《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Production of biosurfactant from
Bacillus sp. and its application in sustainable detergent formulations
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可持续生物表面活性剂生产及协同增效研究。通过优化Bacillus subtilis IS-5菌株的发酵条件（pH8.0，40℃，7%甘油，5天），获得浓度达2.33±0.4 g/L的脂肽类生物表面活性剂（BS），其表面活性显著降低水表面张力至26.32±0.6 mN/m。BS单独去油效率53.57%±1.6%，与商用洗涤剂协同增效至85.8%±0.6%。证实BS具有非植物毒性和可生物降解性，为环保型洗涤剂开发提供新策略。
Dheepak Ravichandran | Smrity Sonbhadra | Lalit M. Pandey
生物界面与环境工程实验室，生物科学与生物工程系，印度古瓦哈提理工学院，阿萨姆邦 781039，印度
摘要
可持续的替代品至关重要，因为合成表面活性剂和助剂会加剧水生生态系统的富营养化。本研究探讨了来自海洋分离株Bacillus subtilis IS-5的生物表面活性剂（BS）作为一种环保替代品。最佳工艺参数为：pH 8、40°C、7%（w/v）甘油以及5天的培养时间。在优化条件下，生物反应器中的生产量达到了2.33±0.4 g/L的BS浓度。所生产的BS被鉴定为脂肽类物质，其降低了水的表面张力（从72.15±0.8 mN/m降至26.32±0.6 mN/m），并增加了表面能（从30 mJ m?2升至33 mJ m?2），这对于洗涤剂行业来说是一个关键特性。进一步优化了用于油污清洗实验的主要因素，包括BS浓度、pH值、搅拌器转速、温度和清洗时间。在BS浓度为2 g/L、pH值为7、温度为50°C、搅拌速率为150 rpm以及清洗时间为40分钟的情况下，实现了最高的油污去除效率（53.57±1.6%）。虽然BS的清洗动力学较商业洗涤剂（CD）慢，但与CD的协同作用使整体清洗效率提高了85.8±0.6%。此外，BS还促进了种子发芽，证实了其无植物毒性，并且具有生物降解性。这些发现凸显了BS作为可持续且高效洗涤剂成分的潜力。
引言
家庭、农业和工业废水的排放导致水环境污染，其中传统洗涤剂中的污染物是这一问题的主要来源。洗涤剂主要由表面活性剂组成，而这些表面活性剂大多为化学合成，生物降解性较低[1]。当这些物质进入水生系统后，会引发富营养化，促进藻类过度生长，从而导致海洋生物死亡和生物多样性下降[2]。此外，表面活性剂的不完全降解还会在河流中产生大量泡沫，产生包括毒性在内的不良影响[3]。因此，迫切需要寻找化学表面活性剂的环保天然替代品。
近年来，源自微生物的生物表面活性剂（BS）相比传统化学表面活性剂受到了越来越多的关注。这些天然存在的两亲分子同时具有亲水头部和疏水尾部[4]。亲水部分由碳水化合物、蛋白质或脂肪酸组成，能与水分子（极性物质）相互作用；疏水尾部通常由脂肪酸构成，能与油脂（非极性物质）相互作用。当BS浓度达到一定阈值（即临界胶束浓度CMC）时，它们会自组装形成胶束。遇到污垢颗粒时，这些胶束会将其包裹并分散到溶液中，从而实现清洗效果[5]。与化学表面活性剂相比，BS具有较低的CMC、优异的生物降解性和生物相容性，使其在各种应用中更加安全和可持续。此外，BS还具有抗菌特性，这进一步提升了其在消费品中的吸引力[6]。2023年，BS市场的收入达到了26亿美元，增长率超过8%。预计到那时BS的年产量将达到540吨[7]。由于原始BS不能直接使用，需要按特定比例与其他成分混合配制才能制成洗涤剂[2]。一项研究表明，基于鼠李糖脂的洗涤剂在优化工艺参数后实现了32%的油污去除率[8]；另一项研究则发现，加入表面活性剂、助剂和填充剂的配方可达到33%的油污去除率，与商业洗涤剂（CD）结合使用时这一比例可提升至45%[9]。还有研究指出，由
Bacillus subtilis DM-03产生的环状脂肽BS显著增强了CD的洗涤效果，使棉纺织品的油污去除率提高了9–14%[10]。
此外，来自可再生生物来源（尤其是植物）的生物表面活性剂已被证明能够以环境友好的方式有效去除油污和有毒有机污染物（如苯并噻唑和苯并三唑衍生物）[11]。例如，烷基聚葡萄糖苷（APG）表面活性剂Triton CG-110与1-十二醇在盐水系统中配合使用时，经过配方优化后实现了82%的油污去除率，这归因于盐度引起的纳米结构重组[12]。同样，从
Furcraea属植物中提取的皂苷也表现出超过90%的油污去除效率，这得益于其表面活性次级代谢产物的存在[13]。这些皂苷的两亲分子结构使其具备出色的清洁和除油性能[13]。
尽管BS具有多种优势，但其生产成本约为每千克20–25美元，而合成表面活性剂的售价仅为每千克1–3美元[14]。原料成本占总生产成本的约30%，纯化成本则占60–80%[15]。因此，只有当原材料和工艺成本降低时，通过微生物发酵生产BS才能真正替代合成表面活性剂[16]。另一个挑战是BS的产率较低，这需要优化培养条件[17]。为解决这一问题并提升BS的商业可行性，研究人员正在积极探索参数优化策略、使用低成本原料以及开发高效的发酵和纯化工艺。另一个关键考虑因素是BS在各种物理条件（如pH值）下的稳定性及其耐高温清洗的能力[18]。目前，具有稳定性的环保替代洗涤剂非常有限，据我们所知尚未有产品投入商业应用。
本研究旨在研究新分离的Bacillus subtilis IS-5菌株以提高BS的产量，并探索其在洗涤剂配方中的应用。同时评估了BS在不同环境条件下的稳定性及其抗菌性能。为了提升BS作为洗涤剂的效果，采用单因素逐步优化（OFAT）方法调整了工艺参数。此外，还评估了BS与CD结合时的潜在协同效应，并进行了生物降解性和植物毒性研究，以确保配方的环境安全性，从而推动可持续、环保洗涤剂替代品的开发。
微生物
本研究使用了由我们研究小组从海洋水中分离出的革兰氏阳性细菌B. subtilis IS-5。甘油储备液制备后储存在-80°C以备后续使用。
化学物质和试剂
所使用的培养基包括Bushnell Haas (BH) 培养基（M350）、Luria Bertani (LB) 培养基（M1245）、琼脂粉（GRM026）、Mueller-Hinton 琼脂（MHA）（M1084）、十二烷基硫酸钠（GRM205）和氯化钠（GRM031），均购自印度HiMedia公司。还使用了重质石蜡油、甲醇和乙醇等试剂。
对B. subtilis
IS-5 BS生产能力的筛选测试
采用最常用的筛选方法——油置换法和乳化指数[29]，评估了B. subtilis IS-5菌株的BS生产能力。油置换法能够反映富含BS的细菌上清液的界面活性，这种活性可降低表面张力，有助于油滴在水相中的分散。
结论
通过多种筛选测试，研究了新分离的B. subtilis IS-5菌株的BS生产潜力。采用单因素逐步优化（OFAT）方法得出了最佳工艺参数（pH 8、40°C、以甘油为碳源、培养5天），从而实现了2.33±0.4 g/L的BS高产量。进一步表征表明，该BS能够将自来水的表面张力从72.2±0.8 mN/m降至28.5±0.3 mN/m，并改善了水的接触角。
未引用的参考文献
[20], [33], [19]
CRediT作者贡献声明
Dheepak Ravichandran： 起草初稿、验证、方法学设计、实验实施及数据分析。
Smrity Sonbhadra： 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验实施及数据分析。
Lalit M. Pandey： ……（信息不完整，原文未提供具体贡献内容）
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢印度政府的教育部提供的总理研究奖学金。同时感谢
印度古瓦哈提理工学院的中央仪器设施（CIF）和部门中央仪器设施（DCIF）为分析研究提供的支持。
