脂肪酶在厨房油污硬表面洗涤中的研究

李晓如 刘凯 张剑, 杨媛

（1.山西大学化学化工学院，山西太原，030006；2.山西勇宁记科技有限公司，山西太原，030006）

厨房中冷凝并黏结到厨房硬表面上的油污，一般洗涤剂很难将其去除。厨房油污一般由油脂的聚合物和其他污物交联而成[1,2]，很难溶于水，也难以在常规条件下被乳化及增溶，在目前的研究中主要有以下几种去污的方法：第一是有机溶剂除油污[3]，有机溶剂可以通过润湿、渗透、溶解以及乳化作用对油污中的聚合物进行有效清洁，但有机溶剂毒性大、刺激性强，较为危险；第二是碱性的皂化作用，一般的油脂由高级脂肪酸和甘油构成，油脂分子构架中的酯键能与碱发生皂化作用，形成水溶性的脂肪酸盐和甘油而被清除掉，从而达到清洁厨房油污的目的，但碱性物质会对人体皮肤以及厨房的器物表面造成伤害和腐蚀；第三是表面活性剂除油污，表面活性剂可以通过润湿、渗透、增溶和乳化等作用[4]使油污从物体表面脱落分离。表面活性剂具有温和、毒性低、刺激性小的特点，但其成本相对较高，且相比碱液以及有机溶剂对厨房油污的除垢效率低，油垢与表面活性剂需要接触很长时间才能被清除干净。酶是一种具有专一性、高效性和温和性的生物催化剂，应用于洗涤剂中能提高特定污渍的去污能力，同时减少洗涤剂中助剂和表面活性剂用量，减少环境污染。厨房油污主要是由于日常使用的植物油外溅积累形成，植物油的主要成分是甘油三酯，脂肪酶可以将甘油三酯水解成脂肪酸和甘油，达到清洁厨房油污的作用。

综上所述发现，每种方法都有一定的优点和局限性。所以厨房油污清洗剂配方设计要充分利用有机溶剂对聚合物油污的溶解性能，碱性物质的碱度对油污的影响以及表面活性剂降低表面张力的特性和脂肪酶去除特定油污的性质。基于此，本实验选取市场上常见的表面活性剂AEO-9、FMEE、APG、6501、AOS、FMES、AES、MES、LAS对厨房污垢的进行单一组分去污力测试。筛选出对厨房污垢去污力性能较好的表面活性剂AEO-9、6501、AOS、LAS，并对筛选出的表面活性剂做了不同浓度的去污力比较。最后通过SPSS优化了脂肪酶与各表面活性剂以及洗涤助剂的配比，并与市场上现有洗涤剂对厨房污垢去污性能做了比较。

1 实验

1.1 主要试剂和仪器

1.1.1 Candida.sp.99-125脂肪酶

Candida.sp.99-125脂肪酶具体信息如表1，其3D结构图和氨基序列[5]如图1所示。

1.1.2 其他试剂和仪器

其他试剂和仪器列于表2、表3。

1.2实验方法

分别称取一定质量的AEO-9、FMEE、APG、6501、AOS、FMES、AES、MES、LAS 于10个100mL的烧杯中，配制一系列质量分数的表面活性剂溶液，搅拌溶解。

表1 Candida.sp.99-125脂肪酶具体信息

图1 Candida.sp.99-125脂肪酶的3D结构图和氨基序列图（PDB:4JEI）

表2 主要试剂

表3 主要仪器

取10组100mL烧杯分别标号（A1、A2、A3、B1、B2、B3、……、J1、J2、J3），记录空烧杯质量m0（称准到0.0002g），在烧杯底部涂抹油垢（每个烧杯油垢质量控制在0.25g），于200℃电热鼓风干燥箱中干燥10min，冷却至室温，称量并记录其质量m1。在称取上述配制的溶液8g于烧杯中（每组烧杯对应一种溶液），使油垢在试样溶液中浸泡10min，调节振荡箱的温度为30℃，转速为150r/min，将烧杯放置到振荡箱中振荡10min，取出，将洗涤液倒掉，再加入100 mL蒸馏水，振荡30s，取下烧杯，倒掉洗涤液，然后将烧杯置于120℃恒温干燥箱中干燥40min，冷却至室温，称量烧杯质量m2（称准到0.0002g），计算去污力，每组去污力结果最后取平均值。

去污力计算公式为：

1.3 数学统计学方法分析

SPSS(Statistical Package for the Social Science)软件多元线性回归分析可以研究硬表面洗涤剂中各单因素相互之间协同作用与去污力的关系，通过SPSS软件多元线性回归分析可以得到去污力值与硬表面洗涤剂中各单因素的关系式，这个关系式可以直观地表达出硬表面洗涤的各单因素与去污力值的线性相关性以及相关系数。

2 实验结果与讨论

2.1 不同表面活性剂的组分筛选

表面活性剂中一般含有亲油和亲水基团，在清洗硬表面油污的过程中亲油基团的一端与油污结合，亲水基团的一端伸入水中从而降低油污与硬表面之间的表面张力。因此硬表面与油污接触的表面张力越低，润湿性能通常越好，油污就越容易卷缩成油珠从硬表面上掉下，从而达到清洁表面的作用[6]。由图2可以看出，在相同的实验条件下，质量分数为4%的表面活性剂FMEE、FMES、AES、MES的去污效果均比与其对应质量分数的AEO-9、AOS、LAS、6501等其他表面活性剂去污效果差，证明AEO-9、AOS、LAS、6501表面活性剂在硬表面清洗过程中降低表面张力的能力要强。本次测试最终筛选出AEO-9、AOS、LAS、6501作为洗涤剂配方拟采取的表面活性剂。

图2表面活性剂的去污力结果

2.2 不同质量分数的脂肪酶与表面活性剂去污力测试

分别配制质量分数为0.5%、1%、2%、4%的脂肪酶、AEO-9、6501、AOS、LAS溶液，按照上述实验方法测试不同质量分数的脂肪酶、AEO-9、6501、AOS、LAS的去污能力。实验结果见图3。

从图3中可以看出，质量分数在0～2%区间内，脂肪酶的去污力随质量分数的增大有显著增强，当质量分数超过2%时，脂肪酶的去污力随着质量分数的增加几乎没有提升，说明脂肪酶此时相对于底物已经饱和，所以脂肪酶的最适质量分数为2%。表面活性剂6501、LAS相比AEO-9有出色的去污力，在较低的质量分数下有很强的去污力效果，三者在0～4%质量分数区间内的去污力值随浓度增大而增强，但增速逐步减缓，在4%～8%质量分数之间，去污力较为平缓，甚至会有所降低，因此在表面活性剂添加过程中，考虑成本以及实效因素，表面活性剂6501、LAS和AEO-9的质量分数应该控制在4%以内。AOS的去污效果图中，其去污力在0～8%质量分数区间内几乎呈线性增长，但在低浓度下，去污力较6501、LAS有不足，在实际使用中，可以适当增加其质量分数。

图3 脂肪酶、AEO-9、6501、LAS、AOS去污力值随浓度变化情况

表4 水平均匀设计实验

2.3硬表面洗涤配方的优化

在组分优选实验的基础上采用均匀设计对洗涤剂配方组成进行优化，以三乙醇胺、丙二醇丁醚、脂肪酶、AEO-9、6501、AOS、LAS为复配体系建立7因素12水平的均匀设计实验来确定组分最佳百分含量，配制实验方案的溶液。把所得实验结果导入SPSS中进行回归方程分析，分析各组分协同作用对硬表面污垢去污力的影响。

将实验方案数据导入SPSS软件进行回归分析，回归分析结果见图4，回归效果显著。得出回归方程为：

图4 SPSS回归分析结果

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

分析回归方程数据，我们可以看出丙二醇丁醚是去污力提升的主要因素，同时有机溶剂可以保持脂肪酶活跃的状态，充分发挥其去污作用。对于洗涤剂组分之间的交互作用，x1x3项系数为正且最大，说明三乙醇胺和脂肪酶有卓越的复配效果，碱性环境可以使脂肪酶水解油污生成的脂肪酸从硬表面上脱落，使脂肪酶去除油污的反应向正向移动，同时在碱性条件下脂肪酶有更大的活性，因此碱性环境有利于油污的去除。而x1x7项系数为负，说明碱性条件下会降低AOS的去污性能，x2x5项系数为正说明在该体系下有机溶剂丙二醇丁醚和6501复配效果较好，对去污力有提升，对于x4x5和x4x6两项，可以分析出AEO-9与LAS复配有较好效果，而与6501复配洗涤效果不如单一体系，对于x5x7和x6x7两项，AOS与6501有良好的复配效果并优于单一体系，而和LAS复配对去污力则有负面影响。

将回归方程导入到Matlab中编写程序计算目标方程的最大值，即在x1=1、x2=2.5、x3=2、x4=0、x5=2.5、x6=0、x7=3时，F（去污力）有最大值，即洗涤剂最佳配方为：三乙醇胺1%、丙二醇丁醚2.5%、脂肪酶2%、6501 2.5%、AOS 3%。

2.5洗涤剂配方检测

根据配方优化结果，确定洗涤剂配方为：三乙醇胺1%、丙二醇丁醚2.5%、脂肪酶2%、6501 2.5%、AOS 3%，配制洗涤剂并进行去污力、pH、腐蚀性、稳定性检测，同时与市售品牌产品进行对比。

结合表5与图5的分析，可以看出通过配方优化的自制洗涤剂的去污力优于市场上品牌产品的去污力，对比国家标准QB/T 4348-2012[7]，其原液pH＜11.8且远小于市售产品，其腐蚀性远远小于国家标准100mg，有效减少了对人体的伤害，比较符合现代人们对于厨房洗涤剂产品的要求，其产品去污力强、腐蚀性小、刺激程度低、毒性低、符合环保要求。

表5 自制洗涤剂与市售洗涤剂产品的性能对比

图5 自制产品与市售产品去污力以及腐蚀性对比（左侧为自制产品）

3 结论

通过测试市场上常用的表面活性剂的去污力，实验筛选出AEO-9、AOS、LAS、6501作为洗涤剂配方拟采取的表面活性剂体系并探究了各组分浓度对去污力的影响，通过测试效果图对比，脂肪酶使用最适的质量分数在2%左右；6501、LAS相比AEO-9有出色的去污力，在较低的质量分数下仍有很强的去污效果，三者在0～4%质量分数区间内的去污力随浓度的增大而增强，但增速逐步减缓，在洗涤剂表面活性剂添加过程中，考虑成本以及实效因素，这些表面活性剂的质量分数应该控制在4%以内，而AOS的去污力在范围内近似线性增长，但在低浓度下去污力较6501、AOS有不足，在实际使用中，可以适当增加其质量分数。

在配方优化过程中，通过均匀设计以及SPSS对数据的回归方程分析，回归方程拟合效果很好，从而得到了洗涤剂最佳配方：三乙醇胺 1%、丙二醇丁醚 2.5%、脂肪酶 2%、6501 2.5%、AOS 3%，通过对洗涤剂配方的检测，脂肪酶与表面活性剂优化后的自制洗涤剂符合国家标准。