ความก้าวหน้าในการวิจัยเกี่ยวกับสารลดแรงตึงผิวในแชมพู

แชมพูเป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้ในชีวิตประจำวันของผู้คนเพื่อขจัดสิ่งสกปรกออกจากหนังศีรษะและเส้นผม และช่วยให้หนังศีรษะและเส้นผมสะอาด ส่วนประกอบหลักของแชมพู ได้แก่ สารลดแรงตึงผิว (เรียกสั้นๆ ว่า สารลดแรงตึงผิว) สารเพิ่มความข้น สารปรับสภาพ สารกันเสีย เป็นต้น ส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดคือสารลดแรงตึงผิว หน้าที่ของสารลดแรงตึงผิวไม่เพียงแต่ทำความสะอาด ทำให้เกิดฟอง ควบคุมพฤติกรรมทางรีโอโลยี และความอ่อนโยนต่อผิว แต่ยังมีบทบาทสำคัญในการรวมตัวของประจุบวกด้วย เนื่องจากพอลิเมอร์ประจุบวกสามารถตกตะกอนบนเส้นผมได้ กระบวนการนี้จึงเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับกิจกรรมบนพื้นผิว และกิจกรรมบนพื้นผิวยังช่วยในการตกตะกอนของส่วนประกอบที่เป็นประโยชน์อื่นๆ (เช่น อิมัลชันซิลิโคน สารต้านรังแค) การเปลี่ยนแปลงระบบสารลดแรงตึงผิวหรือการเปลี่ยนแปลงระดับอิเล็กโทรไลต์จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ของผลกระทบของพอลิเมอร์ปรับสภาพในแชมพูเสมอ

1. กิจกรรมตาราง SLES

SLS มีคุณสมบัติในการให้ความชุ่มชื้นที่ดี สามารถสร้างฟองได้มาก และมีแนวโน้มที่จะเกิดฟองอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม มันมีปฏิกิริยาที่รุนแรงกับโปรตีนและระคายเคืองต่อผิวหนังอย่างมาก ดังนั้นจึงไม่ค่อยได้ใช้เป็นสารลดแรงตึงผิวหลัก ปัจจุบันสารออกฤทธิ์หลักในแชมพูคือ SLES ผลการดูดซับของ SLES บนผิวหนังและเส้นผมนั้นต่ำกว่า SLS อย่างเห็นได้ชัด ผลิตภัณฑ์ SLES ที่มีระดับการเอทอกซิเลชันสูงขึ้นแทบจะไม่มีผลการดูดซับเลย นอกจากนี้ ฟองของ SLES ยังมีความคงตัวที่ดีและทนต่อความกระด้างของน้ำได้ดี ผิวหนังโดยเฉพาะเยื่อบุเมือกนั้นทนต่อ SLES ได้ดีกว่า SLS มาก โซเดียมลอริลเอทซัลเฟตและแอมโมเนียมลอริลเอทซัลเฟตเป็นสารลดแรงตึงผิว SLES สองชนิดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในตลาด งานวิจัยของ Long Zhike และคณะ พบว่า ลอเรธซัลเฟตอะมีน มีความหนืดของโฟมสูง มีเสถียรภาพของโฟมที่ดี ปริมาณโฟมปานกลาง มีประสิทธิภาพในการทำความสะอาดที่ดี และทำให้ผมนุ่มขึ้นหลังการสระ แต่ลอเรธซัลเฟตแอมโมเนียมซอลต์จะเกิดการแตกตัวเป็นก๊าซแอมโมเนียภายใต้สภาวะด่าง ดังนั้นโซเดียมลอเรธซัลเฟตซึ่งต้องการช่วง pH ที่กว้างกว่าจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายมากกว่า แต่ก็ระคายเคืองผิวมากกว่าแอมโมเนียมซอลต์เช่นกัน จำนวนหน่วยเอทอกซีของ SLES มักอยู่ระหว่าง 1 ถึง 5 หน่วย การเพิ่มกลุ่มเอทอกซีจะช่วยลดความเข้มข้นของไมเซลล์วิกฤต (CMC) ของสารลดแรงตึงผิวซัลเฟต การลดลงของ CMC มากที่สุดเกิดขึ้นหลังจากเพิ่มกลุ่มเอทอกซีเพียงหนึ่งกลุ่ม ในขณะที่หลังจากเพิ่มกลุ่มเอทอกซี 2 ถึง 4 กลุ่ม การลดลงจะน้อยลงมาก เมื่อจำนวนหน่วยเอทอกซีเพิ่มขึ้น ความเข้ากันได้ของ AES กับผิวหนังจะดีขึ้น และแทบไม่พบการระคายเคืองผิวหนังใน SLES ที่มีหน่วยเอทอกซีประมาณ 10 หน่วย อย่างไรก็ตาม การเพิ่มหมู่เอทอกซีเข้าไปจะทำให้สารลดแรงตึงผิวละลายได้ดีขึ้น ซึ่งจะขัดขวางการสร้างความหนืด ดังนั้นจึงจำเป็นต้องหาจุดสมดุลที่เหมาะสม แชมพูเชิงพาณิชย์หลายยี่ห้อใช้ SLES ที่มีหมู่เอทอกซีเฉลี่ย 1 ถึง 3 หน่วย

โดยสรุปแล้ว SLES เป็นสารลดแรงตึงผิวที่มีประสิทธิภาพคุ้มค่าในสูตรแชมพู ไม่เพียงแต่ให้ฟองเยอะ ทนต่อความกระด้างของน้ำได้ดี ทำให้ข้นง่าย และมีการตกตะกอนประจุบวกอย่างรวดเร็ว จึงยังคงเป็นสารลดแรงตึงผิวหลักในแชมพูในปัจจุบัน 

2. สารลดแรงตึงผิวจากกรดอะมิโน

ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ เนื่องจาก SLES มีส่วนประกอบของไดออกเซน ผู้บริโภคจึงหันไปใช้ระบบสารลดแรงตึงผิวที่อ่อนโยนกว่า เช่น ระบบสารลดแรงตึงผิวจากกรดอะมิโน ระบบสารลดแรงตึงผิวจากอัลคิลไกลโคไซด์ เป็นต้น

สารลดแรงตึงผิวประเภทกรดอะมิโนส่วนใหญ่แบ่งออกเป็น อะซิลกลูตาเมต, เอ็น-อะซิลซาร์โคซิเนต, เอ็น-เมทิลอะซิลทอเรต เป็นต้น

2.1 อะซิลกลูตาเมต

อะซิลกลูตาเมตแบ่งออกเป็นเกลือโมโนโซเดียมและเกลือไดโซเดียม สารละลายในน้ำของเกลือโมโนโซเดียมมีฤทธิ์เป็นกรด ส่วนสารละลายในน้ำของเกลือไดโซเดียมมีฤทธิ์เป็นด่าง ระบบสารลดแรงตึงผิวอะซิลกลูตาเมตมีคุณสมบัติในการเกิดฟอง ความชุ่มชื้น และคุณสมบัติในการชะล้าง รวมถึงความทนทานต่อน้ำกระด้างที่ดีกว่าหรือใกล้เคียงกับ SLES มีความปลอดภัยสูง ไม่ก่อให้เกิดการระคายเคืองหรือการแพ้ต่อผิวหนังอย่างเฉียบพลัน และมีความเป็นพิษต่อแสงต่ำ การระคายเคืองต่อเยื่อบุตาในครั้งเดียวอยู่ในระดับอ่อน และการระคายเคืองต่อผิวหนังที่ได้รับบาดเจ็บ (สารละลายความเข้มข้น 5% โดยมวล) ใกล้เคียงกับการระคายเคืองของน้ำ อะซิลกลูตาเมตที่เป็นตัวแทนมากที่สุดคือไดโซเดียมโคโคอิลกลูตาเมต ไดโซเดียมโคโคอิลกลูตาเมตผลิตจากกรดมะพร้าวธรรมชาติที่ปลอดภัยสูงและกรดกลูตามิกหลังจากอะซิลคลอไรด์ (Li Qiang et al.) จากการศึกษาในหัวข้อ “การวิจัยเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้ไดโซเดียมโคโคอิลกลูตาเมตในแชมพูปราศจากซิลิโคน” พบว่า การเติมไดโซเดียมโคโคอิลกลูตาเมตลงในระบบ SLES สามารถปรับปรุงความสามารถในการเกิดฟองของระบบและลดอาการระคายเคืองจากแชมพูที่คล้ายกับ SLES ได้ เมื่ออัตราส่วนการเจือจางอยู่ที่ 10 เท่า 20 เท่า 30 เท่า และ 50 เท่า ไดโซเดียมโคโคอิลกลูตาเมตไม่มีผลต่อความเร็วและความเข้มข้นของการตกตะกอนของระบบ แต่เมื่ออัตราส่วนการเจือจางอยู่ที่ 70 เท่าหรือ 100 เท่า ผลการตกตะกอนจะดีขึ้น แต่การทำให้ข้นขึ้นจะทำได้ยากขึ้น สาเหตุเป็นเพราะโมเลกุลของไดโซเดียมโคโคอิลกลูตาเมตมีหมู่คาร์บอกซิลสองหมู่ และหมู่หัวที่ชอบน้ำถูกขัดขวางที่ส่วนต่อประสาน พื้นที่ที่มากขึ้นส่งผลให้พารามิเตอร์การบรรจุที่สำคัญมีขนาดเล็กลง และสารลดแรงตึงผิวจะรวมตัวกันเป็นรูปทรงกลมได้ง่าย ทำให้ยากต่อการสร้างไมเซลล์รูปทรงหนอน ส่งผลให้การทำให้ข้นขึ้นทำได้ยาก

2.2 เอ็น-อะซิลซาร์โคซิเนต

เอ็น-อะซิลซาร์โคซิเนตมีฤทธิ์ในการทำให้เปียกในช่วงที่เป็นกลางถึงกรดอ่อน มีฤทธิ์ในการสร้างฟองและคงตัวสูง และทนต่อความกระด้างของน้ำและอิเล็กโทรไลต์ได้ดี สารที่เป็นตัวแทนมากที่สุดคือโซเดียมลอริลซาร์โคซิเนต โซเดียมลอริลซาร์โคซิเนตมีประสิทธิภาพในการทำความสะอาดที่ดีเยี่ยม เป็นสารลดแรงตึงผิวประจุลบชนิดกรดอะมิโนที่เตรียมจากแหล่งธรรมชาติของกรดลอริกและโซเดียมซาร์โคซิเนตผ่านปฏิกิริยา 4 ขั้นตอน ได้แก่ การฟทาไลเซชัน การควบแน่น การทำให้เป็นกรด และการสร้างเกลือ ประสิทธิภาพของโซเดียมลอริลซาร์โคซิเนตในแง่ของประสิทธิภาพการสร้างฟอง ปริมาณฟอง และประสิทธิภาพการลดฟองนั้นใกล้เคียงกับโซเดียมลอริลอีเทอร์ซัลเฟต อย่างไรก็ตาม ในระบบแชมพูที่มีพอลิเมอร์ประจุบวกชนิดเดียวกัน เส้นโค้งการตกตะกอนของทั้งสองมีความแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด ในขั้นตอนการสร้างฟองและการถู แชมพูระบบกรดอะมิโนมีความลื่นในการถูน้อยกว่าระบบซัลเฟต ในขั้นตอนการชะล้าง ไม่เพียงแต่ความลื่นในการชะล้างจะลดลงเล็กน้อยเท่านั้น แต่ความเร็วในการชะล้างของแชมพูกรดอะมิโนยังต่ำกว่าแชมพูซัลเฟตอีกด้วย หวัง ควน และคณะ พบว่าระบบผสมของโซเดียมลอริลซาร์โคซิเนตและสารลดแรงตึงผิวแบบไม่มีประจุ ประจุลบ และประจุคู่ โดยการเปลี่ยนพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ปริมาณและอัตราส่วนของสารลดแรงตึงผิว พบว่าสำหรับระบบผสมแบบไบนารี ปริมาณอัลคิลไกลโคไซด์เพียงเล็กน้อยก็สามารถทำให้เกิดการเพิ่มความหนืดแบบเสริมฤทธิ์กันได้ ในขณะที่ในระบบผสมแบบเทอร์นารี อัตราส่วนมีผลกระทบอย่างมากต่อความหนืดของระบบ โดยการผสมผสานระหว่างโซเดียมลอริลซาร์โคซิเนต โคคามิโดโพรพิลเบทาอีน และอัลคิลไกลโคไซด์ สามารถทำให้เกิดผลการเพิ่มความหนืดได้ดีกว่า ระบบสารลดแรงตึงผิวกรดอะมิโนสามารถเรียนรู้จากแผนการเพิ่มความหนืดประเภทนี้ได้

2.3 เอ็น-เมทิลอะซิลทอรีน

เอ็น-เมทิลอะซิลทอเรต มีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีคล้ายคลึงกับโซเดียมอัลคิลซัลเฟตที่มีความยาวโซ่เท่ากัน มีคุณสมบัติในการเกิดฟองที่ดีและไม่ได้รับผลกระทบจากค่า pH และความกระด้างของน้ำได้ง่าย มีคุณสมบัติในการเกิดฟองที่ดีในช่วงที่เป็นกรดอ่อนๆ แม้ในน้ำกระด้าง จึงมีช่วงการใช้งานที่กว้างกว่าอัลคิลซัลเฟต และระคายเคืองต่อผิวหนังน้อยกว่าเอ็น-โซเดียมลอโรอิลกลูตาเมตและโซเดียมลอริลฟอสเฟต ใกล้เคียงกับ SLES แต่ต่ำกว่ามาก จัดเป็นสารลดแรงตึงผิวที่ระคายเคืองต่ำและอ่อนโยน สารที่เป็นตัวแทนมากกว่าคือโซเดียมเมทิลโคโคอิลทอเรต โซเดียมเมทิลโคโคอิลทอเรตเกิดจากการควบแน่นของกรดไขมันที่ได้จากธรรมชาติและโซเดียมเมทิลทอเรต เป็นสารลดแรงตึงผิวกรดอะมิโนทั่วไปที่มีฟองมากและมีความคงตัวของฟองที่ดี โดยพื้นฐานแล้วไม่ได้รับผลกระทบจากค่า pH และความกระด้างของน้ำ โซเดียมเมทิลโคโคอิลทอเรตมีฤทธิ์เพิ่มความหนืดแบบเสริมฤทธิ์กับสารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกชนิดเบทาอีน เจิ้ง เสี่ยวเหม่ยและคณะ ในงานวิจัยเรื่อง “การวิจัยเกี่ยวกับประสิทธิภาพการใช้งานของสารลดแรงตึงผิวกรดอะมิโนสี่ชนิดในแชมพู” ได้มุ่งเน้นไปที่โซเดียมโคโคอิลกลูตาเมต โซเดียมโคโคอิลอะลาเนต โซเดียมลอริลซาร์โคซิเนต และโซเดียมลอริลแอสปาร์เทต ได้ทำการศึกษาเปรียบเทียบประสิทธิภาพการใช้งานในแชมพู โดยใช้โซเดียมลอริธซัลเฟต (SLES) เป็นตัวอ้างอิง ได้ทำการวิเคราะห์ประสิทธิภาพการเกิดฟอง ความสามารถในการทำความสะอาด ประสิทธิภาพการเพิ่มความหนืด และประสิทธิภาพการตกตะกอน จากการทดลอง สรุปได้ว่า ประสิทธิภาพการเกิดฟองของโซเดียมโคโคอิลอะลานีนและโซเดียมลอริลซาร์โคซิเนตดีกว่า SLES เล็กน้อย ความสามารถในการทำความสะอาดของสารลดแรงตึงผิวกรดอะมิโนทั้งสี่ชนิดมีความแตกต่างกันเล็กน้อย และดีกว่า SLES เล็กน้อย ส่วนประสิทธิภาพการเพิ่มความหนืดโดยทั่วไปต่ำกว่า SLES โดยการเติมสารเพิ่มความหนืดเพื่อปรับความหนืดของระบบ ความหนืดของระบบโซเดียมโคโคอิลอะลานีนสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 1500 Pa·s ในขณะที่ความหนืดของระบบกรดอะมิโนอีกสามระบบยังคงต่ำกว่า 1000 Pa·s เส้นโค้งการตกตะกอนของสารลดแรงตึงผิวกรดอะมิโนทั้งสี่ชนิดนั้นอ่อนโยนกว่าของ SLES ซึ่งบ่งชี้ว่าแชมพูกรดอะมิโนชะล้างได้ช้ากว่า ในขณะที่ระบบซัลเฟตชะล้างได้เร็วกว่าเล็กน้อย โดยสรุปแล้ว เมื่อต้องการเพิ่มความหนืดให้กับสูตรแชมพูกรดอะมิโน คุณสามารถพิจารณาเพิ่มสารลดแรงตึงผิวแบบไม่มีประจุเพื่อเพิ่มความเข้มข้นของไมเซลล์เพื่อจุดประสงค์ในการเพิ่มความหนืด คุณยังสามารถเพิ่มสารเพิ่มความหนืดแบบพอลิเมอร์ เช่น PEG-120 เมทิลกลูโคสไดโอเลเอตได้อีกด้วย นอกจากนี้ การผสมสารปรับสภาพผมประจุบวกที่เหมาะสมเพื่อปรับปรุงความสามารถในการหวีผมยังคงเป็นเรื่องยากในสูตรประเภทนี้

3. สารลดแรงตึงผิวอัลคิลไกลโคไซด์ชนิดไม่มีประจุ

นอกจากสารลดแรงตึงผิวประเภทกรดอะมิโนแล้ว สารลดแรงตึงผิวประเภทอัลคิลไกลโคไซด์ที่ไม่เป็นไอออน (APGs) ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากระคายเคืองน้อย เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และเข้ากันได้ดีกับผิวหนัง เมื่อรวมกับสารลดแรงตึงผิว เช่น แฟตตี้แอลกอฮอล์โพลีอีเทอร์ซัลเฟต (SLES) สาร APGs ที่ไม่เป็นไอออนจะช่วยลดแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตของกลุ่มประจุลบของ SLES ทำให้เกิดไมเซลขนาดใหญ่ที่มีโครงสร้างคล้ายแท่ง ไมเซลดังกล่าวมีโอกาสน้อยที่จะแทรกซึมเข้าสู่ผิวหนัง ซึ่งจะช่วยลดการโต้ตอบกับโปรตีนในผิวหนังและลดการระคายเคืองที่เกิดขึ้น ฟู่ หยานหลิง และคณะ พบว่า SLES ถูกใช้เป็นสารลดแรงตึงผิวประจุลบ โคคามิโดโพรพิลเบทาอีนและโซเดียมลอโรแอมโฟอะซิเตตถูกใช้เป็นสารลดแรงตึงผิวแบบซวิตเตอร์ไอออนิก และเดซิลกลูโคไซด์และโคโคอิลกลูโคไซด์ถูกใช้เป็นสารลดแรงตึงผิวที่ไม่เป็นไอออน จากการทดสอบพบว่า สารลดแรงตึงผิวประจุลบมีคุณสมบัติในการเกิดฟองดีที่สุด รองลงมาคือสารลดแรงตึงผิวประจุคู่ และ APG มีคุณสมบัติในการเกิดฟองแย่ที่สุด แชมพูที่มีสารลดแรงตึงผิวประจุลบเป็นสารลดแรงตึงผิวหลักจะเกิดการตกตะกอนอย่างเห็นได้ชัด ในขณะที่แชมพูที่มีสารลดแรงตึงผิวประจุคู่และ APG มีคุณสมบัติในการเกิดฟองแย่ที่สุด ไม่เกิดการตกตะกอน ในด้านคุณสมบัติการล้างและการหวีผมเปียก ลำดับจากดีที่สุดไปแย่ที่สุดคือ APG > ประจุลบ > ประจุคู่ ส่วนในผมแห้ง คุณสมบัติการหวีผมของแชมพูที่มีประจุลบและประจุคู่เป็นสารลดแรงตึงผิวหลักนั้นเทียบเท่ากัน แชมพูที่มี APG เป็นสารลดแรงตึงผิวหลักมีคุณสมบัติการหวีผมแย่ที่สุด การทดสอบกับเยื่อหุ้มคอริโออัลแลนโทอิกของตัวอ่อนไก่แสดงให้เห็นว่าแชมพูที่มี APG เป็นสารลดแรงตึงผิวหลักนั้นอ่อนโยนที่สุด ในขณะที่แชมพูที่มีประจุลบและประจุคู่เป็นสารลดแรงตึงผิวหลักนั้นอ่อนโยนที่สุดเช่นกัน APG มีค่า CMC ต่ำและเป็นสารชะล้างที่มีประสิทธิภาพมากสำหรับผิวหนังและไขมันในต่อมไขมัน ดังนั้น APG จึงทำหน้าที่เป็นสารลดแรงตึงผิวหลักและมีแนวโน้มที่จะทำให้ผมรู้สึกแห้งและเสีย แม้ว่าจะอ่อนโยนต่อผิว แต่ก็สามารถดึงไขมันออกจากผิวและทำให้ผิวแห้งมากขึ้นได้ ดังนั้นเมื่อใช้ APG เป็นสารลดแรงตึงผิวหลัก คุณต้องพิจารณาถึงระดับที่มันดึงไขมันออกจากผิว สามารถเพิ่มสารให้ความชุ่มชื้นที่เหมาะสมลงในสูตรเพื่อป้องกันรังแคได้ สำหรับปัญหาผิวแห้ง ผู้เขียนยังพิจารณาว่าสามารถใช้เป็นแชมพูควบคุมความมันได้ด้วย (เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงเท่านั้น)

โดยสรุปแล้ว โครงสร้างหลักของสารลดแรงตึงผิวในสูตรแชมพูในปัจจุบันยังคงถูกครอบงำโดยสารลดแรงตึงผิวประจุลบ ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วแบ่งออกเป็นสองระบบหลัก ประการแรก คือ การใช้ SLES ร่วมกับสารลดแรงตึงผิวแบบซวิตเตอร์ไอออนิกหรือสารลดแรงตึงผิวที่ไม่มีประจุเพื่อลดการระคายเคือง สูตรนี้มีฟองมาก ข้นง่าย และมีการตกตะกอนของสารปรับสภาพน้ำมันแคตไอออนิกและซิลิโคนได้อย่างรวดเร็ว อีกทั้งยังมีต้นทุนต่ำ จึงยังคงเป็นระบบสารลดแรงตึงผิวหลักในตลาด ประการที่สอง คือ การใช้เกลือกรดอะมิโนประจุลบร่วมกับสารลดแรงตึงผิวแบบซวิตเตอร์ไอออนิกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเกิดฟอง ซึ่งเป็นจุดสนใจในการพัฒนาตลาด ผลิตภัณฑ์สูตรประเภทนี้อ่อนโยนและมีฟองมาก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสูตรเกลือกรดอะมิโนตกตะกอนและชะล้างได้ช้า ทำให้ผมของผลิตภัณฑ์ประเภทนี้ค่อนข้างแห้ง ส่วน APG ที่ไม่มีประจุได้กลายเป็นทิศทางใหม่ในการพัฒนาแชมพูเนื่องจากเข้ากันได้ดีกับผิวหนัง ความยากในการพัฒนาสูตรประเภทนี้คือการหาสารลดแรงตึงผิวที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อเพิ่มความเข้มข้นของฟอง และการเติมสารให้ความชุ่มชื้นที่เหมาะสมเพื่อบรรเทาผลกระทบของ APG ต่อหนังศีรษะแห้ง