脂肪酶在廚房油污硬表面洗滌中的研究

李曉如 劉凱 張劍, 楊媛

（1.山西大學化學化工學院，山西太原，030006；2.山西勇寧記科技有限公司，山西太原，030006）

廚房中冷凝并黏結到廚房硬表面上的油污，一般洗滌劑很難將其去除。廚房油污一般由油脂的聚合物和其他污物交聯而成[1,2]，很難溶于水，也難以在常規條件下被乳化及增溶，在目前的研究中主要有以下幾種去污的方法：第一是有機溶劑除油污[3]，有機溶劑可以通過潤濕、滲透、溶解以及乳化作用對油污中的聚合物進行有效清潔，但有機溶劑毒性大、刺激性強，較為危險；第二是堿性的皂化作用，一般的油脂由高級脂肪酸和甘油構成，油脂分子構架中的酯鍵能與堿發生皂化作用，形成水溶性的脂肪酸鹽和甘油而被清除掉，從而達到清潔廚房油污的目的，但堿性物質會對人體皮膚以及廚房的器物表面造成傷害和腐蝕；第三是表面活性劑除油污，表面活性劑可以通過潤濕、滲透、增溶和乳化等作用[4]使油污從物體表面脫落分離。表面活性劑具有溫和、毒性低、刺激性小的特點，但其成本相對較高，且相比堿液以及有機溶劑對廚房油污的除垢效率低，油垢與表面活性劑需要接觸很長時間才能被清除干凈。酶是一種具有專一性、高效性和溫和性的生物催化劑，應用于洗滌劑中能提高特定污漬的去污能力，同時減少洗滌劑中助劑和表面活性劑用量，減少環境污染。廚房油污主要是由于日常使用的植物油外濺積累形成，植物油的主要成分是甘油三酯，脂肪酶可以將甘油三酯水解成脂肪酸和甘油，達到清潔廚房油污的作用。

綜上所述發現，每種方法都有一定的優點和局限性。所以廚房油污清洗劑配方設計要充分利用有機溶劑對聚合物油污的溶解性能，堿性物質的堿度對油污的影響以及表面活性劑降低表面張力的特性和脂肪酶去除特定油污的性質。基于此，本實驗選取市場上常見的表面活性劑AEO-9、FMEE、APG、6501、AOS、FMES、AES、MES、LAS對廚房污垢的進行單一組分去污力測試。篩選出對廚房污垢去污力性能較好的表面活性劑AEO-9、6501、AOS、LAS，并對篩選出的表面活性劑做了不同濃度的去污力比較。最后通過SPSS優化了脂肪酶與各表面活性劑以及洗滌助劑的配比，并與市場上現有洗滌劑對廚房污垢去污性能做了比較。

1 實驗

1.1 主要試劑和儀器

1.1.1 Candida.sp.99-125脂肪酶

Candida.sp.99-125脂肪酶具體信息如表1，其3D結構圖和氨基序列[5]如圖1所示。

1.1.2 其他試劑和儀器

其他試劑和儀器列于表2、表3。

1.2實驗方法

分別稱取一定質量的AEO-9、FMEE、APG、6501、AOS、FMES、AES、MES、LAS 于10個100mL的燒杯中，配制一系列質量分數的表面活性劑溶液，攪拌溶解。

表1 Candida.sp.99-125脂肪酶具體信息

圖1 Candida.sp.99-125脂肪酶的3D結構圖和氨基序列圖（PDB:4JEI）

表2 主要試劑

表3 主要儀器

取10組100mL燒杯分別標號（A1、A2、A3、B1、B2、B3、……、J1、J2、J3），記錄空燒杯質量m0（稱準到0.0002g），在燒杯底部涂抹油垢（每個燒杯油垢質量控制在0.25g），于200℃電熱鼓風干燥箱中干燥10min，冷卻至室溫，稱量并記錄其質量m1。在稱取上述配制的溶液8g于燒杯中（每組燒杯對應一種溶液），使油垢在試樣溶液中浸泡10min，調節振蕩箱的溫度為30℃，轉速為150r/min，將燒杯放置到振蕩箱中振蕩10min，取出，將洗滌液倒掉，再加入100 mL蒸餾水，振蕩30s，取下燒杯，倒掉洗滌液，然后將燒杯置于120℃恒溫干燥箱中干燥40min，冷卻至室溫，稱量燒杯質量m2（稱準到0.0002g），計算去污力，每組去污力結果最后取平均值。

去污力計算公式為：

1.3 數學統計學方法分析

SPSS(Statistical Package for the Social Science)軟件多元線性回歸分析可以研究硬表面洗滌劑中各單因素相互之間協同作用與去污力的關系，通過SPSS軟件多元線性回歸分析可以得到去污力值與硬表面洗滌劑中各單因素的關系式，這個關系式可以直觀地表達出硬表面洗滌的各單因素與去污力值的線性相關性以及相關系數。

2 實驗結果與討論

2.1 不同表面活性劑的組分篩選

表面活性劑中一般含有親油和親水基團，在清洗硬表面油污的過程中親油基團的一端與油污結合，親水基團的一端伸入水中從而降低油污與硬表面之間的表面張力。因此硬表面與油污接觸的表面張力越低，潤濕性能通常越好，油污就越容易卷縮成油珠從硬表面上掉下，從而達到清潔表面的作用[6]。由圖2可以看出，在相同的實驗條件下，質量分數為4%的表面活性劑FMEE、FMES、AES、MES的去污效果均比與其對應質量分數的AEO-9、AOS、LAS、6501等其他表面活性劑去污效果差，證明AEO-9、AOS、LAS、6501表面活性劑在硬表面清洗過程中降低表面張力的能力要強。本次測試最終篩選出AEO-9、AOS、LAS、6501作為洗滌劑配方擬采取的表面活性劑。

圖2表面活性劑的去污力結果

2.2 不同質量分數的脂肪酶與表面活性劑去污力測試

分別配制質量分數為0.5%、1%、2%、4%的脂肪酶、AEO-9、6501、AOS、LAS溶液，按照上述實驗方法測試不同質量分數的脂肪酶、AEO-9、6501、AOS、LAS的去污能力。實驗結果見圖3。

從圖3中可以看出，質量分數在0～2%區間內，脂肪酶的去污力隨質量分數的增大有顯著增強，當質量分數超過2%時，脂肪酶的去污力隨著質量分數的增加幾乎沒有提升，說明脂肪酶此時相對于底物已經飽和，所以脂肪酶的最適質量分數為2%。表面活性劑6501、LAS相比AEO-9有出色的去污力，在較低的質量分數下有很強的去污力效果，三者在0～4%質量分數區間內的去污力值隨濃度增大而增強，但增速逐步減緩，在4%～8%質量分數之間，去污力較為平緩，甚至會有所降低，因此在表面活性劑添加過程中，考慮成本以及實效因素，表面活性劑6501、LAS和AEO-9的質量分數應該控制在4%以內。AOS的去污效果圖中，其去污力在0～8%質量分數區間內幾乎呈線性增長，但在低濃度下，去污力較6501、LAS有不足，在實際使用中，可以適當增加其質量分數。

圖3 脂肪酶、AEO-9、6501、LAS、AOS去污力值隨濃度變化情況

表4 水平均勻設計實驗

2.3硬表面洗滌配方的優化

在組分優選實驗的基礎上采用均勻設計對洗滌劑配方組成進行優化，以三乙醇胺、丙二醇丁醚、脂肪酶、AEO-9、6501、AOS、LAS為復配體系建立7因素12水平的均勻設計實驗來確定組分最佳百分含量，配制實驗方案的溶液。把所得實驗結果導入SPSS中進行回歸方程分析，分析各組分協同作用對硬表面污垢去污力的影響。

將實驗方案數據導入SPSS軟件進行回歸分析，回歸分析結果見圖4，回歸效果顯著。得出回歸方程為：

圖4 SPSS回歸分析結果

（x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7分別代表三乙醇胺、丙二醇丁醚、脂肪酶、AEO-9、6501、LAS、AOS）

分析回歸方程數據，我們可以看出丙二醇丁醚是去污力提升的主要因素，同時有機溶劑可以保持脂肪酶活躍的狀態，充分發揮其去污作用。對于洗滌劑組分之間的交互作用，x1x3項系數為正且最大，說明三乙醇胺和脂肪酶有卓越的復配效果，堿性環境可以使脂肪酶水解油污生成的脂肪酸從硬表面上脫落，使脂肪酶去除油污的反應向正向移動，同時在堿性條件下脂肪酶有更大的活性，因此堿性環境有利于油污的去除。而x1x7項系數為負，說明堿性條件下會降低AOS的去污性能，x2x5項系數為正說明在該體系下有機溶劑丙二醇丁醚和6501復配效果較好，對去污力有提升，對于x4x5和x4x6兩項，可以分析出AEO-9與LAS復配有較好效果，而與6501復配洗滌效果不如單一體系，對于x5x7和x6x7兩項，AOS與6501有良好的復配效果并優于單一體系，而和LAS復配對去污力則有負面影響。

將回歸方程導入到Matlab中編寫程序計算目標方程的最大值，即在x1=1、x2=2.5、x3=2、x4=0、x5=2.5、x6=0、x7=3時，F（去污力）有最大值，即洗滌劑最佳配方為：三乙醇胺1%、丙二醇丁醚2.5%、脂肪酶2%、6501 2.5%、AOS 3%。

2.5洗滌劑配方檢測

根據配方優化結果，確定洗滌劑配方為：三乙醇胺1%、丙二醇丁醚2.5%、脂肪酶2%、6501 2.5%、AOS 3%，配制洗滌劑并進行去污力、pH、腐蝕性、穩定性檢測，同時與市售品牌產品進行對比。

結合表5與圖5的分析，可以看出通過配方優化的自制洗滌劑的去污力優于市場上品牌產品的去污力，對比國家標準QB/T 4348-2012[7]，其原液pH＜11.8且遠小于市售產品，其腐蝕性遠遠小于國家標準100mg，有效減少了對人體的傷害，比較符合現代人們對于廚房洗滌劑產品的要求，其產品去污力強、腐蝕性小、刺激程度低、毒性低、符合環保要求。

表5 自制洗滌劑與市售洗滌劑產品的性能對比

圖5 自制產品與市售產品去污力以及腐蝕性對比（左側為自制產品）

3 結論

通過測試市場上常用的表面活性劑的去污力，實驗篩選出AEO-9、AOS、LAS、6501作為洗滌劑配方擬采取的表面活性劑體系并探究了各組分濃度對去污力的影響，通過測試效果圖對比，脂肪酶使用最適的質量分數在2%左右；6501、LAS相比AEO-9有出色的去污力，在較低的質量分數下仍有很強的去污效果，三者在0～4%質量分數區間內的去污力隨濃度的增大而增強，但增速逐步減緩，在洗滌劑表面活性劑添加過程中，考慮成本以及實效因素，這些表面活性劑的質量分數應該控制在4%以內，而AOS的去污力在范圍內近似線性增長，但在低濃度下去污力較6501、AOS有不足，在實際使用中，可以適當增加其質量分數。

在配方優化過程中，通過均勻設計以及SPSS對數據的回歸方程分析，回歸方程擬合效果很好，從而得到了洗滌劑最佳配方：三乙醇胺 1%、丙二醇丁醚 2.5%、脂肪酶 2%、6501 2.5%、AOS 3%，通過對洗滌劑配方的檢測，脂肪酶與表面活性劑優化后的自制洗滌劑符合國家標準。