牙膏中香原料和其他功效材料释放与保存的研究实验

邹 忌 邹长清 黎伟东 林晓洁

(广州纳英化工有限公司,广州 510000)

1 主要实验仪器和材料

实验仪器：气相色谱仪以及配套顶空进样器(安捷伦GC-7890A)、分析天平(双杰JJ224BC)、电子天平(双杰JJ2202BC)、热场发射扫描电镜(ZEISS Sigma 500)；以及其他制作牙膏需要设备如单级旋片真空泵(南北仪器TW-4A)、悬臂式恒速强力电动搅拌机(上海标本模型厂BOS-150)。

香精、材料A、去离子水以及牙膏配方所需要的其他原料(如下表1所示)。

2 实验

2.1 实验过程和方法

设计两个牙膏配方，其配比如表1。

表1 实验配方组分表(w,%)

表1中：1B 为含有材料A的牙膏，2B为不含材料A的牙膏。

两个配方使用相同的香精(不同的香原料按照一定比例混合)，并且加入量也一样。用同样的工艺制作，在真空状态下用可调速搅拌器使材料分散均匀，真空泵最高真空度达到-0.094Mpa。一个配方中使用材料A(占2.5%)，另一个配方中不使用材料A，不使用材料A的相应的比例用二氧化硅代替。对制作出的产品进行编号，使用了材料A的产品编号为1B，未使用的产品编号为2B。

称取制作的牙膏5克，将牙膏与去离子水按照7∶3的比例混合，轻轻地搅拌均匀；混合后样品立即放入顶空气相色谱仪的进样皿中，在60℃恒温下，保持40分钟。得到顶空气相色谱图，将谱图中我们主要关注的项目“保留时间(min)”和“峰面积(pa.s)”单独列出，得到下表2。

表2 牙膏加水稀释并搅拌，在气相色谱仪中相同 “保留时间”下，“峰面积”对比表

2.2 实验分析

分析原理：牙膏中香精是用多种香原料按照比例混合配制而成的，刷牙时我们总是希望牙膏中的香原料都能够比较快、很充分地释放出来，这样可以带来期望的口感和效果。在色谱仪中，不同的组分出峰时间(保留时间)不同。峰面积(pa·s)代表该香原料释放的量，释放得越快释放的量越大，在谱图上对应的峰面积(pa·s)也越大。因为样品牙膏1B和对照样品2B使用的是相同的香原料和相同的量，所以，我们可以比较在相同的出峰时间(保留时间)下，试验样品和对照品释放的组分的量。在刷牙时，释放得快的牙膏香气也出来得更加充分饱满，相反，释放慢的牙膏香气可能单薄、寡味。

2.3 结果

从表2中比较，当对牙膏样品搅拌加水后，在相同的出峰时间点, 样品1B的峰面积均大于样品2B，所以样品1B释放的香原料速度和量要明显大于样品2B。且材料A可促进牙膏在刷牙时释放膏体中添加的香原料成分。

3 机理研究及讨论

为探索材料A如何促进香原料成分释放，将材料A表面用扫描电镜扫描，记录下该材料扫描电镜图见图1。

图1 材料A扫描电镜图

图1中扫描电镜图片清楚的证实，该材料具有丰富的微孔和软的褶皱。

材料的表面形貌对材料的性质有重大的影响。同一个化学材料在相同尺寸时，表面形貌不同其性质也会有巨大的不同。材料多孔有利于提高比表面积，从而具有强力的吸附能力[1]。

材料A在常温状态下表面吸附空气，孔隙被空气所占据。物理吸附主要是基于范德华力、氢键和静电力，相当于流体中组分分子在吸附剂表面上的凝聚，可以是单分子层，也可以是多分子层。物理吸附一般速度较快且是可逆的[2]。

Freundlich方程式用于描述平衡数据的最早的经验关系式之一，其表达式为

q=Kp1/n

(1)

式中:q——吸附质在吸附剂相中的浓度；

p——吸附质在流体相中的分压；

K，n——与温度有关的特征常数[2]。

在牙膏制作的工艺过程中，通常会让容器内处于真空状态。此时容器内空气分压p(空气)降低至接近0，根据式(1)，在材料上的空气浓度q(空气)也会降低至接近0。相当于此材料孔隙中的空气被脱出，那么此时牙膏中添加的香原料和某些其他功效材料会因为分压大而被吸附进入孔隙中，最后达到吸附平衡。在这种情况下，香原料和某些功效材料因吸附作用而稳定。

物理吸附的吸附质分子可通过降低压力的方法解吸[2]。在刷牙时，空气和水的加入使流体体积变大，使功效成分在流体中的分压降低而大量解吸，分散在空气等流体中，达到了释放的作用。而在没有材料A的配方(2B)中，香原料和某些功效材料与配方中其他组分因表面活性作用、氢键、静电引力等分子作用力紧紧的被束缚，故难以在刷牙时脱出释放。

测试材料A样品的BET单点比表面积为1.27534m2/g，单点吸附总体积为0.00462cm3/g，显示该材料具有丰富的微孔，比常见的普通粉末材料的比表面积大得多。具有比较强的吸附一些活性材料的能力[1]。

为了证明功效原料因材料A的吸附能力而在牙膏中变得更加稳定，设计了将上面实验制作的同一牙膏样品在没有搅拌也不添加水稀释——也就是对牙膏不增加外部动力的情况下取5克样品在相同温度直接放入顶空进样皿进入气相色谱仪，用相同的分析方法分析香原料释放的图谱，将谱图中我们主要关注的项目“保留时间(min)”和“峰面积(pa·s)”单独列出，得到下表3。

从表3可以看出：如果不对牙膏进行加水搅拌直接测试其中的功效香原料的释放能力时，在相同的出峰时间点，样品1B的峰面积均小于样品2B。所以1B牙膏与2B牙膏相比释放出的香原料成分更慢和更少。证明含有材料A的牙膏中的香原料成分比不含的更加稳定，这个实验证明了功效原料因材料A的吸附能力而在牙膏中变得更加稳定。

表3 对样品牙膏不搅拌不添加水的条件下气相色谱值

表2和表3的结果证明：含有材料A且添加了功效原料的牙膏在刷牙时，因牙刷刷动以及唾液中水分作用下，比不添加材料A的更容易释放。但是在静止贮放状态时时却又比不含材料A的牙膏有更好的热稳定性。这个特点也正符合微孔隙吸附的特征。

4 总结

①通过以上实验证明功效原料及香原料会因牙膏体系中含有的物质差异而表现出释放速度差异及热稳定性差异。

②实验表明材料A的吸附能力使功效原料及香原料在牙膏中变得更加稳定，从而牙膏具有更好的储存热稳定性，延长牙膏产品保质期；

③由于功效成分、香原料与材料A的吸附作用，材料A可促进在刷牙时对其他的功能材料的释放，使香气更加充分饱满。