槐糖脂在洗涤和个护中的应用进展

许睿琪 马 铃 陈殿松 王 靖

1.江南大学化学与材料工程学院化妆品创新中心，江苏无锡，214122；2.阿道夫科研创新实验室，广州德谷个人护理用品有限公司，广东广州，510000

近年来，全球个人护理和洗涤清洁产品已经成为两个高消费领域，而表面活性剂是这些产品的关键成分，起到去污、发泡、乳化、润湿、分散、增溶等作用，属于最常与皮肤接触的物质之一[1]。但是，目前最广泛使用的烷基磺酸盐类、烷基硫酸（酯）盐类等表面活性剂在洗发水、沐浴露等洗去型个人护理产品中直接接触皮肤，可能会引起皮肤刺激和过敏[1–3]。微生物来源的生物表面活性剂具有优秀的表面活性、较高的生物降解性、低毒性以及多功能生物活性，有望成为化妆品及个人护理产品配方中合成表面活性剂的天然替代品。

槐糖脂（sophorolipids, SLs）是一类由酵母菌代谢产生的糖脂类生物表面活性剂，具有表面活性良好、温和不刺激、抗炎抑菌、抗病毒、抗癌等特性，也是目前最具有市场前景的生物表面活性剂之一[4]。SLs可以作为发泡剂、增溶剂、分散剂、清洁剂、乳液稳定剂应用于化妆品配方中[5-6]，还可以适用于微胶囊、凝珠等各种新剂型产品。此外，SLs对皮肤的温和性，保湿性能，独特的生物功效在个人护理领域有较大优势，例如SLs的抑菌性能有利于皮肤屏障功能发挥作用，预防皮肤伤口感染，已被应用于口腔护理等方面[6]。

本文对关于SLs的表面特性，如亲水亲油平衡值（HLB）、表面张力、临界胶束浓度（CMC），SLs在水溶液中的自组装特性，SLs的生物活性，包括抑菌、抗炎、抗癌和抗病毒活性，SLs在洗涤个护领域应用的研究概况进行了总结综述，以期为SLs在化妆品领域的研究应用提供借鉴。

1 槐糖脂的理化性质及表面性能

1.1 槐糖脂的结构

SLs是假丝酵母菌等微生物的次级代谢产物，通常是一系列不同结构SLs同系物组成的混合物。这些分子结构上共同的特点是一个亲水的槐糖分子（两个葡萄糖分子以-1,2糖苷键结合而成）与一个饱和或不饱和脂肪酸尾部相连[7-8]。槐糖分子上最多可以连接两个乙酰基，而疏水尾部通常由16～22个碳原子组成。根据Baccile等[9]的总结，SLs及其衍生物的结构十分多样，已知的有16种，本文将最主要的结构总结在图1，依据脂肪酸羧基和槐糖羟基之间是否缩合成环，可以将SLs分为两种主要的构型：内酯型和酸型。图1中（0）号为酸型SLs的通式，R1和R2可以是乙酰基或者羟基。SLs通常以大约80∶20的乙酰化C18:1-顺式内酯（3）∶酸型（2）混合物的形式发酵得到，非乙酰化的酸型形式（1）可以通过碱性水解（2）、（3）的方法获得[4]。

图1 SLs的结构特点

1.2 槐糖脂的HLB、表面张力、CMC

与常见的表面活性剂类似，生物表面活性剂可以通过X射线衍射、磁共振、等温滴定量热、透射电镜等方法在溶液中进行表征。尤其是生物表面活性剂的表面张力和CMC，近几十年来在生物表面活性剂的文献中被大量引用。由于许多研究使用的SLs不是单一的纯净物，它们的聚集状态、溶解度都取决于物理化学条件，如pH，所以文献中得到的表面张力和CMC值并不能十分准确地反映出实际聚集特性，在与合成表面活性剂进行比较时，应该谨慎使用这些参数。本节总结了三种主要结构SLs的HLB、表面张力及CMC的评论及数值范围，见表1。

HLB值是表面活性剂乳化性能高低的一个指标，具有较强亲油性的生物表面活性剂表现出较低的HLB值，而亲水性的生物表面活性剂则具有较高的HLB值。HLB值在1～4之间的油包水（W/O）型乳剂更适合用于皮肤，因为皮肤上的脂质膜为油溶性的活性成分提供适宜环境；而HLB值在8～16之间的水包油型乳剂（O/W）因其较少的油腻感而更受消费者的欢迎[15]。文献中关于SLs的HLB值报道较少。有研究表明[10,15]，酸型SLs作为一种阴离子表面活性剂应用时，HLB值在12～15之间，可以用于O/W型个人护理配方。对于许多生物表面活性剂来说，根据Griffin公式其中MwH和MwS分别为亲水部分和整个表面活性剂的分子量）计算HLB，虽然预期的特性与实验观察到的广泛的特性是一致的，但是得到的HLB较为宽泛，从而产生混淆和不理想的预期结果，且HLB值随pH、温度等环境因素变化而变化，不适用于预测实际生物表面活性剂的界面行为[9]。

生物表面活性剂与合成表面活性剂一样，具有类似的浓度依赖性表面张力曲线，但表面稳定的机制取决于其分子量。低分子量的SLs在空气-水界面遵循经典的吸附/解吸机制，直到达到热平衡状态，表1中给出了SLs主要结构在室温下最小表面张力范围。经典阴离子表面活性剂，如十六烷基硫酸钠（SHS）和十二烷基硫酸钠（SDS），分别可以将水表面张力降低到36 mN/m和38 mN/m，而非离子表面活性剂如吐温的最小表面张力为33～39 mN/m。可以看出SLs降低表面张力的能力与经典表面活性剂相当[16-17]。

表1 三种主要结构SLs的HLB、水溶液中的表面张力和CMC

CMC是表面活性剂分子在溶剂中缔合形成胶束的最低浓度。通常情况下，CMC被用作表面活性剂表面活性的评价标准[18]。SLs具有双亲结构，根据前人对双亲结构的CMC预测，SLs等生物表面活性剂会比经典表面活性剂有更好的溶解度和更高的CMC：阳离子和非离子双亲化合物的CMC分别为1～10 mmol/L和0.1～10 mmol/L[9]。然而，研究表明SLs实际的CMC比预测的双亲化合物小一个到三个数量级，说明生物表面活性剂在水溶液中的行为不能仅仅根据其总的分子结构而简单预测。此外，SLs的CMC平均值比一端亲水、一端疏水的头尾状离子表面活性剂要小，与非离子表面活性剂的CMC相当。但是，对于生物表面活性剂，溶液pH不同，分子组成结构不同都会导致CMC发生变化，所以文献中SLs的CMC最高和最低值相差较大。

1.3 槐糖脂在水溶液中的自组装特性

表面活性剂在溶液中的自组装通常是指由疏水效应驱动的平衡过程，涉及表面活性剂脂肪族链之间的非特异性相互作用。这种吸引作用力会被空间立体、静电及界面作用等一些对自由能的排斥性贡献所抵消[4]。表面活性剂在溶液中最简单的自组装形态是胶束，在表面活性剂的临界浓度以上形成球状胶束，胶束的形状可以向圆柱体、囊状体或片状体发展[19]。为了讨论SLs在水溶液中的自组装特点，需要注意SLs与经典的一端亲水一端疏水表面活性剂相比的一些特征：①SLs是不对称的双亲结构；②SLs包含高化学反应活性的双键和羧酸基团；③SLs几乎不会以纯分子的形式存在，通常是含不同属性同系物的混合物[10,20-21]。此外，生物表面活性剂是一类高度pH响应的表面活性剂，pH的变化也会影响SLs的自组装结构变化。表2总结了一些关于室温下几种常见SLs在稀水溶液中（C＜10 wt %）自组装特性的研究。

从表2可以看出，SLs在稀水溶液中的自组装行为十分丰富，同时会受到其纯度、结构、溶液中的物理化学条件影响，所以可以根据SLs的自组装特点，将其应用于不同的场景，比如纤维相SLs具备开发成水凝胶的潜力[9]。

表2 室温下随pH变化的不同种类SLs在水溶液中（C ＜ 10 wt %）的自组装结构

1.4 槐糖脂的乳化增溶性能

乳化是指通过形成微滴将一种不相溶的液体分散到另一种液体中。乳剂广泛应用于化学、食品、药品、化妆品和清洁剂/清洁等行业。其中，洗涤剂和化妆品配方中常常需要加入油或不溶性的功能性成分或添加剂，因此需要确保乳化体系的稳定性，改善外观和质地，并减少皮肤损伤[19]。已有研究表明，通过添加生物表面活性剂，乳化体系的稳定性可以从几天提高到几周[29]。

乳化指数已被广泛用于表征新兴的生物表面活性剂。许多生物表面活性剂表现出显著的乳化活性，可以很容易地将碳氢化合物乳化溶解在水中，特别是阴离子鼠李糖脂和脂肽类型，根据不同的pH条件和不同类型的油，已经有较多研究。SLs乳化性能研究的多样性相对较少，但SLs和鼠李糖脂类似，也具有良好的乳化活性，表现为相对较高的乳化指数，已被应用于各种乳液体系中[29]。

至今已经有了一些关于生物表面活性剂对于油和不溶性基质的胶束增溶研究。生物表面活性剂的胶束化对于个人护理、洗涤剂和清洁产品溶解去除油、污渍、不溶性残留物至关重要。据报道，SLs可以在CMC以下的浓度有效地溶解不溶性底物，从而大大减少表面活性剂的使用量[30]。

1.5 槐糖脂的分散性能

生物表面活性剂发挥着天然分散剂的作用，并已在石油石化行业拥有一定范围的应用。分散剂被认为是一种能减少同一类型的颗粒之间的内聚力的物质。这抑制了不溶性颗粒的相互作用，防止了聚集过程[19]。有研究报告指出，糖脂类生物表面活性剂，如鼠李糖脂和槐糖脂均显示出优良的分散特性[31]，可以将疏水性烷烃分散成更小的液滴，这一特性使SLs有被应用于个人护理、清洁产品中的潜力。孟莉等制备了基于SLs的固体分散体及纳米乳，得到SLs具备替代吐温-80制备依托泊苷纳米乳的能力，且SLs-依托泊苷纳米乳的载药能力和稳定性更好[32]。

2 槐糖脂的生物活性进展

2.1 槐糖脂的抑菌活性

SLs的抗菌活性与其结构中糖和脂质部分的协同作用有关，即表面活性剂效应。这种机制的特点是使细菌或真菌的细胞膜发生变化或破裂，诱发细胞质内容的流出，以及随之而来的细胞内酶的释放[33]。尽管SLs及其他生物表面活性剂抑菌作用的具体机制还不是很清楚，但有学者假设它们具有改变膜内外电荷的生物活性，来减少细菌获得抗生素抗性的概率[34]。

碳水化合物和微生物膜之间的相互作用已被研究多年。然而，直到最近，才有研究尝试阐述单糖和双糖对膜结构的影响，如存在于SLs分子中的槐糖分子，它是一种有效的杀菌剂，无论其长链脂肪酸部分的结构是酸型还是内酯型环状，都能破坏革兰氏阳性/革兰氏阴性菌的细胞膜，诱导其失去活力[35]。

革兰氏阳性菌的肽聚糖层由多糖、中性酸和蛋白质覆盖，而革兰氏阴性细菌的表面由pH为中性的脂多糖构成，但当羧基和磷酸盐基团被电离时，它们会携带阴离子电荷。与革兰氏阳性菌相比，这些负电荷使细菌膜更加亲水[36]。SLs由于其两亲特性，减少了两种细菌群体的疏水性，但由于大多数成分为疏水性的脂肪酸，导致SLs对于疏水性微生物即革兰氏阳性菌的抑制效果更加明显[37]。

20世纪80年代，Ito等首次报道了S. bombicola分泌得到的内酯型SLs的抑菌活性，得到SLs能够抑制一些利用烷烃的酵母，如Y. lipolytica和C.albicans生长的结论[38]。其他研究也证实了SLs不仅对酵母菌，而且对细菌（如枯草杆菌和铜绿假单胞菌）和真菌都有一定的抑菌作用[4,39]。Solaiman等[40]在对痤疮丙酸杆菌的平板试验中，也首次观察到了由P. bogoriensis得到的C22-SLs的抗菌活性。近年，也有研究将SLs和聚合物复合制备成具有抑菌性能的薄膜材料，进一步扩大了SLs的应用领域[41]。

然而，SLs的浓度、处理时间、SLs结构中脂肪酸组成以及酸型和内酯型的比例都会影响SLs的抑菌活性。前人的研究指出内酯型SLs具有更好的抑菌活性，而且乙酰化构型的引入会产生更好的生物化学特性[42]。表3中总结了一些已有报道SLs能够抑制活性的菌种，可以观察到最小抑制浓度（MIC）的差异，这主要是由于菌种和SLs成分组成不完全相同。

表3 SLs对不同菌种的最小抑制浓度

2.2 槐糖脂的抗炎活性

已有研究者讨论过，化学合成表面活性剂可能会引起皮肤刺激和过敏，产生红斑、干燥、瘙痒等不良反应[3]。为了降低合成表面活性剂引起的皮肤刺激性和炎症，可以在洗护配方使用更加温和的生物表面活性剂。

生物体的免疫系统之所以会对病原体的入侵做出反应，是因为宿主细胞拥有一系列的膜受体来作为病原体识别的传感器。一旦受体收到刺激，会启动相应的信号级联，从而激活免疫系统。免疫细胞如巨噬细胞、树突状细胞和中性粒细胞都会通过病原体识别受体（PRRs）来识别病原体[49]。其中，Toll样受体（TLRs）就是PRRs的一类代表，通过感知病原体相关分子模式（PAMPs）的几种病原体衍生成分，参与识别病原体（病毒、细菌、真菌和寄生虫）[49]。

已有研究显示，生物表面活性剂SLs可以由存在于不同类型细胞上的TLR-2受体识别，而具备成为新型的抗炎剂的潜力，可用于治疗与分泌性免疫球蛋白（IgE）有关的疾病，如哮喘、鼻炎、特应性湿疹等[50]。Hardin等的研究得到了SLs可以调节免疫系统的结论，因为SLs在动物模型研究中显示出抗炎作用，主要表现为大鼠腹腔内败血症模型建立后，施用SLs可提高动物的存活率，并通过减少一氧化氮和促炎症细胞因子的产生，从而阻断败血症休克的致死效应[51]。此外，Hagler等的研究发现SLs可以通过下调TLR-2、PAX5、STAT3和IL-6的基因表达，显著减少U266细胞（产生IgE的骨髓瘤细胞系）中IgE的产生[50]。这些研究结果表明，SLs具有抗炎活性，如果在个护产品中使用SLs，可以一定程度上缓解皮肤的炎症压力。

3 槐糖脂在洗涤个护领域的应用

3.1 槐糖脂在清洁/洗涤领域的应用

家用洗涤剂的用量在全球表面活性剂生产中占比最大，约为46.3%。SLs可作为易生物降解、无毒、无刺激的“绿色”配方原料用于洗涤剂及其他清洁类产品。已经有研究论文和专利描述了SLs在硬表面清洁剂、防垢剂、冲洗助剂、（低）发泡剂、润湿剂、脱脂剂等方面的使用[19,29,52]。除了其优异的物理化学特性，SLs的抗细菌、抗真菌和抗病毒特性也使它能够用作医疗、食品、农业和化妆品等行业的消毒剂或杀菌剂。目前，SLs已被应用于全球市场上的不同家用清洁产品中[4,15,52]：日本的Saraya公司在其洗碗机相关产品中使用了SLs；在比利时公司Ecover的一些配方中，SLs被用作硬表面清洁剂和冲洗助剂；法国公司Soliance（现归属奇华顿）最近也推出了一种新产品Sophogreen，是一种含有高浓度SLs的天然增溶剂。国外SLs的生产使用最初主要由和特定市场有关的小公司支持，而最近跨国公司也对生物表面活性剂表现出兴趣。例如，汉高公司在一些玻璃清洁产品中应用了SLs，联合利华和德国赢创公司都投资于SLs的研究和专利，并且已经取得初步商业化结果。赢创研发了一款SLs为主体的表面活性剂原料Rewoferm SL 446，可用于洗手液、洗碗液和洗衣粉。该产品是酸型和内酯型槐糖脂的混合物，原料是非转基因植物的菜籽油和糖，比市售同类产品具有更好的发泡性、脱脂性和耐硬水性。

3.2 槐糖脂在个人护理及化妆品领域的应用

个人护理和化妆品表面活性剂领域是表面活性剂市场中仅次于洗涤剂的第二大领域，每年生产及使用约300万吨，也是表面活性剂市场中增长最快的领域[52]。由于这是一个非常容易被消费者接受的市场，在过去的5～10年，个人护理及化妆品领域的产品已经明显地向可持续化的、绿色的、基于生物的和足够温和的特质发展，人们对于价格的包容性也更大。因此，对于成本较高的新型生物基的表面活性剂，个护及化妆品领域是个非常理想的市场[5,15,52]。21世纪初，无论是欧洲还是亚洲，SLs在个人护理产品中的已经实现初步商业化。例如，Soliance售卖的除臭剂中将SLs作为抗菌和皮脂控制剂；韩国MG Intobio公司针对痤疮推出的Sopholin痤疮皂，利用了SLs的抑菌特性来缓解气味，消除痤疮粉刺、感染性细菌，如枯草杆菌、表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌以及感染性真菌，如白色念珠菌；日本花王已将SLs作为保湿剂用于彩妆、护肤、护发产品等，品牌名为Sofina[4,29]。

在化妆品和皮肤学组合物中使用SLs早已于1994年获得专利。联合利华和赢创分别都取得描述SLs作为温和的发泡洗涤剂以及用于头发和皮肤清洁组合物的专利。具有生物活性的SLs在无硫酸盐清洁剂中的使用也获得了专利[4,52]。此外，根据出版物和其他授权专利，SLs在个护领域的应用不仅是优异的配方辅助剂或细菌控制剂，它还被证明可通过刺激脂肪细胞的瘦素合成而减少脂肪团[53]，还可以作为透皮释放活性成分的促进剂，如促进乳铁蛋白等活性物的施用[54]。其他专利描述了SLs能够抑制自由基形成、抑制弹性蛋白酶活性、刺激真皮纤维细胞的代谢、促进胶原蛋白新生的生物功效[55]。因此，SLs可以作为愈合剂应用于伤口敷料，有助于伤口愈合。

4 总结与展望

绿色温和的生物表面活性剂槐糖脂不仅具有优异的表面特性，还有特征性的生物活性，有利于缓解合成表面活性剂带来的皮肤微生态失衡、皮肤炎症等不良反应，可以用于制备微球、纳米乳、脂质体用于新剂型洗涤用品，或者作为优质活性成分添加到个人护理产品中。然而，在应用槐糖脂时需要考虑它们的结构组成、自组装聚集特点等，还需要对它们在皮肤中的渗透性和与人体皮肤细胞的相互作用进行更广泛的研究。此外，生产及下游处理成本是限制SLs等生物表面活性剂在新剂型洗涤和个人护理产品中成为主流的因素之一。生物表面活性剂的生产商需要调整成本，才能使生物表面活性剂在个护领域获得更多机会。