Một trong các thành phần có mặt trong hầu hết các sản phẩm chăm sóc cá nhân là Cocamidopropyl betaine, một chất hoạt động bề mặt được tổng hợp từ dầu dừa và dimethylaminopropylamine DMAP
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BÀI TIỂU LUẬN THI HỌC KỲ I NĂM HỌC 2020 – 2021
MÔN: HOẠT CHẤT BỀ MẶT
ĐỀ TÀI: COCAMIDOPROPYL BETAINE VÀ CÁC ỨNG DỤNG
TRONG MỸ PHẨM
GVHD: TS PHAN NGUYỄN QUỲNH ANH
SINH VIÊN THỰC HIỆN:
Trang 2MỤC LỤC 1
Mục lục hình ảnh 2
LỜI MỞ ĐẦU 3
I TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT [1] 4
II TỔNG QUAN VỀ COCAMIDOPROPYL BETAINE 5
1 Cocamidopropyl Betaine là gì? [2] [3] 5
2 Tên gọi và cấu trúc hóa học 6
a Tên gọi và công thức hóa học: [4] [3] 6
b Cấu trúc hóa học: [5] [6] 6
3 Ưu điểm và nhược điểm 7
❖ Ưu điểm [2] [3] [7] 7
❖ Nhược điểm [5] [8] 7
III CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA COCAMIDOPROPYL BETAINE 7
1 Tính chất vật lý và hóa học: [3] [4] 7
2 Các thành phần acid béo trong CAPB [3] 8
3 Khả năng tạo bọt, ổn định bọt, khả năng tẩy rửa và độ nhớt của CAPB [3] [7] [9] [10] 9
4 Khả năng thấm ướt của cocamidopropyl betaine [11] 10
5 Ảnh hưởng sinh học và môi trường [3] [9] 10
6 Các yếu tố ảnh hưởng khác đến sự hoạt động của cocamidopropyl betaine [7] 11
7 Chỉ số CMC [9] [1] 11
IV PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT COCAMIDOPROPYL BETAINE 11
1 Cơ chế phản ứng và sự tổng hợp CAPB [3] [7] 11
2 Các tạp chất trong quá trình tổng hợp cocamidopropyl betaine [3] [12] 13
Trang 31 Ứng dụng trong sản phẩm dầu gội [13] 14
2 Ứng dụng trong dầu gội cho trẻ em [14] 14
TÀI LIỆU THAM KHẢO 15
Mục lục hình ảnh Hình 1 Cocamidopropyl Betaine 5
Hình 2. Công thức cấu tạo của CAPB 6
Hình 3 Cấu trúc hóa học của CAPB 6
Hình 4 Bảng tính chất vật lý và hóa học của CAPB 8
Hình 5.Bảng thành phần chất béo trong các Amidopropyl Betaine 9
Hình 6 Quá trình tổng hợp Cocamidopropyl Betaine 12
Hình 7 Tổng sản lượng mỹ phẩm có sử dụng CAPB 13
Hình 8 Công thức sản phẩm dầu gội có chứa cocamidopropyl betain 14
Hình 9 Dầu gội Johnson&Johnson dành cho trẻ em 14
Hình 10 Thành phần của dầu gội dành cho trẻ em 14
Trang 4LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, nhu cầu cuộc sống của con người càng được cải thiện
và nâng cao hơn, đặc biệt là nhu cầu về làm đẹp và vệ sinh cá nhân Trên thị trường hiện nay có rất nhiều các loại mỹ phẩm chăm sóc cá nhân, từ chăm sóc tóc đến toàn thân; do đó, người tiêu dùng
có nhiều lựa chọn về sản phẩm và nhãn hàng để tin dùng Bên cạnh đó, sự quan tâm về môi trường cũng như các lựa chọn về các loại mỹ phẩm có yếu tố thân thiện với môi trường của người tiêu dùng là một trong nhiều yếu tố giúp nhà sản xuất định hướng sản phẩm và sản xuất ra các sản phẩm có nguồn gốc từ thiên nhiên đến tay người tiêu dùng
Các sản phẩm chăm sóc cá nhân dường như đã quá quen thuộc trong cuộc sống thường ngày của mỗi người, vì thế nên các thành phần trong sản phẩm cũng được quan tâm nhiều hơn Xu hướng khi lựa chọn các dòng mỹ phẩm hiện nay là những sự quan tâm về chất lượng của các thành phần trong sản phẩm, các yếu tố thân thiện với môi trường như có thành phần vi nhựa hay không, có các chiết xuất từ thực vật hay không,v.v Với dòng xu hướng đó, các thương hiệu đã đẩy mạnh các chiến lược truyền thông và sản xuất cùng với sự giúp đỡ từ các chính sách và chương trình chuyển giao công nghệ, chuyển đổi cơ cấu công nghiệp, tạo cơ hội cho các nghiên cứu về sản phẩm có nguồn gốc thiên nhiên và các dòng sản phẩm thuần chay được phát triển rộng hơn
Một trong các thành phần có mặt trong hầu hết các sản phẩm chăm sóc cá nhân là Cocamidopropyl betaine, một chất hoạt động bề mặt được tổng hợp từ dầu dừa và dimethylaminopropylamine (DMAPA) Do sự ứng dụng đa dạng cũng như các tranh cãi về nguyên nhân gây viêm da dị ứng, cocamidopropyl được nghiên cứu rộng rãi và các kết quả nghiên cứu được công bố trên các bài báo khoa học quốc tế Nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn về chất hoạt động bề mặt này, em chọn đề tài
“Cocamidopropyl betaine và các ứng dụng trong mỹ phẩm” làm bài tiểu luận này
Trang 5I TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT [1]
Chất hoạt động bề mặt là những chất có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của dung môi chứa nó,
có khả năng hấp phụ lên lớp bề mặt, độ tan tương đối nhỏ Đa số các chất hoạt động bề mặt là các acid béo, muối của acid béo, este, rượu, các alkyl sunfat, và có cấu tạo gồm 2 phần: phần phân cực (ưa nước) và phần không phân cực (kị nước, ưa dầu)
Để phân loại chất hoạt động bề mặt, người ta thường dựa trên cấu trúc hóa học, tính chất vật lý hay ứng dụng của chúng Tuy nhiên, thường phân loại theo cấu trúc hóa học: chất hoạt động bề mặt ưa nước, kị nước, liên kết giữa háo nước và kị nước
- Về phân loại theo nhóm ưa nước, gồm có chất hoạt động anin, cation, không ion và lưỡng tính
- Về phân loại theo nhóm kỵ nước, gồm các gốc alkyl mạch thẳng (C8 – C18), gốc alkyl mạch ngắn (C3 – C12) gắn vào nhân thơm, olefin nhánh C8 – C20, hydrocarbon thu được từ dầu
mỏ và phản ứng giữa CO và khí H2
- Về phân loại theo nhóm liên kết giữa háo nước và kị nước, gồm nhóm háo nước liên kết trực tiếp với nhóm kỵ nước, nhóm háo nước liên kết với nhóm kỵ nước qua liên kết trung gian, các liên kết este, amide, ether
Chất hoạt động bề mặt được ứng dụng nhiều vào đời sống bới các tính chất như khả năng tẩy rửa, tạo bọt, ổn định nhũ và giảm độ nhớt của dung môi chứa nó Các ứng dụng phổ biến của các chất hoạt động bề mặt là nước rửa chén, xà phòng, nước giặt, các sản phẩm chăm sóc cá nhân như dầu gội, sữa tắm,v.v…
Trang 6II TỔNG QUAN VỀ COCAMIDOPROPYL BETAINE
1 Cocamidopropyl Betaine là gì? [2] [3]
Cocamidopropyl betaine là một hợp chất hữu cơ có khả năng hoạt động bề mặt trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân và mỹ phẩm giúp làm sạch bụi bẩn trên bề mặt được sử dụng và là thành phần tạo bọt trong một số sản phẩm
Cocamidopropyl betaine (CAPB) lần đầu được đưa vào sử dụng vào năm 1967 bởi tập đoàn Johnson & Johnson trong dầu gội dành cho trẻ em, được tổng hợp từ các acid béo trong dầu dừa và dimethylaminopropylamine (DMAPA), bên cạnh việc chất này được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác Sau đó, chất hoạt động bề mặt CAPB được đăng kí sử dụng rộng rãi hơn trong lĩnh vực
mỹ phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân như dầu gội, sữa tắm, nước rửa tay, xà phòng, từ những năm 1970
Cocamidopropyl betaine là alkyl amidopropyl betaine hoạt động
bề mặt ion lưỡng tính, có màu vàng nhạt, hơi trong và có mùi béo
nhẹ, độ nhớt trung bình khoảng 300-600 cps CAPB có thể tan
được trong nước và dung môi ethanol, isopropanol nhưng không
tan trong dầu; vì thế trong thành phần nguyên liệu thô, CAPB
thường được pha dưới dạng dung dịch trong nước và natri clorua
với nồng độ hoạt tính chiếm khoảng 30% trên tổng lượng dung
dịch Trong khi đó, theo CIR, nồng độ sử dụng của CAPB trong
các dòng sản phẩm không được vượt quá 3,0%, đồng nghĩa với
việc CAPB trong nguyên liệu thô được pha loãng trong quá trình
sản xuất Ngoài ra, với tính chất dịu nhẹ và mức độ gây kích ứng thấp, CAPB được dùng trong các sản phẩm cho trẻ em hoặc dành cho da nhạy cảm, một số sản phẩm khác có sự kết hợp với sodium lauryl sunfat (SLS) nhằm giảm kích ứng và tăng khả năng tạo bọt, giúp hiệu suất làm sạch của sản phẩm và cảm giác cảm quan khi sử dụng tăng
Hình 1 Cocamidopropyl Betaine
Trang 72 Tên gọi và cấu trúc hóa học
a Tên gọi và công thức hóa học: [4] [3]
Danh pháp IUPAC: 2- [3-(dodecanoylamino) propyl-đimetylazaniumyl] axetat
Tên gọi khác: N-(carboxymethyl)-N,N-dimethyl-3-[(1-oxococonut)amino]-1-propanaminium Hydroxide, inner salt cocamido betaine; cocamidopropyl dimethyl glycine; cocoyl amide propylbetaine; cocoyl amide propyldimethyl glycine
Công thức phân tử: C19H38N2O3
Công thức cấu tạo:
b Cấu trúc hóa học: [5] [6]
Chất hoạt động bề mặt cocamidopropyl betaine được
mô tả là một chuỗi betaine dài cấu thành từ các nhóm
chức amoni bậc 4 trong chuỗi cấu trúc và không có các
anion di động, khác với các muối amoni bậc 4 khác
Hình số 3 mô tả cấu trúc chung của amidopropyl
betaine, trong đó nhóm RCO- là nhóm các acid béo có
nguồn gốc từ dầu dừa (có thể thay đổi từ C8 – C18) và chứa đồng thời cation amoni bậc 4 liên kết với nhóm anion là cacboxylic Do không có các anion di động, betaines giữ các điện tích anion dương và đặc tính cation âm trong cả hai môi trường acid và base Đồng thời, chất hoạt động bề mặt này không thu nhận cả điện tích dương và điện tích âm trong dung môi nước, nên có nhiều ý kiến cho rằng chúng không được phân loại là chất lưỡng tính, một số khác cho rằng chúng là chất lưỡng tính do sự hoạt động của betaines với cấu trúc lưỡng tính R– N+(CH3)2–CH2–COO- trong khoảng pH trung gian
Hình 2 Công thức cấu tạo của CAPB
Hình 3 Cấu trúc hóa học của CAPB
Trang 83 Ưu điểm và nhược điểm
❖ Ưu điểm [2] [3] [7]
Cocamidopropyl betaine (CAPB) được sử dụng nhiều trong hầu hết các dòng mỹ phẩm và chăm sóc
cá nhân do có nhiều ưu điểm nổi bật như: không gây kích ứng cho da và mắt, sử dụng như chất làm đặc và có khả năng tạo bọt cao khi kết hợp với SLS giúp tăng cảm giác làm sạch cho sản phẩm và cảm giác mềm mịn trên da sau khi sử dụng Đồng thời, trong một số nghiên cứu, CAPB có nồng độ tập trung có tác dụng dưỡng ẩm trong một số dòng mỹ phẩm, và đặt một tiêu chuẩn mới cho các sản phẩm làm đẹp và chăm sóc cá nhân
❖ Nhược điểm [5] [8]
Bên cạnh các ưu điểm, CAPB còn được xem là một chất gây dị ứng, đặc biệt là bệnh viêm da dị ứng Năm 2004, CAPB được công bố là một chất gây dị ứng của năm bởi Hiệp hội Viêm da tiếp xúc Hoa Kỳ với các triệu chứng lâm sàng như viêm da mí mắt, da mặt, da đầu hay vùng da cổ Nghiên cứu này cho thấy viêm da tiếp xúc và dị ứng CAPB thường gặp ở các nhân viên y tế hay những người thường xuyên tiếp xúc với các sản phẩm có chứa CAPB nồng độ cao như nhân viên làm tóc Tuy nhiên, đến năm 2012 các nhà nghiên cứu khác cho rằng cocamidopropyl betaine trong các sản phẩm không gây dị ứng, mà là các tạp chất được tạo nên từ quá trình sản xuất, aminoamide (AA) và 3-dimethylaminopropylamine (DMAPA) Từ nguyên nhân đó, hàm lượng 2 hợp chất được kiểm soát chặt chẽ hơn trong quá trình sản xuất và tinh chế CAPB nhằm đảm bảo người tiêu dùng không gặp phải các vấn đề về kích ứng da
III CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA COCAMIDOPROPYL BETAINE
1 Tính chất vật lý và hóa học: [3] [4]
Trang 9Như đã nêu ra ở phần trước, tính chất vật lý và tính chất hóa học của chất hoạt động bề mặt CAPB
có thể được tóm tắt theo bảng sau
2 Các thành phần acid béo trong CAPB [3]
Dựa trên công thức cấu tạo của cocamidopropyl betaine, các gốc acid béo đóng vai trò quan trọng trong tính chất hóa học như khả năng tạo bọt, khả năng tẩy rửa và tạo nhũ hóa trên bề mặt tẩy rửa; nhằm giúp việc tẩy rửa dễ dàng hơn Ngoài ra các acid béo trong cấu trúc CAPB còn có tính chất giảm kích ứng da, giúp ổn định bọt và tăng khả năng thấm ướt vào sản phẩm
Hình 4 Bảng tính chất vật lý và hóa học của CAPB
Trang 10Dưới đây là bảng số liệu thể hiện hàm lượng acid béo trong cocamidopropyl betaine và các amidopropyl betaine khác:
3 Khả năng tạo bọt, ổn định bọt, khả năng tẩy rửa và độ nhớt của CAPB [3] [7] [9] [10]
Cocamidopropyl betaine là chất hoạt động bề mặt lưỡng tính, có khả năng tạo bọt cao và không gây kích ứng cho da Chúng hòa tan tốt trong nước và môi trường kiềm, trên thị trường hiện nay thì CAPB được bán ở nồng độ từ 30 – 40% trong dung dịch nước và natri clorua Bên cạnh đó, chúng
có thể hoạt động ở môi trường pH thấp, có thể gây kết tủa với các chất hoạt động bề mạt anion nhưng không bị ảnh hưởng bởi nước cứng (có hàm lượng ion Mg+, Ca+ cao) Đồng thời, trong môi trương pH thấp và nhiệt độ khắc nghiệt, sự ổn định thủy phân của CAPB cũng có xu hướng bền hơn Ngoài khả năng tạo bọt, CAPB còn giúp ổn định bọt trong sản phẩm, chống lại các tác động từ nước cứng hay giữ bọt ổn định trong môi trường pH cao và nhiệt độ thấp và là chất chống tĩnh điện trong các sản phẩm dầu gội Theo một nghiên cứu, CAPB giúp ổn định bọt đáng kể ngay trong nhiệt độ
20oC khi so sánh với nhiệt độ cao (60oC), và được ứng dụng vào các dòng mỹ phẩm và sản phẩm
Hình 5 Bảng thành phần chất béo trong các Amidopropyl Betaine
Trang 11CAPB thường được thêm vào các dòng mỹ phẩm và sản phẩm chăm sóc cá nhân cùng với natri lauryl este sunfat SLES và natri lauryl sunfat SLS nhằm mục đích tăng độ nhớt của sản phẩm và tăng khả năng tạo bọt bởi các tác dụng hiệp đồng của chúng Tuy nhiên, điều này phụ thuộc nhiều vào nồng độ muối, hiện tượng này gọi là sự dày lên của muối Với nguyên nhân đó, chúng phối hợp với nhau trong công thức sản phẩm để tạo ra chất lỏng dày bám vào bề mặt như da tay, tóc,…
Trong các sản phẩm chứa cocamidopropyl betaine trên thị trường, nồng độ của CAPB hoạt tính được quy định là không quá 3%, nghĩa là CAPB thô được pha loãng với nước và dung dịch NaCl có nồng độ từ 4 – 6% Đồng thời, các sản phẩm thương mại chứa CAPB có nồng độ lớn hơn 30% có thể chứa dung môi như propylene glycol hay glycerol ở nồng độ 3%
4 Khả năng thấm ướt của cocamidopropyl betaine [11]
Cocamidopropyl betaine cũng có các tính chất tương tự như các chất hoạt động bề mặt khác, đặc biệt là khả năng thấm ướt Trong các mỹ phẩm làm sạch như dầu gội có chứa thành phần natri clorua như một chất làm đặc và natri lauryl sunfat bên cạnh CAPB, vì thế khả năng thấm ướt của cocamidopropyl bị ảnh hưởng bởi nồng độ natri clorua trong sản phẩm
Theo nghiên cứu vào năm 2014 về sự ảnh hưởng cả natri clorua đến khả năng thấm ướt của CAPB, người ta nhận thấy khả năng hoạt động của cocamido betain trong dung môi nước có sự phụ thuộc vào nồng độ muối trong dung dịch của chất hoạt động bề mặt: làm giảm CMC và sức căng bề mặt, tăng thông số hấp phụ và khả năng thấm ướt của hoạt chất
5 Ảnh hưởng sinh học và môi trường [3] [9]
Vì chất hoạt động bề mặt CAPB được dùng nhiều trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân và mỹ phẩm, nên sự thải ra môi trường cũng cần được đánh giá một cách khách quan Các phương pháp được đưa ra là đánh giá độc tính của chất và ảnh hưởng của độc tính lên môi trường
Thử nghiệm phân hủy sinh học trog điều kiện hiếu khí cho thấy, CAPB có mức độ phân hủy sinh học cao, đạt 100% trong vòng 28 ngày và tỷ lệ khoáng hóa đến 60% trong vòng 7 ngày Đồng thời, trong điều kiện yếm khí, cocamidopropyl betaine cũng có khả năng phân hủy sinh học
Trang 12diễn ra nhanh chóng sau một thời gian Tuy vậy, sự phát triển hệ thống xả thải của các thành phố trên thế giới ngày một tiên tiến, nên hàm lượng CAPB trong các sản phẩm trên thị trường sau khi được sử dụng không gây ảnh hưởng lớn đến môi trường sống xung quanh
6 Các yếu tố ảnh hưởng khác đến sự hoạt động của cocamidopropyl betaine [7]
Ngoại trừ các yếu tố tác động về mặt hóa học như sự kết hợp giữa CAPB với các chất hoạt động bề mặt khác trong cùng một sản phẩm như SLES, SLS,… các yếu tố về hàm lượng, độ pH, nhiệt độ bảo quản cũng ảnh hưởng đến độ ổn định và hoạt độ của chất
7 Chỉ số CMC [9] [1]
CMC hay vòn gọi là nông độ micelle tới hạn (Critical Micelle Concentraction) là nồng độ dung dịch chấy hoạt động bề mặt mà ở đó sự hình thành micelle trở nên đáng kể Khi một chất hoạt động bề mặt có nồng độ dung dịch đạt đến giá trị CMC của nó, ở dó dẽ cí sự thay đổi rõ về tính chất của dung dịch như độ đục, sức căng bề mặt, áp suất thẩm thấu
Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC là cấu trúc mạch của phần kỵ nước trong phân tử chất hoạt động bề mặt, nhiệt độ, chất điện ly
Chỉ số CMC của cocamidopropyl betains được xác định bằng phương pháp đo lưu huỳnh là 29mg/L, còn theo phương pháp sức căng bề mặt là 12,7mg/L
IV PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT COCAMIDOPROPYL BETAINE
1 Cơ chế phản ứng và sự tổng hợp CAPB [3] [7]
Cocamidopropyl betaine là chất hoạt động bề mặt được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các sản phẩm chăm sóc cá nhân và mỹ phẩm; do đó, việc sản xuất hoạt chất này được nghiên cứu và phát triển và cải tiến trong nhiều năm Dựa trên cơ chế hình thành thông qua phản ứng giữa các acid béo từ dầu dừa (hoặc các coconut acid thủy phân không chứa glyceryl) với 3,3-dimethylaminopropylamine (DMAPA), tạo ra cocamidopropyl dimethylamine (amidoamine hoặc dimethylaminopropyl cococamide) và sau đó phản ứng với natri monloracetate tạo thành sản phẩm cocamidopropyl