一種新型綠色環(huán)保安全的表面活性劑
——月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸

張 健

蘇州維美生物科技有限公司，江蘇蘇州，215128

氨基酸表面活性劑具有溫和、低毒、良好的生物降解性、良好的潤濕性、起泡性、抗靜電性、較好的配伍性及抗菌性等特點(diǎn)[1-6]，廣泛應(yīng)用于護(hù)膚品、沐浴露、洗面奶、洗滌劑和牙膏等日用化學(xué)品配方中，還可用于生物醫(yī)藥等行業(yè)中[7-9]。

月桂酰丙氨酸屬于氨基酸表面活性劑，是一種化妝品新原料。2021年6月28日，國家藥品監(jiān)督管理局公布了新規(guī)后首批通過備案的兩個(gè)化妝品新原料，其中0002號原料即為“月桂酰丙氨酸”（備案號：國妝原備字20210002）。月桂酰丙氨酸除了能夠適用于常規(guī)劑型洗滌產(chǎn)品，還能夠適用于片狀類、凝珠類、微膠囊類等各種新劑型洗滌產(chǎn)品。

月桂酰丙氨酸的合成工藝，可以參照N-?；被嵝捅砻婊钚詣┑囊话愫铣煞椒?，分為直接法和間接法。脂肪酸原料直接合成法包括酶催化合成和脫水縮合。間接合成法有脂肪酰氯?；?、脂肪腈水解?；?、脂肪酸酐?；?、酰胺羰基化反應(yīng)等[10]。

通過脂肪酰氯與氨基酸的氨基反應(yīng)是目前工業(yè)生產(chǎn)的主要方法，該反應(yīng)也稱為Shotten-Baumann縮合反應(yīng)（肖頓-鮑曼反應(yīng)），該典型反應(yīng)中可能存在多個(gè)副反應(yīng)，如脂肪酰氯水解反應(yīng)、成酐反應(yīng)等。反應(yīng)中酰氯水解生成的高級脂肪酸極其難以低成本、高效率地除去，將影響產(chǎn)品品質(zhì)。

針對以上問題，本文通過特定工藝，降低產(chǎn)物中高級脂肪酸（月桂酸）的含量，并使得月桂酰丙氨酸發(fā)生自組裝，合成出超分子氨基酸。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

L-丙氨酸，河南中辰生物科技有限公司；月桂酰氯，江蘇雷恩環(huán)?？萍加邢薰?；丙酮，常州市啟迪化工有限公司；氫氧化鈉，天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠；鹽酸，如皋市中捷化工有限公司。

1.2 合成方法

常溫下，在1 L的三口燒瓶中，將89 g（1 mol）L-丙氨酸和40 g（1 mol）氫氧化鈉溶于150 ml蒸餾水和150 ml丙酮的混合溶液中攪拌均勻得到L-丙氨酸鈉溶液。

在25 ℃的條件下，向L-丙氨酸鹽溶液中緩慢滴加218.7 g（1 mol）月桂酰氯，再滴加50%的氫氧化鈉溶液使得反應(yīng)體系的pH＝9，滴加完畢后，在25℃下繼續(xù)攪拌2 h，得到糊狀的月桂酰丙氨酸鹽。

在糊狀的月桂酰丙氨酸鹽中加入鹽酸酸化至pH=3～4，逐漸析出白色固體，然后在冰浴下放置2 h后過濾，得到月桂酰丙氨酸粗品。

在月桂酰丙氨酸粗品中加入水和丙酮的混合溶劑、L-丙氨酸和催化劑，其中，月桂酰丙氨酸粗品、水和丙酮的混合溶劑、L-丙氨酸、催化劑按照摩爾比1∶7.5∶0.35∶0.002的量 加入并在溫度為60 ℃、壓強(qiáng)為2.65 MPa的條件下攪拌2 h，使得少量的月桂酸完全消耗完，之后冷卻過濾，所得固體再用純水洗滌兩次，最后在60 ℃下烘干，即得超分子氨基酸。

反應(yīng)方程式如圖1。

圖1 制備超分子氨基酸的化學(xué)反應(yīng)方程式

1.3 結(jié)構(gòu)表征

用傅里葉變換紅外光譜儀（FTS-1000）測定樣品的紅外光譜樣品，光譜條件：將待測樣品月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸與溴化鉀（光譜純，CP，購自國藥化學(xué)試劑集團(tuán)）按1∶100的比例充分混合，研磨，壓片；波數(shù)掃描范圍為400～4000 cm-1，分辨率為4 cm-1；掃描次數(shù)為16次。采用UNITY-400NMR譜儀對得到的月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸進(jìn)行NMR分析。

1.4 產(chǎn)品成分、形貌、分子束分析

1.4.1 成分分析

（1）采用高效液相色譜法來識別和確定月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸。通過樣品月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸與其標(biāo)準(zhǔn)品比較其保留時(shí)間來識別物質(zhì)，并采用面積歸一法進(jìn)行定量。儀器：高效液相色譜儀（配有紫外檢測器）；色譜柱：ODS-2 HYPERSIL C18 250×4.6 mm，5 μm；流動相真空抽濾脫氣裝置及0.45 μm有機(jī)濾膜。流動相：甲醇∶20 mmol/L的磷酸二氫鉀緩沖溶液（pH 3.0）＝70∶30(v/v)。柱溫:30 ℃；進(jìn)樣量:2 μl。

（2）采用高效液相色譜法分析月桂酸雜質(zhì)的含量。儀器:W a t e r s U P L C H-C l a s s，檢測器：PDA檢測器；色譜柱:Waters XBridge ，C183.0×1 0 0 m m，3.5 μ m；流動相：甲醇∶0.1%H3PO4＝80∶20；柱溫:35 ℃；樣品室溫度:未設(shè)定；進(jìn)樣量:1 μl。

1.4.2 形貌分析

使用掃描電鏡分析樣品的微區(qū)形貌。儀器：冷場發(fā)射掃描電鏡；生產(chǎn)廠家：日立；型號：日立S-4700。主要規(guī)格及技術(shù)指標(biāo)：分辨率，15kV：≤1.5nm（WD：12 mm）; 1kV：≤2.1nm；加速電壓，0.5～30 kV；LOW MAG模式：×30～2 000；HIGH MAG模式：×250～500 000。

1.4.3 分子束分析

儀器型號：馬爾文nano zs；測試條件：25 ℃，樣品濃度0.5%，水相pH 7.5。

1.5 原液配制及性能評價(jià)

1.5.1 原液配制

取根據(jù)本文方法合成的月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸10 g加入水中，加10%的氫氧化鈉水溶液中和至pH=6～7，配制成100 ml的水溶液（原液）。

1.5.2 對細(xì)菌的抑制作用評價(jià)

取5 ml原液，將此溶液分別浸泡預(yù)先接種了金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、銅綠假單胞菌、白假絲酵母菌等常見的細(xì)菌于果盤上，作用一定時(shí)間，用清水沖洗一次，然后測定果盤上的細(xì)菌殘留。

1.5.3 對農(nóng)藥的去除效果評價(jià)

取100 g事先噴灑過農(nóng)藥甲胺磷和乙酰甲胺磷的綠葉蔬菜（大青菜）兩份，一份直接用清水1 L浸泡，然后取出檢測其蔬菜葉子上的農(nóng)藥殘留，稱為清洗前。另一份使用根據(jù)本文方法合成的月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸配制的溶液來清洗，稱為清洗后。操作描述如下：

取5 ml原液，將另一份事先噴灑過農(nóng)藥甲胺磷和乙酰甲胺磷的綠葉蔬菜（大青菜）100 g，剪碎，浸泡在上述溶液中2 min，取出后用500 ml清水沖洗，然后取出檢測其蔬菜葉子上的農(nóng)藥殘留。

1.5.4 對異味的消除效果評價(jià)

取5 ml原液，將含有異味的（氣味、機(jī)油味、臭味等）棉布10 cm2浸泡在上述溶液中2 min后，取出，用水清洗，晾干，評價(jià)棉布的氣味。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 紅外光譜分析（GBT 6040-2002）

圖2為根據(jù)本文合成方法合成的超分子氨基酸的紅外光譜圖。3 322 cm-1歸屬于N-H伸縮振動，1 646 cm-1歸屬于酰胺羰基C=O伸縮振動，1 541 cm-1歸屬于C-N伸縮振動和N-H面內(nèi)彎曲振動;2 955 cm-1歸屬于甲基C-H不對稱伸縮振動,2 871 cm-1歸屬于甲基C-H對稱伸縮振動,1 377 cm-1歸屬于甲基C-H對稱彎曲振動;2 919 cm-1歸屬于亞甲基C-H不對稱伸縮振動,2 850 cm-1歸屬于亞甲基C-H對稱伸縮振動，1 469 cm-1歸屬于亞甲基C-H彎曲振動，720 cm-1歸屬于-（CH2）n-的搖擺振動；1 707 cm-1歸屬于羧酸羰基C＝O伸縮振動，1 271 cm-1和1 220 cm-1歸屬于羧酸的彎曲振動，1 241 cm-1歸屬于羧酸C-O伸縮振動，1 414 cm-1歸屬于羥基O-H面內(nèi)彎曲振動；這些都符合目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。

圖2 超分子氨基酸的紅外光譜

2.1.2 NMR分析（JY/T 007-1996）

圖3A為根據(jù)本文的合成方法得到的月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸的1H-NMR(DMSO)譜；圖3B為根據(jù)本文的合成方法得到的月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸的13C-NMR(DMSO)譜。根據(jù)NMR得到的數(shù)據(jù)如下：

圖3 超分子氨基酸的1H-NMR譜（A）和13C-NMR譜（B）

2.2 產(chǎn)品成分、形貌、分子束分析

2.2.1 成分分析

（1）高效液相色譜法采用紫外檢測器來識別和確定月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸。

保留時(shí)間25.659 min、27.271min處的兩個(gè)峰分別代表月桂酰丙氨酰丙氨酸和月桂酰丙氨酸（圖4）。采用本文合成方法所制得的月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸，純度可以達(dá)到97%以上（面積歸一法定量結(jié)果）。

圖4 超分子氨基酸的HPLC分析

（2）月桂酸雜質(zhì)含量的測定。

月桂酸標(biāo)準(zhǔn)溶液:月桂酸1 000～20 000 mg/L；標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖5。

圖5 月桂酸標(biāo)準(zhǔn)曲線

經(jīng)檢測，產(chǎn)品中月桂酸含量為1.4%。

采用本合成方法所制得的月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸，月桂酸含量小于3%，所含副產(chǎn)物主要為月桂酰丙氨酰丙氨酸（有效成分），分析其系在反應(yīng)過程中，月桂酰丙氨酸進(jìn)一步和L-丙氨酸脫水縮合而成。

2.2.2 形貌分析

圖6A～C分別為根據(jù)本文合成方法得到的月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸的300倍、1000倍以及2000倍電鏡圖。如圖6所示，本文的月桂酰丙氨酸，其微觀結(jié)構(gòu)呈麻繩狀并且纏繞在一起構(gòu)成了“超分子氨基酸”。

圖6 超分子氨基酸的電鏡圖

2.2.3 分子束分析

圖7為本文方法制備得到的超分子氨基酸鈉鹽的分子束圖，圖8為常規(guī)方法制備的月桂酰丙氨酸鈉鹽的分子束圖。從兩個(gè)圖的數(shù)據(jù)對比來看，分子束直徑相差17倍以上，體積相差2 000倍以上。

圖7 超分子氨基酸鈉鹽的分子束

圖8 常規(guī)方法制備的月桂酰丙氨酸鈉鹽的分子束

2.3 超分子氨基酸形成原理討論

2.3.1 制備超分子氨基酸的反應(yīng)歷程分析

第一步：氨基酸與堿反應(yīng)，生成氨基酸的鈉鹽。

第二步：按照傳統(tǒng)肖頓-鮑曼反應(yīng)的條件合成出月桂酰丙氨酸（一肽粗品）。

第三步：進(jìn)一步加入L-丙氨酸和催化劑，在一定壓力下，消耗掉月桂酸雜質(zhì)，并且在此過程中，生成了少量月桂酰丙氨酰丙氨酸（二肽）。

2.3.2 超分子氨基酸形成原理

如圖9所示，兩個(gè)月桂酰丙氨酸的羧基通過氫鍵連接，兩端各有十一個(gè)碳鏈的烷烴結(jié)構(gòu)，根據(jù)相似相溶原則，親油端與親油端鏈條式契合，首尾相連接，形成一個(gè)圓環(huán)，圓環(huán)與圓環(huán)之間又通過氫鍵及相似相溶，無限疊加形成柱狀分子簇，柱狀分子簇又無限疊加形成特殊的空間結(jié)構(gòu)——稱為自組裝超分子氨基酸。

圖9 超分子氨基酸的形成示意圖

2.3.3 超分子氨基酸鈉鹽

在超分子氨基酸形成之后，超分子氨基酸進(jìn)一步與氫氧化鈉反應(yīng)生成如圖10所示的超分子氨基酸的鈉鹽結(jié)構(gòu)。月桂酰丙氨酸鈉為基本單元，通過氫鍵自組裝成為超分子聚合物，鈉鹽結(jié)構(gòu)一面親水，一面親油，分子間通過氫鍵相連接，得到一個(gè)特殊的三維網(wǎng)狀規(guī)則排列結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)的跟油污相結(jié)合的能力，可作為主表面活性劑使用。

圖10 超分子氨基酸鈉鹽的結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 配方性能評價(jià)

2.4.1 對細(xì)菌的抑制作用評價(jià)

針對細(xì)菌的抑制作用，檢測結(jié)果如表1。由表中數(shù)據(jù)可以看出，根據(jù)本文方法合成的月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸的鈉鹽溶液對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白假絲酵母菌具有明顯的抑制作用，在原液作用于大腸桿菌2 min后，其抑制率可達(dá)到96.3%，5 min后抑制率已經(jīng)可以達(dá)到100%；而原液作用于金黃色葡萄球菌2 min后，就可達(dá)到100%的抑制率；作用于白假絲酵母菌5 min抑制率也同樣可以達(dá)到100%。

表1 月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸的抑菌作用分析

根據(jù)本領(lǐng)域公知常識可知，細(xì)菌大小通常在0.5～5 μm，而本文所用的不含月桂酸的月桂酰丙氨酸形成的超分子結(jié)構(gòu)的柱團(tuán)與柱團(tuán)之間的空隙也是微米級的，所以能夠?qū)⒓?xì)菌包裹去除。

2.4.2 對農(nóng)藥的去除效果評價(jià)

表2顯示清洗前后的農(nóng)藥數(shù)據(jù)殘留對比，從中可以看出，本文所使用的表面活性物質(zhì)月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸溶液對甲胺磷和乙酰甲胺磷具有明顯的去除作用，作用2 min后，對甲胺磷的去除率可達(dá)到64.63%；對乙酰甲胺磷的去除率可達(dá)到74.66%，效果明顯。

表2 月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸對農(nóng)藥的去除效果分析

2.4.3 對異味的消除效果評價(jià)

經(jīng)原液處理后，發(fā)現(xiàn)棉布上異味全部消失，由此可知，根據(jù)本文方法合成的月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸具有良好的異味消除效果。

3 結(jié)論

基于以上可知，本文的月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸的制備方法工藝步驟簡單，適于工業(yè)化生產(chǎn)。根據(jù)本文的方法制備得到的月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸的月桂酸含量低，有效避免了月桂酸對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。所得到的月桂酰丙氨酸自組裝超分子氨基酸結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定；具有良好的抑菌率，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白假絲酵母菌的抑制率均可達(dá)到100%；有效去除農(nóng)藥殘留，對甲胺磷的去除率可達(dá)64.63%，對乙酰甲胺磷的去除率可達(dá)74.66%；同時(shí)具有良好的除異味性能，在日化領(lǐng)域有很好的應(yīng)用。

4 應(yīng)用展望

（1）本文合成的超分子氨基酸/其鹽可以作為主表面活性劑使用，不僅清潔性能優(yōu)異，且其配制的清潔產(chǎn)品極易漂洗，有望廣泛應(yīng)用于各類洗護(hù)產(chǎn)品中。

（2）本文合成的超分子氨基酸/其鹽產(chǎn)品省水50%以上。該發(fā)現(xiàn)具有重大意義，水資源匱乏是全球需要共同面臨的迫切問題，而日化洗滌又是不可避免的水資源消耗因素，如果全球用戶每年在日化洗滌上節(jié)省超過50%的用水量，其意義可想而知。

（3）本文合成的超分子氨基酸/其鹽具有物理除菌功能。當(dāng)瓜果蔬菜經(jīng)月桂酰丙氨酸超分子氨基酸原料配置的蔬果清洗劑清洗后，自然存放時(shí)間明顯變長，因此有望應(yīng)用于各類果蔬凈/洗滌精產(chǎn)品中。

（4）本文合成的超分子氨基酸具有去除異味功能，有望應(yīng)用于各類洗手液、工業(yè)洗滌劑產(chǎn)品中。

（5）本文合成的超分子氨基酸還可改變油脂及有機(jī)物的物理特性，使其性能提升，更貼近人體要求，保護(hù)化妝品活性，由其配制后的成品膚感更舒適輕盈，有望廣泛應(yīng)用于各類美妝產(chǎn)品中。