N_酰基氨基酸型表面活性剂合成及应用研究进展

1、第36卷第10期化工技术与开发Vol136No1102007年10月Technology&DevelopmentofChemicalIndustryOct12007N2酰基氨基酸型表面活性剂合成及应用研究进展杨璐,高清来,李可彬(四川理工学院,四川自贡643000)摘要:根据近年来的研究进展,综合评述和介绍了N2、性质及应用等情况。重点介绍了化学合成法和酶合成法的研究进展,如表面活性、生物降解性等以及其在化妆品、。最后,指出了进一步的研究方向关键词:2;合成;应用中图分类号:文献标识码:A文章编号:167129905(2007)1020024205作为“工业味精”的表面活性剂,因在生产和生活领

2、域中的独特功效,被认为是一种典型的品种多、用途广、需求量大的精细化工产品。但大量的表面活性剂进入水或土壤中,会破坏环境,造成水土污染,所以,我们在关注表面活性剂性能的同时也更加注重其生物降解能力及生物适应能力。因此,对研发高生物降解性和生物相溶性的高性能表面活性剂的需求越来越大1。氨基酸类表面活性剂就属于此类表面活性剂,其分子结构是模拟天然两性分子结构而设计出的一类以可再生物质为原料的环境友好表面活性剂。由于其结构简单,且与天然表面活性剂结构类似,这类表面活性剂显示出毒性低、生物降解迅速的优点,从而被广泛应用于食品、医药及化妆品等领域2。用氨基酸制备表面活性剂,必须利用氨基或羧基的反应特性,导

3、入疏水基团。但是,由于氨基酸本身结构的不同,其衍生物的性能也有变化。氨基酸可以分为中性、酸性和碱性,因此根据氨基酸结构的不同及其溶于水时离子类型的不同,可将所制得的表面活性剂分为阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型3。N2酰基氨基酸型表面活性剂是氨基酸类表面活性剂中一类典型的阴离子表面活性剂,一般由中性或酸性氨基酸的2氨基与脂肪酰基通过缩合反应得到。但也有例外,如赖氨酸与脂肪酰基的缩合反应是在2氨基上进行的,因为赖氨酸分子中存在着2个氨基,其中2氨基的反应活性比2氨基的反应活性高,因此易于进行酰胺化反应。N2酰基氨基酸型表面活性剂,由于原料易得,合成方法相对容易,加之反应物又都是生物体的构

4、成组分,具有易生物降解、安全性好等优点,从而获得了很大的发展4。但目前该类表面活性剂的生产规模较小,成本较高,仍主要用于个人卫生用品等传统领域56。国外对此类表面活性剂的研究及工业化生产已形成一定的体系,有的已实现工业化,如日本味之素公司实现了N2长链酰基谷氨酸(AGA)的工业化生产,已有产品出售。国内在N2酰基氨基酸型表面活性剂研究、开发、应用方面与发达国家相比有相当差距。目前被广泛使用的高规格表面活性剂品种大多数是依靠进口来满足需求,因此很有必要在我国大力开展这方面的研究,开发适合我国国情的生产技术并扩大其应用范围,以满足国内日益增长的市场需求。此外,随着生物技术的不断发展,不仅可以解决对

5、环境的污染问题,同时还能降低能耗及原材料的消耗以降低成本,因此采用生物技术方法合成N2酰基氨基酸型表面活性剂将具有广阔的发展前景。1合成制备N2酰基氨基酸及其盐的制备方法可以分为化学合成法和酶合成法。化学法合成N2酰基氨基酸型表面活性剂始于1909年,进入20世纪70年代其研究工作最为活跃7。目前国内外在工业上仍主要采用化学法来合成该类表面活性剂。酶合成法的研究工作于20世纪80年代中期开始。最早将水解酶用于氨基酸的N2酰基化反应由NOVO2Nordisk等人提出。他们选用Candidaantarctica脂肪酶作者简介:杨璐(19832),女,硕士研究生,主要从事表面活性剂合成方面研究,E2

6、mail:Linda2yanglu收稿日期:2007204202 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第10期杨璐等:N2酰基氨基酸型表面活性剂合成及应用研究进展25(Novozyme435)来催化脂肪酸与氨基之间的酰胺化反应8。目前酶合成法在国内外仍处于研究阶段,未见相关的工业化报道。但酶合成法作为清洁的生物技术,必将很好地推动N2酰基氨基酸型表面活性剂的发展,因此通过寻找合适的反应条件来提高产物得率的研究工作仍在不断地深入。111化学合成法由于化学法工艺流程和设

7、备相对简单,原料易得,N2酰基氨基酸及其盐的制备方法一般仍为化学合成法,其合成方法相对成熟,部分产品已实现工业化。化学合成法视原料不同而有几种不同的工艺路线,如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、酰胺羰基化反应工艺、脂肪酰氯等7。1所示。脂肪腈水解酰化反应工艺酰胺羰基化反应工艺脂肪酰氯与氨基酸反应工艺脂肪酸与氨基酸盐反应工艺特点Thomnas.H等早在20世纪60年代就已提出,但由于反应中需要大量的脂肪酸酐,造成成本增高和分离上的困难,因此并未见用于大规模工业生产4于1955年提出,但由于该法设备要求高,且有剧毒物质HCN或NaCN产生,也未取得工业上的应用4由M.贝勒等

8、提出,该法产率可达90%以上,但需在CO高压下反应,对设备要求高,并以羰基钴络合物Co2(CO)8为催化剂,活性不高,不易实现工业化9由肖顿2鲍曼等人提出,也是目前工业上最常用的方法,对工艺、设备的要求低,且反应条件温和,易于工业化生产R.P.乌布赖等人提出在170190和氮气保护下,由脂肪酸与氨基酸钠反应,可直接得到产品,流程简单,环境友好,但产品分离困难10目前在工业上用得最多的制备方法是肖顿2鲍曼(Schotten2Baunmann)缩合法,也就是脂肪酰氯与氨基酸反应工艺,即脂肪酰氯和氨基酸在碱性水溶液或其它有机溶剂中一次反应完成制得N2酰基氨基酸盐,然后经无机酸中和分离得N2酰基氨基酸

9、粗品,再加碱中和而成为较纯的N2酰基氨基酸盐1114。其合成步骤如下:其中脂肪酰氯通常用氯化亚砜与脂肪酸为原料制备,收率可达95%,也可采用光气法、氯甲酸三氯甲酯法及氯化磷法来制备15。此方法的特点是:(1)工艺流程的设备要求不复杂;(2)反应条件温和;(3)副产品氯化钠易处理,不致引起公害。但此反应的产率和纯度均不高,产率一般为60%左右。为此国内外的许多学者对此方法进行了改进,如J.J.克鲁登等人发现在碱性条件下有5%15%的无机氯化物(PCl3、PCl5、POCl3、SOCl2中的一种或多种)存在,可解决产物中引入水解产物的问题,从而提高产品质量,好的产品甚至可直接用作制药工业原料161

10、7。此外,四川大学金钟科技实业公司对此进行了改进,在生产N2月桂酰肌氨酸及盐的工艺中,虽然仍采用肖顿2鲍曼缩合工艺,但针对该工艺存在的不足,在缚酸剂及溶剂选择等方面进行了技术创新,高产率(85%)地得到纯度达98%以上的产品18。总之,化学法合成N2酰基氨基酸型表面活性剂的生产工艺大多存在着能耗高,产生有害副产品及环境污染等缺点。目前普遍采用的肖顿2鲍曼工艺虽然比较成熟,但成本仍较高,对环境也造成一定影响,因此还需要进一步改进已有工艺。112酶合成法与化学法比较,酶法可在常温和常压下进行,可 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publish

11、ing House. All rights reserved. 化工技术与开发第36卷26有效减少或消除三废,其产品是典型的环保型“绿色”产品,具有明显的绿色特点并更易被与生命相关的行业所接受,这一点远远优于化学合成表面活性剂。而与微生物法比较,酶法的生产条件相对粗放,反应具有专一性,可以获得高含量的目标产物,产物易回收,并且产品结构的修饰具有较大的灵活性19。因此,酶合成法引起了广泛的关注和重视。N2酰基氨基酸型表面活性剂的酶合成法最早由NOVO2Nordisk等人提出,的工业化报道。机溶剂体系,并用固定化酶的方式进行催化。常用的有机溶剂为正己烷、乙腈、乙酸乙酯、甲苯和异辛烷等,其中以正己烷

12、为溶剂时所得产率最高20,但脂肪酸与氨基酸仍然不能很好地混溶,这也是该合成方法产率低的一个重要原因。普遍采用的酶制剂主要有蛋白水解酶和脂肪酶2种,这2种酶都比较容易获得,且在无辅助因子、动力学或热力学控制的条件下都可催化形成酰胺和酯。而脂肪酶的催化效果比蛋白水解酶的效果要好,其中常用的脂肪酶为Lipozyme、Novozym435等。SooE.L.等人在以酶催化法从棕榈油中合成N2氨基酸型表面活性剂的过程中,对5种酶(Lipozyme、Novozym435、AK脂肪酶、C.rugosa脂肪酶和蛋白酶胰岛素)的催化效果进行了对比,发现用Lipozyme酶作为固定酶时所得的结果最佳21。国外在这方

13、面的研究较为广泛。已见报道的有:Montet等人在产自Mucormiehei的酶的催化下,将大豆油和L2赖氨酸的有机溶剂悬浮液保温7d制得N2酰基赖氨酸22。Nagao和Kito等人论证表明直接将水解酶应用于氨基酸型表面活性剂的合成十分困难,其产品得率普遍较低,一般都在2%19%左右,所报道的最高产率仅为3311%。因此通过寻找合适的反应条件来提高产物得率的研究工作仍在不断地深入。此外,酶合成法中作为催化剂使用的酶的价格较为昂贵,。总之,要实现,还需要对酶,探索最佳反应条件,从而。2性质与应用211性质N2酰基氨基酸型阴离子表面活性剂的特性与脂肪酸皂不同,因为该类表面活性剂存在着具有亲水性的氨

14、基酸基团,其钠盐比相应的脂肪酸钠有更好的水溶性、表面活性和胶束聚集能力。具体性质如下:(1)表面活性优良。N2氨基酸型表面活性剂具有优良的去污、抗钙、发泡和乳化功能,与脂肪酸皂对比硬水稳定性好25,如N2脂肪酰基谷氨酸盐表面活性剂在水中具有良好的溶解性。由于脂肪酰基碳链长度不同和盐的种类不同,其溶解度有所不同。盐的种类相同时,酰基碳链短的溶解度比酰基碳链长的好;酰基碳链相同时,以三乙醇胺盐溶解度最好,其次是钾盐、钠盐,其溶液的pH值均为弱酸性26。(2)生物降解性好。由于N2酰基氨基酸型表面活性剂的分子结构是模拟天然的两性分子结构,且以可再生物质为原料,因此具有良好的生物降解性27。该类物质能

15、被人体内的酶分解为脂肪酸和氨基酸。许多文献也证实,自然界存在着具有分解能力的氨基酸酶,所以这种表面活性剂在自然界中容易受到酶解。(3)安全性高。日本吉田等人用鼹鼠测定N2酰基氨基酸的LD50值,用白鼠进行了6个月的亚急性试验,接着又做了2年的慢性毒性试验,并用家兔做了粘膜刺激性,痤疮形成等试验,结果表明,N2酰基氨基酸比十二烷基硫酸钠刺激性更小,且未发现毒性和过敏性。(4)抗菌能力强。N2酰基氨基酸型表面活性剂的抗菌性能早已被公认,其对革兰氏阳性菌及部分丝状菌有抗菌作用28。综上所述,该类表面活性剂不仅具有良好的表面性能,而且符合当前节约能源和保护环境的要求,也满足了人们对产品安全性和温和性不

16、断提高的需求。了利用大豆、玉米和橄榄油作为底物合成N2酰基高丝胺酸的可行性,并且评定了它的乳化性能,尽管该产品能有效地稳定O/W的乳化液,但是用L2高丝氨酸为原料所获得的产率低23。SooE.L.等人利用棕榈和棕榈仁油作为合成N2酰基氨基酸型表面活性剂的原材料合成了L2谷氨酸、L2丝胺酸和L2精氨酸等不同氨基酸的产品,其中L2赖氨酸的产率最高。在国内未见相关的具体实验报道。李祖义等人在相关的文献中提到直接将固定化酶如Lipozyme和Novozyme应用于L2赖氨酸和长链脂肪酸或其甲酯的酰胺化反应时,经过数天反应,产物的收率依旧很低24。尽管酶合成法已有许多实验报道,但研究 1994-2008

17、 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第10期杨璐等:N2酰基氨基酸型表面活性剂合成及应用研究进展27212应用N2酰基氨基酸型表面活性剂近年来在应用方面获得了一定的发展。在传统的日用化学品、食物添加剂等领域的应用不断扩大,例如:用于家用洗涤剂中,表现出良好的稳泡性和洗涤能力;在香波、沐浴露和洗手液中表现出良好的洗涤力、发泡力,能产生丰富且稳定的泡沫,当皮脂类油状物质存在时也不消泡。对硬水稳定,不脱脂,接近中性,不刺激皮肤和眼睛,也有研究报道,性剂的CO2,具有更好的洗涤能力,、环保等

18、优势,其中N2月桂酰基赖氨酸的洗涤能力最强30。此外,该类表面活性剂在口腔内具有抑制将葡萄糖变为乳酸的乳酸杆菌的作用,故可作为牙粉起泡剂用于牙膏配方中31。用于食品领域,可防止食品发臭、发酵及腐败。用于纺织行业可降低静电。除了在传统领域内应用以外,N2酰基氨基酸型表面活性剂也在农业、生物制品、药物制备、涂料加工、金属焊接、纳米胶体的保护、涂料和油墨制造等领域中有很好的应用效果。例如:用于农业领域时,将某些N2酰基氨基酸阴离子表面活性剂处理大豆根瘤菌,可以提高其活性,增强固氮能力。在配制农药时,加入N2酰基氨基酸盐表面活性剂,可以降低农药的毒性和刺激性,增加农药有效成分的活性。用于生物医药领域时

19、,可作为助溶剂,提高维生素E的水溶性,利于人体吸收,减小其对皮肤的刺激作用32。在眼药水(或眼膏)中加入少量N2酰基氨基酸可提高其安全性和稳定性,增加其抗菌能力和舒适性。但在非传统领域的应用研究仍处于起步阶段,还需进一步研究以扩大其应用领域。持,寻求适合的工艺条件是研究开发的关键。随着该类表面活性剂生产技术的不断改进和完善,其生产规模的扩大及成本的降低必将促使其广泛地应用于国民经济发展的各个领域。此外,在优化合成工艺的基础上,还应探索其结构与应用性能之间的内在联系,开发新的原料以降,可以根据地方特、,开,如以植物油,这不但可以很好地利用废弃产品,而且可降低生产成本。参考文献:1KosaricN

20、.Biosurfactants:Production,Properties,Ap2plications:SurfactantScienceSeriesM.NewYork:MarcelDekker,1993.48.2M.R.Infante,L.Perez,A.Pinazo.Aminoacid2basedsurfactantsJ.C.R.Chimie,2004,(7):5832592.3葛虹,张之强,王军,等.N2脂酰氨基酸型表面活性剂的研究进展J.日用化学工业,2006,36(2):94298.4陈燕妮,卢云,吴昊,等.N2酰基氨基酸系列表面活性剂的合成和应用J.化学研究与应用,2001,13(

21、2):1922195.5Yamamoto,Goro.Acylaminoacid2typesurfactantwithlowskinirritationandgoodhardwaterresistanceP.JP2000144173A2,2002205222.6MullerP,WeberE,HelbigC,etal.Tetheringoflong2chainaminoacidstoarigidaromaticcore2anewtypeofpreorganizedsurfactantsactingasflotationagentsJ.JournalofSurfactantsandDetergent

22、s,2001,4(4):4042414.7陈丽,周美华.氨基酸型表面活性剂研究动态J.精细与专用化学品,2004,12(19):7211.8GodtfredsenS.E.,BjoerklingF.Anenzyme2catalyzedprocessforpreparingN2aclyaminoacidsandN2acylaminoacidamidesP.WP90/14429,1990211229.3发展方向综上所述,N2酰基氨基酸型表面活性剂的应用广泛,市场潜能巨大,值得进一步研究开发。目前工业普遍采用的肖顿2鲍曼工艺合成法虽已比较成熟,但产品成本还是很高,对环境也有一定影响,还需对现有工艺进行

23、优化和革新。酶法合成工艺虽然起步晚,但由于其具有活体生产方法特点(发酵法是一种活体生产方法),条件相对粗放,反应具有专一性,与发酵法相比更接近化学合成的特征,并且有望在通常温度和压力条件下实现,原料将更易于回收,可进一步提高转化率和产率。研究和探索酶的活性保9M.贝勒.N2酰基22氨基酸衍生物的制备方法P.CN1120533A,1996204217.10R.P.乌布赖,R.P.高德特,P.D.乌德.碱金属氨基酸的制备P.CN961945613,1996205231.11黄涛,郭华,黄开勋.硬脂酰甘氨酸的合成工艺研究J.化学世界,2003,(7):3772378.12张建康,杨蔚,王锦堂.N2酰

24、基甘氨酸类表面活性剂的合成J.化工时刊,2005,19(6):25223.13李秋先,侯瑞珍,齐国桢.谷氨酸的N2酰化反应J.长春工业大学学报,2003,24(4):19222.14汪学军.N2硬脂酰基亮氨酸的合成J.广州化学, 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 化工技术与开发第36卷282001,26(2):27230.15徐克勋.精细有机化工原料及中间体手册M.北京:713.24李祖义,陈倩.酶法合成表面活性剂J.工业微生物,2001,31(2):42248.

25、25李焕珍(译).氨基酸系表面活性剂的特性和应用J.化学工业出版社,1998.2952297.16J.J.克鲁登.N2酰肌氨酸的无水中和法P.CN951085212,1995206206.17J.M.贝兰.N2酰肌氨酸的直接中和法P.CN951085751,1995206206.18卢云,陈燕妮,吴昊,等.N2月桂酰肌氨酸钠的开发研日用化学工业译丛,1994,(5):629.26徐宝财.N2长链酰基谷氨酸盐的性质J.表面活性剂工业,1992,(1):31233.,等.M.北京:化究J.精细化工,2002,12(3):18221.19方云,吕栓锁,夏咏梅.J孙言志,等.氨基酸类表面活性剂的无锡轻

26、工大学学报(20SooEL,al.ponsesurfacemethodologicalon2catalyzedsynthesisofaminoacidsurfactantsJ.ProcessBiochemistry,2004,39:151121518.21SooEL,SallehAB,BasriM,etal.Optimizationoftheenzyme2catalysedsynthesisofaminoacid2basedsurfac2tantsfrompalmoilfractionsJ.J.Biosci.Bioeng,2003,95(4):3612367.22MontetD,ServatF

27、,PinaM,etal.Enzymaticsynthe2抗菌活性研究J.日用化学工业,1996,(5):15216.29韦异,朱海洋,李华山,等.N2脂肪酰基谷氨酸系表面活性剂在日用化学品中的应用J.日用化学品科学,2003,26(4):20223.30M.J.E.Roosmalen,G.F.Woerlee,G.J.Witkamp.Aminoacidbasedsurfactantsfordry2cleaningwithhigh2pressurecarbondioxideJ.J.ofSupercriticalFluids,2004,32:2432254.31李忠义,张淑绮.氨基酸系表面活性剂J.辽宁化工,1990,(1):13218.32KippertF.Arapidpermeabilizationprocedureforaccu2ratequantitativedeterminationof2galactosidaseactivityinyeastcellsJ.FEMSMicrobiologyLetters,1995,128(2):2012206.sisofN22acyllys