槐糖脂在洗滌和個護中的應(yīng)用進展

許睿琪 馬 鈴 陳殿松 王 靖

1.江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院化妝品創(chuàng)新中心，江蘇無錫，214122；2.阿道夫科研創(chuàng)新實驗室，廣州德谷個人護理用品有限公司，廣東廣州，510000

近年來，全球個人護理和洗滌清潔產(chǎn)品已經(jīng)成為兩個高消費領(lǐng)域，而表面活性劑是這些產(chǎn)品的關(guān)鍵成分，起到去污、發(fā)泡、乳化、潤濕、分散、增溶等作用，屬于最常與皮膚接觸的物質(zhì)之一[1]。但是，目前最廣泛使用的烷基磺酸鹽類、烷基硫酸（酯）鹽類等表面活性劑在洗發(fā)水、沐浴露等洗去型個人護理產(chǎn)品中直接接觸皮膚，可能會引起皮膚刺激和過敏[1–3]。微生物來源的生物表面活性劑具有優(yōu)秀的表面活性、較高的生物降解性、低毒性以及多功能生物活性，有望成為化妝品及個人護理產(chǎn)品配方中合成表面活性劑的天然替代品。

槐糖脂（sophorolipids, SLs）是一類由酵母菌代謝產(chǎn)生的糖脂類生物表面活性劑，具有表面活性良好、溫和不刺激、抗炎抑菌、抗病毒、抗癌等特性，也是目前最具有市場前景的生物表面活性劑之一[4]。SLs可以作為發(fā)泡劑、增溶劑、分散劑、清潔劑、乳液穩(wěn)定劑應(yīng)用于化妝品配方中[5-6]，還可以適用于微膠囊、凝珠等各種新劑型產(chǎn)品。此外，SLs對皮膚的溫和性，保濕性能，獨特的生物功效在個人護理領(lǐng)域有較大優(yōu)勢，例如SLs的抑菌性能有利于皮膚屏障功能發(fā)揮作用，預(yù)防皮膚傷口感染，已被應(yīng)用于口腔護理等方面[6]。

本文對關(guān)于SLs的表面特性，如親水親油平衡值（HLB）、表面張力、臨界膠束濃度（CMC），SLs在水溶液中的自組裝特性，SLs的生物活性，包括抑菌、抗炎、抗癌和抗病毒活性，SLs在洗滌個護領(lǐng)域應(yīng)用的研究概況進行了總結(jié)綜述，以期為SLs在化妝品領(lǐng)域的研究應(yīng)用提供借鑒。

1 槐糖脂的理化性質(zhì)及表面性能

1.1 槐糖脂的結(jié)構(gòu)

SLs是假絲酵母菌等微生物的次級代謝產(chǎn)物，通常是一系列不同結(jié)構(gòu)SLs同系物組成的混合物。這些分子結(jié)構(gòu)上共同的特點是一個親水的槐糖分子（兩個葡萄糖分子以-1,2糖苷鍵結(jié)合而成）與一個飽和或不飽和脂肪酸尾部相連[7-8]?；碧欠肿由献疃嗫梢赃B接兩個乙?；?，而疏水尾部通常由16～22個碳原子組成。根據(jù)Baccile等[9]的總結(jié)，SLs及其衍生物的結(jié)構(gòu)十分多樣，已知的有16種，本文將最主要的結(jié)構(gòu)總結(jié)在圖1，依據(jù)脂肪酸羧基和槐糖羥基之間是否縮合成環(huán)，可以將SLs分為兩種主要的構(gòu)型：內(nèi)酯型和酸型。圖1中（0）號為酸型SLs的通式，R1和R2可以是乙?；蛘吡u基。SLs通常以大約80∶20的乙酰化C18:1-順式內(nèi)酯（3）∶酸型（2）混合物的形式發(fā)酵得到，非乙?；乃嵝托问剑?）可以通過堿性水解（2）、（3）的方法獲得[4]。

圖1 SLs的結(jié)構(gòu)特點

1.2 槐糖脂的HLB、表面張力、CMC

與常見的表面活性劑類似，生物表面活性劑可以通過X射線衍射、磁共振、等溫滴定量熱、透射電鏡等方法在溶液中進行表征。尤其是生物表面活性劑的表面張力和CMC，近幾十年來在生物表面活性劑的文獻中被大量引用。由于許多研究使用的SLs不是單一的純凈物，它們的聚集狀態(tài)、溶解度都取決于物理化學(xué)條件，如pH，所以文獻中得到的表面張力和CMC值并不能十分準確地反映出實際聚集特性，在與合成表面活性劑進行比較時，應(yīng)該謹慎使用這些參數(shù)。本節(jié)總結(jié)了三種主要結(jié)構(gòu)SLs的HLB、表面張力及CMC的評論及數(shù)值范圍，見表1。

HLB值是表面活性劑乳化性能高低的一個指標，具有較強親油性的生物表面活性劑表現(xiàn)出較低的HLB值，而親水性的生物表面活性劑則具有較高的HLB值。HLB值在1～4之間的油包水（W/O）型乳劑更適合用于皮膚，因為皮膚上的脂質(zhì)膜為油溶性的活性成分提供適宜環(huán)境；而HLB值在8～16之間的水包油型乳劑（O/W）因其較少的油膩感而更受消費者的歡迎[15]。文獻中關(guān)于SLs的HLB值報道較少。有研究表明[10,15]，酸型SLs作為一種陰離子表面活性劑應(yīng)用時，HLB值在12～15之間，可以用于O/W型個人護理配方。對于許多生物表面活性劑來說，根據(jù)Griffin公式其中MwH和MwS分別為親水部分和整個表面活性劑的分子量）計算HLB，雖然預(yù)期的特性與實驗觀察到的廣泛的特性是一致的，但是得到的HLB較為寬泛，從而產(chǎn)生混淆和不理想的預(yù)期結(jié)果，且HLB值隨pH、溫度等環(huán)境因素變化而變化，不適用于預(yù)測實際生物表面活性劑的界面行為[9]。

生物表面活性劑與合成表面活性劑一樣，具有類似的濃度依賴性表面張力曲線，但表面穩(wěn)定的機制取決于其分子量。低分子量的SLs在空氣-水界面遵循經(jīng)典的吸附/解吸機制，直到達到熱平衡狀態(tài)，表1中給出了SLs主要結(jié)構(gòu)在室溫下最小表面張力范圍。經(jīng)典陰離子表面活性劑，如十六烷基硫酸鈉（SHS）和十二烷基硫酸鈉（SDS），分別可以將水表面張力降低到36 mN/m和38 mN/m，而非離子表面活性劑如吐溫的最小表面張力為33～39 mN/m?？梢钥闯鯯Ls降低表面張力的能力與經(jīng)典表面活性劑相當[16-17]。

表1 三種主要結(jié)構(gòu)SLs的HLB、水溶液中的表面張力和CMC

CMC是表面活性劑分子在溶劑中締合形成膠束的最低濃度。通常情況下，CMC被用作表面活性劑表面活性的評價標準[18]。SLs具有雙親結(jié)構(gòu)，根據(jù)前人對雙親結(jié)構(gòu)的CMC預(yù)測，SLs等生物表面活性劑會比經(jīng)典表面活性劑有更好的溶解度和更高的CMC：陽離子和非離子雙親化合物的CMC分別為1～10 mmol/L和0.1～10 mmol/L[9]。然而，研究表明SLs實際的CMC比預(yù)測的雙親化合物小一個到三個數(shù)量級，說明生物表面活性劑在水溶液中的行為不能僅僅根據(jù)其總的分子結(jié)構(gòu)而簡單預(yù)測。此外，SLs的CMC平均值比一端親水、一端疏水的頭尾狀離子表面活性劑要小，與非離子表面活性劑的CMC相當。但是，對于生物表面活性劑，溶液pH不同，分子組成結(jié)構(gòu)不同都會導(dǎo)致CMC發(fā)生變化，所以文獻中SLs的CMC最高和最低值相差較大。

1.3 槐糖脂在水溶液中的自組裝特性

表面活性劑在溶液中的自組裝通常是指由疏水效應(yīng)驅(qū)動的平衡過程，涉及表面活性劑脂肪族鏈之間的非特異性相互作用。這種吸引作用力會被空間立體、靜電及界面作用等一些對自由能的排斥性貢獻所抵消[4]。表面活性劑在溶液中最簡單的自組裝形態(tài)是膠束，在表面活性劑的臨界濃度以上形成球狀膠束，膠束的形狀可以向圓柱體、囊狀體或片狀體發(fā)展[19]。為了討論SLs在水溶液中的自組裝特點，需要注意SLs與經(jīng)典的一端親水一端疏水表面活性劑相比的一些特征：①SLs是不對稱的雙親結(jié)構(gòu)；②SLs包含高化學(xué)反應(yīng)活性的雙鍵和羧酸基團；③SLs幾乎不會以純分子的形式存在，通常是含不同屬性同系物的混合物[10,20-21]。此外，生物表面活性劑是一類高度pH響應(yīng)的表面活性劑，pH的變化也會影響SLs的自組裝結(jié)構(gòu)變化。表2總結(jié)了一些關(guān)于室溫下幾種常見SLs在稀水溶液中（C＜10 wt %）自組裝特性的研究。

從表2可以看出，SLs在稀水溶液中的自組裝行為十分豐富，同時會受到其純度、結(jié)構(gòu)、溶液中的物理化學(xué)條件影響，所以可以根據(jù)SLs的自組裝特點，將其應(yīng)用于不同的場景，比如纖維相SLs具備開發(fā)成水凝膠的潛力[9]。

表2 室溫下隨pH變化的不同種類SLs在水溶液中（C ＜ 10 wt %）的自組裝結(jié)構(gòu)

1.4 槐糖脂的乳化增溶性能

乳化是指通過形成微滴將一種不相溶的液體分散到另一種液體中。乳劑廣泛應(yīng)用于化學(xué)、食品、藥品、化妝品和清潔劑/清潔等行業(yè)。其中，洗滌劑和化妝品配方中常常需要加入油或不溶性的功能性成分或添加劑，因此需要確保乳化體系的穩(wěn)定性，改善外觀和質(zhì)地，并減少皮膚損傷[19]。已有研究表明，通過添加生物表面活性劑，乳化體系的穩(wěn)定性可以從幾天提高到幾周[29]。

乳化指數(shù)已被廣泛用于表征新興的生物表面活性劑。許多生物表面活性劑表現(xiàn)出顯著的乳化活性，可以很容易地將碳氫化合物乳化溶解在水中，特別是陰離子鼠李糖脂和脂肽類型，根據(jù)不同的pH條件和不同類型的油，已經(jīng)有較多研究。SLs乳化性能研究的多樣性相對較少，但SLs和鼠李糖脂類似，也具有良好的乳化活性，表現(xiàn)為相對較高的乳化指數(shù)，已被應(yīng)用于各種乳液體系中[29]。

至今已經(jīng)有了一些關(guān)于生物表面活性劑對于油和不溶性基質(zhì)的膠束增溶研究。生物表面活性劑的膠束化對于個人護理、洗滌劑和清潔產(chǎn)品溶解去除油、污漬、不溶性殘留物至關(guān)重要。據(jù)報道，SLs可以在CMC以下的濃度有效地溶解不溶性底物，從而大大減少表面活性劑的使用量[30]。

1.5 槐糖脂的分散性能

生物表面活性劑發(fā)揮著天然分散劑的作用，并已在石油石化行業(yè)擁有一定范圍的應(yīng)用。分散劑被認為是一種能減少同一類型的顆粒之間的內(nèi)聚力的物質(zhì)。這抑制了不溶性顆粒的相互作用，防止了聚集過程[19]。有研究報告指出，糖脂類生物表面活性劑，如鼠李糖脂和槐糖脂均顯示出優(yōu)良的分散特性[31]，可以將疏水性烷烴分散成更小的液滴，這一特性使SLs有被應(yīng)用于個人護理、清潔產(chǎn)品中的潛力。孟莉等制備了基于SLs的固體分散體及納米乳，得到SLs具備替代吐溫-80制備依托泊苷納米乳的能力，且SLs-依托泊苷納米乳的載藥能力和穩(wěn)定性更好[32]。

2 槐糖脂的生物活性進展

2.1 槐糖脂的抑菌活性

SLs的抗菌活性與其結(jié)構(gòu)中糖和脂質(zhì)部分的協(xié)同作用有關(guān)，即表面活性劑效應(yīng)。這種機制的特點是使細菌或真菌的細胞膜發(fā)生變化或破裂，誘發(fā)細胞質(zhì)內(nèi)容的流出，以及隨之而來的細胞內(nèi)酶的釋放[33]。盡管SLs及其他生物表面活性劑抑菌作用的具體機制還不是很清楚，但有學(xué)者假設(shè)它們具有改變膜內(nèi)外電荷的生物活性，來減少細菌獲得抗生素抗性的概率[34]。

碳水化合物和微生物膜之間的相互作用已被研究多年。然而，直到最近，才有研究嘗試闡述單糖和雙糖對膜結(jié)構(gòu)的影響，如存在于SLs分子中的槐糖分子，它是一種有效的殺菌劑，無論其長鏈脂肪酸部分的結(jié)構(gòu)是酸型還是內(nèi)酯型環(huán)狀，都能破壞革蘭氏陽性/革蘭氏陰性菌的細胞膜，誘導(dǎo)其失去活力[35]。

革蘭氏陽性菌的肽聚糖層由多糖、中性酸和蛋白質(zhì)覆蓋，而革蘭氏陰性細菌的表面由pH為中性的脂多糖構(gòu)成，但當羧基和磷酸鹽基團被電離時，它們會攜帶陰離子電荷。與革蘭氏陽性菌相比，這些負電荷使細菌膜更加親水[36]。SLs由于其兩親特性，減少了兩種細菌群體的疏水性，但由于大多數(shù)成分為疏水性的脂肪酸，導(dǎo)致SLs對于疏水性微生物即革蘭氏陽性菌的抑制效果更加明顯[37]。

20世紀80年代，Ito等首次報道了S. bombicola分泌得到的內(nèi)酯型SLs的抑菌活性，得到SLs能夠抑制一些利用烷烴的酵母，如Y. lipolytica和C.albicans生長的結(jié)論[38]。其他研究也證實了SLs不僅對酵母菌，而且對細菌（如枯草桿菌和銅綠假單胞菌）和真菌都有一定的抑菌作用[4,39]。Solaiman等[40]在對痤瘡丙酸桿菌的平板試驗中，也首次觀察到了由P. bogoriensis得到的C22-SLs的抗菌活性。近年，也有研究將SLs和聚合物復(fù)合制備成具有抑菌性能的薄膜材料，進一步擴大了SLs的應(yīng)用領(lǐng)域[41]。

然而，SLs的濃度、處理時間、SLs結(jié)構(gòu)中脂肪酸組成以及酸型和內(nèi)酯型的比例都會影響SLs的抑菌活性。前人的研究指出內(nèi)酯型SLs具有更好的抑菌活性，而且乙酰化構(gòu)型的引入會產(chǎn)生更好的生物化學(xué)特性[42]。表3中總結(jié)了一些已有報道SLs能夠抑制活性的菌種，可以觀察到最小抑制濃度（MIC）的差異，這主要是由于菌種和SLs成分組成不完全相同。

表3 SLs對不同菌種的最小抑制濃度

2.2 槐糖脂的抗炎活性

已有研究者討論過，化學(xué)合成表面活性劑可能會引起皮膚刺激和過敏，產(chǎn)生紅斑、干燥、瘙癢等不良反應(yīng)[3]。為了降低合成表面活性劑引起的皮膚刺激性和炎癥，可以在洗護配方使用更加溫和的生物表面活性劑。

生物體的免疫系統(tǒng)之所以會對病原體的入侵做出反應(yīng)，是因為宿主細胞擁有一系列的膜受體來作為病原體識別的傳感器。一旦受體收到刺激，會啟動相應(yīng)的信號級聯(lián)，從而激活免疫系統(tǒng)。免疫細胞如巨噬細胞、樹突狀細胞和中性粒細胞都會通過病原體識別受體（PRRs）來識別病原體[49]。其中，Toll樣受體（TLRs）就是PRRs的一類代表，通過感知病原體相關(guān)分子模式（PAMPs）的幾種病原體衍生成分，參與識別病原體（病毒、細菌、真菌和寄生蟲）[49]。

已有研究顯示，生物表面活性劑SLs可以由存在于不同類型細胞上的TLR-2受體識別，而具備成為新型的抗炎劑的潛力，可用于治療與分泌性免疫球蛋白（IgE）有關(guān)的疾病，如哮喘、鼻炎、特應(yīng)性濕疹等[50]。Hardin等的研究得到了SLs可以調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的結(jié)論，因為SLs在動物模型研究中顯示出抗炎作用，主要表現(xiàn)為大鼠腹腔內(nèi)敗血癥模型建立后，施用SLs可提高動物的存活率，并通過減少一氧化氮和促炎癥細胞因子的產(chǎn)生，從而阻斷敗血癥休克的致死效應(yīng)[51]。此外，Hagler等的研究發(fā)現(xiàn)SLs可以通過下調(diào)TLR-2、PAX5、STAT3和IL-6的基因表達，顯著減少U266細胞（產(chǎn)生IgE的骨髓瘤細胞系）中IgE的產(chǎn)生[50]。這些研究結(jié)果表明，SLs具有抗炎活性，如果在個護產(chǎn)品中使用SLs，可以一定程度上緩解皮膚的炎癥壓力。

3 槐糖脂在洗滌個護領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 槐糖脂在清潔/洗滌領(lǐng)域的應(yīng)用

家用洗滌劑的用量在全球表面活性劑生產(chǎn)中占比最大，約為46.3%。SLs可作為易生物降解、無毒、無刺激的“綠色”配方原料用于洗滌劑及其他清潔類產(chǎn)品。已經(jīng)有研究論文和專利描述了SLs在硬表面清潔劑、防垢劑、沖洗助劑、（低）發(fā)泡劑、潤濕劑、脫脂劑等方面的使用[19,29,52]。除了其優(yōu)異的物理化學(xué)特性，SLs的抗細菌、抗真菌和抗病毒特性也使它能夠用作醫(yī)療、食品、農(nóng)業(yè)和化妝品等行業(yè)的消毒劑或殺菌劑。目前，SLs已被應(yīng)用于全球市場上的不同家用清潔產(chǎn)品中[4,15,52]：日本的Saraya公司在其洗碗機相關(guān)產(chǎn)品中使用了SLs；在比利時公司Ecover的一些配方中，SLs被用作硬表面清潔劑和沖洗助劑；法國公司Soliance（現(xiàn)歸屬奇華頓）最近也推出了一種新產(chǎn)品Sophogreen，是一種含有高濃度SLs的天然增溶劑。國外SLs的生產(chǎn)使用最初主要由和特定市場有關(guān)的小公司支持，而最近跨國公司也對生物表面活性劑表現(xiàn)出興趣。例如，漢高公司在一些玻璃清潔產(chǎn)品中應(yīng)用了SLs，聯(lián)合利華和德國贏創(chuàng)公司都投資于SLs的研究和專利，并且已經(jīng)取得初步商業(yè)化結(jié)果。贏創(chuàng)研發(fā)了一款SLs為主體的表面活性劑原料Rewoferm SL 446，可用于洗手液、洗碗液和洗衣粉。該產(chǎn)品是酸型和內(nèi)酯型槐糖脂的混合物，原料是非轉(zhuǎn)基因植物的菜籽油和糖，比市售同類產(chǎn)品具有更好的發(fā)泡性、脫脂性和耐硬水性。

3.2 槐糖脂在個人護理及化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用

個人護理和化妝品表面活性劑領(lǐng)域是表面活性劑市場中僅次于洗滌劑的第二大領(lǐng)域，每年生產(chǎn)及使用約300萬噸，也是表面活性劑市場中增長最快的領(lǐng)域[52]。由于這是一個非常容易被消費者接受的市場，在過去的5～10年，個人護理及化妝品領(lǐng)域的產(chǎn)品已經(jīng)明顯地向可持續(xù)化的、綠色的、基于生物的和足夠溫和的特質(zhì)發(fā)展，人們對于價格的包容性也更大。因此，對于成本較高的新型生物基的表面活性劑，個護及化妝品領(lǐng)域是個非常理想的市場[5,15,52]。21世紀初，無論是歐洲還是亞洲，SLs在個人護理產(chǎn)品中的已經(jīng)實現(xiàn)初步商業(yè)化。例如，Soliance售賣的除臭劑中將SLs作為抗菌和皮脂控制劑；韓國MG Intobio公司針對痤瘡?fù)瞥龅腟opholin痤瘡皂，利用了SLs的抑菌特性來緩解氣味，消除痤瘡粉刺、感染性細菌，如枯草桿菌、表皮葡萄球菌、金黃色葡萄球菌以及感染性真菌，如白色念珠菌；日本花王已將SLs作為保濕劑用于彩妝、護膚、護發(fā)產(chǎn)品等，品牌名為Sofina[4,29]。

在化妝品和皮膚學(xué)組合物中使用SLs早已于1994年獲得專利。聯(lián)合利華和贏創(chuàng)分別都取得描述SLs作為溫和的發(fā)泡洗滌劑以及用于頭發(fā)和皮膚清潔組合物的專利。具有生物活性的SLs在無硫酸鹽清潔劑中的使用也獲得了專利[4,52]。此外，根據(jù)出版物和其他授權(quán)專利，SLs在個護領(lǐng)域的應(yīng)用不僅是優(yōu)異的配方輔助劑或細菌控制劑，它還被證明可通過刺激脂肪細胞的瘦素合成而減少脂肪團[53]，還可以作為透皮釋放活性成分的促進劑，如促進乳鐵蛋白等活性物的施用[54]。其他專利描述了SLs能夠抑制自由基形成、抑制彈性蛋白酶活性、刺激真皮纖維細胞的代謝、促進膠原蛋白新生的生物功效[55]。因此，SLs可以作為愈合劑應(yīng)用于傷口敷料，有助于傷口愈合。

4 總結(jié)與展望

綠色溫和的生物表面活性劑槐糖脂不僅具有優(yōu)異的表面特性，還有特征性的生物活性，有利于緩解合成表面活性劑帶來的皮膚微生態(tài)失衡、皮膚炎癥等不良反應(yīng)，可以用于制備微球、納米乳、脂質(zhì)體用于新劑型洗滌用品，或者作為優(yōu)質(zhì)活性成分添加到個人護理產(chǎn)品中。然而，在應(yīng)用槐糖脂時需要考慮它們的結(jié)構(gòu)組成、自組裝聚集特點等，還需要對它們在皮膚中的滲透性和與人體皮膚細胞的相互作用進行更廣泛的研究。此外，生產(chǎn)及下游處理成本是限制SLs等生物表面活性劑在新劑型洗滌和個人護理產(chǎn)品中成為主流的因素之一。生物表面活性劑的生產(chǎn)商需要調(diào)整成本，才能使生物表面活性劑在個護領(lǐng)域獲得更多機會。