葡萄糖酯表面活性剂的刺激性及界面性质

2022-01-29黄强王梦欣张灿王志刚刘保卢志敏

华南理工大学学报（自然科学版） 2021年12期

黄强王梦欣张灿王志刚刘保卢志敏

(1.华南理工大学食品科学与工程学院，广东广州 510640；2.广州市浪奇实业股份有限公司，广东广州 510660)

表面活性剂是同时具有亲水和疏水基团的一类物质，在食品、化工、材料、医药等众多领域应用广泛[1]，仅需较低用量即可发挥界面活性，如以CAB(椰油酰胺丙基甜菜碱)为主的清洗剂中，活性物含量仅为35%。方奕文等[3]合成了活性物含量30%的甜菜碱基表面活性剂，产物的起泡性能已经达到较高水平。目前市场上常用的表面活性物质十二烷基苯磺酸钠(LAS)其原料来源于石油化工副产品，刺激性强，有悖于或偏离了可持续发展战略和绿色化学理念[4]。以可再生资源为原料制得的糖酯基表面活性剂具有无毒、易降解、作用温和、配伍性强的特点，还有一定的防腐杀菌作用[5]。

表面活性物质的界面性质在很大程度上依赖于其分子结构，如极性基团的类型、携带电荷量、疏水链的长度等[6]。近年来越来越多的科学研究采用模拟的方法从分子尺度上揭示两亲物质在不相溶的两相界面中的性质。如Xu等[7]借助分子动力学模拟的手段，探究了十二烷基取代的磺酸盐、硫酸盐、苯磺酸盐，以及十二烷基二氧乙烯醚硫酸钠在油水界面处的分布规律及各自与水之间的成键或非键相互作用，发现极性基团中氧原子、苯环和乙氧基的存在能增强表面活性剂的亲水性；高斯萌等[8]通过分子动力学模拟的方法获得了壬基酚取代的碳链长度为8～16的系列烷基磺酸盐在癸烷/水界面的界面厚度、水分子的径向分布函数等参数，发现疏水链长为12个碳原子时，烷基磺酸盐的界面活性最高。分子动力学模拟已经成为科研人员探索分子结构与其性质之间关系的有力辅助手段。

糖类物质与疏水性烯基琥珀酸酐的酯化反应已有文献报道，由于需要控制该反应体系的pH值，此反应通常以水溶液为反应介质[9]。笔者所在课题组前期在水溶液中成功合成了辛烯基琥珀酸葡萄糖酯的粗产物，其中目标物糖酯组分的含量约为22%，该产物在水溶液中具有良好的表面性质[10]。本研究对获得的粗产物进一步萃取纯化，除去大部分非糖酯组分，然后将纯化后的糖酯与目前市场上常用的传统表面活性剂LAS、APG(烷基糖苷)、CAB进行比较；结合分子动力学模拟的方法探究了其界面性质，为4种不同类型表面活性剂的性质解释和预测，以及后续的应用提供理论参考。

1 实验

1.1 主要试剂与仪器

辛烯基琥珀酸酐(OSA，AR)、玉米醇溶蛋白(AR)，购自Sigma-Aldrich贸易有限公司；烷基糖苷(APG，工业级)、葡萄糖(AR)、十二烷基直链苯磺酸钠(LAS，工业级)，广州浪奇实业股份有限公司产品；氢氧化钠(AR)，德旺化工公司产品；液体石蜡(AR)，Macklin公司(上海)产品；正己烷(AR)，国药集团产品。

DCAT21型表面张力仪，北京东方德菲仪器有限公司生产；真空旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂生产；FA25-Digital型强力电动搅拌器，深华仪器公司生产；Agilent1200型高效液相色谱仪，岛津分析检测仪器有限公司生产；FA100N型电子分析天平，常州德普公司生产；台式精密pH计，北京格乐普公司生产。

1.2 OSGE的合成方法

参考文献[10]所述方法得到辛烯基琥珀酸葡萄糖酯粗产物，并进行分离纯化。用10%的氯化钠溶液作为水相，正己烷作为有机相对糖酯粗产物进行萃取，弃去水相，取有机相蒸发浓缩后得到产物辛烯基琥珀酸葡萄糖酯(OSGE)，经液相色谱测试，产物中糖酯含量为49.98%。

1.3 表面活性剂性质测试

1.3.1 表面张力和临界胶束浓度(CMC)测定

在26 ℃下使用表面张力测定仪依次对4种样品进行测定。分别用去离子水配制不同质量浓度(0.01，0.03，0.05，0.1，0.3，0.5，1，2，5，10 g/L)的表面活性剂溶液，测量时使用吊片法，每个样品在同一条件下平行测量3次取平均值。以4种样品的质量浓度对数(lgρb)为横坐标，测量出的表面张力值(γ)为纵坐标绘制散点图，找到曲线拐点处，此处相应的横坐标即为该样品的临界胶束浓度(CMC)[11]。

1.3.2 亲水-亲油平衡值(HLB)计算

用Davies法[12]进行计算。把表面活性剂分子的结构分为亲水和亲油基团两部分，不同基团有相对应的HLB贡献值。分子整体HLB值范围为0～40，计算方法为

HLB=7+x1-x2,

其中，x1为亲水基团对应的HLB贡献值之和，x2为亲油基团对应的HLB贡献值之和。

1.3.3 乳化性测定

将待测样品用蒸馏水配成1 g/L的试样液并取20 mL，与20 mL液体石蜡一并转移至100 mL容器中，以2 000 r/min的转速，用恒定高速剪切分散器搅拌2 min，之后立即移至带刻度的试管中，并马上记录下观察到乳化层的体积(h1,mL)和乳状液的体积(h2,mL)，测量3次取平均值。各样品对石蜡的乳化能力(Ec)按下式计算：

c=h1/h2×100%。

数据分析使用SPSS软件，设置显著性水平为0.05。

1.3.4 刺激性测定

选用体外刺激性测试中的玉米醇溶蛋白增溶试验[13](Zein Solubilization Test)进行刺激性测定。把4种样品分别依次配制为质量分数0.25%的溶液，各取50 g，边磁力搅拌边向其中混入0.5 g玉米醇溶蛋白，在26 ℃下以相同的转速磁力搅拌2 h后过滤，取适量过滤后的溶液，依照凯氏定氮原理测溶液中的蛋白质量，再减去用同样方法测得的不添加表面活性剂时溶液中的蛋白质量，即得到Zein值。

1.3.5 分子动力学模拟

用Discovery Studio软件构建4种表面活性剂的球棍模型，结合Multiwfn[14]计算各原子的电荷；对分子结构进行优化；动力学模拟使用GROMACS 2016.4软件，Carmm 36力场[15]；用CGenFF网站[16]产生Charmm 36力场下GROMACS格式的分子文件。

模拟体系的建立过程如下：选用Packmol程序，以癸烷作为油相，建立两侧是700个癸烷、中间是5 000个水分子的“三明治”模型[17]，油相和水相的交界处各插入70个OSGE、CAB、LAS和APG分子，表面活性剂分子的亲水基统一朝向水分子区域，另一侧的疏水基朝向癸烷分子，如图1所示。水分子选用SPC/E模型，分子间产生的静电作用选用PME求和法进行处理，非键作用的截断半径设定为1.2 nm。模拟正式开始之前的能量最小化步骤旨在消除不合理的作用力，采用最陡下降法。温度设定为298 K，压力为100 kPa，分别先后进行100 ps的正则及等温等压系统平衡，压力和温度分别采用Berendsen和Velocity rescale控制方法。之后进行动力学模拟，所有模拟时长均为50 ns。

图1 分子动力学模拟示意图(灰色、蓝色、绿色区域分别代表癸烷、水、表面活性剂分子)Fig.1 Molecular dynamics simulation schematic diagram(the gray area represents decane molecules,blue area represents water molecules,and surfactant molecules are drawn by green)

2 结果与讨论

2.1 表面张力和临界胶束浓度(CMC)

4种样品的质量浓度对数和表面张力的关系如图2所示。CMC值的计算结果见表1。

图2 不同表面活性剂的质量浓度对数和表面张力的关系Fig.2 Relationship between logarithm of mass concentration and surface tension of different surfactants

表1 表面活性剂的性质Table 1 Properties of surfactants

由图2可得，不同样品的表面张力变化趋势一致，均随浓度的增大先降低，到达最低点附近后基本保持不变；不同浓度下LAS的表面张力值均为最低，OSGE与LAS的最低值基本相同，说明OSGE与LAS的表面活性相当。

临界胶束浓度(CMC)定义为具有表面活性的物质刚开始在溶液中聚集成束时的最小浓度，受其分子结构的影响较大[18]。由表1可见，4种不同样品的CMC值排序为OSGE

2.2 乳化能力和亲水-亲油平衡值(HLB值)

乳化作用指的是使原本不相溶的两相更加均匀地混合，需要表面活性剂同时具备亲水性和疏水性。各样品对液体石蜡的乳化能力测试结果如表1所示，从表1中可以看出，OSGE、APG、LAS对液体石蜡的乳化能力相当，无显著差异，而CAB的乳化能力较弱。由于液体石蜡是多种碳氢化合物的混合物，其中可能包含直链或支链烷烃、烯烃、环状烷烃和其他芳香族化合物等，因此，用液体石蜡可以综合评估表面活性剂的乳化能力。

亲水-亲油平衡值(HLB值)可为表面活性剂在不同场景下的选择和应用提供理论依据，一般来说，值越大则表现出越强的亲水倾向。表面活性剂的分子构型、有无电荷、基团的种类及数量等因素都会影响其两亲性[19]。HLB值的计算结果见表1，由表1可见，4中样品的HLB值由大到小的顺序为OSGE>CAB>APG>LAS，说明亲水性强弱排序为OSGE>CAB>APG>LAS。Davies法强调表面活性剂分子中所含基团的种类和数量对其自身整体HLB值的贡献。在OSGE中，羧酸根和羟基对其亲水性贡献较大，疏水碳链相对较短，因此整体表现出较强的亲水性。

2.3 温和性

表面活性剂在实际应用时的刺激性体现在对蛋白质的变性和对角质层中脂质的溶出等[20]。表面活性剂可使Zein在水中的溶解度增大，因此，可根据溶出Zein的量评估其刺激性。不同表面活性剂的Zein值如表1所示，从表中可以看出，各样品的Zein值大小排序为LAS>APG>CAB>OSGE，表明LAS的刺激性最强；APG和CAB是目前较为常见的温和型表面活性剂，其Zein值大于OSGE。方云等[21]曾报道，离子基团的极性越小，对人体皮肤组织的刺激性也越小，如把烷基磺酸盐中的磺酸根变为极性更小的羧酸根，则会得到刺激性更低、使用感更好的表面活性剂。含有酰胺基团的分子因为与皮肤中蛋白质的化学结构相似，因此也比较温和。除分子结构的影响外，残留的刺激性原料或催化剂也会使整体的刺激性增大。LAS中磺酸根的极性较大，且制备时需经历烷基苯的磺化过程，可能引入刺激性强的物质，故整体刺激性较强。APG分子中不含带电离子，不易使蛋白质变性，刺激性较低。CAB因含有酰胺基团，并且整体呈电中性，因此刺激性也较低。OSGE的极性基团结构有分支，在位阻的作用下不易进入蛋白质结构内部，且制备原料均温和无刺激，因此对人体皮肤或毛发等组织的刺激性最小。

2.4 分子模拟表征界面性质

结合计算机分子模拟的方法，分别建立由4种表面活性剂构成的油相(癸烷)/表面活性剂分子/水相(水)三相混合体系，进行共计50 ns的动力学模拟。为了直观地了解混合体系中3种分子的分布情况，获取了不同混合体系中各组分纵向分布密度及各体系中油水界面厚度，如图3所示。

由图3可见，癸烷分子分布在体系两端，水分子分布在中央，表面活性剂分子则全部集中分布在癸烷和水分子两区域的交界处。各组分的密度如表2所示，每个混合体系中，癸烷的密度介于736～739 kg/m3之间，水的密度介于998～1 003 kg/m3之间，接近癸烷(725 kg/m3)和水(998 kg/m3)的实际密度，由此说明模拟体系的模型构建合理，参数设置合适，模拟结果可以反映各个体系的真实情况。

2.4.1 乳化能力、亲水亲油性

表面活性剂发挥乳化作用的机制为疏水基团和亲水基团各自渗入到油相(癸烷)和水相(水)内部，在油水两相交界处形成一层乳化层，因此必然会引起乳化界面处油相和水相的密度降低。为了更加直观地比较4种表面活性剂对癸烷和水混合体系的乳化能力，引入乳化界面厚度(ttotal)这一参数。根据“90- 90”界面厚度原则[17]，以z轴方向为参照，把水和癸烷各自的密度分别降低至90%处时二者在z轴方向上的距离作为该体系的乳化界面厚度(ttotal)，如图1所示，ttotal的数值越大，说明此表面活性剂分子联结水和癸烷两相的能力越强，即乳化性越强。界面厚度包含三部分，油相(toil)、水相(twater)和两相交界处表面活性剂分子层的厚度。其中，乳化界面中油相和水相的厚度定义为各相密度从90%降低至10%[22]时在z轴上对应的距离。

乳化界面及油水两相厚度计算结果如图3和表2所示。由图3和表2所示结果可见，乳化界面厚度(ttotal)排序为OSGE>CAB>LAS>APG，反映出对癸烷和水的乳化能力强弱排序为OSGE>CAB>LAS>APG。前文2.3节中分析得出OSGE对液体石蜡的乳化能力较强，结合界面厚度，说明OSGE对于由直链、支链烷烃和芳香烃等组成的混合油相，以及仅由直链烷烃构成的单一油相的乳化能力都较强，而CAB仅对直链烷烃的乳化能力较强。水相和油相的厚度比值(twater/toil)如表2所示，根据水相和油相的厚度比值可得，4中样品的相对亲水性强弱排序为OSGE>CAB>APG>LAS，该结果与HLB值的计算结果相符。

表2 表面活性剂分子尺寸及乳化体系的界面性质Table 2 Molecular size of sufactants and interfacial properties of emulsion systems

图3 不同混合体系中各组分纵向分布密度及油水界面厚度Fig.3 Longitudinal distribution density and oil-water interface thickness of different systems

2.4.2 分子结构对表面活性剂亲水性的影响

为了探究表面活性剂的亲水性与其分子结构之间的关系，获取了水分子在表面活性剂周围指定半径r处的径向分布函数值[23]及与表面活性剂之间形成的氢键数量[24]，如图4所示，其中径向分布函数值g(r)可以代表水分子出现的可能性大小。二者数值越大，说明该表面活性剂分子与水分子的亲和能力越强，即亲水性越强。

图4 水分子径向分布函数和氢键分布Fig.4 Radial distribution function of water molecules and hydrogen bond distribution

从图4中可以看出，氢键的数量变化与水分子出现的可能性大小相符，说明在距离表面活性剂最近的水化层内，其亲水性由极性基团与水分子的作用力，尤其是形成氢键的能力决定。由于OSGE具有分支结构，可以在分支处容纳更多的水分子，故在氢键作用范围以外，即距离表面活性剂分子0.4 nm以上时，OSGE周围水分子出现的概率有所增加，即亲水性相对增强。LAS的亲水性始终较弱，但在距其2.0 nm之外，由于LAS所带负电荷具有离子水合作用[25]，故亲水性又和APG基本持平。可以得出结论，表面活性剂的亲水性强弱与其所含基团的种类、含量，以及分子有无分支密切相关，亲水基团与水分子形成的氢键越多、离子水合作用越强、分子亲水部分分支结构越多，都越有利于提高其亲水性。