綠色表面活性劑APG在餐具洗滌中的應(yīng)用

馬倩楠 楊佳維 何立新 王明召

綠色表面活性劑APG在餐具洗滌中的應(yīng)用

馬倩楠 楊佳維 何立新 王明召

一、餐具上的油污是如何除去的

餐具洗滌是從餐具表面除去油污等污垢的過(guò)程，常需使用餐具洗滌劑，表面活性劑是餐具洗滌劑的必要成分。表面活性劑分子通常含有一個(gè)較長(zhǎng)的疏水鏈和一個(gè)親水基。疏水鏈在水中處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，有遷移到兩相或多相界面上的趨勢(shì)，以盡量減小與水的接觸面積，結(jié)果使界面張力降低，從而產(chǎn)生潤(rùn)濕、增溶等功能。當(dāng)表面活性劑濃度足夠大時(shí)，表面活性劑分子在水中聚集，疏水鏈彼此靠在一起形成膠團(tuán)，親水基向外構(gòu)成膠團(tuán)表面。膠團(tuán)內(nèi)可以包裹油污，使油在水中的溶解度顯著增大（即增溶作用）。再施以機(jī)械作用，就能將油污從餐具表面除去（如圖1所示）。

圖1 表面活性劑去除油污原理示意圖

餐具洗滌劑常用的表面活性劑很多，如十二烷基苯磺酸鈉（LAS）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽（AES），但是它們?cè)诎踩浴?duì)皮膚的影響、生物降解性能等方面都不夠理想。這里給大家介紹一種性能比較理想的綠色表面活性劑APG。

二、什么是APG

APG代表烷基糖苷（Alkyl Polyglucoside），通常為單糖和低聚糖的烷基糖苷化合物，烷基葡萄糖苷分子的結(jié)構(gòu)如圖2所示。分子中的疏水鏈R一般為C8～C12的烷基，親水基為單糖或低聚糖苷（聚合度一般為1～3，很少超過(guò)5）。由于糖分子具有多個(gè)羥基，例如葡萄糖有5個(gè)羥基，蔗糖、麥芽糖有8個(gè)羥基，因此烷基糖苷的結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，存在多種異構(gòu)體。

圖2 烷基葡萄糖苷的分子結(jié)構(gòu)（R為C8～C12烷基）

三、APG的洗滌性能

APG分子中沒(méi)有強(qiáng)電離基團(tuán)，屬于非離子型表面活性劑，其表面活性居于最高之列，比常見(jiàn)非離子型表面活性劑（例如脂肪醇聚氧乙烯醚）都強(qiáng)，并且在濃堿和電解質(zhì)（如硅酸鈉等）溶液中仍能保持較高的表面活性。表面活性劑形成膠團(tuán)的最低濃度稱為臨界膠束濃度（cmc），它是衡量表面活性劑表面活性的重要參數(shù)。cmc越小，表面活性越高。當(dāng)烷基相同時(shí)，常用的陰離子型十二烷基苯磺酸鈉和十二烷基硫酸鈉的cmc分別為1.2×10-3mol/L和9.3×10-3mol/L，非離子型月桂醇聚氧乙烯醚C12H25O(OC2H4)9H為1.0×10-4mol/L，而各種APG可小至8.0×10-5mol/L～2.2×10-4mol/L。

APG還具有其他優(yōu)點(diǎn)，包括泡沫豐富，起泡能力與陰離子表面活性劑差不多；與其他表面活性劑復(fù)配具有協(xié)同效應(yīng)，能提高表面活性并減小刺激性表面活性劑的用量；手感溫和，對(duì)皮膚刺激性小。由于它無(wú)毒，易于降解，并且100%用再生性天然原料生產(chǎn)，在能耗、生理、環(huán)境相容性等方面有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，因而被譽(yù)為綠色表面活性劑。它的缺點(diǎn)是受水質(zhì)的影響較大，隨著水硬度增大，去污能力下降。

四、APG的合成

APG通常用天然淀粉及其水解產(chǎn)物與脂肪醇縮合來(lái)制備，淀粉的水解產(chǎn)物可以是葡萄糖，也可以是二糖、三糖等低聚糖。合成方法有多種，目前主要使用化學(xué)合成法。

在此介紹兩種最成熟的工業(yè)合成法。一種常稱為一步法，它是采用C8～C16的脂肪醇與淀粉水解產(chǎn)物直接反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)烷基糖苷，通常需要加熱，并需要催化劑。常用的催化劑為硫酸、對(duì)甲苯磺酸，也使用具有乳化性能的酸（如十二烷基苯磺酸），這些酸可使原料形成穩(wěn)定的細(xì)小液滴，有助于糖苷化反應(yīng)。以葡萄糖為原料的反應(yīng)：

反應(yīng)完成后除去脂肪醇，然后經(jīng)過(guò)中和、漂白后，即得產(chǎn)物APG。這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于高碳醇與糖的溶解度不好，所以反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)需要仔細(xì)控制反應(yīng)條件，否則極易形成結(jié)積的焦塊。國(guó)外主要用此法合成烷基糖苷。

另一種合成法常稱為二步法。以轉(zhuǎn)縮醛化法為例，它是在硫酸、對(duì)甲苯磺酸等酸性催化劑存在下, 先讓低碳脂肪醇（一般為丁醇）和淀粉（或其水解產(chǎn)物）生成低碳鏈的烷基糖苷，然后再以高碳鏈的脂肪醇取代糖苷中的低碳鏈，從而制得高碳鏈的烷基糖苷。以葡萄糖為原料的反應(yīng)為：

目前國(guó)內(nèi)主要用此法生產(chǎn)，常用的條件是：第一步反應(yīng)2小時(shí)后，在100～120℃、真空下盡快除去正丁醇，再進(jìn)行第二步反應(yīng)。反應(yīng)40分鐘后，用Na2CO3中和，在165℃，0.27 kPa下脫除十二醇，即得到產(chǎn)物。二步法的特點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間短，操作簡(jiǎn)單，很好地解決了醇糖相溶性問(wèn)題，但規(guī)模化生產(chǎn)需要增加低碳醇的分離工序和設(shè)備，且產(chǎn)品純度不如一步法。除了化學(xué)法以外，還可用酶催化法來(lái)合成APG。該法具有選擇性好，條件溫和，工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn)，但是轉(zhuǎn)化率低，反應(yīng)速度慢，合適的酶體系建立復(fù)雜，因此目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

五、APG配制餐具洗滌劑

通常，使用APG的餐具洗滌劑配方中還含有其他表面活性劑，這樣配成的洗滌劑泡沫豐富，抗硬水性好，易漂洗，手感溫和。需要說(shuō)明的是，泡沫與洗滌劑性能并無(wú)直接關(guān)系，但泡沫在洗滌過(guò)程中逐漸減少的現(xiàn)象，可表明洗滌溶液的有效成分減少，清洗能力下降。由于APG價(jià)格相對(duì)較高，一般配方中APG用量較少（通常在1%～15%），以降低成本。商業(yè)化生產(chǎn)中為了進(jìn)一步降低成本并增大黏度，常用NaCl作為增稠劑。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單配方的配制實(shí)驗(yàn)方案：稱取APG（50%）0.70 g，AES（70%）1.20 g，分別加水至10 g，用水浴（或加熱套）微微加熱使其溶解。將兩份溶液混合，加入NaCl飽和溶液3.5 mL，輕輕攪拌均勻，即得產(chǎn)品。本產(chǎn)品具有很強(qiáng)的去污能力，將它稀釋5倍后在硬水中的洗滌效果仍很好。

在實(shí)驗(yàn)中，需要注意以下事項(xiàng)：（1）AES具有弱酸性，對(duì)皮膚有一定刺激性，應(yīng)盡量避免直接接觸皮膚。（2）配制洗滌劑時(shí)，應(yīng)將APG與AES分別溶解后再行混合，否則溶解會(huì)較困難。（3）APG較難溶于水，但劇烈攪動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，且增溶效果不明顯。所以溶解時(shí)不宜劇烈攪動(dòng)，可以稍微加熱來(lái)促進(jìn)溶解。（4）NaCl應(yīng)以飽和溶液形式加入，直接加入固體會(huì)造成溶解困難。NaCl的用量不能過(guò)大，否則會(huì)失去增稠作用，反而使洗滌劑變稀。（5）實(shí)驗(yàn)用品多為易燃有機(jī)物，所以整個(gè)過(guò)程不能有明火。

為滿足不同需求，可向洗滌劑中加入保濕劑（一般為少許甘油）避免洗滌后皮膚干燥，可加入香料（檸檬香料0.02 g）改善氣味，還可加入適量防腐劑（脫氫醋酸鈉0.01 g）延長(zhǎng)產(chǎn)品保質(zhì)期。

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稿件編號(hào)：P1103020

馬倩楠，在讀本科生。楊佳維，在讀本科生。何立新，本科，工程師。通訊作者：王明召，博士，副教授。

國(guó)家級(jí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目，教育部實(shí)驗(yàn)室共建項(xiàng)目，北京市教育委員會(huì)共建項(xiàng)目，北京師范大學(xué)教學(xué)建設(shè)與改革項(xiàng)目。

北京師范大學(xué)。