新型表面活性劑檸檬酸單酯的溶液性能研究及其在凝膠油中的應(yīng)用

黃娣，姜霆，王文娟，余定華

（1.南京工業(yè)大學(xué)食品與輕工學(xué)院，江蘇南京 211800）（2.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇南京 211800）

近年來，隨著人類生活水平的改善，人們的飲食結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大變化，膨化類，烘焙類，奶油制品越來越受到歡迎，而其中反式脂肪酸的超標嚴重影響著人們的身體健康[1]。為了滿足消費者對食品安全的要求，低反式脂肪酸和低飽和脂肪酸的食用油脂的研發(fā)已經(jīng)成為研究熱點。凝膠油是具有熱可逆性的一種黏彈性液體或固體油脂類混合物，它由油脂和小分子有機凝膠因子組成，是一種近幾年來研究較多的新型油脂凝膠化的方法[2～4]。

凝膠油的性能與凝膠因子有著密不可分的關(guān)系，除了油脂本身脂肪酸組成之外，凝膠因子的結(jié)構(gòu)直接影響凝膠油的性能[5]。凝膠因子通常是被偶然、意外發(fā)現(xiàn)或從已知凝膠因子衍生得到。目前，凝膠因子在凝膠中的凝膠機理沒有完全清楚，因此設(shè)計出新的凝膠因子還存在一定難度，尤其是食品級的凝膠因子更為稀少。Rogers等[6,7]研究了12-羥基硬脂酸在植物油中的自組裝性能，發(fā)現(xiàn)其可以作為凝膠因子使植物油形成凝膠。Bot等[8]以γ-谷維素和β-谷甾醇的混合物為凝膠因子制得葵花籽油凝膠。

Murdan等[9]引入了表面活性劑分子作為凝膠因子的概念，其研究結(jié)果表明，在凝膠化溫度時，表面活性劑分子（單硬脂酸山梨醇酯，單軟脂酸山梨醇酯）可以用作凝膠因子使植物油固化，但形成凝膠油的轉(zhuǎn)變溫度（15 ℃）遠低于室溫，限制了其在食品中的應(yīng)用。表面活性劑在水溶液中可以形成各種聚集體，包括蠕蟲狀膠束，球形膠束，囊泡和液晶等[10～14]，而其作為凝膠因子可以與油脂自聚形成桿狀、帶狀、纖維狀結(jié)構(gòu)，進而組成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而形成凝膠[15,16]。雙陰離子表面活性劑作為新一代表面活性劑，由于特殊的分子結(jié)構(gòu)，使其與傳統(tǒng)的單陰離子表面活性劑相比，具有諸多的優(yōu)良性能，如：較低的臨界膠束濃度(CMC)，較高的表面活性，良好的乳化性能和聚集行為等，但是將其用作凝膠因子的研究很少報道。

本論文以檸檬酸為親水頭，月桂醇和異癸醇為疏水長鏈，通過直接酯化方法合成了兩種雙陰離子檸檬酸酯表面活性劑，具體結(jié)構(gòu)如圖1和2所示。

研究了檸檬酸酯表面活性劑的水溶液性質(zhì)，解析了檸檬酸酯表面活性劑的聚集行為和膠束化過程。以檸檬酸酯為凝膠因子，研究了其對棕櫚油、蓖麻油、橄欖油和菜籽油的凝膠性能。最后，以大腸桿菌和丁酸梭菌為模式菌株，考察了檸檬酸酯表面活性劑的生物相容性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與主要儀器

異癸醇，月桂醇，對甲苯磺酸，上海阿拉丁試劑；無水檸檬酸，正己烷，碳酸鈉，南京化學(xué)試劑有限公司；氯化鈉，溴化鈉，碘化鈉和硫酸鈉，國藥化學(xué)試劑北京有限公司。合成過程中使用的所有化學(xué)品均為分析純。使用三重蒸餾的去離子水進行所有實驗。

Avance-III600 NMR核磁共振儀，布魯克儀器有限公司；BZY-3B表面張力儀，上海恒平科學(xué)儀器有限公司；DDS-307A電導(dǎo)率儀，上海INESA科學(xué)儀器有限公司；Nano-ZS動態(tài)光散射儀，英國馬爾文公司。

1.2 檸檬酸酯的合成與結(jié)構(gòu)表征

檸檬酸酯合成以直接酯化過程進行。典型合成過程如下：將脂肪醇（異癸醇或月桂醇）200 mmol加入到500 mL圓底燒瓶中，將質(zhì)量為脂肪醇質(zhì)量0.5%的催化劑對甲苯磺酸、50 mL正己烷和無水檸檬酸200 mmol依次加入到燒瓶中，磁力攪拌下降反應(yīng)體系緩慢升溫至130 ℃，并保溫反應(yīng)2 h。反應(yīng)結(jié)束后冷卻至 70 ℃，以飽和碳酸鈉溶液洗滌產(chǎn)物至無氣泡產(chǎn)生為止，將混合物離心分層去除水層。將所得油狀產(chǎn)物于150 ℃減壓蒸餾去除雜質(zhì)獲得最終產(chǎn)物。產(chǎn)物結(jié)構(gòu)以核磁共振波譜進行確認。檸檬酸異癸醇酯核磁氫譜1H NMR（400 MHz，CDCl3）數(shù)據(jù)如下：11.0×10-6(-COOH，2H)，2.61×10-6(-CH2COOH，2H)，2.63 ×10-6(-CH2COOHC(OH)CH2-，2H)，2.0×10-6(HOCCOOH，1H) ， 4.08×10-6(-COOCH2-， 2H)， 1.57×10-6(-COOCH2CH2-，2H)，1.29×10-6(-CH2CH2CH2-，8H)，1.25×10-6(-CH2CH2CH(CH3)2， 2H) ， 1.83×10-6(-CH2CH(CH3)2，1H)，1.01×10-6(-CH(CH3)2，6H)，產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。檸檬酸月桂醇酯核磁氫譜1H NMR (400 MHz，CDCl3)數(shù)據(jù)為：11.20×10-6(-COOH，2H)，2.61×10-6(-CH2COOH，2H)，2.63×10-6(-CH2COOHC(OH)CH2-，2H)，2.0×10-6(HOCCOOH，1H) ， 4.08×10-6(-COOCH2-， 2H)， 1.57×10-6(-COOCH2CH2-，2H)，1.29×10-6(-CH2CH2CH2-，16H)，1.33×10-6(-CH2CH2CH3，2H)，0.96×10-6(-CH2CH3，3H)。產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 檸檬酸異癸醇單酯的合成路線Fig.1 Synthetic route of isodecyl citric acid monoester

圖2 檸檬酸月桂醇單酯的合成路線Fig.2 Synthetic route of lauryl citric acid monoester

1.3 溶液性能測試方法

1.3.1 表面張力的測定

在298.15 K下，使用吊片法在BZY-3B表面張力儀（上海恒平科學(xué)儀器有限公司，精度±0.10 mN/m）上測定表面張力。將兩種檸檬酸酯產(chǎn)物溶解在去離子水中制備不同濃度的表面活性劑水溶液。每次測量結(jié)束，使用去離子水洗滌吊片并通過灼燒去除吊片表面殘留的表面活性劑。所有玻璃器皿均用去離子水洗凈，在室溫下保持干燥。表面張力值測量三次，取平均值記為實驗數(shù)據(jù)。

1.3.2 電導(dǎo)率測定

在不同溫度下，用 DDS-307A電導(dǎo)率儀（上海INESA科學(xué)儀器有限公司）測定不同濃度的表面活性劑溶液的電導(dǎo)率（κ）。在實驗過程中，首先使待測溶液達到設(shè)定的溫度進行恒溫保存。分別在288.15±0.30，293.15±0.30，298.15±0.30，303.15±0.30，308.15±0.30K五個溫度下測量表面活性劑溶液的電導(dǎo)率值。溶液電導(dǎo)率平行測定三次，直到誤差低于 0.2 μs/cm，取三次平均值為特定溶液導(dǎo)電率實驗值。通過電導(dǎo)率(κ)與溶液的濃度(c)作圖，求出兩種表面活性劑在不同溫度下的CMC值。

1.3.3 動態(tài)光散射實驗

為了測定兩種檸檬酸酯表面活性劑在水溶液中的膠束尺寸，實驗采用動態(tài)光散射（DLS）方法進行測定。所使用儀器為Nano-ZS動態(tài)光散射儀（英國馬爾文公司），以90°的散射角進行測量。動態(tài)光散射測量平行測定三次，取最穩(wěn)定的測定數(shù)據(jù)。

1.4 凝膠油的制備

在5 mL試樣瓶中稱取一定量的凝膠因子和液體油脂，加熱至70 ℃使固體物質(zhì)全部溶解，800 r/min攪拌2 min得到均勻溶液后，室溫靜置冷卻數(shù)小時，倒置玻璃瓶至沒有液體流動，則判斷凝膠已形成。通過落球法測定凝膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變溫度。取直徑 5 mm的金屬球放置于凝膠油上，加熱凝膠油并記錄最終小球落入瓶子底部時的溫度。記錄該溫度作為溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變溫度。

1.5 生物相容性試驗方法

以大腸桿菌和丁酸梭菌為模式菌株，研究所合成的檸檬酸異癸酯和檸檬酸月桂醇酯表面活性劑的生物相容性。

添加檸檬酸單酯表面活性劑試樣溶液至大腸桿菌和丁酸梭菌液體培養(yǎng)基中，使其濃度分別為0 mg/L、1.6 mg/L、8.0 mg/L、40 mg/L、100 mg/L、200 mg/L。兩種菌株在37 ℃下，200 r/min轉(zhuǎn)速搖床分別培養(yǎng)12 h和24 h。實驗結(jié)束后，以分光光度計測定生物量，記錄不同濃度表面活性劑溶液存在下的生物量。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)采用Origin 8.0對數(shù)據(jù)進行繪圖以及統(tǒng)計分析，并用SPSS做顯著性分析，與對照組相比較，顯著水平設(shè)定為*p＜0.05和**p＜0.01，結(jié)果以平均值±標準偏差表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面張力測定

圖3 檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯表面張力γ-C對數(shù)關(guān)系圖Fig.3 Surface tension(log C) of isodecyl citric acid monoester and lauryl citric acid monoester

通過表面張力測定評價表面活性劑水溶液的表面活性。在 25 ℃下，檸檬酸異癸醇單酯和檸檬酸月桂醇單酯的表面張力（γ）與濃度（C）的關(guān)系圖如圖 3所示。從圖3可以看出檸檬酸異癸醇單酯和檸檬酸月桂醇單酯都降低了水溶液的表面張力，檸檬酸異癸醇單酯水溶液表面張力值由純水 71.99 mN/m下降至27.24 mN/m，檸檬酸月桂醇單酯水溶液表面張力值由純水71.99 mN/m下降至27.15 mN/m，表明它們在空氣/溶液界面處可以吸附聚集形成膠束，由此可見檸檬酸異癸醇單酯和檸檬酸月桂醇單酯都是高效的表面活性劑。且在γ-C曲線圖的曲線折點周圍沒有最小值，表明檸檬酸異癸醇單酯和檸檬酸月桂醇單酯表面活性劑的純度較高[17,18]。兩種表面活性劑的CMC值如表1所示。由表中可知檸檬酸月桂醇單酯CMC值為3.30 mmol/L，檸檬酸異癸醇單酯CMC值為6.40 mmol/L，相較于傳統(tǒng)化學(xué)合成的表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS，CMC=8.00 mmol/L），檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯都有較好的表面活性劑性能。

碳鏈長度和親水基團的結(jié)構(gòu)對表面活性劑的表面性能有明顯的影響[19～21]。兩種雙陰離子表面活性劑具有相同的親水基團，檸檬酸月桂醇單酯的CMC值小于檸檬酸異癸醇單酯的CMC值，表明聚集能力檸檬酸月桂醇單酯大于檸檬酸異癸醇單酯。實驗證明[22]，隨著疏水鏈碳數(shù)的增加，憎水性增強，表面張力下降。這可能是檸檬酸月桂醇單酯的CMC值低于檸檬酸異癸醇單酯的原因。

表面活性劑重要的物理化學(xué)參數(shù)包括臨界膠束濃度的表面張力值（γCMC），表面張力的最大降低值（πCMC）等。πCMC表示表面張力降低的最大值[23]，并用方程定義：

式中，γ0：純水的表面張力值，γCMC：表面活性劑溶液臨界膠束濃度的表面張力值，πCMC的值表明表面活性劑降低表面張力的能力并且該實驗中πCMC的值列于表2中。

表1 檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯水溶液在25 ℃溫度下的臨界膠束濃度（CMC）Table 1 Critical micelle concentration (CMC) of isodecyl citric acid monoester and lauryl citric acid monoester in aqueous solutions at 25 ℃

表2 25 ℃溫度下檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯在無機鹽水溶液中的吸附參數(shù)Table 1 Critical micelle concentration (CMC) of isodecyl citric acid monoester and lauryl citric acid monoester in aqueous solutions at25 ℃

表面活性劑分子在在氣/液界面的最大表面過剩量(Γmax)和表面活性劑分子在氣/液界面的最小分子截面積(Amin)也是表面活性劑重要的物理化學(xué)參數(shù)。這兩個參數(shù)用于反映在空氣/液體界面處的表面活性劑分子（離子）的分布情況。較高的Γmax或較低的Amin表明表面活性劑分子（離子）在溶液中的空氣/液體界面處排列較為緊密。Γmax用吉布斯吸附等溫線方程計算。

式中，R：理想氣體常數(shù)（8.314J/（mol·K））；T：絕對溫度；γ：表面張力；C：表面活性劑的濃度； ?γ/ ?lnC表面張力圖曲線轉(zhuǎn)折處的切線斜率；n：在空氣/液體界面處吸收的表面活性劑分子的物質(zhì)數(shù)量。

在本文中，根據(jù)以前的報導(dǎo)文獻，n取值為2[24]。Amin用吉布斯吸附等溫線方程計算。

式中，NA：阿伏伽德羅常數(shù)。

如表 2所示，檸檬酸異癸醇單酯的Amin值為109.25?2，檸檬酸月桂醇單酯為 138.38?2，稍大于常規(guī)的表面活性劑，如 1-十二烷基-3-甲基咪唑氯化物（Amin=86.80?2）[25]。這意味著檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯在空氣/液體界面中不緊密排列。原因可能是較大的親水結(jié)構(gòu)和較長的碳鏈導(dǎo)致雙陰離子表面活性劑分子之間的距離變大。

2.2 膠束形成的熱力學(xué)分析

圖4 不同溫度下(a)檸檬酸異癸醇單酯和(b)檸檬酸月桂醇單酯水溶液的電導(dǎo)率κ-C的關(guān)系圖Fig.4 Specific conductivity at different temperatures (κ-C): (a),isodecyl citric acid monoester, (b) lauryl citric acid monoester

電導(dǎo)率測量用于分析檸檬酸酯表面活性劑在水溶液中的熱力學(xué)行為。圖4描述了在不同溫度下電導(dǎo)率κ隨濃度變化曲線。根據(jù)電導(dǎo)率曲線斜率的不同可以將曲線分為兩個部分，兩個部分存在一個折點，如圖4所示，該折點的濃度對應(yīng)于臨界膠束濃度CMC[19]。兩種表面活性劑在不同溫度下的 CMC值都列于表 3中。從表3可以看出，兩種表面活性劑的CMC值隨溫度升高而增大。溫度對CMC值的影響有兩個方面[20,25]：i）當(dāng)溫度升高時，親水頭基之間的水合程度降低可以促進膠束的形成，降低CMC值；ii）高溫破壞疏水基團周圍的水結(jié)構(gòu)，影響膠束的形成，導(dǎo)致CMC值增大。本文表面活性劑的CMC值隨溫度升高而增大表明后一種效應(yīng)在系統(tǒng)中起主要作用。

表3 不同溫度下檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯水溶液聚集行為熱力學(xué)參數(shù)Table 3 Thermodynamic parameters of aggregation for isodecyl citric acid monoester and lauryl citric acid monoester in aqueous solution at different temperatures

膠束的反離子結(jié)合度（β）可以從電導(dǎo)率曲線中用公式計算[19,26]。

式中，α1：濃度在CMC之前的曲線的斜率，α2：濃度在CMC之后的曲線的斜率。

水溶液中膠束的形成受靜電力，范德華力，具有相同電荷的頭基之間的排斥力以及親水性頭基之間的氫鍵相互作用的影響。因此，β的值對于計算表面活性劑的一般熱力學(xué)性質(zhì)都是很是重要的。

β值列于表3中，從表3可以看出，β值隨著溫度的升高而降低，表明溫度的升高降低了表面活性劑水溶液中膠束的數(shù)量，不利于膠束的形成，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因與上述CMC值隨溫度升高而增大的原理一致。

根據(jù)膠束化的質(zhì)量作用模型，研究檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯的膠束化行為，計算熱力學(xué)參數(shù)。熱力學(xué)參數(shù)包括相應(yīng)膠束化行為的標準吉布斯自由能（ΔG），聚集標準焓（ΔH）和聚集標準熵（ΔS）。ΔG可以通過方程得到[27,28]。

式中，R：理想氣體常數(shù)（8.314 J/(mol·K)），χcmc：摩爾臨界膠束濃度，T：絕對溫度，β：膠束的反離子結(jié)合度。

基于ΔG的結(jié)果，通過Gibbs-Helmboltz方程獲得聚集標準焓（ΔH）和聚集標準熵（ΔS）：

檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯的熱力學(xué)參數(shù)列于表 3。由表中得出檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯的ΔG值為負值，表明表面活性劑在水溶液中的聚集過程是自發(fā)的。當(dāng)溫度從 15 ℃升至35 ℃時，ΔG的增加是由于表面活性劑吸附和膠束化的穩(wěn)定性大于表面活性劑在水相中自由分散的穩(wěn)定性，從而使得標準吉布斯自由能的絕對值增大。Rahman報道的溫度對十六烷基三甲基溴化銨熱力學(xué)行為的影響也表明ΔG隨著溫度的升高而變大[26]，這與我們的結(jié)果非常一致。ΔH的負值表明膠束形成過程是放熱行為。

當(dāng)膠束形成時，各個離子失去排列平移能力，并且由氫鍵之間的相互作用釋放的熱量大于破壞疏水性碳鏈周圍水結(jié)構(gòu)所需的熱量，這可能是ΔH為負值的原因。ΔH值遠小于TΔS值，且ΔH值變化不大，表明溫度變化對表面活性劑分子疏水鏈周圍的環(huán)境沒有明顯變化，焓變對膠束自由能的貢獻較小，膠束化過程為熵驅(qū)動過程。

2.3 無機鹽對膠束形成的影響

無機鹽也是影響表面活性劑膠束形成的重要因素[23]。圖5顯示了在25 ℃下檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯與無機鹽（0.01 mol/L）的表面張力（γ）對濃度（C）的關(guān)系曲線。檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯在無機鹽水溶液中的吸附參數(shù)列于表 2中。從表2中可以看出，加入無機鹽后，表面活性劑的CMC值呈降低趨勢，表明無機鹽的加入促進了表面活性劑水溶液中膠束的形成。無機鹽種類對檸檬酸異癸醇單酯膠束形成的影響順序為 NaI＞NaBr＞Na2SO4＞NaCl，對檸檬酸月桂醇單酯膠束形成的影響順序為 NaBr＞NaI＞Na2SO4＞NaCl。不同單酯對鹵素元素的敏感性不同，這一結(jié)果與文獻研究結(jié)果相似[27]，并且遵循霍夫梅斯特（Hofmeister）序列。一般認為，無機鹽的添加破壞了膠束周圍的水合膜，壓縮了親水頭基的電荷雙層在離子基團周圍的擴散，從而屏蔽了電荷之間的排斥力，促進了膠束的形成，導(dǎo)致了CMC值的降低。

圖5 在25 ℃下各加入0.01 mol/L無機鹽的雙陰離子表面活性劑的表面張力log C的函數(shù)圖Fig.5 Surface tension (log C) for double anionic surfactants with 0.01 mol/L inorganic salt at 25 ℃

使用動態(tài)光散射（DLS）測量研究在表面活性劑水溶液中聚集膠束的尺寸。兩種表面活性劑水溶液的DLS結(jié)果如圖6所示，不同種無機鹽的添加導(dǎo)致表面

圖6 加入及沒加入無機鹽的(a)檸檬酸異癸醇單酯和(b)檸檬酸月桂醇單酯的粒徑圖Fig.6 Size distributions of (a) isodecyl citric acid monoester and(b) lauryl citric acid monoester with or without inorganic salt.Concentrations of NaCl, NaBr, Na2SO4

圖6中用于測量流體動力學(xué)直徑的樣品濃度為檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯的臨界膠束濃度的3倍。從強度分布曲線（圖6），獲得了雙陰離子表面活性劑的尺寸分布。從圖中可以看出，檸檬酸月桂醇單酯的膠束尺寸范圍在130 nm～700 nm，而檸檬酸異癸醇單酯的膠束尺寸范圍在200 nm～600 nm。無機鹽的加入使峰值明顯向左移動，檸檬酸月桂醇單酯的膠束尺寸普遍降低約200 nm，檸檬酸異癸醇單酯的膠束尺寸普遍降低約100 nm。表明兩種具有不同疏水脂肪醇鏈的檸檬酸酯表面活性劑的最大散射強度下的流體動力學(xué)直徑Dh在無機鹽的影響下均小于原始的粒徑[21]。隨著無機鹽的加入，兩種檸檬酸酯表面活性劑的水力學(xué)直徑均有減小的趨勢，這說明，無機鹽的引入通過膠束去水化作用，膠束的形態(tài)由球形轉(zhuǎn)變?yōu)闂l形，使得相應(yīng)的膠束被壓縮，從而獲得較小的水力學(xué)直徑[31]。而且無機鹽對檸檬酸異癸醇單酯聚集體的流體動力學(xué)直徑的影響順序為無機鹽對檸檬酸月桂醇單酯聚集體的流體動力學(xué)直徑的影響順序為其岀峰順序與無機鹽對檸檬酸單酯膠束形成的影響順序是一致的。具有較高疏水性的陰離子更容易結(jié)合聚集體，從而促進膠束形成[30]。

2.4 凝膠油的制備

食品化妝品中凝膠油有著重要的用途，而且反式脂肪酸對人體健康有著不可忽略的負面影響，因此積極發(fā)展低/零反式脂肪酸食物和低飽和脂肪酸食品具有重要的現(xiàn)實意義[32]。植物油凝膠及其技術(shù)的凝固已成為國外研究熱點之一[33,34]。因此，本文對凝膠油的應(yīng)用中檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯的安全性和凝膠性進行了初步研究。

2.4.1 凝膠油性能研究

將檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯按一定量加入到橄欖油，棕櫚油，蓖麻油，菜籽油中，加熱攪拌，得到均勻的溶液，冷卻至室溫，得到凝膠油。反復(fù)試驗，得出最低凝膠化單酯濃度為 7%，凝膠油如圖7所示。

圖7 在不同溶劑中形成的檸檬酸月桂醇單酯凝膠Fig.7 Gel of lauryl citric acid monoester formed in differentsolvents

從圖7可以看出，這兩種檸檬酸單酯對于四種植物油均可以形成穩(wěn)定的油凝膠，從凝膠油的穩(wěn)定時間對比來看，發(fā)現(xiàn)檸檬酸月桂醇單酯凝膠更為穩(wěn)定，檸檬酸異癸醇單酯出現(xiàn)部分凝膠化現(xiàn)象?？赡苁怯捎趩熙サ姆肿咏Y(jié)構(gòu)與油脂中的結(jié)構(gòu)經(jīng)過自組裝形成的固體結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定。兩種表面活性劑形成的凝膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變溫度如表4所示。表4顯示出凝膠均具有良好的熱可逆性，轉(zhuǎn)變溫度高于室溫。較高的轉(zhuǎn)變溫度使凝膠油在室溫下更為穩(wěn)定，應(yīng)用前景更廣。檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯可以成功的形成凝膠油，它不僅擴大了雙陰離子表面活性劑的應(yīng)用，而且豐富了凝膠油理論。

表4 由表面活性劑形成的凝膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變溫度Table 4 Sol-gel transition temperatures of gels formed by surfactants

2.4.2 生物安全性初探

用測定生物量法簡單地確定表面活性劑的生物毒性。菌種選擇為大腸桿菌和丁酸梭菌，大腸桿菌是需氧菌和丁酸梭菌是厭氧菌，選擇這兩種不同類型的真菌作為實驗對象較為有代表性。細菌生物量如圖8所示。從圖8中可以看出，在不同濃度下，大腸桿菌的生物量都在 3.51 g/m2左右，丁酸梭菌的生物量都在4.01 g/m2左右，兩種真菌的細菌生物量沒有顯著的變化，表面活性劑的加入對菌的生長沒有影響。

這些結(jié)果表明，與其他表面活性劑相比，這兩種表面活性劑沒有明顯的生物毒性，因此基于檸檬酸酯的表面活性劑的安全性，其在食品和化妝品行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖8 將(a)檸檬酸月桂醇單酯和(b)檸檬酸異癸醇單酯加入大腸桿菌發(fā)酵液培養(yǎng)的生物量-單酯濃度圖，將(c)檸檬酸月桂醇單酯和(d)檸檬酸異癸醇單酯加入丁酸梭菌發(fā)酵液培養(yǎng)的生物量-單酯濃度圖Fig.8 Concentration graph of biomass-monoester for (a) lauryl citric acid monoester and (b) isodecyl citric acid monoester in the culture of escherichia coli fermentation broth

3 結(jié)論

3.1 本文采用直接酯化法合成具有相同親水基團的兩種雙陰離子表面活性劑，檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯，研究了兩種檸檬酸單酯水溶液中的聚集行為，并且對膠束形成的熱力學(xué)參數(shù)進行了計算分析。結(jié)果表明，25 ℃下，檸檬酸異癸醇單酯和檸檬酸月桂醇單酯的臨界膠束濃度分別為 6.40 mmol/L和3.30 mmol/L，兩種雙陰離子表面活性劑由于其雙陰離子親水基團和對稱疏水性碳鏈部分與傳統(tǒng)表面活性劑（十二烷基硫酸鈉SDS，CMC=8.00 mmol/L）相比具有優(yōu)異的表面活性。熱力學(xué)計算表明，檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯的膠束形成是自發(fā)放熱的熵驅(qū)動過程。并且研究了無機鹽對檸檬酸單酯水溶液膠束形成的影響，結(jié)果表明無機鹽壓縮了親水頭基電荷雙層的擴散，屏蔽了電荷之間的斥力，促進兩種表面活性劑水溶液中膠束的形成，并且鹵素元素對表面活性劑水溶液膠束形成的影響順序遵循霍夫梅斯特（Hofmeister）序列。形成的膠束粒徑用DLS測定獲得的直徑數(shù)據(jù)顯示，這些聚集體結(jié)構(gòu)具有130 nm～700 nm的窄直徑分布，無機鹽的加入會導(dǎo)致膠束粒徑的減小。我們的研究結(jié)果表明，雙陰離子表面活性劑的表面活性和聚集過程受到疏水鏈結(jié)構(gòu)，溫度和添加劑性質(zhì)的影響。作為凝膠因子，對檸檬酸月桂醇單酯和檸檬酸異癸醇單酯制備凝膠油的初步研究表明，它們對橄欖油，棕櫚油，蓖麻油，菜籽油都具有良好的凝膠性能，最低的凝膠化濃度均為 7%，形成的油凝膠具有良好的穩(wěn)定性和熱可逆性。并且研究了檸檬酸單酯作為凝膠因子的生物相容性，結(jié)果表明兩種檸檬酸單酯都有良好的生物相容性，可作為食品級凝膠因子應(yīng)用到食品工業(yè)中，對降低食用脂肪中的反式脂肪酸含量具有重要意義。

3.2 本研究的結(jié)果有助于了解雙陰離子表面活性劑的聚集行為和表面活性劑作為凝膠因子的開發(fā)和拓展，并且有助于設(shè)計具有改善物理化學(xué)性質(zhì)的新型雙陰離子表面活性劑，擴展了表面活性劑在生物技術(shù)，食品工業(yè)，日化化學(xué)和納米技術(shù)中的潛在應(yīng)用，對設(shè)計開拓具有良好性能的凝膠因子有重要意義，他們在膠體和界面科學(xué)中的進一步應(yīng)用也可能值得嘗試。

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