氨基酸表面活性劑三元復(fù)配體系的應(yīng)用研究

王 石，方兆華，馮小玲，周立武，王德友

(珠海伊斯佳科技股份有限公司，廣東 珠海 519055)

氨基酸表面活性劑具有刺激性和毒性低，易生物降解等優(yōu)點[1,2]，但其應(yīng)用于清潔類產(chǎn)品時，存在增稠困難，添加高分子增稠劑又出現(xiàn)清洗不凈、增加成本等問題。表面活性劑復(fù)配體系通常顯示出優(yōu)于單一表面活性劑的特性[3]，如改善表面活性和穩(wěn)定性，降低刺激性，增加黏度等。SHRESTHA等[4]研究了氨基酸表面活性劑與陽離子表面活性劑的復(fù)配體系，Ghosh等[5]報道了氨基酸表面活性劑與非離子型表面活性劑的復(fù)配體系可形成囊泡和蠕蟲膠束，目前已有研究表明氨基酸/兩性表面活性劑復(fù)配可以形成自增稠體系[6]，但關(guān)于氨基酸/兩性離子表面活性劑/非離子表面活性劑三者間復(fù)配的研究較少。

筆者制備了氨基酸型表面活性劑、兩性表面活性劑和非離子表面活性劑三元復(fù)配體系，考察復(fù)配比、pH對復(fù)配體系黏度、泡沫性能、表面張力和微觀結(jié)構(gòu)的影響，探究復(fù)配體系膠束聚集形態(tài)和形成機理，并將復(fù)配體系應(yīng)用于以氨基酸表面活性劑為主活性成分的透明洗發(fā)香波。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

月桂酰肌氨酸鈉（LS30），工業(yè)級（活性成分30%），廣州天賜高新材料股份有限公司；月桂酰胺丙基甜菜堿(兩性離子表面活性劑，CAB-35），工業(yè)級（活性成分30%），廣州星業(yè)科技股份有限公司；丁二醇月桂酸酯（非離子表面活性劑，BGL），工業(yè)級，日油公司；羥丙基瓜爾膠羥丙基三甲基氯化銨，工業(yè)級，羅地亞集團；聚季銨鹽-10，工業(yè)級，陶氏化學(xué)；凱松，工業(yè)級，上海輕工所；山梨坦辛酸酯，工業(yè)級，科萊恩；氫氧化鈉、檸檬酸、檸檬酸鈉，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；去離子水，實驗室自制。

發(fā)束：選擇天然原色真人頭發(fā)中段，制成長20 cm（可梳理長度）、寬2.5 cm及質(zhì)量為 6.0 g的垂直扁平片狀發(fā)束。

JEM-1400型低溫冷凍透射電鏡，日本電子公司；pHS-3C型pH計，上海儀電科學(xué)儀器有限公司；NDJ-8S（D）轉(zhuǎn)子黏度計，上海精密儀器公司；JK99F型吊環(huán)法表面張力儀，北京中儀科信科技有限公司；MTT175發(fā)束梳理儀，英國戴亞斯特隆公司；GRM-52A羅氏泡沫儀，上海隆拓儀器設(shè)備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 復(fù)配體系制備

電子天平稱取一定配比的表面活性劑樣品于500 mL燒杯中，加入一定量的去離子水并攪拌， NaOH或檸檬酸調(diào)節(jié)pH至所需值時停止攪拌，裝入50 mL試劑瓶并放于25 ℃恒溫箱保存。

1.2.2 黏度測定

樣品放置于25 ℃恒溫箱24 h，測量時將被測樣品放入恒溫控制的測量容器內(nèi)，調(diào)至指定溫度，將所選轉(zhuǎn)子放入測量容器內(nèi)接到轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)子浸在試樣中心，樣品液面在轉(zhuǎn)子液位標(biāo)線，防止轉(zhuǎn)子產(chǎn)生氣泡，然后讀取數(shù)值。

1.2.3 表面張力測定

吊環(huán)法測定樣品表面張力。配制一系列不同濃度的樣品溶液， （20±0.5） ℃下測其表面張力，測3次取平均值。以溶液濃度的對數(shù)為橫坐標(biāo)，以不同濃度下所測得的表面張力（γ）為縱坐標(biāo)作γ-lgc曲線，由曲線計算溶液臨界膠束濃度（cmc）。

1.2.4 低溫冷凍透射電鏡掃描

在25 ℃可控環(huán)境玻璃系統(tǒng)（CEVS）中制備樣品。用微量吸液管吸取樣品涂布于銅質(zhì)柵格中，然后用濾紙擠壓柵格，使樣品在柵格中的小孔中形成薄層，然后用液態(tài)乙烷在-165 ℃急速冷凍后轉(zhuǎn)移至液氮中儲存。將樣品轉(zhuǎn)移至固定器(Gatan 626)中，用低溫冷凍透射電鏡（120 kV）在-174 ℃環(huán)境中拍照，圖片由Gatan多波束掃描CCD記錄并由Digital Micrograph進行處理。

1.2.5 低溫冷凍透射電鏡拍照

在T=90 K下冷凍固定，在T＜110 K，P＜10-2Pa下冷凍斷裂，然后在T＜190 K，P＜10-2Pa下冷凍干燥，在T＜110 K，P＜2×10-4Pa時鍍膜，在T＜150 K，P＜10-2Pa時進行冷凍傳輸，最后在T＜150 K，P＜2×10-4Pa條件下冷凍掃描觀察圖像。

1.2.6 泡沫測定

按照GB/T 7462-1994《表面活性劑發(fā)泡力的測定》進行測量。取2 g樣品放入800 mL燒杯中，加入80 g 標(biāo)準(zhǔn)硬水（硬度為0.342 g /L，以碳酸鈣計）和718 g去離子水，加熱至40 ℃制成樣品溶液，同時打開恒溫水浴器，使水溫穩(wěn)定在40 ℃。依次使用去離子水和樣品溶液潤洗測試管內(nèi)壁3次，潤洗完畢后使活塞處于關(guān)閉狀態(tài)，移取50 mL樣品溶液，使液面與測試管50 mL刻度線平齊，同時避免泡沫產(chǎn)生。用移液管吸取200 mL樣品溶液，移液管放置于固定器，使移液管與測試管的橫切面成90°，迅速完全打開移液管活塞，使樣品溶液豎直自然流下，樣品溶液完全放出后馬上讀出瞬時泡沫高度。重復(fù)以上實驗2次，取平均值。

1.2.7 高低溫穩(wěn)定性測試

參照GB/T 29679-2013 洗發(fā)液、洗發(fā)膏考察洗發(fā)香波配方體系的穩(wěn)定性，分別在（40±1）℃、（-8±2）℃條件下保持24 h，恢復(fù)室溫后觀察有無分層現(xiàn)象。

1.2.8 發(fā)束梳理性測試

將發(fā)束完全浸泡于含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的十二烷基硫酸鈉的發(fā)束清洗液中25 ℃超聲清洗10 min，重復(fù)2次，用自來水沖洗，然后使用儀器進行濕梳處理，反復(fù)測試，最終將該批次發(fā)束濕梳理功恒定于為固定值。濕梳理：潤濕發(fā)束后，用0.5 mL的洗發(fā)香波清洗發(fā)束，沖洗干凈后壓干發(fā)束上多余的水分，然后用梳理儀測試，將0.5 mL的自來水代替洗發(fā)香波做空白對照實驗。干梳理：發(fā)束經(jīng)濕性梳理測試后，將發(fā)束垂直掛于環(huán)境溫度20～25 ℃、濕度40%～60%的房間內(nèi)，自然風(fēng)干24 h后用梳理儀測試。

1.2.9 洗發(fā)香波刺激性評價

1）皮膚斑貼實驗

選擇19～59歲符合人體皮膚斑貼實驗志愿者要求的受試對象30人次，男女各占50%。根據(jù)國家食品藥品監(jiān)督管理總局頒布的《化妝品安全技術(shù)規(guī)范》（2015 年版）中人體皮膚斑貼實驗的基本原則和方法標(biāo)準(zhǔn)記錄結(jié)果。

2）紅細胞溶血實驗

采用紅細胞溶血實驗評估洗發(fā)香波的眼刺激性。計算560 nm處引起50%紅細胞發(fā)生溶血時的受試物質(zhì)量濃度（L50，mg/L）和575、540 nm下的A值比值計算受試物的血紅蛋白變性率（DI），計算2個變量比值L/D（L50/DI）。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)配比對體系黏度的影響

將月桂酰肌氨酸鈉與月桂酰胺丙基甜菜堿以一定質(zhì)量比（6∶4 ～ 9∶1）混合測定復(fù)配體系黏度，實驗結(jié)果見表1。由表1可知，復(fù)配體系黏度受月桂酰胺丙基甜菜堿含量的變化影響較大，隨著月桂酰胺丙基甜菜堿含量減少，黏度也隨之降低；質(zhì)量比為6∶4時黏度較高，可能是因為月桂酰胺丙基甜菜堿比例較高時，二者會產(chǎn)生更強的協(xié)同效應(yīng)。

表1 質(zhì)量比對黏度的影響Tab.1 Effects of the mass ratio of LS30/CAB-35 on viscosity

2.2 丁二醇月桂酸酯添加量對復(fù)配體系黏度和泡沫性能的影響

月桂酰肌氨酸鈉與月桂酰胺丙基甜菜堿以質(zhì)量比6∶4混合，在體系中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～4%（占溶液總質(zhì)量）的丁二醇月桂酸酯測試體系黏度和泡沫高度，結(jié)果見表2。由表2可知，隨著丁二醇月桂酸酯含量增加，黏度逐漸增加，當(dāng)添加量為3%時，黏度達到4 520 mPa·s，添加量超過3%時，黏度穩(wěn)定在4 500 mPa·s左右，因此選丁二醇月桂酸酯添加量為3%；丁二醇月桂酸酯含量變化對復(fù)配體系發(fā)泡性能沒有明顯影響，當(dāng)其添加量超過3%時，發(fā)泡性能略微下降。

表2 丁二醇月桂酸酯添加量對復(fù)配體系黏度的影響Tab.2 Effects of BGL dosage on viscosity

2.3 pH對復(fù)配體系黏度的影響

月桂酰肌氨酸鈉、月桂酰胺丙基甜菜堿與丁二醇月桂酸酯按質(zhì)量比6∶4∶1混合，分別測定pH為4、5、6、7時體系黏度。由實驗結(jié)果可知，pH為4、5、6、7時體系黏度分別為3 730，4 500，4 380，2 460 mPa·s。pH從7降到5，氨基酸表面活性劑帶負電荷基團逐漸減少，導(dǎo)致陰離子分子間排斥力降低，有利于形成更多或更穩(wěn)定的膠束，體系黏度增加；當(dāng)pH小于5時，由于過多的電解質(zhì)使得體系中處于平衡狀態(tài)的膠束結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致體系黏度降低。

2.4 臨界膠束濃度

測定了月桂酰肌氨酸鈉、月桂酰胺丙基甜菜堿、丁二醇月桂酸酯和三元復(fù)配體系（三者質(zhì)量比6∶4∶1）的cmc。由實驗結(jié)果可知，復(fù)配體系cmc為38.7 mg/L，低于單一表面活性劑cmc（月桂酰肌氨酸鈉、月桂酰胺丙基甜菜堿、丁二醇月桂酸酯分別為85.4 ，118.5，175.9 mg/L）。加入丁二醇月桂酸酯后，可能結(jié)構(gòu)相似的非離子表面活性劑分子也可以在界面上吸附，從而減弱了離子表面活性劑分子間的斥力，使表面活性劑聚集數(shù)增加，促使更密集的膠束形態(tài)出現(xiàn)，導(dǎo)致臨界膠束濃度降低。

2.5 微觀結(jié)構(gòu)表征

在pH為6時，制備了LS30與CAB-35質(zhì)量比為6∶4的復(fù)配體系，測得黏度為1 520 mPa·s，制備了LS30、CAB-35與BGL質(zhì)量比為6∶4∶1的三元復(fù)配體系，測得黏度為4 520 mPa·s。用低溫冷凍透射電鏡拍照，掃描電鏡和透射電鏡結(jié)果分別見圖1和圖2。

圖1 復(fù)配體系Cryo-FESEM圖像Fig.1 Cryo-FESEM image of mixed systems

由圖1可知，LS30/CAB-35復(fù)配體系膠束形態(tài)為球狀，成不規(guī)則聚集狀態(tài)，三元復(fù)配體系膠束形態(tài)呈明顯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖2 復(fù)配體系Cryo-TEM圖像 Fig.2 Cryo-TEM image of mixed systems

由圖2可知，LS30/CAB-35復(fù)配體系無蠕蟲狀膠束存在，而三元復(fù)配體系存在蠕蟲狀膠束，且相互交聯(lián)成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此宏觀上體系黏度上升。

2.6 三元復(fù)配體系在氨基酸透明洗發(fā)香波中的應(yīng)用

2.6.1 洗發(fā)香波的制備及穩(wěn)定性

按表3配方制備氨基酸透明洗發(fā)香波。制備工藝：將組分1、3加入燒杯中，攪拌（15 Hz）攪拌3 min，將組分2用適量水分散后在攪拌下加入，攪拌（15 Hz）5 min，依次緩慢加入組分4、5、6，攪拌（15 Hz）5 min均勻后加熱升溫至80 ℃；依次加入組分7、8、9、10保溫攪拌（15 Hz）30 min，停止加熱并開啟降溫，攪拌（15 Hz）下降溫至40～45 ℃時依次加入組分11、12、13，攪拌（15 Hz）10 min至透明均勻即可。按GB/T 29679-2013《洗發(fā)液、洗發(fā)膏》進行產(chǎn)品檢驗，透明洗發(fā)香波理化指標(biāo)、微生物指標(biāo)、衛(wèi)生指標(biāo)均合格，符合透明洗發(fā)香波產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

表3 氨基酸透明洗發(fā)香波配方Tab.3 The formula of transpatent amino acid based shampoo

續(xù)表

經(jīng)過3個月穩(wěn)定性測試，氨基酸透明洗發(fā)香波配方穩(wěn)定性良好，未出現(xiàn)分層等現(xiàn)象。

2.6.2 梳理性測試

對氨基酸透明洗發(fā)香波和市售透明洗發(fā)水進行梳理性測試，測試結(jié)果見表4和表5，樣本量為30。由表4和表5可知，氨基酸透明洗發(fā)香波和市售洗發(fā)水處理發(fā)束前后的干、濕梳理功均有顯著性差異（P＜ 0.05），且氨基酸透明洗發(fā)香波處理后發(fā)束的干、濕梳理功小于市售洗發(fā)水，即氨基酸透明洗發(fā)香波洗后發(fā)束的柔順度明顯優(yōu)于市售洗發(fā)水。

表4 氨基酸透明洗發(fā)香波和市售洗發(fā)水濕梳性對比Tab.4 Comparision of wet combability between transparent shampoo and commercial shampoo

表5 氨基酸透明洗發(fā)香波和市售洗發(fā)水干梳性對比Tab.5 Comparision of dry combability between transparent shampoo and commercial shampoo

2.6.3 刺激性評價

1） 皮膚斑貼實驗

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、5%和10%透明洗發(fā)香波水溶液進行皮膚斑貼實驗，皮膚刺激強度評分標(biāo)準(zhǔn)見表6。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和5%的透明洗發(fā)香波24 h內(nèi)受試區(qū)均未出現(xiàn)水腫和紅斑等刺激性反應(yīng)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的透明洗發(fā)香波24 h內(nèi)受試區(qū)紅斑和水腫平均分值均為0.1，小于0.5，表明洗發(fā)香波在實驗濃度范圍無刺激性。

表6 皮膚刺激強度評分標(biāo)準(zhǔn)Tab.6 Score standard of skin irritation

2） 紅細胞溶血實驗

采用紅細胞溶血實驗代替兔眼刺激性實驗對樣品進行眼刺激性評估，按照表7的刺激性分級標(biāo)準(zhǔn)評估樣品眼刺激性，實驗結(jié)果見表8。由表8可知，制備的透明洗發(fā)香波L/D大于100，說明以氨基酸表面活性劑復(fù)配體系制備的透明洗發(fā)香波溫和，不刺激眼部。

表7 眼刺激性分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.7 Grading standard of eye irritation

表8 紅細胞溶血實驗Tab.8 Results of red blood cell hemolysis test

3 結(jié)論

質(zhì)量比6∶4∶1月桂酰肌氨酸鈉/月桂酰胺丙基甜菜堿/丁二醇月桂酸酯三元復(fù)配體系，pH為6時，形成自增稠體系，黏度達4 520 mPa·s，臨界膠束濃度低于單一表面活性劑。Cro-FESEM、Cryo-TEM圖像表明高黏度的三元復(fù)配體系存在蠕蟲狀膠束且成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，和月桂酰肌氨酸鈉/月桂酰胺丙基甜菜堿復(fù)配體系形成的球狀膠束形態(tài)有明顯區(qū)別，膠束形態(tài)的變化是三元復(fù)配體系黏度提高的主要原因。以月桂酰肌氨酸鈉/月桂酰胺丙基甜菜堿/丁二醇月桂酸酯三元復(fù)配體系制備的氨基酸透明洗發(fā)香波，穩(wěn)定性和梳理性良好，溫和不刺激。