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关于表面活性剂的安全性和温和性的研究
发布日期：2017-11-29 来源：xiashundong 浏览次数：2061
表面活性剂在与人体接触的体系如药物､食品､化妆品及个人卫生用品中的应用越来越广泛,随着人类生活水平的提高,人们对各类与人体接触配方中表面活性剂的毒副作用投入越来越多的关注｡针对不同用途,对表面活性剂关注的重点主要集中在对粘膜的刺激性､对皮肤的致敏性､毒性､遗传性､致癌性､致畸性和溶血性､消化吸收性､生物降解性等方面｡例如对化妆品而言,以前选取配料的原则以装扮靓丽为主,选择表面活性剂只是考虑如何达到最佳的第一功效或主功效,如净洗､发泡､乳化､分散等;其次才考虑到发挥其第二功效或辅助功效,很少或根本没有考虑到表面活性剂对皮肤､毛发等自然状态的影响｡现在对表面活性剂的选取原则则逐渐趋向于在首先满足保护皮肤､毛发的正常､健康状态,对人体产生尽可能少的毒副作用的前提条件下,才考虑如何发挥表面活性剂的最佳主功效和辅助功效｡这种发展趋势使得表面活性剂原料供应商､配方师和生产厂商都面临着一种挑战,即如何重新认识和评价表面活性剂的安全性及温和性,向消费者提供最安全､最温和又最有效的制品｡因此,重新评价原有表面活性剂品种和新型表面活性剂的安全性和温和性是十分必要的｡
1 表面活性剂的安全性
表面活性剂及其代谢产物在机体内引起的生物学变化,亦即对机体可能造成的毒副作用包括急性毒性､亚急性毒性､慢性毒性､对生育繁殖的影响､胚胎毒性､致畸性､致突变性､致癌性､致敏性､溶血性等等｡表面活性剂与人体不同部分以不同方式接触,对上述毒副作用会提出不同的要求｡
食品和医药行业中使用表面活性剂作为各种加工助剂或增效剂,因此增大了表面活性剂与人体消化道､血液系统的接触机会,这就对表面活性剂的经口毒性､溶血性､遗传性和致癌性､致畸性提出了严格要求｡用于食品和口服药品如液剂､片剂､丸剂等中的表面活性剂必须是低毒或无毒类物质;如经静脉或肌肉注射,则必须注意表面活性剂的溶血性;长期使用则需考虑由此可能引起的遗传性､癌变性､致畸性等问题｡
2 表面活性剂的温和性
表面活性剂对人体皮肤､眼睛､毛发,特别是对皮肤､眼睛的温和性是一个颇难定义的概念,截止目前为止仍然没有统一的标准｡表面活性剂对粘膜产生的刺激性或致敏性主要由三个因素引起:
(1)溶出性 指表面活性剂对皮肤本身的保湿成分(如保湿因子NMF)､细胞间脂质及角质层中游离氨基酸和脂肪的溶出程度｡这些成分的过分溶出将使皮肤油脂和表层受到破坏,皮肤保水能力下降,引起细胞成皮屑脱落,从而造成皮肤紧绷､刺痛或干燥感｡更有甚者,表面活性剂除了对细胞有剥离作用外,还对细胞有溶解作用,如SDS就是生物膜的很有效的溶解剂｡
(2)渗入性 指表面活性剂经皮渗透的能力,这种作用被认为是引发皮肤各种炎症的原因之一｡表面活性剂渗入改变了皮肤的原始结构状态和相邻分子间的相容性,从而引发接触性皮炎､真皮皮炎,造成皮肤刺激作用甚至引起过敏反应,使皮肤上出现红斑和水肿现象｡表面活性剂对皮肤粘膜的刺激作用以阳离子最甚,阴离子次之,非离子型和两性离子型最小｡
(3)反应性 指表面活性剂对蛋白质的吸附,致使蛋白质变性以及改变皮肤pH条件等的作用｡实验表明PEG非离子类的反应性较低,LAS等阴离子的反应性较大｡
表面活性剂结构对温和性的影响
2.1 评价温和性的方法
评价表面活性剂温和性的方法有多种,目前尚缺少统一标准｡目前通用的温和性评价方法主要分为活体试验(invivotest)和离体试验(invitrotest)两大类｡出于安全性考虑和满足保护动物运动的需要,目前大力提倡采用离体试验方法,但大部分立法仍以活体试验结果为检验标准｡
由于目前尚缺少统一的法定方法评价表面活性剂的刺激性,因此很难排出各种具体品种温和性的大小顺序,只能指出表面活性剂结构对温和性影响的一般规律｡
(1)分子大小
小分子表面活性剂容易造成经皮渗透,对皮肤刺激性大;而大分子表面活性剂不易发生本身经皮渗透问题,且由于大分子二级､三级结构的影响,极性基团及疏水支链均不易与皮肤或毛发发生直接､强烈的作用,因而比较温和｡目前化妆品和个人卫生用品中所用的表面活性剂､乳化剂有向大分子､高分子化方向发展的趋势,或对天然高分子进行改性,如采用淀粉､多肽､水解纤维素､树胶的改性物,或采用合成高分子,如用聚酰胺或聚丙烯酸作化妆品乳液的乳化剂和增稠剂,收到了高效､低刺激､具温和性的效果｡
(2)疏水基链长
一般认为疏水基链越长,分支化程度越小,表面活性剂对人体越温和,这一点已经得到众多事实证明｡但目前也发现存在例外,如P&G开发AGS(烷基甘油醚磺酸盐)时发现,并不是长链烷基的衍生物,而是八碳烷基的衍生物刺激性最低,起泡性亦好｡
(3)分子内引入PEG基团
PEG型非离子表面活性剂无论在对皮肤粘膜或眼粘膜的刺激性方面都表现得比阴､阳离子型表面活性剂的低｡增大分子中PEG长度,刺激性会进一步降低,既使是在离子型表面活性剂中引入PEG链,形成所谓掺合型(hybrid)表面活性剂,也会增大分子的温和性,SDS中引入PEG键形成AES便是一个很好的例证｡分子中引入甘油或其它多元醇也会收到与引入PEG链相同的结果｡
(4)表面活性剂结构与皮肤的相似性
本身结构比较复杂,与皮肤结构具有一定相似性或相近性的表面活性剂对皮肤比较温和｡因此目前化妆品和个人卫生用品中新开发的一些温和型表面活性剂都具有比较复杂的结构,不再是长链烷基与亲水基的简单结合体,而是多分子缩合物型｡如Witco推出SBCS(DisodiumPEG-5LaurylcitrateSulfosucci-nate),将柠檬酸酯与磺基琥珀酸酯的结构合二为一,据称具有很低的皮肤刺激性和很好的应用性能｡此外,分子中引入酰胺键或引入水解蛋白､氨基酸结构等,增加了表面活性剂分子与皮肤组织的相似性,亦有助于增加表面活性剂的温和性,如改性皂AM(N-酰基甲基牛黄酸钠)､酰基丙基甜菜碱､油酰多肽等｡如将醇醚磺基琥珀酸酯钠盐改成醇酰胺磺基琥珀酸酯钠盐,其对皮肤和眼睛粘膜的刺激性均小于前者,且两者都比AES低｡急性毒性试验表明LD 50 由前者的12,000mg/kg提高到约20,000mg/kg｡酰基β-丙氨酸的钾盐或铵盐,水溶性很好,又具有羧酸根的柔和结构,作为香波配料使用时,与水中的钙､镁离子形成的钙､镁改性皂,能在头发周围形成润滑性好的层状晶体,使头发得到温和调理和保护,不会产生一般皂垢带来的僵硬､发涩感｡
(5)离子基团的极性
离子基团的极性愈小,对皮肤､毛发愈温和｡在SDS结构中引入PEG基团形成的AES已大大降低了对皮肤､毛发的脱脂力;如果进一步将磺酸根改变为羧酸根,形成ECH(烷基醚醋酸盐),则形成更温和的一类表面活性剂乳化剂｡更换离子化基团的反离子种类,即改变离子基团在水溶液中的离子化度也有助于改变表面活性剂分子的温和性｡如将AES中的钠离子改变为铵离子,有助于减小分子的离子化度,因而AES铵盐的温和性增大,可作为香波和浴波的主表面活性剂｡如将AES中钠离子改变为镁等二价离子,则可大大增加头发洗涤后的平滑性和柔和性｡少量脂肪酸钙､镁皂与大量钠皂混合,可赋予皮肤浴后的光滑､洁净､爽快感,这是强亲水性基团磺酸根､硫酸根所不具备的｡
2.3 配伍性和温和性
开发结构特殊的新表面活性剂品种,追求温和性是一件耗时费资､永无止境的事,利用表面活性剂的复配协合性,或对原有表面活性剂品种进行工艺､化学结构方面的改进是提高产品温和性的另一条途径｡
(1)表面活性剂的纯化
许多表面活性剂的纯品经检测都是刺激性低､温和性高的品种,但工业产品中由于原料､工艺､副反应等众多原因,会在产品中带进一些杂质,如未反应原料､副产物､有毒有色物质等,限制了这些表面活性剂作为高品质､温和性品种在化妆品和个人卫生用品等中的应用｡最为典型的例子是磺基琥珀酸单酯二钠盐品种,在温和性排列次序中它甚至名列咪唑啉和甜菜碱两性表面活性剂之前｡但具有讽刺意味的是其工业产品对皮肤的刺激性颇大,不适于作为温和性表面活性剂使用｡另一个例子是甜菜碱型两性表面活性剂,其温和性排名亦名列前矛,但工业品中由于含游离胺和过量氯乙酸钠等而带来刺激性｡目前已有许多工作集中在对原有优秀温和性表面活性剂品种的工艺优化和产品纯化,以还其温和性的本业面目｡如RHONE-POULENC制备的高纯无刺激咪唑啉两性表面活性剂,我们实验室制备的晶体甜菜碱两性表面活性剂､BALLESTRA用刮膜干燥法脱除二氧六环制备的AES等都是这样的品种｡
(2)表面活性剂复配
几种常用大宗表面活性剂产品,如LAS､AES､SDS等存在着较为严重的刺激性问题,除了对其化学结构和生产工艺作出改进外,还可以与一些温和性好的表面活性剂复配,利用表面活性剂复配体系在刺激性方面的协合效应,增加复配体系的温和性,使低档原料升级｡这一方面也已经作出了许多有益的尝试,如将酰胺型磺基琥珀酸钠盐与AES按3:1复配时刺激性降到比两性表面活性剂更低的水平,可以用于配制儿童香波和高档低刺激香波｡再如在LAS/AES/烷醇酰胺常用餐具洗涤剂复配体系中配入少量APG(烷基葡糖苷),便可使配方的刺激性下降一个等级,达到基本无刺激的水平｡25%烷基多苷与75%AES复配,可使AES的刺激性降低70%以上｡当然,复配体系也有局限性,特别是对目前流行的浓缩型配方,其中使用大量的表面活性剂,此时靠复配不可能从根本上解决温和性问题,只有使用性能温和的主表面活性剂才能从根本上解决问题｡因此,开发新型温和性表面活性剂和利用已有表面活性剂复配是提高产品温和性的两个方面,相辅相成,缺一不可｡
1 表面活性剂的安全性
表面活性剂及其代谢产物在机体内引起的生物学变化,亦即对机体可能造成的毒副作用包括急性毒性､亚急性毒性､慢性毒性､对生育繁殖的影响､胚胎毒性､致畸性､致突变性､致癌性､致敏性､溶血性等等｡表面活性剂与人体不同部分以不同方式接触,对上述毒副作用会提出不同的要求｡
食品和医药行业中使用表面活性剂作为各种加工助剂或增效剂,因此增大了表面活性剂与人体消化道､血液系统的接触机会,这就对表面活性剂的经口毒性､溶血性､遗传性和致癌性､致畸性提出了严格要求｡用于食品和口服药品如液剂､片剂､丸剂等中的表面活性剂必须是低毒或无毒类物质;如经静脉或肌肉注射,则必须注意表面活性剂的溶血性;长期使用则需考虑由此可能引起的遗传性､癌变性､致畸性等问题｡
2 表面活性剂的温和性
表面活性剂对人体皮肤､眼睛､毛发,特别是对皮肤､眼睛的温和性是一个颇难定义的概念,截止目前为止仍然没有统一的标准｡表面活性剂对粘膜产生的刺激性或致敏性主要由三个因素引起:
(1)溶出性 指表面活性剂对皮肤本身的保湿成分(如保湿因子NMF)､细胞间脂质及角质层中游离氨基酸和脂肪的溶出程度｡这些成分的过分溶出将使皮肤油脂和表层受到破坏,皮肤保水能力下降,引起细胞成皮屑脱落,从而造成皮肤紧绷､刺痛或干燥感｡更有甚者,表面活性剂除了对细胞有剥离作用外,还对细胞有溶解作用,如SDS就是生物膜的很有效的溶解剂｡
(2)渗入性 指表面活性剂经皮渗透的能力,这种作用被认为是引发皮肤各种炎症的原因之一｡表面活性剂渗入改变了皮肤的原始结构状态和相邻分子间的相容性,从而引发接触性皮炎､真皮皮炎,造成皮肤刺激作用甚至引起过敏反应,使皮肤上出现红斑和水肿现象｡表面活性剂对皮肤粘膜的刺激作用以阳离子最甚,阴离子次之,非离子型和两性离子型最小｡
(3)反应性 指表面活性剂对蛋白质的吸附,致使蛋白质变性以及改变皮肤pH条件等的作用｡实验表明PEG非离子类的反应性较低,LAS等阴离子的反应性较大｡
表面活性剂结构对温和性的影响
2.1 评价温和性的方法
评价表面活性剂温和性的方法有多种,目前尚缺少统一标准｡目前通用的温和性评价方法主要分为活体试验(invivotest)和离体试验(invitrotest)两大类｡出于安全性考虑和满足保护动物运动的需要,目前大力提倡采用离体试验方法,但大部分立法仍以活体试验结果为检验标准｡
由于目前尚缺少统一的法定方法评价表面活性剂的刺激性,因此很难排出各种具体品种温和性的大小顺序,只能指出表面活性剂结构对温和性影响的一般规律｡
(1)分子大小
小分子表面活性剂容易造成经皮渗透,对皮肤刺激性大;而大分子表面活性剂不易发生本身经皮渗透问题,且由于大分子二级､三级结构的影响,极性基团及疏水支链均不易与皮肤或毛发发生直接､强烈的作用,因而比较温和｡目前化妆品和个人卫生用品中所用的表面活性剂､乳化剂有向大分子､高分子化方向发展的趋势,或对天然高分子进行改性,如采用淀粉､多肽､水解纤维素､树胶的改性物,或采用合成高分子,如用聚酰胺或聚丙烯酸作化妆品乳液的乳化剂和增稠剂,收到了高效､低刺激､具温和性的效果｡
(2)疏水基链长
一般认为疏水基链越长,分支化程度越小,表面活性剂对人体越温和,这一点已经得到众多事实证明｡但目前也发现存在例外,如P&G开发AGS(烷基甘油醚磺酸盐)时发现,并不是长链烷基的衍生物,而是八碳烷基的衍生物刺激性最低,起泡性亦好｡
(3)分子内引入PEG基团
PEG型非离子表面活性剂无论在对皮肤粘膜或眼粘膜的刺激性方面都表现得比阴､阳离子型表面活性剂的低｡增大分子中PEG长度,刺激性会进一步降低,既使是在离子型表面活性剂中引入PEG链,形成所谓掺合型(hybrid)表面活性剂,也会增大分子的温和性,SDS中引入PEG键形成AES便是一个很好的例证｡分子中引入甘油或其它多元醇也会收到与引入PEG链相同的结果｡
(4)表面活性剂结构与皮肤的相似性
本身结构比较复杂,与皮肤结构具有一定相似性或相近性的表面活性剂对皮肤比较温和｡因此目前化妆品和个人卫生用品中新开发的一些温和型表面活性剂都具有比较复杂的结构,不再是长链烷基与亲水基的简单结合体,而是多分子缩合物型｡如Witco推出SBCS(DisodiumPEG-5LaurylcitrateSulfosucci-nate),将柠檬酸酯与磺基琥珀酸酯的结构合二为一,据称具有很低的皮肤刺激性和很好的应用性能｡此外,分子中引入酰胺键或引入水解蛋白､氨基酸结构等,增加了表面活性剂分子与皮肤组织的相似性,亦有助于增加表面活性剂的温和性,如改性皂AM(N-酰基甲基牛黄酸钠)､酰基丙基甜菜碱､油酰多肽等｡如将醇醚磺基琥珀酸酯钠盐改成醇酰胺磺基琥珀酸酯钠盐,其对皮肤和眼睛粘膜的刺激性均小于前者,且两者都比AES低｡急性毒性试验表明LD 50 由前者的12,000mg/kg提高到约20,000mg/kg｡酰基β-丙氨酸的钾盐或铵盐,水溶性很好,又具有羧酸根的柔和结构,作为香波配料使用时,与水中的钙､镁离子形成的钙､镁改性皂,能在头发周围形成润滑性好的层状晶体,使头发得到温和调理和保护,不会产生一般皂垢带来的僵硬､发涩感｡
(5)离子基团的极性
离子基团的极性愈小,对皮肤､毛发愈温和｡在SDS结构中引入PEG基团形成的AES已大大降低了对皮肤､毛发的脱脂力;如果进一步将磺酸根改变为羧酸根,形成ECH(烷基醚醋酸盐),则形成更温和的一类表面活性剂乳化剂｡更换离子化基团的反离子种类,即改变离子基团在水溶液中的离子化度也有助于改变表面活性剂分子的温和性｡如将AES中的钠离子改变为铵离子,有助于减小分子的离子化度,因而AES铵盐的温和性增大,可作为香波和浴波的主表面活性剂｡如将AES中钠离子改变为镁等二价离子,则可大大增加头发洗涤后的平滑性和柔和性｡少量脂肪酸钙､镁皂与大量钠皂混合,可赋予皮肤浴后的光滑､洁净､爽快感,这是强亲水性基团磺酸根､硫酸根所不具备的｡
2.3 配伍性和温和性
开发结构特殊的新表面活性剂品种,追求温和性是一件耗时费资､永无止境的事,利用表面活性剂的复配协合性,或对原有表面活性剂品种进行工艺､化学结构方面的改进是提高产品温和性的另一条途径｡
(1)表面活性剂的纯化
许多表面活性剂的纯品经检测都是刺激性低､温和性高的品种,但工业产品中由于原料､工艺､副反应等众多原因,会在产品中带进一些杂质,如未反应原料､副产物､有毒有色物质等,限制了这些表面活性剂作为高品质､温和性品种在化妆品和个人卫生用品等中的应用｡最为典型的例子是磺基琥珀酸单酯二钠盐品种,在温和性排列次序中它甚至名列咪唑啉和甜菜碱两性表面活性剂之前｡但具有讽刺意味的是其工业产品对皮肤的刺激性颇大,不适于作为温和性表面活性剂使用｡另一个例子是甜菜碱型两性表面活性剂,其温和性排名亦名列前矛,但工业品中由于含游离胺和过量氯乙酸钠等而带来刺激性｡目前已有许多工作集中在对原有优秀温和性表面活性剂品种的工艺优化和产品纯化,以还其温和性的本业面目｡如RHONE-POULENC制备的高纯无刺激咪唑啉两性表面活性剂,我们实验室制备的晶体甜菜碱两性表面活性剂､BALLESTRA用刮膜干燥法脱除二氧六环制备的AES等都是这样的品种｡
(2)表面活性剂复配
几种常用大宗表面活性剂产品,如LAS､AES､SDS等存在着较为严重的刺激性问题,除了对其化学结构和生产工艺作出改进外,还可以与一些温和性好的表面活性剂复配,利用表面活性剂复配体系在刺激性方面的协合效应,增加复配体系的温和性,使低档原料升级｡这一方面也已经作出了许多有益的尝试,如将酰胺型磺基琥珀酸钠盐与AES按3:1复配时刺激性降到比两性表面活性剂更低的水平,可以用于配制儿童香波和高档低刺激香波｡再如在LAS/AES/烷醇酰胺常用餐具洗涤剂复配体系中配入少量APG(烷基葡糖苷),便可使配方的刺激性下降一个等级,达到基本无刺激的水平｡25%烷基多苷与75%AES复配,可使AES的刺激性降低70%以上｡当然,复配体系也有局限性,特别是对目前流行的浓缩型配方,其中使用大量的表面活性剂,此时靠复配不可能从根本上解决温和性问题,只有使用性能温和的主表面活性剂才能从根本上解决问题｡因此,开发新型温和性表面活性剂和利用已有表面活性剂复配是提高产品温和性的两个方面,相辅相成,缺一不可｡