilirani alkoholi, etoksiliran lanolin, etoksilirani polisiloksani, propoksilatni POE etri).

24 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Kozmetični izdelki se na splošno narejeni zato, da nam dajo določeno korist in nam polepšajo izgled. Kozmetični izdelki lahko zagotovijo zaščitni vrhnji sloj, kateri onemogoča penetracijo nezaželjenih tujih snovi ali uravnavajo izgube vode iz kože. Lahko vsebujejo tudi snovi, ki odbijajo UV-žarke sonca, kateri poškodujejo kožo (kreme z UV-zaščito). Podvrženi so tudi strogim estetičnim standardom (npr. tekstura, konsistenca, zadovoljiva barva, vonj itd.). Ko pridejo v stik s človeško kožo, ne smejo vsebovati fizioloških škodljivih efektov ter ne smejo povzročati alergij, občutljivosti in srbenja. Večina kozmetičnih pripravkov vsebuje 20 40% olja, nekaj emulgatorjev, nekaj aktivnih sestavin raztopljenih v vodni ali oljni fazi, barve, parfume in deionizirano vodo. Da izdelamo stabilno emulzijo iz vodne raztopine in mešanice olj, je potreben dober emulzijski sistem. Nekaj navadnih sestavin za emulzije: Lanolin (mačoba iz volne) in derivati Neionski etoksilati Saharozni estri Estri orto-fosfatne kisline Estri glicerola Proteinski kondenzati Skupinski kopolimeri Aminski oksidi Acilni laktilati Silikoni Fitosteroidi in čebelji vosek predstavljata naravne površinsko aktivne snovi. Fitosteroidi so ekstrahirani iz različnih rastlin in se uporabljajo kot emulgatorji za emulzije»voda v olju«. Glukozidni steroidi se uporabljajo za šampone in vodne emulzije, ker so sposobni penjenja. Zgoraj naštete površinsko aktivne snovi se večinoma pridobivajo s pomočjo kemičnih sintez iz snovi, ki jih dobavlja petrokemična industrija. Čeprav bi lahko mnogo površinsko aktivnih snovi pridobili z uporabo mikroorganizmov ali z encimatskimi transformacijami bioloških površinsko aktivnih snovi, katere bolj ali manj vsebujejo potrebne lastnosti za kozmetične izdelke. Torej lahko učinkovito prodrejo na kozmetični trg. Določen interes za kozmetiko imajo biološke površinsko aktivne snovi proizvedene iz kvasovk Torulopsis bombicola (soforozni lipidi). Polimerizacijski produkti iz soforolipidov in propilen glikola so specifično združljivi s kožo, zato se komercialno uporabljajo kot vlažilci kože. Biološke površinsko aktivne snovi v kozmetiki: Monoacil gliceroli: Najbolj se uporablja glicerol monostearat pridobljen z uporabo Pseudomonas fluorescens. N-acilamidne kisline: Za proizvodnjo se lahko uporabijo Pseudomonas, Xanthomonas, Gluconobacter, Mucor miehei. N-dolga veriga acil glutamata se lahko uporablja za oblikovanje stabilnih»olje v vodi«emulzij.

25 Proizvodnja površinsko aktivnih snovi, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Fosfolipidi: Direktno se uporabljajo kot površinsko aktivne snovi, poleg tega pa tudi za sestavo liposomov. Za kozmetiko in farmacijo so liposomi zelo uporabni, saj so v notranjost liposoma ujete aktivne komponente za prenos v kožo. Glavni vzrok za proizvodnjo liposomov je blag značaj fosfolipidov in njihova združljivost s kožo. Liposomi si lahko utrejo pot skozi sloje kože in s pomočjo modifikacije njihove zgradbe tudi samo do določenega sloja kože. Ker so kozmetične aplikacije dermatološkega značaja, se morajo uporabljati čiste sestavine. Skupaj s posebnimi sestavinami, ki omogočajo specifičnost liposomov, dajejo nove možnosti za kozmetične aplikacije encimsko prirejenih fosfolipidov. Sladkorni estri: Sladkorji zaestreni z dolgoverižnimi maščobnimi kislinami, npr. spojeni s saharoznimi estri in glicerolom, niso toksični in ne dražijo. Sladkorni diestri so lahko selektivno hidrolizirani na C6-poziciji z lipazo Candida cylindracea. Iz teh spojin pa lahko pripravijo čiste C2 in C3 estre. Dodati moramo, da je v splošnem kozmetična industrija nasprotnik proste trgovine, saj je zelo malo informacij, ki so povezane s sestavinami in procesi v uporabi, na voljo v literaturi. Ko pa govorimo o bioloških površinsko aktivnih snoveh kot novih obetajočih sestavinah, je to nasprotje še odločnejše. 8.2 Uporaba površinsko aktivnih snovi v medicini in farmaciji Parenteralne emulzije V medicini se uporabljajo za injekcijske sisteme kot posredovalci v lipidih topnih materialov za kontrolirano doziranje zdravila in za prenos zdravila na specifično mesto v telesu. Perfluorokemične emulzije kot nadomestki za kri Prednosti teh sistemov so, da so dolgo obstojni, so stabilni v operacijskih postopkih, ni problemov s krvnimi skupinami, jih takoj sprejmejo, niso problematični zaradi okuženj s hepatitisom in AIDS-om. Da bi te emulzije začeli uporabljat kot vire krvi v času katastrof, vojn ali pri različnih težavnih položajih bi izdelki morali ustrezati naslednjim pogojem: nizka toksičnost, brez neugodnih reakcij s pravo krvjo, majhna učinkovitost na krvne strdke, zadovoljive reološke lastnosti, zadovoljivo očiščenje iz telesa.torej mora ta nadomestna kri imeti rok trajanja približno 1 2 tedna, dokler telo ne ustvari novih krvnih celic. Lipidne emulzije za boljši prenos zdravil Večinoma so to oljne emulzije, ki se uporabljajo za zdravila topna v lipidih. Znane se lipidne emulzije, v katerih so snovi proti raku in lipidne emulzije kot nosilci kortikosteroidov. Sestavine parenteralnih lipidnih emulzij so ponavadi sojino olje, acelirani monogliceroli, glicerol, voda. Emulzije za cepiva Oralni emulzijski sistem Lokalni emulzijski sistem Površinsko aktivne snovi za alveole in dihalne poti Pri bioloških površinsko aktivnih snoveh so ugotovili antibiotične učinke in zaviranje rasti virusa HIV v levkocitih. Posledici pomanjkanja pljučnih površinsko