牙膏中香原料和其他功效材料釋放與保存的研究實驗

鄒 忌 鄒長清 黎偉東 林曉潔

(廣州納英化工有限公司,廣州 510000)

1 主要實驗儀器和材料

實驗儀器：氣相色譜儀以及配套頂空進樣器(安捷倫GC-7890A)、分析天平(雙杰JJ224BC)、電子天平(雙杰JJ2202BC)、熱場發射掃描電鏡(ZEISS Sigma 500)；以及其他制作牙膏需要設備如單級旋片真空泵(南北儀器TW-4A)、懸臂式恒速強力電動攪拌機(上海標本模型廠BOS-150)。

香精、材料A、去離子水以及牙膏配方所需要的其他原料(如下表1所示)。

2 實驗

2.1 實驗過程和方法

設計兩個牙膏配方，其配比如表1。

表1 實驗配方組分表(w,%)

表1中：1B 為含有材料A的牙膏，2B為不含材料A的牙膏。

兩個配方使用相同的香精(不同的香原料按照一定比例混合)，并且加入量也一樣。用同樣的工藝制作，在真空狀態下用可調速攪拌器使材料分散均勻，真空泵最高真空度達到-0.094Mpa。一個配方中使用材料A(占2.5%)，另一個配方中不使用材料A，不使用材料A的相應的比例用二氧化硅代替。對制作出的產品進行編號，使用了材料A的產品編號為1B，未使用的產品編號為2B。

稱取制作的牙膏5克，將牙膏與去離子水按照7∶3的比例混合，輕輕地攪拌均勻；混合后樣品立即放入頂空氣相色譜儀的進樣皿中，在60℃恒溫下，保持40分鐘。得到頂空氣相色譜圖，將譜圖中我們主要關注的項目“保留時間(min)”和“峰面積(pa.s)”單獨列出，得到下表2。

表2 牙膏加水稀釋并攪拌，在氣相色譜儀中相同 “保留時間”下，“峰面積”對比表

2.2 實驗分析

分析原理：牙膏中香精是用多種香原料按照比例混合配制而成的，刷牙時我們總是希望牙膏中的香原料都能夠比較快、很充分地釋放出來，這樣可以帶來期望的口感和效果。在色譜儀中，不同的組分出峰時間(保留時間)不同。峰面積(pa·s)代表該香原料釋放的量，釋放得越快釋放的量越大，在譜圖上對應的峰面積(pa·s)也越大。因為樣品牙膏1B和對照樣品2B使用的是相同的香原料和相同的量，所以，我們可以比較在相同的出峰時間(保留時間)下，試驗樣品和對照品釋放的組分的量。在刷牙時，釋放得快的牙膏香氣也出來得更加充分飽滿，相反，釋放慢的牙膏香氣可能單薄、寡味。

2.3 結果

從表2中比較，當對牙膏樣品攪拌加水后，在相同的出峰時間點, 樣品1B的峰面積均大于樣品2B，所以樣品1B釋放的香原料速度和量要明顯大于樣品2B。且材料A可促進牙膏在刷牙時釋放膏體中添加的香原料成分。

3 機理研究及討論

為探索材料A如何促進香原料成分釋放，將材料A表面用掃描電鏡掃描，記錄下該材料掃描電鏡圖見圖1。

圖1 材料A掃描電鏡圖

圖1中掃描電鏡圖片清楚的證實，該材料具有豐富的微孔和軟的褶皺。

材料的表面形貌對材料的性質有重大的影響。同一個化學材料在相同尺寸時，表面形貌不同其性質也會有巨大的不同。材料多孔有利于提高比表面積，從而具有強力的吸附能力[1]。

材料A在常溫狀態下表面吸附空氣，孔隙被空氣所占據。物理吸附主要是基于范德華力、氫鍵和靜電力，相當于流體中組分分子在吸附劑表面上的凝聚，可以是單分子層，也可以是多分子層。物理吸附一般速度較快且是可逆的[2]。

Freundlich方程式用于描述平衡數據的最早的經驗關系式之一，其表達式為

q=Kp1/n

(1)

式中:q——吸附質在吸附劑相中的濃度；

p——吸附質在流體相中的分壓；

K，n——與溫度有關的特征常數[2]。

在牙膏制作的工藝過程中，通常會讓容器內處于真空狀態。此時容器內空氣分壓p(空氣)降低至接近0，根據式(1)，在材料上的空氣濃度q(空氣)也會降低至接近0。相當于此材料孔隙中的空氣被脫出，那么此時牙膏中添加的香原料和某些其他功效材料會因為分壓大而被吸附進入孔隙中，最后達到吸附平衡。在這種情況下，香原料和某些功效材料因吸附作用而穩定。

物理吸附的吸附質分子可通過降低壓力的方法解吸[2]。在刷牙時，空氣和水的加入使流體體積變大，使功效成分在流體中的分壓降低而大量解吸，分散在空氣等流體中，達到了釋放的作用。而在沒有材料A的配方(2B)中，香原料和某些功效材料與配方中其他組分因表面活性作用、氫鍵、靜電引力等分子作用力緊緊的被束縛，故難以在刷牙時脫出釋放。

測試材料A樣品的BET單點比表面積為1.27534m2/g，單點吸附總體積為0.00462cm3/g，顯示該材料具有豐富的微孔，比常見的普通粉末材料的比表面積大得多。具有比較強的吸附一些活性材料的能力[1]。

為了證明功效原料因材料A的吸附能力而在牙膏中變得更加穩定，設計了將上面實驗制作的同一牙膏樣品在沒有攪拌也不添加水稀釋——也就是對牙膏不增加外部動力的情況下取5克樣品在相同溫度直接放入頂空進樣皿進入氣相色譜儀，用相同的分析方法分析香原料釋放的圖譜，將譜圖中我們主要關注的項目“保留時間(min)”和“峰面積(pa·s)”單獨列出，得到下表3。

從表3可以看出：如果不對牙膏進行加水攪拌直接測試其中的功效香原料的釋放能力時，在相同的出峰時間點，樣品1B的峰面積均小于樣品2B。所以1B牙膏與2B牙膏相比釋放出的香原料成分更慢和更少。證明含有材料A的牙膏中的香原料成分比不含的更加穩定，這個實驗證明了功效原料因材料A的吸附能力而在牙膏中變得更加穩定。

表3 對樣品牙膏不攪拌不添加水的條件下氣相色譜值

表2和表3的結果證明：含有材料A且添加了功效原料的牙膏在刷牙時，因牙刷刷動以及唾液中水分作用下，比不添加材料A的更容易釋放。但是在靜止貯放狀態時時卻又比不含材料A的牙膏有更好的熱穩定性。這個特點也正符合微孔隙吸附的特征。

4 總結

①通過以上實驗證明功效原料及香原料會因牙膏體系中含有的物質差異而表現出釋放速度差異及熱穩定性差異。

②實驗表明材料A的吸附能力使功效原料及香原料在牙膏中變得更加穩定，從而牙膏具有更好的儲存熱穩定性，延長牙膏產品保質期；

③由于功效成分、香原料與材料A的吸附作用，材料A可促進在刷牙時對其他的功能材料的釋放，使香氣更加充分飽滿。