化妆品原料与有机化学教学
2021-01-10王春杰王运生刘广路朱莉莉张辉
王春杰 王运生 刘广路 朱莉莉 张辉
摘要:本文分析了化妆品常见原料,并从化学结构的角度对基质原料、辅助原料和功效原料进行了概括性的介绍,化妆品原料很多属于有机化合物,化妆品原料属于有机化学科学研究的范畴。作者针对有机化学教学过程中重理论、轻实践的现象,提出通过介绍化妆品原料分类、结构和用途,增加学生理论联系实际能力,为培养应用型人才夯实基础。
关键词:化妆品 原料 有机化学 教学
根据我国《化妆品卫生监督条例》,化妆品是指以涂擦、喷洒或者其他类似的方法,散布于人体表面任何部位(皮肤、毛发、指甲、口唇等),以达到清洁、消除不良气味、护肤、美容和修饰目的的日用化学工业产品。近年随着社会经济文化的快速发展和人类生活品质的不断提高,化妆品作为重要的日用品,其需求显著增加,而且化妆品行业发展势头迅猛,化妆品已然成为新研究热点。化妆品配方和化妆品原料是化妆品研究的主要内容,随着人们对健康的意识日益增强,化妆品原料成为最近几年研究的热点。
一、化妆品原料及分类[1,2]
化妆品是由各种化妆品原料合理调配,经加热、搅拌和乳化等生产程序加工而成的混合物。化妆品原料种类繁多、性能各异,卫生部《中国已使用化妆品成分名单(2015年版)》中化妆品原料已经有近9000多种。根据化妆品的原料性能和用途,通常可把化妆品原料分为基质原料、辅助原料和功效原料三大类,其中基质原料主要包括油性原料、粉质原料、水溶性原料和表面活性剂等用量比例比较大的原料,辅助原料主要包括色素、香精香料、防腐剂和抗氧剂等用量不大但是也很重要的原料,功效原料主要指具有具体功能的原料,如具有保湿、防晒、美白祛斑、抗衰老等功能的原料。
1.1 基质原料
油性原料应用广泛,常见的油、乳、霜、膏等剂型的基质材料都含有油性原料,主要起滋润、柔滑、护肤、护发等作用。油性原料来源广泛,包括羊毛脂、蜂蜡、橄榄油、蓖麻油、麻油、茶油等天然的动植物类,以及羊毛脂衍生物、硅油、角鲨烷等半合成和合成原料,其化学结构化学成分属于脂肪酸、脂肪醇、脂肪酸酯、碳氢化合物、聚醚类化合物。
粉质原料主要用于粉末状化妆品,主要起到遮盖、滑爽、附着、延展、柔焦等作用。粉质原料有钛白粉(TiO2)、滑石粉(含水硅酸镁盐,分子式Mg3SiO10(OH)2)、高岭土(天然的硅酸铝盐,分子式Al2S2O5(OH)4)、碳酸钙(CaCO3)等为代表的无机粉质原料和硬脂酸镁、聚乙烯粉、聚苯乙烯粉等为代表的有机粉质原料。
水溶性原料是液状、乳状、膏状等多种制品配方中不可缺少的一类主要组成部分,主要起溶解作用,主要是水、醇类、酯类(主要用于成膜)和酮类(丙酮用于指甲油)等,经常用在化妆品中的醇类主要有乙醇、甘油、丙二醇、丁二醇等。
表面活性剂是化妆品中非常重要的基质材料,除了能使油-水分散体系保持均一稳定(乳化作用)外,还有去污、润湿、发泡、消泡、防腐等功能。根据离子型态,表面活性剂可以分为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、两性表面活性剂和非离子表面活性剂。从化学结构上看,阳离子表面活性剂主要是十二烷基二甲基苄基氯化铵(洁而灭、苯扎氯铵)等季铵盐或胺盐类;阴离子表面活性剂主要是长链脂肪酸、硫酸、磺酸或磷酸的碱金属盐、碱土金属盐,如脂肪酸皂、十二烷基硫酸钠;两性表面活性剂包括氨基酸型、咪唑啉型、甜菜碱型等;非离子表面活性剂有失水山梨醇脂肪酸酯(司盘)、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯(吐温)等。
1.2 辅助原料
化妆品中的辅助原料所占比例较小,但也很重要,决定着化妆品的色、香、稳定等特性。
色素可以改变化妆品颜色的物质,分为染料和颜料。染料是指溶解于水或醇及矿物油,并能可以溶解状态使物质着色的色素,颜料是指不溶于水、醇或油等溶剂的着色粉末(沉淀)性色素,一般具有较好的着色力、遮盖力。色素分为合成色素、无机色素、天然色素和珠光色素。合成色素从化学结构上看,有偶氮类、三苯甲烷类、喹啉类、蒽醌类、靛蓝类等,无机色素有钛白粉、锌白(ZnO)、滑石粉、高岭土、碳酸钙、碳酸镁(MgCO3)等白色颜料和氧化铁(组成不同颜色有:黄色(Fe2O3·H2O)、棕色、红色(Fe2O3)、黑色(Fe3O4))、炭黑、氧化铬绿、群青等彩色颜料。天然色素,也称对植物性色素,主要从自然界的动植物中提取,由于工艺复杂、来源少、价格昂贵,大部分被合成色素代替,用于化妆品这类色素有β-胡萝卜素(含多个碳碳双键的共轭烯烃)、类胡萝卜素、胭脂红(蒽醌)、天然绿等。珠光色素有天然鱼鳞片、氯氧化铋、云母等。
大部分化妆品都具有一定清新怡人的香气,香气是通过添加香精所赋予的,而香精是各种香料经过调配混合而成。香料主要分为天然香料和合成香料。天然香料分為动物香料和植物香料,动物香料主要有麝香(主要成分麝香酮(3-甲基环十五酮))、灵猫香(主要成分灵猫酮(9-环十七烯酮))、海狸香(主要成分生物碱和吡嗪)、龙涎香(主要成分龙涎香醇和甾醇);植物香料主要是萜类、芳香族化合物、脂肪族含氧化合物等。合成香料有烃类、醇类、酚类、醚类、醛酮类、酯类等。
防腐剂和抗氧剂主要是防止和抑制化妆品在使用、存储过程中的败坏和变质。防腐剂起防止和抑制微生物的生长繁殖的作用,化学结构上分为醇类、酚类、羧酸酯类、酰胺类、季铵盐类等。抗氧剂主要是为了防止和减缓酸败,化学结构上分为酚类(如BHA、BHT、生育酚等)、醌类、胺类、有机酸、醇、酯类等。
1.3功效原料
功效原料,也称功能性原料,是能赋予化妆品特殊功能的一类原料。随着化妆品技术发展,功效性化妆品越来越多,目前比较常见的几类功效原料如下。
皮肤角质层的应在含水量10%-20%,低于10%皮肤会干燥、粗糙、皴裂。所以很多护肤品中都含有保湿剂。保湿剂又湿润剂,按化学结构分为脂肪醇类、脂肪酸及其盐类、脂肪酸酯类、尿囊素等。脂肪醇类如甘油、1,2-丙二醇、1,3-丁二醇、山梨醇、甘露醇、木糖醇、十八醇、油醇、羊毛醇等;脂肪酸及其盐如乳酸钠、吡咯烷酮酸钠、海藻酸钠、透明质酸(玻尿酸)等;脂肪酸酯类比较广泛,可以在皮肤上形成细腻、润滑膜。
防晒剂是能够防止或减弱紫外线(主要是波长280-400nm紫外线)对皮肤伤害的成分,作用原理是散射、反射和吸收紫外线。钛白粉、锌白、滑石粉、高岭土、碳酸钙等无机物的防晒原理是散射紫外线;从化学结构上看,具有羰基共轭或者杂环等芳香族化合物,可以吸收紫外线,如水杨酸酯类、二苯酮衍生物类、三嗪类、苯并三唑类、肉桂酸酯类、对氨基苯甲酸酯类等。
美白祛斑剂是通过分解皮肤中的黑色素或者抑制体内黑色素的形成来达到美白效果的。美白化妆品原料作用原理有抑制酪氨酸酶活性、吸收紫外线、清除自由基,常见的有苯乙基间苯二酚、壬二酸、熊果苷及其衍生物、曲酸及其衍生物、二苯酮类、维生素C及其衍生物、泛酸及其衍生物、果酸及其衍生物等。
抗衰老化妆品主要是保护皮肤细胞免受外界环境刺激、清除细胞内多余的自由基、对皮肤细胞进行营养修复。这类原料包括超氧化歧化酶(SOD)、维生素E、二苯酮类、维生素A、泛酸及其衍生物、透明质酸等。
二、有机化学
有机化学是研究有机物结构、性质、相互转化与应用的一门科学。最初,有机物是从有生命的动植物体中提取的,如酒、醋、糖、染料等。所有的有机物都含碳(C),大部分含氢(H),所以有机物定义为碳氢化合物及其衍生物。1828年,魏勒(Wöhler F)在实验室由无机物氰酸铵(NH4OCN)合成有机物尿素(NH2CONH2),从此有机物开启了合成年代,目前每年有数万计的新有机物被有机化学工作者合成出来。有机物的结构与性质密切相关,有机化学中一般按有机物的结构对有机物进行分类,按碳骨架分类如图一,按官能团分类如图二。
数量庞大的有机物存在于我们生活的方方面面,棉、麻、丝、毛属于有机物,蛋白质、脂肪、淀粉属于有机物,塑料、纤维、橡胶属于有机物,药物、染料、化妆品都大都也是有机物组成。所以,有机化学与人类生活密切相关,是一门非常重要的科学。
三、有机化学教学与化妆品原料
有效的有机化学教学是提高有机化学科学基础的重要手段。有机化学课程是医药、生物、化学化工、材料、化妆品等专业的基础课程。本教学团队为了提高有机化学教学效果,根据不同时代学生学习特点和技术手段,不断改革教学手段和教学方法,如案例式教学、参与式教学、基于问题的教学模式等[4,5],在理论教学方面取代了一定的成绩。
由于学生对生活认知不够,理论和实践脱离,导致学生对有机化合物的在生活实践中的应用了解不多。随着有机化学理论发展,有机化学理论越来越多,教学团队一直在思考:有限的学时怎么样提高学生有机化学科学素养?为了提高学生对有机化学科学的应用,基于教学团队的教学和科研,团队提出抓住生活中常用化妆品和有机化学学科的联系,在有机化学教学过程中加入化妆品原料常识,主要从以下两个方面进行教学设计[6,7]。
3.1有机物质的结构、性质决定化妆品原料用途
在有机化学教学过程中,十分注重培养学生有机化学基本的学习思维--物质的结构决定物质性质,而物质的性质决定了物质的用途。有机物根据结构物质及其在化妆品中的用途见图2。
如甘油(丙三醇)在化妆品中主要做保湿剂,从结构上分析,甘油属于多羟基化合物,而羟基中O-H键极性大,容易与水形成氢键,所以低浓度的甘油(70%以下)吸收空气的水分、锁住皮肤表面的水分,起保湿作用,但是浓度太大,会吸收皮肤表面水分,反而作用相反。玻尿酸(透明质酸)不但含大量羟基可以吸水,而且由于其分子量比较大可以成膜覆盖皮肤表面,保湿效果更好[8]。同样,推测其它含羟基的醇、糖也可能应用于化妆品保湿剂。
化学机构上分子内有比较大的共轭体系,会吸收一定波才的光而显色,而且共轭体系越多,颜色越深。根据这一结构特点,有机化学家们合成了一系列偶氮类燃料(如图1中苏丹红Ⅲ号)、蒽醌类、三苯甲烷类、靛类、喹啉类色素。紫外线吸收剂的设计和合成也基于此结构基础理论。
3.2 化妆品原料发展拓展了有机化学基础知识
日益增长的生活需求对安全环保、个性化、功能性化妆品原料要求越来越高,一方面我们可以根据结构设计合成新的化妆品原料,丰富了有机物的数量,增加有机化学基础知识;另一方面,化妆品原料的发展对有机化学科学发展提出更高的要求。如在各类化妆品中都离不开表面活性剂。表面活性剂是双亲分子(既亲水又亲油),早期表面活性剂研究主要集中阴、阳离子类表面活性剂研究和利用,目前已经设计模拟卵磷脂、胆固醇、蛋白质等天然两亲分子,如磷脂类、氨基酸类、蔗糖酯等等[9],大大丰富了有机化学理论。
化妆品技术不断发展,越来越多的有机化妆品原料被开发利用,给有机化学科学发展带来了新的挑战和机遇,在有机化学教学中引入生活中化妆品原料,既是理论联系实际提高学生学习兴趣,也是科学应用与生活的典型,为祖国培养更多应用型人才提供实践经验。
参考文献
[1] 李明阳.化妆品化学[M].科学出版社,2002.
[2] 张婉萍,董银卯.化妆品配方科学与工艺技术[M].科学出版社,2018.
[3] 范培浩,张冉冉,杜玉兰,等.化妆品中含羟基类防腐剂性质的研究与分析[J].广东化工,2020,47(7):133-136.
[4] 王春杰,朱莉莉.参与式课堂教学设计和教学反思[J].河南教育(高教),2016,(2) :91-92.
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[6] 侯嘉凝.浅议化学在化妆品中的应用[J].当代化工研究,2017,07: 40-42.
[7] 殷洁,张新波.浅谈化妆品技术专业与有机化学[J].广州化学,2018,43(1): 74-76.
[8] 刘彤.透明质酸及其在化妆品中的应用[J].广州化工,2009,37(8):71-73.
[9] 张皓华.表面活性剂在化妆品中的应用现状与趋势[J].山东化工,2021,50(09):68-69.
基金項目:
周口师范学院教育教学改革研究重点项目(J2019003)
周口师范学院化学化工学院教学改革项目(HYJG201803)
通讯作者
王春杰(1981.09-),女,河南商水人,硕士研究生,副教授,主要从事有机化合物的合成与性质研究。