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高峰論壇|薩馬桑德蘭:研究表面活性劑之間的協同效應,實現綠色配方開發

中國美妝網 張麗君 2019-07-23 10:32:18 3670

7月3-4日,由廣東省化妝品學會主辦,中國美妝網承辦,廣東省科學技術協會指導,并得到廣州市白云區人民政府特別支持,為期2天的“2019(第三屆)中國化妝品國際高峰論壇暨2019中國美妝供應鏈展(簡稱iPDM展)”,在廣州白云國際會議中心火熱上演。政產學研群英薈萃,“高”處相逢,第三次攜手共盟發展,用有趣、有思想的前沿探索,再攀化妝品產業高峰。


五國院士 薩馬桑德蘭教授


以下為五國院士薩馬桑德蘭的精彩分享:


我今天要講的是世界表面活性劑的發展趨勢,未來的趨勢必然是天然綠色的表面活性劑,實際上在我奶奶的年代,大家都已經在使用天然的表面活性劑了,主要是從植物葉子里提取具有清洗性質的成分。


但是隨著石油工業的發展,越來越多的石油來源的表面活性劑獲得了大量的應用,好在這個趨勢已經回到了綠色天然的大趨勢上來。


未來全球表面活性劑的發展趨勢,除了綠色天然表面活性劑在日化領域的應用之外,還包括表面活性劑的開創性應用的開發,比如在我的研究中心還用到綠色天然的表面活性劑來捕捉二氧化碳,并對其進行無害化處理。比如利用表面活性劑的聚團形式實現粘彈性的流體,研究其流變性能,并開發多方面的應用。另外一個重要的趨勢就是生物表面活性劑在化妝品行業中的應用。



大家可以看到,這是一張市場趨勢圖,顯示了目前的綠色表面活性劑的市場發展的狀況,特別是氨基酸表面活性劑的廣泛應用,尤其是谷氨酸的使用量是成倍地增長。我還特別重視的是混合物,通過混合實現協同效應,來達到增加效用的作用。


不同的人對綠色有不同的理解,我們引用中國的盲人摸象的故事來說明不同的人對綠色的理解是不同的,摸了耳朵的說它像扇子,摸了腿的說它像樹,我們應該從多角度一起來工作,來對綠色表面活性劑進行完整的定義。


這是非常有名的綠色化學十二原則,已被廣泛使用,我們應該著重強調綠色化學十二原則來進行未來的綠色天然表面活性劑的開發。


我認為未來最重要研究課題之一是結構與效用間的相互關系,我舉一個非常簡單的例子,比如說氨基甲酸酯下面接兩個碳原子,就是有毒有害的,但是如果在其結構上進行微小的調整,再加兩個碳原子,就變成無毒無害了。


另一個例子就是乙醇,大家認為我們喝的白酒、啤酒有毒有害的請舉手?沒有吧?覺得它無害的呢?有沒有人舉手?取決于你喝了多少。如果乙醇的分子結構里少一個碳,結構變成甲醇,其毒害就非常大。其實變成綠色不是很困難,我們要找到如何在結構上做正確的調整,實現新的綠色分子的開發。


混合也是我非常關注的課題,一定要通過混合實現協同效應。還有一個重要的因素需要考慮的是這些表面活性劑的分子如何在皮膚、頭發等表面上排布,其排布形式對效用有很大的影響。 


可持續發展也是很重要的方向。現在大家可能已經注意到,世界上各大公司都已相應地制定了可持續發展的戰略,比如聯合利華,聯合利華制定了一個相當有雄心壯志的計劃,即在不斷增長業務的情況下,還要減少50%的環境影響。


我關注的研究領域非常廣泛,幾個重要的前沿方向包括:用表面活性劑來進行催化方面的研究,通過表面活性劑的自組裝實現粘彈性流體、改變流變性能的研究,以及綠色表面活性劑在化妝品領域內的應用等等。


其中一個研究課題,就是利用表面活性劑來捕集空氣中的二氧化碳,從而實現降低二氧化碳的工作。我簡略地把這個原理分析一下,如果捕集二氧化碳變成有機物,需要克服一個非常高的活化能,但是如果利用表面活性劑作為催化劑,可以幫助二氧化碳的吸附,從而使活化能的降低變成可能。紅色的曲線就是使用表面活性劑時需要克服的活化能,它明顯低于藍線,這就是表面活性劑在其中起到的作用。


大家可能會問,為什么表面活性劑有這么多作用?原因就是表面活性劑分子可以通過自組裝形成多種的結構。我關注的另一項研究的重點就是研究表面活性劑分子在液相中的自組裝的行為。其中最讓人感興趣的就是粘彈性。表面活性劑可以形成蠕蟲狀膠束,學術界都把這個叫蟲狀膠束,可能中國人更喜歡叫面條狀膠束,我自己管它叫蛇狀膠束,蠕蟲狀膠束可以形成粘彈體。在遇到油相等條件時,可以完全打散蠕蟲狀膠束的條狀結構,從而改變體系的流變性。粘彈體有一個重要的性能,就是特殊的流變性能,在一個配方的設計過程中,既需要一定的流動性,又需要一定的鋪展性,粘彈體就可以實現這個功能。我除了在化妝品里使用粘彈體以外,我還有一部分工作是粘彈體在水力壓裂開發頁巖油方面的研究。



未來表面活性劑領域的另一個重大趨勢就是生物表面活性劑的興起


我認為未來生物表面活性劑的發展趨勢應該著重在以下列表中幾個方面,從中調幾個來說:比如說在性能方面生物表面活性劑有很好的表面活性,在高溫、高鹽、高離子強度的環境下也可以使用。比如說易生物降解,當然不能降解得太快,應該是有過程的講解,我管它叫可控的生物降解。


在綠色表面活性劑上,我認為可以分為兩類:1、生物來源的表面活性劑。2、植物來源的表面活性劑。舉一個例子,以植物來源的氨基酸表面活性劑為例,大家可以看到主要的四種氨基酸表面活性劑都有很高的天然來源指數,其中的谷氨酸表面活性劑更是在多種表面活性劑中最溫和的表面活性劑之一。另外,我反復強調,讓大家關注的另一個方面就是找到合適的混合物,我始終認為協同效應是非常重要的、非常值得研究的領域。


我剛才說的是未來在表面活性劑領域的發展趨勢,除此之外,另外一個重要的方向,即先進的技術將被更多地應用到表面活性劑的研究中去,這也很重要的。比如說拉曼光譜、熒光光譜等,動態過程也是值得大家去研究的,比如說表面活性劑和皮膚間的作用是動態的過程,大家可以通過表征動態過程的技術來研究這個過程。


電子自旋共振可以用來研究表面活性劑分子的自組裝形態,探針分子在水相中旋轉速度很快,所以得到的峰是很尖的,但是當探針分子進入到表面活性劑的自組裝體系之后,旋轉發生變化,峰就會變得很寬。峰形的變化反映了表面活性劑分子自組裝形態的改變。


我相信眼見為實,所以冷凍電鏡也是非常重要的技術手段,它可以將表面活性劑形成的膠束的形態固定住,直接去觀察膠束的形態,比如說左上角的圖片顯示的是球狀的膠束,通過液相條件的改變來改變膠束的形態,當鹽含量逐漸升高的時候,膠束逐漸演變成了蠕蟲狀膠束,鹽含量進一步增加的時候,蠕蟲狀膠束相互交織,形成了網狀結構。


我認為研究的一個重要領域就是找到表面活性劑分子結構與其性能間的關聯,這樣你就可以通過表面活性劑的分子結構直接預測它的效用,而不需要做成千上萬的實驗,就能夠迅速找到解決方案。計算機模擬可以實現這樣的結果。這是我以前領導過的一項研究,通過計算機模擬,我們真正預測到了特定結構的表面活性劑分子自組裝成了蠕蟲狀膠束的過程。


這是超高速分析離心機。我是第一個把這項技術用于表面活性劑研究中的專家。通過超高速離心研究膠束的沉降過程,就可以得到表面活性劑膠束形狀、大小等方面的信息,對于配方研究可以提供非常重要的信息。


我認為一個非常重要的研究領域是研究表面活性劑和皮膚接觸的動態過程,我建議一個方法——表面等離子共振技術。它可以用來觀測皮膚表面與表面活性劑或聚合物相互接觸的整個過程中發生的變化,整個過程中的信息都可以收集到。


生物表面活性劑也是一個重要的發展方向,其實我們可以通過一些條件,比如說PH值、輸入的營養物質間的比例,以及不同的營養物質,可以讓不同的微生物釋放出不同的表面活性劑來。各種微生物在大自然中是廣泛存在的,我們需要做的就是去尋找合適的微生物、去研究營養物質的配比和搭配對所得到的表面活性劑的影響是非常重要的,這是我研究的生物表面活性劑以及如何利用微生物來產生表面活性劑方面的內容。


其實這個過程并不是很難。舉一個例子,以農業廢物大豆殼作為碳源,就可以非常容易地合成生物表面活性劑。經濟性也是非常重要的因素,現在生物表面活性劑無法得到廣泛應用,經濟性方面的影響是一個重要的原因。


我們可以使用一些廉價的原材料,比如說桔子皮,葡萄殘渣等等。如果我們找到合適的細菌,我們只需要去研究如何讓這些細菌利用這些營養物質來生產表面活性劑。如果你讓細菌們吃得好喝得好,它也會讓你的生活過得好,也會給你提供合適的表面活性劑。


生物表面活性劑如何在化妝品中發生效用?


我們有了生物表面活性劑以后,下面一個重要的課題就是去研究它們和皮膚之間的相互作用,目前技術手段上明顯還有一定的距離,從微觀到宏觀之間還有更多的工作需要我們去做。


這里為大家展示一個特制的用于研究皮膚緊繃感的裝置,用表面活性劑處理過以后的皮膚被安裝在這個裝置上,去研究張力變化,張力的變化就可以反映出皮膚緊繃張力情況。


我始終強調通過混合和協同效應是可以增加效用消除負面作用的。我們可以看到通過混合兩種表面活性,我們有效地減少了表面活性劑造成的皮膚的張力和緊繃感。化學足跡是我首創的一個詞,我們更要重視化學足跡,利用協同效應,我們應該能夠做到減少向環境中釋放化學物質。


著眼未來,我們要做更多開創性的研究。未來的配方體系會變得越來越復雜,我們要去對這種復雜體系中的相互作用進行研究,這將是非常有挑戰性的,另外我們也需要去尋找更合適的技術手段來對這樣的體系進行研究。同樣在未來表面活性劑的發展過程中,我們需要繼續尋找更多綠色天然可持續的表面活性劑, 這也是是非常重要的。還有一個重要的方面是經濟性,要開發出更多讓大家能夠承受得起的,同時是大量生產的綠色天然可持續發展的表面活性劑。


我心目中最理想的這種研究就是通過了解表面活性劑的結構以及其效用之間的關系,從而找到合適的方法合成或者生產出這樣的表面活性劑。


如果你找到了合適的表面活性劑,再去研究它們之間的協同效應,以及它們和皮膚、頭發之間的相互作用,從而實現未來的綠色配方的開發,從更大的角度來說,將為人類與地球的可持續發展作出貢獻。最終的目的就是當我們離開這個世界的時候,這個世界變得更美了。


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