几种表面活性剂在CIP碱性清洗剂中的应用研究

陈志勇 乐晓光 许雅棋 罗文姬 张丽蓉 邓金花

广东环凯生物技术有限公司，广东韶关，512029

随着经济的发展，人们生活水平不断提高，对食品安全的关注程度也在不断加深。借助于普及的移动终端，消费端出现的食品安全问题一经曝光，便能够在消费者中产生迅速、广泛的传播，导致该品牌的相关产品出现滞销，影响该品牌的发展壮大甚至生存。而清洗与消毒是避免出现此类恶性事件的必要措施之一。

目前，食品加工行业常用的清洗技术之一是原位清洗（cleaning in place，CIP），是指整个生产线在无须人工拆卸的前提下，在闭合的回路中进行循环清洗消毒[1]。一个完整的清洗过程包含水洗、碱洗、水洗、酸洗、水洗、消毒、水洗七个阶段，依次使用CIP碱性清洗剂、CIP酸性清洗剂和消毒剂[2]。完整的CIP流程耗费时间长，在实际生产过程中不少工厂采用一次完整CIP加数次碱性CIP的方式来减少常规CIP的时间，提高生产效率。

碱性清洗剂一般由碱、螯合剂、表面活性剂复配而成。碱能够有效去除蛋白质、糖、油脂等有机污垢，螯合剂能够螯合水体中的钙、镁等金属离子，表面活性剂能够起到润湿、渗透、乳化、分散等作用，提升碱的清洗效果。而CIP碱性清洗剂通常都含有较高浓度的氢氧化钠(＞30%)，在此情况下，常见的表面活性剂难以有效溶入该体系中，表面活性剂的使用受到很大的限制。

在前期的实验中，本实验小组研究了在CIP中螯合剂对液碱去污力的影响，筛选出了对液碱去除奶粉污垢有促进作用的螯合剂[3]。在此基础上，本文对几种表面活性剂的耐碱性、发泡性、润湿性等进行了测试，并研究了它们在强碱性环境中对乳品污垢的去除性能，以期为食品行业碱性清洗剂的开发提供一定的思路。

1 实验部分

1.1 试验材料

氢氧化钠溶液，50%(w/w)，阿拉丁；Trilon®M，甲基甘氨酸二乙酸三钠盐，84%，巴斯夫；SIMULSOLTM AS48(简称AS48)，65%，赛比克；SIMULSOLTM SL4(SL4)，50%，赛比克；Glucopon® 100DK(100DK)，65%，巴斯夫；AG6202，65%，阿克苏；AG6206，75%，阿克苏；AG6210，61%，阿克苏；GREENAPG P C® 0 8 1 0(A P G 0 8 1 0)，5 0%，发凯化工；SKYIN® STS65(STS65)，65%，宁和化工；DOWFAXTM 2A1(2A1)，45%，陶氏；Plurafac®LF431(LF431)，100%，巴斯夫；HIF4101，99%，联泓新材料；FMEE，80%，罗纳；Berol®840，100%，诺力昂；伊利全脂奶粉。

1.2 仪器

分析天平、电热恒温鼓风干燥箱、RHBX-Ⅱ型硬表面摆洗机、不锈钢试片、量筒、烧杯、滴液管、罗氏泡沫仪、恒温水浴锅。

1.3 耐碱性测试

按照45%NaOH+x%表面活性剂+余量水(总重100g)配制样品，x的取值范围为1、2、3、4，搅拌后静置。静置后液体均匀透明则认定该浓度下的表面活性剂可以耐受45%NaOH，若液体呈浑浊状或液体中有明显的析出物则认定该浓度下的表面活性剂无法耐受45%NaOH。

1.4 泡沫性能测试

表面活性剂的泡沫性能测试参考GB/T 13173－2008《表面活性剂 洗涤剂试验方法》。用250 ppm硬水将表面活性剂配制成浓度为0.1%的试验溶液。室温下先用试液冲洗滴液管和刻度量管内壁，然后自刻度量管底部注入试液至50 ml刻度线以上，关闭刻度量管旋塞，静止5 min，调节旋塞，使液面恰好在50 ml刻度线处。将滴液管用抽吸法注满200 ml试液，安放到刻度量管上口。打开滴液管的旋塞，使溶液流下，当滴液管中的溶液流完时，立即开始计时并读取起始泡沫高度，在5 min时再读取第二次读数。

1.5 润湿性测试

室温下表面活性剂在碱性溶液中的润湿性测试参考GB/T 11983－2008《表面活性剂 润湿力测定浸没法》。先配制2%NaOH溶液，然后加入一定量表面活性剂使其浓度为0.5%，用镊子轻轻夹住帆布圆片，浸入试液，当帆布圆片离液面0.5 cm时，松开镊子帆布圆片掉入液面，立即启动秒表计时。当帆布圆片开始自动下沉时，停止秒表。

1.6 污片制备

将奶粉用40 ℃的温水溶解均匀，然后将其滴到钢片上，放入105 ℃烘箱烘烤5～6 h。

1.7 清洗参数

用250 ppm的硬水将清洗剂稀释成有效碱浓度(以NaOH计)为2%的洗液，摆洗机频率30 次/min。

1.8 清洗工艺

采用三步清洗工艺：用摆洗频率为3 0 次/min(往返为1次)的摆洗机的夹子夹住已知涂污量的试片，调整摆洗机高度使试片全部浸入到纯水中，启动摆洗机，室温摆洗10 min。关停摆洗机，调整摆洗机高度使钢片完全脱离纯水并完全浸入80 ℃、保持恒温的洗液中，启动摆洗机，摆洗25 min，最后再用纯水室温摆洗10 min。清洗结束，取出试片，室温下挂晾24 h后将试片进行称重。每组6片，取6个试片的算术平均值作为该组的去污力。

2 结果与讨论

2.1 耐碱性测试

不同表面活性剂在NaOH含量为45%的高碱溶液中的溶解情况见表1。结果显示，不同类型表面活性剂耐能力差异明显，烷基糖苷具有比较强的耐碱能力，即便是在NaOH含量为45%的液体中仍能完全溶解形成澄清透明的溶液，而其他类型阴离子和非离子表面活性剂在高碱液体中以颗粒状或油状析出。

表1 表面活性剂耐碱测试

表面活性剂是一类同时含有亲水基和疏水基的物质，以单分子膜和胶束的形式溶于水中。在NaOH溶液中，由于阴离子表面活性剂的亲水基所带负电荷的静电作用吸引相反电荷Na＋，形成离子氛，Na＋离子氛又吸引体系中过量的OH－，形成OH－离子氛[4-6]。随着碱浓度增加，Na＋和OH－与阴离子表面活性剂的亲水基之间吸附作用增强，使得表面活性剂更易形成胶束而聚集析出[7]。在高浓度NaOH溶液中，Na＋和OH－减少了表面活性剂与水分子接触的机会，导致非离子表面活性剂发生盐析效应，使其胶束聚集析出[8]。而烷基糖苷亲水基半径较大且含有多个羟基，在碱溶液中能够与水分子形成氢键，使得Na＋和OH－难以靠近亲水基，削弱了强碱的作用。同时APG在碱溶液中带有少量负电荷，使得亲水基基间不易靠近[9]。因此，烷基糖苷耐碱性强。

2.2 泡沫性能测试

食品加工设备的CIP要求清洗剂为低泡或无泡，因为丰富的泡沫在清洗过程中可能导致清洗不彻底、影响安全生产、增加能源损耗和清洗剂残留等。耐碱表面活性剂的泡沫性能测试结果见表2。结果显示，除AG6210、APG0810初始泡沫丰富且稳定外，AS48、SL4、100DK、AG6202、AG6206初始泡沫少且消泡快，只需5～10 s泡沫完全破灭，可作为CIP剂的原料使用。

表2 耐碱表面活性剂泡沫性能测试 单位：ml

2.3 去污力测试

在耐高碱且低泡的表面活性剂中，AG6202耐高碱的能力相对较差，当其添加量为1%时与高浓度液碱混合可形成澄清透明液体，进一步增加AG6202液体透明度下降。因此，按照1%表面活性剂+1%Trilon M+45%NaOH+余量水配制清洗剂(表3)，测试不同耐高碱、低泡表面活性剂对碱性清洗剂去污效果的影响。污垢由乳品高温烘烤而制成，清洗液有效碱浓度为2%。

表3 清洗剂配方表

如表4所示，使用AS48、SL4、100DK、AG6202、AG6206等耐高碱、低泡的烷基糖苷类表面活性剂配制的样品对奶粉污垢的去污力均介于72%～74%，与液碱对奶粉污垢的去污力72.44%并无明显区别，表明添加的表面活性剂对液碱去除奶粉污垢并无促进作用。这一方面可能与清洗剂配方中添加的表面活性剂含量少有关，另一方面可能是因为这些表面活性剂的润湿性差、去污能力弱。帆布在碱性表面活性剂溶液中(2%NaOH)的沉降时间见表5。帆布除了在异构醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚HIF4101溶液中的沉降时间较短外，在其余耐碱、低泡烷基糖苷溶液中的沉降时间均大于3600 s，即这些烷基糖苷的润湿性较差，不能有效的改善碱性清洗液的润湿渗透性。烷基糖苷的泡沫丰富程度与碳链长度有关，短碳链无泡或低泡，长碳链泡沫细腻丰富，AS48、SL4、100DK、AG6202、AG6206应为短碳链烷基糖苷。而短链烷基糖苷基本无去污作用[10]。

表4 不同表面活性剂对奶粉污垢的去污力

表5 帆布在不同碱性表面活性剂溶液中的润湿时间

表6是使用不同量的AG6206及AG6206与Berol®840(乙基己基醇聚氧乙烯醚)复配物配制的碱性清洗剂。Berol®840在高碱体系中润湿性好、泡沫低，AG6206对其具有较好的增溶效果[11]。由清洗实验结果不难看出(表7)，将清洗剂中AG6206含量由1%增加至2%去污力无明显提高，将其含量进一步增加至3%，清洗剂去污力才由81.80%升高至83.16%。若在7#清洗剂中引入润湿性好的Berol®840，使清洗剂中的表面活性剂由AG6206变成AG6206与Berol®840复配，去污力由81.69%显著地升高至85.33%。即采用耐高碱低泡表面活性剂与润湿性好的表面活性剂复配的方式能显著地提高液碱的去污力。

表6 清洗剂配方表

表7 不同碱性清洗剂对奶粉污垢的去污力

表7（续） 不同碱性清洗剂对奶粉污垢的去污力

3 结论

与阴离子表面活性剂、脂肪醇聚醚类等非离子表面活性剂相比，烷基糖苷能够耐受高浓度的NaOH，短碳链烷基糖苷比长碳链烷基糖苷泡沫更低、消泡更快；但短碳链烷基糖苷润湿性差、去污能力弱，不适宜作为CIP碱性清洗剂的主要去污成分使用；短碳链烷基糖苷具有优异的增溶效果，可增加润湿性好的表面活性剂在CIP碱性清洗剂中的溶解度，从而显著提高清洗剂对奶粉污垢的去污力。