槐糖脂-月桂酰甲基羟乙磺酸钠复合体系表面性质评估及其泡沫性能优化研究

《International Journal of Cosmetic Science》：Evaluating surface properties of sophorolipid-sodium lauroyl methyl isethionate systems for optimal foam production

　　

摘要 目的：本研究旨在分析阴离子辅助表面活性剂月桂酰甲基羟乙磺酸钠（SLMI）对内酯型槐糖脂（SL）的表面性质、表面活性、表面弹性及泡沫性能的影响。 方法：采用悬滴形状张力测定法结合振荡表面流变学考察，对动态及平衡表面张力进行评估。采用摇瓶试验研究泡沫性能。 结果：表面张力降低、界面迁移速率及泡沫膜刚性三者协同作用，可产生大量稳定泡沫。内酯型槐糖脂具有动力学表面活性，而月桂酰甲基羟乙磺酸钠则更具热力学活性。当SLMI与SL的质量比（w/w%）为2:1时，体系达到31 mN/m的表面张力值，通过显著降低自由能而形成有利泡沫。SLMI到达界面后可产生约80 mL泡沫，与原料相当。SL的存在使表面弹性增加，有助于形成坚实而柔韧的膜，在泡沫形成及存续期间促进气泡稳定。 结论：将月桂酰甲基羟乙磺酸钠作为槐糖脂泡沫生产的辅助表面活性剂，可优化体系以兼顾消费者对可持续性的需求，同时不牺牲重要的感官特性且避免高昂成本。2:1 w/w%的比例改善了槐糖脂的表面张力降低能力，使迁移较慢的羟乙磺酸盐材料得以进入界面，同时在相边界形成坚实而柔韧的膜以稳定气泡。

论文解读

一、研究背景与问题

可持续理念持续推动个人护理产品的创新，消费者日益要求产品配方采用符合环保实践的成分。表面活性剂是驱动产品性能的基础组分，其两亲结构能够吸附并定向排列于界面，通过降低自由能实现清洁、乳化及起泡等特性。为减少对石油衍生原料的依赖，基于可再生原料的表面活性剂受到广泛关注，其中微生物来源的生物表面活性剂因其表面活性行为与传统表面活性剂相当，且符合绿色化学原则，成为颇具前景的替代方案。

糖脂类生物表面活性剂在化妆品及个人护理行业逐渐获得应用。槐糖脂是一种低分子量生物表面活性剂，通常来源于非致病性酵母菌种Candida bombicola，存在内酯型（闭环）和酸型（开链）两种结构形式。这类材料能够降低水的表面张力，具有较低的临界胶束浓度（CMC），表现出优异的去污能力、低细胞毒性且易于生物降解，并在广泛pH范围和较高盐浓度下保持良好的稳定性。这些特性使槐糖脂成为个人护理配方中理想的替代成分。然而，由于原料变异性大且生产成本高，其在商业产品中的应用受到限制。

在清洁产品中，消费者期望大量且稳定的泡沫。泡沫是热力学不稳定体系，需要表面活性剂协助稳定气/水界面。表面张力的降低可减少体系自由能，有利于空气在水性膜间的截留。气泡形成后易通过排液、聚并及奥斯特瓦尔德熟化等机制坍塌。表面活性剂必须能够从界面吸附和解吸，以支持泡沫的形成与稳定。表面张力降低能力、吸附动力学及膜黏弹性共同决定泡沫性能，这些参数协同作用以限制膜破裂、减缓液体排液并延缓奥斯特瓦尔德熟化。尽管生物表面活性剂作为可持续且有效的材料受到广泛关注，其表面及泡沫性能已被深入研究，但槐糖脂始终产生低体积且不稳定的泡沫。然而，关于辅助表面活性剂（尤其是生物基来源）用于改善其性能的研究仍然有限。本研究旨在表征槐糖脂-月桂酰甲基羟乙磺酸钠（SLMI）表面活性剂体系的发泡能力与泡沫稳定性，通过系统评估配方组成和pH对表面张力、吸附动力学及界面黏弹性的影响，阐明该生物表面活性剂基清洁体系中泡沫产生的机理。

二、研究内容与结论

研究人员系统考察了槐糖脂（SL）与月桂酰甲基羟乙磺酸钠（SLMI）在不同配比及不同pH条件下的表面性质与泡沫性能。研究得出以下核心结论：内酯型槐糖脂具有动力学表面活性，而SLMI更具热力学活性；SLMI与SL以2:1 w/w%比例复配时，体系达到31 mN/m的表面张力值，可产生约80 mL泡沫，与SLMI原料相当；SL的存在增加了表面弹性，有助于形成坚实而柔韧的膜以稳定气泡。该复配体系不仅高效且有效，同时解决了高原料价格问题并满足消费者对可持续性的需求。这一研究为利用SLMI作为阴离子辅助表面活性剂改善内酯型槐糖脂泡沫性能提供了实验框架，对表面活性剂体系中泡沫性能的优化具有重要参考意义。

三、关键技术方法

本研究采用悬滴形状张力测定法（pendant drop shape tensiometry）评估动态及平衡表面张力，使用Attension Theta Flex光学张力计配合PD200脉动滴模块进行振荡表面流变学考察，以获取表面弹性模量（E'）。泡沫性能采用摇瓶试验（shake test）研究，在100 mL具塞量筒中进行20次倒置，记录不同时间点的泡沫体积。所有样品均在pH 5.5和pH 7两种条件下制备，总表面活性剂浓度为10 wt%，样品组成涵盖SLMI与SL的多种配比（1:0、2:1、1:1、1:2、0:1 w/w%）。槐糖脂原料为ReNuva SL-L70（BioReNuva，美国德克萨斯州），SLMI原料为Iselux? LQ-CLR-SB（Innospec Performance Chemicals，美国科罗拉多州）。

四、研究结果

表面活性剂从体相迁移至界面，通过破坏水分子间的内聚力降低表面自由能。平衡表面张力（EST）测量结果表明，内酯型槐糖脂（SL）具有高效率，达到CMC所需浓度比SLMI低一个数量级；而SLMI具有更优的效力，能达到更低的表面张力值。SL的槐糖头基含有大量羟基，能与表面水分子形成氢键，限制了表面张力的降低程度。SL与SLMI的复配可在效率与效力之间取得平衡。从CMC曲线推导出的最大表面超额浓度（Γ_max）和最小分子面积（A_min）表明，当SLMI与SL以1:2或1:1 w/w%比例复配时，表面性质接近SL原料，SL在界面占主导地位并紧密堆积，限制了SLMI在表面的吸附。pH对表面性质参数的影响可忽略不计。

动态表面张力（DST）分析揭示了表面活性剂的吸附动力学。尽管SL分子量大于SLMI，但竞争吸附由SL主导。SL结构上更疏水，因此动力学上更具表面活性，能更快地从体相扩散至界面。在混合体系中，吸附较快的材料会先饱和界面，吸附较慢的材料需插入已存在的分子之间。当SLMI浓度未超过SL浓度时，混合溶液表现出类似SL的行为。随着SLMI浓度增加，扩散速率持续减慢。2:1 w/w%的SLMI:SL组合可实现更好的表面张力降低和更有利的泡沫产生与稳定动力学。与EST结果不同，pH确实影响由Ward-Tordai扩散限制模型推导的扩散系数，pH升高会增加表面吸附速率。pH升高至7时，酸性槐糖脂的羧酸根阴离子去质子化，增加了溶液中的静电效应，电离程度影响尾部折叠和分子形状，进而影响分子间相互作用和静电排斥，从而影响表面活性剂向界面的扩散。

界面流变学测量显示，SL在界面堆积更紧密，因此其表面弹性模量（E'）值高于所有其他样品。较高的E'值有助于维持更刚性的膜，为减少气体扩散、气泡聚并和奥斯特瓦尔德熟化提供强效屏障。将SLMI与SL复配会降低E'值，这对该体系是有利的，因为SL泡沫的高弹性和较差的表面张力降低能力会增加膜破裂。通过略微降低膜的弹性同时改善表面张力，可获得更高体积且更稳定的泡沫。然而，当单分子层紧密堆积时（如SL主导界面的样品），膜可能过于刚硬而无法允许表面活性剂在屏障上适当重新分布。因此需要在提供强机械屏障与允许表面活性剂适当定向以维持低界面自由能之间取得平衡。pH变化不影响SL在液膜层内的构象或堆积方式。

摇瓶试验结果表明，SL仅产生少量泡沫且随时间不稳定，因其高表面张力值导致快速排液形成干膜，这些膜即使对动力学活性高的SL也易于破裂。SL的高弹性反而导致气泡易破裂。SLMI则产生大量高稳定泡沫，尽管其吸附速率较慢，但仍能快速到达表面，结合其优异的表面自由能降低能力和静电稳定作用，展现出有利的泡沫特性。SLMI作为辅助表面活性剂显著改善了SL的泡沫性能。即使SL浓度高于SLMI且SL在界面占较大比例时，发泡能力仍然提高，气泡存续时间更长。随着表面张力降低，表面活性剂以更低的能量驱动新界面形成，有助于更多初始气泡的产生。在泡沫形成过程中，SLMI和SL均在单分子层内吸附、解吸和重新定向。SL更快到达界面，作为初始稳定力；随着SLMI与SL混合，表面张力梯度开始稳定。当SLMI与SL等浓度时，界面仍主要由SL占据，因此1:2和1:1 w/w%样品的泡沫特性相似。2:1 w/w%组合与SLMI原料之间未观察到显著差异，该组合提供优异的泡沫形成和保持能力。含较高或等量SL的体系在泡沫体积上表现出轻微pH依赖性，可能归因于原料中天然存在的酸型槐糖脂，阴离子分子在液膜内的增加可能引入更有利的相互作用。

五、结论

泡沫是本质上不稳定的体系，需要表面活性剂降低气/水界面的自由能并维持强韧而灵活的膜。槐糖脂是市场上经济上最可行的微生物生物表面活性剂，但其有限的泡沫产量无法满足消费者重要的感官标准。本研究评估了月桂酰甲基羟乙磺酸钠作为生物基辅助表面活性剂改善内酯型槐糖脂泡沫产量和稳定性的效果。结果表明，SLMI与SL以2:1 w/w%比例复配是泡沫性能和表面活性剂体系成本降低的理想选择。SL与SLMI复配后表面张力降低效力的改善，可产生比单独使用SL更大体积且更持久的泡沫。该表面活性剂体系不仅高效且有效，同时解决了高原料价格问题并满足消费者需求。强效破坏内聚力以降低表面张力、快速扩散至相边界以及弹性界面的有利组合，可产生大体积且长期稳定的泡沫。将月桂酰甲基羟乙磺酸钠作为阴离子辅助表面活性剂改善内酯型槐糖脂泡沫性能的新见解，为表面活性剂体系中泡沫性能的优化提供了实验框架。