Związki powierzchniowo czynne zbudowane są z dwóch części – hydrofobowej (tzw. ogona) oraz hydrofilowej (tzw. głowy), co nadaje im charakter amfifilowy. Do syntezy hydrofobowej części surfaktantów najczęściej stosuje się alkohole tłuszczowe o długości łańcucha węglowego od C10 do C18. Stanowią one podstawowy surowiec do produkcji takich środków powierzchniowo czynnych, jak: etoksylaty alkoholi tłuszczowych, etoksysiarczany oraz sulfoniany alkoholi tłuszczowych. Istotną grupę prekursorów surfaktantów stanowią również kwasy tłuszczowe i ich pochodne, w tym aminy kwasów tłuszczowych. Równowaga pomiędzy częścią hydrofobową a hydrofilową cząsteczki, określana parametrem HLB (z ang. hydrophilic-lipophilic balance), decyduje o kluczowych właściwościach surfaktantów w roztworach, takich jak zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego oraz właściwości emulgujące, detergencyjne i solubilizujące. Ze względu na charakter grupy polarnej surfaktanty klasyfikuje się jako: anionowe, niejonowe, kationowe oraz amfoteryczne.

Zachowanie surfaktantów w roztworach wodnych

W roztworach wodnych surfaktanty, przy stężeniach użytkowych, nie występują jako pojedyncze cząsteczki, lecz spontanicznie agregują, tworząc micele – struktury o najwyższej stabilności termodynamicznej. Najczęściej przyjmują one kształt kulisty, jednak w zależności od rodzaju surfaktantu i jego stężenia, mogą tworzyć również inne formy morfologiczne. Jednym z kluczowych parametrów opisujących właściwości surfaktantu jest krytyczne stężenie micelizacji (CMC), czyli stężenie, przy którym rozpoczyna się proces tworzenia miceli. Niższa wartość CMC świadczy o wyższej aktywności powierzchniowej związku.

Opracowanie zrównoważonych surfaktantów

Hydrofilowe głowy cząsteczek surfaktantów mogą być projektowane z wykorzystaniem naturalnych substratów, takich jak glicerol, cukry czy aminokwasy. Glicerol, ze względu na wysoką dostępność oraz odnawialne pochodzenie, stanowi istotny surowiec w syntezie surfaktantów i wykazuje zdolność do efektywnego oddziaływania z lipidami. Nowe anionowe surfaktanty oparte na strukturze glicerolu stanowią potencjalną alternatywę dla tradycyjnych związków zawierających ugrupowania siarczanowe lub betainowe. Z kolei niejonowe surfaktanty glicerolowe, posiadające podwójny ogon hydrofobowy, wykazują korzystne właściwości powierzchniowe i wysoką zdolność emulgowania.

Biosurfaktanty klasyfikuje się na podstawie ich budowy chemicznej. Wyróżnia się cztery główne grupy: fosfolipidy i kwasy tłuszczowe, lipopeptydy, glikolipidy oraz biosurfaktanty wielkocząsteczkowe (polimerowe). Osobną grupę stanowią saponiny zbudowane z hydrofobowego aglikonu i hydrofilowego fragmentu cukrowego. Do najczęściej stosowanych glikolipidów należą: soforolipidy (SL), ramnolipidy (RL), cellobiozolipidy, mannozyloerytrytylolipidy (MEL), mannozylomannitylolipidy (MML) oraz lipidy trehalozowe (LT). Soforolipidy produkowane są głównie przez drożdże z rodzaju Candida i mogą obniżać napięcie powierzchniowe wody nawet do ok. 25 mN/m.

Biosurfaktanty są szeroko rozpowszechnione w środowisku naturalnym i wytwarzane głównie przez mikroorganizmy należące do rodzajów Pseudomonas, Bacillus oraz Candida. Charakteryzują się dużą różnorodnością strukturalną obejmującą m.in. lipopeptydy, glikolipidy i fosfolipidy. Do syntezy bardziej przyjaznych środowisku surfaktantów wykorzystuje się również kwas glicerynowy otrzymywany z glicerolu w procesie biotransformacji prowadzonej przez bakterie Gluconobacter frateurii. Związki pochodzenia biologicznego często wykazują lepsze właściwości emulgujące niż konwencjonalne surfaktanty, takie jak dodecylosiarczan sodu (SDS) czy monolauryna.

Izosorbid i izomannid

Bicykliczne heterocykliczne związki, takie jak izosorbid i izomannid, powstają w wyniku odwodnienia odpowiednio sorbitolu i mannitolu. Na ich bazie syntetyzowane są odnawialne surfaktanty otrzymywane z mannitolu oraz kwasów tłuszczowych, m.in. kwasu dekanowego, laurynowego, mirystynowego, palmitynowego, stearynowego i oleinowego. Surfaktanty te obniżają napięcie powierzchniowe wody do wartości 25,79–44,14 mN/m, w zależności od długości łańcucha hydrofobowego.

Siarczany dodecyloizosorbidu sodu, należące do anionowych surfaktantów zawierających ugrupowanie izosorbidu, mogą występować w postaci dwóch izomerów o odmiennych właściwościach fizykochemicznych, w tym różnych temperaturach Kraffta i wartościach CMC. Mieszaniny surfaktantów niejonowych i anionowych opartych na izosorbidzie są zdolne do tworzenia wydłużonych miceli, a sam izosorbid znajduje zastosowanie również w projektowaniu surfaktantów typu host-guest z udziałem cyklodekstryn.

Aminokwasy i alkilopoliglukozydy

Surfaktanty zawierające jednostki aminokwasowe w części hydrofilowej uznawane są za szczególnie obiecującą grupę biosurfaktantów. Stabilne α-żele otrzymywane z L-argininy i długołańcuchowych fosforanów monoalkilowych wykazują wysoką skuteczność w stabilizacji emulsji. Surfaktanty z grupy alkilopoliglukozydów (APG), otrzymywane z alkoholi tłuszczowych pochodzenia oleochemicznego oraz krystalicznej D-glukozy, znajdują szerokie zastosowanie w produktach higieny osobistej jako łagodne emulgatory.

Kwasy tłuszczowe, terpeny i kwas erukowy

Do syntezy zrównoważonych surfaktantów wykorzystuje się również odnawialne kwasy tłuszczowe, terpeny oraz ich pochodne. Liniowe nasycone kwasy tłuszczowe stanowią ważne prekursory wielu struktur surfaktantowych, natomiast rosnące zainteresowanie budzą terpeny pochodzące z olejków eterycznych roślin i kwiatów jako surowce do opracowywania nowych generacji związków powierzchniowo czynnych. Kwas erukowy, pozyskiwany m.in. z pozostałości po przetwarzaniu oleju rzepakowego, wykorzystywany jest do syntezy surfaktantów o niskich wartościach CMC, co umożliwia ich skuteczne działanie przy niższych stężeniach użytkowych.

Surowce pochodzące z drzew endemicznych

W latach 90. XX w. prowadzono badania nad rośliną Sonchus oleraceus ze względu na obecność szczepu drożdży Candida bombicola, zdolnego do naturalnej syntezy biosurfaktantów – soforolipidów należących do glikolipidów. Opracowany proces produkcyjny wykorzystuje surowce pochodzące z hemicelulozy i olejów roślinnych, w tym otręby pszenne oraz pozostałości drewna. Istotnym źródłem surowca jest również drewno drzewa endemicznego Quillaja saponaria Molina, występującego w środkowych i południowych regionach Chile.

Podsumowanie

W ostatnich latach na rynku kosmetycznym obserwuje się wyraźny trend rozwoju produktów „bezsiarczanowych”. Surfaktanty pochodzące z surowców odnawialnych zyskują coraz większą popularność jako alternatywa dla konwencjonalnych związków petrochemicznych. Rosnąca świadomość konsumentów oraz wdrażanie zasad zrównoważonego rozwoju przyczyniają się do dynamicznego rozwoju nowych klas surfaktantów opartych na odnawialnych surowcach. Substancje te zazwyczaj charakteryzują się wyższą biodegradowalnością oraz niższą toksycznością środowiskową, co zwiększa zainteresowanie branży i napędza popyt rynkowy. Całkowite zastąpienie surfaktantów petrochemicznych ich bardziej zrównoważonymi odpowiednikami nadal jednak stanowi istotne wyzwanie technologiczne i ekonomiczne.