1 导读

        本文所说的“甜菜碱”，特指日化清洁配方中应用广泛的椰油酰胺丙基甜菜碱， Cocamidopropyl Betaine，国际常用简称为 CAPB，国内供应端也常简称 CAB。本文聚焦的是洗发水、沐浴露、洁面、洗手液等清洁产品中常用的甜菜碱型两性表面活性剂。不是食品、营养或保湿领域中常说的甘氨酸甜菜碱。

        甜菜碱在配方中的价值，来自它特殊的分子结构：一端是疏水脂肪链，另一端是同时带有正电和负电的两性离子亲水头基。正是这种结构，使它能够参与界面吸附、混合胶束形成、胶束增长和表面吸附，从而改善泡沫、温和性、粘度、复配稳定性和一定的抗静电表现。

2 分子结构：甜菜碱作用的源头

2.1 甜菜碱的简化结构式

椰油酰胺丙基甜菜碱可以用下面的简化结构式来理解：

        R–C(=O)–NH–(CH₂)₃–N⁺(CH₃)₂–CH₂–COO⁻

其中：

        ① RCO–：来源于椰油脂肪酸的酰基链，R 通常为不同碳链长度的烷基或烯基混合物；

        ② C(=O)–NH：酰胺结构；

        ③ (CH₂)₃：丙基连接段；

        ④N⁺(CH₃)₂：季铵正电中心；

        ⑤CH₂–COO⁻：羧酸盐负电基团。

这个结构可以分成两个主要部分：

        一端是长链脂肪基，具有疏水性，容易靠近油脂、皮脂、空气界面和其他疏水区域；另一端是带电亲水头基，容易留在水相中，并与其他带电分子或表面发生相互作用。因此，甜菜碱既具有表面活性剂降低界面张力的基本能力，又具有两性离子表面活性剂良好的复配适应性。

2.2 结构单元与配方表现的关系

        甜菜碱不同于普通阴离子表面活性剂，也不同于典型阳离子表面活性剂。它的同一分子中同时具有季铵正电中心和羧酸盐负电基团，在常见洗护配方中主要表现为两性离子特征。

3 界面吸附：为什么能清洁和起泡？

3.1 疏水脂肪链帮助油污分散

        皮脂、油污、粉尘和化妆品残留不容易直接被水带走。清洁产品之所以能够发挥作用，关键在于表面活性剂能够降低油水界面和固液界面的界面张力，使油污更容易被润湿、剥离、分散和带走。

        甜菜碱分子中的 R 脂肪链具有疏水性，容易靠近油脂、皮脂或空气界面；亲水带电头基则留在水中。当分子在界面上定向排列时，界面张力下降，油污与水之间的分散难度降低。因此，甜菜碱具有一定的润湿、分散、清洁和助洗作用。

        在许多传统洗发水、沐浴露和洗手液配方中，甜菜碱常作为助表面活性剂，与 SLES、AES、AOS、氨基酸表面活性剂、APG 等共同使用，起到助洗、助泡和改善体系温和性的作用。在部分温和型或无硫酸盐清洁体系中，甜菜碱也可以作为重要的清洁和起泡组分之一，其具体角色取决于主表面活性剂体系和添加比例

3.2 气水界面吸附改善泡沫状态

        泡沫是空气被液膜包裹形成的分散体系。表面活性剂能够吸附在气水界面上，使泡沫更容易形成，并提高泡沫膜的稳定性。

        甜菜碱的疏水脂肪链可以靠近气水界面，亲水头基留在水相中，这种排列有助于泡沫形成。与阴离子表面活性剂复配时，甜菜碱还能够改善泡沫膜的稳定性，使泡沫更细腻、更柔和、不易快速破裂。甜菜碱在泡沫方面的作用，不只是让泡沫数量增加，更重要的是改善泡沫质感和泡沫稳定性。

4 混合胶束：为什么能降低刺激？

4.1 刺激性与游离表面活性剂单体有关

        清洁产品的刺激性不只取决于某个原料本身，还取决于表面活性剂在体系中的存在状态。在水溶液中，表面活性剂可以以单个分子的形式存在，也可以聚集成胶束。游离表面活性剂单体越容易与皮肤角质层脂质、蛋白或眼黏膜发生作用，刺激风险通常越高。

        SLES、SLS、AOS 等阴离子表面活性剂清洁力和起泡力较强，但单独使用时，对皮肤和眼部的刺激性可能较明显。甜菜碱加入后，能够与这些阴离子表面活性剂共同形成混合胶束，改变体系中表面活性剂的分布状态。

4.2 两性离子头基促进混合胶束形成

        甜菜碱分子中的季铵正电中心，可以与阴离子表面活性剂的负电头基发生相互作用，降低同类阴离子头基之间的静电排斥，使不同表面活性剂更容易共同排列在胶束中。

        混合胶束形成后，体系中强阴离子表面活性剂的游离单体活度和直接作用方式会发生变化，与皮肤角质层、蛋白和眼黏膜的相互作用可能减弱，从而有助于降低清洁体系的刺激性。温和性并不只由甜菜碱决定，还与总表面活性剂浓度、pH、接触时间、油脂和保湿组分、杂质控制以及完整配方设计有关。因此，甜菜碱的温和性不是单独存在的绝对属性，而是在合适复配体系中体现出来的协同效果。

5 胶束增长与盐曲线：为什么能辅助增稠？

5.1 甜菜碱不是传统增稠剂

        甜菜碱常被认为具有增稠作用，但它并不是传统意义上的增稠剂。纤维素、黄原胶、卡波姆等高分子增稠剂，主要依靠高分子链的水化、伸展和缠结来提高体系粘度。甜菜碱的增稠表现则主要来自表面活性剂胶束结构的变化。

        也就是说，甜菜碱不是单独把体系“变稠”，而是通过与主表面活性剂、电解质和 pH 共同作用，使胶束结构发生变化，最终表现为粘度上升。

5.2 混合胶束增长带来粘度上升

        在阴离子表面活性剂体系中，分子头基之间存在电荷排斥，胶束通常较小，体系粘度有限。甜菜碱加入后，它的季铵正电中心可以与阴离子表面活性剂发生相互作用，降低部分头基之间的电荷排斥，使混合胶束更容易增长。在合适的表面活性剂比例和电解质范围内，氯化钠等电解质可进一步屏蔽头基之间的电荷排斥，推动胶束由较小结构向棒状胶束、蠕虫状胶束或缠结胶束发展。

胶束变长并产生缠结后，体系内部流动阻力增加，宏观表现就是粘度上升。这个过程可以概括为：

        小胶束 → 混合胶束 → 长胶束或蠕虫状胶束 → 缠结增强 → 粘度上升

5.3 盐曲线决定增稠效果

        甜菜碱参与的阴离子表面活性剂体系中，常见“盐曲线”现象。盐量不是越高越好，而是存在一个适宜范围。

5.4 影响增稠表现的关键因素

        甜菜碱是否能辅助增稠，取决于具体体系是否形成了合适的胶束结构。

        因此，判断甜菜碱是否能增稠，不能只看添加量，而要看它与主表面活性剂、电解质、pH 和其他组分共同形成的胶束结构。

6 复配应用：不同表活体系中的作用差异

6.1 甜菜碱的复配能力来自两性离子结构

        甜菜碱的分子中同时存在正电中心和负电基团，在常见清洁体系中表现出较好的复配适应性。它不像强阴离子表面活性剂那样只表现负电，也不像典型阳离子表面活性剂那样容易与阴离子表面活性剂形成强相互作用而导致沉淀或浑浊。因此，甜菜碱既可以与阴离子表面活性剂形成混合胶束，也可以与非离子表面活性剂共同改善泡沫和温和性。

        不过，复配能力较好并不代表任何体系中都能稳定使用。不同主表面活性剂、不同 pH、不同盐含量和不同调理组分，都会改变甜菜碱的实际表现。

6.2 不同体系中的应用判断

        甜菜碱在不同体系中的作用并不完全相同。与 SLES/AES 复配时，它常表现出明显的助泡、降刺激和盐增稠协同；与 APG 或氨基酸表面活性剂复配时，温和性和泡沫改善可能更明显，但粘度构建方式通常需要重新设计；与阳离子聚合物共同使用时，则需要重点关注透明度、沉积和冲洗残留。

7 表面吸附与抗静电作用

7.1 季铵正电中心有助于毛发表面吸附

        头发在洗涤、摩擦和吹干后容易产生静电。受损毛发的毛鳞片更粗糙，表面负电特征更明显，更容易出现飞散、毛躁和梳理阻力增加等问题。甜菜碱分子中含有季铵正电中心，这一结构有助于分子对带负电的毛发表面产生吸附。与此同时，长链脂肪基可以在毛发表面提供轻微润滑作用。因此，甜菜碱在洗发体系中能够提供一定的辅助抗静电和改善梳理作用。

7.2 抗静电作用具有辅助性

        甜菜碱的抗静电和调理作用是辅助性的，不能替代专用调理原料。如果配方目标是轻盈、温和、低残留的清洁体验，甜菜碱可以提供较好的协同效果；如果配方目标是明显柔顺、修护、抗毛躁，则通常需要阳离子瓜尔胶、聚季铵盐、BTAC、CTAC、硅油乳液或油脂组分共同设计。

8 抑菌相关作用：结构基础与应用局限

8.1 长链疏水结构和带电头基提供相互作用基础

        甜菜碱同时具有长链疏水结构和带电亲水头基。许多具有抗菌活性的季铵盐类物质，通常依靠正电结构与微生物表面发生相互作用，再通过疏水链影响细胞膜完整性。甜菜碱在结构上具备类似的相互作用基础，因此在部分体系中可能表现出一定抑菌贡献。

8.2 不能将甜菜碱等同于防腐剂或消毒剂

        具备抑菌结构基础，并不等于在普通洗护产品中可以承担防腐或消毒功能。普通洗发水、沐浴露、洁面和洗手液中的甜菜碱添加量、接触时间、配方环境和有机物负荷，都可能影响其实际抑菌表现。产品是否具有抑菌或杀菌效果，需要通过对应测试确认；涉及抗菌、抑菌、消毒等宣称，还需要符合相关法规要求。

9 选型与验证：如何判断一款甜菜碱是否适合配方？

9.1 原料指标决定基础表现

        判断一款甜菜碱是否适合配方，应关注检测报告中的关键指标。

        其中，DMAPA 和 amidoamine 是甜菜碱安全评价中反复关注的杂质。高品质甜菜碱不仅要看活性物含量，也要看副产物和杂质控制水平。

9.2 配方适用性需要通过实验确认

        甜菜碱的应用效果高度依赖具体配方。实际开发中，应通过配方实验判断其适用性。

9.3 典型优势与使用局限

10 甜菜碱结构机理与洗护配方研究相关代表化学品

表1 甜菜碱与复配表面活性剂

表2 胶束增稠、酸碱调节与体系稳定相关化学品

表3 结构来源、调理抗静电与质量控制相关化学品

        注：以上为阿拉丁代表性科研及配方研究相关产品，更多产品规格、级别、COA信息可用“品名/CAS/货号”在阿拉丁官网检索

参考文献

[1] Burnett C. L., Bergfeld W. F., Belsito D. V., Hill R. A., Klaassen C. D., Liebler D., Marks J. G. Jr., Shank R. C., Slaga T. J., Snyder P. W., Andersen F. A. Final Report of the Cosmetic Ingredient Review Expert Panel on the Safety Assessment of Cocamidopropyl Betaine (CAPB). International Journal of Toxicology. 2012;31(Suppl 1):77–111. doi:10.1177/1091581812447202.

[2] Burnett C. L., Boyer I., Bergfeld W. F., Belsito D. V., Hill R. A., Klaassen C. D., Liebler D. C., Marks J. G. Jr., Shank R. C., Slaga T. J., Snyder P. W., Gill L. J., Heldreth B. Safety Assessment of Fatty Acid Amidopropyl Dimethylamines as Used in Cosmetics. International Journal of Toxicology. 2019;38(1_suppl). doi:10.1177/1091581819836089.

[3] PubChem. Lauramidopropylbetaine Compound Summary. National Center for Biotechnology Information.

[4] ChemSpider. Cocamidopropyl Betaine Structure Record. Royal Society of Chemistry.

[5] Williams A. P., King J. P., Sokolova A. V., de Campo L., Tabor R. F. In Situ Nanostructural Analysis of Concentrated Wormlike Micellar Fluids Comprising Sodium Laureth Sulfate and Cocamidopropyl Betaine Using Small-Angle Neutron Scattering. Langmuir. 2020;36(47):14296–14305. doi:10.1021/acs.langmuir.0c02530.

[6] Yavrukova V. I., Radulova G. M., Danov K. D., Kralchevsky P. A., Xu H., Ung Y. W., Petkov J. T. Rheology of Mixed Solutions of Sulfonated Methyl Esters and Betaine in Relation to the Growth of Giant Micelles and Shampoo Applications. Advances in Colloid and Interface Science. 2020. doi:10.1016/j.cis.2019.102062.

[7] Gilbert P., Moore L. E. Cationic Antiseptics: Diversity of Action under a Common Epithet. Journal of Applied Microbiology. 2005;99(4):703–715. doi:10.1111/j.1365-2672.2005.02664.x.

[8] McDonnell G., Russell A. D. Antiseptics and Disinfectants: Activity, Action, and Resistance. Clinical Microbiology Reviews. 1999;12(1):147–179. doi:10.1128/CMR.12.1.147.

更多相关文章，详见下方：

认识 Brij 35：非离子表面活性剂的深入解析

胆酸钠作为阴离子表面活性剂的结构基础与实验室应用

从洋地黄到实验台： Digitonin 作为非离子型表面活性剂的作用机制

n-辛基-β-D-吡喃葡萄糖苷（OG/OGP）：研究与生物技术中的非离子表面活性剂

n-十二烷基-β-D-麦芽糖苷（DDM）：结构、性质及其作为非离子表面活性剂的应用

月桂酰肌氨酸钠：氨基酸型阴离子表面活性剂的结构–性质–应用

CTAB 解读：经典阳离子表面活性剂的结构、性质与实际应用

详解 Poloxamers： 非离子型嵌段共聚物表面活性剂指南

非离子表面活性剂聚焦：醇聚氧乙烯醚、聚乙二醇三甲基壬基醚与 Triton™ X-100

Tween 20 与 Tween 80 作为非离子表面活性剂：结构、性质与应用

表面活性剂全景指南：定义与机理、关键指标、应用场景与选型导航（表1–表3）

皂苷作为天然非离子型表面活性剂：结构、功能与应用

非离子型去污剂解析：从化学结构到实验室应用