茶皂素的表面活性研究

杜志欣，嚴 玲，萬端極

（湖北工業(yè)大學資源與環(huán)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(yōu)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(fā)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(zhèn)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(wěn)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(yè)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(wěn)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(wěn)泡性測定結果。

1）不同濃度茶皂素溶液的起泡性和穩(wěn)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(qū)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(wěn)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(fā)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(wěn)定性試驗結果

2.2.1 不同茶皂素濃度的起泡性和泡沫穩(wěn)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(fā)泡高度和30min后的發(fā)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(fā)泡高度和30min后的發(fā)泡高度沒有多大差別，說明茶皂素的泡沫穩(wěn)定性強。

表1 茶皂素的起泡性和穩(wěn)泡性

2.2.2 水質硬度對茶皂素溶液起泡性和穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(wěn)泡性隨著溫度的升高開始下降，說明溫度過高，泡沫穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定性最強。因此，茶皂素是一種起泡性和泡沫穩(wěn)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(wěn)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(fā)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(wěn)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(wěn)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(wěn)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.