N-酰基氨基酸表面活性剂的制备及应用进展

胡卫强，黎华美，陈　浩

(广州百孚润化工有限公司，广东　广州　510405)



N-酰基氨基酸表面活性剂的制备及应用进展

胡卫强，黎华美，陈浩

(广州百孚润化工有限公司，广东广州510405)

N-酰基氨基酸表面活性剂是一类具有高表面活性，良好的生物相容性的新型温和表面活性剂，具有非常广阔的市场前景。本文综述了N-酰基氨基酸表面活性剂的制备方法，主要可以分为直接法和间接法，并对两类方法进行了分析和总结。介绍了N-酰基氨基酸表面活性剂在日化领域、生物医药领域、食品领域和工业领域的应用，并展望了氨基酸表面活性剂的进一步开发和应用的方向。

N-酰基氨基酸表面活性剂；制备方法；应用

表面活性剂由于具有独特的应用性能，在诸多领域备受关注和广泛应用，素有“工业味精”的美誉[1]。然而，目前大多数表面活性剂属于石油基来源，由于原材料的不可再生性、低化学安全性和难降解性而备受诟病。

近年来，随着工业技术的不断发展，表面活性剂研究的不断深入，一批具有高表面活性，良好生物相容性的新型表面活性剂相继问世。其中，氨基酸表面活性剂由于制备原料属于生物体构成部分，简单易得且可再生，合成方法相对简单，以及其自身的低毒性、低刺激性、易生物降解和良好的环境相容性等优势，在食品，生物制药，日化，化工工业等行业得到了较为广泛的研究和应用[2]。国外对氨基酸表面活性剂的研究起步早，工业化生产相对成熟，并已经实现了商品化，如美国DOW的Hamposyl系列，瑞士Clariant公司生产的Medialan和Hostapon系列，日本AJINOMOTO的Amisoft系列。近年来随着我国氨基酸生产技术的不断优化，国内有厂家也相继实现了氨基酸表面活性剂规模化生产，如广州百孚润化工有限公司。

1　氨基酸表面活性剂的制备方法

制备氨基酸表面活性剂的基本原料为氨基酸(及其盐)和脂肪酸，氨基酸主要有甘氨酸、谷氨酸、丙氨酸、肌氨酸、赖氨酸、甲基牛磺酸、丝氨酸等，脂肪酸包括饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸，常用的有月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、椰油酸、油酸等。不同种类氨基酸和脂肪酸可以组合得到结构和性能各异的氨基酸表面活性剂。

目前，制备氨基酸表面活性剂的方法根据起始原料的不同，可以分为直接法和间接合成法。

1.1直接合成法

直接合成法是氨基酸和脂肪酸或者脂肪酸酯在特定工艺条件下，通过一步反应，直接缩合制备相应的氨基酸表面活性剂的方法。

1.1.1酶催化合成法

酶催化合成法是直接法研究的主要方向，该法中使用最为普遍的两种酶制剂为脂肪酶和蛋白水解酶，这两种酶来源相对广泛，容易获得。一般而言，酶促反应需在有水的条件下进行，因为酶具有催化活性的构象需水分子接或间接地通过氢键、范德华力等作用来维持，但并不是水溶液中所有水分子都与酶的活性有关，事实上，只有与酶紧密结合的那层水分子对酶的活性至关重要，只要维持这层水分子，酶的活性就不受影响，因此，可以将发生在有机溶剂或无溶剂状态下的酶促反应，理解为宏观的非水相反应和微观上的微水相反应。酶催化合成法常用的有机溶剂为正己烷、乙酸乙酯、乙腈、甲苯和异辛烷等，其中以正己烷为溶剂时产率最高。

Godtfredsen S E等[3]最早提出将酶催化合成法用于制备N-酰基氨基酸表面活性剂，并选用Candida antarc-tica脂肪酶(Novozyme 435)来催化脂肪酸与氨基酸之间的酰胺化反应。随着酶在非水介质中同样具有催化活性被发现，采用有机溶剂体系和无溶剂体系成为酶催化合成氨基酸表面活性剂的主流。其中无溶剂体系由于更加经济环保，并解决了因反应底物溶解性差而导致的问题，从而受到更为广泛的关注。Hasmah Bidin等[4]研究了通过脂肪酶RM IM催化棕榈油酯和赖氨酸制备氨基酸表面活性剂，并对制备工艺进行了优化，实际转化率达到89.03%。Soo E.L等[5]研究了酶催化棕榈仁油与不同氨基酸制备不同系列的氨基酸表面活性剂，分别对比了五种酶(Lipozyme，Novozym 435，AK脂肪酶，C.rugosa脂肪酶和胰岛素蛋白酶)在该反应中的催化活性，发现用Lipozyme作为固定酶时催化效果最佳。

酶催化合成法尽管具有选择性高、操作条件温和、绿色环保等优点，仍存在转化率低、反应时间长、酶制剂价格昂贵和回收困难等问题，限制了酶催化合成法的工业化生产，因此进一步提高酶催化合成法的效率，降低酶制剂的生产成本，改善酶制剂的回收方法，并保持酶制剂催化活性，是当前酶法合成实现工业化生产中亟需解决的问题。

1.1.2脱水缩合法

在高温条件下，氨基酸和脂肪酸可以通过直接脱水缩合制得氨基酸表面活性剂。RP Woodbury等[6]研究了在氮气保护及高温(170～190 ℃)条件下，脂肪酸与氨基酸碱金属盐可直接生成相应的氨基酸表面活性剂，该方法转化率可达到90%，且不使用PCl3等有毒有害原料，降低了环境污染风险，极大地缩短了反应流程。但该法反应条件苛刻，对设备的要求高，能耗大，其工艺还需进一步研发和完善。

1.2间接合成法

早在1909年，S.Bondi便开始使用间接合成法制得了N-酰基谷氨酸，开启了该法合成氨基酸表面活性剂的序幕，然后直到20世纪70年代，该法才受到研究者们的关注，其研究工作才逐渐活跃。间接合成法是由脂肪酰氯和氨基酸在碱性溶液中反应制得N-脂肪酰氨基酸盐，并通过中和、分离等步骤得到N-脂肪酰基氨基酸粗品，在用碱中和得到较纯的N-脂肪酰基氨基酸盐。

目前，间接合成法工艺主要包括：脂肪酸酐与氨基酸盐的酰化反应工艺、脂肪腈水解酰化反应工艺、酰胺碳基化反应工艺、脂肪酰氯与氨基酸反应工艺(肖顿-鲍曼缩合法)等。其中，肖顿-鲍曼(Schotten-Baumann)缩合法是目前工业上应用最广泛的合成方法，具体合成路线如下所示(R1COOH 为长链脂肪酸)：

(1) 酰化

(2) 缩合

(3) 酸化

(4) 成盐

肖顿-鲍曼(Schotten-Baumann)缩合法中由于酰氯极易水解，生成皂化物，影响产品纯度，因此需严格控制酰氯的质量和反应条件，减少酰氯的水解反应，才能最大程度保证产品的纯度。通常采用同时滴加氢氧化钠溶液和酰氯的方式反应，可以使反应液中的氢氧根离子的瞬间浓度不致过高，氨基酸的浓度相比酰氯浓度处在大大过量的情况下，这样可以最大限度地抑制酰氯的水解反应，从而提高产品的收率[7]。

该法设备要求相对低，原料价格低廉易得，反应条件温和，副产物容易处理，相对而言，更容易实现工业化生产。如何更好的减少酰氯水解和简化产品后处理工艺，是间接合成法当前研究的重点。

2　氨基酸表面活性剂的应用

随着氨基酸表面活性剂的生产工艺的不断完善，人们对氨基酸表面活性剂的应用研究也逐渐深入。除了传统日化领域，氨基酸表面活性剂还被广泛应用到生物医药、食品、工业等领域。

2.1日化领域

氨基酸表面活性剂由于具有安全、低刺激及良好的生物相容性等优良特性，可被安全地应用在日化产品中。近些年，随着人们对氨基酸表面活性剂认识的不断深入，氨基酸表面活性剂已经成功的应用在口腔清洁、肌肤清洁、毛发清洁等多种类型的产品当中。氨基酸表面活性剂具有良好的发泡性能和清洁能力，对肌肤有一定滋润能力，不刺激肌肤和眼睛，特别适合应用在婴幼儿产品和肌肤敏感人群。研究发现，氨基酸表面活性剂具有一定的抗菌能力[8]，应用在口腔清洁产品中，能够有效抑制口腔细菌的生长，并能保持长期活性[9]。

2.2生物医药领域

氨基酸表面活性剂近年来被应用在生物和医药领域，并取得了迅速的发展，已成为热点的研究方向。Kippert F[10]研究发现，N-酰基氨基酸表面活性剂能够明显改善维生素E在水中的溶解性，并提高人体对维生素成分的吸收，显著降低对皮肤的刺激作用。2012年，日本的Asahi Kasei 化学公司合成了阴离子氨基酸类表面活性剂[11-12]，作为皮肤渗透剂抗坏血酸-2-葡萄糖苷的化学促进剂，可以积累皮肤中的亲水物质和提高皮肤渗透通量，有望用于皮肤局部治疗剂。有学者研究了用N-酰基氨基酸及其盐在提取DNA技术中的应用，他们发现用N-酰基氨基酸可从新鲜的鱼血和冷冻过的鲸油中提取分离DNA，并有研究者发现在低pH值条件下，将N-酰基氨基酸作为分离RNA的pH试剂，可安全快速地从人血、动植物细胞和微生物中分离出RNA，还有人发现了用N-酰基氨基酸盐从人类血清中定量提取 DNA 的简单方法[13]。此外，许多研究者还对N-酰基氨基酸系列表面活性剂在免疫学中进行了很多应用研究。

2.3食品领域

氨基酸表面活性剂由于其良好的安全性能及生物相容性而被大量应用到食品领域。添加少量的N-酰基氨基酸表面活性剂，能够保持植物油和可可粉等食品的糖果香味不溢出，防止异味的滋生。N-酰基氨基酸表面活性剂可作为食品添加剂，有效抑制碳水化合物中酸性物质发酵并残留在龋齿上，防止对其龋齿的酸蚀。此外，氨基酸表面活性剂还具有防雾和抗静电的作用，可用于食品包装、塑料等薄膜制品当中[14-15]。

2.4工业领域

随着氨基酸表面活性剂性能的深入研究，其在工业领域的应用也取得了一定的进展。黎四芳等[16]研究了N-月桂酰肌氨酸钠及其复配物在工业循环冷却水中的缓蚀性能，研究表明 N-月桂酰肌氨酸钠可作为高效的阳极缓蚀剂，并与甲基苯骈三氮唑或硫酸锌复配，均具有很好的协同缓蚀增效作用。孙霞等[17]对N-月桂酰基谷氨酸作为润滑油添加剂进行了研究，发现能够提高润滑油的生物降解性能，并表现出良好的防锈、抗磨和耐摩性能。此外，氨基酸表面活性剂还被广泛应用到金属加工[18]和原油开采[19]等相关领域中。

3　展　望

N-酰基氨基酸表面活性剂具有多方面优良的特性，被广泛应用在诸多领域中，具有非常广阔的市场前景。目前，N-酰基氨基酸表面活性剂的研究和应用已经形成一定的体系，工业上普遍采用得肖顿-鲍曼工艺，尽管比较成熟，但产品后处理相对繁琐，生产成本较高，对环境有一定的影响，不符合绿色环保的理念，因此还需对工艺进一步优化，提高效率，减少环境污染。生物酶法、生物酶法和化学法结合的方法更符合绿色环保理念，将更具有发展前景。利用天然植物或者其他生物废弃物等，生产更经济的脂肪酸和氨基酸，能够有效降低N-酰基氨基酸表面活性剂的原料成本。此外，还需进一步深化氨基酸表面活性剂结构和性能的研究，拓展氨基酸表面活性剂在新领域的应用。

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Research Progress on Preparation and Application of N-acylamino Acids Surfactants

HU Wei-qiang, LI Hua-mei, CHEN Hao

(Guangzhou Bafeorii Chemical Limited Company，Guangdong Guangzhou 515405, China)

N-acylamino acids surfactants was a new type of mild surfactant with high surface activities and good biocompatibility, and its market prospect was wide. The preparations of N-acylamino acids surfactants were summarized, there were mainly direct method and the indirect method, and the two kinds of methods were analyzed and summarized. The application of N-acylamino acids surfactants in daily chemical field, biomedicine field, food field and industry field was introduced, and the further development and application of N-acylamino acids surfactants were proposed.

N-acylamino acids surfactants; preparations; application

胡卫强(1985-)，男，硕士研究生，研发工程师，主要从事化妆品应用配方的开发。

O629.71+1

A

1001-9677(2016)016-0034-03