《ChemBioEng Reviews》：Advancements and Challenges in the Production of Biosurfactants: A Path Toward Sustainable Surfactant Alternatives
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这篇综述系统梳理了生物表面活性剂（BSs）作为可持续表面活性剂替代品的最新进展与挑战。文章详细阐述了BSs的微生物来源、多样化生产策略（包括发酵优化、遗传工程和CRISPR-Cas9技术）、生命周期评估（LCA）以及经济环境效益，并指出通过利用工农业废弃物作为低成本底物和先进生物技术是降低其生产成本、推动商业化应用的关键路径。
生物表面活性剂（Biosurfactants, BSs）是一类由微生物（如细菌、酵母和丝状真菌）产生的具有表面活性的两亲化合物。与传统化学表面活性剂相比，BSs具有可生物降解、低毒性和环境友好等突出优点，在个人护理、环境修复、食品医药等众多领域展现出广阔的应用前景。然而，其高昂的生产成本仍是制约其大规模商业化应用的主要瓶颈。
生物表面活性剂的生产与经济挑战
BSs的市场价格远高于化学表面活性剂，例如，最易得的微生物BSs——槐糖脂（Sophorolipids, SLs）的市场价格约为25美元/千克，而化学表面活性剂的成本仅为1-3美元/千克。鼠李糖脂和表面活性素（Surfactin）的最低售价分别不应低于60美元/千克和840美元/千克。全球BSs市场在2019年已超过15亿美元，并预计在2026年达到25亿美元，但其在全球表面活性剂市场中仍只占很小份额。生产成本高的原因主要包括原料成本（约占50%）、下游加工处理成本（可占总成本的10-80%）、以及低产品浓度和发酵过程中的泡沫稳定等问题。解决这些挑战的策略包括选育高效菌株、优化培养基组成、利用免费的农业和工业废弃物作为底物，以及开发经济高效的下游加工技术。
环境与健康影响
合成表面活性剂对水生生物（如鱼类和贝类）具有毒性，会影响酶的活性，并可能在水环境中持久存在，对生态系统健康构成威胁。未经处理或初步处理的含表面活性剂废水排放会对环境造成显著影响。相比之下，BSs通常具有更好的生物降解性和更低的生态毒性，在制药、宠物和农业领域能保证安全使用和处置。生命周期评估（LCA）是评估BSs生产全过程环境影响的有效工具，研究表明BSs相较于合成表面活性剂具有更小的环境足迹。利用废弃物（如废弃食用油）作为底物生产BSs可以进一步降低其环境影响。
生物表面活性剂的来源与微生物
能产生BSs的微生物分布广泛，存在于各种环境中，包括土壤、沉积物、水体和油藏等。常见的BSs生产菌包括假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）、红球菌属（Rhodococcus）和酵母菌如假丝酵母属（Candida）。BSs可根据分子量分为低分子量（如糖脂、脂肽）和高分子量（如脂蛋白、多糖）两类。许多工业废弃物，如动物脂肪、皂料、玉米浆、糖蜜和淀粉废料等，均可作为低成本原料用于BSs的大规模生产。
基于各种底物的生物表面活性剂生产
底物的选择直接影响微生物的生长和BSs的产量及结构。利用工农业废弃物作为底物是降低生产成本的有效途径。例如，乳清废弃物可用于乳酸菌生产BSs；厨房废油（KWO）可作为铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）生产鼠李糖脂的廉价碳源；啤酒酿造废料（如酒花糟）可作为芽孢杆菌生产表面活性素的碳源；农业废弃物（如甘蔗渣、香蕉皮）也显示出作为BSs生产底物的潜力。固态发酵（SSF）和液态发酵（SmF）是两种主要的生产方式，SSF因其用水量少、能耗低、可使用廉价底物等优点而显示出成本优势。
生物表面活性剂的生产策略
提高BSs产量的策略多种多样：
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发酵优化：通过调整培养基组成（碳源、氮源）、pH、温度、通气量等参数来优化发酵过程。响应面法（RSM）、人工神经网络-遗传算法（ANN-GA）等统计和人工智能方法被用于培养基和工艺条件的优化。
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遗传修饰：通过诱变（如紫外线、化学诱变剂）或现代基因编辑技术（如CRISPR-Cas9）对生产菌株进行改造，可以敲除抑制基因、过表达关键酶、引入异源合成途径，从而显著提高BSs的产量和效率。例如，利用CRISPR-Cas9技术改造芽孢杆菌和假单胞菌，已成功提高了表面活性素和鼠李糖脂的产量。
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代谢工程：通过调控微生物的代谢通路，将代谢流导向目标产物的合成。这包括增加前体供应、提高限速酶活性、减少竞争途径消耗等策略。
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组学技术应用：基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术有助于全面了解BSs的生物合成机制，识别关键基因和调控节点，为理性设计高产菌株提供指导。
挑战与未来展望
尽管BSs优势明显，但其大规模生产仍面临挑战：生产成本需进一步降低以实现与合成表面活性剂的成本竞争；生产过程的放大和产品质量的稳定性需要解决；需要探索更多样、更廉价的底物来源；产品的稳定性和保质期也需要关注。未来的研究将集中于开发更高效的菌株、优化生物工艺、整合废弃物资源化利用以及进行全面的生命周期可持续性评估（LCSA）。随着环保意识的增强和法规的收紧，BSs作为可持续表面活性剂替代品的潜力巨大，通过持续的技术创新和多学科合作，有望在未来实现更广泛的应用。
