氨基酸的表面活性剂

2022-06-11
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本文目录概要：1.氨基酸的发展、2.结构特性、3.化学构成、4.分类、5.合成、6.物理化学性质、7.毒性、8.抗菌活性、9.流变性质、10.在化妆品行业的应用、11.用于日化方面的应用。
氨基酸表面活性剂（AAS）是一类疏水基与一种或多种氨基酸组合而成的表面活性剂。其中，氨基酸可以是合成的，也可以来自于蛋白质水解液或类似的可再生资源。本文涵盖了AAS大部分可用合成路线的细节，以及不同路线对终产物的物理化学性质的影响，包括溶解性、分散稳定性、毒性和生物降解性。作为一类需求日益增长的表面活性剂，AAS因结构可变而产生的多样性为其提供了大量的商业机会。
鉴于表面活性剂被广泛应用于洗涤剂、乳化剂、缓蚀剂、三次采油和制药等领域，研究人员对表面活性剂的关注从未间断。
表面活性剂是全球每天都在大量消耗的最具代表性的化学产品，曾对水生环境产生不利影响。研究表明，传统表面活性剂的广泛使用会对环境造成不利影响。
如今，对于消费者来说，无毒、可生物降解以及生物相容性与表面活性剂的功用和性能几乎同等重要。

生物表面活性剂是一种由细菌、真菌、酵母等微生物天然合成的、或于细胞外分泌的绿色可持续表面活性剂。因此，通过分子设计来模拟天然的两亲结构（如磷脂、烷基糖苷和酰基氨基酸）也可制备出生物表面活性剂。
氨基酸表面活性剂（AAS）便是其中一种典型的表面活性剂，通常由动物或农业衍生的原料中产生。在过去的20年里，AAS作为新型表面活性剂引起了科学家们极大的兴趣，不仅因为AAS可以利用可再生资源进行合成，而且AAS易于降解，且副产品无害，使其对环境更为安全。

AAS可被定义为由包含氨基酸基团（HO 2 C-CHR-NH 2）或氨基酸残基（HO 2 C-CHR-NH-）的氨基酸所组成的一类表面活性剂。氨基酸的2个功能区域使其可以衍生出多种多样的表面活性剂。已知自然界总共有20种标准的蛋白氨基酸（proteinogenic amino acid），它们负责生长和生命活动中的所有生理反应。它们彼此间的差异仅仅是根据残基R的不同（图1，pk a 为溶液的酸解离常数的负对数）。有些是非极性且疏水的，有些是极性且亲水的，有些是碱性的，有些是酸性的。

由于氨基酸是可再生的化合物，因而由氨基酸合成的表面活性剂也很有潜力成为可持续的环保物质。简单而天然的结构、低毒性以及快速的生物降解性，往往使其优于传统表面活性剂。使用可再生的原料（如氨基酸和植物油），AAS可以通过不同的生物技术路线和化学路线进行生产。

20世纪早期，氨基酸首次被发现能作为基底用于合成表面活性剂。AAS主要是在药品和化妆品配方中用做防腐剂。此外，AAS被发现具有生物活性，对抗多种致病的细菌、肿瘤和病毒。1988年，低成本AAS的供应引起了人们对表面活性的研究兴趣。如今，随着生物技术的发展，一些氨基酸也能够通过酵母进行大规模的商业合成，这也间接证明了AAS的生产更为环境友好。

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01、氨基酸的发展
早在19世纪早期，天然存在的氨基酸刚被发现，就被人们预测出其结构极具价值——可用来做制备两亲物的原料。第一个关于AAS合成的研究是在1909年由Bondi报道的。
在该研究中，引入N-酰基甘氨酸和N-酰基丙氨酸作为表面活性剂的亲水基。随后的工作涉及使用甘氨酸和丙氨酸合成脂氨基酸（lipoamino acid）。Hentrich等发表了一系列研究结果，包括申请了第一个专利，关于将酰基肌氨酸盐和酰基天冬氨酸盐作为表面活性剂应用于家用清洁产品中（如洗发水、洗涤剂和牙膏）。随后，很多科研人员研究了酰基氨基酸的合成和物理化学性质。到目前为止，关于AAS的合成、性质、工业应用和生物降解能力已有大量文献发表。

02、结构特性
AAS的非极性疏水脂肪酸链在结构、链长和数目上可能有所不同。AAS的结构多样性及高表面活性解释了其广泛的构成多样性和物理化学及生物特性。AAS的头基由氨基酸或肽构成。头基的差异决定了这些表面活性剂的吸附、聚集和生物活性。头基中的官能团则决定了AAS的类型，包括阳离子型、阴离子型、非离子型和两性型。亲水的氨基酸和疏水的长链部分组合形成两亲结构，使得分子具有高表面活性。另外，分子中存在不对称碳原子有助于形成手性分子。
03、化学构成
所有肽和多肽都是这将近20种α-蛋白氨基酸（proteinogenic α-amino acid）的聚合产物。所有20种α-氨基酸都包含一个羧酸官能团（—COOH）和一个氨基官能团（—NH 2），且二者连接在同一个四面体α-碳原子上。氨基酸彼此的区别在于α碳上连接的不同R基团（除了甘氨酸，R基团是氢）。R基团在结构、尺寸和电荷（酸、碱度）上可能有所不同。这些差异也决定了氨基酸在水中的溶解度。

氨基酸具有手性（除了甘氨酸），其本质是在α碳上连结有4种不同的取代基，因而具有光学活性。氨基酸有两种可能的构型；两者互为彼此不可重叠的镜像，尽管事实上L-立体异构体的数量明显更多。某些氨基酸（苯基丙氨酸、酪氨酸和色氨酸）中存在的R基为芳基，导致在280 nm处有最大紫外吸收。氨基酸中的酸性α-COOH和碱性的α-NH 2 能够电离，两种立体异构体不管哪种，都能构建如下所示的电离平衡：

如上述电离平衡所示，氨基酸至少含有两个弱酸性基团；然而，与质子化的氨基相比，羧基的酸性要强得多。pH为7.4时，羧基被去质子化，而氨基则被质子化。带有不可电离的R基团的氨基酸在该pH值时为电中性，并形成两性离子（zwitterion）。

04、分类
可按4个标准对AAS进行分类，下面依次进行介绍。
4.1 根据起源
根据起源，AAS可分为如下2类。

①天然类
一些天然存在的含有氨基酸的化合物也具有降低表/界面张力的能力，有些甚至超过了糖脂的功效。这些AAS也被称为脂肽（lipopeptide）。脂肽是低分子量化合物，通常是由杆菌（Bacillus species）产生的。

此类AAS进一步划分为3个子类：表面活性肽（surfactin）、伊枯草菌素（iturin）和丰原素（fengycin）。

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表面活性肽家族囊括了多种物质的七肽变体，如图2a所示，在这类表面活性剂中，一个C12-C16不饱和β-羟基脂肪酸链与肽相连。表面活性肽为大环内酯，其中β-羟基脂肪酸和肽的C端之间通过催化使环闭合。

在伊枯草菌素这一子类中，主要有6个变体，即伊枯草菌素A和C，抗霉枯草菌素（mycosubtilin）和杆菌抗霉素（bacillomycin）D、F和L。在所有情况下，七肽与β-氨基脂肪酸的C14-C17链（链可以是多种多样的）相连。在伊枯草菌素中，β位的氨基能与C端形成一个酰胺键从而构成大环内酰胺的结构。

丰原素这一子类则包含丰原素A和B，当Tyr9为右旋构型（D-configured）时也称之为制磷脂菌素（plipastatin）。十肽与一个C14 -C18 饱和或不饱和的β-羟基脂肪酸链相连。从结构上讲，丰原素也是大环内酯，在肽序列的第3位包含一个Tyr侧链并与C端残基形成一个酯键，从而形成一个内部环状结构（许多假单胞菌脂肽（Pseudomonas lipopeptide）便是如此）。

②合成类

AAS也可通过使用任何一种酸性、碱性和中性的氨基酸来进行合成。用于合成AAS的常见氨基酸有谷氨酸、丝氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、甘氨酸、精氨酸、丙氨酸、亮氨酸和蛋白水解物。这一子类的表面活性剂可用化学法、酶法、化学酶法来制备；然而，对于生产AAS，化学合成在经济上更可行。常见的例子包括N-月桂酰-L-谷氨酸和N-棕榈酰-L-谷氨酸。

4.2 根据脂族链取代基
根据脂肪链取代基，基于氨基酸的表面活性剂可分成2种类型。

根据取代基的位置

①N-取代的AAS

在N-取代的化合物中，一个氨基被亲脂基团或羧基所取代，导致碱性丧失。N-取代的AAS最简单的例子是N-酰基氨基酸，它们本质上是阴离子表面活性剂。N取代的AAS在疏水部分和亲水部分之间连接有一个酰胺键。酰胺键具有形成氢键的能力，在酸性环境下有利于这种表面活性剂的降解，从而使之可生物降解。
②C-取代的AAS
在C-取代的化合物中，取代发生在羧基上（通过一个酰胺键或酯键）。典型的C-取代的化合物（例如酯或酰胺）本质上是阳离子表面活性剂。
③N-和C-取代的AAS
在此类表面活性剂中，氨基和羧基都是亲水部分。该类型在本质上是两性（amphoteric）表面活性剂。
4.3 根据疏水尾巴的数目
根据头基和疏水尾巴的数目，AAS可分成4组。直链AAS、Gemini（二聚体）型AAS，甘油脂型AAS、双头基两亲分子（Bola）型AAS。直链表面活性剂为只含有1个疏水尾巴的氨基酸构成的表面活性剂（图3）。Gemini型AAS，其每个分子具有2个氨基酸极性头基和两个疏水尾巴（图4）。此类结构中，2个直链AAS通过间隔基（spacer）连结在一起，因此也称为二聚体。而在甘油脂型AAS中，两个疏水尾巴连接到同一个氨基酸头基上（图5）。这些表面活性剂可看作是单甘油酯、甘油二酯和磷脂的类似物。Bola型AAS则是2个氨基酸头基通过一个疏水尾巴连结在一起（图6）。

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4.4、根据头基的类型
①阳离子型AAS
此类表面活性剂的头基带正电荷。最早的阳离子型AAS是椰油酰基精氨酸乙酯，是一种吡咯烷酮羧酸盐。该表面活性剂的性质独特而多样，使其在消毒剂、抗菌剂、抗静电剂、护发素中很有用，而且对眼睛和皮肤也很温和，且易于生物降解。Singare和Mhatre合成了基于精氨酸的阳离子型AAS，并对其物理化学性质进行了评价。在该项研究中，他们声称使用Schotten-Baumann反应条件所得产物的产率很高。随着烷基链长的增加和疏水性的增强，发现表面活性剂的表面活性增大且临界胶束浓度（cmc）减小。另一个是酰基蛋白质的季铵盐（quaternary acyl protein），通常在护发产品中被用作护发素。

②阴离子型AAS
在阴离子表面活性剂中，表面活性剂的极性头基带负电荷。肌氨酸盐表面活性剂便是一种阴离子型AAS。肌氨酸（CH 3 —NH—CH 2 —COOH, N-甲基甘氨酸）是一种常见于海胆和海星的氨基酸，肌氨酸与甘氨酸（NH 2 —CH 2 —COOH，）有着化学相关性，而甘氨酸则是哺乳动物细胞中发现的一种基础氨基酸。月桂酸、十四酸、油酸及其卤化物和酯类通常被用来合成肌氨酸盐表面活性剂。肌氨酸盐本质上很温和，因而通常用于漱口水、洗发水、喷雾剃须泡沫、防晒霜、皮肤清洁剂（skin cleanser）和其他化妆品。

其他商业化阴离子型AAS包括Amisoft CS-22和AmiliteGCK-12，两者分别是N-椰油酰-L-谷氨酸钠和N-椰油酰甘氨酸钾的商品名。Amilite通常被用作发泡剂、洗涤剂、增溶剂、乳化剂和分散剂，在化妆品中有许多应用，如洗发水、浴皂、沐浴露、牙膏、洗面奶、洁面皂、隐形眼镜清洁剂和家用表面活性剂 [50] 。Amisoft被用作温和的皮肤和头发清洁剂，主要用于面部和身体清洁用品、块状合成洗涤剂，身体护理品、洗发水和其他护肤产品。

③两性（zwitterionic或amphoteric）AAS
两性（Amphoteric）表面活性剂同时含有酸性和碱性位点，因此可通过改变pH值来改变电荷。在碱性介质中它们的表现就像阴离子表面活性剂，而在酸性环境中就像阳离子表面活性剂，中性介质中则像两性表面活性剂。月桂酰赖氨酸（LL）和烷氧基（2-羟丙基）精氨酸是已知仅有的基于氨基酸的两性表面活性剂。LL是赖氨酸和月桂酸的缩合产物。由于LL的两性结构，除了碱性或酸性极强的溶剂之外，几乎所有类型的溶剂都无法将其溶解。LL作为有机粉末，其对亲水表面具有优异的粘附性和低摩擦系数，赋予了该表面活性剂优异的润滑能力。LL广泛应用于护肤霜和护发素中，也用作一种润滑剂。

④非离子型AAS
非离子表面活性剂的特点是极性头基不带有形式电荷。Al-Sabagh等用油溶性的α-氨基酸制备了8种新型的乙氧基非离子表面活性剂。在此工艺中，L-苯丙氨酸（LEP）和L-亮氨酸先与十六醇进行酯化反应，之后与棕榈酸发生酰胺化，得到了α-氨基酸的2种酰胺和2种酯。酰胺和酯然后与环氧乙烷进行缩合反应，制备出聚氧乙烯单元数不同（40、60和100）的3种苯丙氨酸衍生物。这些非离子型的AAS被发现具有良好的去污力和泡沫性能。

05、合成

5.1、基本合成路线
在AAS中，疏水基团可以连接在胺或羧酸部位，或通过氨基酸的侧链进行连接。以此为基础，有4种基本的合成路线可供选择，如图7所示。

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路径1：
通过酯化反应生成两亲性酯胺（ester amine），在这种情况下，表面活性剂的合成通常是在脱水剂和酸性催化剂存在的情况下，通过回流脂肪醇和氨基酸来实现的。在某些反应中，硫酸同时起着催化剂和脱水剂的作用。

路径2：
活化的氨基酸与烷基胺反应生成酰胺键，从而合成出两亲性酰胺基胺（amidoamine）。
路径3：

通过氨基酸的胺基与脂肪酸反应合成酰胺基酸（amido acid）。

路径4：
通过胺基与卤代烷的反应，合成了长链烷基氨基酸。

5.2、合成和生产方面的进展
5.2.1 、单链氨基酸/肽表面活性剂的合成
通过胺基或羟基与脂肪酸的酶催化酰化反应，可以合成N-酰基或O-酰基氨基酸或肽。最早关于无溶剂脂肪酶催化法合成氨基酸酰胺或甲酯衍生物的报道使用的是南极假丝酵母（Candida antarctica），根据目标氨基酸不同，产率在25%~90%。在某些反应中，甲基乙基甲酮也被用作溶剂。Vonderhagen等也描述了脂肪酶和蛋白酶催化的氨基酸、蛋白水解物和/或其衍生物的N-酰化反应，使用水和有机溶剂的混合物（如二甲基甲酰胺/水）和甲基丁甲酮。

在早期，酶催化合成 AAS的主要问题是产率太低。根据Valivety等的报道，即使使用不同的脂肪酶并在70℃下孵化很多天之后，N-十四酰氨基酸衍生物的产率也仅有2%~10%。Montet等在利用脂肪酸和植物油合成N-酰基赖氨酸的过程中，也遇到了有关氨基酸产率低的问题。根据他们的报道，在无溶剂条件和使用有机溶剂的情况下，该产物的最高产率为19%。Valivety等在合成N-Cbz-L-赖氨酸或N-Cbz-赖氨酸甲酯衍生物时也遇到同样问题。

在这项研究中，他们声称，在融化无溶剂环境下使用N-保护的丝氨酸作为底物以及Novozyme 435作为催化剂，3-O-十四酰-L-丝氨酸的产率则为80%。Nagao和Kito研究了使用脂肪酶时L-丝氨酸、L-高丝氨酸、L-苏氨酸和L-酪氨酸（LET）的O-酰化反应的结果（脂肪酶是通过Candida cylindracea和Rhizopus delemar在水缓冲介质中得到的），并报道了L-高丝氨酸和L-丝氨酸的酰化的产率在某种程度上很低，而L-苏氨酸和LET则没有发生酰化反应。

许多研究人员都支持使用廉价易得的底物合成有成本效益的AAS。Soo等声称，基于棕榈油的表面活性剂的制备中，使用固定化的脂酶（lipoenzyme）效果最好。他们指出，尽管反应耗时很长（6天），但产物的产率会更好。Gerova等研究了基于蛋氨酸、脯氨酸、亮氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸和苯基甘氨酸的手性N-棕榈酰AAS的旋光的/外消旋的混合物的合成及表面活性。Pang和Chu描述了基于氨基酸的单体和基于二元羧酸的单体在溶液中的共缩聚反应，合成了一系列功能性的、可生物降解的基于氨基酸的聚酰胺酯。

Cantacuzene和Guerreiro报道了Boc-Ala-OH和Boc-Asp-OH的羧酸基团与长链脂肪醇和二醇所发生的酯化反应，其中二氯甲烷作溶剂、琼脂糖4B （Sepharose 4B）作催化剂。在该研究中，Boc-Ala-OH与高达16个碳原子的脂肪醇反应所得产率很好（51%），而对于Boc-Asp-OH则是6和12个碳原子更佳，相应产率为63% [64] 。Clapes等报道了在木瓜蛋白酶（来自于番木瓜乳汁）存在下，N-精氨酸烷基酰胺衍生物（纯度99.9%）的产率为58%~76%，其合成是通过Cbz-Arg-OMe与多种长链烷基胺形成酰胺键或与脂肪醇形成酯键，这里木瓜蛋白酶作为催化剂。

5.2.2、 gemini型氨基酸/肽表面活性剂的合成
基于氨基酸的gemini表面活性剂由两个直链AAS分子组成，彼此通过一个间隔基头对头地连结在一起。对于化学酶法合成gemini型的基于氨基酸的表面活性剂有2种可能的方案（图8和9）。在图8中，2个氨基酸衍生物与作为间隔基的化合物发生反应，然后引入2个疏水基。在图9中，2个直链结构直接通过一个双官能团的间隔基连接在一起。

最早是Valivety等率先开发gemini脂氨基酸（lipoamino acid）的酶催化合成。Yoshimura等研究了一种基于胱氨酸和n-烷基溴的基于氨基酸的gemini表面活性剂的合成、吸附和聚集。将所合成的表面活性剂与相应的单体表面活性剂进行了比较。Faustino等描述了以L-胱氨酸、D-胱氨酸、DL-胱氨酸、L-半胱氨酸、L-蛋氨酸和L-磺基丙氨酸为基础的阴离子型基于尿素的单体AAS及其对的gemini的合成，并用电导、平衡表面张力和稳态荧光的手段对其进行表征。研究表明，通过比较单体和gemini，gemini的cmc值较低。

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5.2.3、甘油脂氨基酸/肽表面活性剂的合成
甘油脂氨基酸/肽表面活性剂（glycerolipid amino acid/peptide surfactants）是一类新型脂氨基酸，它们是甘油单酯（或二酯）和磷脂的结构类似物，由于其结构为1或2个脂肪链与1个氨基酸通过酯键与甘油骨架连结在一起。这类表面活性剂的合成首先是在升高温度以及在酸性催化剂（如BF 3）存在的情况下先制备氨基酸的甘油酯。酶催化合成（利用水解酶、蛋白酶和脂肪酶作催化剂）也是很好的选择（图10）。
利用木瓜蛋白酶，采用酶催化合成双月桂酰化的精氨酸甘油酯结合物已有报道。由乙酰基精氨酸合成二酰基甘油脂结合物并评价其物理化学性质也有了报道。

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5.2.4 、bola型氨基酸/肽表面活性剂的合成
基于氨基酸的bola型两亲物含有2个氨基酸，这2个氨基酸与同1个疏水链相连接。Franceschi等描述了具有2个氨基酸（D-或L-丙氨酸或L-组氨酸）和1个不同长度烷基链的bola型两亲物的合成，并研究了其表面活性。他们讨论了新型bola型两亲物的合成和聚集，该bola型两亲物具有氨基酸部分（使用不常见的β-氨基酸或一种醇）以及C12 -C20的间隔基。所用的不常见的β-氨基酸可以是氨基糖酸（sugar aminoacid）、一种叠氮基胸腺激素（azidothymin）（AZT）衍生的氨基酸、一种降冰片烯氨基酸（norbornene amino acid）和一种由AZT衍生的氨基醇（图11）。Polidori等描述了由三羟甲基氨基甲烷（Tris）衍生的对称性的bola型两亲物的合成（图11）。

06、物理化学性质
众所周知，基于氨基酸的表面活性剂（AAS）性质多样、用途广泛，在很多应用中具有很好的适用性，比如良好的增溶性、良好的乳化性能、高效率、高表活性能以及良好的抗硬水能力（钙离子耐受性）。
基于氨基酸的表面活性剂的性质（如表面张力、cmc、相行为和Krafft温度），经过大量研究，得出以下结论——AAS的表面活性优于其对应的传统表面活性剂的表面活性。

6、1 临界胶束浓度（cmc）
临界胶束浓度是表面活性剂的重要参数之一，支配着很多表面活性性质，如增溶性、细胞溶解作用及其与生物膜的相互作用等等。一般来说，增加碳氢尾巴的链长（增加疏水性）会导致表面活性剂溶液的cmc值减小，从而增加其表面活性。与传统的表面活性剂相比，基于氨基酸的表面活性剂通常具有较低的cmc值。

通过头基和疏水尾巴的不同组合（单阳离子酰胺、双阳离子酰胺、双阳离子酰胺基酯），Infante等合成了3种基于精氨酸的AAS，并研究其cmc和γcmc（cmc处的表面张力），结果表明随着疏水尾巴长度的增加，cmc和γcmc值减小。在另一项研究中，Singare和Mhatre发现，N-α-酰基精氨酸表面活性剂的cmc随着疏水尾巴碳原子数的增多而减小（表1）。

Yoshimura等研究了半胱氨酸衍生的基于氨基酸的gemini表面活性剂的cmc，结果表明疏水链中碳链长度从10增加到12时，其cmc下降。进一步将碳链长度增加到14，则导致cmc增大，这证实了长链gemini表面活性剂具有较低的聚集倾向。

Faustino等报道了基于胱氨酸的阴离子型gemini表面活性剂的水溶液中混合胶束的形成。同时将gemini表面活性剂与对应的传统的单体表面活性剂（C 8 Cys）进行了比较。据报道，脂质-表面活性剂混合物的cmc值比纯表面活性剂的cmc值要低。gemini表面活性剂和1,2-二庚酰-sn-甘油基-3-磷酸胆碱（一种水溶性的、能形成胶束的磷脂）其cmc为毫摩尔级别。

Shrestha和Aramaki研究了无外加盐时，混合型基于氨基酸的阴离子-非离子表面活性剂的水溶液中粘弹性蠕虫状胶束的形成。在这项研究中，发现N-十二烷基谷氨酸具有更高的Krafft温度；然而，当用碱性氨基酸L-赖氨酸中和后，它生成了胶束，并且溶液在25 ℃开始表现得像牛顿流体。

6.2、良好的水溶性
AAS良好的水溶性是由于存在额外的CO-NH键。与相应的传统表面活性剂相比，这使得AAS更容易生物降解且环境友好。N-酰基-L-谷氨酸由于具有2个羧基，其水溶性甚至更佳。Cn(CA) 2 的水溶性也很好，因为1个分子中有2个离子性的精氨酸基团，因而在细胞界面上的吸附和扩散更为有效，甚至在较低浓度下就能有效抑菌。

6.3 、Krafft 温度和 Krafft 点
Krafft温度可理解成表面活性剂特殊的溶解性行为，这些表面活性剂的溶解度在高于某一特定温度后急剧增大。离子表面活性剂具有生成固体水合物的倾向，其能够从水中沉淀出来。在某一特定温度（即所谓的Krafft温度），通常会被观察到表面活性剂的溶解度剧烈而不连续的增加。离子表面活性剂的Krafft点就是其在cmc时的Krafft温度。

该溶解性特征通常见于离子表面活性剂，可这样解释：在低于Krafft温度时表面活性剂游离单体的溶解度有限，直到达到Krafft点，由于胶束的形成，其溶解度逐步增加。为保证完全溶解，有必要在高于Krafft点的情况下制备表面活性剂配方。

AAS的Krafft温度已有很多研究，并与传统合成表面活性剂进行了比较。Shrestha和Aramaki研究了基于精氨酸的AAS的Krafft温度，发现其临界胶束浓度表现为在高于2~5×10 -6 mol·L -1 时具有形成预胶束这种聚集行为、随后是正常胶束的形成（在3~6×10 -4 mol·L -1 ）。Ohta等合成了6种不同类型的N-十六酰基AAS并讨论了其Krafft温度与氨基酸残基之间的关系。

在实验中，发现N-十六酰基AAS的Krafft温度随着氨基酸残基（苯丙氨酸是个例外)尺寸的减小而升高，而溶解热（吸热）则随着氨基酸残基尺寸的减小而增大（甘氨酸和苯丙氨酸例外)。由此得出结论，在丙氨酸体系和苯丙氨酸体系中，均为在固体形态的N-十六酰基AAS盐中D-L相互作用要强于L-L相互作用。

Brito等利用差示扫描微量热法测定了3个系列的基于氨基酸的新型表面活性剂的Krafft温度，发现将三氟醋酸根离子变为碘离子会导致Krafft温度明显升高（约为6 ℃），从47 ℃升高至53 ℃。顺式双键的存在以及存在于长链Ser-衍生物中的不饱和性使得Krafft温度显著降低。N-十二烷基谷氨酸被报道具有较高的Krafft温度。然而，与碱性氨基酸L-赖氨酸中和后导致溶液中形成胶束，在25℃行为类似牛顿流体。

6.4、表面张力
表面活性剂的表面张力与疏水部分的链长有关。Zhang等用Wilhelmy板法测定了椰油酰甘氨酸钠的表面张力（25±0.2）℃，测定cmc处的表面张力值为33 mN·m -1 ，cmc为0.21 mmol·L -1。Yoshimura等测定了2C n Cys型基于氨基酸的表面活性剂的表面张力 [83] 。结果发现cmc处的表面张力随着链长的增加而减小（直到n = 8），而对于n = 12或更长链长的表面活性剂，该趋势则正相反。

CaC1 2 对二羧基的氨基酸型表面活性剂的表面张力的影响亦有研究 [84,85] 。在这些研究中，将 CaC1 2 添加到3种二羧基的氨基酸型表面活性剂（C12 MalNa 2、C12 AspNa 2、C12 GluNa 2）的水溶液中。将cmc之后的平台值进行比较，发现表面张力在非常低的 CaC1 2 浓度下就有所降低。这是由于钙离子对表面活性剂在气-水界面处的排列造成的影响。N-十二烷基氨基丙二酸的盐和N-十二烷基天冬氨酸的盐的表面张力则达到10 mmol·L -1 CaC1 2 浓度时，也几乎不变。高于10 mmol·L -1，表面张力急剧增大，由于形成了表面活性剂的钙盐沉淀。对于N-十二烷基谷氨酸的二钠盐，适量加入 CaC1 2 导致表面张力显著降低，而继续增大CaC1 2 浓度则不再引起显著变化。

为测定gemini型AAS在气-水界面处的吸附动力学，利用最大泡压法测定动态表面张力。结果表明，对于最长的测试时间，2C 12 Cys动表面张力没有变化。动表面张力的下降只取决于浓度、疏水尾巴的长度以及疏水尾巴的数目。表面活性剂的浓度增大、链长以及链数目的减小使得衰减更迅速。较高浓度的C n Cys（n = 8~12）所得结果发现非常接近于通过Wilhelmy法测得的γ cmc 。

在另一项研究中，通过Wilhelmy板法测定了双月桂酰胱氨酸钠（SDLC）和二癸酰胺基胱氨酸钠（sodium didecamino cystine）的动表面张力，另外，通过滴体积法测定了其水溶液的平衡表面张力。通过其他方法也对二硫键的反应做了进一步研究。将巯基乙醇加入到0.1 mmol·L -1SDLC溶液中导致表面张力迅速上升，从34 mN·m -1 升高到53 mN·m -1 。由于NaClO可以将SDLC的二硫键氧化成磺酸基，当NaClO（5 mmol·L -1 ）加入到0.1 mmol·L -1 SDLC溶液中时，观察不到聚集体。透射电子显微镜和动态光散射结果表明溶液中无聚集体形成。发现SDLC的表面张力在20 min的时间里从34 mN·m -1 增大到60 mN·m -1 。

6.5、二元表面相互作用
在生命科学领域，有很多课题组研究了阳离子型AAS（基于二酰基甘油精氨酸的表面活性剂）和磷脂的混合物在气-水界面处的振动性质，最后得出结论，这种非理想特性造成了静电相互作用的普遍性。

6.6、聚集性质
动态光散射常用于测定基于氨基酸的单体和gemini表面活性剂在浓度高于cmc时的聚集性质，可得到表观流体力学直径D H （= 2R H ）。与其他表面活性剂相比，C n Cys和2Cn Cys形成的聚集体相对较大且尺度分布很宽。除2C 12 Cys之外的其他表面活性剂通常形成大约10 nm的聚集体。gemini表面活性剂的胶束尺寸显著大于其单体对应物的胶束尺寸。碳氢链长的增加也会导致胶束尺寸的增大。Ohta等描述了N-十二烷基-苯基-丙氨酰基-苯基-丙氨酸四甲铵的3种不同立体异构体的水溶液的聚集性质，结果表明，非对映异构体在水溶液中具有相同的临界聚集浓度。Iwahashi等通过圆二色谱、NMR和蒸汽压渗透测定法研究了有旋光性的N-月桂酰-L-谷氨酸、N-月桂酰-L-缬氨酸及其甲酯在不同溶剂中（如四氢呋喃、乙腈、1,4-二氧六环和1,2-二氯乙烷）手性聚集体的形成。

6.7、界面吸附
基于氨基酸的表面活性剂的界面吸附及其与传统对应物的比较也是研究方向之一。例如，研究由LET和LEP获得的芳香族氨基酸的十二烷基酯的界面吸附性质。结果表明，LET和LEP在气液界面和在水/己烷界面分别表现出更低的界面面积。

Bordes等研究了3种二羧基的氨基酸表面活性剂的溶液行为和在气-水界面处的吸附，这3种表面活性剂分别是十二烷基谷氨酸、十二烷基天冬氨酸和氨基丙二酸三者的二钠盐（两个羧基之间分别有3、2、1个碳原子）。根据该报道，二羧基的表面活性剂的cmc比单羧基的十二烷基甘氨酸盐高4~5倍。这归结于二羧基的表面活性剂通过其中的酰胺基团与邻近分子之间形成的氢键。

6.8相行为
表面活性剂在浓度很高时观察到各向同性不连续立方相。头基很大的表面活性剂分子容易形成较小的正曲率的聚集体。Marques等研究了12Lys12/12Ser和8Lys8/16Ser体系（见图12）的相行为，结果表明，12Lys12/12Ser体系的胶束溶液区和囊泡溶液区之间为相分离区，而8Lys8/16Ser体系则表现为一个连续转变的过程（小胶束相区和囊泡相区之间为拉长的胶束相区）。需要指出的是，对于12Lys12/12Ser体系的囊泡区，囊泡始终是与小胶束共存的，而8Lys8/16Ser体系囊泡区则只有囊泡。

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6.9、乳化能力
Kouchi等考察了N-[3-十二烷基-2-羟丙基]-L-精氨酸，L-谷氨酸盐以及其他AAS的乳化能力、界面张力、分散能力和粘度。与合成表面活性剂（其传统非离子型和两性型对应物）对比，结果表明AAS具有比传统表面活性剂更强的乳化能力。

Baczko等合成了新型的阴离子型氨基酸表面活性剂，考察其是否适用于作为手性取向核磁的溶剂（chiral oriented NMR spectroscopy solvents）。通过将氨基酸与邻磺基苯甲酸酐反应，合成一系列不同疏水尾巴（戊基~十四烷基）的磺酸盐型两亲L-Phe或L-Ala衍生物。Wu等合成了N-脂肪酰基AAS的钠盐，考察其在水包油乳液中的乳化能力，结果表明乙酸乙酯做油相时这些表面活性剂的表现比正己烷做油相时更好。

6.10、合成和生产方面的进展
抗硬水能力可理解为表面活性剂对于硬水中存在的诸如钙、镁等离子的抵抗能力，即避免沉淀变成钙皂的能力。耐硬水性较强的表面活性剂对于洗涤剂配方和个人护理产品非常有用。可以通过计算在钙离子存在下表面活性剂的溶解度和表面活性的变化来评价抗硬水能力。
另一种评价抗硬水能力的方法是计算100 g油酸钠所形成的钙皂分散在水中所需表面活性剂的百分数或克数。在硬水较高的地区，高浓度的钙、镁离子和矿物含量会给某些实际应用带来困难。通常钠离子被用作合成的阴离子表面活性剂的反离子。由于二价的钙离子与两个表面活性剂分子结合，导致表面活性剂更容易从溶液中沉淀使得洗涤性下降。

AAS的抗硬水能力的研究表明耐酸性和耐硬水性强烈受到一个额外的羧基的影响，而且随着两个羧基之间的间隔基长度的增加耐酸性和耐硬水性进一步增大。耐酸性及耐硬水性的顺序依次为C 12 甘氨酸盐 < C 12 天冬氨酸盐 < C 12 谷氨酸盐。分别比较二羧基酰胺键和二羧基氨基表面活性剂，发现后者的pH范围更宽，其表面活性随着酸的适量加入而增大。二羧基N-烷基氨基酸在钙离子存在下具有螯合效应，C 12 天冬氨酸盐形成白色凝胶。C 12 谷氨酸盐在高Ca 2+浓度下表现出高表面活性，有望用于海水淡化。

6.11、分散性
分散性（dispersability）是指表面活性剂防止表面活性剂在溶液中凝聚和沉降的能力。分散性是表面活性剂的重要性质，使其适用于洗涤剂、化妆品和药物。分散剂（dispersing agent）必须在疏水基和末端亲水基之间（或者直链疏水基当中）含有酯键、醚键、酰胺键或氨基。
通常，阴离子表面活性剂如烷醇酰胺硫酸盐以及两性离子表面活性剂如酰胺基磺基甜菜碱做为钙皂分散剂特别有效。
很多研究工作测定了AAS的分散性，其中N-月桂酰赖氨酸被发现与水的相容性很差，很难用来制作化妆品配方。在该系列中，N-酰基取代的碱性氨基酸具有超强的分散性，并被用于化妆品工业以改进配方。

07、毒性
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。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。

08、抗菌活性

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。

09、流变性质

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。

10、在化妆品行业的应用

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。

11、用于日化方面的应用

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。