堿性蛋白酶在洗衣皂中的應用研究

2011-01-10 05:41:04張德昌

中國洗滌用品工業 2011年4期

張德昌

（南風化工集團技術中心山西運城郵編044000）

堿性蛋白酶在洗衣皂中的應用研究

張德昌

（南風化工集團技術中心山西運城郵編044000）

通過對洗衣皂原料的預處理，去除或降低了對酶制劑有害的吊白塊、漂白劑等組分。同時，通過降低體系水分活度、加入常見的酶制劑穩定助劑、控制產品pH值、控制工藝溫度等，解決了蛋白酶在普通洗衣皂產品中的儲存穩定性問題，使規模化生產成為可能。

洗衣皂；蛋白酶；穩定助劑；生產

早在上世紀80年代末，國內洗滌用品行業就已成功地將酶制劑應用于洗衣粉中，消費者對洗滌用品中酶制劑的功效已有相當程度的了解。

同其他快速消費品一樣，皂類產品市場存在概念及訴求進一步細分的趨勢。其中引入酶制劑有助于提高產品的使用性能，豐富產品訴求，從而延長產品的生命力。目前，國內市場上加酶皂產品極少，主要原因是酶制劑在含水脂肪酸鈉鹽體系中的穩定性問題不易解決，國內酶制劑在皂類產品中的應用文獻也比較缺乏。因此，有必要從理論及實踐等方面對蛋白酶制劑在皂類產品中的應用進行探討。

1 影響蛋白酶穩定性的因素分析

用于洗滌劑工業的堿性蛋白酶主要以固體制劑的形式添加到洗衣粉中。隨著洗滌用品市場的發展，酶制劑將嘗試進入液體洗滌劑、洗衣皂等領域。但由于在產品中的穩定性問題未能很好解決，影響了加酶液體洗滌劑、加酶洗衣皂等產品的生產應用。綜合分析，對酶制劑影響較大的因素包括產品中的表面活性劑組成、pH值、儲存溫度、水分含量、金屬離子含量、酶制劑的穩定助劑等[1]。進行加酶洗衣皂開發的要點是，在保證產品基本功能的前提下，以酶制劑穩定為中心目標，創造最佳表面活性劑配比、最佳pH值環境、屏蔽有害金屬離子、添加有益的穩定助劑等，使酶制劑的穩定性在產品中盡可能保持較長時間。

不同于粉狀加酶洗滌劑，對于酶制劑而言，洗衣皂與液體洗滌劑的配方環境具有相當程度的相似性，其中的表面活性劑、水分、金屬離子、pH值環境、助劑等都與酶制劑發生緊密接觸并產生正負面影響，只是液體洗滌劑具有更靈活的配方選擇而洗衣皂相對單一而已。因此，研究酶制劑在皂類產品中的應用時，酶制劑在液體洗滌劑中的應用文獻可以借鑒。

1.1 表面活性劑組成

已有文獻報道了TX-10、AEO9、6501、AES、LAS、AOS等表面活性劑對酶活力儲存穩定性的影響順序[2,4]，但針對脂肪酸鈉鹽體系的影響未見諸報道。總體而言，配方結構中AEO9、6501等非電離性表面活性劑成分的增加有利于酶活力的保持，而LAS、AOS等電離性較強的表面活性劑不利于酶活力的保持。這對于以脂肪酸鈉為主表面活性劑的洗衣皂而言非常不利，但我們可以通過表面活性劑復配的方法盡量減弱[2,3]這種影響。

1.2 pH值

堿性蛋白酶作為一種蛋白類催化劑，其發揮作用的pH值環境相對狹小，本文所選用的堿性蛋白酶在pH7～10范圍內比較有利于酶活性的保持，這對洗衣皂而言容易做到。

1.3 水分含量

水分含量對酶活力的影響十分顯著[3]。從本文實驗數據也可以驗證，總體而言減少體系中水分含量有利于酶活性的保持。根據品種不同，洗衣皂的水分含量為10%～30%不等。從皂類加工工藝角度考慮，有必要保持一定的水分含量。一定程度上講，水分的影響因素不可完全消除，但可以通過添加合適助劑來降低水分的活度系數，進而弱化這種不利影響。

1.4 金屬離子含量

一些重金屬離子的存在不但導致皂類產品酸敗、變色，而且會強烈抑制酶制劑的活性[6]。優秀的加酶洗衣皂配方應在達到屏蔽重金屬離子同時又能兼顧有益金屬離子的含量，配方體系中存在一定的Ca2+對酶制劑的穩定性至關重要。因此，要慎重處理對Ca2+具有屏蔽作用的螯合劑的使用方法及劑量，達到保護酶制劑的目的。

1.5 助劑

有關蛋白酶穩定助劑的品類較多，在產品中應用時需要認真權衡。酶制劑作為一種具有高效的催化功能的蛋白質分子，其催化活力取決于分子的特殊三維空間結構。本研究采用容易采購的硼砂、甘油等作為酶穩定劑。

1.6 生產工藝

酶制劑是一種蛋白質，高溫可以使其迅速變性失活[5]。雖然有文獻報道酶制劑發揮最佳性能的溫度可以高達50～60℃，但在兼顧洗衣皂成型工藝要求的前提下，建議整個過程溫度控制在45℃以下，以消除高溫對酶制劑的負面影響因素。另外，在洗衣皂的上游生產工序力求使用質量較高的油脂原料，盡量減少或杜絕吊白塊（在漂白過程中可產生微量甲醛）、漂白劑（特別是氯系漂白劑）的使用。

2 試驗部分

2.1 試驗原料

AEO9，本公司自產皂粒（含水量24%），外購8020#皂粒（含水量12%），國標JB-02蛋白污布，進口EMPA117污布，工業甘油，硼砂，賽威液體蛋白酶16XL，H501，BHT，香精等。

2.2 設備與儀器

WSD-3U白度儀，國標立式去污機，0.001克天平，巴萊斯特小型洗衣皂成型機，101-1A型恒溫箱。

2.3 樣品的制作及加速老化

將硼砂、甘油、水等預混均勻，然后加入賽威液體蛋白酶16XL、原料皂粒、H501、BHT、香精等，經研磨、出條、壓塊等工序制成不同配比的皂塊樣品（為防止樣品水分蒸發，所得樣品用保鮮膜2層封裝）。將樣品置于38℃、30℃恒溫箱中存放，每周從恒溫箱取出一個樣品放入0～4℃冰箱保存，直至所有樣品全部歸入冰箱為止。

為縮短試驗周期，根據本文所采用酶制劑的特性介紹，認為在38℃恒溫條件儲存4周相當于自然條件下儲存1年[7]。本文根據皂類產品在市場的流通周期需要，進行了最多8周的加速老化來加快試驗進度，以映照產品的實際儲存流通周期需要。

2.4 樣品酶活力的檢測

上述2.3中所有樣品的殘余酶活力檢測主要通過國標立式去污機洗滌國標JB-02蛋白污布、進口EMPA117污布的辦法進行。通過觀察樣品的去污比值變化來間接衡量殘存酶活力的大小，此方法也更有利于篩選最接近實際洗滌效果的產品。?

2.5 實驗結果

2.5.1 樣品的失水校正實驗

由于待測樣品均較長時間處于38℃及30℃的高溫環境中，雖封裝在保鮮膜中，但失水干燥趨勢不可避免并引起了相關成分濃縮，導致去污結果產生逐漸升高的偏差，因此需要對結果進行失水效應校正。為此，我們進行了恒溫條件下相同皂塊的失水趨勢實驗，結果如圖1所示。

樣品前期失水速率較快，從第6周開始趨于平緩，第8周結束累計失水率可達12.7%。失水效應導致主要去污成分脂肪酸鈉鹽及酶制劑的同步濃縮，因此去污實驗中樣品的加入量應從2克開始按比例逐步減少，具體加量按表1執行。

2.5.2 無助劑情況下蛋白酶與含水量為25%樣品皂的相容性

測試結果表明，在無助劑、恒溫30℃情況下，1周后樣品在JB-02、EMPA117污布上的去污能力已比較接近空白樣的比值1.00（見圖2）。此時樣品已喪失大部分酶活力，同時也說明了正常含水量（市場大多數產品在25%左右）情況下，脂肪酸鈉鹽與酶制劑的相容性很差。顯然，酶制劑不能直接簡單加入普通洗衣皂的配方中。

圖1 樣品皂的失水率曲線

表1 去污試驗樣品加量

改變測試溫度（38℃恒溫），1周后樣品中的酶活力同樣失去了絕大部分，與圖2結果比較相似（如圖3所示）。此時，溫度的小范圍升高似乎構不成酶制劑失活的主因。

2.5.3 無助劑情況下蛋白酶與含水量12%樣品皂的相容性

對比2.5.2中樣品含水量在25%情況下的結果，當水分含量降低到12%后，酶活性在樣品中的保持時間得到了極大延長。

圖5配方加入了2%的AEO9。由于AEO9的非電離性特點，對酶制劑基本不產生負面作用，而且能使皂粒更容易加工成型。8周后，樣品中酶活力的保有量仍達到70%以上。

原因分析：當樣品皂中水分降到12%甚至更低的情況下，體系中的多數水分子可能已被混合脂肪酸鈉鹽、無機鹽或其他組份分子間的范德華力所束縛，水分的游離程度大大減少。此時，洗衣皂內部環境已比較接近于粉狀洗滌劑，水分對酶制劑的影響被強烈弱化[6]，因此酶活力的保持時間成倍增加。可見，降低體系中的水分含量或減少體系中水分活度可顯著增加酶活力的保持時間。

2.5.4 硼砂及甘油助劑對酶活性的耐力實驗

樣品皂（含水量25%）中加入酶穩定助劑后，分別在38℃、30℃下進行恒溫實驗，兩個溫度下酶活力的最終殘存值比較接近。實驗結果與2.5.2相比，產品酶活力保持時間顯著增加，相當于產品在自然儲存條件下2年后仍能保存50%左右的酶活力，這對于酶制劑在洗衣皂中的工業化應用十分重要。與2.5.3結果對比，可以看出水分的負面影響因素在加穩定劑情況下仍然存在。因此，在原料水分含量固定情況下，降低體系水分活度的潛力還很大，值得在以后的工作中進行重點研究。

上述試驗中去污結果有時會出現無法消除的波動，原因可能由污布或操作手法等因素的波動而引起，但數據顯示的趨勢是比較明確的，且趨勢的重現性也比較滿意。