今天為大家介紹流變儀和質(zhì)構(gòu)儀在化妝品領(lǐng)域的深入應(yīng)用，為化妝品行業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)、競品比較、工藝優(yōu)化等提供更好的服務(wù)和深入的應(yīng)用實(shí)踐。以下正文內(nèi)容來源于Laura Gilbert在Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems發(fā)表的論文。

通過物理測量預(yù)測化妝品乳劑的感官質(zhì)構(gòu)特性

化妝品研究的目標(biāo)顯然是創(chuàng)造出更具創(chuàng)新性和更成功的產(chǎn)品，最重要的是完美地滿足消費(fèi)者的感官期望。消費(fèi)者選擇化妝品通常是因為它的功能，但主要是被它在質(zhì)地方面給消費(fèi)者帶來的愉悅所吸引。感官分析被廣泛地發(fā)展并用于描述和量化化妝品的質(zhì)地特征。然而，這些方法需要訓(xùn)練有素的專家小組，因此非常耗時，成本高昂。因此，將感官評估與儀器測量聯(lián)系起來是一個巨大的挑戰(zhàn)。如果能用儀器評價代替人工評價，不僅能節(jié)省時間和金錢，而且還能使新品配方開發(fā)升級工作變得更容易。

1 試驗?zāi)康?/span>

此研究目的為了表征化妝品乳劑（O/W）的質(zhì)地，以研究感官特性和儀器特性之間的相關(guān)性，從而建立一種準(zhǔn)確有效的多種感官質(zhì)構(gòu)屬性的預(yù)測工具。

這項研究的重點(diǎn)是 O/W 乳液，每種乳液的總體配方相同，只有加入的織構(gòu)劑不同。除了感官評價外，還通過各種流變學(xué)測試和質(zhì)構(gòu)測量來表征乳劑特性。應(yīng)用單變量和多變量相關(guān)及不同類型的回歸建立良好的預(yù)測模型。然后使用 k-折交叉驗證法對校準(zhǔn)模型進(jìn)行檢驗，以確保預(yù)測質(zhì)地感官特性的可靠性和準(zhǔn)確性。

此研究開發(fā)一系列關(guān)聯(lián)儀器和感官特性的模型，這些模型根據(jù)乳劑的物理特性對一系列感官特性進(jìn)行有效的預(yù)測。

2 試驗方法

2.1

感官分析

感官分析乳劑的六種屬性是分別是光澤度、形狀完整性、滲透力、壓縮力、粘性和鋪展性。挑選了 16 名女性小組成員（年齡在 25 歲至 50 歲之間），所有的小組成員都經(jīng)過了良好的培訓(xùn)。每個屬性評估之前都進(jìn)行培訓(xùn)。訓(xùn)練與周期分四個月進(jìn)行，每周舉行兩次。用于評估六個屬性的定義和協(xié)議表如下所示：

2.2 儀器分析

光澤度測量

使用光澤度計測量乳劑在 60°時的鏡面反射。

流變學(xué)測試

（1）流動試驗采用錐板裝置，通過記錄剪切速率在 0.01~1000s−1 范圍內(nèi)剪切 150s 時的剪切應(yīng)力和粘性值，獲得了樣品的流動特性，特別是在低、中、高剪切速率下的粘度和剪應(yīng)力值。

（2）采用 4°錐板裝置，以 1rad.s-1 的頻率從 0.01 到 100%的應(yīng)變進(jìn)行振動應(yīng)變掃描試驗。從每種乳膏的振蕩曲線中獲得了與 G'和 G''叉點(diǎn)對應(yīng)的彈性和粘性模量（分別為 G'和 G''）、線粘彈性域上的 tanδ、臨界應(yīng)變和應(yīng)力等參數(shù)。

（3）蠕變恢復(fù)測量是通過記錄隨時間變化的應(yīng)變作為蠕變曲線來進(jìn)行的。對于每個乳膏，在 2 分鐘內(nèi)施加一個剪應(yīng)力，該剪應(yīng)力對應(yīng)于振蕩應(yīng)變掃描所證明的 LVD 應(yīng)變極限的一半。記錄消除剪應(yīng)力后的應(yīng)變恢復(fù)時間為 15 分鐘。

收集了 27 個流變參數(shù)，表征了每種乳液在靜止和不同剪切力下的特征。

質(zhì)構(gòu)分析

（1）使用直徑 35 mm 圓柱形探頭進(jìn)行了穿透測試。手機(jī)最大和最小力，以及曲線下的正負(fù)區(qū)域。最大力是探針處于其最大穿透深度的點(diǎn)，而正面積（曲線下）對應(yīng)于總穿透功。

（2）使用直徑 35 mm 圓柱形探頭進(jìn)行了壓縮試驗。從曲線中提取不同的壓縮參數(shù)，如最大壓縮力和與總壓縮功對應(yīng)的正面積。

（3）擠壓試驗用直徑 45 mm 的壓縮盤，收集了不同的擠壓參數(shù)，作為特征力和特征面積。

（4）拉絲測試用 0.5 英寸（12.7 mm）的凝膠探頭，用照相機(jī)監(jiān)測長絲拉伸以識別長絲的斷裂點(diǎn)，從而測量其斷裂長度。

（5）使用摩擦裝置進(jìn)行了延展性測試。

最后，為每種乳液收集了總共 16 個紋理參數(shù)。

3

統(tǒng)計分析方法

主成分分析（PCA）、線性、逐步多線性和偏最小二乘回歸、5 種商用產(chǎn)品交叉驗證預(yù)測模型

4

結(jié)果討論

4.1

感官分析

對用不同聚合物制備的 9 種 O/W 乳狀液進(jìn)行了質(zhì)地的感官表征。選擇了六個屬性來很好地區(qū)分它們的質(zhì)構(gòu)。感官分析可以根據(jù) 6 種質(zhì)構(gòu)屬性準(zhǔn)確地獲得所制備的 9 種乳劑的性質(zhì)。

4.2

預(yù)測模型設(shè)置

儀器分析獲得 27 個流變學(xué)參數(shù)和 16 個質(zhì)構(gòu)參數(shù)，這些參數(shù)表征了每種乳液在不同要求下的行為。然后對所有儀器參數(shù)進(jìn)行主成分分析，以便減少儀器特征的數(shù)量，并更好地概述。

將簡化的儀器數(shù)據(jù)集與每個感官屬性進(jìn)行比較，以建立預(yù)測模型。下表列出了在六種感官屬性的預(yù)測中隱含的最相關(guān)的儀器參數(shù)。

4.3

模型建立

根據(jù)簡化的儀器參數(shù)建立的模型如下表所示

單變量模型更適用于光澤度、壓縮力和鋪展難度屬性。

（1）光澤度評估程序包括直觀地評估乳霜表面的光反射。顯然，這種感官屬性不與流變學(xué)或質(zhì)地儀器參數(shù)相關(guān)。

（2）質(zhì)地分析儀測量的最大壓縮力不是與感官屬性壓縮力最相關(guān)的參數(shù)。事實(shí)上，感官評估考慮了總的產(chǎn)品壓縮，因此更多地與壓縮功有關(guān)，而不是與測量的最大力有關(guān)。

（3）鋪展的難度相當(dāng)于在固定距離上鋪展產(chǎn)品所需的力；因此，它與摩擦性能有關(guān)。因此，通過測量曲線力=f（時間）下的正面積能更好的表征感官涂抹特性。

多元預(yù)測模型適用于形狀的完整性、穿透力和粘性屬性。

（4）形狀的完整性。逐步線性回歸提出了一個基于三個輔助參數(shù)的預(yù)測模型：由 LVD 得到的損耗模數(shù)（G''）、松弛時間（τ95%G'）和由質(zhì)構(gòu)分析儀進(jìn)行的擠壓試驗獲得的擠出功，預(yù)測模型對九種 O/W 乳狀液形狀完整性的最佳預(yù)測，得到了最高 R2adjusted 和最低的 RMSE。

（5）穿透力。對于穿透力找到了三個令人滿意的預(yù)測模型。僅通過擠壓試驗獲得的擠壓功（Extr-A+）可以很好地預(yù)測它，擠壓試驗包括將產(chǎn)品向上和圍繞圓盤探頭邊緣進(jìn)行壓縮/擠壓。這種擠壓測試接近于感官測試，因為食指在罐子中的穿透實(shí)際上是結(jié)合了產(chǎn)品對罐子邊緣的壓縮，食指的直徑非常接近罐子的直徑。此外，通過偏最小二乘回歸給出的擠壓功和壓縮功的組合，可以很好地預(yù)測穿透力。最后，通過逐步線性回歸，將 9 種 O/W 乳狀液的 R2adjusted 和最低 RMSE 相結(jié)合，得出擠出功、最大穿透力和彈性柔量（%JE）的貢獻(xiàn)是最好的預(yù)測模型。

（6）粘性。對于粘性，得到了 4 個滿意的預(yù)測模型。用質(zhì)構(gòu)分析儀進(jìn)行壓縮拉伸試驗，得到的長絲斷裂長度較好地預(yù)測了其性能。這項測試是對感官評估方案的模擬測試。此外，偏最小二乘回歸強(qiáng)調(diào)了另外兩個令人滿意的模型，遵循 Fechner 或 Stevens 模型，并涉及來自四個不同測試的四個工具參數(shù)。在這兩個模型中，有兩個參數(shù)是相同的：長絲的斷裂長度（拉伸長度）和 0.1s−1 時的粘度（η（0.1）），這兩個參數(shù)接近產(chǎn)品的靜止粘度。對于半對數(shù)偏最小二乘回歸，預(yù)測模型既包括交叉點(diǎn)的應(yīng)變（γG'=G''），也包括由時間掃描實(shí)驗獲得的粘彈模量值（G2'/G1'），這些時間掃描是在 0.01 至 100s-1 的剪切掃描之前 （G1'）和（G2'）剪切掃描之后進(jìn)行的。G1'（分別為 G2'）對應(yīng)于產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時第一次（分別為第二次）時間掃描結(jié)束時的彈性模量的值。

4.4

模型的驗證和選擇

圖中顯示了每個測量與預(yù)測的感官屬性的圖。95% 置信區(qū)間以平均值（虛線）和單個值（實(shí)線）表示。此外，還進(jìn)行了統(tǒng)計 t 檢驗，以檢查每個屬性的回歸斜率在 10% 的水平上與 1 沒有顯著差異，并且截距與 0 沒有顯著差異。所有這些結(jié)果表明，此研究所建立的所有模型都具有較高的精度。

5

結(jié)論

通過感官和儀器表征（流變儀和質(zhì)構(gòu)儀）分析了 9 種 O/W 化妝品乳劑的質(zhì)構(gòu)。將化妝品乳劑的感官特性與儀器質(zhì)地特性進(jìn)行關(guān)聯(lián)和預(yù)測，可以避免耗費(fèi)時間和金錢的感官描述分析。

六個感官屬性中的四個可以通過單變量回歸很好地預(yù)測，這意味著儀器參數(shù)可以媲美感官評估測試。另外兩個屬性，形狀的完整性和穿透力，通過結(jié)合流變學(xué)和質(zhì)構(gòu)參數(shù)可以進(jìn)行很好的預(yù)測。流變儀和質(zhì)構(gòu)儀是評價化妝品乳劑感官質(zhì)構(gòu)屬性的有效工具。

原文鏈接：
http://dx.doi.org/10.1016/j.chemolab.2013.03.002

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