绿色表面活性剂APG在餐具洗涤中的应用

马倩楠 杨佳维 何立新 王明召

绿色表面活性剂APG在餐具洗涤中的应用

马倩楠 杨佳维 何立新 王明召

一、餐具上的油污是如何除去的

餐具洗涤是从餐具表面除去油污等污垢的过程，常需使用餐具洗涤剂，表面活性剂是餐具洗涤剂的必要成分。表面活性剂分子通常含有一个较长的疏水链和一个亲水基。疏水链在水中处于不稳定的状态，有迁移到两相或多相界面上的趋势，以尽量减小与水的接触面积，结果使界面张力降低，从而产生润湿、增溶等功能。当表面活性剂浓度足够大时，表面活性剂分子在水中聚集，疏水链彼此靠在一起形成胶团，亲水基向外构成胶团表面。胶团内可以包裹油污，使油在水中的溶解度显著增大（即增溶作用）。再施以机械作用，就能将油污从餐具表面除去（如图1所示）。

图1 表面活性剂去除油污原理示意图

餐具洗涤剂常用的表面活性剂很多，如十二烷基苯磺酸钠（LAS）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐（AES），但是它们在安全性、对皮肤的影响、生物降解性能等方面都不够理想。这里给大家介绍一种性能比较理想的绿色表面活性剂APG。

二、什么是APG

APG代表烷基糖苷（Alkyl Polyglucoside），通常为单糖和低聚糖的烷基糖苷化合物，烷基葡萄糖苷分子的结构如图2所示。分子中的疏水链R一般为C8～C12的烷基，亲水基为单糖或低聚糖苷（聚合度一般为1～3，很少超过5）。由于糖分子具有多个羟基，例如葡萄糖有5个羟基，蔗糖、麦芽糖有8个羟基，因此烷基糖苷的结构极为复杂，存在多种异构体。

图2 烷基葡萄糖苷的分子结构（R为C8～C12烷基）

三、APG的洗涤性能

APG分子中没有强电离基团，属于非离子型表面活性剂，其表面活性居于最高之列，比常见非离子型表面活性剂（例如脂肪醇聚氧乙烯醚）都强，并且在浓碱和电解质（如硅酸钠等）溶液中仍能保持较高的表面活性。表面活性剂形成胶团的最低浓度称为临界胶束浓度（cmc），它是衡量表面活性剂表面活性的重要参数。cmc越小，表面活性越高。当烷基相同时，常用的阴离子型十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠的cmc分别为1.2×10-3mol/L和9.3×10-3mol/L，非离子型月桂醇聚氧乙烯醚C12H25O(OC2H4)9H为1.0×10-4mol/L，而各种APG可小至8.0×10-5mol/L～2.2×10-4mol/L。

APG还具有其他优点，包括泡沫丰富，起泡能力与阴离子表面活性剂差不多；与其他表面活性剂复配具有协同效应，能提高表面活性并减小刺激性表面活性剂的用量；手感温和，对皮肤刺激性小。由于它无毒，易于降解，并且100%用再生性天然原料生产，在能耗、生理、环境相容性等方面有其独到的优势，因而被誉为绿色表面活性剂。它的缺点是受水质的影响较大，随着水硬度增大，去污能力下降。

四、APG的合成

APG通常用天然淀粉及其水解产物与脂肪醇缩合来制备，淀粉的水解产物可以是葡萄糖，也可以是二糖、三糖等低聚糖。合成方法有多种，目前主要使用化学合成法。

在此介绍两种最成熟的工业合成法。一种常称为一步法，它是采用C8～C16的脂肪醇与淀粉水解产物直接反应来生产烷基糖苷，通常需要加热，并需要催化剂。常用的催化剂为硫酸、对甲苯磺酸，也使用具有乳化性能的酸（如十二烷基苯磺酸），这些酸可使原料形成稳定的细小液滴，有助于糖苷化反应。以葡萄糖为原料的反应：

反应完成后除去脂肪醇，然后经过中和、漂白后，即得产物APG。这种方法相对简单，但由于高碳醇与糖的溶解度不好，所以反应时间长，同时需要仔细控制反应条件，否则极易形成结积的焦块。国外主要用此法合成烷基糖苷。

另一种合成法常称为二步法。以转缩醛化法为例，它是在硫酸、对甲苯磺酸等酸性催化剂存在下, 先让低碳脂肪醇（一般为丁醇）和淀粉（或其水解产物）生成低碳链的烷基糖苷，然后再以高碳链的脂肪醇取代糖苷中的低碳链，从而制得高碳链的烷基糖苷。以葡萄糖为原料的反应为：

目前国内主要用此法生产，常用的条件是：第一步反应2小时后，在100～120℃、真空下尽快除去正丁醇，再进行第二步反应。反应40分钟后，用Na2CO3中和，在165℃，0.27 kPa下脱除十二醇，即得到产物。二步法的特点是反应时间短，操作简单，很好地解决了醇糖相溶性问题，但规模化生产需要增加低碳醇的分离工序和设备，且产品纯度不如一步法。除了化学法以外，还可用酶催化法来合成APG。该法具有选择性好，条件温和，工艺简单，产品纯度高等优点，但是转化率低，反应速度慢，合适的酶体系建立复杂，因此目前还处于实验室研究阶段。

五、APG配制餐具洗涤剂

通常，使用APG的餐具洗涤剂配方中还含有其他表面活性剂，这样配成的洗涤剂泡沫丰富，抗硬水性好，易漂洗，手感温和。需要说明的是，泡沫与洗涤剂性能并无直接关系，但泡沫在洗涤过程中逐渐减少的现象，可表明洗涤溶液的有效成分减少，清洗能力下降。由于APG价格相对较高，一般配方中APG用量较少（通常在1%～15%），以降低成本。商业化生产中为了进一步降低成本并增大黏度，常用NaCl作为增稠剂。

以下是一个简单配方的配制实验方案：称取APG（50%）0.70 g，AES（70%）1.20 g，分别加水至10 g，用水浴（或加热套）微微加热使其溶解。将两份溶液混合，加入NaCl饱和溶液3.5 mL，轻轻搅拌均匀，即得产品。本产品具有很强的去污能力，将它稀释5倍后在硬水中的洗涤效果仍很好。

在实验中，需要注意以下事项：（1）AES具有弱酸性，对皮肤有一定刺激性，应尽量避免直接接触皮肤。（2）配制洗涤剂时，应将APG与AES分别溶解后再行混合，否则溶解会较困难。（3）APG较难溶于水，但剧烈搅动会产生大量泡沫，且增溶效果不明显。所以溶解时不宜剧烈搅动，可以稍微加热来促进溶解。（4）NaCl应以饱和溶液形式加入，直接加入固体会造成溶解困难。NaCl的用量不能过大，否则会失去增稠作用，反而使洗涤剂变稀。（5）实验用品多为易燃有机物，所以整个过程不能有明火。

为满足不同需求，可向洗涤剂中加入保湿剂（一般为少许甘油）避免洗涤后皮肤干燥，可加入香料（柠檬香料0.02 g）改善气味，还可加入适量防腐剂（脱氢醋酸钠0.01 g）延长产品保质期。

[1] Farn R J.Chemistry and Application of Surfactant[M].Oxford：Blackwell Publishing Ltd.2006：1

[2] 孙岩.新表面活性剂[M].北京：化学工业出版社，2003

[3] 王军.烷基多苷及衍生物[M].北京：轻工业出版社,2001

[4] 夏纪鼎.表面活性剂和洗涤剂化学与工艺学[M].北京：中国轻工业出版社，1997

[5] 时憧宇.绿色表面活性剂烷基糖苷的合成方法评述[J].化学研究,2005,3：104～106

稿件编号：P1103020

马倩楠，在读本科生。杨佳维，在读本科生。何立新，本科，工程师。通讯作者：王明召，博士，副教授。

国家级化学实验教学团队建设项目，教育部实验室共建项目，北京市教育委员会共建项目，北京师范大学教学建设与改革项目。

北京师范大学。