家用自動洗碗機烤牛奶污染物洗滌因素研究

郭曉丹 劉日超 陶華偉

（佛山市順德區美的洗滌電器制造有限公司 佛山 528311）

引言

中國家用自動洗碗機專用餐具洗滌劑市場近年來呈現出高速發展態勢，消費者對洗碗機的需求明顯增大，洗碗機專用洗滌劑的發展也日漸火熱。所以洗碗機的快速增長也為專用餐具洗滌劑研發提出更高的需求。

眾所周知，噴淋式洗碗機的洗滌原理是在一定溫度及壓力的情況下，通過添加定量的洗滌劑，使得餐具表面污染物在物理及化學綜合作用下達到清洗潔凈的目的。洗滌性能是洗碗機評價的核心指標，是對臟污餐具的清洗能力的評判，其效果如何將影響著消費者的購買行為及使用體驗效果。洗碗機洗滌性能主要是靠洗滌過程中的多重作用加以實現的：水流機械作用、化學作用以及熱能作用。有研究以油污類作為目標污染物，洗滌結果表明水流機械作用占全部清洗作用的 58 %，化學作用占15 %，熱能作用占27 %，產品開發設計時重點關注與水流機械作用相關的設計因素[1]；有研究以含果肉的樹莓果醬作為目標污染物，實驗結果表明：洗滌溫度為 46 ℃，洗滌泵轉速 2 680 r/min，沖洗時間為12.5 min，洗凈效果最好[2]，有研究對蛋白類污染物洗滌的機理進行研究，研究表明，污染物去除有初始膨脹之后通過機械和酶誘導作用聯合去除[3]。結合洗滌實際使用場景，污染物種類眾多，目前對于污染物洗凈性能的研究較少，本文將以烤牛奶作為目標污染物，評估影響洗凈效果的多重因素。

本文以洗滌液的pH 值、溫度、蛋白酶為單因素，研究對烤牛奶杯洗凈的影響，結合洗碗機的工作特點，取洗滌液pH 值、非離子表活、溫度、水壓四個因素的三個水平建立正交試驗，優選出最佳洗凈方案，作為洗碗機洗滌劑開發和洗碗機開發的一個理論參考。

1 實驗部分

1.1 原料與設備

碳酸鈉（廣東南方堿業股份有限公司）、氫氧化鈉（天津渤天化工有限責任公司）、檸檬酸(濰坊英軒實業有限公司）、堿性蛋白酶（諾維信）、脂肪醇EO-PO 嵌段聚醚（陶氏化學）。

ME204 型分析天平（梅特勒-托利多（上海）有限公司）；測試臺架。

1.2 測試方法

1.2.1 烤牛奶杯制備

按照GB/T 20290-2016 中6.4.1 進行制備牛奶污染物。

1.2.2 測試系統及數據分析

試驗在測試臺架內進行，臺架如圖1 所示。每次實驗測試 3 個標準玻璃杯，循環泵通過調頻器進行調速以達到特定壓力。

圖1 烤牛奶洗凈試驗臺架

實驗方案：恒溫浴槽內加入8 L 制定水，調節至恒定溫度，加入相應洗滌劑，充分攪拌溶解之后，調節至特定壓力，進行30 min 預洗使得添加劑充分溶解，放入玻璃杯，進行計時30 min 清洗，為了更加客觀的表示牛奶去除率，將洗前洗后的玻璃杯采用工業相機拍攝，基于OpenCV 計算機視覺庫，對玻璃杯中的牛奶進行圖像識別，利用Python 語言對采集到的圖像進行處理，最終計算出烤牛奶去除率。

2 結果與討論

2.1 洗滌液pH 值對烤牛奶洗凈的影響

堿性助劑例如碳酸鹽、硅酸鹽等能提高洗滌液的堿性。眾所周知，高pH 值配方在污垢去除方面具有普遍的優勢。較高的洗滌液pH 對污垢的溶脹和蛋白物質的水解非常有效[4]，從而有利于污垢的去除。對比實驗室下污染物烤牛奶杯在不同洗滌液pH值下（pH 8.5、pH 9.5、pH 10.5、pH 11.5）對牛奶去除率的影響，從圖2 可知，相同溫度條件下，隨著洗滌溶液pH 值提高，去除率逐漸提高，說明烤牛奶越容易去除；當pH 值達到11.5 時候，烤牛奶去除率總是最高的。在高pH 值下，蛋白污垢部分電離，污垢內部同種帶電基團之間的斥力大大降低了污垢的內聚力，由于玻璃/陶瓷基底與污垢在高pH 值下均帶負電荷，也降低了污垢對基板的附著力[5]，從而使得污垢更加容易去除。

圖2 不同洗滌液pH 值對烤牛奶去除率的影響

2.2 溫度對烤牛奶洗凈的影響

溫度在污垢去除方面也起到很重要的作用，較高的溫度有助于污垢的溶脹和去除。

相同pH 值下，選取不同溫度點下測得烤牛奶的去除率。 結合圖2 和圖3 可見，溫度對烤牛奶洗凈影響極為明顯，溫度升高，洗凈效果越好；當洗滌溫度達到55 ℃以上時，溫度在烤牛奶洗凈過程中占主導因素，而此時受洗滌液堿度影響則相對較小。

圖3 烤牛奶杯洗凈測試圖片

2.3 堿性蛋白酶對烤牛奶洗凈影響

堿性蛋白酶廣泛存在于微生物中，主要由芽孢桿菌屬分泌產生，可在堿性環境下催化水解連接氨基酸的肽鍵，切斷長的蛋白質鏈為短片段，催化蛋白質分解代謝。堿性蛋白酶添加到洗滌劑配方中，能提高清潔過程的高效性[6]。洗滌劑的pH 值和洗滌溶液溫度的不同，也會導致洗凈效果不同，常用固體洗碗機洗滌劑pH 值在10.5左右，以洗滌劑溶液pH 值10.5 為例，對比含/不含蛋白酶對烤牛奶杯洗凈效果影響。

每組測試樣品中分別添加和不添加蛋白酶進行對比測試，蛋白酶添加量為2 %。由圖4 可知，在洗滌溶液pH 10.5 的情況下，不管加/不加蛋白酶，烤牛奶去除率均隨著溫度的升高有所提升；在（25～45）℃區間，蛋白酶的加入對烤牛奶的去除率有明顯的提升效果（提升10 %左右洗凈效果），說明在較低的溫度下清潔則更加需要酶的輔助才能達到更好的清潔效果，從而縮短洗滌時間。

圖4 蛋白酶對烤牛奶去除率影響曲線

2.4 正交試驗優選最佳洗凈方案

綜合前面的洗滌液pH 值、溫度、蛋白酶三個單因素對實驗室污染物烤牛奶洗凈測試，結合洗碗機工作特點，取洗滌液pH 值、非離子表活、溫度、水壓進行正交試驗，以最終玻璃杯完全洗干凈所需時間作為結果評估，每組試驗均添加2 %蛋白酶，正交試驗結果及極差分析見表2。

表1 因素水平表

表2 正交試驗結果及極差分析

按照以表2 中數據進行正交試驗。通過正交試驗結果可以得出，極差R 的大小順序為A ＞C ＞B ＞D，即影響烤牛奶杯洗凈的諸因素的主次關系依次是：pH 值＞溫度＞脂肪醇EO-PO 嵌段聚醚＞水壓。最佳洗凈條件是pH 11.5+脂肪醇EO-PO 嵌段聚醚5 %+溫度65 ℃+水壓7 kpa 。

3 結論

本文研究討論了洗滌液pH 值、溫度、非離子表面活性劑、蛋白酶、水壓對實驗室污染物—烤牛奶的洗凈影響；通過單因素測試結果可看出pH 值越高、溫度越高有利于牛奶的去除；蛋白酶的加入能通過酶促反應與頑固的沉積物發生化學反應從而提高洗凈效率，在較低的溫度和pH 值下清潔則更加需要酶的輔助才能達到更好的清潔效果。通過正交試驗，可以得出烤干后牛奶杯洗凈的諸因素的主次關系依次：pH 值＞溫度＞表活＞水壓，洗滌液的pH 值明顯占主要因素，其次是溫度，而水壓在烤牛奶污垢洗凈中占非主導因素，僅僅保證一定的壓力，再配合洗滌劑的作用，就能將牛奶污垢去除。可見，在洗碗機的設計中，配合洗滌劑的使用前提下，可以以去除頑固污漬為導向，適當提高洗滌溫度；在洗碗機專用洗滌劑設計中，可以適當提高產品的pH 值或者加入適量的蛋白酶從而提高頑固污漬的去除。