МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З КУРСУ

«Хімія та технологія поверхнево-активних речовин в харчовій та косметичній промисловості»

для студентів IV курсу спеціальності

«Хімічні технології харчових добавок та косметичних засобів»

Затверджено на засіданні

кафедри АХ та ХТ ХД і КЗ

Протокол № 5 від 10.02 2014

Дніпропетровськ ДВНЗ УДХТУ 2014

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Хімія та технологія поверхнево-активних речовин в харчовій та косметичній промисловості» для студентів IV курсу спеціальності «Хімічні технології харчових добавок та косметичних засобів» / Укл.: Ткач В.І., Мироняк М.О. – Д.: ДВНЗ УДХТУ, 2014. – 16 с.

Укладачі: В.І. Ткач, д-р хім. наук

М.О. Мироняк, канд. хім. наук

Відповідальний за випуск В.І. Ткач, д-р хім. наук

Навчальне видання

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Хімія та технологія поверхнево-активних речовин в харчовій та косметичній промисловості» для студентів IV курсу спеціальності «Хімічні технології харчових добавок та косметичних засобів»

Укладачі: Ткач Володимир Іванович

Мироняк Марія Олександрівна

Редактор Л.М. Тонкошкур

Коректор В.П. Синицька

Підписано до друку 12.03.14. Формат 60×84 1/16. Папір ксерокс. Друк різограф.

Умов. друк. арк. 0,73. Обл.-вид. арк. 0,79. Тираж 100 прим. Зам. № 149. Свідоцтво ДК № 303 від 27.12.2000.

ДВНЗ УДХТУ, 49005, м. Дніпропетровськ, 5, просп. Гагаріна, 8

Видавничо-поліграфічний комплекс ІнКомЦентру

ЗМІСТ

ВСТУП………………………………………………………………….………..…..4

Лабораторна робота № 1

Визначення класу ПАР………………………………………………….…….…….5

Лабораторна робота № 2

Дослідження колоїдно-хімічних властивостей емульсій…………………………6

Лабораторна робота № 3

Визначення температури помутніння розчину неіоногенної ПАР у воді….……8

Лабораторна робота 4

Оцінка піноутворюючої здатності ПАР…………………………………………..11

Лабораторна робота 5

Титриметричне визначення аніонних ПАР…………………………………….…12

Лабораторна робота 6

Фотометричне визначення аніонних ПАР………………………………………..13

Лабораторна робота 7

Титриметричне визначення катіонних ПАР…………………..………………….14

Лабораторна робота 8

Фотометричне визначення неіонних ПАР………………………………………..15

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ……………………..………………………….…………16

ВСТУП

Поверхнево-активні речовини (ПАР, тензиди, сурфактанти) – хімічні сполуки, які, концентруються на поверхні розділу фаз і викликають зниження поверхневого натягу.

Всі поверхнево-активні речовини містять у своїй молекулі групи атомів, що різняться за своїми властивостями. Вуглеводневі групи мають спорідненість до неполярних рідин «масел» та є антагоністичними відносно до води (гідрофобні групи). Молекули ПАР містять групи, які забезпечують їх взаємодію з молекулами води і розчинність у ній (гідрофільні групи). До них відносять гідроксильні, карбоксильні, сульфатні, сульфонатні, фосфатні, фосфонатні, оксіетиленові та інші групи, що містять атоми Нітрогену, Сульфуру, Фосфору, Оксигену. Гідрофобна частина молекул може складатися з лінійного або розгалуженого аліфатичного вуглеводневого ланцюга, або ароматичного чи нафталінового циклів, в яких один або два атоми водню заміщені короткими вуглеводневими ланцюжками. У гідрофобної частини молекул ПАР атоми Гідрогену частково або повністю можуть бути заміщені Фтором або Хлором, що підвищує гідрофобність молекул і надає їм особливих властивостей, внаслідок чого такі речовини здатні знижувати поверхневий натяг не тільки води, але й багатьох вуглеводневих рідин.

Завдяки миючим, змочувальним, емульгуючим, диспергуючим та іншим цінним властивостям ПАР знаходять широке застосування у виробництві різної продукції, в тому числі косметичних і фармацевтичних препаратів, продуктів харчування.

Основні властивості ПАР:

– змочувальна здатність – дозволяє рідини повністю покривати поверхню іншої рідини або твердої субстанції (зменшує поверхневий натяг рідини);

– емульсійна здатність – прискорює утворення емульсій, стабілізуючи суміш масла і води;

– миюча здатність – проникає в забруднення і переводить їх у зважений стан, що спрощує подальше видалення;

– розпилююча здатність – сприяє утворенню дисперсії або підтримує рідину в стані дисперсії, перешкоджаючи осадженню або агрегації;

– антисептична властивість – консервант, що захищає від бактеріального та грибкового уражень;

– піноутворююча здатність – надає косметичним продуктам здатність до утворення піни.

ПАР – органічні сполуки амфіфільної будови, молекули яких мають у своєму складі полярну частину – гідрофільний компонент (функціональні групи –ОН, –СООН, –SOOOH, –O– або їх солі –ОNa, –СООNa, –SOOONa та ін.) і неполярну (вуглеводневу) частину – гідрофобний компонент (вуглеводневі радикали, полідиметилсилоксанові або фторвуглеводневі групи).

Поверхнево-активні речовини добре видаляють жир з різних поверхонь. Вони вводяться з складу шампунів, лосьйонів, зубних паст, гелів і пінок для вмивання. ПАР є основою всіх миючих косметичних засобів: шампунів, рідкого мила, гелів для душу, піни для ванн. У косметичних засобах в якості основних ПАР використовуються аніонні речовини, які забезпечують достатній миючий ефект і піноутворення при щадній дії на шкіру і волосся.

Жиророзчинна частина молекули аніонного ПАР зв'язує і обволікає частинки бруду і секрет сальних залоз, які потім вимиваються водою. Одночасно водорозчинна частина молекули орієнтує ці частки в протилежний бік від шкіри, що має негативний заряд.

До допоміжних ПАР відносять амфотерні, неіонні і катіонні речовини. Вони необхідні для підвищення сумісності основних ПАР з шкірою і волоссям, підвищення піноутворюючих властивостей, регулювання в'язкості, зниження знежирюючої дії. Катіонні, неіонні ПАР використовуються як кондиціонуючі агенти, що знімають заряди статичної електрики і полегшують розчісування сухого і вологого волосся. Катіоноактивні ПАР притягуються до шкіри, тому мають більш слабкий миючий ефект, але володіють властивістю фіксації на волоссі (це важливо в основному для шампунів).

За допомогою ПАР можна також регулювати властивості гетерогенних систем, якими є харчова сировина, напівпродукти та готові продукти. В даний час в багатьох країнах виробляють тисячі тонн харчових ПАР.

Основні харчові ПАР - це похідні одноатомних і багатоатомних спиртів, моно- і дисахаридів, структурними компонентами яких є залишки кислот різної будови.

Зазвичай ПАР, які застосовуються в харчовій промисловості, не є індивідуальними речовинами, це багатокомпонентні суміші. Назва препарату відповідає лише основному продукту. ПАР знайшли застосування практично у всіх галузях харчової промисловості.

Лабораторна робота № 1 Визначення класу пар

Мета роботи: визначення класу ПАВ за допомогою метиленового синього.

За типом гідрофільних груп ПАР поділяють на іоногенні та неіоногенні. Іоногенні в свою чергу поділяються на:

– катіоноактивні ПАР – сполуки, які у водному розчині дисоціюють з утворенням поверхнево-активного катіона з довгим гідрофобним ланцюгом і аніону.

– аніоноактивні ПАР – сполуки, які у водних розчинах дисоціюють з утворенням довголанцюгових аніонів, що обумовлюють поверхневу активність. Гідрофобна частина їхньої молекули зазвичай представлена насиченими чи ненасиченими алифатичними ланцюгами або алкіл ароматичними радикалами. У аніоноактивних ПАР катіон може бути не тільки металом, а й органічною основою (ди- або триетаноламін);

– амфотерні ПАР – сполуки, які у водних розчинах іонізуються та проявляють себе залежно від умов (головним чином від рН). В кислому розчині вони проявляють властивості катіонних ПАР, а в лужному розчині – аніонних ПАР. Амфотерні ПАР містять в молекулі гідрофільний радикал і гідрофобну частину, яка здатна бути акцептором або донором протону залежно від рН розчину.

Даний метод базується на перерозподілі барвника метиленового синього у водно-органічному шарі при додаванні ПАР, що досліджують. Метиленовий синій розчинний у воді, але не розчинний в органічних розчинниках (хлороформі, чотирьоххлористому вуглеці, гептані і ін.). Аніоноактивні сполуки утворюють з метиленовим синім розчинні в органічному розчиннику забарвлені комплекси, які легко руйнуються при додаванні катіоноактивних речовин, але не взаємодіють із неіоногенними речовинами.

Методика визначення. У пробірку наливають приблизно 2 мл розчину барвника і 1 мл хлороформу. Потім додають по краплям 0,1% розчин відомої ПАР і після кожної доданої порції розчину пробірку закривають пробкою і енергійно струшують. Пробірку залишають до повного розшарування розчину на два шари.

Синій колір розчину спочатку зосереджений у верхньому водному шарі, та при додавання аніонактивної речовини поступово переходить у шар органічного розчинника. При цьому розчин аніоноактивної речовини продовжують додавати доти, поки колір водного шару і шару органічного розчинника стануть однаковими.

Потім додають 5 крапель розчину ПАР, що випробовують, пробірку енергійно струшують і залишають в спокої до розподілу її вмісту на два шари. Якщо синій колір органічного шару стає інтенсивнішим, а водний шар залишається майже безбарвним, то речовина, що випробовують – аніоноактивна, якщо речовина, яку випробовують – катіоноактивна, то спостерігається зворотне явище. У випадку незмінності кольору двох шарів речовина, яку випробовують, є неіоногенною.

Контрольні запитання

1. Як класифікуються ПАР в залежності від типу гідрофільної групи?

2. Які методи використовуються для визначення типу ПАР?

3. Як за допомогою метиленового синього визначити аніонну ПАР?

4. Як за допомогою метиленового синього визначити неіоногенну ПАР?

Лабораторна робота № 2 Дослідження колоїдно-хімічних властивостей емульсій

Мета роботи: одержання емульсій і визначення їх типу.

Переважна більшість косметичних засобів являються гетерогенно-дисперсними системами і знаходяться у вигляді емульсій, золів, суспензій або пін. До них відносяться, наприклад, туалетне мило, шампуні, миючі засоби для душу, пінні препарати для ванн, косметичне молочко, креми і гелі різного призначення, зубні пасти, туші для вій, губні помади, тіні, компакт- і крем-пудри, скраби, маски і т.д.

Емульсії являють собою дисперсні системи, що містять дві взаємно не змішувані рідини. Розрізняють емульсії прямого (дисперсії “масло у воді”, м/в), зворотного (дисперсії “вода в маслі”, в/м) і множинного (дисперсії видів в/м/в або м/в/м) типів. Емульсію типу “масло у воді” можна перетворити в емульсію “вода в маслі” за рахунок додавання великої кількості речовини, що являється дисперсною фазою, а також при додаванні різних ПАР.

Для стабілізації косметичних емульсій використовують поверхнево-активні речовини (емульгатори), високомолекулярні речовини і високодисперсні порошки.

Як правило, маслорозчинні емульгатори стабілізують зворотні (в/м) емульсії, а водорозчинні – прямі (м/в) емульсії. Підбір емульгатора може бути проведений за значеннями гідрофільно-ліпофільного балансу (ГЛБ) емульгатора. ГЛБ ураховує відносний внесок гідрофільних (водорозчинних) і ліпофільних (маслорозчинних) груп у складі поверхнево-активної речовини. Емульгатори з низькими значеннями ГЛБ маслорозчинні, тоді як з високими величинами ГЛБ – водорозчинні сполуки. Якщо значення ГЛБ дорівнює 3–6, то ПАР стабілізує зворотні емульсії, тоді як при ГЛБ = 8–18 одержують емульсії прямого типу.

Як правило, суміш емульгаторів з високим та низьким значеннями ГЛБ є більш ефективною, ніж один емульгатор. Рекомендується використовувати суміші емульгаторів з різною хімічною природою, наприклад: НПАР-АПАР або НПАР-КПАР. Число ГЛБ дозволяє здійснити первинний відбір емульгатора. Основним недоліком концепції ГЛБ є те, що не враховується вплив структури ПАР, температури, концентрації електролітів, кислотності і т.п.

Приготування емульсії типу м/в. У ступці розтерти 100 мг (одну лопатку) олеата натрію з 2 мл води, а потім при енергійному перемішуванні частинами додати 2 мл парфумерного масла. Перемішування здійснювати в одну сторону швидкими енергійними рухами пестика до характерного потріскування. Потім при перемішуванні до готової первинної емульсії додати 20 мл води.

Приготування емульсії типу в/м (зворотні емульсії). Відбирають у пробірку 10 мл раніше приготовлену емульсію. Додають 2 мл 5% водного розчину хлориду кальцію і 5 мл масла. Енергійне струшування проводять не менш 5 хв.

Аналіз типу емульсій:

1. Метод розведення. Декілька крапель емульсії вносять у пробірку з водою. Якщо краплі рівномірно розподіляються у воді, то дисперсійним середовищем є вода, тобто емульсія має тип м/в. Якщо емульсія у воді не розподіляється, то дисперсійним середовищем являється масло, тобто емульсія має тип в/м.

2. Метод забарвлення однієї з фаз емульсії. Відбирають у дві пробірки по 5–8 крапель емульсії. В одну пробірку додають декілька крапель розчину барвника метиленового синього, а в іншу – судану і струшують. Емульсії із пробірок за чергою розглядають у мікроскоп, визначаючи що забарвлено – дисперсна фаза або дисперсійне середовище.

3. Метод розтікання краплі. Наносять краплю емульсії на скляну пластинку, покриту шаром парафіну. Крапля розтікається якщо емульсія типу в/м, і не розтікається, якщо емульсія типу м/в.

Оцінка якості отриманих емульсій на однорідність і термостійкість. Краплю емульсії розглядають під мікроскопом. Однорідні емульсії мають вигляд молока. Пробу емульсії нагрівають в пробірці приблизно до 50⁰С. Після охолодження емульсія не повинна розшаровуватися.

Контрольні запитання

1. Що таке емульсія?

2. В чому полягає призначення емульгатора?

3. Як визначити тип емульсії методом забарвлення?

4. В чому полягає суть визначення типу емульсії методом розведення?