Разработка технологии производства средств косметических гигиенических моющих на основе натуральных пав, полученных из вторичных ресурсов переработки семян подсолнечника

Аннотация

Самойлова С.С. - Разработка технологии производства средств косметических гигиенических моющих на основе натуральных пав, полученных из вторичных ресурсов переработки семян подсолнечника В настоящее время перспективным направлением является разработка экологически чистой биологически разлагаемой продукции, которая бы не загрязняла окружающую среду. Получение новых ПАВ натурального происхождения из продуктов переработки семян подсолнечника и дальнейшее введение их в состав косметических гигиенических моющих средств откроет новое направление использования отходов производства подсолнечного масла. В свою очередь, это может пополнить ряд сырьевых источников ПАВ натурального происхождения отечественного производства в косметической промышленности в рамках государственной программы импортозамещения.
Данная работа включена в одно из перспективных направлений научноисследовательской работы выполняемой кафедрой технологии жиров, косметики, товароведения, процессов и аппаратов КубГТУ «Разработка комплексных экологически безопасных ресурсосберегающих технологий переработки растительного и животного сырья с применением физикохимических и биотехнологических методов с целью получения БАД, парфюмерно-косметических средств и продуктов питания функционального и специализированного назначения» № АААА-А16-116122110135-4.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• анализ косметического рынка косметических гигиенических моющих средств;
• анализ классификации и общих свойств ПАВ;
• анализ существующих методик определения характеристик пены (пенообразование и устойчивость пены);
• разработка концепции последовательности удаления загрязнения;
• разработка новой методики определения качественной характеристики пены (объемной массы пены);
• разработка способа (технологии) получения алкилполиглюкозида - неионогенного поверхностно-активного вещества с улучшенными свойствами пенообразования из вторичных ресурсов переработки семян подсолнечника;
• анализ физико-химических показателей полученного ПАВ;
• разработка рецептуры и технологии производства средства косметического гигиенического моющего на основе натуральных ПАВ, полученных из вторичных ресурсов переработки семян подсолнечника (пенки-шампуня детского для купания);
• анализ физико-химических показателей средства косметического гигиенического моющего на основе натуральных ПАВ (новой рецептуры пенки-шампуня детского для купания);
• оценка потребительских свойств полученного продукта;
• экономический расчет затрат на производство и окупаемости полученного ПАВ и косметического средства.

Экспериментальная часть

1. Объекты и методы исследования.В методической части представлено описание объектов исследования, требование к готовой продукции, методы исследования, статистические методы обработки результатов, планирование экспериментов и методы оптимизации.

При проведении экспериментальных исследований использовались современные методы физико-химического анализа: высокоэффективные газовую, газожидкостную хроматографии, спектроскопию, ротационную хроматографию и микроскопирование.

Структурная схема исследования приведена на рисунке 1.

Исследование органолептических и физико-химических показателей, характеризующих качество и безопасность косметического гигиенического моющего средства проводили в соответствии с требованиями Технического регламента Таможенного союза и ГОСТ Р 31460-2012.

2. Разработка технологии получения ПАВ.Неионогенное поверхностно-активное вещество алкилполиглюкозид в промышленности получают химической реакцией с участием глюкозы и жирных спиртов растительного происхождения. Глюкозу чаще всего получают из кукурузного крахмала, а жирные спирты из пальмового масла. Наиболее доступное растительное сырьё это отходы переработки подсолнечника в масложировой промышленности. В работе принято решение о разработке технологии получения алкилполиглюкозида на основе лузги подсолнечника и жирных кислот, содержащих С16-С18 атомов, взятых из производственного цикла переработки подсолнечника. Жирные кислоты получали на стадии щелочной рафинации растительного масла, а глюкозу, необходимую для получения алкилполиглюкозида, получали в результате гидролиза целлюлозы лузги. Реакция получения АПГ из сиропа глюкозы и жирной кислоты приведена на рисунке 2.

Молекула АПГ, полученная в результате взаимодействия глюкозы с С16С18 жирными кислотами, обладает рядом преимуществ. За счет расположения гидрофильной группы в середине молекулы, алкилполиглюкозид проявляет хорошую смачивающую способность. Структурная схема полученного алкилполиглюкозида представлена на рисунке 3.

Схема последовательности производства алкилполиглюкозида представлена на рисунке 4, а свойства, получаемого алкилполиглюкозида - в таблице 1.

Таблица 1 – Органолептические и физико-химические показатели алкилполиглюкозида

Из результатов, приведенных в таблице 1, следует, что предложенный способ получения алкилполиглюкозида позволяет получить неионогенный ПАВ с улучшенными свойствами, в том числе пенообразующей способностью: - начальная высота пены 130 мм, - устойчивость пены 0,96.

3. Разработка нового метода определения объемной массы пены.В настоящее время пенообразование и устойчивость пены является стандартными показателями качества всех моющих средств, используемых для гигиенического очищения. Для того, чтобы соответствовать постоянно возрастающим требованиям потребителей, необходимо разрабатывать новые виды пенообразующих косметических средств. Они должны обладать не только очищающими свойствами с повышенным содержанием пены и ее длительной устойчивостью, но и увлажняющими, смягчающими свойствами с новыми необходимыми для потребителей дополнительными качественными характеристиками, такими как плотность пены, ее кремнистость, с приятным ощущением легкости при использовании. Разработано устройство для определения объемной массы пены в широком диапазоне температур при повышенной воспроизводимости и точности определяемой величины (Патент № 2762778, RU.). Технический результат достигается использованием делительной воронки имеющей обечайку для подачи греющей воды, что обеспечивает поддержание необходимых температурных режимов для измерения. Конструктивное изменение прибора: расположения привода устройства в нижней части, применение опоры в виде пластины позволит избежать дополнительной вибрации во время работы прибора, а следовательно увеличит точность определяемой величина и ее воспроизводимость. Разработанное устройство для определения объема пены представлено на рисунке 5. Принцип действия установки заключается в том, что подготовленную пробу помещали в делительную воронку стандартного диаметра с ценой деления 1 мм и водяной рубашкой, которую соединяли с термостатом, обеспечивающим заданную температуру измерения. Исследуемый раствор выдерживали от 5 до 10 минут для доведения температуры до заданной. Проводится встряхивание за счет электродвигателя в течение 1 минуты (около 180 встряхиваний). Далее проводили измерение столба пены в мм, устойчивость пены и её плотность.

Расчеты показателей устойчивости и плотности пены:

Устойчивость пены вычисляли по формуле:, где У – устойчивость пены; H0 – начальная высота столба пены, мм; H5 – высота столба пены по истечению 5 минут, мм.

Плотность пены вычисляли по формуле: , где ? – плотность пены, г/мм?; – масса пробы рабочего раствора, г; – масса отделившейся жидкости после выдерживания, г; V – объем столба пены после выдерживания и удаления выделившейся жидкости, мм?, рассчитанный по формуле: , где d – диаметр измерительной колонки, мм.

Результаты исследований алкилполиглюкозида, полученного по разработанной технологии, в сравнение с традиционно используемыми ПАВ, приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты исследования модельных растворов ПАВ

Результаты исследования модельных растворов ПАВ показывают, что природа ПАВ определяет способность образования пены с различной степенью плотности и устойчивости. Как правило, высокие показатели плотности пены сопровождаются высокими показателями устойчивости.

4. Исследование гетерогенной структуры пены

С целью определения влияния природы ПАВ в определенный момент времени на характер и свойства пены, были проведены исследования структуры, полученных пен под микроскопом. Использовались образцы пен, по методике определения объемной массы пены, после определения устойчивости пены (через 5 минут после начала эксперимента).

Методика микроскопирования позволяет помимо основных свойств (устойчивость и плотность), также оценить и характер пен (моно- или полидисперсность, степень однородности, природу «старения»).

Полученные результаты подтверждают взаимосвязь характера и свойств пены с природой ПАВ.

5. Разработка концепции последовательности удаления загрязнения. АПГ за счет своей структуры обладает прекрасной смачивающей способностью, что позволяет эффективно очищать поверхность кожи и при этом обладать мягкими дерматологическими свойствами. В сочетании с анионактивными ПАВ, алкилполиглюкозид положительно влияет на объем и стабилизацию пены в растворах. На рисунке 7 показано, как ПАВ адсорбируются на поверхности загрязнений, обволакивают их, отделяя от поверхности, и стабилизируют в моющем растворе.

Моющее действие ПАВ обусловлено комплексом коллоидно-химических процессов, включающим в себя следующие стадии: смачивание; диспергирование загрязнений; эмульгирование загрязнений в мицеллы ПАВ.

6. Разработка и оптимизация «Пенки-шампуня детской для купания с головы до пят».В качестве разрабатываемого косметико-гигиенического моющего средства была выбрана пенка-шампунь детская для купания, так как это один из самых перспективных и быстро растущих сегментов на косметическом рынке.

Для того чтобы соответствовать постоянно возрастающим требованиям потребителей, необходимо разрабатывать новые виды пенообразующих косметических средств, которые должны обладать не только очищающими свойствами с повышенным содержанием пены, соответствовать требованиям безопасности, но и обладать дополнительными качественными потребительскими характеристиками, такими как плотность пены, ее кремнистость с приятным ощущением, легкости при использовании.

В рецептуру «Пенки-шампуня детской для купания с головы до пят» мы ввели три вида ПАВ (алкилполиглюкозид, кокоамфомоноацетат натрия, динатрий лауретсульфосукцинат), которые по своим свойствам и при определенном процентном вводе в рецептуру могут обеспечить заданные характеристики пены в разрабатываемом средстве. Данные компоненты вводили и исследовали в определенных пределах границ варьирования для получения оптимальных результатов. Для определения оптимального процента ввода ПАВ в рецептуру пенки-шампуня детской для купания был применен метод симплексных решеток Шеффе. Соответственно факторами, подлежащими оптимизации, были выбраны: Х1 – содержание алкилполиглюкозида; Х2 – содержание кокоамфомоноацетата натрия; Х3 – содержание динатрий лауретсульфосукцината.

Уровни варьирования в кодированных и натуральных величинах представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Уровни варьирования факторов эксперимента

Для эксперимента нами были выбраны функции отклика: - Y1- первоначальная высота пены, мм; Y2 – устойчивость пены и - Y3- плотность пены, ??103 г/см3. Матрица планирования эксперимента и полученные результаты определения функций отклика приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Матрица планирования эксперимента и полученные значения функций отклика

Экспериментальные значения функций отклика были использованы для расчета математических моделей, представленных в виде полиномов:

Анализ значимости коэффициентов уравнений регрессии по критерию Стьюдента показал их значимость при 0,95 доли риска, а математические модели адекватно описывают экспериментальные данные согласно критерию Фишера F1-p при p=0,05.

Функции отклика с указанием их оптимума в кодированных и натуральных единицах представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Оптимизационные значения функций зависимости начальной высоты пены, устойчивости пена и плотности пены

По рецептуре (таблица 6) с оптимальным соотношением ПАВ в научно производственной лаборатории была изготовлена «Пенка-шампунь детская для купания с головы до пят».

Таблица 6 – Рецептура «Пенки-шампуня детской для купания с головы до пят»

Структурная схема последовательности производства пенки-шампуня представлена на рисунке 9.

7. Оценка потребительских свойств и показателей безопасности разработанного продукта.Проведен анализ физико-химических и органолептических показателей по ГОСТ 31696-2012 и показателей безопасности по ТРТС 009/2011 разработанного продукта, результаты представлены в таблице 7.

Таблица 7 – Органолептические, физико-химические и микробиологические показатели безопасности «Пенки-шампуня детской для купания с головы до пят»

Образец соответствует требованиям ГОСТ 31696-2012 и ТРТС 009/2011 по основным показателям, что подтверждает безопасность и эффективность «Пенки-шампуня детской для купания с головы до пят», результаты подтверждены протоколами испытаний в аккредитованных испытательных лабораториях ООО «Центр новых технологий плюс», ООО «Испытательный центр контроля качества продукции» г. Москва.

При разработке рецептуры учитывались и определялись характеристики, в соответствии с требованиями потребителей. Для разработанной «Пенки-шампуня детской для купания с головы до пят» были выбраны 8 характеристик (ощущение раздражения, ощущение увлажнения, легкость смывания, очищающая способность, расчесываемость волос, экономичность расхода, пенообразование, запах). Для оценки были привлечены родители детей, которые использовали образцы в соответствии с предоставленным описанием и способом применения. Результаты оценки по 5-балльной шкале вносились в дегустационный лист, статистически обрабатывались. Разработанный продукт сравнивался с конкурентом средством для купания Bubchen, так как основа средства мягкие ПАВ. Данное средство относится к премиум сегменту и популярно в своей категории.

Окончательная оценка требований качества устанавливалась путем объединения всех показателей в единую функцию качества F на основе использования весовых коэффициентов.

Результат экспертизы «Пенки-шампуня детской для купания с головы до пят»: F=4,8 при этом результат экспертизы средства для купания Bubchen составил: F=4,8. Оценка качества требований потребителя к разработанному продукту «Пенки-шампуня детской для купания с головы до пят» превосходит распространенный зарубежный продукт Bubchen.

Экономическая эффективность.Экономические расчеты подтвердили, что производство акилполигликозида из отходов переработки подсолнечника и производство «Пенки-шампуня детской для купания с головы до пят» является экономически целесообразным.

Выводы

1. Разработана новая методика определения качественной характеристики пены (объемной массы пены), с помощью устройства для определения объемной массы пены в широком диапазоне температур с повышенными уровнями воспроизводимости и точности определяемой величины. Новая методика учитывает все недостатки существующих методик. Пользуясь данной методикой, и исходя из полученных данных по пенообразующей способности, устойчивости пены и влияния плотности на устойчивость пены можно облегчить процесс проектирования пенных продуктов с заданными характеристиками, в которых мы получим пену с требуемыми характеристиками (плотность, объем).

2. Разработанный способ получения алкилполиглюкозида - неионогенного поверхностно-активного вещества с улучшенными свойствами пенообразования из вторичных ресурсов переработки семян подсолнечника дает возможность:

• разрабатывать и получать мягкие, совершенно безопасные, доступные по цене, ПАВ натурального происхождения с улучшенными характеристиками;
• расширять ассортимент доступных по цене мягких, безопасных пеномоющих продуктов с улучшенными потребительскими характеристиками (очищающие свойства, пенообразующей способности, пенное число, устойчивость пены, плотность и кремнистость), как в косметике, так и в бытовой химии;
• получать значительный экономический эффект за счет использования вторичных продуктов переработки подсолнечника;
• частично решить проблему утилизации отходов масложировой отрасли (полностью биоразлагаем), тем самым улучшить экологическую обстановку;
• сертифицировать как натуральное сырье в различных органических стандартах.

3. Разработаны рецептура и технологии производства средства косметического гигиенического моющего «Пенка-шампунь детская для купания с головы до пят» на основе алкилполиглюкозида, полученного из возобновляемого растительного сырья со специальной комбинацией мягких ПАВ. Данное средство соответствует требованиям ГОСТ 31696–2012 и ТРТС 009/2011 по всем физико-химическим и микробиологическим показателям, что подтверждает его безопасность и эффективность. Супермягкое и безопасное средство для купания малышей позволяет деликатно очищать нежную кожу и волосы ребенка.

Выбранная нами комбинация мягких ПАВ дает возможность:

• разрабатывать мягкие, совершенно безопасные, гипоаллергенные, доступные по цене, экологичные пеномоющие продукты с улучшенными потребительскими характеристиками (очищающие свойства, пенообразующей способности, пенное число, устойчивость пены, плотность и кремнистость), как в косметике, так и в бытовой химии;
• получать значительный экономический эффект за счет использования ПАВ, полученного из вторичных продуктов переработки подсолнечника, который экономически выгодно производить у нас в стране, тем самым повышать рентабельность масложировых и косметических предприятий;
• заявлять продукт как полученный из натурального сырья, биоразлагаемый и сертифицировать по различным органическим стандартам.

4. Проведена оценка потребительских свойств полученного продукта. Для оценки были выбраны 8 характеристик (ощущение раздражения, ощущение увлажнения, легкость смывания, очищающая способность, расчесываемость волос, экономичность расхода, пенообразование, запах). При оценке качественных характеристик продукта используют балльные шкалы. Для потребительской оценки были привлечены родители детей, которые использовали образцы в соответствии с предоставленным описанием и способом применения.

Результаты оценки по 5-балльной шкале вносился в дегустационный лист, статистически обрабатывался.

Разработанный продукт сравнивался с конкурентом средством для купания Bubchen, так как основа средства мягкие ПАВ. Разработанный состав пенки-шампуня получил высокую потребительскую оценку и превзошел по общей потребительской оценке рыночного конкурента.

5.Разработан пакет НД для сертификации и внедрения средства косметического гигиенического моющего «Пенка-шампунь детская для купания с головы до пят» в производство.

6.Основные финансово – экономические показатели доказывают экономическую целесообразность внедрения разработанных технологий в производственную деятельность. Установлено, что при объеме производства:

• алкилполиглюкозида - 924 тыс.кг.\год, рентабельности 25%, расчете затрат на производство 98,5 руб\кг и отпускной цене с НДС = 157,60 руб./кг, валовая прибыль составляет 30,3 млн.руб.\год., срок окупаемости с учетом инвестиционных затрат 7,4 мес;
• детской пенки-шампуня для купания с головы до пят при объеме производства 900тыс. шт/год. Валовая прибыль составит 8,3млн. руб/год. срок окупаемости с учетом инвестиционных затрат менее полгода.

Анализ эффективности финансово-экономических показателей свидетельствует о перспективах внедрения в производственную деятельность разработанных технологий

Список использованной литературы

1. Тарасов В.Е., Коробко С.С. Использование вторичных ресурсов переработки семян подсолнечника для создания новых ПАВ натурального происхождения // Вестник ВГУИТ. 2021. Т.83. № 2. С. 108–115.
2.Самойлова С.С., Тарасов В.Е. Комплексное применение новой методики определения объемной массы пены. Международный научно-исследовательский журнал. 2022. Т.121. №7.
3. Пат. № 2762778, RU. Устройство для определения качественных характеристик пены / Тарасов В.Е., Коробко С.С.// Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования. Куб. гос. технол. ун-т. Краснодар, № 202111013; Заявл. 09.04.2021; Опубл. 22.12.2021. Бюл. № 36.
4. Пат. № 2655917, RU, C07H 15/04. Способ получения алкилполиглюкозида / Тарасов В.Е., Лосева Н.В., Коробко С.С., Ерофеева Е.Г.// Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования. Куб. гос. технол. ун-т. Краснодар, № 2017125911; Заявл. 18.07.2017; Опубл. 30.05.2018. Бюл. № 16.
5. Tarasov V.Ye., Korobko S.S., Kalmanovich S.A. New Method Of Evaluating Quality Characteristics Of Foam In Detergents. Natural Volatiles & Essential Oils. 2021. 8(4). pp. 7906-7917.
6. Коробко С.С. Получение алкилполиглюкозида из сырья подсолнечника / С.С. Коробко, В.Е. Тарасов, Н.В. Лосева // Косметическая индустрия. Взгляд в будущее: материалы ХХII международной научно-практической конференции. Конкурс молодых ученых. - Москва, 2017.
7. Tarasov V. Method for producing alkyl polyglucoside / V. Tarasov, N. Loseva, S. Korobko, E. Erofeeva // Global Invention Forum in Cyprus. – Cyprus, 2019.
8. Samoylova S.S. Development of cosmetic and hygienic detergents based on new surfactants of natural origin / S.S. Samoylova, V.Ye. Tarasov, O.V. Koreneva // Scientific research of the SCO countries: synergy and integration. Part 2: Participants reports in English - Beijing, PRC, 2022. pp. 83-101.
9. Самойлова С.С. Использование нового ПАВ натурального происхождения при разработке детских моющих средств / С.С. Самойлова, В.Е. Тарасов // Международный научный форум. Наука и инновации – современные концепции. – Москва, 2022. С. 143-162.