茶皂素的表面活性研究

杜志欣，嚴 玲，萬端極

（湖北工業大學資源與環境工程學院，湖北 武漢430068）

茶皂素是茶籽餅粕中提取的一種天然的非離子型表面活性劑，其在茶籽餅粕中的含量為10%～20%。茶皂素分子親水基團在茶皂素的糖體端，疏水基團是茶皂素的皂甙元，親水基團與疏水基團之間的連接是通過醚鍵。由于茶皂素的分子結構中同時具有親水基團和疏水基團，所以茶皂素能夠強烈地在水與非水體系的界面上吸附，能夠改變界面的理化特性，從而具有優良的表面活性。茶皂素的HLB值在16左右［1］，因此它具有良好的乳化、潤濕、去污、發泡和增溶等多種表面活性。同時，它具有抑制霉菌生長、去痰消炎、止咳鎮痛、殺菌殺蟲的生物活性。本文通過試驗，研究了茶皂素的表面張力及起泡性和泡沫穩定性，為研究茶皂素的表面活性性能提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

茶籽餅粕，湖北恩施；茶皂素樣品，實驗室自制；十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸鹽（AES），北京信諾久恒科貿有限公司；椰子油二乙醇酰胺（6501），北京信諾久恒科貿有限公司；十二烷基磺酸鈉（SDS），北京化學試劑廠；氯化鈣，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

AY220電子分析天平，上海江儀儀器有限公司；HH-601電熱恒溫水浴鍋，上海偉業儀器廠；DT-102型全自動界面張力儀，淄博華坤電子儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 表面張力的測定與CMC 本文采用拉起液膜法測定表面張力［2］，得到臨界膠束濃度（CMC）。分別配制茶皂素濃度為5%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%、0.01%、0.005%、0.001%的溶液，用于表面張力的測定實驗。根據所測實驗數據，以茶皂素溶液濃度的對數為橫坐標，以所測表面張力為縱坐標繪制曲線。曲線上斜率的突變點即為CMC。

1.3.2 起泡性和泡沫穩定性測定 本實驗通過手搖法測定溶液的起泡性［3－6］。向帶塞且有刻度的量筒中加入一定量的所配溶液，蓋上塞子，以量筒中部為中心，上下180°顛倒30次（每次2s），垂直放在實驗臺上，靜置。記錄開始時的泡沫高度和30min后的泡沫高度。重復測定3次，取其平均值，分別作為該樣品的起泡性和穩泡性測定結果。

1）不同濃度茶皂素溶液的起泡性和穩泡性測定

分別配制質量分數為1%、0.5%、0.1%、0.05%、0.01%、0.005%、0.001%的茶皂素溶液，按照上述方法測定不同濃度茶皂素溶液的泡沫高度和30min后泡沫高度。

2）水質硬度對茶皂素起泡力的影響

由于鈣硬度和鎂硬度之間無根本區別，因此選用氯化鈣溶液作為硬水來配制茶皂素溶液。用硬度分別為0、2.5、5、10、15、20g/L的水配制成質量分數為1%的茶皂素溶液，按照上述方法測定不同水質硬度下茶皂素溶液的泡沫高度和30min后泡沫高度。

3）不同溫度對茶皂素溶液起泡力的影響

將1%茶皂素溶液分別放置在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃的水浴鍋里，按照上述方法測定不同溫度茶皂素溶液的泡沫高度和30min后泡沫高度。

4）相同濃度下不同表面活性劑的起泡力和泡沫穩泡性

分別配制質量分數為1%的6501、AES、SDS、茶皂素溶液，按照上述方法測定不同表面活性劑溶液的泡沫高度和30min后泡沫高度。

2 結果與分析

2.1 茶皂素表面張力與CMC

由于茶皂素分子內部有親水基團和疏水基團兩部分，親水基團有使分子進入水中的趨勢，而疏水基團有竭力逃逸水的傾向，平衡的結果使茶皂素在水－空氣界面富集，好像被一層非極性的碳氫鏈覆蓋，導致水的表面張力下降。當表面吸附達到飽和時，茶皂素在溶液內部開始形成膠團，開始形成膠團時的茶皂素濃度為CMC。圖1為茶皂素濃度的對數與表面張力的關系圖，可知隨著茶皂素濃度的增加，表面張力隨之下降，當茶皂素濃度增加到一定程度，曲線斜率發生了突變，得出該茶皂素的CMC在0.5%左右，此時，茶皂素的表面張力大約為42.1mN/m。

圖1 茶皂素濃度的對數與表面張力

2.2 茶皂素起泡性和泡沫穩定性試驗結果

2.2.1 不同茶皂素濃度的起泡性和泡沫穩定性起泡性是表面活性劑的一個重要性質。表1是在室溫下測定不同濃度茶皂素溶液的開始時發泡高度和30min后的發泡高度，可知茶皂素具有良好的起泡性，隨著茶皂素濃度的增加，起泡力增強，并且開始時的發泡高度和30min后的發泡高度沒有多大差別，說明茶皂素的泡沫穩定性強。

表1 茶皂素的起泡性和穩泡性

2.2.2 水質硬度對茶皂素溶液起泡性和穩泡性的影響結果 由圖2可知，隨著水質硬度的增加，茶皂素的泡沫高度降低不明顯，30min后泡沫也消失緩慢，可以得出水質硬度對茶皂素溶液的起泡性和泡沫穩定性影響很小，說明茶皂素在含礦質元素多的硬水中使用，其活性幾乎不受影響。

圖2 泡沫高度隨水質硬度的變化

2.2.3 溫度對起泡性和穩泡性的影響結果 由圖3可知，隨著溫度的升高，茶皂素溶液的起泡力增強，在40℃至60℃之間起泡力最好，溫度高于60℃之后起泡力開始下降。同時，30min后茶皂素溶液的穩泡性隨著溫度的升高開始下降，說明溫度過高，泡沫穩定性變差。這是因為當溫度過高時，表面活性劑溶液的粘度降低，泡沫易破裂，性能變差［7］。

2.2.4 不同活性表面活性劑的起泡性和穩泡性對比結果 由圖4可知，茶皂素的起泡性介于SDS與AES之間，起泡力較強，且茶皂素溶液在30min后的泡沫穩定性最強。因此，茶皂素是一種起泡性和泡沫穩定性均較強的表面活性劑。

圖4 不同表面活性劑的起泡性和穩泡性

3 結論

1）采用拉起液膜法測得表面張力隨著茶皂素濃度的增加而降低，當茶皂素濃度增加到一定程度時，曲線斜率發生了突變，之后表面張力幾乎不變，此時茶皂素的表面張力大約為42.1mN/m，并得出該茶皂素的CMC在0.5%左右。

2）水質硬度對茶皂素的起泡性和泡沫穩定性影響很小，說明茶皂素是一種良好的抗硬水型表面活性劑。

3）茶皂素隨著溫度升高起泡性增強，但溫度過高，泡沫穩定性變差。

4）與其他表面活性劑（6501、SDS、AES）相比，茶皂素溶液的起泡力較強，泡沫穩定性很高。

［1］ 夏春華，朱全芬，田潔華，等.茶皂素的表面活性及其相關的功能性質［J］.茶葉科學，1990，10（01）:1-10.

［2］ GB 5549－90.表面活性劑用拉起液膜法測定表面張力［S］.北京:中國標準出版社，1991.

［3］ 尹 忠，趙曉東.天然茶皂素的提取及泡沫性能［J］.應用化工，2002，31（04）:24-27.

［4］ 鄭新生，周 濤，陳志勇.茶皂素表面活性的研究［J］.信陽師范學院學報（自然科學版），1990，8（01）:72-74.

［5］ 陳志勇，周 濤.茶皂素水溶液的表面張力和泡沫特性研究［J］.化學世界，1998，39（10）:536-539.

［6］ 王 蘭.茶籽粕中茶皂素的提取及性質表征［D］.西安:陜西科技大學，2012.

［7］ 陳 瑩.油茶籽粕皂素的提取純化及表面活性研究［D］.杭州:浙江大學，2012.