食品工業(yè)清洗用低泡表面活性劑

馬曉琳 姜 丹

（陶氏化學(xué)（中國(guó)）投資有限公司，上海，201203）

隨著社會(huì)生活的進(jìn)步，食品安全問題越來越受到廣泛關(guān)注。在食品生產(chǎn)中難免會(huì)有一些污漬沉積在設(shè)備管道內(nèi)，如果沒有及時(shí)清洗去除，會(huì)直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和安全[1]。所以，在食品加工和包裝過程中，設(shè)備運(yùn)行前及運(yùn)行一段時(shí)間后，必須對(duì)儲(chǔ)料槽、管道、設(shè)備上接觸產(chǎn)品流體的關(guān)鍵部位進(jìn)行物理和化學(xué)清洗，去除可能導(dǎo)致產(chǎn)品污染、變質(zhì)的微生物和其他雜質(zhì)，使包裝后的食品有穩(wěn)定的保質(zhì)壽命。目前，常用的清洗技術(shù)之一是CIP （Clean-In-Place）原位清洗系統(tǒng)，可應(yīng)用于乳制品、果汁、飲料等食品加工業(yè)的重要設(shè)備組件。其洗滌劑主要包括堿性清洗劑、酸性清洗劑以及清洗添加劑。堿洗對(duì)于蛋白質(zhì)、多糖、油脂等有機(jī)污垢具有優(yōu)良的去除效果，而酸洗主要用于清洗水垢和難溶脂肪酸鹽。表面活性劑作為重要的清洗添加劑之一，可以起到潤(rùn)濕、分散、懸浮等作用，幫助提升清洗效果[2-4]。由于過多泡沫會(huì)影響清洗工藝，配方中通常會(huì)復(fù)配具有抑泡功能的低泡表活，以降低體系泡沫，并一定程度抑制清洗過程中食物污垢的發(fā)泡。

ECOSURF? LFE-1410是一款環(huán)保型低泡非離子表面活性劑，其以支鏈脂肪醇起始，經(jīng)烷氧基化反應(yīng)制得。該產(chǎn)品具有易生物降解、低氣味和低水生毒性的特點(diǎn)。本研究針對(duì)泡沫、潤(rùn)濕、漂洗等性能進(jìn)行測(cè)試，與清洗配方中常用的低泡表面活性劑（EO/PO共聚物）相對(duì)比，考察了該原料用于食品飲料工業(yè)清洗的潛力。

表1 主要原料（材料）

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

實(shí)驗(yàn)用到的原料（材料）及儀器分別見表1和表2。

表2 主要儀器

1.2 泡沫性能

1.2.1 針對(duì)陰離子表活的抑泡性能

采用去離子水配制兩種表面活性劑水溶液。試液1僅含2.2 g/L DOWFAX? 2A1，試液2含2.2 g/L DOWFAX? 2A1和0.5 g/L ECOSURF? LFE-1410。通過對(duì)兩者羅氏泡沫高度的比較來評(píng)價(jià)ECOSURF? LFE-1410的抑泡性能。

發(fā)泡力測(cè)試方法參考國(guó)標(biāo)GBT 13173－2008《表面活性劑洗滌劑試驗(yàn)方法》在室溫（約22℃）下進(jìn)行。先用去離子水清洗刻度量管和滴液管，然后用試液潤(rùn)洗，避免泡沫殘留。關(guān)閉刻度量管旋塞，將試液沿管壁加入刻度量管至50 mL刻度線以上，靜置5 min，調(diào)節(jié)旋塞使液面恰好在50 mL刻度處；使用滴液管吸取200 mL試液并將其放在刻度量管上口；打開滴液管的旋塞，讓溶液流下；當(dāng)溶液流完立即開始計(jì)時(shí)并讀取初始泡沫高度，在5 min末再讀取第二次讀數(shù)。

1.2.2 配方體系的低泡性能

配制復(fù)配清潔劑，含有6%碳酸鈉、6%九水硅酸鈉、6%EDTA四鈉四水合物、2% DOWFAX? 2A1，以及2%低泡表面活性劑（均為質(zhì)量百分比）。低泡表面活性劑分別選用ECOSURF? LFE-1410和對(duì)照表活，進(jìn)行平行對(duì)比，以評(píng)估兩個(gè)產(chǎn)品在配方中的抑泡性能。

循環(huán)鼓泡測(cè)試前將配方按1:20稀釋，升溫至60℃。同時(shí)開啟循環(huán)鼓泡儀的水浴到相應(yīng)溫度。然后將待測(cè)液倒入測(cè)試管內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)鼓泡時(shí)間10 min，記錄開始鼓泡后30 s，1、5、10 min的泡沫高度。停止鼓泡后，記錄停后30 s，1、5 min的泡沫高度。泡沫曲線高度越低說明配方的低泡性能越好。

1.2.3 針對(duì)不同食品的抑泡性能

本實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試兩種不同的食品體系（奶粉，啤酒），模擬實(shí)際清洗條件，平行對(duì)比不同低泡表面活性劑的抑泡效果。工作液含1%食品，2%氫氧化鈉和0.1%低泡表活（均為質(zhì)量百分比）。采用循環(huán)鼓泡法，測(cè)試溫度為60℃，實(shí)驗(yàn)操作與1.2.1基本一致。記錄開始鼓泡后30 s，1、5、10 min的泡沫高度。停止鼓泡后，記錄停后30 s，1、5 min的泡沫高度。泡沫曲線高度越低說明低泡表活對(duì)該食品的抑泡性能越好。

1.3 潤(rùn)濕性能（動(dòng)態(tài)表面張力測(cè)試）

使用動(dòng)態(tài)表面張力儀，根據(jù)最大泡壓法測(cè)定。原理為在液相中的毛細(xì)管底部生成氣泡。隨著氣泡的增大，氣泡內(nèi)壓力也相應(yīng)增大。直至氣泡半徑與毛細(xì)管半徑相同時(shí)，氣泡內(nèi)壓力達(dá)到最大值。而從氣泡開始產(chǎn)生到最大壓力之間的時(shí)間即為表面年齡（Surface Age）。儀器給出的測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)的是一定表面年齡（Surface Age）下的表面張力，表面張力對(duì)表面年齡的關(guān)系可以通過不同的鼓泡速度測(cè)出。

本實(shí)驗(yàn)配制1 g/L的表面活性劑溶液，測(cè)試表面年齡在10 ms至3500 ms（3.5 s）間該溶液的表面張力，并繪制相應(yīng)曲線。

1.4 漂洗性能

1.4.1 不銹鋼板

配制50 g工作液（1%食品、2%氫氧化鈉和0.1%低泡表活（均為質(zhì)量百分比）），倒入PP塑料瓶（圖1）。另取3個(gè)同規(guī)格塑料瓶，各加入50 g去離子水。將不銹鋼板放入試液小瓶中浸泡約30 s，然后依次在3個(gè)去離子水小瓶中各漂洗約10 s。檢測(cè)第一、三次漂洗液的靜態(tài)表面張力，評(píng)估不同食品體系（奶粉、啤酒）下，含不同低泡表活清洗液的過洗情況。

圖1 PP瓶（50 mL規(guī)格）

1.4.2 載玻片（玻璃）

實(shí)驗(yàn)操作與1.4.1基本一致，區(qū)別在于使用載玻片代替不銹鋼板。評(píng)估不同食品體系（奶粉、啤酒）下，不同低泡表活溶液在清洗玻璃材質(zhì)時(shí)的過洗情況。

2 結(jié)果及討論

2.1 泡沫性能

2.1.1 針對(duì)陰離子表活的抑泡性能

陰離子表面活性劑去除油污的能力較強(qiáng)，耐堿性好，常用于在工業(yè)清洗配方，尤其是堿性清洗液中。但陰離子表活泡沫較多，漂洗困難，通常與低泡非離子表活復(fù)配，既能提升清洗效果也能降低泡沫高度[5-6]。從羅氏泡沫實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖2），2A1自身泡沫豐富且穩(wěn)定。在加入LFE-1410后，起始和5 min后的泡沫高度都有了顯著的降低。這說明LFE-1410不僅有效抑制了泡沫的產(chǎn)生，也降低了泡沫的穩(wěn)定性。

圖2 LFE-1410對(duì)于陰離子表活2A1的抑泡性能

2.1.2 配方體系的低泡性能

針對(duì)配方的鼓泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3）可以看出，LFE-1410對(duì)整個(gè)配方具有較強(qiáng)的抑泡能力。鼓泡開始約1 min泡沫即出現(xiàn)明顯下降，說明體系內(nèi)的消泡速度要大于泡沫產(chǎn)生速度，并且在5 min時(shí)，泡沫已經(jīng)達(dá)到較低的水平。而含對(duì)照表活的稀釋液在整個(gè)鼓泡期間泡沫始終處于高位，停止鼓泡后殘泡也高于含LFE-1410的稀釋液。

圖3 不同低泡表活配方的循環(huán)鼓泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 針對(duì)不同食品的抑泡性能

在加工過程中，部分食品具有發(fā)泡性。清洗時(shí)如果不能較好地控制泡沫，會(huì)導(dǎo)致溢出并影響工藝效果。在升溫條件下，對(duì)混合奶粉的工作液進(jìn)行鼓泡實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示（圖4），含有LFE-1410的工作液對(duì)奶粉具有較好的抑泡性能。鼓泡過程中，沒有出現(xiàn)大幅度的泡沫增多。而對(duì)照表活工作液在鼓泡期間泡沫持續(xù)上升，停止鼓泡后雖有一定程度的消泡，但5 min后的泡沫高度仍高于LFE-1410工作液。

圖4 混合奶粉的工作液循環(huán)鼓泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在升溫條件下，對(duì)混合啤酒的工作液進(jìn)行鼓泡實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示（圖5），兩個(gè)低泡表活工作液的泡沫曲線均很低，幾乎重合。由此看來，兩個(gè)表活對(duì)啤酒均有較好的抑泡性能，或者啤酒在高溫下的發(fā)泡性并不顯著。

圖5 混合啤酒的工作液循環(huán)鼓泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 潤(rùn)濕性能

動(dòng)態(tài)表面張力反映了在動(dòng)態(tài)過程中表面張力隨著時(shí)間變化的情況。其測(cè)試結(jié)果通常是表面活性劑在新界面達(dá)到吸附平衡前的表面張力。動(dòng)態(tài)表面張力與體系中表面活性劑的遷移速度相關(guān)，而其遷移速度反映了該表面活性劑的潤(rùn)濕性能。在同樣的時(shí)間內(nèi)，表面活性劑遷移速度越快，表面張力降得越低，潤(rùn)濕底材的速度越快[7-9]。結(jié)果顯示（圖6），ECOSURF? LFE-1410水溶液的表面張力曲線都明顯低于對(duì)照表活水溶液。這說明ECOSURF? LFE-1410表面張力降低速度要優(yōu)于對(duì)照表活，這一特點(diǎn)對(duì)于幫助清洗液快速潤(rùn)濕和鋪展起到重要的作用。

圖6 表活水溶液（1 g/L）的動(dòng)態(tài)表面張力

2.3 漂洗性能

在清洗工藝中，通常添加表面活性劑來提高清洗效果。因此漂洗時(shí)，不僅需要關(guān)注存在殘堿的可能性，表面活性劑也可能會(huì)有殘留。有報(bào)道顯示殘留的表面活性劑會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響[10]，不少企業(yè)開始研究殘留檢測(cè)和控制，確保表活被徹底漂洗去除，同時(shí)也避免過度清洗帶來的水耗增加。目前的檢測(cè)方法是通過對(duì)漂洗液的表面張力測(cè)定，來反映該清洗液漂洗情況[11]。

2.3.1 不銹鋼板

根據(jù)測(cè)試結(jié)果（圖7）可知，第一次漂洗液因?yàn)楹休^多前一步操作的清洗液，所以表面張力相對(duì)較低，均在40～45 mN/m。而經(jīng)過三次漂洗后，ECOSURF? LFE-1410的漂洗液表面張力達(dá)到65 mN/m以上，說明該液體表面活性已經(jīng)很低。而對(duì)照表活清洗液在三次漂洗后，其漂洗液的表面張力仍有50～55 mN/m，可以看出對(duì)照表活在易漂洗性能上不如ECOSURF? LFE-1410。

圖7 不同工作液的漂洗情況（不銹鋼板）

2.3.2 載玻片（玻璃）

根據(jù)測(cè)試結(jié)果（圖8）發(fā)現(xiàn)，第一次漂洗液的數(shù)據(jù)與不銹鋼板的相應(yīng)數(shù)據(jù)接近。從第三次漂洗結(jié)果來看，ECOSURF? LFE-1410漂洗液的表面張力數(shù)值更高，過洗情況相對(duì)較好。同時(shí)也注意到，不同食物或表活，載玻片第三次漂洗液的表面張力均明顯低于不銹鋼板第三次漂洗后的數(shù)據(jù)。這提示了玻璃材質(zhì)可能比不銹鋼難漂洗，在清洗時(shí)需要更多關(guān)注。

圖8 不同工作液的漂洗情況（載玻片）

3 結(jié)論

通過與常規(guī)EO/PO共聚物型低泡表活相比較，新型非離子低泡表面活性劑ECOSURF? LFE-1410對(duì)于含高泡陰離子表活配方和奶粉具有更好的抑泡性能。同時(shí)，還表現(xiàn)出更低的動(dòng)態(tài)表面張力，在清洗中可以快速潤(rùn)濕和鋪展于污漬和設(shè)備表面，從而提高清洗效率。并且相比于EO/PO共聚物對(duì)照品，ECOSURF? LFE-1410漂洗液的表面張力數(shù)據(jù)顯示其更易于過洗從而節(jié)省能耗。由此看來，ECOSURF? LFE-1410可以作為一個(gè)優(yōu)良的低泡表面活性劑應(yīng)用在食品工業(yè)清洗產(chǎn)品中。