Biyosürfektanlar ve Kullanım Alanları

Yrd. Doç. Dr. Gökhan KAVAS Öğr. Gör. Nazan KAVAS 1 Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi, Süt Teknolojisi Bölümü. Bornova-İzmir. 2 Ege Üniversitesi Ege Meslek Yüksekokulu ,Süt ve Ürünleri Teknolojisi. Bornova-İzmir

Sürfektan maddeler, suyun yüzey gerilimini azaltan ampilik bileşikler olarak tanımlanmakta ve yüzey gerilimini düşürmesi nedeniyle "yüzey aktif" maddeler olarak da ifade edilmektedir (Desai ve Banat. 1997). Bunun yanında sürfektanlar; farklı yüzeyleri bir araya getiren özellik göstermekte, kimyasal yollarla ya da mikrobiyolojik yollarla üretilebilmektedir. Hidrofilik bir baş ve hidrofobik bir kuyruktan oluşan sürfaktan molekülleri, hava ile suyun birleştiği yerde yoğunlaşmaktadır. Biyosürfektanların, yağ, karbonhidrat ve hidrokarbonları, aynı zamanda bunların karışımlarını karbon kaynağı olarak kullanan aerobik mikroorganizmalar tarafından üretilebilmektedir. Bir başka ifade ile mikroorganizmalar tarafından üretilen sürfektan bileşikleri çoğunlukla oksijenli ortam koşullarında sentezlenmektedir (Uysal ve Türkman 2004). Genel bir ifade ile biyosürfektanlar; aminoasit, fosfat, karboksilat, karbonhidrat, peptid veya alkolden oluşmuş hidrofilik (polar) bir kısım ile, uzun zincirli yağ asitleri, hidroksi yağ asitleri veya ?-alkil, ß-hidroksi yağ asitlerinden oluşmuş hidrofobik (non-polar) kısım içeren ve mikrobiyal hücre yüzeylerinde bulunan ya da hücre dışına salınan, katı, sıvı ve gaz moleküller arasında yüzey ve iç yüzey gerilimini azaltan amfilik bileşikler olarak tanımlanmaktadır (Makkar ve Cameotra 2002; Van Dyke ve Trevors 1991).Biyosürfektanlar bazı durumlarda sentetik sürfektanlardan farklı olarak yüzey aktif özellikler göstermeleri ve bu özelliği ile endüstriyel uygulamalara uyumlu olmaları, ayrıca biyosürfektanların diğer sürfektanlara göre özel uygulamalar için çok daha etkili olması ve bunlara ilaveten non-toksik ve biyolojik olarak parçalanabilir özellikte bulunmaları nedeniyle sentetik sürfektanlara göre daha avantajlı olmaktadırlar. Günümüzde Biyosürfektan uygulamaları özellikle fermentasyon teknolojisinde yaygın şekilde kullanılmakla birlikte, başta bitkisel yağlar, gıda sanayinde atıklar (özellikle süt sanayisindeki atıklar) gibi yenilebilir kaynaklardan üretilmeleri nedeniyle ekonomik özellikte olmaktadırlar. Biyosürfektanların glikolipidler, lipopeptidler, yağ asitleri gibi yapısal farklılıkları, düşük toksisiteleri, biyolojik olarak parçalanabilmeleri nedeniyle endüstride yaygın şekilde kullanıldıkları görülmektedir (Makkar, ve Cameotra, 2002, Rodrigues ve ark.2006).Mikroorganizmalar farklı yapıda ve moleküler ağırlıkta biyosürfektan sentezleme kabiliyetine sahiptir. Mikrobiyal sürfektanlar, kimyasal kompozisyonlarına ve mikrobiyal orjinlerine göre kategorize edilmekte, düşük molekül ağırlıklı biyosürfektan molekülleri glikolipit yapısında, yüksek molekül ağırlıklı biyosürfektan molekülleri ise kovalent bağlarla bağlanmış hidrofobik zincirler içermektedir. Bunun yanında mikolik asit, polisakkarit, glikolipit, lipit, lipopeptit, fosfolipit veya mikroorganizmaların hücre yüzeylerinin kendisi de biyosürfektan yapısında olabilmektedir. Pseudomonas aeruginosa tarafından üretilen Rhamnolipidler, Bacillus subtilis tarafından üretilen surfaktin, Acinetobacter calcoaceticus tarafından üretilen emulsan ve Candida bombicola tarafından üretilen sophorolipidler mikrobiyal kaynaklı sürfektanlara örnek olarak verilebilmektedir. Bazı mikroorgaizmalar tarafından sentezlenen biyosürfektanlar Çielge 1’ de verilmiştir (Nitschke 2007). Biyosürfektanlar içerdikleri gruplara göre glikolipidler, lipopeptitler, lipoproteinler, fosfolipidler, polimerik ve partiküllü biyosürfektanlar olarak sınıflandırılmaktadır. Sulu çözeltilerde konsantrasyona bağlı olarak biyosürfektan birimleri misel, silindirik, tekli ya da çift tabaka gibi farklı şekillerde bulunabilmektedir (Şekil 1). (Desai ve Desai 1993). Biyosürfektanlar, moleküler karakteristikleri doğrultusunda farklı uygulama alanlarına sahip mikrobiyal bileşiklerdir (Mulligan, 2005). Şekil 1. Biyosürfektan moleküllerinin farklı modelleri (Desai J.D ve Desai A. J. 1993;Yalçın ,2008) Çizelge 1. Mikrobiyal orjinli sürfektanlar ve sentezlendiği mikroorganizmalar ( Deleu ve Paquot, 2004 ;Desai ve Banat, 1997; Rosenberg and Ron, 1999) Sürfektan türü Mikroorganizma Glikolipidler Ramnolipid Pseudomonas aeruginosa Trehaloz lipid Rhodococcus erithropolis, Arthobacter sp. Soforolipid Candida bombicola, Candida apicola Mannosileritritol lipidler Candida antartica Lipopeptidler Surfaktin/iturin/fengisin Bacillus subtilis Viskosin Pseudomonas fluorescens Lichensin Bacillus licheniformis Serrawettin Serratia marcescens Polimiksin Bacillus polymyxa Fosfolipidler Acinetobacter sp., Corynebacterium lepus Yağ asitler ve nötral yağlar Korinomikolik asit Corynebacterium insidibasseosum Polimerik sürfektanlar Emulsan Acinetobacter calcoaceticus Alasan Acinetobacter radioresistens Liposan Candida lipolytica Lipomanan Candida tropicalis Partiküler biyosürfektanlar Vezikül Acinetobacter calcoaceticus Biyosürfektanlar mikrobiyal orjinlerine göre, bakteriyel sürfektanlar, maya sürfektanları ve fungal sürfektanlar olarak sınıflandırılmaktadırlar. Bakteriyel biyosürfektanlar, Bacillus ve Pseudomonas ‘lar tarafından üretilen ramnolipidler, trehaloz lipidler, aminoasit içeren lipidler ve hidrofobik proteinlerdir. Maya biyosürfektanları, Candida, Endomycopsis ve Torulopsis gibi cinslerden elde edilen mannosileritritol lipidler ve soforoz lipidleri kapsamaktadır (Desai ve Desai, 1993). Biyosürfektanlar emülsifiye edici, seyreltici, ıslatma, köpürtme, dispersiyon, paslandırmayı önleme ve akışkanlığı azaltma, deterjan ve gıdalarda işlevsel özellik göstermeleri gibi özelliklerinden dolayı petrol, petrokimya, çevre korunması, ilaç, kozmetik, kişisel bakım ürünleri, gıda-içecek sanayi, tarım uygulamaları, madencilik, seramik, inşaat sektörü, boya sanayi, metal endüstrisi ve deri işletmesi gibi birçok alanda kullanılabilmektedir (Çizelge 2). Biyosürfektanlar sentetik sürfektanlara göre özellikle çevre kirliliğine karşı kullanılmakta, bununla birlikte terapotik, farmakalojik ve biyomedikal alanlarda da önemli bir ajan olarak uygulanmaktadır. Çizelge 3’ te biyomedikal uygulamaları özetlenmiştir. Çizelge 2. Biyosürfektanların uygulama alanları ve uygulama şekilleri ( Kosaric,1992) Biyosürfektanların Uygulama Alanı Biyosürfektanların Uygulama şekli Metal Endüstrisi Levha kaplamalar Köpüklenme-ıslatma Biçimlendirme Korozyon inhibisyonu Paslanma Emülsifikasyon Petrol sanayii Rafine ürünler Geri kazanımTekstil Endüstrisi Boyama Basma İplikTarımsal uygulamalar Gübreleme ArındırmaGıda endüstrisi Yağlar Bitkiler Meyve ve sebzeler Ekmek EmülsifikasyonDegredasyonIslatmaYumuşatmaYağlamaEmülsifikasyonKorumaGidermeStabilizasyonKatkı maddesiKıvam ayarlamaKorumaRaf ömrünü uzatma Çizelge 3. Farklı mikroorganizmalardan üretilen farklı biyosürfektanların biyomedikal uygulamaları Sentezleyen Mikroorganizma Biyosürfektan Aktivite/Uygulamalar Pseudomonas aeruginosa Ramnolipid -Mycobacterium tuberculosis’e karşı antimikrobiyal aktivite Bacillus subtilis Surfaktin -Antimikrobiyal aktivite- Antifungal aktivite-Hemolitik aktivite-Antitumör aktivite Bacillus subtilis İturin -Antimikrobiyal aktivite -Antifungal aktivite-Hücre membranında iletkenlik artışı Bacillus licheniformis Lichenisin -Antibakteriyel aktivite-Hücre zarı bütünlüğünde bozulma Bacillus pumilus Pumilasidin - HSV’ye karşı antiviral aktivite Rhodococcus erythropolis Trehaloz lipid -HSV ve influenza virusüne karşı antiviral aktivite Streptococcus thermophilus Glikolipid -Mayalarda yüzeye bağlanmada azalma Lactobacillus Surlaktin -Enterik bakterilerde yüzeye bağlanmada azalma Biyosürfektanların biyomedikal uygulamaları üzerine yapılan çalışmalarda, Surfaktin biyosürfektanın fibrin pıhtısının önlenmesi, hemoliz, antitümör, antiviral ve antifungal aktivitesi, iyon kanalları formasyonu ve gastrik ülsere karşı korumada etkili olduğu, lipopeptit yapıdaki bazı biyosürfektanların granülosit-makrofaj kolonilerinin oluşumunu stimüle eden faktörleri arttırdığı, glikolipid yapıdaki bileşiklerin ise enfeksiyon bölgesine ilaç taşınımını kolaylaştırdığı belirlenmiştir (Kitamoto ve ark. 1993; Desai.ve Desai, 1993). Biyosürfektanların gıda endüstrisinde özellikle emülsifiyer, köpürtme, ıslatma ve çözücü, adhezyonu engelleyici ve antimikrobiyal ajan olarak kullanılmaları yaygındır (Desai ve Desai, 1993). Gıda sanayinde emülsifiyer olarak doğal ya da doğal olmayan çok sayıda bileşik kullanılmakta, ancak son yıllarda biyosürfektanların, gıda katkı maddesi olarak gıda endüstrisinde çok sayıda uygulama alanı bulduğu rapor edilmektedir. Son yıllarda biyosürfektanlara olan ilgilin artması ve gıdalarda kullanılabilirliğinin belirlemesi ile ilgili olarak, kıvam ve yoğunluk ayarlamada veya değişik fazların yüzey geriliminin azaltılmasında Candida utilis tarafından üretilen biyosürfektanların yeni ve potansiyel emülsifiyer olarak gıda sektöründe kullanılmaya başladığı tespit edilmiştir (Abalos ve ark. 2001; Shephord ve ark. 1995). Bu tür biyosürfektanların yağ habbelerinin agregasyonunun kontrolü, tekstürün iyileştirilmesi, sıvıların kıvamını ayarlaması, nişasta içeren ürünlerin depolama ömrünü uzatması, yağlı ürünlerin kıvamını ve yoğunluğunu düzenlemesi gibi işlevlerinin olduğu belirtilmektedir.. Fırıncılık ürünlerinde ve dondurma yapımında biyosürfektanlar, konsistensin ayarlanmasında, bayatlamayı geciktirmede ve tat vermek için katılan yağların çözünürlüğünde etkili olmaktadır (Kosaric,2001). Son yıllarda yapılan çalışmalarda peynir altı suyundan Lactobacillus genusuna ait bakteriler ile biyosürfektan madde elde edildiği ifade edilmiştir. Yapılan bir çalışmada Lactobacillus pentosus CECT-4023 suşu ile peynir altı suyundan 1.4 g/L biyosürfektan üretildiği rapor edilmektedir (Hofvendahl ve Hahn-Hagerdal 2000). Biyosürfektanların potansiyel uygulama alanları ile ilgili olarak yapılan çalışmalarda; patojen mikroorganizmaların biyofilm oluşumunu engellediği saptanmıştır. Reid (2000) tarafından yapılan bir çalışmada, Lactobacillus acidophilus suşunun üregenital hücrelere tutunabildiği ve biyosürfektanlar üreterek ürogenital sistem için patojen olan enterokokların tutunmalarını inhibe ettikleri belirlenmiştir. Biyosürfektanların antimikrobiyal özellikleri üzerine yapılan çalışmalarda Bacillus subtilis tarafından sentezlenen lipopeptit yapısında İturin A’nın maya hücre zarında bulunan elektrolitleri serbest bıkarak fosfolipitlerin ayrışmasına ve sitoplazma yapısının bozulmasına neden olduğu tespit edilmiştir (Kim ve ark.1998). B.subtilis tarafından sentezlenen siklik lipopeptit yapısında olan surfaktinler’in hücre zarında iyon kanalları oluşturan, fibrin pıhtı oluşumunu ve siklik adenosin mono fosfat oluşumunu engelleyen, antiviral, antitümör, antibakteriyal, antifungal ve antimikoplazma özelliği gösterdiği belirlenmiştir (Moyne ve ark. 2001). Kaynaklar 1. Abalos, A. Pinazo, M. R. Infante, M. Casals, F. Garcıa and A. Manresa, 2001. Langmuir, 17, 1367 2. Desai, J. D. and I, M. Banat. 1997. Microbial production of surfactants and their commercial potential. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 61;47–64. 3. Desai J. D. and Desai, A. J. 1993. Production of biosurfactants, Biosurfactants: production, properties, applications. Marcel Dekker, Inc., New York,. 4. Hofvendahl K, Hahn-Hagerdal B. 2000. Factors affecting the fermentative lactic acid production from renewable reources. Enzyme and Microbial Technology, 26: 87-107. 5. Kim, K.Jung,SY. Lee,D.K. Jung, JK. Park,. Kim,.K. Lee,C.H. 1998. Biochemical Pharmacology, 55 . 975. 6. Kitamoto,D., Yanagishita,H. Shinbo,T.Nakane,T. Kamisawa,C. Nakahara,T. J. Biotechnol., 29, 91(1993). 7. Kosaric. N.1992, PureAppl Chem., 64, 1731. 8. Makkar, R.S. and Cameotra, S.S., 2002. An update on the use of unconventional substrates for biosurfactant production and their new applications.Appl. Microbiol. Biotechnol., 58; 428–434. 9. Moyne, A.L. Shelby, R. Cleveland,T.E. Tuzun, S. 2001. Journal of Applied Microbiology, 90 . 622, 10. Mulligan,C.N.2005. Environmental Pollutions, 133 183. 11. Nitschke ,M. 2007. Trends in Food Science & TechnologyVolume 18, Issue 5, Pages 252-259 12. Reid, G. 2000. In vitro testing of Lactobacillus acidophilus NCFM™ as a possible probiotic for the urogenital tract. Int. Dairy Journal, 10: 415-419. 13. Rodrigues L.R., Teixeira J.A., Oliveira R., 2006. Biosurfactants: potential applications in medicine Biochemical Engineering Journal, 32; 135–142. Shephord, R. Rockey,J. Shutherland,WRoller,S.1995. Journal of Biotechnol., 40, 207 14. Uysal, A.,Türkman A., 2004, Klorofenollü Bilesiklerin Ayrısabilirliginin Biyosürfektan Kullanımı ile Hızlandırılması, SSKD Cilt 14, 2 , 23-30. 15. Van Dyke,M.I, Lee,H. Trevors J,T., Biotechnology Advances, 9 (1991) 241. 16. Yalçın.E. 2008. Rafineri Atık Sularından İzole Edilen Mikroorganizmalar İle Biyosürfektan Eldesi Ve Hidrokarbon Degredasyonunun Araştırılması.Doktora Tezi. 136 Syf