閆樂樂, 梁生康, 宋丹丹, 李一鳴, 李雁賓

(1.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.河南省科學(xué)院高新技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002)

?

鼠李糖脂生物表面活性劑膠束性質(zhì)研究?

閆樂樂1, 梁生康1, 宋丹丹2, 李一鳴1, 李雁賓1

(1.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.河南省科學(xué)院高新技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002)

在考察鼠李糖脂生物表面活性劑所形成膠束的臨界膠束濃度(CMC)及其表面吸附行為的基礎(chǔ)上，研究鼠李糖脂膠束直徑隨溶液濃度、pH、鹽度的變化特征以及重金屬Cd2+和Pb2+共存時對其膠束直徑的影響。結(jié)果表明，鼠李糖脂的CMC為0.13mmol·L-1。由于鼠李糖脂分子具有較大的空間體積，在表面吸附層中占據(jù)較大的吸附面積，吸附量較小，在CMC時的表面最大吸附量(Γmax)為2.48×10-6mol·m-2，單個分子占有的最小面積(Amin)較大，達(dá)到66.9?2。在0.2～0.8mmol·L-1的濃度范圍內(nèi)，鼠李糖脂形成尺寸較大的囊泡狀膠束，其膠束直徑分布在50～300nm范圍內(nèi)，集中于100～180nm，且隨鼠李糖脂濃度、溶液鹽度的增大和重金屬離子的加入而增大；溶液pH對膠束尺寸具有顯著影響，最大膠束直徑出現(xiàn)在pH為5.5～6.0時。

鼠李糖脂；臨界膠束濃度；表面吸附；動態(tài)激光散射法；膠束直徑

表面活性劑增效修復(fù)是一種很有前途的去除土壤中重金屬和疏水性有機(jī)污染物技術(shù)。生物表面活性劑是一類由微生物分泌而成的具有親水基和疏水基的兩親化合物[1]。與化學(xué)合成表面活性劑相比，生物表面活性劑具有高表(界)面活性、低毒、易于生物降解等突出特點，在原油開采、日用化工、環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力[2-4]。鼠李糖脂生物表面活性劑是由銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)發(fā)酵生成的具有表面活性的代謝產(chǎn)物，其親水基團(tuán)一般由1～2分子的鼠李糖構(gòu)成，憎水基團(tuán)由1～2分子具有不同碳鏈長度的含β-羥基的脂肪酸構(gòu)成[5]。鼠李糖脂本身具有的兩親結(jié)構(gòu)特性，使得其對疏水性有機(jī)物具有較高的膠束増溶能力[6]，因而在疏水性有機(jī)污染場地修復(fù)中受到越來越多的關(guān)注[7-8]。研究表明。鼠李糖脂可有效促進(jìn)土壤中疏水性有機(jī)物的解吸，且較結(jié)構(gòu)相近的化學(xué)合成表面活性劑更為有效，如鼠李糖脂對原油的增溶性能是相同質(zhì)量化學(xué)表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)的50倍[9]。表面活性劑的膠束結(jié)構(gòu)和性能是指導(dǎo)其應(yīng)用的重要依據(jù)。然而，目前關(guān)于鼠李糖脂膠束行為的研究較少[10-11]，尚難以直接指導(dǎo)其在環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用。深入研究鼠李糖脂的膠束行為及其影響因素，對提高其增溶效率，減少使用量，降低修復(fù)成本具有重要意義。

本論文在研究鼠李糖脂生物表面活性劑所形成膠束的CMC和確定其表面吸附行為的基礎(chǔ)上，應(yīng)用動態(tài)激光散射儀測定其膠束直徑，同時考察了pH、鹽度和共存重金屬離子等環(huán)境因子對其膠束直徑的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Malvern Zetasizer Nano ZS90納米激光粒度儀(英國Malvern公司)，JYW-200A型自動界面張力儀(承德精密試驗機(jī)有限公司)。

鼠李糖脂為本實驗室通過Pseudomonasaeruginosa(O-2-2)以花生油為碳源發(fā)酵合成，并經(jīng)過乙酸乙酯萃取和硅膠柱層析純化，純度在97.5%以上，液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀分析結(jié)果表明，該菌株所產(chǎn)生物表面活性劑含有21種鼠李糖脂的同系物，都由1～2分子的鼠李糖和1～2個含β-羥基的碳鏈長度為8～12的飽和或不飽和脂肪酸構(gòu)成，主要組分為α-L-吡喃鼠李糖苷-β-羥基癸酰-β-羥基癸酸和2-O-α-L-吡喃鼠李糖苷-α-L-吡喃鼠李糖苷-β-羥基癸酰-β-羥基癸酸，摩爾占比分別為14.56%和19.26%。平均分子量為576[10]。其他試劑均為分析純，實驗用水均為mili-Q超純水，pH為5.30。

1.2 表面張力法測定臨界膠束濃度

鼠李糖脂表面張力(γ)以吊環(huán)法在常溫下測定，其臨界膠束濃度(CMC)以γ對鼠李糖脂濃度對數(shù)變化作圖求得。

1.3 激光光散射法測定膠束直徑

配制系列濃度的鼠李糖脂溶液經(jīng)0.45μm濾膜過濾后，應(yīng)用激光光散射法測定其動態(tài)平均直徑(d)。散射角為90°，測定溫度為25℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 臨界膠束濃度

鼠李糖脂溶液的表面張力隨濃度的變化測定結(jié)果如圖1所示，其水溶液表面張力隨糖脂濃度的增大而快速減小，到30.0mN·m-1后基本保持不變，說明濃度已達(dá)到CMC以上。可以求算出該鼠李糖脂的CMC為0.13mmol·L-1，這與銅綠假單胞菌(P.aeruginosa) MIG-N146所產(chǎn)鼠李糖脂的CMC基本一致[11]，但低于銅綠假單胞菌(P.aeruginosa)SP4所產(chǎn)鼠李糖脂的CMC[12]。這與不同菌株所產(chǎn)生的鼠李糖脂同系物的組成和比例有關(guān)。研究表明，鼠李糖脂的CMC隨其中所含疏水基碳鏈長度增大而減小，如雙鼠李糖脂的CMC僅為5mg·L-1,而單鼠李糖脂的CMC則高達(dá)200mg/L[13]。進(jìn)一步分析表明，本研究中鼠李糖脂CMC與非離子表面活性劑吐溫系列相差不大[14]，遠(yuǎn)小于陰離子表面活性劑SDS；而鼠李糖脂糖脂pKa為5.6左右[15]，在本實驗中溶液pH在5.8左右，鼠李糖脂以非離子態(tài)和陰離子態(tài)混合存在，但以非離子形態(tài)為主。

圖1 鼠李糖脂表面張力(γ)隨濃度(logCt)變化曲線

2.2 鼠李糖脂的表面吸附特點

(1)

式中：R為氣體常數(shù)(8.314J·mol-1·K-1);T為絕對溫度。根據(jù)γ-log Ct(γ為mN·m-1，C為mol·L-1)曲線的斜率可得CMC時對應(yīng)的氣/液表面最大吸附量Γmax,單位為mol·m-2。

根據(jù)公式(2)可求算平均每個分子占有的最小面積Amin，單位為?2，其中，NA為阿伏伽德羅常數(shù)，結(jié)果見表1。

Amin=1020/NΓmax。

(2)

表1 25℃時鼠李糖脂生物表面活性劑和化學(xué)合成表面活性劑[17]的表面吸附行為比較

由表1可以看出，鼠李糖脂在CMC時對應(yīng)的氣/液表面最大吸附量Γmax為2.48×10-6mol·m-2，不僅小于陰離子型化學(xué)合成表面活性劑SDS，而且小于非離子表面活性劑C12E5和C12E6，而Amin則達(dá)到66.9?2，分別是SDS、C12E5和C12E6的1.5、1.3和1.2倍，這可能是由于鼠李糖脂較大的空間體積在表面吸附層中占據(jù)較大的吸附面積而導(dǎo)致吸附量較少，Amin較大。

2.3 鼠李糖脂的膠束直徑

2.3.1鼠李糖脂濃度對膠束直徑的影響 鼠李糖脂濃度為0.20、0.50、0.80mmol·L-1時的水合直徑測定結(jié)果如圖2所示。可以看出，不同濃度鼠李糖脂所形成的膠束尺寸在50～250nm之間，分布比較集中，峰值集中于110～180nm，且隨著濃度增大，其平均水合直徑呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。這與Pornsunthorntawee等[12]的研究結(jié)果基本一致。在CMC值附近時，鼠李糖脂所形成的膠束直徑約為陰離子表面活性劑SDS的19倍[18]。這是由于鼠李糖脂分子中含有葡萄糖基和帶支鏈的長鏈?zhǔn)杷紦?jù)較大空間，不利于分子間的有序排列，導(dǎo)致其可能形成尺寸較大的疏松囊泡狀結(jié)構(gòu)[13]，這種膠束結(jié)構(gòu)有利于疏水性有機(jī)物的增溶[19]。表明鼠李糖脂在疏水性污染物增效修復(fù)方面具有良好的應(yīng)用潛力。

圖2 不同濃度鼠李糖脂的膠束尺寸分布

2.3.2 pH對鼠李糖脂膠束直徑的影響 為考察溶液pH值對鼠李糖脂水合直徑的影響，將0.5mmol·L-1的鼠李糖脂溶液pH分別調(diào)為5.5、6.0、6.5、7.0、7.5和8.0，測定其膠束直徑。由于當(dāng)pH<5.0時，鼠李糖脂溶液不穩(wěn)定而出現(xiàn)沉淀，溶液pH<5.0未考察。測定結(jié)果如圖3所示，pH對鼠李糖脂的膠束直徑有較大影響，最大膠束直徑出現(xiàn)在pH為5.5～6.0時，接近或達(dá)到170nm;在溶液pH為6.5～8.0時，其膠束直徑明顯減小，在105～130nm之間。這主要是由于鼠李糖脂屬弱酸型表面活性劑，其離子基團(tuán)的直徑取決于鼠李糖基團(tuán)上羧基的質(zhì)子化程度。鼠李糖脂的離子化程度隨pH值增大而增大。研究表明，當(dāng)溶液pH值高于5.6時,鼠李糖脂主要呈陰離子態(tài);當(dāng)pH值低于5.6時，則以非離子形態(tài)為主[15]。Champion等[20]應(yīng)用冷凍透射電鏡研究了鼠李糖脂膠束結(jié)構(gòu)隨pH值的變化。結(jié)果表明，溶液pH值從5.5增加到8.0，鼠李糖脂的膠束結(jié)構(gòu)從較大的層狀膠團(tuán)變成較小的棒狀膠團(tuán)再轉(zhuǎn)變成更小的膠束。鼠李糖脂的這種膠束結(jié)構(gòu)隨pH的變化可能與表面活性劑分子所帶負(fù)電荷有關(guān)，隨著pH值增大，鼠李糖脂親水基團(tuán)所荷負(fù)電增多，表面活性劑分子間排斥力增大，不利于大尺寸膠束的形成[12]。

2.3.3 鹽度對鼠李糖脂膠束直徑的影響 為考察鹽度對鼠李糖脂膠束直徑的影響，在濃度為0.5mmol·L-1的鼠李糖脂溶液中加入NaCl，使NaCl分別達(dá)到0.01、0.05和0.10mmol·L-1，測定鼠李糖脂的膠束直徑分布。實驗結(jié)果見圖4。

圖3 溶液pH對鼠李糖脂膠束直徑的影響

圖4 鹽度對鼠李糖脂膠束尺寸分布的影響

可以看出，在實驗考察的鹽度范圍內(nèi)，鼠李糖脂的膠束直徑隨鹽度的增大而增大。一般認(rèn)為，對離子型表面活性劑，電解質(zhì)的存在使膠團(tuán)的雙電層壓縮，減少了表面活性劑離子頭之間的相互排斥作用，從而使得更多的表面活性劑離子進(jìn)入膠團(tuán)中，膠團(tuán)聚集數(shù)增多，CMC值降低，膠束直徑和體積增大[21]。

2.3.4 共存重金屬離子對鼠李糖脂膠束直徑的影響 在應(yīng)用鼠李糖脂進(jìn)行污染水體或土壤環(huán)境修復(fù)時，環(huán)境介質(zhì)中往往是重金屬離子與疏水性有機(jī)污染物共存[22];共存的金屬離子會對鼠李糖脂的膠束結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生影響。因此，研究考察了在重金屬離子Cd2+和Pb2+存在下，鼠李糖脂膠束直徑的變化，鼠李糖脂濃度為0.5mmol·L-1，Cd2+和Pb2+的濃度為0.10mmol·L-1。實驗結(jié)果見圖5。

圖5 重金屬離子對鼠李糖脂尺寸分布的影響

Cd2+和Pb2+加入鼠李糖脂的膠束直徑略有增大。也有研究發(fā)現(xiàn)在鼠李糖脂溶液中加入Cd2+，可以增大其對正十八烷的增溶能力[20]。這是由于鼠李糖脂中部分羧基被離子化，可以與添加的金屬離子Pb2+、Cd2+發(fā)生絡(luò)合作用[23]，減少了鼠李糖脂親水基團(tuán)中離子頭之間的相互排斥作用，導(dǎo)致使其所形成膠團(tuán)雙電層壓縮，CMC值降低，這樣膠束可以締合為直徑和體積更大的膠團(tuán)，有利于疏水性有機(jī)物的増溶[23,24]。

3 結(jié)語

由于鼠李糖脂本身具有鼠李糖基和帶支鏈的長鏈?zhǔn)杷?，因而具有較低的CMC值，僅為0.13mmol·L-1;且在表面吸附層中占據(jù)較大的吸附面積大，吸附量較小，在CMC時的Γmax為2.48×10-6mol·m-2，僅為SDS的67%，單分子Amin較大，達(dá)到66.9?2，為SDS的1.5倍。同時，鼠李糖脂空間結(jié)構(gòu)決定其易于形成尺寸較大的囊泡狀膠束結(jié)構(gòu)，其膠束直徑分布在50～300nm范圍內(nèi)，集中于100～180nm之間，且隨濃度增大而增大;同時，溶液pH值對膠束直徑有較大影響，最大膠束直徑出現(xiàn)在pH為5.5～6.0時。另外，其膠束直徑隨鹽度的增大和重金屬離子的加入而略有增大。

[1] Henkel M, Müller M M, Kügler J H, et al. Rhamnolipids as biosurfactants from renewable resources: Concepts for next-generation rhamnolipid production[J]. Process Biochemistry, 2012, 47(8): 1207-1219.

[2] Christofi N, Ivshina I B. Microbial surfactants and their use in field studies of soil remediation[J]. Journal of Applied Microbiology, 2002, 93(6): 915-929.

[3] 可欣, 李培軍, 鞏宗強(qiáng), 等. 重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)中有關(guān)淋洗劑的研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2004, 23(5): 145-149. Ke X, Li P, Gong Z, et al. Advances in eluents used in the remediation of soil contaminated by heavy metals[J]. Chinese Journal of Ecology, 2004, 23(5): 145-149.

[4] Banat I M, Makkar R S, Cameotra S S. Potential commercial applications of microbial surfactants[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2000, 53(5): 495-508.

[5] Mulligan C N. Environmental applications for biosurfactants[J]. Environmental Pollution, 2005, 133(2): 183-198.

[6] Wan J, Chai L, Lu X, et al. Remediation of hexachlorobenzene contaminated soils by rhamnolipid enhanced soil washing coupled with activated carbon selective adsorption[J]. Journal of Hazardous Materials, 2011, 189(1-2): 458-464.

[7] Urum K, Pekdemir T. Evaluation of biosurfactants for crude oil contaminated soil washing[J]. Chemosphere, 2004, 57(9): 1139-1150.

[8] Liu Y, Ma M, Shi Z, et al. A study on remediation of PCBs-contaminated soil by a combination of biosurfactant washing, UV-irradiation and biodegradation[J]. Advanced Science Letters, 2012, 10(1): 344-348.

[9] Noordman W H, Ji W, Brusseau M L, et al. Effects of rhamnolipid biosurfactantson removal of phenanthrene from soil[J]. Environmental Science & Eechnology, 1998, 32(12): 1806-1812.

[10] Wang X, Gong L, Liang S, et al. Algicidal activity of rhamnolipid biosurfactants produced byPseudomonasaeruginosa[J]. Harmful Algae, 2005, 4(2): 433-443.

[11] 林暉, 胡勇有, 張瀟予, 等. 不同組分鼠李糖脂的膠束性質(zhì)及其對三氯生的增溶作用[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2011, 31(12): 2609-2615. Lin H, Hu Y, Zhang X, et al. Micellization properties of different rhamnolipidic fractions and their solubilization of triclosan [J]. Journal of Environmental Sciences, 2011, 31(12): 2609-2615.

[12] Pornsunthorntawee O, Chavadej S, Rujiravanit. Solution properties and vesicle formation of rhamnolipid biosurfactants produced byPseudomonasaeruginosaSP4[J]. Colloids and Surface B: Biointerfaces, 2009, 72: 6-15.

[13] Rahman K S M, Rahman T J, Mc Clean S, et al. Rhamnolipid biosurfactant production by strains ofPseudomonasaeruginosausing low-cost raw materials[J]. Biotechnology Progress, 2002, 18(6): 1277-1281.

[14] 宋丹丹, 梁生康, 王江濤, 等. 穩(wěn)態(tài)熒光探針法研究槐糖脂生物表面活性劑的膠束化行為[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2012, 32(8): 2171-2175. Song D, Liang S, Wang j, et al. Studies on micelle behaviors of sophorolipid biosurfactant by steady-state fluorescence probe method[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2012, 32(8): 2171-2175.

[15] Ishigami Y, Gama Y, Nagahora H, et al. The pH-sensitive conversion of molecular aggregates of rhamnolipid biosurfactant[J]. Chemistry Letters, 1987, 16(5): 763-766.

[16] Li F, Rosen M J, Sulthana S B. Surface properties of cationic gemini surfactants and their interaction with alkylglucoside or-maltoside surfactants[J]. Langmuir, 2001, 17(4): 1037-1042.

[17] Lu J R, Thomas R K, Penfold J. Surfactant layers at the air/water interface: Structure and composition[J]. Advances in Colloid and Interface Science, 2000, 84(1): 143-304.

[18] Norman A M, George B B, Martin C C. An investigation of the micellar phase of sodium dodecyl sulfate in aqueous sodium chloride solutions using quasielastic light scatting spectroscopy[J]. Journal of Physical Chemistry, 1976, 80(10): 1075-1085

[19] Gadelle F, Koros W J, Schechter R S. Solubilization isotherms of aromatic solutes in surfactant aggregates[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1995, 170(1): 57-64.

[20] Champion J T, Gilkey J C, Lamparski H, et al. Electron microscopy of rhamnolipid (biosurfactant) morphology: Effects of pH, cadmium, and octadecane[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1995, 170(2): 569-574.

[21] Cetin B, Yatkin S, Bayram A, et al. Ambient concentrations and source apportionment of PCBs and trace elements around an industrial area in Izmir, Turkey[J]. Chemosphere, 2007, 69(8): 1267-1277.

[22] Zehetner F, Rosenfellner U, Mentler A. Distribution of road salt residues, heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons across a highwayforesy interface[J]. Water, Air & Soil Pollution, 2009, 198(1): 121-128.

[23] Mulligan C N, Wang S. Remediation of a heavy metal-contaminated soil by a rhamnolipid foam[J]. Engineering Geology, 2006, 85: 75-81.

[24] El Zeftawy M A M, Mulligan C N. Use of rhamnolipid to remove heavy metals from wastewater by micellar-enhanced ultrafiltration (MEUF)[J]. Separation and Purification Technology, 2011, 77(1): 120-127.

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Studies on Some Micelle Properties of Rhamnolipid Biosurfactant

YAN Le-Le1, LIANG Sheng-Kang1, SONG Dan-Dan2, LI Yi-Ming1, LI Yan-Bin1

(1.The Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.High and New Technology Research Center of Henan Academy of Sciences, Zhengzhou 450002, China)

The critical micelle concentration (CMC) and surface adsorption of rhamnolipid biosurfactant as well as micelle diameter of rhamnolipid varied with the biosurfactant concentration, salinity, pH and metal ionswere investigated. The results show that the rhamnolipid has a CMC of 0.13 mmol·L-1. Due to the large space volumes of rhamnolipid molecules, the adsorption quantity of rhamnolipid in the water-air interface is small and the maximum adsorption quantity (ΓMax) is as low as 2.48×10-10mol·cm-2. Accordingly, the smallest area of the single molecule (Amin) is as large as 66.9 ?2. The micelle diameters of rhamnolipid with the concentration of 0.2～0.8 mmol·L-1are distributed in 50～300 nm and gathered on 100～180 nm. The micelle diameters increase slightly with the increase of the salinity and withthe additionof metal ions in the solution. On the other hand, the rhamnolipid micelle charge properties are determined by the pH value of the solution, and its micelle sizesare influenced greatly by the pH value. The largest micellediameter was found with the pH value of 5.5～6.0.

rhamnolipid; critical micelle concentration; surface adsorption; dynamic light scattering; micelle mean diameter

國家自然科學(xué)基金項目(41371314)資助 Supported by Natural Science Foundation of China (41371314)

2015-06-30；

2015-11-25

閆樂樂(1990-)，女，碩士。E-mail: yanll2924@163.com

?? 通訊作者：E-mail： liangsk@ouc.edu.cn

O647

A

1672-5174(2016)12-068-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20150235

閆樂樂, 梁生康, 宋丹丹， 等. 鼠李糖脂生物表面活性劑膠束性質(zhì)研究[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2016, 46(12): 68-72.

YAN Le-Le, LIANG Sheng-Kang, SONG Dan-Dan， et al. Studies on some micelle properties of rhamnolipid biosurfactant[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(12): 68-72.