Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Một nhóm nghiên cứu quốc tế vừa công bố tổng quan toàn diện về chất hoạt động bề mặt sinh học (biosurfactant — tiếng Anh: biosurfactant), trong đó đánh giá tiềm năng ứng dụng của nhóm hợp chất này như một giải pháp thay thế bền vững cho các chất hoạt động bề mặt tổng hợp hiện đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Biosurfactant là gì?

Biosurfactant là các hợp chất lưỡng thân (amphiphilic) được tổng hợp bởi vi sinh vật từ nguyên liệu tái tạo. Nhờ khả năng làm giảm sức căng bề mặt giữa các pha lỏng hoặc giữa lỏng và rắn, chúng có thể thay thế các chất hoạt động bề mặt có nguồn gốc dầu mỏ — vốn khó phân hủy sinh học và có độc tính với hệ sinh thái thủy sinh và trên cạn.

Nhóm tác giả phân loại biosurfactant theo khối lượng phân tử thành hai nhóm chính. Nhóm khối lượng phân tử thấp, tiêu biểu là glycolipid và lipopeptide, có hiệu quả cao trong việc giảm sức căng bề mặt và nhũ hóa. Nhóm khối lượng phân tử cao, như emulsan và liposan, có cấu trúc polyme phức tạp, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền nhũ tương lâu dài.

Sản xuất từ chất thải

Một điểm nổi bật của tổng quan này là hướng tận dụng chất thải công nghiệp và nông nghiệp làm nguyên liệu lên men. Các vi sinh vật như Pseudomonas, Bacillus, Candida và Lactobacillus có thể chuyển hóa dầu ăn thải, bã công nghiệp thực phẩm và nước thải chứa lipid thành biosurfactant có giá trị.

Cơ chế gồm ba giai đoạn chính: vi sinh vật phân giải dầu thải thành glycerol và axit béo tự do; hai sản phẩm này đi vào các con đường sinh tổng hợp song song để tạo ra đường rhamnose và các đơn vị lipid; sau đó enzyme rhamnosyltransferase ghép nối hai thành phần này tạo thành rhamnolipid — một trong những biosurfactant được nghiên cứu nhiều nhất.

Về hiệu suất, Candida bombicola nuôi cấy trên dầu chiên thải đạt sản lượng lên tới 221,9 g/L sophorolipid, trong khi Enterobacter sp. UJS-RC nuôi cấy trên dịch ngô đạt sản lượng 4,4 g/L rhamnolipid với chỉ số nhũ hóa 75%.

Ứng dụng đa lĩnh vực

Bài tổng quan ghi nhận biosurfactant có phổ ứng dụng rộng. Trong xử lý môi trường, rhamnolipid từ Pseudomonas aeruginosa SR17 phân hủy tới 86% tổng lượng hydrocarbon dầu mỏ trong đất ô nhiễm sau sáu tháng xử lý, hiệu quả cao hơn chất tẩy rửa tổng hợp sodium dodecyl sulphate (SDS) thường dùng. Lipopeptide từ Bacillus có khả năng tách loại kẽm và chì trong đất axit, hỗ trợ quá trình phục hồi đất ô nhiễm kim loại nặng.

Trong nông nghiệp, rhamnolipid giúp cải thiện môi trường vùng rễ cây bông trên đất mặn sa mạc, tăng sinh trưởng 3,3–9%, đồng thời có tác dụng kháng nấm đối với nhiều tác nhân gây bệnh cây trồng. Trong công nghiệp thực phẩm, mannosylerythritol lipid-A (MEL-A) cải thiện tính chất lưu biến của bột nhào đông lạnh và tạo cấu trúc bánh mì đồng đều hơn. Trong y dược, surfactin và fengycin từ Bacillus subtilis đang được nghiên cứu như tá dược vaccine và tác nhân chống ung thư, trong khi sophorolipid cho thấy hoạt tính kháng HIV, virus cúm và Epstein-Barr.

Trong công nghiệp khai thác dầu, biosurfactant có khả năng hoạt động ổn định ở nhiệt độ lên tới 100°C và trong môi trường nước mặn, giúp thu hồi dầu tồn dư sau bơm ép nước hiệu quả hơn so với chất hoạt động bề mặt thông thường.

Rào cản thương mại hóa

Dù tiềm năng lớn, biosurfactant vẫn đối mặt với một số trở ngại để mở rộng quy mô công nghiệp. Chi phí sản xuất cao do quá trình lên men phức tạp và chi phí tinh chế sản phẩm lớn là thách thức hàng đầu. Chất lượng nguyên liệu đầu vào không đồng đất — đặc biệt với chất thải nông nghiệp — ảnh hưởng đến tính ổn định của quá trình sản xuất. Về mặt pháp lý, các cơ quan như FDA (Mỹ) và EMA (châu Âu) yêu cầu kiểm tra độc tính và tạp chất vi sinh đối với biosurfactant dùng trong dược phẩm và thực phẩm, làm chậm quá trình phê duyệt.

Các hướng nghiên cứu đang được theo đuổi gồm kỹ thuật di truyền chủng vi sinh vật để tăng năng suất, thiết kế hệ thống lên men liên tục kết hợp theo dõi thời gian thực, và ứng dụng mô hình hóa chuyển hóa hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo. Đánh giá vòng đời sản phẩm (life cycle assessment — LCA) cũng đang được tích hợp vào thiết kế quy trình để tối ưu hóa hiệu quả môi trường.

Hiện có khoảng 15 công ty trên thế giới đang thương mại hóa biosurfactant, bao gồm BASF, Evonik Industries và Givaudan, cho các ứng dụng từ chất tẩy rửa đến mỹ phẩm và xử lý môi trường.

Bài tổng quan được công bố trên tạp chí Discover Applied Sciences (Springer Nature), tháng 10/2025, DOI: 10.1007/s42452-025-07603-z