1.1. Giới thiệu về carotenoit và β-caroten
1.2.1. Phân loại chất bề mặt sinh học có nguồn gốc vi sinh
Chất hoạt động bề mặt là chất có khả năng làm giảm sức căng bề mặt giữa các pha lỏng/lỏng, lỏng/rắn và lỏng/khí do vậy chúng cho phép các cấu phần của các pha hoà trộn và phân phối đồng đều trong nhau.
Không giống các chất bề mặt sản xuất bằng con đ−ờng hoá học đ−ợc phân loại theo các nhóm phân cực, các chất bề mặt sinh học đ−ợc phân loại theo thành phần hoá học và nguồn gốc vi sinh. Cấu trúc của các chất bề mặt sinh học bao gồm phần −a n−ớc đ−ợc cấu tạo từ axit amin hoặc peptit mang điện cation học anion, đường đơn, đôi hoặc polysaccharit và phần kỵ n−ớc đ−ợc cấu tạo từ axit béo bão hoà hoặc không bão hoà. Do vậy các lớp chính của chất bề mặt sinh học là glycolipit, lipopeptit, và lipoprotein, phospholipit và axit béo, lipit trung tính và photpholipit, các chất bề mặt polyme và chất bề mặt dạng hạt.
Mặc dầu có nhiều báo cáo nói về sự sinh tổng hợp chất bề mặt bởi vi sinh vật phân giải các hydrocacbon, nh−ng cũng có những nguồn tài liệu nói đến sự sinh tổng hợp chất
33 bề mặt từ các chất hoà tan đ−ợc trong n−ớc nh− đ−ờng glucoza, sucroza, glycerol, hoặc ethanol (Cooper và Goldenberg, 1987; Guerra- Santos và cs, 1986; Hommel và cs, 1994;
Palejwala và Desai, 1989; Passeri, 1992). Những −u thế của các chất bề mặt sinh học so với các chất bề mặt tổng hợp hoá học là xuất phát từ tự nhiên, chịu sự phân huỷ sinh học, có tính năng hoạt động tốt hơn ở dải pH và nhiệt độ rộng, đa dạng và không có tính độc.
Do vậy chất hoạt động bề mặt sinh học có nhiều ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau.
1.2.1.1. Glycolipit.
Đa số những chất hoạt động bề mặt đ−ợc biết đến là glycolipit. Glycolipit đ−ợc vi sinh vật thuộc tất cả các nhóm vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm men, nấm mốc sinh tổng hợp.
Các vi sinh vật này có khả năng chuyển hoá cacbonhydrat, n-alkan (C10- C20), chất béo (C10- C22) thành glycolipit, những nguồn cacbon này có thể sử dụng riêng lẻ hoặc dùng kết hợp với nhau. Những glycolipit đ−ợc biết đến nhiều nhất là rhamnozalipit, trehalozalipit và sophozalipit (Bảng 1..2.1. và Hình 1.2.1.).
Rhamnozalipit:
Ramnozalipit là glucolipit đ−ợc nghiên cứu nhiều nhất. Khi có một hoặc hai phân tử của rhamnoza liên kết với một hoặc hai phân tử axit
β-hydroxyldecanoic. Sản xuất rhamnoza chứa glucolipit từ Pseudomonas.sp đ−ợc Javis và Joshnon mô tả đầu tiên (Javis và Joshnson, 1949). Từ đó có các dạng của ramnozalipit:
+Ramnozalipit1:L-Ramnoza-L-Ramnoza-β-hydroxydecanoic-β-hydroxydecanoic.
+Rhamnozalipit2: L-rhamnosyl-β-hydroxydecanoic-β-hydroxydecanoic + Ramnozalipit 3: β-hydroxydecanoic-β-rhamnoza
+ Ramnozalipit 4: β-hydroxydecanoic-L-Rhamnoza-L-Rhamnoza Bảng1.21. a. Nguồn vi sinh vật và đặc tính của các vi sinh vật quan trọng
Glucolipit Vi sinh vật Sức căng bề
mặt (mN/m)
Sức căng mặt phân cắt (mN/m)
Rhamnozalipit Pseudomonas eruginosa 29 0,25
Pseudomonas.sp 25-30 1
R.erythropolis 32-36 14-17
N.erythropolis 30 3,5
Trehalozalipit
Mycrobacterium.sp 38 1,5
T.bombicola 33 1,8
Sophozalipit T.apicola 30 0,9
T.petrophilum
Trehalozalipit:
Disacarit trehaloza đ−ợc liên kết bởi C6 và C6’ tới axit mycolic sinh chuyển hoá bằng những chủng Mycobacterium, Nocardia và Corynebacterium. Trehaloza dimycolate đ−ợc sản xuất từ Rhodococcus đ−ợc nghiên cứu rộng rãi, R.erythropolis còn tổng hợp ra lipit, trehaloza, anionic. Trehalozalipit từ R.erythropolis và Athrobacter sp. làm giảm sức căng bề mặt và mặt phân cắt trong dịch nuôi cấy sinh vật từ 25 - 40 và từ 1-5mN/m.
Sophozalipit:
Sophozalipit đ−ợc sản xuất chủ yếu từ các chủng nấm men: Torulopsis bombicola, T.petrophilum và T.apicola. Sophozalipit gồm cacbonhydrat và liên kết với chuỗi hydroxyaxit béo. Chất hoạt động bề mặt sinh học này là sự pha trộn của ít nhất 6-9 sophoza ưa nước khác nhau. Chủng C.bogoriensis sản xuất ra glucolipit trong đó sophoza liên kết với docosanoic axit diacetate. Sophozalipt đ−ợc sản xuất từ T.petrophilum trên cơ
chất không hoà tan với n−ớc nh− alkan hay dầu thực vật.
Hiện nay, Công ty Kao Chermicalcoopertion ở Hàn Quốc đang sử dụng Sophoroselipit làm chất tạo ẩm cho hãng mỹ phẩm tên hiệu Sofina.
Glucolipit có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của n−ớc từ 72m/v/m tới giá trị trong khoảng từ 25-45m/v/m.
Bảng1.2.1.b. ảnh hưởng của Glycolipit thô đối với sức căng bề mặt của nước Glucolipit Sức căng bề mặt tối thiểu (mN/m)
Lactonic sophozalipit 35
Dodecyl sophoza 30
MELs 28 Trehalozalipit 26 Rhamnozalipit 25
Nhũ t−ơng 44
35 H×nh 1.2.1. CÊu tróc mét sè glycolipit
a- rhamnozalipit , b- của Trehalozalipi, c-Sophozalipit, d- Mannosylerithritol lipit
O R2O
R3O
R4OCH2 OR1
H O
OH OH
OH
R1, R2 = Fatty acids MEL A: R3, R4 = Acetyl MEL AB: R3= H, R4= Acetyl MEL B: R3= Acetyl, R4=H MEL D: structure not elucidated
a b
c d
1.2.1.2 Lipopeptit và lipoprotein.
Một số l−ợng lớn lipopeptit dạng mạch vòng bao gồm cả các kháng sinh decapeptit (gramicidin) và kháng sinh lipopeptit (polymyxin) đ−ợc sản xuất bởi Bacillus brevis và B.
polymyxa (Suzuki và cs, 1965) có hoạt tính bề mặt. Lipit có chứa ornithine từ P.
rubescens và Thiobacillus thioxidans, hoặc cerilipin – lipit có chứa ornithine- và taurine- từ Gluconobacter cerinus IFO 3267, lipit có chứa lysine từ Agrobacterium tumefaciens IFO 3058 có thể hiện hoạt tính bề mặt rât mạnh. Aminolipit từ Serratia marcescens NS 38 có tên là serratamolide có khả năng làm tăng tính −a n−ớc của tế bào bằng cách ngăn chặn những vị trí kỵ n−ớc trên thành tế bào. Lipopeptit surfactin mạch vòng từ B.subtilis ATCC 21332 là một trong những chất hoạt động bề mặt mạnh nhất. Nó có thể làm giảm sức căng bề mặt từ 72 đến 27.9 mN/m tại nồng độ 0.005%. Chất bề mặt BL-86 từ chủng B.
licheniformis 86 có khả năng giảm sức căng bề mặt xuồng 27mN/m, ngoài ra còn có khả
năng làm vỡ tế bào hồng cầu của động vật có vú tạo spheroplast, đặc tính này đ−ợc sử dụng để phát hiện việc sinh ra surfactin qua sự hemolysis trên môi trường blood agar 1.2.1. 3. Axit béo, photpholipit và lipit trung tính .
Một số vi khuẩn và nấm men sản xuất ra một l−ợng lớn axit béo và photpholipit bề mặt khi nuôi trên môi tr−ờng có n-alkanes (Cirigliano và Carman, 1984; Cooper và cs, 1978). Chủng vi khuẩn Acinetobacter sp. HO1-N sinh phophatidylethanolamine, tạo thành hạt nhũ t−ơng rất rõ trong hệ dịch alkane trong n−ớc. Một số chủng Aspergillus spp., Thiobacillus thiooxidans, Arthobacter AK-19, P. aeroginosa 44T1 có khả tạo ra 40- 80% (w/w) lipit loại này khi nuôi trên môi tr−ờng có hexandexan hoặc dầu o-liu t−ơng ứng. Phophatidylethanolamine của chủng Rhodococcus erythropolis có khả năng làm giảm sức căng giữa pha của hệ nước và hexandecan đến dưới 1mN/m và CMC có giá trị là 30mg/L (Kretschmer và cs, 1982).
1.2.1.4. Chất bề mặt sinh học polymer.
Những điển hình về chất bề mặt sinh học polymer là emulsan, liposan, mannoprotein và phức chất polysaccharide – protein. Chủng Acinetobacter calcoaceticus RAG-1 sinh ra chất nhũ tương hoá sinh học emulsan có cấu tạo polysaccharide dị hình đa anion, trong đó axit béo đ−ợc gắn trên sống mạch polysaccharide dị hình bởi mối liên kết o- ester ( Rosenberg và cs, 1988). Emulsan là chất gây nhũ t−ơng hữu hiệu hydrocarbon trong n−ớc tại nồng độ 0.001-0.01%. Đây là một trong chất ổn định nhũ tương mạnh nhất được biết
đến hiện nay, thậm chí nay cả khi tỷ lệ nước- dầu là 1:4. Các polymer chất bề mặt sinh học khác đ−ợc biết là biospersan đ−ợc sản xuât bởi A. calcoaceticus A2, alasan- một loại polysaccharide dị hình có tính anion có chứa alanin đ−ợc sinh ra bởi A. radioresistens KA-53. Lyposan là chất nhũ t−ơng hoá tan trong n−ớc sinh ra bởi Candida lipolytica (Cirigliano và Carman, 1984) có thành phần 17% protein và 83% cacbonhydrat (polysaccharide dị hình cấu tạo từ glucoza, galatoza, galactosamine và axit galacturonic).
37 Sar và Rosenberg chứng minh rằng một mình polysaccharide không có khả năng nhũ t−ơng hoá, nh−ng khi kết hợp với một số protein sinh ra trong quá trình phát triển trên ethanol thì tạo ra chất nhũ t−ơng hoá rất hiệu quả (Sar và Rosenberg, 1983).
Những chất bề mặt sinh học polymer khác đ−ợc biết đến là mannoprotein từ Saccharomyces cerevisiae (Cameron và cs, 1988), phức chất mannan-protein từ Candida tropicalis (Kappeli et al., 1984), peptidoglycolipid từ P. aeroginosa P-20 (Koronelli và cs , 1983).
1.2.1.5. Chất bề mặt sinh học dạng hạt.
Một số tế bào vi sinh vật khi sử dụng alkan có khả năng hình thành các túi ngoại bào dạng màng ngăn cách hydrocacbon để tạo vi huyền phù. Các túi do Acinetobacter sp.
HO1-N với kích th−ớc 20-50nm đ−ợc cấu tạo từ protein, photpholipit và liposaccharide (Kappeli và Finnerty, 1979). Các túi dạng màng này chứa gấp 5 lần phopholipit và khoảng 350 lần polysaccharide so với màng tế bào của vi sinh vật cùng loại. Chất bề mặt sinh học dạng hạt này có vai trò phân giải hydrocacbon.
Ngoài ra một số vi sinh vật khác nh− vi sinh vật gây bệnh có một số thành phần trên bề mặt tế bào cũng đựơc coi nh− chất bề mặt sinh học dạng hạt nh− M protein và axit lipoteichoic của nhóm streptococci A, protein A của Staphylococcus aureus, lớp A của Aeromonas salmonicida, prodigiosin của Seratia spp., hoặc gramicidin trong bào tử Bacillus brevis, diềm tua mỏng trong tr−ờng hợp của A. calcoaceticus RAG-1 (Banat và cs, 2000).