Введение

Современные бытовые моющие средства широко используются для удаления жировых, органических и минеральных загрязнений. Их эффективность во многом определяется присутствием поверхностно-активных веществ (ПАВ), способных изменять поверхностное натяжение воды и облегчать отделение загрязнений от обрабатываемой поверхности [2].

Наряду с синтетическими поверхностно-активными веществами научный интерес представляют соединения природного происхождения, в частности сапонины. Сапонины — это группа природных органических соединений, молекулы которых содержат гидрофильные и гидрофобные фрагменты [3]. Благодаря такому строению они способны проявлять поверхностную активность и образовывать пену в водных растворах.

Одним из растений, содержащих сапониновые соединения, является солодка ( Glycyrrhiza glabra L.). Ее корни содержат глицирризин и другие биологически активные вещества [1].

Использование солодки представляет интерес для разработки растительных моющих композиций, поскольку позволяет исследовать возможность частичной или полной замены традиционных синтетических ПАВ природными компонентами.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью поиска альтернативных источников поверхностно-активных веществ и разработки бытовых моющих средств с использованием доступного растительного сырья.

Цель исследования — разработать экспериментальные моющие композиции на основе природных сапонинов корня солодки и оценить их основные моющие и физико-химические свойства.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи :

1. Изучить особенности строения и поверхностно-активные свойства природных сапонинов.
2. Исследовать возможность получения моющего экстракта из корня солодки.
3. Разработать экспериментальные рецептуры средств различного назначения.
4. Провести сравнительные испытания разработанных композиций.
5. Оценить возможность их практического применения и ориентировочную стоимость сырья.

Гипотеза исследования : природные сапонины корня солодки могут использоваться в качестве моющего компонента бытовых средств, а введение дополнительных минеральных компонентов позволяет изменять их функциональные свойства.

Научная новизна работы заключается в экспериментальном исследовании трех композиций различного назначения, объединенных использованием растительного сырья, содержащего сапонины.

Практическая значимость состоит в получении опытных образцов моющих средств и определении направлений их дальнейшего совершенствования.

Материалы и методы исследования

1. Получение растительного экстракта . Основным растительным сырьем для исследования служил корень солодки ( Glycyrrhiza glabra L.). Выбор данного растения обусловлен содержанием сапониновых соединений, обладающих поверхностно-активными свойствами [4; 5].

Для получения моющего компонента использовали подготовленное растительное сырье, из которого методом водной экстракции извлекали растворимые вещества. Процесс получения экстракта включал подготовку корней, их измельчение, обработку водой и отделение жидкой фракции от нерастворимых растительных остатков. Полученный экстракт использовали в качестве основы для разработки экспериментальных моющих композиций.

Для получения природного сапонинсодержащего концентрата использовали корни солодки ( Glycyrrhiza glabra L.). Предварительно очищенные и высушенные корни измельчали до частиц размером 2–5 мм. Затем 200 г подготовленного растительного сырья смешивали со 100 мл воды и нагревали при температуре 90–95 °C в течение 30 мин. После нагревания полученную смесь оставляли для охлаждения и дополнительного настаивания на 60 мин. Полученный экстракт фильтровали через фильтровальную бумагу для удаления твердых частиц. Далее фильтрат подвергали упариванию до уменьшения первоначального объема в четыре раза с получением концентрированного экстракта сиропообразной консистенции (рис. 1).

Рис. 1. Основные этапы получения экстракта из корня солодки:

А — измельчение исходного сырья; Б — экстракция растворимых веществ; В — фильтрация экстракта; Г — готовый экстракт солодки

На заключительном этапе в полученный концентрат предусматривалось введение 0,1–0,2 % лимонной и аскорбиновой кислот для повышения стабильности продукта. Полученный сапонинсодержащий концентрат использовали в качестве основного растительного компонента при разработке экспериментальных моющих средств BIOGEL, BIOmineral и BIOmineral-2.0.

2. Разработка экспериментальных моющих средств. На основе полученного растительного экстракта были разработаны три средства, отличающиеся составом и предполагаемой областью применения (табл. 1).

Таблица 1

Состав экспериментальных моющих средств

Примечание. * — растительный пигментно-ароматический экстракт календулы и лимонной цедры. ** — растительный пигментно-ароматический экстракт мяты. Технология получения растительных экстрактов и исследование их свойств представлены авторами в отдельной научной работе.

BIOGEL — гелеобразное средство для мытья посуды. При разработке данного состава основное внимание уделялось получению однородной консистенции, пенообразующей способности и возможности удаления жировых загрязнений. В состав композиции вводили растительный экстракт, воду и дополнительные компоненты, предназначенные для регулирования консистенции и свойств готового продукта.

BIOmineral — чистящее средство с минеральными компонентами. Данный состав разрабатывался для очистки бытовых поверхностей. Помимо растительного моющего компонента в нем использовали минеральные вещества, способствующие механическому удалению загрязнений.

BIOmineral-2.0 — усиленная чистящая композиция. При разработке данного состава ставилась задача повысить эффективность удаления устойчивых загрязнений за счет изменения состава минеральной части и сочетания различных компонентов.

Таким образом, были получены три экспериментальных продукта, предназначенные для решения разных бытовых задач.

3. Методика исследования пенообразующей способности. Одним из основных показателей, характеризующих поверхностно-активные свойства моющих композиций, является способность образовывать пену. Для сравнительного исследования использовали разработанный состав BIOGEL и три промышленных средства для мытья посуды, условно обозначенные буквами «А», «Б» и «В».

Испытания проводились по следующей методике. В емкость помещали 10 мл воды, после чего добавляли 0,1 мл исследуемого моющего средства. Емкость закрывали и встряхивали в течение 30 с. После встряхивания измеряли высоту образовавшейся пены с помощью линейки. Дополнительно регистрировали продолжительность сохранения пены. Аналогичные действия выполняли для каждого сравниваемого средства. Для повышения достоверности экспериментальных данных каждое моющее средство испытывали пять раз в одинаковых условиях (рис. 2).

По результатам пяти повторных испытаний для каждого исследуемого средства рассчитывали средние арифметические значения высоты образовавшейся пены (мм) и продолжительности ее сохранения (мин) по следующей формуле:

,

где x ₁ , …, x ₅ — результаты отдельных испытаний [7].

Следует отметить, что данный способ представляет собой сравнительную экспериментальную методику. Полученные значения характеризуют поведение исследованных образцов при заданных условиях и не являются результатами стандартизованных промышленных испытаний.

Рис. 2. Процесс исследования пенообразующей способности BIOGEL

4. Исследование моющих свойств. Для оценки практической эффективности разработанных композиций проводили испытания по удалению бытовых загрязнений. При исследовании BIOGEL основное внимание уделялось способности удалять жировые загрязнения с посуды.

Для BIOmineral и BIOmineral-2.0 оценивали возможность очистки бытовых поверхностей, включая загрязнения, требующие дополнительного механического воздействия. Результаты фиксировали путем наблюдения за состоянием поверхности до и после обработки.

Результаты исследования и их обсуждение

1. Пенообразующая способность средств. Результаты сравнительного исследования показали, что все испытанные средства обладали способностью образовывать пену. Однако высота пены и продолжительность ее сохранения различались.

Сравнительное исследование пенообразующей способности показало, что разработанное средство BIOGEL образует пену высотой 55 мм, что ниже показателей исследованных коммерческих аналогов (110–140 мм). Однако продолжительность сохранения пены BIOGEL составила 47 мин, превысив соответствующие показатели отечественного средства «А» в 2,24 раза, импортного средства «Б» в 1,47 раза и импортного средства «В» в 3,13 раза (рис. 3).

Рис. 3. Сравнение высоты и устойчивости пены BIOGEL и трех промышленных средств

Полученные результаты свидетельствуют о том, что BIOGEL характеризуется сравнительно невысокой интенсивностью пенообразования, но повышенной устойчивостью образующейся пены в условиях проведенного эксперимента.

Для сравнительной оценки пенообразующих свойств разработанных средств BIOmineral и BIOmineral-2.0 проведены экспериментальные исследования с использованием трех коммерческих моющих средств.

Установлено, что высота пены коммерческих моющих средств составляла 45–70 мм, а продолжительность ее сохранения — 30–39 мин. Разработанное средство BIOmineral образовало пену высотой 35 мм, которая сохранялась в течение 45 мин (это наибольшая продолжительность сохранения пены среди всех исследованных образцов). Средство BIOmineral-2.0 характеризовалось меньшей высотой пены — 18 мм, а продолжительность ее сохранения составила 33 мин (рис. 4).

Рис. 4. Сравнение высоты и устойчивости пены BIOmineral, BIOmineral-2.0 и трех промышленных средств

Полученные результаты свидетельствуют о различиях пенообразующих свойств исследуемых составов. При этом сравнительно небольшая высота пены разработанных средств не является доказательством низкой моющей эффективности, поскольку способность удалять загрязнения зависит от совокупности физико-химических характеристик состава.

2. Исследование кислотности. Кислотность моющего средства является одним из важных физико-химических показателей, который необходимо учитывать при разработке бытовых композиций [7].

В ходе сравнительного исследования определены значения pH разработанного моющего средства BIOGEL и трех коммерческих аналогов (табл. 2).

Таблица 2

Значения pH исследуемых средств для мытья посуды

Установлено, что значения pH исследуемых средств находятся в диапазоне от 3,8 до 6,1. Наиболее близким к нейтральной среде оказалось импортное средство «Б» с показателем pH = 6,1. Отечественное средство «А» и импортное средство «В» характеризовались более выраженной кислотностью: их значения pH составили 3,9 и 4,0 соответственно. Разработанное средство BIOGEL продемонстрировало значение pH = 3,8, что свидетельствует о кислой реакции среды. Данный показатель близок к значениям двух исследованных коммерческих аналогов, однако отличается от показателя средства «Б».

Полученные результаты подтверждают, что разработанный состав BIOGEL обладает кислой реакцией среды. Для оценки его пригодности к регулярному использованию необходимо дополнительно исследовать влияние состава на кожу и соответствие установленным требованиям безопасности.

В ходе экспериментального исследования проведено сравнительное определение показателей pH разработанных моющих средств BIOmineral и BIOmineral-2.0 и трех коммерческих аналогов (табл. 3).

Таблица 3

Значения pH исследуемых моющих средств для очистки твердых поверхностей

Установлено, что исследуемые средства характеризуются существенными различиями кислотно-основных свойств. Значения pH коммерческих аналогов находились в диапазоне от 0,4 до 11,9.

Отечественное средство «А» (pH = 1,2) и импортное средство «Б» (pH = 0,4) характеризовались резко выраженной кислой реакцией среды. В отличие от них импортное средство «В» имело щелочную реакцию с показателем pH = 11,9.

Разработанное средство BIOmineral продемонстрировало значение pH = 3,1, что соответствует кислой среде. При этом средство BIOmineral-2.0 характеризовалось значительно менее выраженной кислотностью — pH = 5,7. Таким образом, разработанные составы имеют различные кислотно-основные характеристики: BIOmineral относится к средствам с кислой реакцией среды, тогда как BIOmineral-2.0 имеет слабокислую реакцию и по значению pH находится ближе к нейтральной среде.

Полученные результаты позволяют охарактеризовать кислотно-основные свойства разработанных моющих средств и использовать эти данные при дальнейшем совершенствовании их рецептур.

3. Результаты исследования чистящих свойств BIOmineral и BIOmineral-2.0. Экспериментальные исследования минеральных композиций проводились с целью оценки их способности удалять загрязнения с бытовых поверхностей.

В ходе наблюдений было установлено, что разработанные средства проявляли различные чистящие свойства. Средство BIOmineral показало возможность использования для повседневной очистки поверхностей и удаления жировых загрязнений. Средство BIOmineral-2.0 продемонстрировало более выраженное очищающее действие при обработке устойчивых загрязнений (рис. 5). Предположительно, это связано с особенностями минерального состава и механическим воздействием твердых частиц на загрязненную поверхность.

Рис. 5. Сравнение состояния загрязненной поверхности до ( А ) и после ( Б ) применения BIOmineral-2.0

Результаты наблюдений позволяют рассматривать BIOmineral и BIOmineral-2.0 как экспериментальные чистящие композиции различной интенсивности действия.

4. Предварительная экономическая оценка. Важным направлением исследования являлась оценка ориентировочной стоимости сырьевых компонентов разработанных средств. Расчеты выполнялись на основе использованных рецептур и справочных цен на сырье.

По предварительным расчетам, стоимость сырьевых компонентов для получения 1000 мл BIOGEL составляла приблизительно 24,6 рубля.

Для BIOmineral и BIOmineral-2.0 расчетные показатели находились приблизительно на уровне 34–34,5 рубля на 1000 мл готового продукта.

Следует подчеркнуть, что приведенные значения отражают предварительную стоимость сырья, а не полную себестоимость промышленного производства. Тем не менее результаты расчетов позволяют предварительно оценить экономические перспективы дальнейшей разработки.

Обсуждение результатов

Проведенное исследование показало возможность получения бытовых моющих композиций с использованием растительного экстракта, содержащего природные сапонины.

Наиболее важным результатом стало создание трех экспериментальных средств различного назначения. При исследовании BIOGEL установлено, что разработанная композиция способна образовывать устойчивую пену. Несмотря на меньшую первоначальную высоту пены по сравнению с промышленными аналогами, продолжительность ее сохранения оказалась наибольшей среди исследованных образцов. Данный результат подтверждает перспективность дальнейшего изучения пенообразующих свойств растительного экстракта.

Испытания минеральных композиций показали возможность изменения чистящих характеристик за счет введения дополнительных компонентов.

Отдельного внимания заслуживает оценка экологических характеристик. Хотя в состав разработанных средств входят компоненты природного происхождения, для подтверждения их экологической безопасности необходимы специальные исследования биоразлагаемости и воздействия на окружающую среду.

Таким образом, результаты настоящей работы следует рассматривать как этап экспериментальной разработки и предварительной оценки функциональных свойств моющих композиций.

Заключение

В ходе исследования была изучена возможность использования природных сапонинов корня солодки для получения бытовых моющих средств. На основе растительного экстракта разработаны три экспериментальные композиции: BIOGEL, BIOmineral и BIOmineral-2.0.

По результатам проведенной работы сформулированы следующие выводы.

1. Экстракт корня солодки может использоваться в качестве функционального компонента экспериментальных моющих средств.
2. Разработанный состав BIOGEL обладает пенообразующей способностью. При исследованных условиях высота пены составляла 45–55 мм, а продолжительность ее сохранения достигала 47 мин.
3. По сравнению с тремя промышленными средствами BIOGEL характеризовался меньшей первоначальной высотой пены, но большей продолжительностью ее сохранения.
4. Введение минеральных компонентов позволило получить чистящие композиции BIOmineral и BIOmineral-2.0, различающиеся по характеру очищающего действия.
5. Предварительные экономические расчеты показали, что ориентировочная стоимость сырьевых компонентов разработанных средств составляет 24,6–34,5 рубля на 1000 мл продукта.
6. Для дальнейшего развития проекта необходимо провести дополнительные количественные исследования моющей эффективности, стабильности, дерматологической переносимости и экологических характеристик полученных составов.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности дальнейшего изучения природных сапонинов корня солодки как компонентов бытовых моющих средств. Исследование может служить основой для последующего совершенствования рецептур и разработки новых композиций на основе растительного сырья.

Литература:

1. Berdimuhamedow, G. Türkmenistanyň dermanlyk ösümlikleri. I tom / G. Berdimuhamedow. — Aşgabat : Türkmen döwlet neşirýat gullugy, 2010.
2. Солдатенков, А. Т. Моющие, чистящие и дезинфицирующие вещества: прикладная органическая химия / А. Т. Солдатенков, А. И. Комарова, Т. А. Ле. — М. : Химия, 2014.
3. Плетнёва, Т. В. Поверхностно-активные вещества и моющие композиции / Т. В. Плетнёва. — М. : Академкнига, 2005.
4. Myers, D. Surfactant Science and Technology / D. Myers. — New York : Wiley-Interscience, 2006.
5. Shellard, R. Saponins / R. Shellard. — Cambridge : Cambridge University Press, 2009.
6. Rosen, M. J. Surfactants and Interfacial Phenomena / M. J. Rosen, J. T. Kunjappu. — Hoboken : John Wiley & Sons, 2012.
7. Surfactants and Polymers in Aqueous Solution / K. Holmberg, B. Jonsson, B. Kronberg, B. Lindman. — Chichester : Wiley, 2002.
8. Лисицын, В. И. Неорганические наполнители и пигменты / В. И. Лисицын. — М. : Химия, 1997.