一种新型绿色环保安全的表面活性剂——月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸

张 健

苏州维美生物科技有限公司，江苏苏州，215128

氨基酸表面活性剂具有温和、低毒、良好的生物降解性、良好的润湿性、起泡性、抗静电性、较好的配伍性及抗菌性等特点[1-6]，广泛应用于护肤品、沐浴露、洗面奶、洗涤剂和牙膏等日用化学品配方中，还可用于生物医药等行业中[7-9]。

月桂酰丙氨酸属于氨基酸表面活性剂，是一种化妆品新原料。2021年6月28日，国家药品监督管理局公布了新规后首批通过备案的两个化妆品新原料，其中0002号原料即为“月桂酰丙氨酸”（备案号：国妆原备字20210002）。月桂酰丙氨酸除了能够适用于常规剂型洗涤产品，还能够适用于片状类、凝珠类、微胶囊类等各种新剂型洗涤产品。

月桂酰丙氨酸的合成工艺，可以参照N-酰基氨基酸型表面活性剂的一般合成方法，分为直接法和间接法。脂肪酸原料直接合成法包括酶催化合成和脱水缩合。间接合成法有脂肪酰氯酰化、脂肪腈水解酰化、脂肪酸酐酰化、酰胺羰基化反应等[10]。

通过脂肪酰氯与氨基酸的氨基反应是目前工业生产的主要方法，该反应也称为Shotten-Baumann缩合反应（肖顿-鲍曼反应），该典型反应中可能存在多个副反应，如脂肪酰氯水解反应、成酐反应等。反应中酰氯水解生成的高级脂肪酸极其难以低成本、高效率地除去，将影响产品品质。

针对以上问题，本文通过特定工艺，降低产物中高级脂肪酸（月桂酸）的含量，并使得月桂酰丙氨酸发生自组装，合成出超分子氨基酸。

1 实验部分

1.1 实验药品

L-丙氨酸，河南中辰生物科技有限公司；月桂酰氯，江苏雷恩环保科技有限公司；丙酮，常州市启迪化工有限公司；氢氧化钠，天津市津东天正精细化学试剂厂；盐酸，如皋市中捷化工有限公司。

1.2 合成方法

常温下，在1 L的三口烧瓶中，将89 g（1 mol）L-丙氨酸和40 g（1 mol）氢氧化钠溶于150 ml蒸馏水和150 ml丙酮的混合溶液中搅拌均匀得到L-丙氨酸钠溶液。

在25 ℃的条件下，向L-丙氨酸盐溶液中缓慢滴加218.7 g（1 mol）月桂酰氯，再滴加50%的氢氧化钠溶液使得反应体系的pH＝9，滴加完毕后，在25℃下继续搅拌2 h，得到糊状的月桂酰丙氨酸盐。

在糊状的月桂酰丙氨酸盐中加入盐酸酸化至pH=3～4，逐渐析出白色固体，然后在冰浴下放置2 h后过滤，得到月桂酰丙氨酸粗品。

在月桂酰丙氨酸粗品中加入水和丙酮的混合溶剂、L-丙氨酸和催化剂，其中，月桂酰丙氨酸粗品、水和丙酮的混合溶剂、L-丙氨酸、催化剂按照摩尔比1∶7.5∶0.35∶0.002的量 加入并在温度为60 ℃、压强为2.65 MPa的条件下搅拌2 h，使得少量的月桂酸完全消耗完，之后冷却过滤，所得固体再用纯水洗涤两次，最后在60 ℃下烘干，即得超分子氨基酸。

反应方程式如图1。

图1 制备超分子氨基酸的化学反应方程式

1.3 结构表征

用傅里叶变换红外光谱仪（FTS-1000）测定样品的红外光谱样品，光谱条件：将待测样品月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸与溴化钾（光谱纯，CP，购自国药化学试剂集团）按1∶100的比例充分混合，研磨，压片；波数扫描范围为400～4000 cm-1，分辨率为4 cm-1；扫描次数为16次。采用UNITY-400NMR谱仪对得到的月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸进行NMR分析。

1.4 产品成分、形貌、分子束分析

1.4.1 成分分析

（1）采用高效液相色谱法来识别和确定月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸。通过样品月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸与其标准品比较其保留时间来识别物质，并采用面积归一法进行定量。仪器：高效液相色谱仪（配有紫外检测器）；色谱柱：ODS-2 HYPERSIL C18 250×4.6 mm，5 μm；流动相真空抽滤脱气装置及0.45 μm有机滤膜。流动相：甲醇∶20 mmol/L的磷酸二氢钾缓冲溶液（pH 3.0）＝70∶30(v/v)。柱温:30 ℃；进样量:2 μl。

（2）采用高效液相色谱法分析月桂酸杂质的含量。仪器:W a t e r s U P L C H-C l a s s，检测器：PDA检测器；色谱柱:Waters XBridge ，C183.0×1 0 0 m m，3.5 μ m；流动相：甲醇∶0.1%H3PO4＝80∶20；柱温:35 ℃；样品室温度:未设定；进样量:1 μl。

1.4.2 形貌分析

使用扫描电镜分析样品的微区形貌。仪器：冷场发射扫描电镜；生产厂家：日立；型号：日立S-4700。主要规格及技术指标：分辨率，15kV：≤1.5nm（WD：12 mm）; 1kV：≤2.1nm；加速电压，0.5～30 kV；LOW MAG模式：×30～2 000；HIGH MAG模式：×250～500 000。

1.4.3 分子束分析

仪器型号：马尔文nano zs；测试条件：25 ℃，样品浓度0.5%，水相pH 7.5。

1.5 原液配制及性能评价

1.5.1 原液配制

取根据本文方法合成的月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸10 g加入水中，加10%的氢氧化钠水溶液中和至pH=6～7，配制成100 ml的水溶液（原液）。

1.5.2 对细菌的抑制作用评价

取5 ml原液，将此溶液分别浸泡预先接种了金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌、白假丝酵母菌等常见的细菌于果盘上，作用一定时间，用清水冲洗一次，然后测定果盘上的细菌残留。

1.5.3 对农药的去除效果评价

取100 g事先喷洒过农药甲胺磷和乙酰甲胺磷的绿叶蔬菜（大青菜）两份，一份直接用清水1 L浸泡，然后取出检测其蔬菜叶子上的农药残留，称为清洗前。另一份使用根据本文方法合成的月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸配制的溶液来清洗，称为清洗后。操作描述如下：

取5 ml原液，将另一份事先喷洒过农药甲胺磷和乙酰甲胺磷的绿叶蔬菜（大青菜）100 g，剪碎，浸泡在上述溶液中2 min，取出后用500 ml清水冲洗，然后取出检测其蔬菜叶子上的农药残留。

1.5.4 对异味的消除效果评价

取5 ml原液，将含有异味的（气味、机油味、臭味等）棉布10 cm2浸泡在上述溶液中2 min后，取出，用水清洗，晾干，评价棉布的气味。

2 结果与讨论

2.1 结构表征

2.1.1 红外光谱分析（GBT 6040-2002）

图2为根据本文合成方法合成的超分子氨基酸的红外光谱图。3 322 cm-1归属于N-H伸缩振动，1 646 cm-1归属于酰胺羰基C=O伸缩振动，1 541 cm-1归属于C-N伸缩振动和N-H面内弯曲振动;2 955 cm-1归属于甲基C-H不对称伸缩振动,2 871 cm-1归属于甲基C-H对称伸缩振动,1 377 cm-1归属于甲基C-H对称弯曲振动;2 919 cm-1归属于亚甲基C-H不对称伸缩振动,2 850 cm-1归属于亚甲基C-H对称伸缩振动，1 469 cm-1归属于亚甲基C-H弯曲振动，720 cm-1归属于-（CH2）n-的摇摆振动；1 707 cm-1归属于羧酸羰基C＝O伸缩振动，1 271 cm-1和1 220 cm-1归属于羧酸的弯曲振动，1 241 cm-1归属于羧酸C-O伸缩振动，1 414 cm-1归属于羟基O-H面内弯曲振动；这些都符合目标产物的结构。

图2 超分子氨基酸的红外光谱

2.1.2 NMR分析（JY/T 007-1996）

图3A为根据本文的合成方法得到的月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸的1H-NMR(DMSO)谱；图3B为根据本文的合成方法得到的月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸的13C-NMR(DMSO)谱。根据NMR得到的数据如下：

图3 超分子氨基酸的1H-NMR谱（A）和13C-NMR谱（B）

2.2 产品成分、形貌、分子束分析

2.2.1 成分分析

（1）高效液相色谱法采用紫外检测器来识别和确定月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸。

保留时间25.659 min、27.271min处的两个峰分别代表月桂酰丙氨酰丙氨酸和月桂酰丙氨酸（图4）。采用本文合成方法所制得的月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸，纯度可以达到97%以上（面积归一法定量结果）。

图4 超分子氨基酸的HPLC分析

（2）月桂酸杂质含量的测定。

月桂酸标准溶液:月桂酸1 000～20 000 mg/L；标准曲线见图5。

图5 月桂酸标准曲线

经检测，产品中月桂酸含量为1.4%。

采用本合成方法所制得的月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸，月桂酸含量小于3%，所含副产物主要为月桂酰丙氨酰丙氨酸（有效成分），分析其系在反应过程中，月桂酰丙氨酸进一步和L-丙氨酸脱水缩合而成。

2.2.2 形貌分析

图6A～C分别为根据本文合成方法得到的月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸的300倍、1000倍以及2000倍电镜图。如图6所示，本文的月桂酰丙氨酸，其微观结构呈麻绳状并且缠绕在一起构成了“超分子氨基酸”。

图6 超分子氨基酸的电镜图

2.2.3 分子束分析

图7为本文方法制备得到的超分子氨基酸钠盐的分子束图，图8为常规方法制备的月桂酰丙氨酸钠盐的分子束图。从两个图的数据对比来看，分子束直径相差17倍以上，体积相差2 000倍以上。

图7 超分子氨基酸钠盐的分子束

图8 常规方法制备的月桂酰丙氨酸钠盐的分子束

2.3 超分子氨基酸形成原理讨论

2.3.1 制备超分子氨基酸的反应历程分析

第一步：氨基酸与碱反应，生成氨基酸的钠盐。

第二步：按照传统肖顿-鲍曼反应的条件合成出月桂酰丙氨酸（一肽粗品）。

第三步：进一步加入L-丙氨酸和催化剂，在一定压力下，消耗掉月桂酸杂质，并且在此过程中，生成了少量月桂酰丙氨酰丙氨酸（二肽）。

2.3.2 超分子氨基酸形成原理

如图9所示，两个月桂酰丙氨酸的羧基通过氢键连接，两端各有十一个碳链的烷烃结构，根据相似相溶原则，亲油端与亲油端链条式契合，首尾相连接，形成一个圆环，圆环与圆环之间又通过氢键及相似相溶，无限叠加形成柱状分子簇，柱状分子簇又无限叠加形成特殊的空间结构——称为自组装超分子氨基酸。

图9 超分子氨基酸的形成示意图

2.3.3 超分子氨基酸钠盐

在超分子氨基酸形成之后，超分子氨基酸进一步与氢氧化钠反应生成如图10所示的超分子氨基酸的钠盐结构。月桂酰丙氨酸钠为基本单元，通过氢键自组装成为超分子聚合物，钠盐结构一面亲水，一面亲油，分子间通过氢键相连接，得到一个特殊的三维网状规则排列结构，具有强的跟油污相结合的能力，可作为主表面活性剂使用。

图10 超分子氨基酸钠盐的结构示意图

2.4 配方性能评价

2.4.1 对细菌的抑制作用评价

针对细菌的抑制作用，检测结果如表1。由表中数据可以看出，根据本文方法合成的月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸的钠盐溶液对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白假丝酵母菌具有明显的抑制作用，在原液作用于大肠杆菌2 min后，其抑制率可达到96.3%，5 min后抑制率已经可以达到100%；而原液作用于金黄色葡萄球菌2 min后，就可达到100%的抑制率；作用于白假丝酵母菌5 min抑制率也同样可以达到100%。

表1 月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸的抑菌作用分析

根据本领域公知常识可知，细菌大小通常在0.5～5 μm，而本文所用的不含月桂酸的月桂酰丙氨酸形成的超分子结构的柱团与柱团之间的空隙也是微米级的，所以能够将细菌包裹去除。

2.4.2 对农药的去除效果评价

表2显示清洗前后的农药数据残留对比，从中可以看出，本文所使用的表面活性物质月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸溶液对甲胺磷和乙酰甲胺磷具有明显的去除作用，作用2 min后，对甲胺磷的去除率可达到64.63%；对乙酰甲胺磷的去除率可达到74.66%，效果明显。

表2 月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸对农药的去除效果分析

2.4.3 对异味的消除效果评价

经原液处理后，发现棉布上异味全部消失，由此可知，根据本文方法合成的月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸具有良好的异味消除效果。

3 结论

基于以上可知，本文的月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸的制备方法工艺步骤简单，适于工业化生产。根据本文的方法制备得到的月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸的月桂酸含量低，有效避免了月桂酸对产品质量的影响。所得到的月桂酰丙氨酸自组装超分子氨基酸结构性能稳定；具有良好的抑菌率，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白假丝酵母菌的抑制率均可达到100%；有效去除农药残留，对甲胺磷的去除率可达64.63%，对乙酰甲胺磷的去除率可达74.66%；同时具有良好的除异味性能，在日化领域有很好的应用。

4 应用展望

（1）本文合成的超分子氨基酸/其盐可以作为主表面活性剂使用，不仅清洁性能优异，且其配制的清洁产品极易漂洗，有望广泛应用于各类洗护产品中。

（2）本文合成的超分子氨基酸/其盐产品省水50%以上。该发现具有重大意义，水资源匮乏是全球需要共同面临的迫切问题，而日化洗涤又是不可避免的水资源消耗因素，如果全球用户每年在日化洗涤上节省超过50%的用水量，其意义可想而知。

（3）本文合成的超分子氨基酸/其盐具有物理除菌功能。当瓜果蔬菜经月桂酰丙氨酸超分子氨基酸原料配置的蔬果清洗剂清洗后，自然存放时间明显变长，因此有望应用于各类果蔬净/洗涤精产品中。

（4）本文合成的超分子氨基酸具有去除异味功能，有望应用于各类洗手液、工业洗涤剂产品中。

（5）本文合成的超分子氨基酸还可改变油脂及有机物的物理特性，使其性能提升，更贴近人体要求，保护化妆品活性，由其配制后的成品肤感更舒适轻盈，有望广泛应用于各类美妆产品中。