茶皂素的表面活性研究

杜志欣，严 玲，万端极

（湖北工业大学资源与环境工程学院，湖北 武汉430068）

茶皂素是茶籽饼粕中提取的一种天然的非离子型表面活性剂，其在茶籽饼粕中的含量为10%～20%。茶皂素分子亲水基团在茶皂素的糖体端，疏水基团是茶皂素的皂甙元，亲水基团与疏水基团之间的连接是通过醚键。由于茶皂素的分子结构中同时具有亲水基团和疏水基团，所以茶皂素能够强烈地在水与非水体系的界面上吸附，能够改变界面的理化特性，从而具有优良的表面活性。茶皂素的HLB值在16左右［1］，因此它具有良好的乳化、润湿、去污、发泡和增溶等多种表面活性。同时，它具有抑制霉菌生长、去痰消炎、止咳镇痛、杀菌杀虫的生物活性。本文通过试验，研究了茶皂素的表面张力及起泡性和泡沫稳定性，为研究茶皂素的表面活性性能提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

茶籽饼粕，湖北恩施；茶皂素样品，实验室自制；十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸盐（AES），北京信诺久恒科贸有限公司；椰子油二乙醇酰胺（6501），北京信诺久恒科贸有限公司；十二烷基磺酸钠（SDS），北京化学试剂厂；氯化钙，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

AY220电子分析天平，上海江仪仪器有限公司；HH-601电热恒温水浴锅，上海伟业仪器厂；DT-102型全自动界面张力仪，淄博华坤电子仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 表面张力的测定与CMC 本文采用拉起液膜法测定表面张力［2］，得到临界胶束浓度（CMC）。分别配制茶皂素浓度为5%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%、0.01%、0.005%、0.001%的溶液，用于表面张力的测定实验。根据所测实验数据，以茶皂素溶液浓度的对数为横坐标，以所测表面张力为纵坐标绘制曲线。曲线上斜率的突变点即为CMC。

1.3.2 起泡性和泡沫稳定性测定 本实验通过手摇法测定溶液的起泡性［3－6］。向带塞且有刻度的量筒中加入一定量的所配溶液，盖上塞子，以量筒中部为中心，上下180°颠倒30次（每次2s），垂直放在实验台上，静置。记录开始时的泡沫高度和30min后的泡沫高度。重复测定3次，取其平均值，分别作为该样品的起泡性和稳泡性测定结果。

1）不同浓度茶皂素溶液的起泡性和稳泡性测定

分别配制质量分数为1%、0.5%、0.1%、0.05%、0.01%、0.005%、0.001%的茶皂素溶液，按照上述方法测定不同浓度茶皂素溶液的泡沫高度和30min后泡沫高度。

2）水质硬度对茶皂素起泡力的影响

由于钙硬度和镁硬度之间无根本区别，因此选用氯化钙溶液作为硬水来配制茶皂素溶液。用硬度分别为0、2.5、5、10、15、20g/L的水配制成质量分数为1%的茶皂素溶液，按照上述方法测定不同水质硬度下茶皂素溶液的泡沫高度和30min后泡沫高度。

3）不同温度对茶皂素溶液起泡力的影响

将1%茶皂素溶液分别放置在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃的水浴锅里，按照上述方法测定不同温度茶皂素溶液的泡沫高度和30min后泡沫高度。

4）相同浓度下不同表面活性剂的起泡力和泡沫稳泡性

分别配制质量分数为1%的6501、AES、SDS、茶皂素溶液，按照上述方法测定不同表面活性剂溶液的泡沫高度和30min后泡沫高度。

2 结果与分析

2.1 茶皂素表面张力与CMC

由于茶皂素分子内部有亲水基团和疏水基团两部分，亲水基团有使分子进入水中的趋势，而疏水基团有竭力逃逸水的倾向，平衡的结果使茶皂素在水－空气界面富集，好像被一层非极性的碳氢链覆盖，导致水的表面张力下降。当表面吸附达到饱和时，茶皂素在溶液内部开始形成胶团，开始形成胶团时的茶皂素浓度为CMC。图1为茶皂素浓度的对数与表面张力的关系图，可知随着茶皂素浓度的增加，表面张力随之下降，当茶皂素浓度增加到一定程度，曲线斜率发生了突变，得出该茶皂素的CMC在0.5%左右，此时，茶皂素的表面张力大约为42.1mN/m。

图1 茶皂素浓度的对数与表面张力

2.2 茶皂素起泡性和泡沫稳定性试验结果

2.2.1 不同茶皂素浓度的起泡性和泡沫稳定性起泡性是表面活性剂的一个重要性质。表1是在室温下测定不同浓度茶皂素溶液的开始时发泡高度和30min后的发泡高度，可知茶皂素具有良好的起泡性，随着茶皂素浓度的增加，起泡力增强，并且开始时的发泡高度和30min后的发泡高度没有多大差别，说明茶皂素的泡沫稳定性强。

表1 茶皂素的起泡性和稳泡性

2.2.2 水质硬度对茶皂素溶液起泡性和稳泡性的影响结果 由图2可知，随着水质硬度的增加，茶皂素的泡沫高度降低不明显，30min后泡沫也消失缓慢，可以得出水质硬度对茶皂素溶液的起泡性和泡沫稳定性影响很小，说明茶皂素在含矿质元素多的硬水中使用，其活性几乎不受影响。

图2 泡沫高度随水质硬度的变化

2.2.3 温度对起泡性和稳泡性的影响结果 由图3可知，随着温度的升高，茶皂素溶液的起泡力增强，在40℃至60℃之间起泡力最好，温度高于60℃之后起泡力开始下降。同时，30min后茶皂素溶液的稳泡性随着温度的升高开始下降，说明温度过高，泡沫稳定性变差。这是因为当温度过高时，表面活性剂溶液的粘度降低，泡沫易破裂，性能变差［7］。

2.2.4 不同活性表面活性剂的起泡性和稳泡性对比结果 由图4可知，茶皂素的起泡性介于SDS与AES之间，起泡力较强，且茶皂素溶液在30min后的泡沫稳定性最强。因此，茶皂素是一种起泡性和泡沫稳定性均较强的表面活性剂。

图4 不同表面活性剂的起泡性和稳泡性

3 结论

1）采用拉起液膜法测得表面张力随着茶皂素浓度的增加而降低，当茶皂素浓度增加到一定程度时，曲线斜率发生了突变，之后表面张力几乎不变，此时茶皂素的表面张力大约为42.1mN/m，并得出该茶皂素的CMC在0.5%左右。

2）水质硬度对茶皂素的起泡性和泡沫稳定性影响很小，说明茶皂素是一种良好的抗硬水型表面活性剂。

3）茶皂素随着温度升高起泡性增强，但温度过高，泡沫稳定性变差。

4）与其他表面活性剂（6501、SDS、AES）相比，茶皂素溶液的起泡力较强，泡沫稳定性很高。

［1］ 夏春华，朱全芬，田洁华，等.茶皂素的表面活性及其相关的功能性质［J］.茶叶科学，1990，10（01）:1-10.

［2］ GB 5549－90.表面活性剂用拉起液膜法测定表面张力［S］.北京:中国标准出版社，1991.

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

［4］ 郑新生，周 涛，陈志勇.茶皂素表面活性的研究［J］.信阳师范学院学报（自然科学版），1990，8（01）:72-74.

［5］ 陈志勇，周 涛.茶皂素水溶液的表面张力和泡沫特性研究［J］.化学世界，1998，39（10）:536-539.

［6］ 王 兰.茶籽粕中茶皂素的提取及性质表征［D］.西安:陕西科技大学，2012.

［7］ 陈 莹.油茶籽粕皂素的提取纯化及表面活性研究［D］.杭州:浙江大学，2012.