酶领生物洗涤未来——更清洁、更环保、更可持续的商业发展

李 浩 高 楠

（诺维信（中国）投资有限公司，北京，100085）

自2007年十七大报告中首次提出“建设生态文明，基本形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构、增长方式、消费模式”以来，绿色生产和消费就成为我国新型工业化和可持续发展的重要内涵。在2016年发布的《中国落实2030年可持续发展议程国别方案》[1]中，更是从可持续消费立法、绿色标准制定、最严格资源管理和产品的全生命周期管理等方面对“联合国可持续发展目标12-采用可持续的消费和生产模式”设定了符合中国国情的具体化措施。

中国洗涤用品工业一直在积极探索绿色发展实践。2009年，中国轻工业联合会和中国洗涤用品工业协会联合发布“浓缩洗衣粉”标识并在之后升级为“浓缩洗涤剂”标识。同时，众多洗涤剂生产企业和品牌也都积极参加了工信部提出的“生态设计产品-家用洗涤剂”的评价活动并获证。在2019年中国洗涤用品行业绿色发展峰会上，工信部副部长辛国斌将中国洗涤用品工业的绿色发展浓缩为三点，即绿色产品、绿色品牌和绿色制造，并推动基于产品全生命周期的绿色生产和消费[2]。

与传统的石化原料相比，生物酶制剂由于其天然的生物属性，可以在洗涤剂绿色化发展过程中发挥重要作用。生物酶是来自于大自然的生物催化剂，在洗涤过程中可与其他洗涤成分发挥良好的协同作用，提高洗涤剂的去污性能，提升洗涤剂护衣护色和异味去除效能。近年来，随着“生物洗涤剂”概念的提出，用绿色原料替代石化成分制造生物洗涤剂已经成为了国内外行业关注的焦点。

1 研究目的和方法

1.1 研究对象

本研究中的对象为4个液体洗涤剂产品，参见图1。

图1 洗涤剂的成分构成

洗涤剂A采用的是常规表面活性剂，且助洗剂只添加了一种蛋白酶，为目前市售洗涤剂的代表配方。在洗涤剂B中，我们将表面活性剂含量减少了30%，且未额外添加酶。洗涤剂C中，表面活性剂的浓度水平与洗涤剂B中的相同，但添加了由5种酶组成的复合酶混合物。在洗涤剂D中，我们调整了表面活性剂浓度，较洗涤剂A降低了45%，同时添加了效能更强的复合酶。上述变化带来的质量损失均用水补齐至100%。

1.2 洗涤实验设计

实验共进行了12组洗涤，用以证明表面活性剂替代方案的去污作用。每次洗涤的洗涤剂用量为74 g，在自动波轮洗衣机（松下洗衣机，型号XQB75-H7231）中进行，每一种洗涤剂进行了3组外部重复洗涤以控制误差（25°C，主洗15 min，洗涤用水量37 L，2次漂洗，1.5 kg涤棉混合洗涤填充物，水硬度14°dH）。设置这些洗涤条件的目的是模仿亚太地区众多家庭的洗涤习惯。

1.3 污渍序列

由于酶和表面活性剂对不同类型污渍的作用不尽相同，因此实验使用了一整套的污渍序列，以便能充分涵盖洗涤效能评估的各个方面。这套序列由38种污渍组成，目的在于涵盖亚太地区消费者最常见的污渍种类。

1.4 去污力评估

洗涤实验中使用的所有样品均在洗涤后自然晾干，然后采用Datacolor反射计测量干燥样品在460 nm处的反射值。

1.5 环境影响评价

遵循ISO14040标准，本研究通过产品生命周期评估模型（Life Cycle Assessment, LCA）对4种洗涤剂在其全生命周期环节对环境的影响进行评估，其中考虑了从原材料开采加工、酶和表面活性剂生产，到洗涤剂产品生产、使用及使用后废水排放和处理之间的所有重要环节。

环境影响评价包括一个资源要素指标（化学品消耗）和两个环境要素指标（气候变化和对水生生物的毒性影响）。

化学品消耗是指由于洗涤剂配方改变所产生的洗涤剂原料用量变化。

气候变化是指由于能源的使用变化所引起的二氧化碳等温室气体的排放，对全球升温的潜在影响。

水生生物毒性是指洗涤废水最终流入自然水体后对水生生物的影响。尽管高效的市政废水处理系统已经遍布城市和乡村，但消费者使用后的洗涤剂成分最终还是会流入到当地的湖泊和河流。这些物质可能会对水中生物(藻类、水蚤、鱼类等)的生活造成不良影响，且生物降解速度缓慢。这种化学制品在环境中的潜在影响被称为水生生物毒性，其衡量标准是将所考虑的成分溶解至无毒水平所需的水量，即临界稀释量（Critical Dilution Volume,CDV，参见图2）。本研究采用欧洲生态标签系统[3]的筛选方法，对使用的酶和所节约的表面活性剂的临界稀释值进行了估算，将每种物质的数量、活性成分含量以及可降解性和毒性都列为考虑因素。

图2 洗涤剂对水体和水生生物的影响

2 结果

2.1 洗涤去污结果

下图3显示4种洗涤剂方案针对污渍的去除效果，结果用洗涤后38种污渍的反射值总和来表示。反射值高意味着去污力强，反之亦然。

图3 常规洗涤剂与3种配方调整后的洗涤剂总去污能力对比

结果表明，在不添加任何复合酶的情况下（洗涤剂B），降低洗涤剂中表面活性剂的浓度会导致去污力下降。这一结果在意料之中，也验证了表面活性剂在洗涤剂中的重要性。

结果还表明，将5种复合酶添加到洗涤剂中，并将表面活性剂减少30%或45%（洗涤剂C和洗涤剂D），可以有效弥补损失的总洗涤效能。这一效果要归功于多种酶的添加，这些酶将不同类型的污渍分解成碎片，从而使清洗系统能更有效地发挥作用。

2.2 不同污渍组所对应的洗涤结果

我们将去污结果分组，以便能更直观地呈现不同洗涤剂对各组污渍的实际效果。

如图4所示，用5种复合酶代替表面活性剂（洗涤剂C和D）后，7个污渍组中有6个组的平均去污效能都得以改善或保持原有水平。

对“富含蛋白质的污渍”“富含淀粉的污渍”“富含甘露聚糖的污渍”以及“混合污渍”所做的观察结果表明，它们的平均去污效果均有所提升。其原因在于，特定的酶能够有效地并针对性地去除这些污渍。

图4 4种不同洗涤剂对7种物资组的平均去污率

在“表面活性剂敏感的污渍”组中，去污效果几乎相同。这是因为在所有纳入考虑的洗涤剂中，都含有足够浓度的表面活性剂。

与通常的液体洗涤剂一样，纳入考虑的洗涤剂不包含任何具有漂白作用的漂白剂，因此对“漂白剂敏感的污渍”的洗涤效能与洗涤剂本身的选择无关。

在“富含脂质的污渍”组中，当表面活性剂含量减少30%并添加酶时，酶表现出提升去污效能的能力。但是当表面活性剂含量降低45%时，添加酶并不足以弥补表活减少引起的洗涤效能下降。脂质敏感污渍组中的组分猪油是洗涤效能降低的原因。

2.3 洗涤性能总结

总体上，对于大多数污渍而言，使用富含酶的洗涤剂，在表面活性剂减少30%的情况下，可以改善洗涤性能。即使表面活性剂减少45%，含酶洗涤剂在除“脂质污渍组”以外的所有污渍组中的功效也都明显胜出。

如表1所示，我们对GB/T 26398-2017 《衣料洗涤剂去污性能、耗水量、节水性能评估指南模拟家庭洗涤试验法》中一些JBS污渍的洗涤效果做了总结（如图5），其趋势与图3一致。因此，对于该部分国标污渍而言，使用富含酶的洗涤剂，在表面活性剂减少30%或45%的情况下，依然可以改善洗涤效能。

表1 污渍对比

表2列出了用于洗涤效能评估的污渍详细信息。

图5 JBS污渍总结

2.4 从成本角度分析表面活性剂的替代方案

降低洗涤剂中表面活性剂的用量可以节约成本。在本研究中，节约的表面活性剂成本用于在洗涤剂中添加酶。例如，在表面活性剂用量减少30%的情况下，与传统洗涤剂中仅一种酶相比，我们可以添加5种不同的酶（如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、甘露聚糖酶和纤维素酶），而仍可以节约相当于表面活性剂和酶总成本的8%(计算所采用的价格是估计的市场价格而非实时价格)，见下图6。

图6 洗涤剂成本动态变化情况

表2 用于洗涤效能评估的污渍详细信息

2.5 环境影响评价结果

2.5.1 化学品消耗

在洗涤剂产业链的上游环节，每年都会有大量的洗涤剂原料被制造出来，并经过运输和储存用于洗涤剂产品的生产。用酶替代表面活性剂，可以大量减少洗涤剂的活性成分，因为酶的催化剂性质决定了它出色的洗涤效率。

如图7所示，当表面活性剂含量降低30%时，酶的用量仅为所减少的表面活性剂用量的1/10。这意味着，如果采用高强度的酶系统，则每次洗涤都可以节约相当用量的洗涤剂成分。洗涤剂生产商因此受益，可以开发出体积更小的产品，以便在线分销并节省包装、运输和仓储成本。

图7 不同配方洗涤剂成分的用量和节省量

2.5.2 气候变化

酶和表面活性剂的生产都会对全球气候产生影响，因为能源的利用贯穿洗涤剂生产和消费的整条产业链，无论在哪个环节，都会排放CO2和其他温室气体。

如图8所示，生产每次洗涤所需用酶的二氧化碳排放量比生产所节约的表面活性剂的二氧化碳排放量低约10倍。原因得益于酶的催化剂特性——持续发挥功效且不会损失。而表面活性剂则是通过形成聚集体起作用，且在洗涤过程中会被消耗掉。少量的酶可以发挥与大量表面活性剂相同的作用。

2.5.3 水体生物毒性

图8 不同洗涤剂成分所产生的温室气体排放量 （CO2e）

无论是否经过废水处理，洗涤废水最终都会进入自然水体并自然降解。尽管毒理评估的结果尚不确定，但酶和表面活性剂之间存在明显差异，而且从对水生生物毒性的角度看，可以大致得出酶对水生生物更有利的观察结果。

如图9所示，添加的酶可能需要1.1m3的水来稀释以消除其生物毒性，而稀释所节约的表面活性剂的毒性可能需要12.6m3的水。对水生生物而言，添加的酶的潜在生态毒性是所节约的表面活性剂的1/11。原因是酶比表面活性剂用量更少，更易生物降解。

图9 不同洗涤剂成分的临界稀释值

2.6 中国环境展望

中国家庭每年的洗衣总次数约为600亿次（计算依据：2018年中国人口[4]约为14亿人，户均规模3.4人，可以计算得出中国家庭数量约14亿÷3.4人/户≈4亿户。中国家庭平均每周洗衣次数约为3次，据此可以得出中国家庭每年总洗涤次数约为4亿户×3次/每周×52周/年≈600亿次/年）。

2.6.1 节约化学品

如果50%的中国家庭都使用富含酶且表活用量减少30%的洗涤剂进行衣物洗涤，那么中国每年的化学品消耗量将可以减少10万吨（每年600亿次洗涤×50%×每次洗涤可节省3.6克洗涤剂成分/100万克/吨≈10万吨），这相当于大约4000辆卡车的承载量（10万吨化学品÷ 25吨载重/每辆卡车≈4000辆卡车载重量）。

2.6.2 温室气体减排

如果一半的中国家庭都使用富含酶且表活用量减少30%的洗涤剂进行衣物洗涤，那么每年可以减排30万吨CO2（每年600亿次洗涤×50%×可减排10克CO2/每次洗涤÷100万克/吨≈30万吨二氧化碳），这相当于约12.5万辆家用汽车的CO2年排放量（30万吨CO2÷2.4吨CO2/每车≈12.5万辆汽车）。

2.6.3 更清洁安全的水环境

如果一半的中国家庭都使用富含酶且表活用量减少30%的洗涤剂进行衣物洗涤，那么每年可节省3500亿m3的生态稀释水（每年600亿次洗涤×50%×11.5m3稀释水/每次洗涤≈3500亿m3稀释水），这差不多相当于一个边长为7km的洁净水立方体。

3 结论与建议

从去污性能来看，用生物酶替代部分表面活性剂，可使优化后的液体洗涤剂在洗涤去污表现上均优于未调整的液体洗涤剂。在不同污渍组上，特别是“富含蛋白质的污渍”“富含淀粉的污渍”“富含甘露聚糖的污渍”和“混合污渍”组上，优化后的液体洗涤剂的表现均有明显的改善和提高。这一结论可以对中国洗涤剂厂商针对特定市场和消费者需求开发特定的洗涤剂产品有参考价值。

不仅如此，本研究中针对洗涤去污表现提升所做的配方优化是在保持洗涤剂原料成本不变、甚至略有降低的前提下所做的调整。这一结论证明生物酶有助于中国洗涤剂厂商在不断提升产品效能的同时保持产品的价格竞争力。

尤为重要的是，生物酶替代部分表面活性剂还会对环境有积极的影响，如减少化学品消耗、降低温室气体排放和对水生生物的影响。生物酶在洗涤剂中的应用将有助于推动中国洗涤用品工业的可持续发展，助力实现“生态文明”和“美丽中国”伟大目标。