甜菜碱型表面活性剂的研究进展

卢国强 穆 蒙 李 洋 张永民,3＊

1.江南大学化学与材料工程学院合成与生物胶体教育部重点实验室，江苏无锡，214122；

2.中石化胜利油田博士后工作站，山东东营，257100；

3.浙江省绿色清洁技术及洗涤用品重点实验室，浙江杭州，310056

甜菜碱型表面活性剂是一种以甜菜碱为基础的表面活性剂，分子中含有季铵盐型阳离子部分和带负电离子组成的两性离子表面活性剂，阴离子部分通常是羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐、磷酸酯盐等，阴阳离子两部分电荷相互作用构成内盐[1]。因此，在其等电点区域范围不会出现溶解度骤然下降而产生沉淀的现象[2]。甜菜碱表面活性剂的特殊结构造就了其具有优异的性能，如具有较好的抗硬水能力、抗菌性、良好的生物相容性、低刺激性、良好的发泡性等[3-4]。此外，甜菜碱表面活性剂还具有良好的抗紫外线性能，可以有效地防止液体中的有机物质被紫外线破坏[5-6]；其较低的油水界面张力特性运用到石油开采，将对提高油藏驱油效率有着巨大价值[7]。由于这些独特的结构和性质，在各个领域都有广泛的应用：例如甜菜碱表面活性剂常用于肥皂、沐浴露等个人护理产品中，它可以增加产品的起泡性以及清洁能力，使产品更加温和而不刺激；在农业领域中，甜菜碱表面活性剂被广泛用作增效剂，它可以提高农药和肥料在植物叶片上的吸收速度和效率，促进植物生长并且对植物无毒性；在工业生产中，甜菜碱表面活性剂可用于纺织品染色过程中的分散剂，帮助染料均匀地分散在纤维上，还可用于泡沫塑料的制备过程中，以提供更好的稳定性和流动性。除此之外，甜菜碱表面活性剂在家居清洁剂中也有广泛应用，它可以帮助去除油污、污渍和污垢，并且对环境相对友好[8-9]。总而言之，甜菜碱表面活性剂具有广阔的应用前景。

甜菜碱表面活性剂主要分为羧基甜菜碱、磺酸基甜菜碱、硫酸酯基甜菜碱、亚硫酸酯甜菜碱、磷酸酯基甜菜碱及双子甜菜碱等。目前研究较多的是羧基、磺酸基及双子型这三种类型的甜菜碱表面活性剂。

1 羧基甜菜碱表面活性剂

1.1 α-烷基羧基甜菜碱

最早是用α-卤代长链脂肪酸与短链叔胺反应制备而成，脂肪酸的卤化反应一般采用Hell-Volhard-Zelinsky（HVZ）法[10]，即羧酸在三氯化磷或三溴化磷的催化下与卤素发生反应。其中最简单的就是与三甲胺的季铵化反应，Tori等[11]便是利用此法得到高纯度的α-烷基甜菜碱型两性表面活性剂。根据相似相溶原理，α-卤代羧酸可以溶解在液态三甲胺中，这就避免了溶剂的使用，减少工业成本[12]。其合成路线如图1所示。

图1 α-烷基羧基甜菜碱表面活性剂的合成路线

该类表面活性剂在泡沫性、润湿性、去污力等方面具有十分优越的性能。例如：王泽云等[13]对α-长链烷基甜菜碱在皂类洗护产品中的应用性能进行了研究，发现其能显著提高产品的润湿性和抗硬水性能并且降低了对皮肤的刺激性，然而泡沫性几乎不受影响。除此之外，这类表面活性剂还具有很好的配伍性，可与阳离子、阴离子表面活性剂进行复配。齐丽云等[14]通过天然油脂基两性表面活性剂α-癸基甜菜碱和十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）、十二烷基硫酸钠（SDS）及非离子表面活性剂八聚乙二醇正十二烷基单醚（BL-8SY）进行复配，二者复配后能有效降低体系表、界面张力，并且能够促进胶束的形成。

1.2 N-烷基羧基甜菜碱

常见的合成方法主要是由氯乙酸钠或氯乙酸酯和长链的烷基叔胺反应得到N-烷基甜菜碱表面活性剂，Swain等[15]就是采用此方法合成了N-长链烷基甜菜碱。这类表面活性剂具有较好的润湿性、乳化性，生产过程也相对简单、工艺条件成熟。其合成路线如图2所示。

图2 N-烷基羧基甜菜碱表面活性剂的合成路线

当烷基链长为－C12H25时，就是市面上最为常见的十二烷基二甲基甜菜碱（B-12），耐硬水性好，起泡性优秀。常用于配制香波、儿童清洁剂等，也可用作纤维、织物柔软剂和抗静电剂。除此之外，这类表面活性剂还具有良好的抗菌活性，然而链长对表面活性剂的性能具有显著的影响。Birnie等[16]发现抗菌活性随着链长的增加而增加；严群芳[17]通过实验发现十四烷基的起泡性、洗涤能力较强，而十六烷基具有较好的钙皂分散能力。随着研究的深入，众多学者发现这类表面活性剂还能用作模板合成介孔材料，介孔材料相对多孔材料有着众多无法比拟的优点。Xin等[18]用BS-14合成了SiO2介孔材料和掺杂一定量TiO2的SiO2/TiO2复合介孔材料，这些材料具有蠕虫状结构且比表面积较高。然而对于某些特殊环境，传统烷基甜菜碱已无法满足工业要求，新型烷基甜菜碱表面活性剂的开发越来越受到重视。蔡璐、钟星等[19-20]以金刚烷胺为原料，通过Eschweiler-Clarke甲基化反应和季铵化反应合成了金刚烷基甜菜碱表面活性剂，其合成路线如图3所示。该合成方法简单且金刚烷在感光材料、润滑剂等方面有广泛的应用，同时为新型金刚烷基表面活性剂的开发提供了新的思路。

图3 金刚烷甜菜碱表面活性剂的合成路线

1.3 N-烷氧基羧基甜菜碱

这类表面活性剂是在N-烷基羧基甜菜碱的基础上改良得到的。通常脂肪伯胺经乙氧基化后得到含聚氧乙烯链的叔胺，再和N,N-二甲基乙酸钠反应得到目标化合物；或者直接由烷基氯甲基醚或硫醚化合物和N,N-二甲基乙酸钠反应得到，其合成路线如图4所示。在油田驱油应用中，通常将该表面活性剂进行复配以实现超低界面张力（＜10-2mN/m）。李三川等[21]以N-十四烷氧基甜菜碱和聚丙烯酰胺组成二元复合驱油体系；方芳等[22]合成了N-(3-十八烷氧基-2-羟丙基)-N,N-二甲基甜菜碱（JHD-18），并且和烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10）复配以后，能实现超低界面张力。

图4 N-烷氧基羧基甜菜碱表面活性剂的合成路线

1.4 烷基酸胺羧基甜菜碱

这类表面活性剂通常是用脂肪酸、酰氯或脂肪酸酐的衍生物与N,N-二甲基乙二胺等发生酰胺化反应，再与氯乙酸钠发生季铵化反应后得到目标化合物，合成路线如图5所示。这类表面活性剂的热稳定相对较好；另外，酰胺键的引入增强了表面活性剂的亲水性、温和性及稳泡性[23]。而长链的酰胺羧酸甜菜碱常被用作增黏剂，侯帆[24]设计了一种十八烷基甜菜碱（BET-18），具有良好的耐温性、抗剪切性，遇到油气等烃类物质能自动破胶且对岩心基质的伤害小。

图5 烷基酸胺羧基甜菜碱的合成路线

2 磺酸基甜菜碱表面活性剂

2.1 磺乙基甜菜碱

用亚乙基磺酸酐、卤代乙磺酸钠等磺乙基化试剂与各种长链叔胺化合物反应来制备相对应的磺乙基甜菜碱，其合成路线1如图6所示。另外，还可以采用先烷基化后磺化的方法在分子内引入磺乙基，合成路线2见图7。相较于相应的羧基甜菜碱具有更高的熔点、在硬水中的钙皂分散性更好。

图6 磺乙基甜菜碱表面活性剂的合成路线1

图7 磺乙基甜菜碱表面活性剂的合成路线2

张伟伟等[25]发现十二烷基乙氧基磺基甜菜碱（DESB）具有良好的发泡性、杀菌性，常用于沐浴液、洗手液等家居洗涤剂中。除此之外，在碱性电池中添加DESB能够有效降低电池贮存后的内阻，提升电池的安全性以及提高电池的输出效率。

2.2 磺丙基甜菜碱

过去用1,3-丙烷磺酸内酯与叔胺反应得到磺丙基甜菜碱表面活性剂，该法不含任何副产物。然而1,3-丙烷磺酸内酯已被世界卫生组织列为2A类致癌物质，工业生产中已基本不再使用[26-27]。研究表明，环氧氯丙烷和亚硫酸氢钠在氮气保护下制得3-氯-2-羟基丙磺酸钠，再和长链叔胺反应即可得到磺丙基甜菜碱，其合成路线如图8所示。原料选择不同，得到的物质结构也不同。例如，以脂肪酸为原料可以得到酰胺类磺基甜菜碱。

图8 磺丙基甜菜碱表面活性剂的合成路线

磺丙基甜菜碱表面活性剂具有优良的表界面活性，良好的钙皂分散能力以及优秀的洗涤、抗菌效果。Zhou等[28]合成了一种新型抗菌剂聚磺丙基甜菜碱（PSPB）。研究表明，用PSPB处理过的棉织物对革兰氏阴性菌大肠杆菌（E.coli）和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（S.aureus）具有明显的抗菌效果，广泛应用于运动服、内衣、家用纺织品、医疗器材等产品上。同样，Chen和Zhang等[29-30]将两性离子磺丙基甜菜碱作为一种新型抗菌剂，能够有效改善棉织物的机械性能，处理过的织物不会对皮肤产生刺激，并且对革兰氏阳性菌的杀菌效果能达到99%。磺丙基甜菜碱表面活性剂是环保抗菌纺织品应用的理想选择，作用流程图如图9所示。这类表面活性剂还拥有出色的泡沫性能和增稠性。曲广淼等[31]对三种磺丙基甜菜碱的泡沫性进行研究，起泡性随着表面活性剂浓度的增加而增强；升高温度能增强起泡效果，这对高温油藏下的泡沫驱油具有实际的应用价值。

图9 磺丙基甜菜碱对织物表面的处理

2.3 羟基磺丙基甜菜碱

这类表面活性剂的合成方法与磺丙基甜菜碱的合成方法类似，其结构式如图10所示。在酸性及碱性条件下均具有优良的稳定性，良好的乳化性、杀菌性和黏弹性等，广泛应用于日用化工、油田驱油、压裂等多个领域。例如，张荣明等[32-33]合成了十四烷基羟基磺基甜菜碱（THSB），THSB具有良好的表面活性，且与聚丙烯酰胺（PAM）组成的二元体系经过30 d后其黏度保留率依然能达到98.1%。THSB与碱、聚合物组成的三元驱体系能将油水界面张力降低至超低水平并且能维持较长时间。除上述复合驱油体系外，Wang等[34]发现十八烷基羟基磺基甜菜碱在浓度不低于0.001%的情况下可以实现超低界面张力，单一表面活性剂在超低浓度下就能达到驱油效果。同样，Zhou等[35]发现双羟基磺基甜菜碱表面活性剂的最低油水界面张力也能达到10-3mN/m数量级，降低油/水界面张力出色。

图10 羟基磺丙基甜菜碱表面活性剂的结构式

2.4 烷基酰胺羟丙基磺基甜菜碱

该类表面活性剂通常采用脂肪酸和N,N-二甲基乙二胺反应得到酰胺，再和3-氯-2-羟基丙磺酸钠进行季铵化反应得到烷基酰胺羟丙基磺基甜菜碱表面活性剂，其合成路线如图11所示。

图11 烷基酰胺羟丙基磺基甜菜碱表面活性剂的合成路线

刘楠楠等[36]针对老油田含水量高、采收率低等问题，采用月桂酰胺丙基羟磺酸甜菜碱（LHSB）作为驱油剂。在2500 mg/L的低矿化度条件下，LHSB能够有效提高石油采收率约10.4%，并且能够有效改变岩石表面的润湿性。于涛等[37]以油酸为原料合成了三种新型酰胺丙基羟丙基磺基甜菜碱表面活性剂，发现这三种表面活性剂均具有较好的泡沫性能和乳化性能。Creatto等[38]发现与单一表面活性剂泡沫相比，椰油酰胺基丙基羟基磺基甜菜碱（CAHS）和十二烷基硫酸钠（SDS）的混合物具有更好的发泡效果，且泡沫半衰期延长了4倍，优良的泡沫性和超长的半衰期能有效提高油藏采收率，图12展示了混合盐水体系中通入CO2所产生的泡沫。

图12 CAHS和SDS混合体系在盐水下产生的泡沫

3 硫酸酯基甜菜碱

通常采用长链烷基叔胺与氯丁醇反应得到含羟基的季铵盐，随后再和氯磺酸发生酯化反应得到硫酸酯甜菜碱表面活性剂[39]，其合成路线如图13所示。另一种方式是在CCl4溶剂中，叔胺和环状硫酸酯反应得到硫酸酯甜菜碱表面活性剂。该类表面活性剂具有良好的钙皂分散性和洗涤性能。

图13 硫酸酯基甜菜碱表面活性剂的合成路线

4 亚硫酸酯基甜菜碱

该类表面活性剂是一种良好的杀菌剂，相较于异噻唑啉酮、十二烷基二甲基苄基氯化铵（1227）及戊二醛等常用杀菌剂具有更好的杀菌效果，其分子结构如图14所示。来自西南石油大学的苟绍华团队[40]发明了一种新型亚硫酸酯甜菜碱杀菌剂。通过抑菌实验发现亚硫酸酯甜菜碱表面活性剂对硫酸盐还原菌（SRB）、腐生菌（TGB）和铁细菌（IB）具有良好的杀菌效果，且杀菌时间持续较长。除此之外，该团队[41]将亚硫酸酯甜菜碱结构成功接枝到丙烯酰胺的共聚物上，增黏效果以及耐温、抗盐性明显提高。除此之外，这类表面活性剂还拥有良好的生物降解性、低毒性、低刺激性，广泛应用于衣物杀菌、化妆品、合成纤维、油田驱油等众多领域。虽然关于亚硫酸酯甜菜碱表面活性剂的合成、应用的相关研究相对丰富，但是对于亚硫酸酯甜菜碱表面活性剂本身残留的分析还相对较少。孙伟等[42]提出了一种新方法对长链烷基亚硫酸酯甜菜碱表面活性剂的微量进行测定，通过金橙Ⅱ法能够有效测定出水溶液中亚硫酸酯甜菜碱的含量，并且通过调节pH值能够消除叔胺对测定的干扰。

图14 亚硫酸酯甜菜碱表面活性剂的分子结构

5 磷酸酯基甜菜碱

5.1 烷基磷酸酯甜菜碱

发现最早和来源最广的磷酸酯甜菜碱是存在于大豆和蛋黄中的卵磷脂，这类表面活性剂通常采用环氧氯丙烷和磷酸化试剂（常见磷酸化试剂有POCl3、P2O5、焦磷酸、磷酸二氢钠等）反应得到氯化磷酸盐，再和长链叔胺进行季铵化反应得到磷酸酯甜菜碱，其分子结构如图15所示。关于磷酸酯甜菜碱表面活性剂的研究可以追溯到1954年，Rondestvedt等[43]合成了一种双十八烷基甲基铵乙基磷酸酯甜菜碱表面活性剂，这是关于它的最早报道。

图15 十二烷基二甲基羟丙基磷酸酯甜菜碱表面活性剂的分子结构

这类表面活性剂具有优良的乳化、泡沫、抗静电等性能，马涛等[44]发现十四烷基羟丙基磷酸酯甜菜碱的起泡体积达到640 mL，泡沫半衰期为5 014 s；同样，傅明连[45]用环氧氯丙烷和十二叔胺为原料合成了十二烷基磷酸酯甜菜碱两性表面活性剂，其合成路线如图16所示。最佳条件下该表面活性剂的界面张力为27.3 mN/m且泡沫高度达到193 mm。由于分子中磷脂结构与人体细胞结构类似，因此这类表面活性剂又具有低刺激性和优良的生物降解性。

图16 磷酸酯甜菜碱两性表面活性剂的合成路线

5.2 烷基酰胺磷酸酯甜菜碱

这类化合物的合成通常是以N,N-二甲基丙二胺、脂肪酸甲酯、磷酸二氢钠和环氧氯丙烷为原料合成中间体烷基酰胺丙基二甲基叔胺，再和2-羟基-3-氯丙基磷酸酯钠发生季铵化反应得到烷基酰胺磷酸酯甜菜碱[46-47]，该反应条件温和、反应时间短、产率高，应产率高。该表面活性剂可以广泛应用于医药、化妆品、食品等领域，其分子结构如图17所示。由于分子结构中含有酰胺键，因此难以发生水解，起泡性好且泡沫稳定时间长，洗涤效果优秀，常用作衣物洗涤剂、抗静电剂、洗护用品等。刘佳佳等[46]以不同的实验方法合成了三种不同链长的脂肪酰胺丙基磷酸酯甜菜碱（Cn-APA）。结果表明：三种Cn-APA均具有明显的抗静电性和去污性，而C14-APA的泡沫性能最好。沈俊等[48]考察了十二烷基酰胺丙基磷酸甜菜碱(C12-APA)和SDS、AEO-9的复配性能，SDS/C12-APA复合体系比单一表面活性剂具有更好的表面活性，而AEO-9/C12-APA复配体系却没有协同效应。针对优秀的起泡性和泡沫稳定性，对于油田驱油能否有实际应用，孙安顺等[49]将脂肪酰胺磷酸酯钾甜菜碱表面活性剂用于油田三次采油，发现该表面活性剂具有良好的界面张力和驱油效果，能够将原油从岩石表面剥离下来，采收率平均比水驱提高18%。

图17 脂肪酰胺磷酸酯甜菜碱表面活性剂的分子结构

5.3 烷氧基磷酸酯甜菜碱

这类表面活性剂通常是将脂肪醇和环氧氯丙烷反应的中间产物与N-甲基-2-羟基乙胺反应，最后甲基化即可得到烷氧基磷酸酯甜菜碱表面活性剂，其分子结构如图18所示。

图18 烷氧基磷酸酯甜菜碱表面活性剂的分子结构

农兰平等[50]合成了一种新型烷氧基磷酸酯甜菜碱表面活性剂（AHDHPB），该表面活性剂分子结构中烷氧基的存在使其表面活性更高，与阴离子表面活性剂具有较好的配伍性。王志辉等[51]进一步研究了AHDHPB的泡沫性能：在pH=5的条件下，AHDHPB具有优良的发泡能力及泡沫稳定性。

这类表面活性剂合成简单、原料易得，又因分子中的磷脂结构类似于细胞中的磷酸甘油酯，使得其能与皮肤相容、刺激性小，具有较好的生物降解性，与阴离子表面活性剂复配以后表面张力降低明显[52-53]。

6 甜菜碱双子表面活性剂

通过联接基将两个传统的单子表面活性剂的亲水头基联接起来，或者在靠近亲水头基的位置以化学键将两个传统表面活性剂联接在一起的表面活性剂称为双子表面活性剂（Gemini surfactants）[54-55]。其中常见联接基有聚氧乙烯、不同长度的烷基链、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）等。与传统单一表面活性剂相比，双子表面活性剂具有较低的临界胶束浓度（CMC）、良好的增溶性、更低的Krafft点及优秀的抗沉积和钙皂分散性等[50]。例如，Liu等[56]发现相对于单链阳离子表面活性剂，双子阳离子表面活性剂对甲苯具有更好的增溶效果。甜菜碱双子表面活性剂则是融合了双子表面活性剂和甜菜碱表面活性剂的优良特性，既具备高的表面活性、优异的协同效应，又具备耐硬水性、易于生物降解、毒性小等特点，广泛应用于渗吸采油[57]、泡沫排水[58]、食品防霉包装[59]等众多领域。

6.1 羧基甜菜碱双子表面活性剂

来自中科院的冯玉军团队[60]发明了一种羧酸类甜菜碱型双子表面活性剂（DCMA），其分子结构如图19所示，该表面活性剂具有较好的表面活性和较低的CMC；而罗娇[61]发现链长为14的这种结构的表面活性剂具有自转向酸体系增黏特性。

图19 DCMA的分子结构

来自江南大学的方云团队[62]发明了一种α-烷基羧基甜菜碱双子表面活性剂，其合成路线如图20所示。其原料为天然油脂资源，价廉易得；除此之外，还具有良好的钙皂分散能力，可以作为钙皂分散剂使用。

图20 α-烷基羧基甜菜碱双子表面活性剂的合成路线

6.2 磺基甜菜碱双子表面活性剂

磺酸盐型双子表面活性剂具有良好的水溶性、耐温抗盐性、去污性能、分散能力等优点，且其原料来源广泛、生产工艺简单，广泛用于石油、纺织工业、日用化工等领域。除此之外，这类表面活性剂还具有良好的配伍性。例如，Zheng等[63]合成了三种不同链长的磺基甜菜碱双子表面活性剂，发现GCS14/SDS混合物在降低表面张力的效率、胶束的形成上表现出更显著的效果。

Niu等[64]以脂肪胺、S-三嗪等为原料，合成了一系列烷基磺基甜菜碱双子表面活性剂（Cn-GSBS）。其CMC远低于十二烷基磺基甜菜碱（BS-12），C16-GSBS的CMC达到最低值5×10-5mol/L；丁伟等[65]合成了一种壬基酚磺基甜菜碱双子表面活性剂，其CMC为1.22×10-4mol/L。

Zhou等[66]合成了一种磺基甜菜碱型两性离子双子表面活性剂（EAPMAC）。该表面活性剂具有较高的耐盐性和热稳定性，而且将其涂覆在金属表面能避免金属被酸腐蚀，且杀菌效果良好。为了改善油藏地层非均质化以及提高储层酸化解堵效果，穆瑞花等[67]合成了一系列磺基甜菜碱双子表面活性剂（2Cn-SGS），其合成路线如图21所示。与常规黏弹性表面活性剂相比，高黏度条件下的胶束遇煤油等烃类能够自动破胶降黏且对地层没有损害。

图21 2Cn-SGS的合成路线

6.3 酰胺羧基甜菜碱双子表面活性剂

这类表面活性剂研究相对较少，因此相关文献报道较少。罗永平等[68]发明了一种车用尿素溶液。将酰胺基羧基甜菜碱双子表面活性剂和尿素、酚的衍生物等物质进行组合，得到的溶液可用于汽车尾气的处理，减少汽车尾气中有害物质的排放。杜光劲等[69-70]合成了一种酰胺型双亲水基甜菜碱（DHLB），其结构如图22所示。两个亲水基的DHLB具有较好的溶解性，在洗护等领域有广泛的应用前景。

图22 酰胺型双亲水基甜菜碱（DHLB）的分子结构

6.4 酰胺磺基甜菜碱双子表面活性剂

Wang等[71]以油酸为原料合成了一种不对称的双子油酰胺丙基羟基磺基甜菜碱（GOHSB），Wang等[72]以异佛尔酮二异氰酸酯作为联接基合成双子磺基甜菜碱（GAS），这两种表面活性剂均具有突出的黏弹性特征，可用作黏弹性压裂液。然而随着开发的增加，油田气井地层能量越来越弱，积液量逐年递增，泡沫排水采气体现出重要的作用。Qi等[58]合成了一种基于油酸的双子酰胺甜菜碱（B18-4-18），B18-4-18作为一种泡沫排水剂在水中的载液率为92%，在150 000 mg/L矿化水中的载水率依然可以达到84%，具有优秀的携液能力和耐盐性。

7 甜菜碱型表面活性剂的应用

7.1 日用化工

甜菜碱，别名“氨基酸保湿剂”，是一种天然的皮肤润肤剂，对于婴幼儿皮肤有很好的保湿补水效果。甜菜碱在化妆品中的主要作用是保湿、抗静电、黏度调控等，甜菜碱还具有保护细胞膜性能的作用。甜菜碱型表面活性剂在宽温度范围内具备优良的水溶性且清洗效果较优。例如，烷基酰胺甜菜碱增泡性强，刺激性低，且泡沫平稳，可用于洗洁剂和香波，对肌肤刺激性小、安全系数高，具备肌肤温和感。

莱雅公司[73]早在1999年就发明了一种含有甜菜碱表面活性剂的护发用洗涤剂，该产品能在除去头发上污渍、油脂的同时还能调理改善发质。Dong等[74]通过对十六烷基甜菜碱表面活性剂进行改性，能够配制温和不刺激、黏度适中的护发素及护肤产品。

甜菜碱也可用作抗脂肪肝剂。研究发现在饲料中仅添加0.125%的甜菜碱，生长猪胴体脂肪沉积即可减少15%。另外，甜菜碱可以为肠道细菌提供渗透保护，使胃肠道环境更为稳定，以此提高营养成分的消化率[75]。

7.2 杀菌抑菌

在油田开采、工业循环、家居医疗卫生等方面，细菌的存在都会引起各种复杂的问题，例如油层污染堵塞、设备腐蚀、容易致病、冷却水发臭等。细菌主要是依靠体内的酶进行活动，化学灭菌剂是通过化学消毒药物作用于微生物和病原体，使其蛋白质变性，失去正常功能而死亡。甜菜碱型表面活性剂作为一种新型杀菌抑制剂能有效消灭各类细菌，广泛应用于各个领域，并且其自身具有良好的生物相容性，不会对环境造成污染，可能的抑菌杀菌机制如图23所示。表面活性剂胶束通过静电相互作用吸附到大肠杆菌细胞膜外侧，胶束分子进一步插入细胞膜磷脂双分子层之间，导致屏障功能的丧失从而释放细胞质，大肠杆菌被杀死。

图23 甜菜碱型表面活性剂的抗菌机制示意图[78]

Wieczorek等[76]基于哌啶合成了一种哌啶基磺基甜菜碱表面活性剂。通过表面张力发现该物质具有很好的表面活性，通过抗菌实验表明该化合物具有很高的抑菌活性。同样，Zhang等[77]使用磺基丙基甜菜碱（ISB）和季铵盐（IQAS）作为抗菌整理剂，通过浸入-浸轧-干燥等方式对棉织物进行了处理。结果表明经过甜菜碱处理过的棉织物具有优异的防污活性和杀菌活性。

7.3 金属防腐

由于金属长期暴露在环境中，会与环境中的介质发生物理、化学作用，导致金属发生变质、腐蚀。金属腐蚀现象危害严重，给各个领域带来巨大的经济损失。同时，金属腐蚀对环境造成污染、火电厂锅炉腐蚀爆炸的案例屡见不鲜，对于金属腐蚀必须要采取相应措施。甜菜碱表面活性剂作为一种新兴的金属防腐剂、缓蚀剂，在众多领域对金属起到了良好的保护作用。表面活性剂浓度越大，金属缓蚀效率越高。其作用原理主要是在金属表面形成一层致密的保护膜，隔绝了外界环境与金属之间的接触，对金属起到了保护作用。

中国石油天然气集团公司[79]发明了一种金属缓蚀剂，将咪唑啉和酰胺羧基甜菜碱二者之间进行组合，可大大延缓金属腐蚀速率，并且对环境不会造成污染。唐华伟等[80]以十二烷基二甲基甜菜碱为表面活性剂，结合其他助剂成功制备出一种耐腐蚀脱漆剂。该耐腐蚀脱漆剂替代了传统氯化物溶剂型脱漆剂，成为环境友好型金属保护剂。

7.4 石油化工

石油作为一种不可再生资源占据着重要地位。随着油田的不断开采，含水量逐渐增大，难度也越来越高，因此三次采油技术凸显出巨大优势。然而在三次采油技术中，化学驱油展现出了巨大优势。研究表明，甜菜碱表面活性剂以内盐形式存在，表现出良好的溶解度和稳定性能，不易受pH值影响而在等电区域范围出现溶解度骤然下降的现象，在钙、镁离子含量较多的溶液中不会有沉淀现象出现，抗硬水性好，易生物降解。

Bai等[81]在40 g/L的高盐度条件下探究了C22尾氨基磺基甜菜碱表面活性剂（EHSB）。EHSB能够在一定的浓度下蠕虫状胶束交缠在一起形成黏弹性流体，相较于相同黏度的部分水解的聚丙烯酰胺（HPAM）驱油效率高出10%以上。

7.5 消防

泡沫灭火是通过在可燃物表面形成致密的泡沫隔绝层，从而达到灭火效果。甜菜碱表面活性剂在一定的浓度范围具有良好的发泡能力，并且形成的泡沫具有一定的黏附性，容易在可燃物表面形成一层薄膜，从而达到灭火效果。张连超等[82-83]对甜菜碱表面活性剂的泡沫灭火性能进行了探究，十二烷基甜菜碱与十二烷基硫酸钠（SDS）、椰油酰胺丙基甜菜碱（CAB）复配后的溶液可在较短时间内产生大量的泡沫，能迅速铺展在可燃物表面，扑灭迅速。

7.6 抗紫外线、抗氧化

甜菜碱是一种天然的植物碱，它主要存在于甜菜根中，具有较强的抗氧化和抗炎作用。自由基是一种活性氧分子，具有较高的反应活性，它可以破坏细胞膜、蛋白质等，导致皮肤老化。甜菜碱型表面活性剂可以中和自由基，保护肌肤免受自由基的侵害；防止紫外线对皮肤伤害引起的肌肤老化和晒斑，具有较强的抗氧化、抗紫外线作用。

8 结束语

综上所述，甜菜碱型表面活性剂因其独特的结构具有良好的抗盐、抗菌、低刺激、环境友好等性能以及良好的配伍性。在油田开采过程中，某些传统表面活性剂在高盐、高温环境下或多或少存在一些问题，如无法实现超低界面张力、高盐条件下产生沉淀、在地层中吸附损失严重等；在洗护产品中，如传统十二烷基硫酸钠（SLS）对皮肤具有强烈的刺激反应等。甜菜碱型表面活性剂的出现解决了一些传统表面活性剂在油田驱油过程中不耐盐、不耐温以及二（多）元复合驱的色谱分离效应，洗护产品中某些表面活性剂对皮肤产生刺激等一系列问题。近几十年来，众多科研工作者对甜菜碱型表面活性剂做了大量的研究，从最初的羧酸甜菜碱表面活性剂衍生出越来越多不同结构的甜菜碱型表面活性剂，在金属防腐、衣物除菌、日常洗护、抗氧化等领域得到广泛应用。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。对于新型甜菜碱型表面活性剂的探索是未来要继续前行的道路，拓宽表面活性剂研究范围，提升我国精细化工领域的竞争力。