环境友好型氨基酸表面活性剂的制备及与洗涤相关界面性能的评价

DaNan Yea SuMin Lee SeonHui Jo HyonPil Yu JongChoo Lim

(1. Department of Chemical and Biochemical Engineering,Dongguk University-Seoul, Seoul 100-715, South Korea;2. Interface Lab, AK ChemTech Central Research Lab, DaeJeon, South Korea)

当前，工业上应用的绝大多数表面活性剂均是以石油及其裂解产物为原料的。其中，一些合成表面活性剂已经被确认是非生物降解的、刺激的、且对水生生物有害的。随着环境限制的日益严苛及人类环保意识的增强，生物表面活性剂为石油基表面活性剂的替代品，引起了越来越多的关注。相对于石油基表面活性剂，生物表面活性剂在独特性、多样性、选择性、制备的简便性、温和性和高效性等方面均具有显著的优势，甚至是在一些苛刻的条件下（如高温、强酸或强碱）。更为重要的是：生物表面活性剂是环境友好的，几乎无毒的，具有优异的生物降解性，极易放大化生产，并且是一些污染物的环境清道夫。鉴于其独特性和多功能性，生物表面活性剂已经在许多工业应用中大量使用，像洗涤剂、家庭清洁用品、化妆品、药物制造、食品添加剂、纺织加工、润滑剂、农业生产等，广泛地的被用作增溶剂、分散剂、稳定剂、乳化剂、润湿剂、发泡剂、破乳剂。

由于具有优良的生物降解性和较强的降低界面自由能的能力，氨基酸经常被用于表面活性剂的合成。所制备的表面活性剂往往表现出易生物降解、无毒、无刺激、温和、对水生生物无伤害等优异性能。因此，氨基酸型表面活性剂被广泛地应用于洗涤剂、家居用品、化妆品、药物、个人护理用品、食品添加剂等。已有研究发现：许多氨基酸型表面活性剂，特别是酰基氨基酸型表面活性剂，对各种诱发疾病的微生物具有消毒杀菌作用，可以预防疾病的发生。关于氨基酸型表面活性剂的制备虽然已有很多报道，但是关于其表面活性和发泡性能的详细研究依然较少，而这些性能对于工业应用是非常重要的。

甘氨酸表面活性剂以往主要通过椰油酰氯与甘氨酸反应制备，其中椰油酰氯由脂肪酸与三氯化磷反应得到。已有研究表明：脂肪酸对人体会带来一些刺激和毒性。因此，本文以天然的无毒易生物降解的椰子油为原料合成了两种环境友好的氨基酸型表面活性剂，通过FT-IR (Digilab's FT-IR FTS-165, Hopkinton, Massachusetts, USA),1H NMR和13C NMR spectroscopies (Bruker DPX300, 300 MHz, Karlsruhe, Germany)对其结构进行了表征，对比研究了两种氨基酸型表面活性剂的临界胶束浓度（cmc）、表面张力、润湿性、乳化力和泡沫稳定性等界面性能，以及它们的生物降解性、急性经皮刺激性、急性眼刺激和急性口服毒性等与环境相容性有关的性能，最后通过去污实验考察了两种氨基酸型表面活性剂应用于洗涤剂配方的可能性。

1 实验部分

1.1 主要试剂

椰子油购自LG Household & Health Care Co.(Seoul, Korea)，直接使用未进行任何进一步的纯化，结构式见图1，其中R由5.15%辛基、4.85%辛酰基、60.70%月桂基、15.86%肉豆蔻基、7.21%棕榈基和6.41%硬脂基构成。三氯化磷（PCl3，99%）和甘氨酸（C2H5NO2，99%）分别购自Daejung Company (Siheung, Korea)和Daesang Company(Seoul, Korea)，无需任何处理，直接使用。氢氧化钾（KOH，90%）、氢氧化钠（NaOH，98%）和正十六烷（＞99%）购自Sigma - Aldrich Co. (Korea)。所有样品的制备均使用二次蒸馏水配制。

1.2 合成

1.2.1 椰油酰基甘氨酸钾的合成

在配有搅拌器、温控仪和温度计的反应釜中加入3.99mol椰子油，升温至60℃，开动搅拌，直至椰子油完全融化。然后，缓慢滴加1.82mol 三氯化磷，1h滴加完，继续反应2h。反应结束后，通过水洗将未反应的三氯化磷、副产物磷酸、甘油等从反应釜下部去除。椰子油酰氯的产率均在90%以上。

在反应釜中加入0.894mol甘氨酸和1.24mol氢氧化钾溶液（45%）。45%氢氧化钾溶液及用作反应物，又用作pH调节剂，将体系的pH控制在11.25～12.5。反应釜的温度降低至12～15℃。然后，通过两个恒压滴液漏斗将0.883mol椰子油酰氯和130g氢氧化钾溶液（45%）同时滴加到反应釜中。滴加完成后，继续反应2h。最终所获得的CGK的收率达到95%以上。

1.2.2 椰油酰基甘氨酸钠的合成

基本合成过程与椰油酰基甘氨酸钾基本一致，只需将45%氢氧化钾溶液更换为50%氢氧化钠溶液。最终所获得的CGN的收率达到了95%以上。

1.3 表征方法

通过FT-IR (Digilab's FT-IR FTS-165, Hopkinton,Massachusetts, USA),1H NMR 和13C NMR spectroscopies (Bruker DPX300, 300 MHz, Karlsruhe,Germany)技术完成了对所合成氨基酸型表面活性剂的结构鉴定。表面活性剂溶液的pH利用S220-K型pH计（Mettler Toledo, Ohio, USA），Zeta电位利用Otsuka ELS-800（Tokyo，Japan）测定，温度为25℃。

临界胶束浓度（cmc）通过表面张力法获得，利用Krüss K100表面张力仪（Hamburg，Germany）采用Du Noüy环法测定表面张力，每个样品平行测量两次，误差应小于0.5mN/m。通过对表面张力曲线，应用Gibbs吸附方程，从而计算出表面吸附量和每一个表面活性剂分子在气液界面上的界面剂。在乳化和发泡等工业应用中，动态表面张力是非常重要的。利用Krüss BP2最大泡压表面张力仪（Hamburg，Germany）测量了表面活性剂溶液的表面张力随老化时间的变化，从而对表面活性剂分子在气液界面上的累积速率和界面自由能的降低快慢进行了评价。接触角可以反映液体在固体表面的润湿情况。利用Krüss DSA100接触角测量仪（Krüss DSA100，Hamburg，Germany）通过对液体形状的分析测定了表面活性剂在固体表面的接触角。乳化力是指表面活性剂能够形成稳定乳液的能力，通过乳化指数（EI）来表示。本研究中，乳化指数是指24h后乳化的油层高度与起始液体的总高度之比。

图1 CGK，CGN合成路线。(a) CGK，(b) CGN

在家用洗涤剂、化妆品、个人洗护用品、食品等产品中，泡沫的稳定性也是非常重要的。利用Teclis FoamScan泡沫测量仪（Tassin la demi lune，France）测量了1%表面活性剂水溶液在25℃的泡沫稳定性。根据产生高度为20cm的泡沫所需的时间对表面活性剂的发泡能力进行评价。通过对质量分数5%表面活性剂溶液电压的测量，评价了溶液的稳定性，从而对表面活性剂的结构变化（比如絮凝、聚结、相分离）进行了检测。

根据Korean Standard Method (KSM) 2714(KS，KSM 2714, 2007) 标准，通过活性污泥实验评价了表面活性剂的生物降解性。通过对半致死量（LD50）的测定评价了表面活性剂的急性毒性。

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂的表征

图2和3分别是CGK和CGN的1HNMR,13CNMR和FT-IR波谱。正如先前所讨论的，椰子油中的疏水链R由不同长度的烷基链组成。尽管如此，由于所合成的CGK和CGN的纯度较高，没有任何杂质和未反应的原料，因此，在核磁波谱分析时可将它们表征的结果显示按照单一组分而非混合物分析。比如，如图2a所示，CGK的结构和各组氢质子的比例与理论值完全吻合，因此，可以确认所获得的CGK纯度非常高，几乎没有杂质。

CGK的波谱解析如下：

1HNMR (400MHz, CD3OD), m ： 0.876-0.907, 3H(CH3-CH2-, m)，1.282-1.307, 18H (-CH2-CH2-CH2-, m)，1.594-1.610, 2H (-CH2-CH2-, m)，2.215-2.253, 2H (-CH2-CO-, m)，3.721, 1H (-CONH-CH, m) （图2a）。

13CNMR (100 MHz, CD3OD), m ： 14.616, 23.887,27.031, 30.571, 30.63-30.916, 33.224, 37.321,44.738, 48.512-49.787, 176.011-176.817（图2b）。

CGN的核磁波谱解析如下：

1HNMR (400 MHz, 二甲基亚砜 [DMSO]), m ：0.826-0.844, 3H (CH3-CH2-, m)，1.222-1.436, 18H(-CH2-CH2-CH2-, m)，2.060, 2H (-CH2-CH2-, m)，2.923, 2H (-CH2-CO, m)，3.276-3.355, 2H (NH-CH2-CO, m)，7.1, 1H (-CO-NH-CH, m) （图3a）。

13CNMR (100 MHz, CD3OD), m ： 14.557-14.579,23.77-23.792, 27.068, 27.874, 30.263, 30.483,30.519, 49.582-49.794, 175.834, 179.631 （图3b）。

从图2 c和3 c的F T-I R图中可以清晰地看到CGK和CGN的典型吸收峰，比如：N-H伸缩振动吸收峰（3300-3500cm-1），C-H伸缩振动吸收峰（2800-900cm-1），C=O酰胺特征峰（1640-1670cm-1）和C-O羧酸特征吸收峰（1250cm-1），进一步证实了目标产物的结构。

2.2 界面性能

图2 CGK光谱图： (a) 1HNMR图谱， (b) 13CNMR图谱和 (c) FT-IR图谱

图3 CGN光谱图： (a) 1HNMR图谱， (b) 13CNMR图谱和 (c) FT-IR图谱

通过测定质量分数0.01%表面活性剂溶液在25℃下，不同pH时的zeta电位，获得了表面活性剂的等电点。CGK和CGN的等电点分别是3.23±0.15和7.99±0.18。采用Du Noüy环法测定了表面活性剂溶液在不同浓度下的静态表面张力，并将其与表面活性剂浓度作图，从而获得临界胶束浓度，结果见图4和表1。CGK和CGN在25℃时的临界胶束浓度分别为1.74×10-2和3.38×10-2mol/L，平衡表面张力分别为29.81和36.20mN/m。这与那些应用于洗涤剂配方的商品化表面活性剂的表面张力是基本相当的。比如，月桂基聚氧乙烯醚(9)(C12E9,C12H25(OCH2CH2)9OH)、直链烷基苯磺酸(LABSA,CH3(CH2)11C6H4SO3H)、十二烷基聚氧乙烯醚(3)硫酸钠(SLES,CH3(CH2)11(OCH2CH2)3OSO3Na)、壬基酚聚氧乙烯醚(10)(NP-10, C9H19C6H4(OCH2CH2)10OH)和油醇二乙醇胺甲基硫酸酯（AQ）的表面张力分别为32.12，29.31，27.14，32.03和41.0mN/m。这一结果充分说明：CGK和CGN与这些广泛应用于洗涤剂配方的商品表面活性剂具有相当的界面性能。特别是CGK，具有非常高的表面活性，可以非常有效地降低界面自由能。

图4 25℃，Du Nou..y环法测量CGK，CGN溶液表面张力结果，(a) CGK，(b) CGN

根据Gibbs吸附等温式计算了表面活性剂的饱和吸附量，其中(dm /dlnC)为在临界胶束浓度以下表面张力随浓度的变化率。结果发现：CGK和CGN在25℃时的饱和吸附量分别为1.67×10-6mol/m2和1.64×10-6mol/m2，每一个表面活性剂分子在气液界面上所占据的最小截面积分别为99.43 Å2和101.08 Å2。

表1 25℃，氨基酸表面活性剂物理特性

当溶于水时，离子表面活性剂通常会解离成两部分：含有疏水尾链的表面活性部分和反离子。这些反离子对表面活性剂的临界胶束浓度、胶束聚集数、尺寸、形状、催化活性等性能影响显著。比如，当反离子与胶束结合时，可以显著降低表面活性剂头基之间的静电斥力。因此，表面活性剂在水溶液中的临界胶束浓度通常随着反离子结合度的上升而下降。反离子与表面活性剂分子的结合程度随着反离子的极化度和化学价的增大而增强，随着反离子水化半径的增大而减小。正是由于表面活性剂带电头基之间静电排斥力的下降，反离子与表面活性剂分子的结合导致了界面层分子数目增大，表面活性剂分子在气液界面上堆集致密。众所周知，溶液的表面张力和表面自由能的大小取决于气液界面上的表面活性剂分子数目。界面上表面活性剂浓度越大，表面张力越低，表面自由能越小。

对于一些较大未水化的离子，由于所带电荷较为分散，导致水化程度严重降低。简言之，离子越大，水化程度越小，最终形成的水化离子的尺寸越小。比如，未水化的钾离子虽然比未水化的钠离子大，但是水化的钾离子半径（0.331nm）则比水化的钠离子半径（0.358nm）要小。正是由于水化的钠离子半径较大，从而使得电荷中心逐渐远离了带有反电荷的表面活性剂头基表面。另一方面，水化半径较小的钾离子与带有负电荷的表面活性剂头基之间则具有更强的相互作用，从而极大地降低了带电头基之间的静电排斥力，使得CGK在气液界面上形成了排列更加致密的吸附膜。换言之，CGK在气液界面上的浓度较大，从而导致了更低的表面张力和更低的界面自由能。

表面活性剂分子的这种既亲水又亲油特性使得其具有很强的向界面（气液、气固、液液等）层迁移的趋势。这种迁移趋势直到界面层不再有空位接纳新的分子才会停止，但这种停止并不是真正的停止，只是一种动态平衡。在向界面层迁移的过程中，表面活性剂分子在界面上的排列会依次经历如下几个步骤：

(1) 胶束状聚集体不断解离成表面活性剂单体，这是一个慢的弛豫过程，弛豫时间在0.001～1s。

(2) 表面活性剂单体分子从体相向气液界面相扩散。

(3) 表面活性剂分子在气液界面上的吸附与脱附达到平衡。

根据Ward和Tordai提出的扩散控制吸附模型，如果吸附过程是扩散控制的，则m (t)与 t1/2在短时间或长时间内均保持线性。由图5所示，无论是CGK还是CGN，m (t)与t1/2在短时间或长时间内均呈现出较好的线性关联，表明CGK和CGN在气液界面上的吸附是一种扩散控制过程。如前所述，动态表面张力的测量在许多工业应用过程（乳化、发泡、涂层等）是非常重要的。通过对表面活性剂溶液动态表面张力的研究可以探究表面活性剂分子在气液界面上的吸附快慢，从而影响其降低界面自由能的速度。在本研究中，我们利用最大泡压法测定了溶液表面张力随时间的变化。

从图5a可以看出，随着浓度的增大，CGK的表面张力逐渐降低，且由于CGK从体相向界面相较快的迁移速度，使得达到平衡表面张力所需的时间逐渐缩短。这些发现表明，一旦界面相中有某一个位置没有被CGK分子占据，体相中的CGK分子则会立刻蜂拥而至，填补这一空位。另一方面，对于CGN而言，要使表面张力达到平衡值则需要相对较长的时间（图5b），说明当界面上出现没有被表面活性剂占据的空位时，体相中的CGN分子并不能立刻补充上去。这可能是由于CGN分子较慢的迁移速度所致。从动态表面张力的结果可以看出，CGK和CGN都可以快速地从体相迁移至界面相，并吸附于界面层，从而降低界面张力和界面自由能。但是，相对而言，CGK比CGN更加有效。

图5 25℃，CGK与CGN动态表面张力：(a) CGK，(b) CGN

利用接触角测量仪测定了质量分数1%表面活性剂在玻璃载玻片上的接触角。接触角越大说明表面活性剂的疏水性越强。从表1中的数据可知；CGK（45.98）在玻璃载玻片的接触角比CGN（36.31）更大，即CGK比CGN疏水性更强。这一结果与二者的临界胶束浓度相一致，疏水性强的表面活性剂临界胶束浓度更小。

通过测量表面活性剂的乳化指数评价了CGK和CGN的乳化力。如表1所示，CGK和CGN的乳化指数分别为61.71%和60.00%，说明二者均具有非常好的乳化力。相较而言，那些在工业上广泛应用的乳化剂，比如NPE6（51.48%），NPE7（54.45%），NPE8（55.45%），NPE9（57.42%）和NPE10（59.98%），它们的乳化指数却较低。

通过质量分数1%表面活性剂在25℃时产生指定高度泡沫所需时间的长短评价了表面活性剂的发泡速率，以泡沫在1500s后坍塌的百分比评价泡沫的稳定性。结果发现：CGK和CGN的发泡速率分别为71.65±2.78和66.69±3.12s。虽然CGK的发泡速率略高于CGN，但二者在发泡性能上的差异并不十分明显。CGK和CGN在1500s后泡沫高度分别降低了3.55%和17.51%（表1），说明CGK具有更好的泡沫稳定性。泡沫稳定性的这一规律与表面张力和接触角的变化一致。正是由于CGK分子较强的疏水性和较大的迁移率，使得其更易吸附于气液界面上，从而降低气液界面的自由能，形成了大量细腻而尺寸较小的气泡，提高了泡沫的稳定性。

通过质量分数5%表面活性剂溶液在25℃放置100h后上部和底部样品的电压完成了对样品稳定性的评价。如表1所示，对于CGK和CGN两种表面活性剂而言，样品上部和底部的电压相差无几，因此，可以讲CGK和CGN溶液均是稳定的。尽管如此，由于CGK样品上部和底部电压相差更小，故相对而言，CGK比CGN的溶液更加稳定。

2.3 应用性能测试

为了评估表面活性剂的环境友好型，分别对CGK和CGN进行了初步生物降解度和急性口服毒性评价。从表2中所列结果可知：两种表面活性剂的初步生物降解度均达到了99%以上，说明它们极易生物降解。根据相关法规及标准，当表面活性剂的初步生物降解率达到90%以上时即可应用于洗涤剂配方。显然，本文所合成的CGK和CGN应用于洗涤剂配方的潜力巨大。

以LD50为指标评价了表面活性剂在短期中毒过程中的急性毒性。结果显示：CGK和CGN的LD50值均大于2000mg/kg（表2），而像十二烷基聚氧乙烯醚(9)(PLA)和十二烷基苯磺酸（LAS）这两种广泛应用于洗涤剂配方的传统表面活性剂，它们的LD50值分别为1.19和650mg/kg。这一对比充分表明本文所合成的CGK和CGN是相当温和的。

通过去污实验分别评价CGK和CGN两种表面活性剂在25℃的去污性能。如表2所示，CGK和CGN表面活性剂的去污率分别达到了85.9%和86.5%，而洗涤剂配方中常用的直链烷基苯磺酸和油醇二乙醇胺甲基硫酸酯的去污率分别只有70.2%和14.7%。这说明CGK和CGN具有较高的去污能力，非常适合应用于洗涤剂配方。

按照相关标准对CGK和CGN两种表面活性剂的急性皮肤刺激、急性眼睛刺激进行了评价，结果见表2。根据实验结果可以确认：CGK和CGN对皮肤的急性刺激均不属于危险级别，表明二者对皮肤无急性刺激，是温和型表面活性剂。CGK和CGN对眼睛的急性刺激值均为0，表明二者均不会引起任何眼睛急性刺激。

表2 氨基酸表面活性剂性能

3 结论

表面活性剂发展所需要解决的一个重要问题就是表面活性剂的环境相容性，包括它的生物降解性和毒性。氨基酸型表面活性剂是一类生物相容的且可生物降解的表面活性剂，充分满足了环境友好型表面活性剂的要求。因此，本文以椰子油为原料，合成了两种氨基酸型表面活性剂：CGK和CGN，并通过FT-IR，1HNMR和13CNMR等技术手段对两种表面活性剂的分子结构进行了表征，分别评价了表面活性剂的临界胶束浓度、平衡表面张力、动态表面张力、乳化力、润湿性能和泡沫性能等界面相关性能。结果表明：CGK和CGN均具有非常优异的界面性能。相对于那些应用于洗涤剂的传统表面活性剂，CGK和CGN表现出了更高的去污效果。

急性口服毒性（LD50）结果表明：CGK和CGN均是无毒的，比PLA和LAS的毒性都要低。急性皮肤毒性和急性眼睛刺激测试显示：CGK和CGN是一种无刺激且非常温和的表面活性剂，它的初级生物降解度可以达到99%以上。简言之，它们是非常适合应用于洗涤剂配方的，特别是CGK。