冷制茶麸皂的皂化反应实验研究

李嘉宁,党明岩,赵晓梅,房美琦,欧阳政易

(1.沈阳理工大学 环境与化学工程学院,辽宁 沈阳 110159;2.朝阳市财经学校 教务处,辽宁 朝阳 122000)

由于手工皂的原料主要来源于天然产物,化学添加较少,并具有较好的清洁、护肤、保湿等功能[1-3],成为消费者较多关注的日用洗涤品.手工皂按照不同的制备方法,通常分为热制皂和冷制皂.热制皂是将皂基熔融再制,操作方法相对简单,但对原料和化学添加较难控制;冷制皂是传统的制皂方法,通过油脂和碱的皂化反应制得皂基,更利于提升原料的安全性和功效性.

茶麸也称茶渣、茶粕,是将茶籽压榨提取出油脂后剩余的残渣.我国每年经压榨后残余的茶麸有50多万t[4],废弃茶麸造成了很大的资源浪费.茶麸中含有较多的茶皂素、糖类和粗蛋白,由于茶皂素具有表面活性剂的特性,对皮肤和纤维类织物表现出良好的清洁作用[5-6],因此有研究者发现茶麸可用于合成洗护用品、化妆品等.本文以油脂、茶麸、碱液作为冷制皂的基本原料,对制成的皂样进行性能测定,并分析皂化温度、油脂种类、陈化时间、搅拌速度对皂样性能的影响.

1 材料与方法

1.1 主要仪器与材料

仪器:HH-2型数显恒温水浴锅(常州国华电器有限公司),202-00A型电热恒温干燥箱(上海喆钛机械制造有限公司),DZKW-12-1型电热恒温水浴锅(北京市光明医疗仪器有限公司),电子天平(余姚纪铭称重校验设备有限公司),PHS-3C型酸度计,HH-1电动机械搅拌器.

材料:市售油脂(椰子油、杏仁油、山茶油、棕榈油、橄榄油、乳木果油、霍霍巴油),茶麸(来自茶籽油的残渣,经粉碎而成),氢氧化钠、氢氧化钾、无水乙醇(分析纯,天津市大茂化学试剂厂).

1.2 皂基的制备

将适量油脂加入三口烧瓶内,另配置一定浓度的NaOH溶液,将混合液经分液漏斗滴加入三口烧瓶,与油脂混合搅拌,加入茶渣粉末,控制反应温度和搅拌速度进行皂化反应.当反应进行到一定程度,将产物取出2 g,用水稀释至20 m L,置于试管中,水浴60℃,当试管中不再析出油脂时可停止搅拌.反应结束后,将产物倒入模具中,室温放置陈化,固化成型.

1.3 皂样的性能测定

1.3.1 p H的测定

称取皂样2 g,加入蒸馏水配置成质量分数为10%的皂溶液,用酸度计测其p H值.

1.3.2 泡沫度的测定

取皂样0.2 g溶于水中,加入蒸馏水,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,振荡1 min后,测量泡沫体积.泡沫体积占被测皂样溶液体积的百分比即为皂样的泡沫度[7].

1.3.3 总游离碱含量的测定

精确称取一定量的皂样,将其溶解于100 m L乙醇中,水浴加热至皂样完全溶解,加入过量的硫酸标准溶液中和游离碱,然后用氢氧化钾-乙醇溶液回滴过量的酸[8].

肥皂中总游离碱的含量用氢氧化钠的质量百分数(NaOH,%)表示,按式(1)计算:

式中:k——总游离碱含量,%;V0——硫酸标准滴定溶液的体积,m L;c0——硫酸标准滴定溶液的摩尔浓度,mol/L;V1——耗用氢氧化钾-乙醇标准滴定溶液的体积,m L;c1——氢氧化钾-乙醇标准滴定溶液的摩尔浓度,mol/L;0.04——氢氧化钠的毫摩尔质量,g/mmol;m——皂样的质量,g.

2 结果与讨论

2.1 皂化温度对皂基性能的影响

皂化温度对皂基的p H值影响不大,但对总游离碱量和泡沫度有较大影响.总游离碱量和泡沫度随温度变化的实验结果如图1所示.由图1可见,随着皂化温度的提高,总游离碱量出现先下降后上升的趋势.当皂化温度在30～50℃时,总游离碱量低于0.3%,符合国标规定的指标要求;当皂化温度低于30℃时,反应不够充分,有较多的未反应完全的游离碱;当皂化温度过高时,皂化反应较难控制,容易出现局部结块现象,导致碱和油脂的皂化反应不能充分进行,有较多残留的游离碱.

当皂化温度低于40℃时,泡沫度随着皂化温度的升高逐渐上升,且变化较大;当皂化温度高于40℃时,泡沫度较高,且变化趋于平缓.皂化反应是放热反应,总体上在较低的温度范围内就可以进行,但反应温度过低会导致反应活性下降,皂化反应不充分.

根据皂化温度对总游离碱量和泡沫度的影响,40～50℃是较为理想的皂化反应温度.

2.2 油脂种类对泡沫度的影响

皂化反应的主要反应物是油脂和碱.油脂的主要成分多为硬脂酸甘油酯,在碱介质作用下经热诱导发生皂化反应生成甘油和硬脂酸钠.采用不同种类的油脂制成的皂,只要采用恰当的油脂和碱的比例,对皂样的p H值和总游离碱量就不会有较大影响,但采用不同油脂制成的皂,其泡沫度有较大差异.在相同碱量的条件下,采用不同的油脂进行皂化反应,对制得的手工皂进行泡沫度的测定,实验结果如图2所示.由图2可见,由山茶油制出的皂有较好的泡沫度,这可能与原料中含有茶麸有关系,除了山茶油,利用杏仁油、橄榄油和棕榈油制出的皂样也有较好的泡沫度,而由椰子油和乳木果油制出的皂泡沫度较低.

2.3 陈化时间对皂样p H值的影响

陈化也称老化、熟化.冷制皂制皂完成后不能立即使用,而是需要陈化一段时间使皂的性能趋于稳定.在陈化过程中,皂样的p H值发生了较大程度的变化,其变化趋势如图3所示.为了使油脂能充分被皂化,往往会采用过量的碱,因此在皂化反应刚刚结束时初始的p H值较高,随着陈化时间的延长,皂样的p H值不断下降.由图3可见,在10 d内p H值降低较显著,其后逐步缓慢下降,在70 d之后p H值变化较小,稳定在8.3左右.

2.4 搅拌速度对皂化时间的影响

当皂化温度为40℃时,采用山茶油恒温水浴皂化,常温冷却40 min.分别在不同的搅拌速度下进行皂化反应,结果发现不同搅拌速度对皂样的总游离碱量、泡沫度等影响不大,对皂化反应时间影响较大.搅拌速度对皂化反应时间的影响如图4所示.由图4可见,随着搅拌速度的加快,皂化反应完成所需的时间缩短,搅拌速度在200～300 r/min时皂化反应进行得较快,可在30 min内完成.

3 结论

通过对冷制茶麸皂的皂化反应过程工艺条件的研究,得出如下结论:(1)皂化温度为40～50℃时,总游离碱量较低而泡沫度较高;采用山茶油制皂的泡沫度较高;陈化时间超过70 d,p H值变化较小,稳定在8.3左右;搅拌速度在200～300 r/min时,皂化反应进行得较快.(2)皂化温度对皂的总游离碱量和泡沫度有较大影响,不同油脂类型对皂的泡沫度有较大影响,陈化时间主要影响皂基的p H值,搅拌速度主要影响皂化反应时间.