چکیده: تولید سورفکتانت های (مواد فعال سطح) سازگار با محیط زیست،
غیر تحریک کننده، با سمیت کم و بازده بالا، یک چالش دائمی در زمینه ی تولید و
ساخت مایع های شوینده است. سورفکتین یکی از لیپوپپتیدهای تولید شده به
وسیله ی میکروارگانیسم ها است. در این مقاله سورفکتین جدا شده از باسیلوس به وسیله ی کروماتوگرافی مایع
با عملکرد بالا خالص سازی شده و برای بکارگیری در فرمولاسیون مواد شوینده (Detergents Formulation) آماده
گردید. تجزیه ی بیولوژیکی، تحریک حاد پوستی، سمیت حاد دهانی (LD50 و LC50)، فعالیت سطح، کارایی شستشو
و سازگاری با آب سخت بایوسورفکتانت سورفکتین تصفیه شده برای امکان استفاده در فرمولاسیون
مایع های شوینده (Liquid Detergents Formulation) مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش سمیت
حاد دهانی (LD50> 5000 میلی گرم در ۱ کیلوگرم، LC50> 1000 میلی گرم در ۱ کیلوگرم) و آزمایشات
تحریک پوستی (PII=0) نشان می دهد که سورفکتین یک ماده با سمیت پایین و غیر تحریک کننده برای
فرمولاسیون مواد شوینده است. افزون بر این، سورفکتین خواص عالی امولسیون کنندگی و ترشوندگی،
سازگاری بالا و پایداری در طیف گسترده ای از دما، pH و آب سخت، ویژگی های قابل قبول در تجزیه ی
بیولوژیکی و توانایی کف خوبی را نشان می دهد. این ویژگی ها، سورفکتین را مستعد برای
کاربرد در خط تولید و فرمولاسیون مواد شوینده خانگی و صنعتی می کند.
مقدمه:
شوینده ها با سرمایه ای حدود ۶۰ میلیارد دلار در سال به طور گسترده در زندگی روزمره و زمینه های
صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. طبق آمار، سالانه ۲ میلیارد کیلوگرم مواد شوینده ی خانگی در
سراسر جهان استفاده می شود. در فرمولاسیون تولید مواد شوینده، مخلوطی از چندین جزء مانند
سورفکتانت ها، سازنده ها و مواد پرکننده وجود دارد. سورفکتانت یکی از ترکیبات اصلی
فرمولاسیون شوینده ها (۱۵ تا ۴۰% فرمول) را تشکیل می دهد. (کتاب فرمولاسیون مواد شوینده و
محصولات مراقبت شخصی نوشته تان تای هو) هر روز مقادیر زیادی سورفکتانت در محصولات شوینده ی خانگی
و صنایع مورد استفاده قرار می گیرد که عمدتا سه نوع مختلف را در بر می گیرد: سورفکتانت های آنیونی
مانند آلکیل بنزن سولفونات، آلکیل سولفات و آلکیل اتر سولفات ها، سورفکتانت های کاتیونی مانند استیل
تری متیل آمونیوم کلراید و بنزآلکونیوم کلراید و سورفکتانت های غیر یونی مانند آلکیل پلی گلیکوزیدها،
الکل های اتوکسیله و تریتون X. بیشتر سورفکتانت های شیمیایی سنتزی ضمن ایجاد اثرات سمی برای
سلامتی، تجزیه پذیر نبوده و ممکن است برای محیط زیست خطرناک باشند. بنابراین تحقیق و توسعه ی
سورفکتانت های سازگار با محیط زیست و مقرون به صرفه که قیمت فرمولاسیون مواد شوینده را کاهش دهد،
هنوز هم مهمترین چالش در زمینه ی تولید این محصولات به شمار می روند. بیوسورفکتانت های تولید شده
توسط میکروارگانیسم ها به دلیل خواص سطح عالی، تجزیه بیولوژیکی قابل قبول، سمیت و تحریک کم و
انعطاف پذیری گسترده ی دما، سختی آب و pH در هر دو زمینه ی علمی و صنعتی مهم هستند. لیپوپپتید
تولید شده توسط میکروارگانیسم ها یک بیوسوروفکتانت است که بسیار مورد توجه داروسازان قرار گرفته است.
به تازگی لیپوپپتید سورفکتین به جایگزینی امیدوار کننده برای سورفکتانت های شیمیایی سنتزی در
فرمولاسیون مواد و محلول های شوینده معرفی شده است. با این حال هنوز درک محدودی از نقش و عملکرد
سورفکتین در فرمولاسیون مواد شوینده وجود دارد. در این مقاله، نمونه های سورفکتین از باسیلوس جدا شده
و به وسیله ی کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا بیشتر خالص سازی شدند. سپس عملکرد جامع سورفکتین
در فرمولاسیون مواد شوینده مانند غلظت بحرانی میسل (CMC)، توانایی کف، قدرت خیس کنندگی، مقاومت
در برابر آب سخت، پایداری امولسیون و راندمان شستشو ارزیابی شد. تجزیه ی بیولوژیکی، تحریک
حاد پوستی و آزمایش سمیت به ویژه برای امکان کاربرد سورفکتین در تولید ترکیبات شوینده انجام شد.
نتایج و بحث:
لیپوپپتید میکروبی-سورفکتین:بازده پودر قهوه ای سورفکتین پس از رسوب اسیدی و لیوفیلیزاسیون (ایجاد فرآورده ی پایدار از یک ماده بیولوژیکی به وسیله ی سرد کردن سریع و گرفتن آب از این فرآیند در شرایط خلاء شدید) g/L 5/1 بدست آمد. نمونه ی استفاده شده در این تحقیق حاوی سه همولوگ سورفکتین با زنجیره ی اسیدهای چرب هیدروکسی C13، C14 یا C15 و نسبت های به ترتیب ۵۳/۹، ۶۷/۴۰٪ و ۸۰/۴۹٪ بود. خلوص نمونه بالای ۹۵٪ و میانگین وزن مولکولی آن g/mol 31/1027 بود. ساختار لیپوپپتید میکروبی تولید شده از Bacillus subtilis HSO121 به عنوان سورفکتین شناخته می شود.
ویژگی های سطح:
غلظت بحرانی میسل (CMC) سورفکتین mol L-1 5-10×۲۰/۶ و کشش سطحی آن در ۲۵ درجه ی سانتیگراد ۱ mNm-90/26 برآورد شد همچنین مشخص شد که سورفکتین فعالیت سطحی خود را در دامنه وسیعی از دما (۵ تا ۸۰ درجه ی سانتیگراد) و pH ( 8 تا ۱۳) حفظ می کند. از آنجا که مواد شوینده کاربردی در زندگی روزمره و صنایع در گستره ی دمایی ۶۰-۲۵ درجه ی سانتیگراد و pH 11-7 مورد استفاده قرار می گیرند، بنابراین سورفکتین به عنوان یک ماده سازنده و پایدار می تواند در فرمولاسیون مایع های شوینده گنجانده شود.
قابلیت کف سازی و پایداری فوم سورفکتین در فرمولاسیون مایع های شوینده:
کف پذیری مواد فعال کننده سطح سورفکتین، SDS و SDBS مقایسه شدند. کف
پذیری و پایداری کف سورفکتین در ۳/۰ و ۰/۳ g/L از SDS و SDBS کمتر بود . به طور
کلی ارتفاع کف با افزایش غلظت سورفکتانت افزایش یافته تا زمانی که به CMC
نزدیک شود، جایی که ارتفاع کف به حداکثر مقدار خود می رسد. سورفکتانت ها به
دلیل جذب آسان در رابط های مایع و هوا، کف را تثبیت می کنند. سورفکتانت های
کم کف نیاز به ایجاد ساختارهای مولکولی خاصی دارند که در حین تولید کف ناپایدار،
فعالیت سطحی خود را حفظ کنند. سورفکتین کم کف مورد استفاده در این مطالعه حاوی سه همولوگ با طول
زنجیره ی کربن ۱۳، ۱۴ و ۱۵ بود. ماهیت آبگریز زنجیره ی آلکیل بر کف پذیری سورفکتین تأثیر نمی گذارد،
اما به شدت بر توانایی ایجاد کف پایدار موثر است. بنابراین یک زنجیره کربنی بهینه می تواند حداکثر پایداری
کف را برای سورفکتین فراهم کند. نتایج تحقیقات روزن و همکارانش نشان داد که یک زنجیره ی آلکیل
کوتاه انسجام کافی ایجاد نمی کند. همچنین یک زنجیره آلکیل بلند منجر به ایجاد کشش سطحی خیلی بالا
می گردد. آن ها نتیجه گیری کردند که سورفکتین حاوی آلکیل های با طول زنجیره ی متوسط بهترین
ساختار به منظور تولید کف پایدار هستند. بیشتر سورفکتانت های سنتزی شیمیایی در حین استفاده مقدار
زیادی کف تولید می کنند که در فرآیند های شستشوی صنعتی و خانگی ناخوشایند است. از نظر زیست محیطی،
مقدار زیاد کف باعث تبادل گاز بین آب و جو می شود و ممکن است به اکوسیستم های آبی آسیب برساند.
سورفکتین با قابلیت کف کم اما پایدار می تواند به عنوان سورفکتانت کم کف در فرمولاسیون مایع ماشین لباسشویی،
مواد شوینده صنعتی و فرمولاسیون مایع ماشین ظرفشویی استفاده گردد.
خاصیت امولسیون سازی سورفکتین در فرمولاسیون مایع های شوینده:
شاخص امولسیون سازی (EI24) سورفکتین با روغنهای گیاهی ذرت، کلزا، سویا، روغن بادام زمینی، زیتون و روغن موتور به ترتیب ۹۱/۶۱، ۸۶/۵۸، ۲۵/۶۰، ۶۷/۶۲، ۰۹/۶۱ و ۰۲/۶۳ بود. به طور میانگین، شاخص امولسیون سازی سورفکتین با روغن های گیاهی و روغن موتور در حدود ۶۰٪ بود که به جز روغن ذرت و روغن سویا، معادل یا برتر از SDS و SDBS بود. سورفکتین خالص دارای مقدارمتعادل خاصیت آبگریز/آب دوست است که نشان می دهد این ماده به عنوان یک امولسیون کننده برای سیستم روغن در آب مناسب است. نشان می دهد که سورفکتین یک امولسیون کننده ی قوی است و از کاربرد آن در فرمولاسیون مواد شوینده (Detergents Formulation) پشتیبانی می کند.
خاصیت خیس کردن سورفکتین در فرمولاسیون مایع های شوینده:
زاویه ی تماس سورفکتین روی بسترهای آب دوست و آبگریز به ترتیب ۷۲/۲۱ و ۳۴/۶۷ درجه
بود، که نشان می دهد سورفکتین در مقایسه با SDS و SDBS عملکرد بهتری دارد و پخش
آن روی سطح آسان تر است. زاویه ی تماس کمتر از ۹۰ درجه معمولاً به معنای خیس شدن
مطلوب و برعکس زاویه ی تماس بیش از ۹۰ درجه نشان دهنده ی خیس شدن نامطلوب
سطح است. بنابراین مایعات ممکن است تماس با سطح را به حداقل رسانده و قطرات
فشرده تشکیل دهند. طبق معادله ی یانگ (γs−g = γl−s + γl−gcosθ)، زاویه تماس نه تنها به
کشش سطح محلول (γl-g) بلکه به کشش سطح جامد (γs-g) و کشش سطح رابط محلول/جامد (γs-l) نیز بستگی دارد.
مقادیر γs-g و γs-l در محدوده ی غلظت مورد مطالعه ثابت هستند، بنابراین تغییرات زاویه تماس فقط به کشش سطحی
محلول های آبی سورفکتانت بستگی دارد. غلظت بحرانی (CMC) و کشش سطحی سورفکتین در دمای ۲۵ درجه ی سانتیگراد
کمتر از سورفکتانت های سنتزی شیمیایی SDS و SDBS است، بنابراین سورفکتین خواص خیس کنندگی عالی نشان می دهد.
خاصیت ضدعفونی کردن سورفکتین در فرمولاسیون مایع های شوینده (Liquid Detergents Formulation):
آزمایشات شویندگی سورفکتین و شوینده های تجاری با استفاده از دستگاه همزن برای شبیه سازی فرایند شستشو انجام شد. سورفکتین به تنهایی قادر به از بین بردن لکه های مختلف سس گوجه فرنگی، شکلات، ماست و روغن موتور بود، بنابراین قابل رقابت با مواد شوینده لباسشویی تجاری است، اگرچه فرمولاسیون محصولات شیمیایی تجاری حاوی مواد افزودنی بیشتری هستند . میزان ضد عفونی (DR) پارچه های آلوده به روغن موتور، روغن ذرت و روغن سویا به وسیله ی سورفکتین به ترتیب ۳۶/۷۷، ۳۷/۸۸ و ۶۷/۸۸ درصد بود. برای کشف سازگاری سورفکتین در فرمولاسیون مایع لباسشویی، این ماده با نسبت ۱:۹ (وزنی)به چهار شوینده ی تجاری لباسشویی اضافه شد. نتایج نشان داد که سورفکتین به طور قابل توجهی تأثیر مثبتی بر عملکرد مواد شوینده تجاری دارد. یک پیش شرط برای جایگزینی یک ماده در ترکیبات مواد شوینده، پایداری و سازگاری در حضور اجزای موجود در این مواد در طیف وسیعی از دما است.
عملکرد سورفکتین در آب سخت:
DR یکی از شاخص های کلیدی شوینده ها برای تعیین کاربردهای آنهاست. در مقایسه با آب لوله کشی، DR شوینده های SDS و SDBS در آب با سختی mg kg−۱ ۵۰۰ به ترتیب حدود ۱۰٪ و ۵٪ کاهش یافت اما این شاخص برای سورفکتین در همان آب تقریبا ثابت بود (شکل ۶). از این بررسی میتوان نتیجه گرفت که سورفکتین در آب سخت نیز دارای عملکرد قابل قبول بوده که این به دلیل ساختار پپتیدی حلقوی سورفکتین است.
قابلیت تجزیه بیولوژیکی سورفکتین در فرمولاسیون مایع های شوینده:
ارزیابی BDR اولیه با استفاده از آزمایش لجن فعال نشان داد که تخریب زیستی کامل (۱۰۰٪) برای سورفکتین طی ۴ روز و برای SDBS ، ۶ روز است . نتیجه ی آزمایشاتی که توسط دارلان و همکارانش در مورد تجزیه پذیری زیستی انجام شد، در محدوده ی پذیرش دستورالعمل های OECD قرار گرفت، که در آن سورفکتین را به عنوان یک ترکیب آسان زیست تخریب پذیر طبقه بندی می کند.
تحریک پوستی سورفکتین در فرمولاسیون مایع های شوینده:
سطح شدت تحریک پوستی حاصل از آزمایش نشان می دهد که سورفکتین غیر تحریک کننده است (PII = 0)، بنابراین می تواند در فرمولاسیون مایع دستشویی و مایع ظرفشویی دستی نیز بکار رود. درجه ی تحریک با توجه به حداکثر میانگین نمره ی کل (MMTS) طبقه بندی شد: ۵/۰MMTS < غیر تحریک کننده، ۲< MMTS < 5/0 کمی تحریک کننده، ۶< MMTS < 2 متوسط تحریک کننده و ۸< MMTS < 6 تحریک شدید. یکی از مهمترین چالش های صنایع شوینده و آرایشی، تحریک پوست است. رودریگز لوپز گزارش داد که بیوسورفاکتانت ها ضمن داشتن خواص سورفکتانت، دارای سازگاری بیشتر زیستی و تحریک کمتر پوستی می باشند.
نتیجه گیری:
اخیراً جامعه علمی انگیزه برای پیدا کردن سورفکتانت های طبیعی که از نظر محیط زیست سازگارتر
بوده، عملکرد بهتری داشته و از ایمنی بالاتری برخوردار هستند، دارد. طبق نتایج به دست آمده از
این تحقیق، سورفکتین می تواند مانند سورفکتانت های شیمیایی موجود در فرمولاسیون مواد شوینده،
امولسیون و مرطوب سازی، کف پذیری و قدرت پاک کنندگی بسیار خوبی را نشان دهد. همچنین،
سورفکتین مزایای دیگری مانند تنوع ساختاری، پایداری دمایی، تجزیه ی بیولوژیکی خوب، سمیت و
نحریک کم پوستی، نسبت به نمونه های شیمیایی دارد. بنابراین سورفکتین یک ماده فعال سطح مناسب
و اقتصادی برای کاربرد در فرمولاسیون مواد شوینده صنعتی و خانگی و به شمار می رود. یک فرمول ساز