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研究氨基酸表面活性剂的合成性质及工业应用下

研究氨基酸表面活性剂的合成性质及工业应用下情感情感挽回传统表面活性剂,特别是阳离子表面活性剂对水生生物具有很强的毒性。其急性毒性是由于表面活性剂在细胞-水界面处的吸附-离子相互作用现象。降低表面活性剂的cmc通常导致表面活性剂更强的界面吸附,通常导致其急性毒性升高。表面活性剂疏水链的长度增加也导致表面活性剂急性毒性增大。大部分AAS对人体和环境(特别是对海洋生物)低毒或无毒,适合做为食品成分、药物和化妆品。很多研究者证明氨基酸表面活性剂对皮肤温和且无刺激。已知基于精氨酸的表面活性剂比其传统对应物的毒性要低。

  Brito等研究了基于氨基酸的两亲物的物理化学性质和毒理性质以及它们 [ 衍生自酪氨酸(Tyr)、羟基脯氨酸(Hyp)、丝氨酸(Ser)和赖氨酸(Lys)] 自发形成的阳离子囊泡,并给出它们对Daphnia magna(IC 50 )的急性毒性数据。他们合成了十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)/Lys-衍生物和/或Ser-/Lys-衍生物混合物的阳离子囊泡,并测试其生态毒性和溶血潜力,结果表明,所有AAS及其含有囊泡的混合物均比传统表面活性剂DTAB的毒性要低。

  Rosa等研究了DNA与稳定的基于氨基酸的阳离子囊泡的结合(association)。与传统阳离子表面活性剂(通常表现为有毒性)不同,阳离子氨基酸表面活性剂的相互作用看起来似乎无毒。酷我音乐,该阳离子AAS基于精氨酸,其与某些阴离子表面活性剂组合能自发形成稳定囊泡。基于氨基酸的缓蚀剂也报道为无毒。这些表面活性剂很容易合成且纯度很高(高达99%)、成本低廉、易于生物降解,且在水介质中可完全溶解。多项研究表明,在抑制腐蚀方面,含硫的氨基酸表面活性剂更加出色。

  Perinelli等在近期研究中报道了与传统表面活性剂相比,鼠李糖脂具有令人满意的毒理特征。已知鼠李糖脂可作为渗透增强剂(permeability enhancer)。他们也报道了鼠李糖脂对大分子药物的上皮渗透性的影响。

  表面活性剂的抗菌活性可通过最低抑菌浓度进行评价。基于精氨酸的表面活性剂的抗菌活性已被详细研究。发现革兰氏阴性菌对基于精氨酸的表面活性剂的抵抗能力要比革兰氏阳性菌的要强。表面活性剂的抗菌活性通常由于酰基链内存在羟基、环丙烷或不饱和键而增大。Castillo等研究表明酰基链的长度以及正电荷决定了分子的HLB值(亲水亲油平衡),这些确实对其破坏膜的能力有影响。Nα-酰基精氨酸甲酯是另一类重要的阳离子表面活性剂,其具有广谱抗菌活性且易于生物降解,毒性较小或无毒。研究基于Nα-酰基精氨酸甲酯的表面活性剂与1,2-二棕榈酰-sn-丙三氧基-3-磷酸胆碱和1,2-双十四酰-sn-丙三氧基-3-磷酸胆碱,模型膜,以及与活体(living organisms)在有无外部屏障的情况下的相互作用,结果表明该类表面活性剂具有良好的抗菌活性。

  Kamimura,Shida等和Kubo等广泛研究了氨基酸表面活性剂的生物降解性,发现N-酰基氨基酸很容易生物降解,分解变成氨基酸和脂肪酸。

  与对应的支链表面活性剂(如双精氨酸化合物)相比,只含有一个疏水链的表面活性剂相对更容易生物降解。通常表面活性剂越疏水,其生物降解性越差。Akinari等合成了基于脂肪酸的AAS并研究其物理化学性质和生物降解性。这些表面活性剂的生物降解实验表明,超过14天其微生物降解介于57%~73%之间。Zhang等使用不同的缓冲溶液制备了基于脱氧胆酸钠和氨基酸 [例如甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、赖氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)] 的生物表面活性剂的超分子水凝胶混合物,结果证实其对多重刺激环境(multi-stimuli environments)具有独特的选择性,其易于生物降解并且pH敏感,使其有望作为染料或药物输送的载体。

  Nogueira等研究了5种基于赖氨酸的阴离子型AAS,它们彼此的差别在于具有不同的反离子,测试了其在不同pH范围、浓度以及潜伏期的情况下对细胞膜的破坏能力。为达到该目的,他们使用一个标准的溶血试验来当作核内体的膜(endosomal membrane)的模型。结果证实了这些表面活性剂在核内体的pH范围内具有pH敏感的溶血活性以及更好的动力学。

  众所周知,表面活性剂能够与细胞膜的脂质双层发生相互作用。血红细胞是最常用作参考模型的细胞膜之一,用来研究表面活性剂导致的细胞抵抗渗透(osmotic resistance)的基本机理。通过监测3种基于精氨酸的阳离子型AAS和5种基于赖氨酸的阴离子型AAS对低渗溶血的作用,Pérez等研究了表面活性剂与膜相互作用的机理。结果表明氨基酸表面活性剂表现出不同的抗溶血行为。这些化合物的物理化学性质和结构特性决定了其具有保护作用,防止低渗溶血。阳离子表面活性剂的cmc与其最大限度地防止低渗溶血所对应的浓度之间存在着良好的相关性。相比之下,阴离子表面活性剂则没有观察到相关性。基于赖氨酸的表面活性剂,彼此差别仅仅是反离子不同,而这种差别决定了其到底具有抗溶血效力还是具有溶血活性。

  毒理学研究表明,基于精氨酸的单体表面活性剂和gemini表面活性剂对红细胞膜的破坏能力取决于尺寸和疏水性。

  Pinheiro和Faustino讨论了红细胞与具有不同反离子(Li + ,Na + , K + , Lys + 和Tris+ )的N α ,N ε -二辛基赖氨酸盐之间的相互作用。表面活性剂与红细胞膜之间的相互作用随浓度不同呈截然相反的双向模式:在低浓度区防止低渗溶血,而在高浓度区则引起溶血。

  表面活性剂的流变性质对决定及预测其在不同行业中的应用具有非常重要的作用,这些行业包括食品、制药、石油开采、个人护理品和家庭护理品等。已有许多研究讨论了氨基酸表面活性剂的粘弹性与cmc之间的关系。

  AAS可作为杀虫剂、除草剂,它和植物生长抑制剂用于农业生产。甜菜碱酯表面活性剂是一类阳离子表面活性剂,可用作“临时杀虫剂”,容易水解成无害成分。一项美国专利报道了一种草坪杀虫剂,利用提取自柏科(Cupressaceae family)植物的精制油与一种氨基酸衍生表面活性剂溶液的混合物合成而得;其中,氨基酸衍生表面活性剂在所述溶液中占溶液重量的20%~50%。非离子型AAS的除草作用也有报道。

  当前,人们对基于氨基酸的洗涤剂配方的需求在全球范围内不断增加。众所周知,AAS具有更佳的清洗能力、发泡能力和织物柔软性能,这使其适用于家用洗涤剂、洗发水、沐浴露等等用途。据报道,天冬氨酸衍生的一种两性AAS是一种具有螯合性的高效洗涤剂。使用由N-烷基-β-氨基乙氧基酸组成的洗涤剂成分发现能减少对皮肤的刺激性。据报道,由N-椰油基-β-氨基丙酸盐组成的液体洗涤剂配方是对金属表面上的油迹很有效的一种清洁剂。一种氨基羧酸类表面活性剂C 14 CHOHCH 2 NHCH 2 COONa,也被证明具有更佳的洗涤能力并用于清洗纺织品、地毯、头发、玻璃等等。已知2-羟基-3-氨基丙酸-N,N-乙酰乙酸衍生物具有很好的络合能力因而能赋予漂白剂以稳定性。

  基于N-(N’-长链酰基-β-丙氨酰基)-β-丙氨酸的洗涤剂配方被报道具有更佳的洗涤能力和稳定性、泡沫易破除且使织物具有良好的柔顺性。Keigo和Tatsuya在专利中报道了基于酰基氨基酸的洗涤剂配方的制备。Kao调制了基于N-酰基-1-N-羟基-β-丙氨酸的洗涤剂配方并报道其对皮肤的刺激性很低,耐水性高并具有很高去污力。

  日本“味之素(Ajinomoto)”公司使用低毒且易降解的基于L-谷氨酸、L-精氨酸和L-赖氨酸的AAS作为洗发水、洗涤剂和化妆品的主成分(图13)。在洗涤剂配方中酶添加剂去除蛋白质污物的能力也有报道。由谷氨酸、丙氨酸、甲基甘氨酸、丝氨酸和天冬氨酸衍生的N-酰基AAS被报道其在水溶液中可作为优良的液体清洁剂。这些表面活性剂即使在非常低的温度下也丝毫不增加黏度,能够很容易地从发泡装置的储存容器中传送过来因而得到均一的泡沫。

  两性型AAS通常用作润滑剂。其具有低摩擦系数以及对亲水表面极佳的粘附性,使其适合作为理想的润滑剂。很多研究者制备并研究了AAS的润滑特性,特别是谷氨酸。

  药物载体以及功能脂质体的制备近年来,很多研究者都报道了合成的酰基氨基酸/肽作为药物载体的能力,并可用于制备具有脂肽配体的功能性脂质体。与传统的卵磷脂脂质体相比,长脂肪链的N α -酰基氨基酸的囊泡也显示出对溶质的包封率。

  基因治疗是目前生命科学中一项重要的技术,它可以安全地将选定的基因引入活细胞中。gemini表面活性剂有可能作为生物活性分子运输的载体。使用标准的肽化学可很容易地合成出基于赖氨酸和2,4-二氨基丁酸的阳离子型gemini表面活性剂。

  McGregor等制备了一类新型的gemini型氨基酸表面活性剂,将其作为一种将基因传递到细胞中的载体。初步结果表明,将这些gemini型氨基酸表面活性剂与二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)结合能够合成出不同尺寸和脂质构成的脂质体。研究表明DOPE/表面活性剂混合物在水中形成的悬浊液能得到脂囊泡(lipid vesicles)的混合物,其具有更复杂的结构,粒子直径约500 nm。不同摩尔比的DOPE/表面活性剂混合物(50/50、60/40和70/30)对荧光素酶在中国仓鼠卵巢(CHO)细胞中的表达其影响水平相当。胶体尺寸和gemini表面活性剂的分子构成对活体模型中传递最优的基因表达很重要。

  Pena等评估了低分子量的基于半胱氨酸的AAS及其对应gemini的DNA转染率。这些表面活性剂没有显示细胞毒性,与市面上的同类产品相比,它们能更有效地转染CHO-K1(中国仓鼠卵巢)细胞。

  由于具有显著的抗病毒活性,脂氨基酸(lipoamino acids)已经引起研究人员的重视。某些酰基氨基酸衍生物也被报道可以抑制流感神经氨酸酶(influenza neuraminidase)。一些N α -棕榈酰化的氨基酸/肽当并入模型膜内,会影响转变温度(transition temperature)(从双层向六角聚集的转变)。

  通过脂肪酸(如月桂酸)与酯化了的二元氨基酸(如精氨酸)经缩合得到的AAS衍生的阳离子表面活性剂,可开发用于抵御微生物,同时也发现这些阳离子表面活性剂能有效对抗病毒性感染。另外,将N-α-月桂酰-L-精氨酸乙酯加入到疱疹病毒1型(Herpes virus type 1)、牛痘病毒(Vaccinia virus)和牛副流感病毒3型(bovine parainfluenze 3 virus)的培养物中会导致培养物中的病毒有机体几乎消除殆尽,该效应从5~60 min可以观察到。

  AAS被用于多种个人护理产品的配方。N-椰油酰甘氨酸钾被发现对皮肤温和并用于面部清洁,以除去污泥和彩妆。N-酰基-L-谷氨酸有两个羧基,因而水溶性更佳。在这些AAS中,基于C 12 脂肪酸的AAS被广泛用于面部清洁,以清除污泥和彩妆。具有C 18 链的AAS可被用作护肤品中的乳化剂。N-月桂酰基丙氨酸盐已知能制造出对皮肤无刺激性的膏状泡沫,因此可用来配制婴儿护理产品。用在牙膏中的基于N-月桂酰的AAS具有与肥皂类似的良好去垢能力,以及很强的酶抑制功效(enzyme-inhibiting efficacy)。

  在过去的几十年里,化妆品、个人护理产品和药物对于表面活性剂的选择,一直着重考虑低毒性、温和性、触感轻柔以及安全性。这些产品的消费者对潜在的刺激性、毒性和环境因素有着深刻的认识。

  如今,由于AAS与传统对应物相比在化妆品和个人护理产品中有很多优点,其用来配制许多洗发水、染发剂和浴皂。基于蛋白质的表面活性剂具有个人护理产品必备的理想特性。有些AAS具有成膜能力,而另一些则具有良好的发泡能力。

  氨基酸是重要的天然存在于角质层中的保湿因子。当表皮细胞死亡时,它们就会成为角质层的一部分,而细胞内的蛋白质会逐渐降解为氨基酸。这些氨基酸然后被进一步输送到角质层内,吸收脂肪或类似脂肪的物质进入表皮角质层,从而提高皮肤表面的弹性。在皮肤中大约50%的天然保湿因子是由氨基酸和吡咯烷酮组成的。

  胶原蛋白是一种常见的化妆品成分,它也含有氨基酸,可以保持皮肤柔软。皮肤粗糙和暗沉等皮肤问题很大程度上是由于缺乏氨基酸造成的。一项研究表明,将一种氨基酸和软膏混合在一起可以缓解皮肤烧伤,而受影响的区域会恢复到正常状态,不会变成瘢痕瘤。

  氨基酸也被发现对护理受损的角质层非常有用。头发干燥没有光泽可能说明了严重受损的角质层中的氨基酸浓度有所下降。氨基酸具有穿透角质层进入毛干的能力,并从皮肤吸收水分。基于氨基酸的表面活性剂的这种能力使它们在洗发水、染发剂、软发剂、护发剂中非常有用,而且氨基酸的存在使头发变得强韧。

  AAS在微生物提高原油采收率中也很有用。一种菌株,Brevibacterium aureum MSA13,合成了一种AAS,有潜力应用于微生物提高原油采收率。该表面活性剂以十八酸为疏水部分,2018,亲水基由1个四肽(4个氨基酸组成的短序列:pro-leu-gly-gly)组成。另1个例子涉及的微生物提高原油采收率是在海洋环境中,所用的表面活性剂为一种由放线菌(actinobacterium)MSA13 制造出的表面活性剂。

  基于氨基酸的可聚合表面活性剂在合成手性纳米粒子方面也很有用。Preiss等报道了基于氨基酸的具有可聚合片段的手性表面活性剂的合成,然后开发用于制备手性表面官能化的纳米粒子。同时测试其作为成核剂(nucleating agents)的潜力用于氨基酸外消旋混合物的对映选择性结晶化(以外消旋的天冬酰胺为模型体系)。通过比较不同疏水尾的手性表面活性剂所合成的粒子,结果表明只有由可聚合表面活性剂组成的手性纳米粒子才能够在对映选择性结晶过程中有效地充当成核剂。

  AAS也能用于形成PEDOT [ 聚(3,4-乙烯二氧噻吩)] 膜。PEDOT膜的制备是通过在含有N-月桂酰肌氨酸钠(一种环保型AAS)的水溶液中直接阳极氧化EDOT(3,4-乙烯二氧噻吩)。除了上述应用以外,AAS也被用于优化干洗工艺,优化后的干洗工艺使用二氧化碳且其作为手性溶剂。

  Van Roosmalen等通过使用二氧化碳以及AAS将干洗工艺进行了优化,并研究了各种参数对清洗的影响。所研究参数包括清洗时间、温度以及机械作用的功率。同时研究了CO 2 、异丙醇、水和表面活性剂的使用量的影响。

  AAS的自组装导致形成具有手性表面的胶束。AAS胶束的这一性质(超分子级别的手性)使它们适用于非对称有机合成。通过表面活性剂模板法制备介孔材料,手性胶束还可以赋予介孔材料以手性,使其介孔具有手性。基于二羧基的AAS也可表现为表面活性的螯合剂。已有观察表明二羧基的AAS与二价离子(比如钙离子)的相互作用依赖于两个羧基之间的距离。

  例如,N-酰基谷氨酸盐的2个羧基之间有2个仲碳和1个叔碳基因,不能与钙离子形成分子内螯合物,且在水中不能与高浓度的钙离子形成沉淀。螯合性表面活性剂的结合特性也可用于矿物浮选。含钙的矿物,如方解石和磷灰石,可通过羧基之间距离适当的浮选试剂分离出来。N-烷基AAS是真正的两性表面活性剂,其能在cmc处提供极低的表面张力,这是由于形成了由交替的阴离子型和阳离子型组成的自组装体。这是表面活性剂的胶束化驱动质子化的代表性的例子。

  AAS也可用于设计开关型表面活性剂(switchable surfactants)。这类AAS中最知名的例子是半胱氨酸衍生物,其能通过可逆过程很容易地转换成胱氨酸衍生物。例如,长链的N-酰基胱氨酸是一种高表面活性的gemini表面活性剂,能被转变为半胱氨酸衍生物。二硫苏糖醇的表面活性很差,通过一个氧化反应也能恢复成gemini表面活性剂。从一个状态向另一个状态的转变也可通过电化学方法实现。

  AAS的大规模生产是否经济可行是一个首要考虑的问题。在生产过程中涉及的生物技术工艺并不容易产生成本效益,特别是对于需要大量使用表面活性剂的领域,如石油和环境应用。物质的纯化是另一个必须解决的问题,这对于制药、化妆品和食品应用是必需的。除了这些缺点之外,AAS的变性和分解也不可忽视,而且其活性很大程度上受盐溶液的影响。

  很多研究人员提出了解决这些问题的方法。通过使用废弃的底物(在消除其污染影响之后),可削减其生产的总成本。发展有效的生物工艺并且成功进行优化也是必需的,这包括对培养条件的优化、低成本的回收工艺,使得生产及回收最大化。

  自从1909年首次研究简单AAS的合成,AAS的研究目前已经扩展到阳离子、阴离子、非离子和两性分子的生产,及其详细的表征以及评估其物理化学性质。AAS已被证明在不同工业领域有广泛的应用,而且由于其潜在的结构多样性所带来的性质多样性,未来其应用范围将进一步扩大。已有实例表明,利用AAS的手性,使得胶束模板法制备的介孔材料的表面具有手性。在合适的领域,选择表面活性剂时,AAS的易降解性和非毒性可使其优于传统的合成表面活性剂。

  AAS面临的主要挑战是其生产成本过高和以及在分离出高纯度的产物上有一定难度。通过选择合适的可再生底物进行替代,以及设计经济且可量化的工艺,很多研究人员正努力应对这些问题。鉴于其结构及物理化学性质的多样性,在不久的将来,AAS有可能在多种不同工业领域被广泛接受并商品化。