表面活性剂在食品工业清洗中的应用

马晓琳 涂兴珺 姜 丹

陶氏化学（中国）投资有限公司，上海，201203

民以食为天，食以安为先。随着经济的发展，生活水平的进步，食品安全问题越来越受到广泛关注。最新颁布的《中华人民共和国食品安全法》（2021修订版）中，对于食品安全生产提出了更为严苛的要求。食品安全不仅仅包括食品自身的质量安全，而且还包括生产和食用过程中与食品直接接触的机械设备、食品包装、餐饮具等材料的卫生。对食品接触材料进行清洗和消毒，是保证其表面卫生状况的主要手段[1]。食品工业中的每一个食品加工环节都关系着食品安全，食品生产厂商需要对食品加工中每个环节的清洗和消毒有足够的重视和警惕。

有效合理的清洗消毒方案，可以去除食品生产过程中产生的污垢，使微生物没有生长的环境，以确保食品安全。在食品工业中，常见的污垢类型可以大致分为有机污垢和无机污垢两大类。有机污垢主要是由食品中的脂肪、蛋白质、糖类等经过生产加工后，特别是在一些加热过程中，在设备表面形成难以去除的碳水化合物。无机污垢是由食品或生产用水中的一些矿物盐类物质，在生产加工后在设备表面沉积形成污垢。在实际生产中，这些有机和无机污垢不是单独存在的，而是相互渗透和包裹，在热表面形成非常复杂的结构[2-3]。而且实际食品生产中，不同的产品、工艺以及设备产生的污垢都会有所不同，这给设备的清洗和消毒带来了很大的挑战。

食品及餐饮工业清洗和消毒的流程和注意事项比较繁杂。在关注清洗消毒时，除了“肉眼可见”的清洗效果，更要确保“不可见的”污垢被有效去除。针对不同的污垢和污垢产生的部位，清洗的方式方法、清洗剂的选择也有不同的考虑。在遇到清洗问题时，不能简单地提高化学品的浓度来加强清洗，有时更高的浓度并不代表更好的清洗效果。在实际的应用中，应该根据污垢的组分分析，制定合适的清洗方案[4]。本文将介绍食品及餐饮工业清洗的方法，以及表面活性剂在其中的应用。

1 食品及餐饮工业清洗体系

1.1 原位清洗（clean in place，CIP）

原位清洗是一种在不拆卸生产设备的情况下，清洗设备和管道的内部接触面的清洗方法。典型的食品和饮料生产加工中，产品线路、加工罐、均质机、混合搅拌设备通常都会使用自动的CIP系统来清洗。CIP技术的主要优势在于：自动化程度高，减少了人员的化学品接触，结果重复好，减少人力开支并提高生产效率。现在工厂最常用的CIP工艺是“五步法”，即水冲、碱洗、水冲、酸洗和水冲。其中，三步水冲主要是带走可溶于水的污垢以及漂洗去管路中的清洗剂。而碱洗和酸洗则分别用于去除有机污垢（脂肪、蛋白质等）和无机污垢（垢石等）[5]。

CIP碱性清洗剂可以为清洗体系提供高pH环境，通过皂化及水解等反应，碱性体系对蛋白质、多糖、微生物和油脂等具有优良的溶解能力。碱性清洗剂的主要成分有无机碱及盐类（如氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、硅酸钠和磷酸盐等）。而螯合剂、表面活性剂、氧化剂和酶可作为清洗添加剂来增强清洗效果。

另外，食物中含有丰富的矿物质，尤其是钙质。钙离子与油脂中的硬脂酸或油酸结合，形成不溶于水的脂肪酸盐，易沉积在设备和管道内表面形成垢石。为了有效去除这类不溶物，通常使用酸性清洗剂。此类清洗剂一般由强酸（硝酸、磷酸、氨基磺酸等）及一些助剂复配而成。当设备污染程度较低时，也可使用弱酸类，如柠檬酸和羟基乙酸等。

1.2 移位清洗（clean out of place，COP）

移位清洗主要针对设备外表面，或者不能实施原位清洗、亦或原位清洗不能彻底洗净需要定期拆卸进行清洗的部件。通常分为浸泡清洗和泡沫喷淋清洗系统，广泛应用于肉类加工、中央厨房、养殖业、休闲食品加工、乳品饮料生产等行业。对于泡沫清洗体系，清洁剂以泡沫形式喷到待清洗表面，泡沫需要在表面停留较长时间，以便于和污垢充分接触，进行润湿和乳化，提高清洗去除效果。此外泡沫的附着性和流动性使其易于渗透，帮助清洗消毒更加安全彻底。

1.3 回收啤酒瓶的清洗

随着啤酒行业的发展，越来越多的清洗剂企业开始推出专用的清洗剂，其中洗瓶添加剂是具有代表性的产品之一。瓶装啤酒在灌装之前，上道工序要提供清洗合格的啤酒瓶，不得带有污渍和过多残余水，要满足光洁、干净和无菌的工艺要求。因此，啤酒瓶的清洗过程尤其重要。啤酒瓶可分为新瓶、可回收瓶和一次性使用瓶三种。其中可回收瓶因为在市场回收过程中受到各种因素的影响，通常污染情况较为严重，是洗瓶的难点所在[6]。洗瓶的温度通常在60～70℃以上，主要根据脏污的严重程度和工艺需要进行控制，既要确保清洗干净，也要避免温差过大而导致瓶损，同时还需考虑节省能耗和成本控制。

常用的洗瓶剂通常是氢氧化钠洗涤液，并添加硅酸钠、葡萄糖酸钠和磷酸盐类等混合使用。工作液的碱浓度一般在1.0%～2.5%（重量百分比），根据回收瓶污染程度调节。在保证清洗效果的同时也需要注意控制残碱。为了提升产品的清洗力，高效洗瓶剂通常配有表面活性剂。因为表面活性剂具有良好的润湿力，可以促进污垢的溶解和分散，使啤酒瓶洁净亮泽。

2 表面活性剂的应用

表面活性剂是可以降低气相-液相、液相-液相或液相-固相之间的表面（或界面）张力的一类物质。它们通常是两亲的有机物，分子内既含有疏水基团（“尾部”）又有亲水基团（“头部”），即分子中同时含有油溶性和水溶性的结构组分。表面活性剂可以分散在水中，并且吸附到空气-水（或油-水）的界面。疏水基团从水相向空气（或油相）伸出，而水溶性基团则留在水相中。通过在两相界面的吸附，表面活性剂可以降低水溶液的表面张力。根据这个特性，表面活性剂可以作为洗涤剂、润湿剂、乳化剂、发泡剂或分散剂等广泛应用在工业生产和日常生活中。

表面活性剂主要分为四类：阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂及两性离子表面活性剂。在食品工业清洗剂中使用较多的是前两种，即阴离子型和非离子型。阴离子表面活性剂相对来说泡沫较高，高温相容性好，对颗粒性污垢去除性好，而非离子表面活性剂往往去除油性污垢作用较强，且耐硬水，并可以通过结构修饰获得低泡型产品。由于其各自的特性，阴离子和非离子表面活性剂经常复配使用，以发挥协同效果。下面介绍一些适合食品工业清洗的表面活性剂系列产品。

2.1 阴离子表面活性剂

阴离子表面活性剂在亲水基团（“头部”）带有负电荷，例如硫酸盐、磺酸盐、磷酸盐和羧酸盐等。在食品清洗中，常见的有十二烷基苯磺酸盐（LAS）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸酯盐（AES）等。LAS具有很强的脱脂能力，泡沫高，成本低，但缺点是不耐硬水；另外在复配使用时不宜浓度过高，否则容易分层。AES同时具有乙氧基和磺酸基团，比LAS刺激性低，但去污力不如LAS。

近年来也有不少特种阴离子表面活性剂产品进入市场。其中，DOWFAX™系列属于烷基二苯醚双磺酸盐类型的高性能表面活性剂。与常规的阴离子表面活性剂每个分子只含有一个离子电荷相比，DOWFAX™系列表面活性剂具有两个离子电荷。两个磺酸盐基团意味着更强的电荷密度，这种局部的高电荷密度有利于其在水基体系中溶剂化，即使在硬水环境下也不会沉淀。另外，二苯醚结构在具有苯环稳定性的同时，醚键的灵活性帮助其与溶液中的其他物质互相作用，提升偶联能力。这些结构特点可以使该系列与常规阴离子表面活性剂相比可在严苛配方体系下更强效和耐久，并具有多样化的应用。表1列出了该系列的表面活性剂产品和基础性能参数。

表1 DOWFAX™阴离子表面活性剂产品

食品工业清洗往往需要使用强碱性或强酸性的配方体系。在碱清洗时，需要去除的污垢除油脂、蛋白等外，还会有色素等。此时，结合使用氧化剂会使各种去污的因素发生“协同增效作用”，在添加次氯酸钠的情况下，清洗液对蛋白质的去除率也大大增加[7]。次氯酸钠是用得比较多的氧化剂之一。含氯碱性清洗剂一般由碱、次氯酸钠、表面活性剂（需耐氧化）等组成。此种清洗剂可明显提高清洗力和清洗效率，特别对于色渍、纤维、焦化蛋白、碳化油脂、霉斑等难洗污垢，效果突出[8]。而DOWFAX™阴离子表面活性剂凭借其优良的稳定性和溶解度，非常适用于含有酸性、碱性和氧化性物质的配方，在高浓度电解液中也有良好的相容性，并且有效对抗氧化和热降解。特别是DOWFAX™阴离子表面活性剂有助于配制出效果更好、使用寿命更长的次氯酸盐消毒产品。这主要归功于其结构稳定，不被次氯酸所降解，故而能长期保持清洗液的表面活性，并且由于不与次氯酸发生反应，也有助于避免次氯酸活性物的快速消耗。

从图1可以看出，相比常规表面活性剂（烷基苯磺酸、SLES和AEO等），DOWFAX™系列阴离子表面活性剂更有助于次氯酸钠清洗配方的稳定性。另外，表面活性剂的去污性能可以给配方带来更好的清洗效果。即使在硬水中也能发挥作用并且低残留，易于漂洗。DOWFAX™系列产品不仅在次氯酸盐环境下非常稳定，而且还能溶解于以下氧化剂体系并保持稳定：30% H2O2、34% H2SO4、10% CrO3、20% HNO3。

图1 次氯酸钠溶液稳定性

泡沫一直是工业清洗领域受到广泛关注的问题。在食品加工原位清洗中，低泡是清洗配方的一个重要指标。过多的泡沫导致难以漂洗，易残留，甚至溢出清洗装置，造成浪费。一般来说，阴离子表面活性剂比非离子表面活性剂具有更高且稳定的泡沫，这一特性可能会影响其在原位清洗中的应用。因此，通过对化合物疏水端碳链的设计，开发了DOWFAX™阴离子系列相对低泡且易破泡的一款产品—DOWFAX™ 8390，可以应用于有低泡需求的清洗工艺中。

从图2可以发现，DOWFAX™ 8390溶液不仅起始泡沫显著低于DOWFAX™ 2A1和3B2，并且具有快速消泡的特点。5 min后，DOWFAX™ 8390溶液的泡沫仅为起始的1/3，而DOWFAX™ 2A1和3B2的泡沫则较为稳定。因此，DOWFAX™ 8390更加适用于对低泡要求较高的食品加工清洗工艺。

图2 DOWFAX™系列产品的泡沫比较（罗氏泡沫法，1%表面活性剂）

2.2 非离子表面活性剂

非离子表面活性剂的亲水链是由共价键结合的含氧基团，不带电荷。非离子表面活性剂的水溶性来自于这些含氧基团与水分子的氢键缔合。氢键的稳定性随着温度升高而降低，因此非离子表面活性剂的水溶性也随温度升高而降低。相比阴离子表面活性剂，非离子表面活性剂耐硬水，泡沫也相对低一些。常见的非离子表面活性剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）、烷基糖苷（APG）和脂肪酸烷醇酰胺（6501）等。它们去污力较好，可抗硬水，刺激性低，但往往泡沫较高且不易消泡，在对低泡需求较高的清洗工艺需配合消泡剂。

另外，通过对亲水链的结构修饰，例如引入环氧丙烷、环氧丁烷等基团来增加一定的疏水性，可以获得更为低泡（或快速消泡）的表面活性剂产品。例如，ECOSURF™ LFE系列（LFE-635和LFE-1410）是环保型低泡非离子表面活性剂。两款产品均以支链脂肪醇起始，经烷氧基化反应制得。该系列产品具有易生物降解、低气味和低水生毒性的特点（表2）。

表2 ECOSURF™ LFE系列产品

在早期的清洗中，人们直接使用强碱作为清洗剂进行清洗。但加入表面活性剂后，能促使清洗液在污垢表面的铺展。特别是对于一些难以清洗的污垢，表面活性剂的加入可大幅度提高清洗力及效率。可见表面活性剂的润湿作用对提升清洗效果非常重要。ECOSURF™ LFE系列是支链脂肪醇起始特种非离子表面活性剂，表面张力显著低于常规EO/PO共聚物型低泡表面活性剂，对于帮助清洗液的铺展及污垢的剥离效果更好。

对于食品原位清洗和啤酒瓶清洗，除了润湿性能，低泡也是一个重要的配方指标。在图3的实验中，将LFE-1410、LFE-635和EO/PO共聚物对照表面活性剂（1%水溶液浊点24 ℃）分别配置0.1%(重量百分比)的水溶液，使用自动摇泡装置进行1 min的摇泡实验，并记录其摇泡后的泡沫高度。从结果看，LFE-1410在摇泡结束可以快速达到完全消泡。而LFE-635虽然浊点高于对照表面活性剂，但泡沫却明显少于对照品。这说明LFE-635不但更易于配方相容性，同时也减少了泡沫的产生。这两款产品具有显著的低泡性能，非常适合应用于各种食品原位清洗和洗瓶工艺中。

图3 表面活性剂的泡沫评估（0.1%水溶液）从左至右：LFE—1410、LFE—635、对照表面活性剂（EO/PO共聚物）。

3 小结

食品加工过程中，各个环节的清洁对食品安全都有着重要影响。不同的生产设备和管路有各自相应的清洗流程。同样，对应不同设备和清洗工艺，其清洗液的配方也有各种特定的要求。清洗剂的正确选择和合理的清洗工艺可以高效地去除生产中的污垢，保障食品安全。表面活性剂作为洗涤剂配方的重要原料之一，在食品工业清洗中也有着广泛的应用。在配方设计时，应根据实际的指标需求（润湿、泡沫等）选择高性能的表面活性剂产品。