氨基酸表面活性劑三元復配體系的應用研究

王 石，方兆華，馮小玲，周立武，王德友

(珠海伊斯佳科技股份有限公司，廣東 珠海 519055)

氨基酸表面活性劑具有刺激性和毒性低，易生物降解等優點[1,2]，但其應用于清潔類產品時，存在增稠困難，添加高分子增稠劑又出現清洗不凈、增加成本等問題。表面活性劑復配體系通常顯示出優于單一表面活性劑的特性[3]，如改善表面活性和穩定性，降低刺激性，增加黏度等。SHRESTHA等[4]研究了氨基酸表面活性劑與陽離子表面活性劑的復配體系，Ghosh等[5]報道了氨基酸表面活性劑與非離子型表面活性劑的復配體系可形成囊泡和蠕蟲膠束，目前已有研究表明氨基酸/兩性表面活性劑復配可以形成自增稠體系[6]，但關于氨基酸/兩性離子表面活性劑/非離子表面活性劑三者間復配的研究較少。

筆者制備了氨基酸型表面活性劑、兩性表面活性劑和非離子表面活性劑三元復配體系，考察復配比、pH對復配體系黏度、泡沫性能、表面張力和微觀結構的影響，探究復配體系膠束聚集形態和形成機理，并將復配體系應用于以氨基酸表面活性劑為主活性成分的透明洗發香波。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

月桂酰肌氨酸鈉（LS30），工業級（活性成分30%），廣州天賜高新材料股份有限公司；月桂酰胺丙基甜菜堿(兩性離子表面活性劑，CAB-35），工業級（活性成分30%），廣州星業科技股份有限公司；丁二醇月桂酸酯（非離子表面活性劑，BGL），工業級，日油公司；羥丙基瓜爾膠羥丙基三甲基氯化銨，工業級，羅地亞集團；聚季銨鹽-10，工業級，陶氏化學；凱松，工業級，上海輕工所；山梨坦辛酸酯，工業級，科萊恩；氫氧化鈉、檸檬酸、檸檬酸鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；去離子水，實驗室自制。

發束：選擇天然原色真人頭發中段，制成長20 cm（可梳理長度）、寬2.5 cm及質量為 6.0 g的垂直扁平片狀發束。

JEM-1400型低溫冷凍透射電鏡，日本電子公司；pHS-3C型pH計，上海儀電科學儀器有限公司；NDJ-8S（D）轉子黏度計，上海精密儀器公司；JK99F型吊環法表面張力儀，北京中儀科信科技有限公司；MTT175發束梳理儀，英國戴亞斯特隆公司；GRM-52A羅氏泡沫儀，上海隆拓儀器設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 復配體系制備

電子天平稱取一定配比的表面活性劑樣品于500 mL燒杯中，加入一定量的去離子水并攪拌， NaOH或檸檬酸調節pH至所需值時停止攪拌，裝入50 mL試劑瓶并放于25 ℃恒溫箱保存。

1.2.2 黏度測定

樣品放置于25 ℃恒溫箱24 h，測量時將被測樣品放入恒溫控制的測量容器內，調至指定溫度，將所選轉子放入測量容器內接到轉軸上，轉子浸在試樣中心，樣品液面在轉子液位標線，防止轉子產生氣泡，然后讀取數值。

1.2.3 表面張力測定

吊環法測定樣品表面張力。配制一系列不同濃度的樣品溶液， （20±0.5） ℃下測其表面張力，測3次取平均值。以溶液濃度的對數為橫坐標，以不同濃度下所測得的表面張力（γ）為縱坐標作γ-lgc曲線，由曲線計算溶液臨界膠束濃度（cmc）。

1.2.4 低溫冷凍透射電鏡掃描

在25 ℃可控環境玻璃系統（CEVS）中制備樣品。用微量吸液管吸取樣品涂布于銅質柵格中，然后用濾紙擠壓柵格，使樣品在柵格中的小孔中形成薄層，然后用液態乙烷在-165 ℃急速冷凍后轉移至液氮中儲存。將樣品轉移至固定器(Gatan 626)中，用低溫冷凍透射電鏡（120 kV）在-174 ℃環境中拍照，圖片由Gatan多波束掃描CCD記錄并由Digital Micrograph進行處理。

1.2.5 低溫冷凍透射電鏡拍照

在T=90 K下冷凍固定，在T＜110 K，P＜10-2Pa下冷凍斷裂，然后在T＜190 K，P＜10-2Pa下冷凍干燥，在T＜110 K，P＜2×10-4Pa時鍍膜，在T＜150 K，P＜10-2Pa時進行冷凍傳輸，最后在T＜150 K，P＜2×10-4Pa條件下冷凍掃描觀察圖像。

1.2.6 泡沫測定

按照GB/T 7462-1994《表面活性劑發泡力的測定》進行測量。取2 g樣品放入800 mL燒杯中，加入80 g 標準硬水（硬度為0.342 g /L，以碳酸鈣計）和718 g去離子水，加熱至40 ℃制成樣品溶液，同時打開恒溫水浴器，使水溫穩定在40 ℃。依次使用去離子水和樣品溶液潤洗測試管內壁3次，潤洗完畢后使活塞處于關閉狀態，移取50 mL樣品溶液，使液面與測試管50 mL刻度線平齊，同時避免泡沫產生。用移液管吸取200 mL樣品溶液，移液管放置于固定器，使移液管與測試管的橫切面成90°，迅速完全打開移液管活塞，使樣品溶液豎直自然流下，樣品溶液完全放出后馬上讀出瞬時泡沫高度。重復以上實驗2次，取平均值。

1.2.7 高低溫穩定性測試

參照GB/T 29679-2013 洗發液、洗發膏考察洗發香波配方體系的穩定性，分別在（40±1）℃、（-8±2）℃條件下保持24 h，恢復室溫后觀察有無分層現象。

1.2.8 發束梳理性測試

將發束完全浸泡于含質量分數為0.5%的十二烷基硫酸鈉的發束清洗液中25 ℃超聲清洗10 min，重復2次，用自來水沖洗，然后使用儀器進行濕梳處理，反復測試，最終將該批次發束濕梳理功恒定于為固定值。濕梳理：潤濕發束后，用0.5 mL的洗發香波清洗發束，沖洗干凈后壓干發束上多余的水分，然后用梳理儀測試，將0.5 mL的自來水代替洗發香波做空白對照實驗。干梳理：發束經濕性梳理測試后，將發束垂直掛于環境溫度20～25 ℃、濕度40%～60%的房間內，自然風干24 h后用梳理儀測試。

1.2.9 洗發香波刺激性評價

1）皮膚斑貼實驗

選擇19～59歲符合人體皮膚斑貼實驗志愿者要求的受試對象30人次，男女各占50%。根據國家食品藥品監督管理總局頒布的《化妝品安全技術規范》（2015 年版）中人體皮膚斑貼實驗的基本原則和方法標準記錄結果。

2）紅細胞溶血實驗

采用紅細胞溶血實驗評估洗發香波的眼刺激性。計算560 nm處引起50%紅細胞發生溶血時的受試物質量濃度（L50，mg/L）和575、540 nm下的A值比值計算受試物的血紅蛋白變性率（DI），計算2個變量比值L/D（L50/DI）。

2 結果與討論

2.1 復配比對體系黏度的影響

將月桂酰肌氨酸鈉與月桂酰胺丙基甜菜堿以一定質量比（6∶4 ～ 9∶1）混合測定復配體系黏度，實驗結果見表1。由表1可知，復配體系黏度受月桂酰胺丙基甜菜堿含量的變化影響較大，隨著月桂酰胺丙基甜菜堿含量減少，黏度也隨之降低；質量比為6∶4時黏度較高，可能是因為月桂酰胺丙基甜菜堿比例較高時，二者會產生更強的協同效應。

表1 質量比對黏度的影響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對復配體系黏度和泡沫性能的影響

月桂酰肌氨酸鈉與月桂酰胺丙基甜菜堿以質量比6∶4混合，在體系中分別添加質量分數為0～4%（占溶液總質量）的丁二醇月桂酸酯測試體系黏度和泡沫高度，結果見表2。由表2可知，隨著丁二醇月桂酸酯含量增加，黏度逐漸增加，當添加量為3%時，黏度達到4 520 mPa·s，添加量超過3%時，黏度穩定在4 500 mPa·s左右，因此選丁二醇月桂酸酯添加量為3%；丁二醇月桂酸酯含量變化對復配體系發泡性能沒有明顯影響，當其添加量超過3%時，發泡性能略微下降。

表2 丁二醇月桂酸酯添加量對復配體系黏度的影響Tab.2 Effects of BGL dosage on viscosity

2.3 pH對復配體系黏度的影響

月桂酰肌氨酸鈉、月桂酰胺丙基甜菜堿與丁二醇月桂酸酯按質量比6∶4∶1混合，分別測定pH為4、5、6、7時體系黏度。由實驗結果可知，pH為4、5、6、7時體系黏度分別為3 730，4 500，4 380，2 460 mPa·s。pH從7降到5，氨基酸表面活性劑帶負電荷基團逐漸減少，導致陰離子分子間排斥力降低，有利于形成更多或更穩定的膠束，體系黏度增加；當pH小于5時，由于過多的電解質使得體系中處于平衡狀態的膠束結構被破壞，導致體系黏度降低。

2.4 臨界膠束濃度

測定了月桂酰肌氨酸鈉、月桂酰胺丙基甜菜堿、丁二醇月桂酸酯和三元復配體系（三者質量比6∶4∶1）的cmc。由實驗結果可知，復配體系cmc為38.7 mg/L，低于單一表面活性劑cmc（月桂酰肌氨酸鈉、月桂酰胺丙基甜菜堿、丁二醇月桂酸酯分別為85.4 ，118.5，175.9 mg/L）。加入丁二醇月桂酸酯后，可能結構相似的非離子表面活性劑分子也可以在界面上吸附，從而減弱了離子表面活性劑分子間的斥力，使表面活性劑聚集數增加，促使更密集的膠束形態出現，導致臨界膠束濃度降低。

2.5 微觀結構表征

在pH為6時，制備了LS30與CAB-35質量比為6∶4的復配體系，測得黏度為1 520 mPa·s，制備了LS30、CAB-35與BGL質量比為6∶4∶1的三元復配體系，測得黏度為4 520 mPa·s。用低溫冷凍透射電鏡拍照，掃描電鏡和透射電鏡結果分別見圖1和圖2。

圖1 復配體系Cryo-FESEM圖像Fig.1 Cryo-FESEM image of mixed systems

由圖1可知，LS30/CAB-35復配體系膠束形態為球狀，成不規則聚集狀態，三元復配體系膠束形態呈明顯的網狀結構。

圖2 復配體系Cryo-TEM圖像 Fig.2 Cryo-TEM image of mixed systems

由圖2可知，LS30/CAB-35復配體系無蠕蟲狀膠束存在，而三元復配體系存在蠕蟲狀膠束，且相互交聯成致密的網狀結構，因此宏觀上體系黏度上升。

2.6 三元復配體系在氨基酸透明洗發香波中的應用

2.6.1 洗發香波的制備及穩定性

按表3配方制備氨基酸透明洗發香波。制備工藝：將組分1、3加入燒杯中，攪拌（15 Hz）攪拌3 min，將組分2用適量水分散后在攪拌下加入，攪拌（15 Hz）5 min，依次緩慢加入組分4、5、6，攪拌（15 Hz）5 min均勻后加熱升溫至80 ℃；依次加入組分7、8、9、10保溫攪拌（15 Hz）30 min，停止加熱并開啟降溫，攪拌（15 Hz）下降溫至40～45 ℃時依次加入組分11、12、13，攪拌（15 Hz）10 min至透明均勻即可。按GB/T 29679-2013《洗發液、洗發膏》進行產品檢驗，透明洗發香波理化指標、微生物指標、衛生指標均合格，符合透明洗發香波產品標準。

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

續表

經過3個月穩定性測試，氨基酸透明洗發香波配方穩定性良好，未出現分層等現象。

2.6.2 梳理性測試

對氨基酸透明洗發香波和市售透明洗發水進行梳理性測試，測試結果見表4和表5，樣本量為30。由表4和表5可知，氨基酸透明洗發香波和市售洗發水處理發束前后的干、濕梳理功均有顯著性差異（P＜ 0.05），且氨基酸透明洗發香波處理后發束的干、濕梳理功小于市售洗發水，即氨基酸透明洗發香波洗后發束的柔順度明顯優于市售洗發水。

表4 氨基酸透明洗發香波和市售洗發水濕梳性對比Tab.4 Comparision of wet combability between transparent shampoo and commercial shampoo

表5 氨基酸透明洗發香波和市售洗發水干梳性對比Tab.5 Comparision of dry combability between transparent shampoo and commercial shampoo

2.6.3 刺激性評價

1） 皮膚斑貼實驗

配制質量分數為1%、5%和10%透明洗發香波水溶液進行皮膚斑貼實驗，皮膚刺激強度評分標準見表6。質量分數為1%和5%的透明洗發香波24 h內受試區均未出現水腫和紅斑等刺激性反應，質量分數為10%的透明洗發香波24 h內受試區紅斑和水腫平均分值均為0.1，小于0.5，表明洗發香波在實驗濃度范圍無刺激性。

表6 皮膚刺激強度評分標準Tab.6 Score standard of skin irritation

2） 紅細胞溶血實驗

采用紅細胞溶血實驗代替兔眼刺激性實驗對樣品進行眼刺激性評估，按照表7的刺激性分級標準評估樣品眼刺激性，實驗結果見表8。由表8可知，制備的透明洗發香波L/D大于100，說明以氨基酸表面活性劑復配體系制備的透明洗發香波溫和，不刺激眼部。

表7 眼刺激性分級標準Tab.7 Grading standard of eye irritation

表8 紅細胞溶血實驗Tab.8 Results of red blood cell hemolysis test

3 結論

質量比6∶4∶1月桂酰肌氨酸鈉/月桂酰胺丙基甜菜堿/丁二醇月桂酸酯三元復配體系，pH為6時，形成自增稠體系，黏度達4 520 mPa·s，臨界膠束濃度低于單一表面活性劑。Cro-FESEM、Cryo-TEM圖像表明高黏度的三元復配體系存在蠕蟲狀膠束且成致密的網狀結構，和月桂酰肌氨酸鈉/月桂酰胺丙基甜菜堿復配體系形成的球狀膠束形態有明顯區別，膠束形態的變化是三元復配體系黏度提高的主要原因。以月桂酰肌氨酸鈉/月桂酰胺丙基甜菜堿/丁二醇月桂酸酯三元復配體系制備的氨基酸透明洗發香波，穩定性和梳理性良好，溫和不刺激。