茶皂素的脫色研究及其在洗手液中的應(yīng)用

王心蕊，韓鑫宇，張康，馬曉彤，李姝靜

(北京工商大學(xué) 中國(guó)輕工業(yè)化妝品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

近半年來(lái)，新冠病毒席卷全球，人們?cè)桨l(fā)重視對(duì)手部的清潔。因此，天然安全且含有抑菌效果的洗手液受到更多消費(fèi)者的青睞[1]。

茶皂素，又名茶皂甙，是一種天然非離子型表面活性劑[2-3]。從工藝水中提取的為褐色茶皂素，限制了產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)與利用[4]。物理吸附脫色和雙氧水脫色均會(huì)對(duì)茶皂素造成一定程度的損失[5-6]。本研究利用離子液體輔助尿素法合成了花狀結(jié)構(gòu)的水滑石，將焙燒后得到的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬氧化物MMO作為吸附劑，吸附茶皂素中的黃酮類色素。脫色后的茶皂素洗手液具有抑菌性能好、去污能力較高等優(yōu)點(diǎn)，為茶皂素在洗手液中的開發(fā)與實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

Al(NO3)2·9H2O、白土、硅藻土、活性炭、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(≥99.7%)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、乙醇、去離子水均為分析純；營(yíng)養(yǎng)瓊脂、營(yíng)養(yǎng)肉湯均為生物試劑；茶皂素(TS)，自制；Ni(NO3)2·6H2O、尿素均為特級(jí)純。

BSA2354電子稱量天平；TG20WS型高速臺(tái)式離心機(jī)；IS5N-24型傅里葉變換紅外光譜計(jì)；聚醚砜濾膜，天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；TESCAN VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡；HS4 digital型便攜式表面張力儀；Hphtxj-Foamscan型泡沫掃描分析儀；RHLQⅡ型立式去污測(cè)定機(jī)；WSB-L白度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 MMO脫色劑的制備 采用離子液體輔助尿素法，取Ni/Al摩爾比為2∶1，溶于70 mL的去離子水中，配成混合鹽溶液。再取2 g尿素溶于70 mL去離子水中，配成堿溶液。將鹽溶液、堿溶液和 1 mL 的離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽在三口燒瓶中高速攪拌30 min。取出溶液，加入反應(yīng)釜中130 ℃晶化12 h。反復(fù)離心、洗滌沉淀物至pH為7，60 ℃烘干12 h，記為L(zhǎng)DH，放入馬弗爐中 800 ℃ 焙燒，得MMO。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)色階的制備 取11個(gè)比色管，編號(hào)0～10，在每個(gè)試管中加入1.0 g茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品，分別加入0，10，20，30，40，50，60，70，80，90，100 mL的去離子水，振蕩溶解，制得標(biāo)準(zhǔn)色階，見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)色階的制備

1.2.3 茶皂素脫色 稱取一定量的脫色劑放入燒杯中，加入70 mL的茶皂素溶液，將燒杯放在磁力攪拌器中攪拌，每間隔一定時(shí)間取樣，用0.45 μm的濾膜過(guò)濾，每個(gè)實(shí)驗(yàn)平行測(cè)定3次。以去離子水作空白，用分光光度計(jì)于265 nm測(cè)定各時(shí)刻的吸光度，計(jì)算脫色率。

式中α——脫色率，%；

A0——未脫色茶皂素的吸光度；

A——茶皂素脫色某時(shí)刻的吸光度。

1.3 茶皂素在洗手液中的應(yīng)用

按照化妝品配方設(shè)計(jì)原理，以表面張力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，改變茶皂素(TS)和十二烷基磺酸鈉(SDS)的比例，確定出最佳配比，并將其復(fù)配到洗手液中，測(cè)定復(fù)配后洗手液的發(fā)泡性質(zhì)、去污能力及抑菌效果，并與市售洗手液進(jìn)行對(duì)比。

1.4 分析方法

1.4.1 紅外光譜分析 將茶皂素與脫色茶皂素分別作紅外光譜分析。

1.4.2 泡沫性能測(cè)定 采用泡沫掃描儀自動(dòng)鼓氣方式產(chǎn)生泡沫，在鼓氣結(jié)束后測(cè)量泡沫的最大體積，泡沫衰減一半所用的時(shí)間為泡沫的半衰期，以此研究泡沫的起泡性和穩(wěn)泡性。

1.4.3 去污能力分析 將標(biāo)準(zhǔn)污布剪成12組6 cm×6 cm的正方形，每組3塊，分別測(cè)定布?jí)K正反兩面的五點(diǎn)處的初始白度值，取其平均值為W0，分別放入污力機(jī)中。分別配制2.0 g/L的復(fù)配溶液、茶皂素、威露士洗手液和藍(lán)月亮洗手液各1 000 mL，清洗20 min(溫度為30 ℃)。用鑷子取出污布，用自來(lái)水清洗30 s，放入干燥箱中烘干。同樣地測(cè)定每塊污布的五點(diǎn)，且正反面中心對(duì)稱，測(cè)量白度值，取平均值為該污布的洗后白度值(W1)。

計(jì)算白度值：R=W1-W0

1.4.4 抑菌效果分析 采用牛津杯法測(cè)試不同洗手液對(duì)大腸桿菌ATCC 8739和金黃色葡萄球菌ATCC 6538的抑菌效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同脫色劑的脫色率及損失率

不同脫色劑的脫色率見圖1。

圖1 不同脫色劑對(duì)脫色率的影響

由圖1可知，在最初的25 min內(nèi)，4種脫色劑的脫色率均迅速增大，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，活性炭、白土、硅藻土的脫色率基本不再增加，預(yù)示達(dá)到吸附平衡，最高脫色率分別為23.75%，32.15%，11.34%。而MMO在25～125 min內(nèi)脫色率仍有緩慢的提高。當(dāng)脫色時(shí)間為125 min時(shí)，MMO的脫除率最高，達(dá)到78.76%，此后脫色率基本不再上升，說(shuō)明了MMO對(duì)黃酮的吸附趨于飽和，即脫色達(dá)到平衡。上述幾種脫色劑脫色后的茶皂素色階比較見表2。

表2 4種脫色劑脫色后的色階與茶皂素含量

由表2可知，白土、硅藻土、活性炭的色階較高，MMO的色階最低，也直觀的證明了MMO脫色效果最好。

由于這4種脫色劑均屬于物理吸附劑，不具有選擇性，會(huì)不可避免的同時(shí)吸附工藝水中的茶皂素，造成茶皂素的損失，因此采用香草醛-濃硫酸比色法分析了茶皂素的含量[7]，結(jié)果列于表2。

由表2可知，MMO脫色后的茶皂素含量最高，達(dá)到80.09%，其次是硅藻土(70.86%)、白土(66.93%)、活性炭(59.02%)。脫色后，4種脫色劑均會(huì)對(duì)茶皂素造成一定程度的損失，這是由于脫色是一種物理吸附過(guò)程，吸附選擇性較差，與預(yù)想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2 脫色機(jī)理研究

由于不具有選擇性，4種物理脫色劑均會(huì)對(duì)茶皂素有一定的吸附，造成產(chǎn)物損失，但為何MMO的損失率最低？對(duì)各吸附劑進(jìn)行比表面積和孔結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果見圖2。

圖2 樣品的吸附脫附等溫線(a)和樣品的孔徑分布圖(b)

由圖2a可知，根據(jù)BDDT分類法[8]，在相對(duì)壓力為0.4～1.0處的滯后現(xiàn)象表明樣品的組織孔隙率較高。這三個(gè)吸附劑都符合Ⅳ型吸附等溫線，表明其都是介孔材料；在相對(duì)壓力為0.9～1.0處，MMO產(chǎn)生了H3型滯回環(huán)，說(shuō)明了它是由片狀粒子擠壓形成的狹縫孔；在相對(duì)壓力為0.5～1.0處，白土和活性炭產(chǎn)生了H4型滯回環(huán)，說(shuō)明了是由層狀粒子擠壓形成的狹縫孔。

由圖2b可知，MMO樣品的孔徑分布比較寬，主要以介孔(峰在5～6 nm)為主，還有少量的大孔(峰分布在126～148 nm)；而活性炭(1～7 nm)和白土(1～2 nm)主要以微孔(峰在1～2 nm)為主，其表面積很大，但由于孔徑較小，因此對(duì)略大色素類雜質(zhì)吸附較差。

用BJH法從等溫線的解吸分支得到4種脫色劑的孔徑分布曲線(圖2b)。由圖2b可知，活性炭的比表面積最高，其次是白土，說(shuō)明吸附劑能夠提供較多的吸附位點(diǎn)，但兩者的孔徑較小，因此會(huì)限制其對(duì)略大色素類雜質(zhì)的吸附效果。

表3中列出了4種脫色劑的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)一步證實(shí)了上述結(jié)論。

表3 樣品的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

由表3可知，硅藻土的三個(gè)參數(shù)均偏低，而MMO的比表面積、孔容和孔徑均較大。結(jié)合圖2b可知，MMO的孔徑分布比較寬，且又呈多孔結(jié)構(gòu)，說(shuō)明以MMO作為脫色劑能達(dá)到較好的脫色效果。

2.3 脫色茶皂素的紅外光譜

圖3 茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品與脫色樣品的傅里葉紅外光譜圖

2.4 茶皂素在洗手液中的應(yīng)用

2.4.1 茶皂素復(fù)配洗手液配方設(shè)計(jì) 茶皂素能降低溶液的表面張力，茶皂素(TS)的表面張力見圖4a。TS的表面張力隨濃度的增大而減小，當(dāng)濃度達(dá)到 0.5% 時(shí)，茶皂素的表面張力降至最低66.8 mN/m，而SDS溶液在濃度為0.2%時(shí)，降至最低為 47.38 mN/m。TS與SDS不同復(fù)配比例的表面張力見圖4b。當(dāng)復(fù)配比為0.3∶1時(shí)，表面張力最低，達(dá)到 31.99 mN/m，與單一溶液進(jìn)行對(duì)比，復(fù)配后的溶液表面張力小，故茶皂素(TS)和十二烷基硫酸鈉(SDS)的最優(yōu)配比為 0.3∶1，按照化妝品配方設(shè)計(jì)原理，將其復(fù)配到洗手液中(見表4)。

圖4 不同濃度對(duì)TS、SDS表面張力影響(a) 和不同復(fù)配比對(duì)其表面張力影響(b)

表4 茶皂素復(fù)配洗手液配方

2.4.2 洗手液的感官評(píng)價(jià) 按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)洗手液的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，其感官指標(biāo)見表5，符合GB/T 34855—2017的感官指標(biāo)。

表5 洗手液的感官評(píng)價(jià)

2.4.3 洗手液的抑菌效果 各洗手液的抑菌效果見圖5和圖6。

圖5 不同洗手液對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑制效果圖

圖6 不同洗手液的抑菌圈直徑比較

由圖5和圖6可知，TS與SDS復(fù)配制成的洗手液(a)其抑菌圈更大，說(shuō)明復(fù)配洗手液對(duì)大腸桿菌和金葡萄球菌的抑制效果相比較其它洗手液具有更好的抑菌效果。此外，復(fù)配洗手液對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制效果比大腸桿菌的抑制效果更好。TS與SDS復(fù)配洗手液對(duì)大腸桿菌的抑菌圈17.41 mm，對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌圈達(dá)到21.72 mm。研究表明，SDS本身就具有一定的抑菌性[10]，茶皂素與十二烷基硫酸鈉復(fù)配后，可能產(chǎn)生具有協(xié)同作用的抑菌效果。

2.4.4 洗手液的泡沫性質(zhì) 泡沫性能測(cè)試結(jié)果見圖7。

圖7 不同濃度對(duì)TS(a)、SDS(b)和不同復(fù)配比對(duì)TS+SDS(c)泡沫體積的影響

由圖7a可知，在生成泡沫階段，濃度為0.1%的TS起泡時(shí)間為203 s，鼓氣結(jié)束后，塌陷速率為k1；由圖7b可知，SDS的最佳起泡時(shí)間為206 s，鼓氣結(jié)束后，塌陷速率為k2；圖7c表明，TS與SDS復(fù)配后的最佳起泡時(shí)間達(dá)到195 s，泡沫塌陷速率為k3，且k1=k2=0.051 3>k3=0.048，即圖7c中的泡沫塌陷速度最低，說(shuō)明TS與SDS復(fù)配后的洗手液泡沫性能最好。

2.4.5 洗手液的去污能力 將TS與SDS復(fù)配洗手液的白度值與茶皂素洗手液、威露士洗手液和藍(lán)月亮洗手液進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖8。

由圖8可知，市售洗手液與TS+SDS均為復(fù)合型洗手液，由于不同表面活性劑復(fù)配會(huì)起到協(xié)同增強(qiáng)的作用，因此去污力較單一的茶皂素洗手液強(qiáng)。TS+SDS洗手液比茶皂素洗手液對(duì)炭黑污布的去污效果強(qiáng)，稍強(qiáng)于威露士洗手液，與藍(lán)月亮洗手液的去污效果相當(dāng)。

圖8 洗手液的白度比較

3 結(jié)論

(1)與其他脫色劑相比(白土、活性炭和硅藻土)，金屬氧化物MMO具有豐富的孔徑結(jié)構(gòu)，脫色率高，脫色效果好并且對(duì)茶皂素的損失率小。脫色后的茶皂素產(chǎn)品的純度達(dá)到了91.63%，含量為80.09%。

(2)茶皂素(TS)與十二烷基硫酸鈉(SDS)的最佳復(fù)配比例為0.3∶1，其表面張力最低，起泡性與穩(wěn)泡性綜合最佳。

(3)TS+SDS復(fù)配洗手液與市售洗手液相比，具有更好的抑菌效果及良好的去污能力。