家用自动洗碗机烤牛奶污染物洗涤因素研究

郭晓丹 刘日超 陶华伟

（佛山市顺德区美的洗涤电器制造有限公司 佛山 528311）

引言

中国家用自动洗碗机专用餐具洗涤剂市场近年来呈现出高速发展态势，消费者对洗碗机的需求明显增大，洗碗机专用洗涤剂的发展也日渐火热。所以洗碗机的快速增长也为专用餐具洗涤剂研发提出更高的需求。

众所周知，喷淋式洗碗机的洗涤原理是在一定温度及压力的情况下，通过添加定量的洗涤剂，使得餐具表面污染物在物理及化学综合作用下达到清洗洁净的目的。洗涤性能是洗碗机评价的核心指标，是对脏污餐具的清洗能力的评判，其效果如何将影响着消费者的购买行为及使用体验效果。洗碗机洗涤性能主要是靠洗涤过程中的多重作用加以实现的：水流机械作用、化学作用以及热能作用。有研究以油污类作为目标污染物，洗涤结果表明水流机械作用占全部清洗作用的 58 %，化学作用占15 %，热能作用占27 %，产品开发设计时重点关注与水流机械作用相关的设计因素[1]；有研究以含果肉的树莓果酱作为目标污染物，实验结果表明：洗涤温度为 46 ℃，洗涤泵转速 2 680 r/min，冲洗时间为12.5 min，洗净效果最好[2]，有研究对蛋白类污染物洗涤的机理进行研究，研究表明，污染物去除有初始膨胀之后通过机械和酶诱导作用联合去除[3]。结合洗涤实际使用场景，污染物种类众多，目前对于污染物洗净性能的研究较少，本文将以烤牛奶作为目标污染物，评估影响洗净效果的多重因素。

本文以洗涤液的pH 值、温度、蛋白酶为单因素，研究对烤牛奶杯洗净的影响，结合洗碗机的工作特点，取洗涤液pH 值、非离子表活、温度、水压四个因素的三个水平建立正交试验，优选出最佳洗净方案，作为洗碗机洗涤剂开发和洗碗机开发的一个理论参考。

1 实验部分

1.1 原料与设备

碳酸钠（广东南方碱业股份有限公司）、氢氧化钠（天津渤天化工有限责任公司）、柠檬酸(潍坊英轩实业有限公司）、碱性蛋白酶（诺维信）、脂肪醇EO-PO 嵌段聚醚（陶氏化学）。

ME204 型分析天平（梅特勒-托利多（上海）有限公司）；测试台架。

1.2 测试方法

1.2.1 烤牛奶杯制备

按照GB/T 20290-2016 中6.4.1 进行制备牛奶污染物。

1.2.2 测试系统及数据分析

试验在测试台架内进行，台架如图1 所示。每次实验测试 3 个标准玻璃杯，循环泵通过调频器进行调速以达到特定压力。

图1 烤牛奶洗净试验台架

实验方案：恒温浴槽内加入8 L 制定水，调节至恒定温度，加入相应洗涤剂，充分搅拌溶解之后，调节至特定压力，进行30 min 预洗使得添加剂充分溶解，放入玻璃杯，进行计时30 min 清洗，为了更加客观的表示牛奶去除率，将洗前洗后的玻璃杯采用工业相机拍摄，基于OpenCV 计算机视觉库，对玻璃杯中的牛奶进行图像识别，利用Python 语言对采集到的图像进行处理，最终计算出烤牛奶去除率。

2 结果与讨论

2.1 洗涤液pH 值对烤牛奶洗净的影响

碱性助剂例如碳酸盐、硅酸盐等能提高洗涤液的碱性。众所周知，高pH 值配方在污垢去除方面具有普遍的优势。较高的洗涤液pH 对污垢的溶胀和蛋白物质的水解非常有效[4]，从而有利于污垢的去除。对比实验室下污染物烤牛奶杯在不同洗涤液pH值下（pH 8.5、pH 9.5、pH 10.5、pH 11.5）对牛奶去除率的影响，从图2 可知，相同温度条件下，随着洗涤溶液pH 值提高，去除率逐渐提高，说明烤牛奶越容易去除；当pH 值达到11.5 时候，烤牛奶去除率总是最高的。在高pH 值下，蛋白污垢部分电离，污垢内部同种带电基团之间的斥力大大降低了污垢的内聚力，由于玻璃/陶瓷基底与污垢在高pH 值下均带负电荷，也降低了污垢对基板的附着力[5]，从而使得污垢更加容易去除。

图2 不同洗涤液pH 值对烤牛奶去除率的影响

2.2 温度对烤牛奶洗净的影响

温度在污垢去除方面也起到很重要的作用，较高的温度有助于污垢的溶胀和去除。

相同pH 值下，选取不同温度点下测得烤牛奶的去除率。 结合图2 和图3 可见，温度对烤牛奶洗净影响极为明显，温度升高，洗净效果越好；当洗涤温度达到55 ℃以上时，温度在烤牛奶洗净过程中占主导因素，而此时受洗涤液碱度影响则相对较小。

图3 烤牛奶杯洗净测试图片

2.3 碱性蛋白酶对烤牛奶洗净影响

碱性蛋白酶广泛存在于微生物中，主要由芽孢杆菌属分泌产生，可在碱性环境下催化水解连接氨基酸的肽键，切断长的蛋白质链为短片段，催化蛋白质分解代谢。碱性蛋白酶添加到洗涤剂配方中，能提高清洁过程的高效性[6]。洗涤剂的pH 值和洗涤溶液温度的不同，也会导致洗净效果不同，常用固体洗碗机洗涤剂pH 值在10.5左右，以洗涤剂溶液pH 值10.5 为例，对比含/不含蛋白酶对烤牛奶杯洗净效果影响。

每组测试样品中分别添加和不添加蛋白酶进行对比测试，蛋白酶添加量为2 %。由图4 可知，在洗涤溶液pH 10.5 的情况下，不管加/不加蛋白酶，烤牛奶去除率均随着温度的升高有所提升；在（25～45）℃区间，蛋白酶的加入对烤牛奶的去除率有明显的提升效果（提升10 %左右洗净效果），说明在较低的温度下清洁则更加需要酶的辅助才能达到更好的清洁效果，从而缩短洗涤时间。

图4 蛋白酶对烤牛奶去除率影响曲线

2.4 正交试验优选最佳洗净方案

综合前面的洗涤液pH 值、温度、蛋白酶三个单因素对实验室污染物烤牛奶洗净测试，结合洗碗机工作特点，取洗涤液pH 值、非离子表活、温度、水压进行正交试验，以最终玻璃杯完全洗干净所需时间作为结果评估，每组试验均添加2 %蛋白酶，正交试验结果及极差分析见表2。

表1 因素水平表

表2 正交试验结果及极差分析

按照以表2 中数据进行正交试验。通过正交试验结果可以得出，极差R 的大小顺序为A ＞C ＞B ＞D，即影响烤牛奶杯洗净的诸因素的主次关系依次是：pH 值＞温度＞脂肪醇EO-PO 嵌段聚醚＞水压。最佳洗净条件是pH 11.5+脂肪醇EO-PO 嵌段聚醚5 %+温度65 ℃+水压7 kpa 。

3 结论

本文研究讨论了洗涤液pH 值、温度、非离子表面活性剂、蛋白酶、水压对实验室污染物—烤牛奶的洗净影响；通过单因素测试结果可看出pH 值越高、温度越高有利于牛奶的去除；蛋白酶的加入能通过酶促反应与顽固的沉积物发生化学反应从而提高洗净效率，在较低的温度和pH 值下清洁则更加需要酶的辅助才能达到更好的清洁效果。通过正交试验，可以得出烤干后牛奶杯洗净的诸因素的主次关系依次：pH 值＞温度＞表活＞水压，洗涤液的pH 值明显占主要因素，其次是温度，而水压在烤牛奶污垢洗净中占非主导因素，仅仅保证一定的压力，再配合洗涤剂的作用，就能将牛奶污垢去除。可见，在洗碗机的设计中，配合洗涤剂的使用前提下，可以以去除顽固污渍为导向，适当提高洗涤温度；在洗碗机专用洗涤剂设计中，可以适当提高产品的pH 值或者加入适量的蛋白酶从而提高顽固污渍的去除。