冷制茶麩皂的皂化反應實驗研究

李嘉寧,黨明巖,趙曉梅,房美琦,歐陽政易

(1.沈陽理工大學 環境與化學工程學院,遼寧 沈陽 110159;2.朝陽市財經學校 教務處,遼寧 朝陽 122000)

由于手工皂的原料主要來源于天然產物,化學添加較少,并具有較好的清潔、護膚、保濕等功能[1-3],成為消費者較多關注的日用洗滌品.手工皂按照不同的制備方法,通常分為熱制皂和冷制皂.熱制皂是將皂基熔融再制,操作方法相對簡單,但對原料和化學添加較難控制;冷制皂是傳統的制皂方法,通過油脂和堿的皂化反應制得皂基,更利于提升原料的安全性和功效性.

茶麩也稱茶渣、茶粕,是將茶籽壓榨提取出油脂后剩余的殘渣.我國每年經壓榨后殘余的茶麩有50多萬t[4],廢棄茶麩造成了很大的資源浪費.茶麩中含有較多的茶皂素、糖類和粗蛋白,由于茶皂素具有表面活性劑的特性,對皮膚和纖維類織物表現出良好的清潔作用[5-6],因此有研究者發現茶麩可用于合成洗護用品、化妝品等.本文以油脂、茶麩、堿液作為冷制皂的基本原料,對制成的皂樣進行性能測定,并分析皂化溫度、油脂種類、陳化時間、攪拌速度對皂樣性能的影響.

1 材料與方法

1.1 主要儀器與材料

儀器:HH-2型數顯恒溫水浴鍋(常州國華電器有限公司),202-00A型電熱恒溫干燥箱(上海喆鈦機械制造有限公司),DZKW-12-1型電熱恒溫水浴鍋(北京市光明醫療儀器有限公司),電子天平(余姚紀銘稱重校驗設備有限公司),PHS-3C型酸度計,HH-1電動機械攪拌器.

材料:市售油脂(椰子油、杏仁油、山茶油、棕櫚油、橄欖油、乳木果油、霍霍巴油),茶麩(來自茶籽油的殘渣,經粉碎而成),氫氧化鈉、氫氧化鉀、無水乙醇(分析純,天津市大茂化學試劑廠).

1.2 皂基的制備

將適量油脂加入三口燒瓶內,另配置一定濃度的NaOH溶液,將混合液經分液漏斗滴加入三口燒瓶,與油脂混合攪拌,加入茶渣粉末,控制反應溫度和攪拌速度進行皂化反應.當反應進行到一定程度,將產物取出2 g,用水稀釋至20 m L,置于試管中,水浴60℃,當試管中不再析出油脂時可停止攪拌.反應結束后,將產物倒入模具中,室溫放置陳化,固化成型.

1.3 皂樣的性能測定

1.3.1 p H的測定

稱取皂樣2 g,加入蒸餾水配置成質量分數為10%的皂溶液,用酸度計測其p H值.

1.3.2 泡沫度的測定

取皂樣0.2 g溶于水中,加入蒸餾水,于100 m L容量瓶中定容,制得皂溶液,取10 m L皂溶液倒入50 m L量筒中,振蕩1 min后,測量泡沫體積.泡沫體積占被測皂樣溶液體積的百分比即為皂樣的泡沫度[7].

1.3.3 總游離堿含量的測定

精確稱取一定量的皂樣,將其溶解于100 m L乙醇中,水浴加熱至皂樣完全溶解,加入過量的硫酸標準溶液中和游離堿,然后用氫氧化鉀-乙醇溶液回滴過量的酸[8].

肥皂中總游離堿的含量用氫氧化鈉的質量百分數(NaOH,%)表示,按式(1)計算:

式中:k——總游離堿含量,%;V0——硫酸標準滴定溶液的體積,m L;c0——硫酸標準滴定溶液的摩爾濃度,mol/L;V1——耗用氫氧化鉀-乙醇標準滴定溶液的體積,m L;c1——氫氧化鉀-乙醇標準滴定溶液的摩爾濃度,mol/L;0.04——氫氧化鈉的毫摩爾質量,g/mmol;m——皂樣的質量,g.

2 結果與討論

2.1 皂化溫度對皂基性能的影響

皂化溫度對皂基的p H值影響不大,但對總游離堿量和泡沫度有較大影響.總游離堿量和泡沫度隨溫度變化的實驗結果如圖1所示.由圖1可見,隨著皂化溫度的提高,總游離堿量出現先下降后上升的趨勢.當皂化溫度在30～50℃時,總游離堿量低于0.3%,符合國標規定的指標要求;當皂化溫度低于30℃時,反應不夠充分,有較多的未反應完全的游離堿;當皂化溫度過高時,皂化反應較難控制,容易出現局部結塊現象,導致堿和油脂的皂化反應不能充分進行,有較多殘留的游離堿.

當皂化溫度低于40℃時,泡沫度隨著皂化溫度的升高逐漸上升,且變化較大;當皂化溫度高于40℃時,泡沫度較高,且變化趨于平緩.皂化反應是放熱反應,總體上在較低的溫度范圍內就可以進行,但反應溫度過低會導致反應活性下降,皂化反應不充分.

根據皂化溫度對總游離堿量和泡沫度的影響,40～50℃是較為理想的皂化反應溫度.

2.2 油脂種類對泡沫度的影響

皂化反應的主要反應物是油脂和堿.油脂的主要成分多為硬脂酸甘油酯,在堿介質作用下經熱誘導發生皂化反應生成甘油和硬脂酸鈉.采用不同種類的油脂制成的皂,只要采用恰當的油脂和堿的比例,對皂樣的p H值和總游離堿量就不會有較大影響,但采用不同油脂制成的皂,其泡沫度有較大差異.在相同堿量的條件下,采用不同的油脂進行皂化反應,對制得的手工皂進行泡沫度的測定,實驗結果如圖2所示.由圖2可見,由山茶油制出的皂有較好的泡沫度,這可能與原料中含有茶麩有關系,除了山茶油,利用杏仁油、橄欖油和棕櫚油制出的皂樣也有較好的泡沫度,而由椰子油和乳木果油制出的皂泡沫度較低.

2.3 陳化時間對皂樣p H值的影響

陳化也稱老化、熟化.冷制皂制皂完成后不能立即使用,而是需要陳化一段時間使皂的性能趨于穩定.在陳化過程中,皂樣的p H值發生了較大程度的變化,其變化趨勢如圖3所示.為了使油脂能充分被皂化,往往會采用過量的堿,因此在皂化反應剛剛結束時初始的p H值較高,隨著陳化時間的延長,皂樣的p H值不斷下降.由圖3可見,在10 d內p H值降低較顯著,其后逐步緩慢下降,在70 d之后p H值變化較小,穩定在8.3左右.

2.4 攪拌速度對皂化時間的影響

當皂化溫度為40℃時,采用山茶油恒溫水浴皂化,常溫冷卻40 min.分別在不同的攪拌速度下進行皂化反應,結果發現不同攪拌速度對皂樣的總游離堿量、泡沫度等影響不大,對皂化反應時間影響較大.攪拌速度對皂化反應時間的影響如圖4所示.由圖4可見,隨著攪拌速度的加快,皂化反應完成所需的時間縮短,攪拌速度在200～300 r/min時皂化反應進行得較快,可在30 min內完成.

3 結論

通過對冷制茶麩皂的皂化反應過程工藝條件的研究,得出如下結論:(1)皂化溫度為40～50℃時,總游離堿量較低而泡沫度較高;采用山茶油制皂的泡沫度較高;陳化時間超過70 d,p H值變化較小,穩定在8.3左右;攪拌速度在200～300 r/min時,皂化反應進行得較快.(2)皂化溫度對皂的總游離堿量和泡沫度有較大影響,不同油脂類型對皂的泡沫度有較大影響,陳化時間主要影響皂基的p H值,攪拌速度主要影響皂化反應時間.