PINTA-AKTIIVISET JA BIOPINTA-AKTIIVISET AINEET: MISTÄ SE ON, ESIMERKKEJÄ JA KÄYTTÖ - BIOLOGIA - 2024

Pinta on kemiallinen yhdiste, joka pystyy vähentämään pintajännitystä nestemäisen aineen, joka toimii rajapinnalla tai kontaktipinta kahden vaiheen välistä, esimerkiksi vesi-ilma tai vesi-öljy.

Termi pinta-aktiivinen aine tulee englanninkielisestä sanasta surfactant, joka puolestaan ​​johdetaan lyhenteestä ilmaisulle surf ace aktiivinen aine, joka tarkoittaa espanjalaisessa aineessa pinta-aktiivisuutta tai pinta-aktiivisuutta.

Kuva 1. Pinta-aktiivisten aineiden rakenne. Lähde: Suurin mitta, Wikimedia Commonsista

Espanjaksi käytetään sanaa "pinta-aktiivinen aine", joka viittaa kemiallisen yhdisteen kykyyn toimia pinta- tai pintajännityksessä. Pintajännitys voidaan määritellä vastukseksi, jonka nesteiden on lisättävä pintaansa.

Veden pintajännitys on suuri, koska sen molekyylit ovat erittäin tiukasti sitoutuneita ja kestävät erottautumista, kun niiden pinnalle kohdistetaan painetta.

Esimerkiksi jotkut vesierohyönteiset, kuten ”mukulakotka” (Gerris lacustris), voivat liikkua vedellä uppoutumatta veden pintajännityksen ansiosta, joka mahdollistaa kalvon muodostumisen sen pinnalle.

Kuva 2. Hyönteiset, jotka voivat liikkua vedessä. Lähde: TimVickers, Wikimedia Commonsista

Teräsneula pysyy myös veden pinnalla eikä upota veden pintajännityksen vuoksi.

Pinta-aktiivisten aineiden rakenne ja toiminta

Kaikki pinta-aktiiviset tai pinta-aktiiviset kemialliset aineet ovat luonteeltaan amfifiilisiä, ts. Niillä on kaksoiskäyttäytyminen, koska ne voivat liuottaa polaarisia ja ei-polaarisia yhdisteitä. Pinta-aktiivisten aineiden rakenteessa on kaksi pääosaa:

• Hydrofiilinen polaarinen pää, samanlainen kuin vesi ja polaariset yhdisteet.
• Lipofiilinen, hydrofobinen ei-polaarinen häntä, samanlainen kuin ei-polaariset yhdisteet.

Napapää voi olla ei-ioninen tai ioninen. Pinta-aktiivisen aineen häntä tai apolaarinen osa voi olla alkyyli- tai alkyylibentseenihiili- ja vetyketju.

Tämä hyvin erityinen rakenne antaa pinta-aktiivisille kemiallisille yhdisteille kaksinkertaisen, amfifiilisen käytöksen: affiniteetti polaarisiin yhdisteisiin tai faaseihin, liukoinen veteen ja myös affiniteetti ei-polaarisiin yhdisteisiin, liukenematta veteen.

Yleensä pinta-aktiiviset aineet vähentävät veden pintajännitystä, antaen tämän nesteen laajentua ja virtata suurempaan määrin, kostuttaen vierekkäisiä pintoja ja faaseja.

Mihin pinta-aktiiviset aineet ovat?

Pinta-aktiiviset kemikaalit vaikuttavat aktiivisuuteensa pinnoilla tai rajapinnoilla.

Kun ne liukenevat veteen, ne siirtyvät esimerkiksi vesi-öljy- tai vesi-ilma-rajapintoihin, missä ne voivat toimia:

• Veteen liukenemattomien tai heikosti liukenevien yhdisteiden dispergointiaineet ja liuottajat.
• Kosteuttavat aineet, koska ne edistävät veden kulkeutumista liukenemattomiin faaseihin siinä.
• Stabilointiaineet veteen ja veteen liukenemattomien yhdisteiden emulsioille, kuten öljy ja majoneesista valmistettu vesi.
• Jotkut pinta-aktiiviset aineet edistävät ja toiset estävät vaahtoamista.

Biosurfaktantit: biologisesti peräisin olevat pinta-aktiiviset aineet

Kun pinta-aktiivinen aine tulee elävästä organismista, sitä kutsutaan biosurfaktantiksi.

Tarkemmin sanottuna biosauriviaineita pidetään amfifiilisinä biologisina yhdisteinä (joilla on kaksoiskemikaalinen käyttäytyminen, veteen ja rasvaan liukenevat), joita tuottavat mikro-organismit, kuten hiiva, bakteerit ja rihmasienet.

Biosurfaktantit erittyvät tai pidätetään osana mikrobisolumembraania.

Jotkut biopinta-aktiiviset aineet tuotetaan myös bioteknisillä prosesseilla käyttämällä entsyymejä, jotka vaikuttavat biologiseen kemialliseen yhdisteeseen tai luonnontuotteeseen.

Esimerkkejä biopinta-aktiivisista aineista

Luonnollisiin biopinta-aktiivisiin aineisiin kuuluvat kasvisaponiinit, kuten cayenne-kukka (Hibiscus sp.), Lesitiini, nisäkkäiden sappimehut tai ihmisen keuhkojen pinta-aktiiviset aineet (joilla on erittäin tärkeät fysiologiset toiminnot).

Lisäksi aminohapot ja niiden johdannaiset, betaiinit ja fosfolipidit, kaikki nämä biologisesti peräisin olevat luonnolliset tuotteet, ovat biosurfaktantteja.

Biosuoritusaineiden luokittelu ja esimerkit

- Napaosan tai pään sähkövarauksen luonteen mukaan

Biosalaiset aktiiviset aineet voidaan ryhmitellä seuraaviin luokkiin niiden polaarisen pään sähkövarauksen perusteella:

Anioniset biopinta-aktiiviset aineet

Heillä on negatiivinen varaus on napa lopussa, usein johtuen läsnäolon sulfonaattiryhmästä SO ₃ ^-.

Kationiset biopinta-aktiiviset aineet

Niillä on positiivinen varaus päähän, yleensä kvaternäärinen ammoniumryhmä NR ₄ ⁺, jossa R on ketju, hiilestä ja vedystä.

Amfoteeriset biopinta-aktiiviset aineet

Heillä on sekä positiivisia että negatiivisia varauksia samasta molekyylistä.

Ei-ioniset biopinta-aktiiviset aineet

Heidän päänsä ei sisällä ioneja tai sähkövarauksia.

-Kemiallisen luonteensa mukaisesti

Biosurfaktantit luokitellaan kemiallisen luonteensa perusteella seuraaviin tyyppeihin:

Glycolipid biosurfaktantit

Glykolipidit ovat molekyylejä, joiden kemiallisessa rakenteessa on osa lipidiä tai rasvaa ja osa sokeria. Suurin osa tunnetuista biopinta-aktiivisista aineista on glykolipidejä. Viimeksi mainitut koostuvat sokerien sulfaateista, kuten glukoosista, galaktoosista, mannoosista, ramnoosista ja galaktoosista.

Glykolipideistä tunnetuimpia ovat ramnolipidit, bioemulgaattorit, joita on tutkittu laajasti ja joilla on korkea emulgoiva aktiivisuus ja suuri affiniteetti hydrofobisiin orgaanisiin molekyyleihin (jotka eivät liukene veteen).

Näitä pidetään tehokkaimpana pinta-aktiivisina aineina hydrofobisten yhdisteiden poistamiseksi saastuneista maaperäistä.

Esimerkkejä ramnolipideistä ovat pinta-aktiiviset aineet, joita tuottavat suvun Pseudomonas bakteerit.

Torulopsis sp.: N tuottamia muita glykolipidejä on biosidisesti aktiivisia ja niitä käytetään kosmetiikassa, hilsetuotteissa, bakteriostaateissa ja kehon deodorantteina.

Lipoproteiini ja lipopeptidi-biosurfaktantit

Lipoproteiinit ovat kemiallisia yhdisteitä, joiden rakenteessa on osa lipidiä tai rasvaa ja toinen osa proteiinia.

Esimerkiksi Bacillus subtilis on bakteeri, joka tuottaa suropektiineiksi kutsuttuja lipopeptidejä. Nämä ovat tehokkaimpia pintajännitystä vähentäviä biosauroja.

Surfaktiineilla on kyky tuottaa punasolujen hajoamista (punasolujen hajoamista) nisäkkäillä. Lisäksi niitä voidaan käyttää biosideinä tuholaisille, kuten pienille jyrsijöille.

Rasvahappojen biosurfaktantit

Jotkut mikro-organismit voivat hapettaa alkaanit (hiili- ja vetyketjut) rasvahapoiksi, joilla on pinta-aktiiviset ominaisuudet.

Fosfolipidipitoiset biopinta-aktiiviset aineet

Fosfolipidit ovat kemiallisia yhdisteitä, joissa on fosfaattiryhmiä (PO ₄ ³), kiinnittyneinä lipidirakenteiseen osaan. Ne ovat osa mikro-organismien kalvoja.

Tietyt hiilivedyistä syövät bakteerit ja hiivat kasvattavat alkaanisubstraateilla kasvaessaan fosfolipidien määrää niiden kalvossa. Esimerkiksi Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans ja Rhodococcus erythropolis.

Polymeeriset biopinta-aktiiviset aineet

Polymeeriset biosurfaktantit ovat suurimolekyylipainoisia makromolekyylejä. Tämän ryhmän tutkituimpia biosurfaktantteja ovat: emulgaattori, rasvaimu, mannoproteiini ja polysakkaridiproteiinikompleksit.

Esimerkiksi bakteeri Acinetobacter calcoaceticus tuottaa polyanionista emulgaattoria (erilaisilla negatiivisilla varauksilla), erittäin tehokas bioemulgaattori hiilivedyille vedessä. Se on myös yksi tehokkaimmista tunnetuista emulsion stabilointiaineista.

Liposaani on vesiliukoinen, solunulkoinen emulgaattori, joka koostuu polysakkarideista ja Candida lipolytica -proteiinista.

Ympäristön puhtaanapito

Biosurfaktantteja käytetään myrkyllisten metallien, kuten uraanin, kadmiumin ja lyijyn saastuttamien maaperien bioremediaatiossa (Pseudomonas spp. Ja Rhodococcus spp. Biosafaktantit).

Niitä käytetään myös bensiinin tai öljyvuotojen saastuttaman maaperän ja veden biologisissa kunnostamisprosesseissa.

Kuva 3. Biopinta-aktiivisia aineita käytetään ympäristön puhtaanapitoprosesseissa öljyvuotojen vuoksi. Lähde: Ecuadorin ulkoministeriö, Wikimedia Commonsin kautta

Esimerkiksi Aeromonas sp. tuottaa biopinta-aktiivisia aineita, jotka sallivat öljyn hajoamisen tai suurten molekyylien pelkistämisen pienemmiksi, jotka toimivat ravintoaineina mikro-organismeille, bakteereille ja sienille.

Teollisuusprosesseissa

Biosiirektiivisiä aineita käytetään pesuaine- ja puhdistusteollisuudessa, koska ne parantavat puhdistustoimintaa liuottamalla rasvat, jotka likaavat vaatteita tai pintoja pesuveteen.

Niitä käytetään myös kemiallisinä lisäyhdisteinä tekstiili-, paperi- ja parkitusteollisuudessa.

Kosmetiikka- ja lääketeollisuudessa

Kosmetiikkateollisuudessa Bacillus licheniformis tuottaa biopinta-aktiivisia aineita, joita käytetään hilse-, bakteriostaattisina ja deodoranttituotteina.

Joitakin biopinta-aktiivisia aineita käytetään lääke- ja lääketieteellisessä teollisuudessa niiden mikrobilääkeresistenssin ja / tai sienenvastaisen vaikutuksen vuoksi.

Elintarviketeollisuudessa

Elintarviketeollisuudessa biosurfaktantteja käytetään majoneesin (joka on munaveden ja öljyn emulsio) valmistuksessa. Nämä biopinta-aktiiviset aineet ovat peräisin lektiineistä ja niiden johdannaisista, jotka parantavat laatua ja lisäksi makua.

Maataloudessa

Maataloudessa biopinta-aktiivisia aineita käytetään patogeenien (sienten, bakteerien, virusten) biologiseen torjuntaan viljelykasveissa.

Toinen biopinta-aktiivisten aineiden käyttö maataloudessa on lisätä mikroravinteiden saatavuutta maaperästä.

Viitteet

1. Banat, IM, Makkar, RS ja Cameotra, SS (2000). Mikrobisten pinta-aktiivisten aineiden mahdolliset kaupalliset sovellukset. Sovellettu mikrobiologiateknologia. 53 (5): 495-508.
2. Cameotra, SS ja Makkar, RS (2004). Viimeaikaiset biopinta-aktiivisten aineiden sovellukset biologisina ja immunologisina molekyyleinä. Nykyiset mielipiteet mikrobiologiassa. 7 (3): 262 - 266.
3. Chen, SY, Wei, YH ja Chang, JS (2007). Toistuva pH-stat -syöttö-erä fermentaatio ramnolipidituotannossa alkuperäiskansallisella Pseudomonas aeruginosa -sovelluksella, sovelletun mikrobiologian bioteknologialla. 76 (1): 67 - 74.
4. Mulligan, CN (2005). Ympäristösovellukset biopinta-aktiivisille aineille. Ympäristön saastuminen. 133 (2): 183-198.doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. ja Liu, T. (2018). Biosurfaktantit paransivat raskasmetallien poistoa lietteestä sähkökokineettisessä käsittelyssä. Kemiantekniikan lehti. 334 (15): 2579 - 2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.