바이오 계면활성제의 물리화학 규명... 지속 가능한 제형 기술 확립

#바이오 계면활성제를 이용한 제형 개발 – 양성자와 물 경도 사이의 경쟁 현상에 대한 물리화학

[코스인코리아닷컴 길태윤 기자] 지속 가능한 원료 전환이 가속화되는 가운데 글로벌 특수화학 기업 Evonik은 미생물 유래 바이오 계면활성제(Biosurfactant)의 물리화학적 거동을 규명해 친환경 화장품 제형 개발의 새로운 방향을 제시했다.

이번 연구는 람노리피드(Rhamnolipid, RL)와 소포로리피드(Sophorolipid, SL) 등 글라이코리피드 계열의 바이오 계면활성제를 중심으로 양성자(proton)와 물의 경도(hardness)가 제형 안정성에 미치는 상호작용을 분석했다.

기존 화석 기반 계면활성제(SLS, SLES 등) 대비, RL은 당(headgroup)이 큰 친수성 구조를 가지며 피부와 수생 생물에 순한 특성을 보인다. 그러나 높은 친수성은 제형 점도나 거품 안정성 확보에 어려움을 주어 이를 제어하기 위한 보조 계면활성제의 선택과 pH 조절이 핵심 변수로 떠오르고 있다.

Evonik 연구진은 RL의 카복실레이트기(pKa)가 일정하지 않으며 제형 내 다른 성분·마이셀 배열·pH 조건에 따라 변동한다는 점을 실험적으로 입증했다. NaOH와 HCl을 이용한 pH 적정 결과, RL은 마이셀 내 곡률(curvature)이 클수록 양성자 응축이 증가해 pKa가 상승했으며 이로 인해 음이온 특성이 감소하는 현상을 보였다. 이는 단순한 pH 측정값만으로 제형 안정성을 판단하기 어렵다는 점을 의미한다.

그림 (A) 람노리피드(RL) 바이오 계면활성제(INCI: Glycolipid)의 분자 구조와 SLES(INCI: Sodium Laureth Sulfate) 비교; (B) 자유 카복실레이트기를 포함하는 계면활성제 분자의 양 성자화 평형 및 (C) 마이셀 내에 위치한 분자의 양성자화 평형.

또 비이온성 보조 계면활성제(예: 1,2-옥탄다이올)은 RL의 pKa를 낮춰 탈양자화를 유도한 반면, 1,2-데칸다이올·도데칸다이올은 반대로 pKa를 증가시켜 마이셀 내 응축을 강화했다. 이온성 보조 계면활성제(SDS, CTAC) 실험에서는 음이온성 계면활성제가 RL의 pKa를 높이고 양이온성은 반대로 낮추는 상반된 결과를 나타냈다.

연구진은 람노스기 수가 다른 RL 변형체(di-RL, m-RL)의 화학 구조 변화에 따른 영향을 분석했다. 단당체인 m-RL은 친수성이 낮아 Ca²⁺ 이온과의 결합력이 증가했고 이로 인해 물의 경도(hardness)에 더 민감하게 반응하는 것으로 나타났다. 반면 di-RL은 두 개의 당이 카복실레이트기를 차폐해 Ca²⁺ 침전 형성을 억제, 경수 환경에서도 높은 제형 안정성을 보였다.

Evonik 연구진은 “양성자화 상태와 물 경도는 바이오 계면활성제의 거동을 결정하는 핵심 변수로 제형 내에서 이들 간의 균형을 정밀 제어해야 한다”며, “바이오 계면활성제는 기존 합성 계면활성제를 대체할 뿐 아니라 장기적으로 지속 가능한 화장품 제형 기술의 핵심 역할을 할 것”이라고 밝혔다.

관련 논문은 코스메틱저널코리아 11월호에서 전문을 볼 수 있다. (https://cosinkorea.com/news/article.html?no=56337)