氨基酸表面活性剂三元复配体系的应用研究

王 石，方兆华，冯小玲，周立武，王德友

(珠海伊斯佳科技股份有限公司，广东 珠海 519055)

氨基酸表面活性剂具有刺激性和毒性低，易生物降解等优点[1,2]，但其应用于清洁类产品时，存在增稠困难，添加高分子增稠剂又出现清洗不净、增加成本等问题。表面活性剂复配体系通常显示出优于单一表面活性剂的特性[3]，如改善表面活性和稳定性，降低刺激性，增加黏度等。SHRESTHA等[4]研究了氨基酸表面活性剂与阳离子表面活性剂的复配体系，Ghosh等[5]报道了氨基酸表面活性剂与非离子型表面活性剂的复配体系可形成囊泡和蠕虫胶束，目前已有研究表明氨基酸/两性表面活性剂复配可以形成自增稠体系[6]，但关于氨基酸/两性离子表面活性剂/非离子表面活性剂三者间复配的研究较少。

笔者制备了氨基酸型表面活性剂、两性表面活性剂和非离子表面活性剂三元复配体系，考察复配比、pH对复配体系黏度、泡沫性能、表面张力和微观结构的影响，探究复配体系胶束聚集形态和形成机理，并将复配体系应用于以氨基酸表面活性剂为主活性成分的透明洗发香波。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

月桂酰肌氨酸钠（LS30），工业级（活性成分30%），广州天赐高新材料股份有限公司；月桂酰胺丙基甜菜碱(两性离子表面活性剂，CAB-35），工业级（活性成分30%），广州星业科技股份有限公司；丁二醇月桂酸酯（非离子表面活性剂，BGL），工业级，日油公司；羟丙基瓜尔胶羟丙基三甲基氯化铵，工业级，罗地亚集团；聚季铵盐-10，工业级，陶氏化学；凯松，工业级，上海轻工所；山梨坦辛酸酯，工业级，科莱恩；氢氧化钠、柠檬酸、柠檬酸钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；去离子水，实验室自制。

发束：选择天然原色真人头发中段，制成长20 cm（可梳理长度）、宽2.5 cm及质量为 6.0 g的垂直扁平片状发束。

JEM-1400型低温冷冻透射电镜，日本电子公司；pHS-3C型pH计，上海仪电科学仪器有限公司；NDJ-8S（D）转子黏度计，上海精密仪器公司；JK99F型吊环法表面张力仪，北京中仪科信科技有限公司；MTT175发束梳理仪，英国戴亚斯特隆公司；GRM-52A罗氏泡沫仪，上海隆拓仪器设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 复配体系制备

电子天平称取一定配比的表面活性剂样品于500 mL烧杯中，加入一定量的去离子水并搅拌， NaOH或柠檬酸调节pH至所需值时停止搅拌，装入50 mL试剂瓶并放于25 ℃恒温箱保存。

1.2.2 黏度测定

样品放置于25 ℃恒温箱24 h，测量时将被测样品放入恒温控制的测量容器内，调至指定温度，将所选转子放入测量容器内接到转轴上，转子浸在试样中心，样品液面在转子液位标线，防止转子产生气泡，然后读取数值。

1.2.3 表面张力测定

吊环法测定样品表面张力。配制一系列不同浓度的样品溶液， （20±0.5） ℃下测其表面张力，测3次取平均值。以溶液浓度的对数为横坐标，以不同浓度下所测得的表面张力（γ）为纵坐标作γ-lgc曲线，由曲线计算溶液临界胶束浓度（cmc）。

1.2.4 低温冷冻透射电镜扫描

在25 ℃可控环境玻璃系统（CEVS）中制备样品。用微量吸液管吸取样品涂布于铜质栅格中，然后用滤纸挤压栅格，使样品在栅格中的小孔中形成薄层，然后用液态乙烷在-165 ℃急速冷冻后转移至液氮中储存。将样品转移至固定器(Gatan 626)中，用低温冷冻透射电镜（120 kV）在-174 ℃环境中拍照，图片由Gatan多波束扫描CCD记录并由Digital Micrograph进行处理。

1.2.5 低温冷冻透射电镜拍照

在T=90 K下冷冻固定，在T＜110 K，P＜10-2Pa下冷冻断裂，然后在T＜190 K，P＜10-2Pa下冷冻干燥，在T＜110 K，P＜2×10-4Pa时镀膜，在T＜150 K，P＜10-2Pa时进行冷冻传输，最后在T＜150 K，P＜2×10-4Pa条件下冷冻扫描观察图像。

1.2.6 泡沫测定

按照GB/T 7462-1994《表面活性剂发泡力的测定》进行测量。取2 g样品放入800 mL烧杯中，加入80 g 标准硬水（硬度为0.342 g /L，以碳酸钙计）和718 g去离子水，加热至40 ℃制成样品溶液，同时打开恒温水浴器，使水温稳定在40 ℃。依次使用去离子水和样品溶液润洗测试管内壁3次，润洗完毕后使活塞处于关闭状态，移取50 mL样品溶液，使液面与测试管50 mL刻度线平齐，同时避免泡沫产生。用移液管吸取200 mL样品溶液，移液管放置于固定器，使移液管与测试管的横切面成90°，迅速完全打开移液管活塞，使样品溶液竖直自然流下，样品溶液完全放出后马上读出瞬时泡沫高度。重复以上实验2次，取平均值。

1.2.7 高低温稳定性测试

参照GB/T 29679-2013 洗发液、洗发膏考察洗发香波配方体系的稳定性，分别在（40±1）℃、（-8±2）℃条件下保持24 h，恢复室温后观察有无分层现象。

1.2.8 发束梳理性测试

将发束完全浸泡于含质量分数为0.5%的十二烷基硫酸钠的发束清洗液中25 ℃超声清洗10 min，重复2次，用自来水冲洗，然后使用仪器进行湿梳处理，反复测试，最终将该批次发束湿梳理功恒定于为固定值。湿梳理：润湿发束后，用0.5 mL的洗发香波清洗发束，冲洗干净后压干发束上多余的水分，然后用梳理仪测试，将0.5 mL的自来水代替洗发香波做空白对照实验。干梳理：发束经湿性梳理测试后，将发束垂直挂于环境温度20～25 ℃、湿度40%～60%的房间内，自然风干24 h后用梳理仪测试。

1.2.9 洗发香波刺激性评价

1）皮肤斑贴实验

选择19～59岁符合人体皮肤斑贴实验志愿者要求的受试对象30人次，男女各占50%。根据国家食品药品监督管理总局颁布的《化妆品安全技术规范》（2015 年版）中人体皮肤斑贴实验的基本原则和方法标准记录结果。

2）红细胞溶血实验

采用红细胞溶血实验评估洗发香波的眼刺激性。计算560 nm处引起50%红细胞发生溶血时的受试物质量浓度（L50，mg/L）和575、540 nm下的A值比值计算受试物的血红蛋白变性率（DI），计算2个变量比值L/D（L50/DI）。

2 结果与讨论

2.1 复配比对体系黏度的影响

将月桂酰肌氨酸钠与月桂酰胺丙基甜菜碱以一定质量比（6∶4 ～ 9∶1）混合测定复配体系黏度，实验结果见表1。由表1可知，复配体系黏度受月桂酰胺丙基甜菜碱含量的变化影响较大，随着月桂酰胺丙基甜菜碱含量减少，黏度也随之降低；质量比为6∶4时黏度较高，可能是因为月桂酰胺丙基甜菜碱比例较高时，二者会产生更强的协同效应。

表1 质量比对黏度的影响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对复配体系黏度和泡沫性能的影响

月桂酰肌氨酸钠与月桂酰胺丙基甜菜碱以质量比6∶4混合，在体系中分别添加质量分数为0～4%（占溶液总质量）的丁二醇月桂酸酯测试体系黏度和泡沫高度，结果见表2。由表2可知，随着丁二醇月桂酸酯含量增加，黏度逐渐增加，当添加量为3%时，黏度达到4 520 mPa·s，添加量超过3%时，黏度稳定在4 500 mPa·s左右，因此选丁二醇月桂酸酯添加量为3%；丁二醇月桂酸酯含量变化对复配体系发泡性能没有明显影响，当其添加量超过3%时，发泡性能略微下降。

表2 丁二醇月桂酸酯添加量对复配体系黏度的影响Tab.2 Effects of BGL dosage on viscosity

2.3 pH对复配体系黏度的影响

月桂酰肌氨酸钠、月桂酰胺丙基甜菜碱与丁二醇月桂酸酯按质量比6∶4∶1混合，分别测定pH为4、5、6、7时体系黏度。由实验结果可知，pH为4、5、6、7时体系黏度分别为3 730，4 500，4 380，2 460 mPa·s。pH从7降到5，氨基酸表面活性剂带负电荷基团逐渐减少，导致阴离子分子间排斥力降低，有利于形成更多或更稳定的胶束，体系黏度增加；当pH小于5时，由于过多的电解质使得体系中处于平衡状态的胶束结构被破坏，导致体系黏度降低。

2.4 临界胶束浓度

测定了月桂酰肌氨酸钠、月桂酰胺丙基甜菜碱、丁二醇月桂酸酯和三元复配体系（三者质量比6∶4∶1）的cmc。由实验结果可知，复配体系cmc为38.7 mg/L，低于单一表面活性剂cmc（月桂酰肌氨酸钠、月桂酰胺丙基甜菜碱、丁二醇月桂酸酯分别为85.4 ，118.5，175.9 mg/L）。加入丁二醇月桂酸酯后，可能结构相似的非离子表面活性剂分子也可以在界面上吸附，从而减弱了离子表面活性剂分子间的斥力，使表面活性剂聚集数增加，促使更密集的胶束形态出现，导致临界胶束浓度降低。

2.5 微观结构表征

在pH为6时，制备了LS30与CAB-35质量比为6∶4的复配体系，测得黏度为1 520 mPa·s，制备了LS30、CAB-35与BGL质量比为6∶4∶1的三元复配体系，测得黏度为4 520 mPa·s。用低温冷冻透射电镜拍照，扫描电镜和透射电镜结果分别见图1和图2。

图1 复配体系Cryo-FESEM图像Fig.1 Cryo-FESEM image of mixed systems

由图1可知，LS30/CAB-35复配体系胶束形态为球状，成不规则聚集状态，三元复配体系胶束形态呈明显的网状结构。

图2 复配体系Cryo-TEM图像 Fig.2 Cryo-TEM image of mixed systems

由图2可知，LS30/CAB-35复配体系无蠕虫状胶束存在，而三元复配体系存在蠕虫状胶束，且相互交联成致密的网状结构，因此宏观上体系黏度上升。

2.6 三元复配体系在氨基酸透明洗发香波中的应用

2.6.1 洗发香波的制备及稳定性

按表3配方制备氨基酸透明洗发香波。制备工艺：将组分1、3加入烧杯中，搅拌（15 Hz）搅拌3 min，将组分2用适量水分散后在搅拌下加入，搅拌（15 Hz）5 min，依次缓慢加入组分4、5、6，搅拌（15 Hz）5 min均匀后加热升温至80 ℃；依次加入组分7、8、9、10保温搅拌（15 Hz）30 min，停止加热并开启降温，搅拌（15 Hz）下降温至40～45 ℃时依次加入组分11、12、13，搅拌（15 Hz）10 min至透明均匀即可。按GB/T 29679-2013《洗发液、洗发膏》进行产品检验，透明洗发香波理化指标、微生物指标、卫生指标均合格，符合透明洗发香波产品标准。

表3 氨基酸透明洗发香波配方Tab.3 The formula of transpatent amino acid based shampoo

续表

经过3个月稳定性测试，氨基酸透明洗发香波配方稳定性良好，未出现分层等现象。

2.6.2 梳理性测试

对氨基酸透明洗发香波和市售透明洗发水进行梳理性测试，测试结果见表4和表5，样本量为30。由表4和表5可知，氨基酸透明洗发香波和市售洗发水处理发束前后的干、湿梳理功均有显著性差异（P＜ 0.05），且氨基酸透明洗发香波处理后发束的干、湿梳理功小于市售洗发水，即氨基酸透明洗发香波洗后发束的柔顺度明显优于市售洗发水。

表4 氨基酸透明洗发香波和市售洗发水湿梳性对比Tab.4 Comparision of wet combability between transparent shampoo and commercial shampoo

表5 氨基酸透明洗发香波和市售洗发水干梳性对比Tab.5 Comparision of dry combability between transparent shampoo and commercial shampoo

2.6.3 刺激性评价

1） 皮肤斑贴实验

配制质量分数为1%、5%和10%透明洗发香波水溶液进行皮肤斑贴实验，皮肤刺激强度评分标准见表6。质量分数为1%和5%的透明洗发香波24 h内受试区均未出现水肿和红斑等刺激性反应，质量分数为10%的透明洗发香波24 h内受试区红斑和水肿平均分值均为0.1，小于0.5，表明洗发香波在实验浓度范围无刺激性。

表6 皮肤刺激强度评分标准Tab.6 Score standard of skin irritation

2） 红细胞溶血实验

采用红细胞溶血实验代替兔眼刺激性实验对样品进行眼刺激性评估，按照表7的刺激性分级标准评估样品眼刺激性，实验结果见表8。由表8可知，制备的透明洗发香波L/D大于100，说明以氨基酸表面活性剂复配体系制备的透明洗发香波温和，不刺激眼部。

表7 眼刺激性分级标准Tab.7 Grading standard of eye irritation

表8 红细胞溶血实验Tab.8 Results of red blood cell hemolysis test

3 结论

质量比6∶4∶1月桂酰肌氨酸钠/月桂酰胺丙基甜菜碱/丁二醇月桂酸酯三元复配体系，pH为6时，形成自增稠体系，黏度达4 520 mPa·s，临界胶束浓度低于单一表面活性剂。Cro-FESEM、Cryo-TEM图像表明高黏度的三元复配体系存在蠕虫状胶束且成致密的网状结构，和月桂酰肌氨酸钠/月桂酰胺丙基甜菜碱复配体系形成的球状胶束形态有明显区别，胶束形态的变化是三元复配体系黏度提高的主要原因。以月桂酰肌氨酸钠/月桂酰胺丙基甜菜碱/丁二醇月桂酸酯三元复配体系制备的氨基酸透明洗发香波，稳定性和梳理性良好，温和不刺激。