槐糖脂：天然绿色的多功效生物表面活性剂

表面活性剂具有去污、润湿、乳化、增溶、分散和起泡等作用，是化妆品、个人护理品，甚至日化、食品等各类产品配方中的重要组成部分。近年来，化学合成的表面活性剂对环境和人体的负面影响，引起了人们的广泛关注。市场对于天然、低毒、环境友好的表活原料的需求日益增加。在这一背景下，生物表面活性剂，因其生物降解性、低毒性和特有的生物功效活性，逐渐崭露头角。本文将为大家介绍的槐糖脂，就是一种天然绿色多功效的生物表面活性剂。希望通过对槐糖脂的特性和应用前景的分析，为大家的产品配方开发提供新的原料选择。

 

表面活性剂从化工合成向生物制造的迭代转化

自20世纪30年代以来，表面活性剂已成为多种商业产品的重要部分。这些分子在结构上是由亲水性和疏水性部分组成的两亲性化合物。表面活性剂的主要物理化学作用是降低不混溶液体、固体和气体之间界面的表面和界面张力，使不同的相进行混合和相互作用。它们在各种工业细分市场中发挥着多样化和重要的作用，很多产品的成分中含有大量的表面活性剂，如牙膏、肥皂、洗涤剂、织物柔软剂等，也包括新冠肺炎疫情后需求大增的消杀类产品。

大多数化学表面活性剂是由石油衍生物化学合成，主要用于洗涤应用，尽管这些产品在经济上可行，但它们的生产消耗不可再生资源，长期使用还存在环境污染的问题。“天然表面活性剂”严格上指“直接取自天然来源的表面活性剂”，被认为是安全的表面活性剂的发展方向。天然表面活性剂，尤其是生物表面活性剂，因其安全性、气味、颜色和纯度而被选为多功能化妆品成分时，较少存在环境问题，因此引起了人们的特别兴趣。当前大量增加的对环境和动物友好的天然化妆品的需求将进一步推进这些可生物降解和无毒的表面活性剂的使用。

生物表面活性剂是由动植物、微生物等生物系统自然合成的表面活性剂，其中微生物发酵来源的占主要部分。生物表面活性剂的结构多种多样，这取决于其来源的生物种类以及微生物、生物过程中使用的底物和发酵条件。有多种参数可以影响生物表面活性剂的物理化学特性，例如乳化和发泡特性以及生物特性。而这种功能的多样性也催生了应用的多样性。生物表面活性剂根据其化学结构通常分为糖脂、糖蛋白、脂肽、磷脂、脂肪酸和聚合物等。化妆品和个人护理产品中使用最广泛的生物表面活性剂是糖脂，因为它们具有独特的物理化学性质、生物活性、生物相容性和生物降解性，可在化妆品配方中用作多功能成分。化妆品工业中使用的潜在糖脂主要有槐糖脂、鼠李糖脂和甘露糖赤藓糖醇脂等。

 

槐糖脂的结构、生产和表活性能

槐糖脂，作为研究最多的糖脂类生物表面活性剂之一，是一类具有相似结构的化合物的统称。市售的槐糖脂产品，多为微生物利用葡萄糖和植物油发酵生产，往往也是这一类物质的混合物。槐糖脂的结构由亲水性的碳水化合物（槐糖）头和羟基化脂肪酸尾组成，并通过糖苷键连接（图1）。β-糖苷键形成于槐糖部分的异头碳（C1'）与羟基化脂肪酸的末端或亚末端碳之间。槐糖脂存在3种分子结构上的可变性：（1）脂肪酸尾部的脂肪酸链长、饱和度和立体异构，受培养基质中的油脂组分影响；（2）C6'和C6''可以发生乙酰化，即-R基可为-H或-COCH₃，乙酰化为微生物代谢引入，受发酵条件影响；（3）脂肪酸尾部的-COOH可为游离型或与槐糖的-OH发生内酯化反应，内酯化亦为微生物代谢引入，受发酵条件影响。

 

图 1 槐糖脂的结构

 

这3种结构的变化都会导致槐糖脂物理化学和生物学性质的显著差异，其中内酯型/酸型对槐糖脂的表活性能影响最大。

槐糖脂最早于1961年在Torulopsis magnoliae中发现。进一步研究发现，多种非致病性酵母，包括Candida bombicola, Candida batistae, Candida apicola, Rhodotorula bogoriensis和 Wickeramiella domerquiae均可以代谢生成槐糖脂。其中，研究最深入的、产量最高的是熊蜂生假丝酵母Candida bombicola。

 

图 2 槐糖脂的生物合成途径

槐糖脂的生物合成起始于两个基本模块——葡萄糖（槐糖为两个葡萄糖构成的二糖）和脂肪酸。用于合成的葡萄糖可以在微生物的糖异生过程中产生，也可以从培养基中获取；而脂肪酸可以来源于甘油三酯、脂肪酸甲酯或乙酯，甚至烷烃等疏水性底物通过氧化代谢产生。实际的工业化发酵生产中，往往通过在培养基中添加葡萄糖和植物油作为底物来提高菌种合成槐糖脂的效率及产量。图2概述了合成槐糖脂的生物化学途径。槐糖脂的生物合成过程始于疏水性碳源的羟基化。脂肪酸必须在末端（ω）或亚末端（ω-1）位置被CYP52家族的细胞色素P450（CYP450）单加氧酶羟基化。然后，两个UDP-g依赖的糖基转移酶UGTA1和UGTB1参与催化，先后将两个葡萄糖分子连接到脂肪酸上，获得非乙酰化的酸性槐糖脂。

这些非乙酰化的酸性槐糖脂可以进一步进行修饰。如乙酰转移酶可以将乙酰基从乙酰辅酶A（coA）转移到槐糖的C6'和C6''位置，形成非、单和二乙酰化的酸性槐糖脂。内酯化酶可以催化脂肪酸的羧基与槐糖的C4''位羟基发生酯化反应，形成内酯型槐糖脂。另外，在少数情况下，即使没有内酯酶参与，脂肪酸的羧基也会与槐糖的C6'和C6''位羟基发生酯化反应。

槐糖脂的表面活性性质通过表面张力和临界胶束浓度（CMC）的测量来评价。表面张力和界面张力的性质取决于槐糖脂的构型、结构和不同的乙酰化程度。据报道，槐糖脂在溶解于水溶液中时可降低水的表面张力。较低的CMC值表明低浓度的槐糖酯可用于降低界面处的表面和界面张力。研究发现，CMC和最小表面张力与烷基酯链长呈反比，同系物中每增加一个CH₂部分，CMC就会减少50%。这种具有低CMC的低分子量生物表面活性剂通过将碳氢化合物掺入胶束的疏水腔中来增加碳氢化合物的表观溶解度。因此，槐糖脂具有良好的乳化和增溶性能，使其成为制造清洁剂、润湿剂和稳定剂的良好原料。酸性形式的槐糖脂通常表现出更好的发泡性能和溶解性能，而内酯型的槐糖脂通常比酸型具有更高的表面活性。

以波顿（上海）生物技术有限公司生产的SOFOBOTONTM SL50槐糖脂为原料进行的实验表明，该槐糖脂的乳化力和清洁能力不逊于常见的市售表活材料（表1，图3）。且槐糖脂与各类表活的配伍性较好，不会对原有配方体系造成冲击。

 

表 1 槐糖脂与常见表活乳化力比较

 

槐糖脂的生物活性及应用

研究表明除了乳化功能外，槐糖脂还具有较强的抑菌能力，较强的抗炎和舒缓潜力，较好的皮肤相容性和优异的保湿性能，能够促进皮肤细胞增殖再生。

 

图 3 槐糖脂与常见表活清洁力比较（1~5-SOFOBOTONTM SL50；6-APG；7-Cocamide DEA；8-Disodium cocoamphodiacetate；9-POTASSIUM COCOYL GLYCINATE）

 

1.槐糖脂的抑菌活性
槐糖脂具有广泛的抑菌活性，可以抑制革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌的生长。槐糖脂通过诱导革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的质膜损伤，改变细菌的形态和结构，导致膜渗透性增加和膜完整性紊乱并释放细胞内物质，导致细胞膜破裂进而抑制细菌生长。相较而言，槐糖脂对革兰氏阳性菌的抑制性强于革兰氏阴性菌，这是由于革兰氏阴性菌细胞外膜周围存在更多的脂多糖，槐糖脂的作用需首先穿过脂膜。此外槐糖脂也被证明可以通过形成活性氧（ROS）来杀灭革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌。据报道，槐糖脂通过类似的增加细胞通透性实现阻断真菌生长和真菌菌株生物膜的形成，通过产生活性氧（ROS）由高氧化应激导致真菌坏死和凋亡，起到抗真菌作用。

基于这些研究，我们通过抑菌试验验证了SOFOBOTONTM SL50槐糖脂对部分革兰氏阳性菌和真菌的抑菌性能（图4）。结果表明，在100PPM的浓度下，SOFOBOTONTM SL50槐糖脂对金黄色葡萄球菌、痤疮丙酸杆菌、枯草芽孢杆菌和糠秕马拉色菌的抑制率分别达到了99%、91%、98%和92%。

 

(a)

(b)

图 4 SOFOBOTONTM SL50 槐糖脂对部分革兰氏阳性菌（a）和糠秕马拉色菌（b）的抑菌性

 

此外，已有研究证明了槐糖脂对于微生物生物膜形成的抑制作用及对已形成的生物膜的去除作用。这种作用是通过槐糖脂的抗粘附活性、改变细菌细胞的表面性质和引发细菌群体感应淬灭来实现的。同时，对于部分对槐糖脂不敏感的有害菌，槐糖脂可以与现有配方中的抗菌剂联用，对抗菌剂起到增溶促渗的效果，实现协同增效，从而降低抗菌剂的最低起效浓度。

实验证明，与对照PBS相比，SOFOBOTONTM SL50槐糖脂对于粘性放线菌（图5a）和变异链球菌（图5b）形成的生物膜具有明显的去除能力。这两个菌种都是引起牙菌斑形成的主要致病菌种，所以可以证明槐糖脂也具有在口腔清洁产品中应用的前景。

 

(a)

(b)

图 5 SOFOBOTONTM SL50 槐糖脂可以有效去除粘性放线菌（a）和变异链球菌（b）形成的生物膜

基于其抑菌特性，槐糖脂已被应用于主要诉求为抗菌、控油、清痘、维护皮肤微生态等功效的洁面、乳霜、洗护发等产品中，并且展现了在口腔清洁、食品防腐、农业植保、抗生药物等领域应用的巨大潜力。

2.槐糖脂的抗炎舒缓活性
炎症皮肤通常是多因素引起的综合问题。在压力、药物、有害微生物等作用下皮肤屏障受损，引起炎症反应。炎症因子释放后，皮肤细胞激活辣椒素受体TRPV1等的表达并进一步通过Ca²⁺内流引起系列细胞电化学反应，使皮肤产生发红、发热、发痒、刺痛等症状。槐糖脂不仅可以抑制皮肤有害微生物，维持皮肤微生态平衡，还能减少细胞炎症因子的释放，抑制炎症反应，并通过抑制TRPV1、组胺诱发的Ca²⁺内流，实现缓解瘙痒、舒缓的功效。

 

（a）

 

（b）

 

( c )

图 6 SOFOBOTONTM SL50 槐糖脂的抗炎舒缓活性：
（a）抑制炎症因子（b）抑制辣椒素受体 TRPV1（c）抑制 Ca²⁺ 内流

 

通过体外细胞实验，对SOFOBOTONTM SL50槐糖脂的抗炎舒缓活性进行了验证（图6）。结果表明，在实验浓度下SOFOBOTONTM SL50槐糖脂可以有效降低脂多糖刺激引起的炎症因子IL-1α和IL-1β的表达、辣椒素刺激引起的TRPV1表达和Ca²⁺内流，实现抗炎舒缓的效果。

基于其抗炎舒缓特性，槐糖脂可被应用于各种舒缓产品中，尤其适用于头部洗护产品。

3.槐糖脂的其他生理活性
作为合适的透皮给药载体，槐糖脂具有两亲性性质，通过自组装形成囊泡状结构，被证明可以增强护肤品中活性成分通过皮肤屏障的透皮递送。报道称，酸性槐糖脂可以增加皮肤渗透、使更多的牛乳铁蛋白穿过皮肤屏障，既提高乳铁蛋白的皮肤吸收又不影响乳铁蛋白的原始性质。酸性槐糖脂还曾用于与罗汉果苷V复配进行皮肤给药，研究其护肤美容与药理活性。

槐糖脂已被证明具有良好的皮肤相容性和优异的保湿性能。槐糖脂还可以增加细胞增殖和迁移，刺激皮肤成纤维细胞代谢和胶原新生合成，并抑制自由基和弹性蛋白酶活性。槐糖脂还曾作为抗菌制剂中的活性成分用于伤口愈合研究，研究证明了含有槐糖脂的配方伤口愈合和收缩的速度较传统配方更快，伤口愈合过程使用的时间更短。

此外，一些研究也报道了具有不同结构的槐糖脂的抗癌作用。槐糖脂对抑制人食管癌症细胞、乳腺癌症细胞、子宫颈癌症细胞、结肠癌症细胞、肝癌细胞和诱导血管生成方面具有活性。槐糖脂可以靶向癌细胞而不影响正常细胞，从而减少通常治疗方案相关的不良副作用。

 

总结与展望

槐糖脂是微生物利用天然底物糖类和油脂发酵得到的一种次级代谢产物。作为糖脂类生物表面活性剂，槐糖脂不仅具有常规表面活性剂的增溶、乳化、润湿、发泡、分散、降低表面张力等通用性能，而且还具有无毒、100%可生物降解、耐高温、耐高盐、适应pH范围广及对环境友好等特性。与此同时，近期的研究表明槐糖脂还具有抑菌、抗炎、舒缓、促吸收、愈合伤口等多种生物活性，因此槐糖脂已经开始应用于食品、化妆品、洗护等多个领域。

随着进一步研究的展开，槐糖脂还会展现出越来越多的应用前景：比如基于纳米技术的研究，有可能可以在纳米制剂的生产中掺入槐糖脂，以评估其在食品加工中的包封和释放效率，包括提高营养价值和延长食品的保质期；随着对槐糖脂生物活性机理的进一步揭示，可能利用槐糖脂开发出强效的抗菌药物或抗癌药物。

作为具有相似结构的系列化合物，槐糖脂的理化性能和生物活性也与其具体结构和构型密切相关。一方面，可以通过进一步优化生产工艺、严格的品控管理，来保证生产出稳定高效的槐糖脂产品。另一方面，通过菌株改良，用基因重组和突变等方法提高槐糖脂的产量、实现单一构型甚至单一分子的纯品槐糖脂生产也是未来槐糖脂生物合成研究的重要方向。

 

投稿：波顿集团

 

来源：荣格-《 国际个人护理品生产商情》

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