CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT VÀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT SINH HỌC: NÓ DÙNG ĐỂ LÀM GÌ, VÍ DỤ VÀ SỬ DỤNG - SINH HỌC - 2025

Một hoạt động bề mặt là một hợp chất hóa học có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng, hoạt động tại một giao diện hoặc bề mặt tiếp xúc giữa hai giai đoạn, ví dụ như nước-không khí hoặc nước dầu.

Thuật ngữ chất hoạt động bề mặt xuất phát từ từ tiếng Anh chất hoạt động bề mặt, lần lượt có nguồn gốc từ viết tắt của biểu thức chất hoạt tính Surf ace, trong tiếng Tây Ban Nha có nghĩa là chất hoạt động bề mặt hoặc bề mặt.

Hình 1. Cấu trúc của chất hoạt động bề mặt. Nguồn: Biện pháp chính, từ Wikimedia Commons

Trong tiếng Tây Ban Nha, từ "chất hoạt động bề mặt" được sử dụng, đề cập đến khả năng của một hợp chất hóa học tác động lên bề mặt hoặc sức căng bề mặt. Sức căng bề mặt có thể được định nghĩa là một lực cản mà chất lỏng có để tăng bề mặt của chúng.

Nước có sức căng bề mặt cao vì các phân tử của nó liên kết rất chặt chẽ và chống lại sự phân tách khi có áp lực tác động lên bề mặt của chúng.

Ví dụ, một số côn trùng sống dưới nước, chẳng hạn như “chim bìm bịp” (Gerris lacustris), có thể di chuyển trên mặt nước mà không bị chìm, nhờ sức căng bề mặt của nước, cho phép hình thành một lớp màng trên bề mặt của nó.

Hình 2. Côn trùng có khả năng di chuyển trên mặt nước. Nguồn: TimVickers, từ Wikimedia Commons

Ngoài ra, một cây kim thép vẫn ở trên mặt nước và không chìm xuống, do sức căng bề mặt của nước.

Cấu trúc và chức năng của chất hoạt động bề mặt

Tất cả các chất hoạt động bề mặt hoặc chất hoạt động bề mặt đều có bản chất là amphiphilic, tức là chúng có hoạt tính kép, vì chúng có thể hòa tan các hợp chất phân cực và không phân cực. Chất hoạt động bề mặt có hai phần chính trong cấu trúc của chúng:

• Một đầu phân cực ưa nước, giống với nước và các hợp chất phân cực.
• Một đuôi không phân cực ưa béo, kỵ nước, giống với các hợp chất không phân cực.

Đầu phân cực có thể không ion hoặc không ion. Phần đuôi của chất hoạt động bề mặt, hoặc phần apolar, có thể là chuỗi cacbon và hydro alkyl hoặc alkylbenzen.

Cấu trúc rất đặc biệt này mang lại cho các hợp chất hóa học hoạt động bề mặt một hành vi lưỡng tính, lưỡng tính: ái lực với các hợp chất hoặc pha phân cực, hòa tan trong nước và cũng có ái lực với các hợp chất không phân cực, không hòa tan trong nước.

Nói chung, các chất hoạt động bề mặt làm giảm sức căng bề mặt của nước, cho phép chất lỏng này nở ra và chảy ở mức độ lớn hơn, làm ướt các bề mặt và pha lân cận.

Chất hoạt động bề mặt để làm gì?

Hóa chất hoạt động bề mặt phát huy hoạt tính của chúng trên bề mặt hoặc bề mặt.

Ví dụ, khi hòa tan trong nước, chúng di chuyển đến các giao diện nước-dầu hoặc nước-không khí, nơi chúng có thể hoạt động như:

• Chất phân tán và chất hòa tan của các hợp chất không hòa tan hoặc hòa tan kém trong nước.
• Chất giữ ẩm, vì chúng tạo điều kiện cho nước đi qua các pha không hòa tan trong đó.
• Chất ổn định cho nhũ tương của các hợp chất không tan trong nước và nước, chẳng hạn như dầu và nước từ mayonnaise.
• Một số chất hoạt động bề mặt thúc đẩy và những chất khác ngăn tạo bọt.

Chất hoạt động bề mặt: chất hoạt động bề mặt có nguồn gốc sinh học

Khi chất hoạt động bề mặt đến từ một cơ thể sống, nó được gọi là chất hoạt động bề mặt sinh học.

Theo nghĩa chặt chẽ hơn, chất hoạt động bề mặt sinh học được coi là hợp chất sinh học amphiphilic (với đặc tính hóa học kép, hòa tan trong nước và chất béo), được sản xuất bởi vi sinh vật như nấm men, vi khuẩn và nấm sợi.

Các chất bề mặt sinh học được bài tiết hoặc giữ lại như một phần của màng tế bào vi sinh vật.

Ngoài ra, một số chất hoạt động bề mặt sinh học được sản xuất bằng quy trình công nghệ sinh học, sử dụng các enzym tác động lên hợp chất hóa học sinh học hoặc sản phẩm tự nhiên.

Ví dụ về chất hoạt động bề mặt sinh học

Chất hoạt động bề mặt tự nhiên bao gồm saponin từ thực vật như hoa cayenne (Hibiscus sp.), Lecithin, nước mật của động vật có vú hoặc chất hoạt động bề mặt phổi của con người (có chức năng sinh lý rất quan trọng).

Ngoài ra, các axit amin và các dẫn xuất của chúng, betaines và phospholipid, tất cả các sản phẩm tự nhiên có nguồn gốc sinh học này, đều là chất hoạt động bề mặt sinh học.

Phân loại chất hoạt động bề mặt sinh học và ví dụ

-Theo tính chất của điện tích ở phần cực hoặc phần đầu.

Các chất bề mặt sinh học có thể được nhóm thành các loại sau, dựa trên điện tích của đầu phân cực của chúng:

Chất hoạt động bề mặt anion

Chúng có điện tích âm ở đầu cực, thường là do sự hiện diện của nhóm sulfonat –SO ₃ ^- .

Chất hoạt động bề mặt cation

Chúng có điện tích dương trên đầu, thường là nhóm amoni bậc bốn NR ₄ ⁺ , trong đó R đại diện cho một chuỗi cacbon và hydro.

Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính

Chúng có cả điện tích dương và điện tích âm trên cùng một phân tử.

Chất tạo bề mặt sinh học không ion

Chúng không có ion hoặc điện tích trong đầu.

-Theo bản chất hóa học của nó

Theo bản chất hóa học, chất hoạt động bề mặt sinh học được phân thành các loại sau:

Chất hoạt động bề mặt glycolipid

Glycolipid là các phân tử có cấu trúc hóa học một phần là lipid hoặc chất béo và một phần là đường. Hầu hết các chất hoạt động bề mặt đã biết là glycolipid. Loại thứ hai bao gồm các sulfat của các loại đường như glucose, galactose, mannose, rhamnose và galactose.

Trong số các glycolipid, được biết đến nhiều nhất là rhamnolipid, chất nhũ hóa sinh học đã được nghiên cứu rộng rãi, có hoạt tính nhũ hóa cao và ái lực cao với các phân tử hữu cơ kỵ nước (không tan trong nước).

Đây được coi là những chất hoạt động bề mặt hiệu quả nhất để loại bỏ các hợp chất kỵ nước trong đất bị ô nhiễm.

Ví dụ về rhamnolipid bao gồm chất hoạt động bề mặt do vi khuẩn thuộc giống Pseudomonas sản xuất.

Có các glycolipid khác, được sản xuất bởi Torulopsis sp., Có hoạt tính diệt khuẩn và được sử dụng trong mỹ phẩm, sản phẩm trị gàu, vi khuẩn và như chất khử mùi cơ thể.

Lipoprotein và chất hoạt động bề mặt lipopeptide

Lipoprotein là các hợp chất hóa học có trong cấu trúc của chúng là một phần lipid hoặc chất béo và một phần khác là protein.

Ví dụ, Bacillus subtilis là một loại vi khuẩn tạo ra lipopeptide được gọi là chất nổi. Đây là một trong những chất hoạt động bề mặt giảm sức căng bề mặt mạnh nhất.

Surfactins có khả năng sản xuất ly giải hồng cầu (phân hủy hồng cầu) ở động vật có vú. Hơn nữa, chúng có thể được sử dụng làm chất diệt khuẩn cho các loài gây hại như các loài gặm nhấm nhỏ.

Chất hoạt động bề mặt axit béo

Một số vi sinh vật có thể oxy hóa ankan (chuỗi cacbon và hydro) thành axit béo có đặc tính hoạt động bề mặt.

Chất hoạt động bề mặt phospholipid

Photpholipit là những hợp chất hóa học có nhóm photphat (PO ₄ ^3- ), được gắn vào một phần có cấu trúc lipid. Chúng là một phần của màng vi sinh vật.

Một số vi khuẩn và nấm men ăn hydrocacbon, khi phát triển trên chất nền alkan, sẽ làm tăng lượng phospholipid trong màng của chúng. Ví dụ, Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans, và Rhodococcus erythropolis.

Chất tạo bề mặt polyme

Chất tạo bề mặt polyme là các đại phân tử có trọng lượng phân tử cao. Các chất hoạt động bề mặt sinh học được nghiên cứu nhiều nhất trong nhóm này là: chất nhũ hóa, chất hút mỡ, mannoprotein và phức hợp polysaccharide-protein.

Ví dụ, vi khuẩn Acinetobacter calcoaceticus tạo ra chất nhũ hóa polyanionic (với các điện tích âm khác nhau), một chất nhũ hóa sinh học rất hiệu quả đối với hydrocacbon trong nước. Nó cũng là một trong những chất ổn định nhũ tương mạnh nhất được biết đến.

Liposan là chất nhũ hóa ngoại bào, tan trong nước, bao gồm polysaccharid và protein Candida lipolytica.

Sự cải thiện môi trường

Chất tạo bề mặt sinh học được sử dụng trong quá trình xử lý sinh học của đất bị ô nhiễm bởi các kim loại độc hại, chẳng hạn như uranium, cadmium và chì (chất tạo bề mặt sinh học của Pseudomonas spp. Và Rhodococcus spp.).

Chúng cũng được sử dụng trong các quá trình xử lý sinh học đối với đất và nước bị ô nhiễm bởi sự cố tràn xăng hoặc dầu.

Hình 3. Chất hoạt động bề mặt sinh học được sử dụng trong quá trình vệ sinh môi trường do sự cố tràn dầu. Nguồn: Bộ Ngoại giao Ecuador, qua Wikimedia Commons

Ví dụ, Aeromonas sp. tạo ra chất hoạt động bề mặt sinh học cho phép phân hủy dầu hoặc giảm các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn, dùng làm chất dinh dưỡng cho vi sinh vật, vi khuẩn và nấm.

Trong quy trình công nghiệp

Chất tạo bề mặt sinh học được sử dụng trong công nghiệp tẩy rửa và chất tẩy rửa, vì chúng tăng cường hoạt động làm sạch bằng cách hòa tan chất béo làm bẩn quần áo hoặc bề mặt trong nước giặt.

Chúng cũng được sử dụng như các hợp chất hóa học phụ trợ trong ngành công nghiệp dệt, giấy và thuộc da.

Trong ngành mỹ phẩm và dược phẩm

Trong ngành công nghiệp mỹ phẩm, Bacillus licheniformis sản xuất chất hoạt động bề mặt sinh học được sử dụng như các sản phẩm trị gàu, kìm khuẩn và khử mùi.

Một số chất hoạt động bề mặt sinh học được sử dụng trong ngành dược phẩm và y sinh vì hoạt tính kháng khuẩn và / hoặc chống nấm của chúng.

Trong ngành công nghiệp thực phẩm

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, chất hoạt động bề mặt sinh học được sử dụng để sản xuất mayonnaise (một dạng nhũ tương của nước và dầu trứng). Các chất tạo bề mặt sinh học này đến từ lectin và các dẫn xuất của chúng, giúp cải thiện chất lượng và hương vị bổ sung.

Trong nông nghiệp

Trong nông nghiệp, chất hoạt động bề mặt sinh học được sử dụng để kiểm soát sinh học các mầm bệnh (nấm, vi khuẩn, vi rút) trong cây trồng.

Một công dụng khác của chất hoạt động bề mặt sinh học trong nông nghiệp là tăng cường sự sẵn có của các vi chất dinh dưỡng từ đất.

Người giới thiệu

1. Banat, IM, Makkar, RS và Cameotra, SS (2000). Các ứng dụng thương mại tiềm năng của chất hoạt động bề mặt vi sinh vật. Công nghệ vi sinh ứng dụng. 53 (5): 495-508.
2. Cameotra, SS và Makkar, RS (2004). Các ứng dụng gần đây của chất hoạt động bề mặt sinh học như các phân tử sinh học và miễn dịch học. Ý kiến ​​hiện tại trong vi sinh vật học. 7 (3): 262-266.
3. Chen, SY, Wei, YH và Chang, JS (2007). Lặp lại quá trình lên men theo mẻ pH-stat để sản xuất rhamnolipid bằng Công nghệ sinh học vi sinh ứng dụng Pseudomonas aeruginosa bản địa. 76 (1): 67-74.
4. Mulligan, CN (2005). Các ứng dụng môi trường cho chất hoạt động bề mặt sinh học. Ô nhiễm môi trường. 133 (2): 183-198.doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. và Liu, T. (2018). Chất tạo bề mặt sinh học tăng cường loại bỏ kim loại nặng khỏi bùn trong quá trình xử lý điện động học. Tạp chí Kỹ thuật Hóa học. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.