肖進(jìn)新

（北京氟樂邦表面活性劑技術(shù)研究所，北京 100096）

4 表面活性劑的溫和性

對(duì)皮膚和眼睛的溫和性也是洗發(fā)水需要提供給消費(fèi)者的一項(xiàng)關(guān)鍵好處。不幸的是，對(duì)溫和性沒有一個(gè)科學(xué)的定義。相反，其定義是基于對(duì)一系列對(duì)立面的否定[38]。溫和性通常與無皮膚刺激性結(jié)合在一起，而皮膚刺激性是指紅腫、發(fā)熱、腫脹和疼痛。醫(yī)學(xué)上，皮膚刺激性被描述為刺激性接觸性皮炎（irritant contact dermatitis（ICD））。ICD被歸類為對(duì)化學(xué)物質(zhì)（如表面活性劑）刺激的即時(shí)生物反應(yīng)，或皮膚摩損。活體皮膚斑貼測(cè)試是針對(duì)刺激反應(yīng)來篩選產(chǎn)品的黃金標(biāo)準(zhǔn)[39]。其通常包括將產(chǎn)品或溶液施加到皮膚上，在封閉情況下，對(duì)刺激反應(yīng)進(jìn)行目測(cè)評(píng)級(jí)。物理和生物物理學(xué)皮膚測(cè)試方法也被使用（例如，測(cè)量泛紅程度的照度色度計(jì)，以及測(cè)量血流量的激光多普勒血流計(jì)），盡管它們通常不能提高目測(cè)評(píng)分所獲得結(jié)果的整體質(zhì)量[39]。

溫和性也與無皮膚致敏性聯(lián)系在一起，皮膚致敏性也被稱為過敏性接觸性皮炎（allergic contact dermatitis，ACD）。ACD通常與珠寶、香料和防腐劑中的鎳有關(guān)，而不是直接與表面活性劑有關(guān)。過敏反應(yīng)通常通過皮膚斑貼測(cè)試進(jìn)行檢驗(yàn)，通常是在背部皮膚上[40]。有ACD病史的個(gè)體會(huì)在受控條件下再次接觸疑似過敏原。斑貼測(cè)試幫助識(shí)別可能的過敏原，但該段無法評(píng)估新產(chǎn)品引起ACD的可能性。在這種情況下，可能有必要進(jìn)行人體重復(fù)性損傷性斑貼試驗(yàn)（human repeated insult patch test，HRIPT）[41]。

對(duì)于洗發(fā)水產(chǎn)品來說，對(duì)眼睛的溫和性也非常重要。多年來，Draize眼刺激試驗(yàn)一直是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法[42]。然而，隨著許多市場禁止對(duì)化妝品進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)，已開發(fā)出一些體外替代品，例如紅細(xì)胞試驗(yàn)[43]。人體臨床試驗(yàn)也被開發(fā)出來，以支持“無淚配方”之類的聲明。

除直接刺激或致敏反應(yīng)外，洗發(fā)水的溫和性也可定義為不會(huì)破壞皮膚屏障或引起皮膚干燥，這兩種情況都使皮膚易受來自于表面活性劑本身或其他化學(xué)品的刺激。表面活性劑可影響角質(zhì)層（SC）中脂質(zhì)屏障的完整性，造成皮膚的滲透性增加[44]。局部施用表面活性劑溶液也可使角質(zhì)層細(xì)胞蛋白膨脹，造成天然保濕因子被去除，并增強(qiáng)了刺激性化學(xué)物質(zhì)向活力表皮的滲透[45]。這被認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致皮膚干燥和增加皮膚刺激的可能性。表面活性劑對(duì)SC也可產(chǎn)生生物效應(yīng)。例如，十二烷基醚硫酸鈉可抑制SC中控制脫皮的酶，導(dǎo)致起硬皮、皮膚干燥和屏障功能受損[46]。

Pape等針對(duì)一系列表面活性劑研究了紅細(xì)胞（RBC）檢測(cè)數(shù)據(jù)與體外眼刺激數(shù)據(jù)之間的關(guān)系[43]。該研究表明，引起細(xì)胞溶血（細(xì)胞質(zhì)膜破裂）和血紅蛋白變性所需的表面活性劑和成品濃度與活體眼睛刺激評(píng)分高度相關(guān)。此外，他們的數(shù)據(jù)表明，表面活性劑的刺激程度大致順序依次為：陽離子型（嚴(yán)重眼睛刺激）＞ 陰離子型和兩性離子型（中度或刺激性）＞ 非離子型（中度或非刺激性）。直到今天，RBC測(cè)試仍在繼續(xù)，作為篩選洗發(fā)水的常規(guī)手段，評(píng)判對(duì)黏膜的溫和性。例如，Schrader等用RBC表明，在十二烷基醚硫酸鈉/兩性混合物中增加兩性表面活性劑（如椰油酰胺丙基甜菜堿）的比例可以顯著降低潛在的刺激性[47]。他們的研究還表明，磺基琥珀酸鹽的RBC分值非常好，因此可能其對(duì)眼睛的刺激性非常低。正是由于這個(gè)原因，包括磺基琥珀酸鹽在內(nèi)的表面活性劑混合物經(jīng)常被用于兒童“無淚”配方。

表面活性劑與模型蛋白質(zhì)的相互作用傾向也與其對(duì)人類皮膚的刺激性有關(guān)。Lips等假定，表面活性劑使玉米蛋白膨脹和變性的傾向，可以用于篩選對(duì)皮膚溫和的活性物質(zhì)[48]。他們的研究表明，對(duì)于一系列模型表面活性劑，肘窩皮膚清洗測(cè)試（flex wash test）和皮膚斑貼測(cè)試的數(shù)據(jù)與玉米蛋白的溶解數(shù)據(jù)相關(guān)性非常好。Lips等也建立了結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系，可以預(yù)測(cè)玉米蛋白的溶解數(shù)據(jù)。他們的數(shù)據(jù)表明，表面活性劑頭基區(qū)域的有效電荷密度與其使玉米蛋白變性的能力密切相關(guān)。測(cè)試結(jié)果表明，表面活性劑的刺激性和玉米蛋白的溶解（呈5%活性）的順序一致：（高度刺激性的）十二烷基硫酸鈉和月桂酸鈉（肥皂），（中度刺激性的）十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基三甲基溴化銨和十二烷基醚硫酸鈉，（低刺激性的）烷基多糖苷和十二烷基磺基甜菜堿。數(shù)據(jù)還顯示，將十二烷基醚硫酸鈉與刺激性較小的兩性的椰油酰胺丙基甜菜堿分別以1︰2和2︰1的比例混合，前者與后者相比，玉米蛋白的溶解度以及皮膚刺激性均降低。這與RBC試驗(yàn)結(jié)果吻合地很好。

表面活性劑對(duì)皮膚脂質(zhì)的影響也可與溫和性聯(lián)系起來。Ananthapadmanabhan等開發(fā)了脂質(zhì)加溶試驗(yàn)和脂質(zhì)雙層破壞試驗(yàn)以研究表面活性劑的溫和性[23]。他們的試驗(yàn)表明，脂質(zhì)加溶及破壞試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與蛋白質(zhì)溶解數(shù)據(jù)相反。例如，烷基多糖苷，一種非常溫和的非離子表面活性劑，通常具有較低的玉米蛋白溶解分?jǐn)?shù)，但卻造成很高程度的脂質(zhì)雙層破壞。因此，烷基多糖苷有可能會(huì)使皮膚干燥。有趣的是，在這項(xiàng)研究中，羥乙基磺酸鹽類很獨(dú)特，其玉米蛋白溶解分?jǐn)?shù)和脂質(zhì)雙層破壞效應(yīng)都很低。在同一項(xiàng)研究中，Ananthapadmanabhan等還研究了在十二烷基醚硫酸鈉/椰油酰胺丙基甜菜堿混合物中增大椰油酰胺丙基甜菜堿的比例所造成的影響。與許多其他研究一致的是，他們發(fā)現(xiàn)，增大椰油酰胺丙基甜菜堿的水平使得玉米蛋白的溶解分?jǐn)?shù)降低。然而，該研究同時(shí)表明，更高水平的椰油酰胺丙基甜菜堿使得脂質(zhì)加溶加劇。他們認(rèn)為，在蛋白質(zhì)受損和脂質(zhì)受損之間保持適當(dāng)?shù)钠胶馐欠浅Ｖ匾模@樣才能使整體溫和性最大化。

Purohit等的研究表明，表面活性劑對(duì)角質(zhì)層中脂質(zhì)雙層的破壞可以改變其力學(xué)性能[49]。他們的工作表明，更嚴(yán)酷的表面活性劑可以改變脂質(zhì)堆疊方式，并去除脂質(zhì)成分，從而反過來影響角質(zhì)層的應(yīng)力松弛性能，導(dǎo)致更高的干燥緊繃程度。

5 表面活性劑在聚合物沉積中的作用

現(xiàn)代洗發(fā)水配方不僅提供令人愉悅的流變指紋和良好的清潔、起泡和皮膚溫和性等好處，而且還兼顧對(duì)頭發(fā)的調(diào)理作用，如濕發(fā)防止打結(jié)、易于梳理以及干發(fā)的順滑。這些好處通常由陽離子型調(diào)理聚合物和硅樹脂提供。而表面活性劑在其中起著關(guān)鍵作用，陽離子聚合物之所以能夠沉積在頭發(fā)上，其過程與表面活性劑密切相關(guān)，而且表面活性劑同時(shí)也對(duì)其他有益組分（如硅樹脂乳液和去頭屑活性物）的沉積有幫助。表面活性劑體系或電解質(zhì)水平的改變總是會(huì)對(duì)調(diào)理聚合物在洗發(fā)水中的效果產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。

陽離子聚合物與陰離子表面活性劑之間的相互作用已被廣泛研究[50,51]。普遍認(rèn)為，這些相互作用會(huì)影響配方粘度、發(fā)泡性能和聚合物沉積。一般認(rèn)為陽離子聚合物與陰離子表面活性劑之間的相互作用分三個(gè)階段（圖2）。

圖2 稀釋對(duì)陽離子聚合物/表面活性劑相互作用的影響[50]Fig.2 Effect of dilution on cationic polymer/surfactant interactions[50]

第一階段代表未稀釋的洗發(fā)水，其中陰離子表面活性劑含量很高。在這一階段，表面活性劑通常能夠加溶聚合物。因此，含有陽離子聚合物的洗發(fā)水通?？梢员恢瞥赏该鳟a(chǎn)品。通常認(rèn)為，沿著聚合物鏈形成了膠束，將聚合物鏈伸展并增大洗發(fā)水的粘度。由于聚合物結(jié)合了過量的表面活性劑，有效地使聚合物的電性反轉(zhuǎn)，使之減少與頭發(fā)結(jié)合的機(jī)會(huì)。

第二階段是產(chǎn)品在使用和發(fā)泡過程中在濕發(fā)上被稀釋后的情況。此時(shí)，產(chǎn)品被水稀釋，隨著陰離子表面活性劑向水中的分配，其從陽離子聚合物上解離下來。在起泡過程以及脂質(zhì)污垢被加溶的過程中，表面活性劑在氣/水界面和脂質(zhì)污垢/水界面上的分配也將進(jìn)一步把表面活性劑從陽離子聚合物上拉下來。在第二階段會(huì)達(dá)到一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，此時(shí)聚合物上的正電荷與陰離子表面活性劑的負(fù)電荷達(dá)到平衡至完全中和。電性中和可導(dǎo)致形成聚合物-表面活性劑復(fù)合物的沉淀。聚合物-表面活性劑復(fù)合物的表面是疏水的，因此可被吸引到頭發(fā)的疏水表面上。正是聚合物-表面活性劑復(fù)合物的沉淀使得聚合物能夠在頭發(fā)和頭皮上被捕獲并沉積，并使得任何相關(guān)的有益成分（如硅樹脂和去屑劑）能夠沉積[52,53]。陽離子聚合物對(duì)濕發(fā)具有調(diào)理和防止打結(jié)的好處，這與聚合物-表面活性劑復(fù)合物對(duì)頭發(fā)的潤滑作用密切相關(guān)。聚合物-表面活性劑復(fù)合物被認(rèn)為是在頭發(fā)表面形成潤滑凝膠狀薄膜。在洗滌階段不沉淀的陽離子聚合物通常是效果較差的調(diào)理劑。

當(dāng)用水進(jìn)一步?jīng)_洗頭發(fā)時(shí)，就到達(dá)了第三階段，此時(shí)相對(duì)于陽離子聚合物，陰離子表面活性劑處于低水平。在這種情況下，表面活性劑分子與聚合物鏈結(jié)合，僅中和部分電荷。陽離子聚合物在這種情況下會(huì)再次溶解。同時(shí)它們會(huì)帶正電，并且能夠與帶負(fù)電的頭發(fā)表面結(jié)合。在這一階段沉積的聚合物也會(huì)在干、濕情況下提供一些潤滑作用。

許多不同的陽離子聚合物可用于洗發(fā)水。目前最流行的是聚季銨鹽-10和瓜爾膠羥丙基三甲基氯化銨（guar hydroxypropyl trimonium chloride）。市面上這兩種產(chǎn)品的分子量和電荷密度的可選擇范圍都很大，都能用于調(diào)制配方以在洗發(fā)水稀釋過程中沉淀。在洗發(fā)水稀釋過程中陽離子聚合物的沉淀、以及懸浮活性物的沉積，都會(huì)受到主表面活性劑和輔助表面活性劑的影響。沉淀行為也會(huì)受到產(chǎn)品中鹽含量，以及高分子量、水溶性PEG的存在的影響。添加低濃度（＜ 0.1 %）的PEG可顯著提高聚合物沉淀和活性物沉積的效率（根據(jù)供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)）。

在開發(fā)洗發(fā)水產(chǎn)品時(shí)，通常有必要測(cè)量在頭發(fā)上聚合物的沉淀和相關(guān)有益成分的沉積。盡管可以使用復(fù)雜的技術(shù)直接測(cè)量聚合物沉積，但研究聚合物沉積最簡單的方法之一則是用水稀釋洗發(fā)水產(chǎn)品。如果體系表現(xiàn)正常，初始透明的洗發(fā)水產(chǎn)品應(yīng)該隨著稀釋變得混濁。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，洗發(fā)水應(yīng)該在大約1/5～1/10的稀釋度（模擬在濕發(fā)表面洗發(fā)水所經(jīng)歷的稀釋情況）下沉淀。如有必要，可使用分光光度計(jì)測(cè)定樣品的濁度。

產(chǎn)品研發(fā)的另一個(gè)方法是利用原子吸收[54]和X射線熒光[26]等技術(shù)，測(cè)量有益成分（如硅樹脂）在頭發(fā)上的沉積水平。聚合物和硅樹脂的濕發(fā)調(diào)理效果也可通過梳理濕發(fā)和解開濕發(fā)纏結(jié)的試驗(yàn)直接測(cè)量[55]。

6 表面活性劑的選擇

在了解洗發(fā)水表面活性劑的五個(gè)關(guān)鍵作用（清潔、起泡、流變性控制、皮膚溫和性和聚合物沉積）的基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)洗發(fā)水配方時(shí)，下一步便是選擇最合適的表面活性劑混合物。

洗發(fā)水配方通常需要主表面活性劑和輔助表面活性劑。主表面活性劑，顧名思義，通常在產(chǎn)品中以最高濃度存在，并提供其基本特性。輔助表面活性劑對(duì)主表面活性劑的作用有調(diào)節(jié)能力，通常使之在特定產(chǎn)品所需的方向上有所加強(qiáng)。例如，許多輔助表面活性劑可以增泡，或使洗發(fā)水對(duì)頭皮和眼睛更加溫和。

配方師做出的最關(guān)鍵決定，是決定是否選擇廣泛使用的、低成本的原料作為主表面活性劑和輔助表面活性劑?；蛘?，選擇更專業(yè)的表面活性劑，可以帶來獨(dú)特的好處：例如嬰兒洗發(fā)水的“無淚”，“排毒”洗發(fā)水的深度清潔，或“無硫酸鹽”洗發(fā)水的替代表面活性劑。最廣泛使用的主表面活性劑都是陰離子表面活性劑，包括十二烷基醚硫酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基醚硫酸銨和十二烷基硫酸銨。應(yīng)用最廣泛的輔助表面活性劑主要有兩性表面活性劑和非離子型表面活性劑。應(yīng)用最廣泛的兩性表面活性劑有椰油酰胺丙基甜菜堿和椰油 基甜菜堿。非離子表面活性劑包括椰油酰胺單乙醇胺和椰油酰胺單異丙醇胺。在選擇表面活性劑時(shí)，重要的是要考慮到所有技術(shù)約束，如目標(biāo)成本、保存時(shí)所要求的產(chǎn)品pH值以及加工問題。

7 廣泛使用的主表面活性劑

烷基硫酸鹽和烷基醚硫酸鹽是目前在洗發(fā)水中用作主表面活性劑的最流行的陰離子表面活性劑。這些都是性價(jià)比高的原料，如果有效地調(diào)制配方，其配方可以有效地提供清洗、發(fā)泡、流變控制和聚合物沉積等功能。

在烷基硫酸鹽中，其頭基硫酸根通過硫酸酯鍵與疏水基相連。極端的溫度和pH值可以破壞該酯鍵并導(dǎo)致化學(xué)不穩(wěn)定性[56]。當(dāng)使用硫酸鹽時(shí)，配方的pH值通常保持在5.5～8.0之間，以保證良好的穩(wěn)定性。然而，在更低的pH值時(shí)，亦可以小心制作從而得到適宜的配方。

烷基硫酸鹽表面活性劑的烷基鏈長度一般在8～18個(gè)碳之間。平均鏈長一般是12個(gè)碳（即十二烷基）。用于制造這類表面活性劑的脂肪醇通常來自于椰子油和/或棕櫚仁油。也會(huì)使用石油化工提煉的十二碳左右的醇[57]。12個(gè)碳是一個(gè)折中的鏈長，其兼顧了適宜的去污性和水溶性。增加鏈長可降低cmc，增加膠束尺寸，并提高加溶能力。但鏈長太長則會(huì)降低表面活性劑的溶解度，導(dǎo)致產(chǎn)品混濁。不同的供應(yīng)商、不同等級(jí)和批次的原料，會(huì)使鏈長的分布有所變化?，F(xiàn)在人們知道，鏈長具有一定的變化范圍實(shí)際上是件好事，有助于起泡和構(gòu)建粘度。有趣的是，超純的十二烷基硫酸鈉起泡相對(duì)較差。

烷基醚硫酸鹽中乙氧基化的程度通常在1～5個(gè)單元數(shù)之間。已知乙氧基的引入會(huì)使硫酸鹽表面活性劑的cmc下降。cmc下降最大的時(shí)候是發(fā)生在僅加入一個(gè)乙氧基之后。增加2～4個(gè)之后，下降幅度要小得多[5]。乙氧基的引入也與皮膚溫和性的改善有關(guān)。已有研究表明，具有10個(gè)乙氧基單元幾乎觀察不到皮膚刺激性[5]。然而，引入乙氧基會(huì)增加表面活性劑的溶解性，這會(huì)阻礙粘度的構(gòu)建。最終需要找到一個(gè)平衡，許多商業(yè)洗發(fā)水使用含有平均1～3個(gè)乙氧基單元的烷基醚硫酸鹽。然而，不應(yīng)該忘記的是，在商品級(jí)的烷基醚硫酸鹽中可以找到一系列乙氧基長度，而且原料有相當(dāng)一部分可能只是烷基硫酸鹽（沒有乙氧基）。

通常提供的十二烷基醚硫酸鈉是含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%活性物的高濃度水溶液。這使得運(yùn)輸成本更低，也避免了使用額外的防腐劑。在該濃度下，表面活性劑以層狀G相存在，體系是自由流動(dòng)的液體[1]。然而，當(dāng)被水稀釋到成品的濃度（5%～15%）時(shí)，體系會(huì)經(jīng)歷一個(gè)高粘度的凝膠相，即所謂的M1相[1]。因此，70% 的十二烷基醚硫酸鈉應(yīng)在剪切作用下逐漸加入到水中。反之，向70% 的十二烷基醚硫酸鈉中加水會(huì)形成粘性凝膠相的塊，即使在剪切下也難以分散[1]。

少量（1%～3%）未反應(yīng)的醇通常存在于商品級(jí)的硫酸鹽表面活性劑中。這可能不是一件壞事，因?yàn)橐阎敬际侵匾呐菽龠M(jìn)劑和穩(wěn)泡劑[2]。在烷基醚硫酸鹽中可發(fā)現(xiàn)痕量的1,4-二烷，是一種潛在的致癌物[58]。歐盟消費(fèi)者安全科學(xué)委員會(huì)建議，在歐盟銷售的化妝品中含有的1,4-二烷作為痕量雜質(zhì)應(yīng)少于10 mg/kg[59]。定期檢查1,4-二惡烷水平是有必要的。