油茶皂苷与月桂酰肌氨酸钠二元混合物的协同作用研究

肖志强，李维新，张锋伦，马世宏 ，陈殿松，蒋建新 *

（1.北京林业大学 材料科学与技术学院 国家林业和草原局木本香料（华东）工程研究中心，北京 100083；2.南京野生植物综合利用研究所，江苏 南京 211111；3.广州德谷个人护理用品有限公司，广东 广州 510880）

月桂酰肌氨酸钠是一种半合成的氨基酸型阴离子表面活性剂，因其对人体皮肤无刺激性、易于生物降解等优点受到人们的青睐，近年来用于洗发香波、洗面奶和洗手液等日用护理行业［1-3］，并逐渐向生命科学、药物输送和食品领域延伸［4］。然而阴离子表面活性剂的使用会受到环境条件的限制［5］，如加热、pH的变化和盐离子的添加，且大多数半合成阴离子表面活性剂价格昂贵，一定程度上限制了其应用［6］。鉴于此，科学家们采用了不同的策略来减小环境条件对阴离子表面活性剂的影响，例如将阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂复配［7-9］。油茶皂苷便是这样一种天然非离子表面活性剂，一般从山茶属植物（如油茶树、茶树）中提取的五环三萜类化合物都统称为茶皂苷［10］，茶皂苷是一种表面活性很高的糖苷，分子中同时含有疏水基团和亲水基团［11，12］。茶皂苷的表面活性源于疏水结构的存在，该疏水结构由三萜、甾体或类固醇-生物碱基团组成［13］，其优良的起泡、乳化和润湿等性能使茶皂苷在洗发水、牙膏等日用领域有广泛应用［14-18］。

研究发现，对单一表面活性剂进行复配，其复配的体系存在协同效应，从而使得表面张力和CMC值降低等［19，20］。目 前 复配表面活性 剂 在环境修复［21］、药物增溶［22］、矿石浮选［23］等领域的研究备受关注，如罗倩等［24］研究了不同复配表面活性剂对石油烃污染土壤的增溶效果，发现洗脱效率比单独作用时提高了25.41%。除此之外，在发泡领域，郭旭等［25］还发现烷基磺酸钠与脂肪醇聚氧乙烯醚复配时，不仅能提高发泡能力，泡沫的稳定性、抗温抗硬水能力均有提升。李薇［26］还发现将皂素与鼠李糖脂复配后，表面活性增强，洗脱作用也得到巨大提升。构建性能良好的复配体系不仅能提高体系的性能，而且能降低表面活性剂的用量，从而为复配表面活性剂的应用提供指导。

已有研究表明，将油茶皂苷与阴-阳离子表面活性剂复配后在表面活性上有协同作用［27］，但油茶皂苷与氨基酸型表面活性剂的复配研究暂未有报道，因此本文将从油茶籽粕中提取出来的油茶皂苷与SLS复配，确定最佳的复配比，对复配溶液的表面张力、泡沫性能、乳化性能以及润湿性能进行了研究，并对复配体系在高温下的稳定性进行了研究，对耐盐度等进行了测定，为复配表面性活性剂的实际生产应用提供了理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验仪器

DF-101S磁力搅拌器（河南省予华仪器有限公司）；HARKE-SPCA接触角测定仪（北京哈科仪器设备有限公司）；R203型旋转蒸发仪（余姚新波仪表公司）；Olympus ckx53型荧光倒置显微镜（日本奥林巴斯有限公司）；JYW-200B自动表面张力仪（承德金和仪器制造有限公司）。

1.2 材料与试剂

油茶饼粕，产自浙江；月桂酰肌氨酸钠（SLS）购自阿拉丁公司；液体石蜡、盐酸、氢氧化钠溶液及无水乙醇均为国产分析纯。

1.3 方法

1.3.1 油茶皂苷的提取

油茶饼粕经过粉碎后过40目筛，烘干，经石油醚索氏抽提脱脂6 h，然后通过无水乙醇提取，提取条件为：温度70℃，料液比1∶10（g/mL），提取时间为3 h，提取液经旋蒸浓缩，再经真空干燥箱60℃干燥，得到的粉末置于干燥器备用。

1.3.2 表面张力和临界胶束浓度测定

配置了一系列油茶皂苷质量分率（α1）为0%、1%、2%、4%、10%、30%、50%、75%、100%梯度浓度的油茶皂苷-SLS复配溶液，利用吊环法（30 ± 1℃）测定复配溶液的表面张力，以溶液浓度的对数为横坐标，表面张力为纵坐标，绘制表面张力图。从溶液浓度继续增大而表面张力不变化的点读取CMC值。用增效系数β评价复配体系增效作用的大小，当增效系数β越大，代表混合体系增效越良好，反之增效越差。β通过下式计算：

式中，β为增效系数；CMC理论为根据Clint二元体系理想溶液规则方程计算出的CMC理论值；CMC实际为实验中实际测量出的CMC值。

1.3.3 泡沫起泡性与稳定性测定

采用试管振荡法［28］测定：室温下，在50 mL具塞刻度试管中加入20 mL的待测溶液（3.5 g/L），同时用手上下震荡30 s，待检测样品泡沫性能，在时间为5 min和30 s时，记录泡沫体积大小。V30S作为起泡性能指标，稳泡性能通过下式计算：

式中：R5*为溶液的稳泡性能；V5min为溶液5 min后的泡沫体积；V30S为溶液30 s后的泡沫体积。

1.3.4 泡沫微观聚集分布状态

通过双注射器法［29］产生的泡沫，吸取100 μL泡沫滴于载玻片上，使用盖玻片压平置于荧光倒置显微镜工作台，采用定时拍摄功能，分别捕捉0 min、5 min、10 min、15 min时泡沫聚集分布图。

1.3.5 乳化性能测定

乳化性能测定方法在蒋立英［28］的基础上做了改进。在100 mL锥形瓶中加入15 ml的液体石蜡和等体积的表面活性剂溶液，将锥形瓶放置于磁力搅拌器中，控制温度为25℃、转速1300 rpm/min，匀速搅拌2 min，制得乳状液（油水比=1∶1，v/v），停止搅拌后，将乳状液倒入50 mL具塞圆筒中，用秒表记录下层分出10 mL水相的时间。

1.3.6 润湿性能测定

配置了一系列CMC浓度的混合表面活性剂，于室温下静置24 h使其充分自组装。开始测量前，所有样品于25℃下恒温放置15 min，然后取25 μL溶液滴于载玻片，使用接触角测量仪测量其接触角。

1.3.7 复配体系稳定性研究

实验研究中油茶皂苷的浓度范围为0.156～5 g/L，α1=4%。（1）温度的影响：将复配体系分别置于35℃、45℃、55℃、65℃下测定其表面张力值。（2）盐度的影响：在复配体系中加入不同浓度（0 g/L、5 g/L、10 g/L、20 g/L）的氯化钠以模拟盐离子环境，然后在30 ± 1℃下测定其表面张力值。（3）pH的影响：通过盐酸溶液和NaOH将复配体系的pH调至3、5、7、9、11，然后在30 ± 1℃测定各溶液的表面张力值。（4）水硬度的影响：将复配体系分别置于硬度为200 mg/L、400 mg/L、600 mg/L、800 mg/L的水中，在30 ± 1℃测定各溶液的表面张力值。

2 结果与分析

2.1 复配体系表面活性的协同作用分析

油茶皂苷与SLS以质量分率比分别为0∶100、1∶99、2∶98、4∶96、10∶90、30∶70、50∶50、75∶25、100∶0构建复配体系，其表面张力（30 ± 1℃）如表1所示。由表1可知，油茶皂苷和SLS的临界胶束浓度和对应表面张力分别为3.5 g/L、42.30 mN·m-1和2.5 g/L、25.23 mN·m-1。

表1 复配体系CMC与油茶皂苷质量分率的关系Tab.1 Relationship between CMC of compound system and the mass fraction of Camellia oleifera saponins

对于多组分混合溶液体系，可以根据Clint二元体系理想溶液规则方程［30］按照质量百分比计算出混合溶液的CMC理论值。复配体系混合表面活性剂往往由于产生协同增效而比单一表面活性剂有更好的表面活性，根据Clint方程得到复配体系CMC的理论值与实验值随茶皂苷质量分率变化规律如表1所示。

由表1可知，油茶皂苷-SLS复配体系的CMC随着油茶皂苷在混合体系的比例增加而变大，当α1为1%～4%时，通过将实验测定的混合体系CMC与理论计算值对比发现，β均为正值，在α1为1%时，β达到了最大值0.124，α1=1%时的表面张力相比于SLS低4.12%，相比于油茶皂苷低42.81%，表明此时复配体系产生了增效作用，油茶皂苷-SLS复配体系在此时协同效应达到最强；而当α1＞10%时，β为负值，表面张力也随之变大，表明此时复配体系不存在协同作用甚至产生较强的对抗作用。综上可知，在SLS中加入少量的油茶皂苷可以使复配体系的协同作用更强，这是因为对于离子表面活性剂，非离子单体（油茶皂苷）的加入不仅加强了表面活性剂疏水尾部之间的相互吸引作用，而且稀释了电离头部基团之间的负电排斥作用，产生的混合胶束在空气-水界面的聚集能力增强，表面活性剂之间排列也更加紧密，且两种表面活性剂的碳碳链的疏水链相互作用，导致复配体系形成胶束的能力进一步增强，由此产生增效。除此之外，非离子表面活性剂结构中的氧原子能与水中的氢原子结合致使油茶皂苷表面带正电荷，从而使两者的复配体系中的胶束分子结合更加致密排列在气液界面，表面活性提高，表现为β为正值，这在杨晶晶等［31］的研究中有类似的研究发现。但当油茶皂苷质量分数超过10%时，β为负值，复配体系的协同作用减弱，这是因为在复配体系中油茶皂苷分子数目增加，SLS与油茶皂苷中亲水基团的氧供电子基形成排斥效应，导致混合体系中表面活性剂分子间的排列不紧密，因而形成紧密胶束的能力减弱。

2.2 复配体系的泡沫性能研究

对于日化产品而言，泡沫的大小、量的大小及稳定性是最易被消费者感知的主观性能之一，甚至有可能直接影响消费者对产品的综合评价，因此泡沫性能的评价和表征尤为重要。溶液产生的泡沫量与表面张力密切相关，表面张力直接影响起泡性和稳泡性，表面张力越低，越有利于起泡和稳泡。用30 s时的泡沫体积作为复配体系起泡能力的指标，V5min/V30s的泡沫体积作为复配体系的稳泡指标，稳泡性体现的是泡沫的存活能力。

结合表1可以看出，SLS溶液的表面张力为25.23 mN·m-1，比油茶皂苷低 17.07 mN·m-1，显然前者的降低气液间表面张力的能力要强于油茶皂苷，SLS的起泡体积与之一致。

由图1可看出，油茶皂苷V30s要比SLS低，即SLS的发泡能力要比油茶皂苷强，这是由于在同一浓度下，SLS的表面张力更低，在气液界面聚集了更多表面活性剂分子，各个分子间的排列紧密，因此吸附膜的能力强而导致发泡能力也更强。在复配混合体系中，随着油茶皂苷比例的增加（1%、2%、4%、10%），复配体系的V30s均比SLS或油茶皂苷要高，显示复配体系的发泡性能相较SLS或油茶皂苷均有一定程度的改善，在α1为1%、10%时的发泡体积相比于SLS提高了29%、25.34%，相比油茶皂苷分别提高了85.04%、72.68%，显示出油茶皂苷与SLS发泡性能的协同作用。

泡沫液膜强度是影响泡沫稳定性的关键因素，通过机械力产生的泡沫通常是一个不稳定的热力学系统，当泡沫静置时，会随时间而逐渐消逝，消逝的能力决定了泡沫的稳定性。泡沫高度随时间的变化如图1所示，其中R5*是溶液经过5 min时的泡沫体积与30 s时泡沫体积的比率，可以看出，油茶皂苷的R5*值高达90.52 ± 0.70%，表明油茶皂苷具有良好的泡沫稳定性，其稳泡能力强于SLS，这是因为油茶皂苷其独特的五环三萜结构，与甾体皂苷相比，三萜皂苷可以在气液界面形成高度粘弹性的网络结构，这种结构使其具有较强的水化能力，当油茶皂苷的表面活性剂分子在气－液界面排列时，由于分子中羟基等亲水基团的水化作用，疏水性的皂苷元会平躺在界面处，而与这些皂苷元相连的亲水基团会在界面以下通过分子间的氢键等分子间作用而发生交织相互作用，从而使油茶皂苷的表面膜具有一定的强度与稳定性。

图1 油茶皂苷-SLS复配体系的发泡性能与稳泡性能Fig.1 Foaming performance and foam stability of Camellia oleifera saponin-SLS compound system

从图1可知，复配体系的R5*相较油茶皂苷或SLS溶液均有提升，在α1为2%～10%时提升明显，尤其在α1=4%时，R5*相比于SLS增效11.35%，相比于油茶皂苷增效6.24%，表明油茶皂苷的加入能显著改善体系的泡沫稳定性，这可能是由于油茶皂苷对气泡的粗化率和Ostwald成熟率有显著影响，而气泡的粗化率和Ostwald成熟率在泡沫衰减中起重要作用。

2.3 泡沫微观聚集分布状态分析

如图2所示，实验采用荧光倒置显微镜对样品进行观察，实验前使用双注射器法分别使SLS、油茶皂苷及其复配体系（α1=4%）产生一定量的泡沫，再用荧光倒置显微镜记录15 min内泡沫的微观聚集分布状态。实验中发现，泡沫经过了从较小尺寸往尺寸较大泡沫的演变、再消逝的过程。相关研究表明［32］，泡沫尺寸越均一，尺寸分布越集中，泡沫体系的稳定性就越好，从图2可以看到，SLS中存在大量尺寸较大的泡沫，经过10 min后，SLS视野中的泡沫已经大幅减少，且存在气泡大小分布不均匀的现象，这都表明其泡沫稳定性较差。与SLS产生的泡沫相比，油茶皂苷体系的尺寸分布较均一，在5 min时才出现尺寸较大的汽泡，这是由于非离子表面活性剂形成的泡沫液膜中分子间的相互作用力、分子与水之间的作用力以及表面粘度远小于离子型表面活性剂，气体通过膜的扩散更容易。通过复配，油茶皂苷-SLS复配体系泡沫大小的不均匀分布显著缓解，且泡沫细腻，在经过15 min后，泡沫仍然充斥着整个视野，表明油茶皂苷-SLS复配体系的泡沫稳定性优异。

图2 泡沫微观聚集分布图Fig.2 Distribution of foam micro aggregation

2.4 复配体系的润湿性能研究

液体在固体表面的铺展能力称为润湿性，从表面能角度分析，接触角越小，铺展能力越强，表面的润湿性越好。

根据Young方程，接触角是润湿性的直观体现［33］。从图3可以看出，油茶皂苷的接触角较大，为46.9°，相比于油茶皂苷或SLS溶液，油茶皂苷-SLS复配体系均有较小的接触角，且在α1为1%～10%时表现出极低的接触角，在α1=1%的接触角仅为23.9°，相比于油茶皂苷的接触角低23°，增效49.04%，相比于SLS减小2.7°，增效10.15%，表明了此时体系拥有良好的润湿性，可以改善高附着能的泡沫稳定性，这也是复配体系泡沫稳定性提升的影响因素之一。

图3 油皂苷-SLS复配体系的润湿性与乳化性Fig.3 Wettability and emulsibility of Camellia oleifera saponin-SLS compound system

2.5 复配体系的乳化性能研究

乳化性能是评价表面活性剂的一项重要指标。乳化性指的是油品和水形成乳化液的能力。在许多领域，表面活性剂是一类非常重要的乳化剂，其分子结构中的亲水基和憎水基在“相似相溶”的作用下分别嵌入水相和油相，达到将两相“拉近”的目的，形成乳化。

根据乳液下层分离出10 mL水所用时间作为乳化性能的判定依据。分水时间越久，表示形成的乳液稳定性越好，乳化性能越好。复配体系乳液的分水时间见图3。由图3可知，油茶皂苷的乳化性能良好，复配体系的乳化性能也随油茶皂苷的加入而逐渐提高，但略低于油茶皂苷，这可能是由于油茶皂苷分子结构中氧原子能与水中的氢原子结合致使油茶皂苷表面带正电荷，阴、阳离子相互吸引，使得乳液液滴间的斥力减小，从而更容易聚集，降低乳液的稳定性，说明复配体系的乳化性能受油茶皂苷影响较大。

2.6 温度对复配体系表面活性影响的研究

温度对油茶皂苷-SLS复配体系（α1=4%）表面张力的影响如图4a所示，发现复配体系在高温条件下能保持较为稳定的状态，且依旧可以有效降低溶液的表面张力（都小于25 mN/m-1），这有可能是在复配体系中油茶皂苷分子与SLS分子之间的相互作用导致表面活性剂分子在气液界面的聚集加强，表明复配体系在高温条件下（35～65℃）依旧有良好的表面活性。

如图4b所示，我们采用了改进的乳化测定方法。在同一时间观察了不同温度下复配体系（α1=4%）乳状液的稳定性。对比了样品在65℃和35℃下的乳化效果，发现65℃下的乳液分离较慢，乳化效果较好，说明复配体系在高温下具有更好的乳化能力。

图4 温度对油茶皂苷-SLS复配体系体系表面张力（a）和乳化性（b）的影响Fig.4 Effect of temperature on surface tension （a） and emulsibility （b） of Camellia oleifera saponin-SLS compound system

2.7 盐离子对复配体系表面活性影响的研究

在复配体系中（α1=4%）加入了不同浓度的NaCl，实验时保持温度在30 ± 1℃，保证盐离子充分溶解。从图5a中可以看出，随着水溶液中Na+浓度的逐渐增加，复配体系的CMC显著降低，这是由于当加入Na+时，带电离子会吸附在带电表面活性剂基团附近，导致相邻表面活性剂之间的静电斥力减小［34］，表面活性剂分子更容易聚集，因此CMC降低；但其γcmc稍有增加，这是因为盐离子和表面活性剂的组合会降低表面活性剂的溶解度或者破坏双电层结构［35］。总的来说，在Na+存在的情况下，油茶皂苷-SLS复配体系能有更佳的表面活性，CMC大幅降低，能有效降低氨基酸表面活性剂的使用量。

如图5b所示，研究了盐离子的加入对复配体系乳化性能的影响。显示了同一时刻不加盐离子与加入盐离子的状态，在Na+存在时，液体石蜡/水体系更不易分离，显示其乳化作用更强。

图5 盐离子浓度对油茶皂苷-SLS复配体系表面张力（a）和乳化性能（b）的影响Fig.5 Effect of salt ion concentration on surface tension （a） and emulsibility （b） of Camellia oleifera saponin-SLS compound system

2.8 pH对复配体系表面活性影响的研究

pH对油茶皂苷-SLS复配体系（α1=4%）的影响如图6a所示。发现在酸性环境下，复配溶液的CMC大幅降低，而表面张力变化不大，表明复配体系在酸性条件下拥有优异的表面活性；而在碱性环境下，复配体系的表面张力变大，而CMC变化不大。这有可能因为油茶皂苷是一种五环三萜类化合物，分子结构中含有弱酸性基团，皂苷中的酸性基团在酸性环境会影响溶液中胶束聚集分子的聚集，从而导致CMC的降低。如图6b所示，在以上基础上研究了同一时刻在pH为3、7和9时复配体系的乳液分层情况，发现在酸性环境的分层乳化性能优于在碱性环境的乳化性能，这可能是因为在碱性条件下表面张力的增大会导致乳化性能的降低。

在不同pH条件下拍摄的透光性照片如图6c所示，发现复配体系在碱性环境条件下透光性发生了改变，这可能是因为SLS是阴离子表面活性剂，在碱性环境下会发生电荷变化，影响气液界面表面活性剂分子的吸附，从而致使表面张力升高。

图6 pH对油茶皂苷-SLS复配体系表面张力（a）、乳化性能（b）及透光性（c）的影响Fig.6 Effect of pH on surface tension （a）， emulsibility （b） and light transmittance （c） of Camellia oleifera saponin-SLS compound system

2.9 水硬度对复配体系表面活性影响的研究

水硬度对油茶皂苷-SLS复配体系（α1=4%）的影响如图7所示，油茶皂苷-SLS复配体系在硬水中表现出稳定且良好的表面活性。相关研究表明当硬水中的Ca2+达到一定浓度时，会导致沉淀，从而影响表面活性［36］。但我们在实验中并未观察到此现象，只在800 mg/L的高浓度硬水时溶液出现了轻微的表面张力和CMC的升高，这有可能是因为油茶皂苷具有良好的吸附金属离子［37］的能力，降低了硬水对复配体系表面活性的影响。观察了同一时刻复配体系在去离子水和硬水中乳液的分层情况，由图7b所示，可知复配体系的乳化性能并未受硬水的影响，由此可见，油茶皂苷-SLS复配体系具有良好的抗硬水能力。

图7 水硬度对油茶皂苷-SLS复配体系表面张力（a）与乳化性能（b）的影响Fig.7 Effect of water hardness on surface tension （a） and emulsibility （b） of Camellia oleifera saponin-SLS compound system

3 讨论与结论

油茶皂苷与SLS存在良好的协同效应，能有效地降低溶液的表面张力和CMC。混合溶液的表面张力均低于单一表面活性剂，在α1=1%时协同效应最为突出。Li［38］等人将油茶皂苷与十二烷基醚硫酸钠（AES）复配，发现当α1＜0.3时复配效果最佳，复配体系中加入低浓度的油茶皂苷有更好的增效，这与本文的实验结果一致；李瑶［39］将皂苷、甜菜碱和鼠李糖脂组成三元复配体系，但表面张力都在30 mN·m-1以上，复配效应不佳。

复配体系的泡沫性能得到有效改善。五环三萜结构的油茶皂苷与SLS复配，使得SLS泡沫的分布不均一性得到有效改善，复配体系具有良好的泡沫稳定性，且发泡性能相较SLS或油茶皂苷均有较大程度的提高。在王心蕊［40］的研究中，将茶皂苷与十二烷基硫酸钠（SDS）复配，虽然表面张力降低了，但泡沫稳定性较差，烷基链的长度有可能是影响因素之一。随着复配体系中油茶皂苷比例的升高，溶液的泡沫稳定性呈现先升高后降低的趋势，在α1=4%时达到最高，为96.17%。

进一步研究表明油茶皂苷-SLS复配体系的润湿性有明显的改善，复配体系的最低接触角为23.9°，润湿性能大幅提升。油茶皂苷的五环三萜的独特结构不仅改善了体系的稳泡性能，而且提高了体系的润湿性能，接触角与稳泡能力之间存在一定的联系，这与 De［41］的研究相似。

复配体系在广泛环境条件下的稳定性得到提升。杨鹤群［42］将皂苷与SDS复配，降低表面张力的能力增效3.62%，但其环境稳定性不佳。本研究的复配体系抗温抗硬水能力强，且使用的SLS刺激性更小［43］，相较于传统的复配表面活性剂更适合应用于洗发香波等人体洗护产品。在酸性条件和盐离子存在时，复配体系表现出良好的表面活性，乳化性能也得到有效提高。

油茶皂苷-SLS复配体系具有优异的降低表面张力能力、泡沫性能、润湿性能及环境稳定性，这种复配体系在日用化工、石油开采等领域具有较好的应用前景。