食品工业清洗用低泡表面活性剂

马晓琳 姜 丹

（陶氏化学（中国）投资有限公司，上海，201203）

随着社会生活的进步，食品安全问题越来越受到广泛关注。在食品生产中难免会有一些污渍沉积在设备管道内，如果没有及时清洗去除，会直接影响产品的质量和安全[1]。所以，在食品加工和包装过程中，设备运行前及运行一段时间后，必须对储料槽、管道、设备上接触产品流体的关键部位进行物理和化学清洗，去除可能导致产品污染、变质的微生物和其他杂质，使包装后的食品有稳定的保质寿命。目前，常用的清洗技术之一是CIP （Clean-In-Place）原位清洗系统，可应用于乳制品、果汁、饮料等食品加工业的重要设备组件。其洗涤剂主要包括碱性清洗剂、酸性清洗剂以及清洗添加剂。碱洗对于蛋白质、多糖、油脂等有机污垢具有优良的去除效果，而酸洗主要用于清洗水垢和难溶脂肪酸盐。表面活性剂作为重要的清洗添加剂之一，可以起到润湿、分散、悬浮等作用，帮助提升清洗效果[2-4]。由于过多泡沫会影响清洗工艺，配方中通常会复配具有抑泡功能的低泡表活，以降低体系泡沫，并一定程度抑制清洗过程中食物污垢的发泡。

ECOSURF™ LFE-1410是一款环保型低泡非离子表面活性剂，其以支链脂肪醇起始，经烷氧基化反应制得。该产品具有易生物降解、低气味和低水生毒性的特点。本研究针对泡沫、润湿、漂洗等性能进行测试，与清洗配方中常用的低泡表面活性剂（EO/PO共聚物）相对比，考察了该原料用于食品饮料工业清洗的潜力。

表1 主要原料（材料）

1 实验部分

1.1 材料及仪器

实验用到的原料（材料）及仪器分别见表1和表2。

表2 主要仪器

1.2 泡沫性能

1.2.1 针对阴离子表活的抑泡性能

采用去离子水配制两种表面活性剂水溶液。试液1仅含2.2 g/L DOWFAX™ 2A1，试液2含2.2 g/L DOWFAX™ 2A1和0.5 g/L ECOSURF™ LFE-1410。通过对两者罗氏泡沫高度的比较来评价ECOSURF™ LFE-1410的抑泡性能。

发泡力测试方法参考国标GBT 13173－2008《表面活性剂洗涤剂试验方法》在室温（约22℃）下进行。先用去离子水清洗刻度量管和滴液管，然后用试液润洗，避免泡沫残留。关闭刻度量管旋塞，将试液沿管壁加入刻度量管至50 mL刻度线以上，静置5 min，调节旋塞使液面恰好在50 mL刻度处；使用滴液管吸取200 mL试液并将其放在刻度量管上口；打开滴液管的旋塞，让溶液流下；当溶液流完立即开始计时并读取初始泡沫高度，在5 min末再读取第二次读数。

1.2.2 配方体系的低泡性能

配制复配清洁剂，含有6%碳酸钠、6%九水硅酸钠、6%EDTA四钠四水合物、2% DOWFAX™ 2A1，以及2%低泡表面活性剂（均为质量百分比）。低泡表面活性剂分别选用ECOSURF™ LFE-1410和对照表活，进行平行对比，以评估两个产品在配方中的抑泡性能。

循环鼓泡测试前将配方按1:20稀释，升温至60℃。同时开启循环鼓泡仪的水浴到相应温度。然后将待测液倒入测试管内。本实验鼓泡时间10 min，记录开始鼓泡后30 s，1、5、10 min的泡沫高度。停止鼓泡后，记录停后30 s，1、5 min的泡沫高度。泡沫曲线高度越低说明配方的低泡性能越好。

1.2.3 针对不同食品的抑泡性能

本实验分别测试两种不同的食品体系（奶粉，啤酒），模拟实际清洗条件，平行对比不同低泡表面活性剂的抑泡效果。工作液含1%食品，2%氢氧化钠和0.1%低泡表活（均为质量百分比）。采用循环鼓泡法，测试温度为60℃，实验操作与1.2.1基本一致。记录开始鼓泡后30 s，1、5、10 min的泡沫高度。停止鼓泡后，记录停后30 s，1、5 min的泡沫高度。泡沫曲线高度越低说明低泡表活对该食品的抑泡性能越好。

1.3 润湿性能（动态表面张力测试）

使用动态表面张力仪，根据最大泡压法测定。原理为在液相中的毛细管底部生成气泡。随着气泡的增大，气泡内压力也相应增大。直至气泡半径与毛细管半径相同时，气泡内压力达到最大值。而从气泡开始产生到最大压力之间的时间即为表面年龄（Surface Age）。仪器给出的测量结果对应的是一定表面年龄（Surface Age）下的表面张力，表面张力对表面年龄的关系可以通过不同的鼓泡速度测出。

本实验配制1 g/L的表面活性剂溶液，测试表面年龄在10 ms至3500 ms（3.5 s）间该溶液的表面张力，并绘制相应曲线。

1.4 漂洗性能

1.4.1 不锈钢板

配制50 g工作液（1%食品、2%氢氧化钠和0.1%低泡表活（均为质量百分比）），倒入PP塑料瓶（图1）。另取3个同规格塑料瓶，各加入50 g去离子水。将不锈钢板放入试液小瓶中浸泡约30 s，然后依次在3个去离子水小瓶中各漂洗约10 s。检测第一、三次漂洗液的静态表面张力，评估不同食品体系（奶粉、啤酒）下，含不同低泡表活清洗液的过洗情况。

图1 PP瓶（50 mL规格）

1.4.2 载玻片（玻璃）

实验操作与1.4.1基本一致，区别在于使用载玻片代替不锈钢板。评估不同食品体系（奶粉、啤酒）下，不同低泡表活溶液在清洗玻璃材质时的过洗情况。

2 结果及讨论

2.1 泡沫性能

2.1.1 针对阴离子表活的抑泡性能

阴离子表面活性剂去除油污的能力较强，耐碱性好，常用于在工业清洗配方，尤其是碱性清洗液中。但阴离子表活泡沫较多，漂洗困难，通常与低泡非离子表活复配，既能提升清洗效果也能降低泡沫高度[5-6]。从罗氏泡沫实验结果发现（图2），2A1自身泡沫丰富且稳定。在加入LFE-1410后，起始和5 min后的泡沫高度都有了显著的降低。这说明LFE-1410不仅有效抑制了泡沫的产生，也降低了泡沫的稳定性。

图2 LFE-1410对于阴离子表活2A1的抑泡性能

2.1.2 配方体系的低泡性能

针对配方的鼓泡实验结果（图3）可以看出，LFE-1410对整个配方具有较强的抑泡能力。鼓泡开始约1 min泡沫即出现明显下降，说明体系内的消泡速度要大于泡沫产生速度，并且在5 min时，泡沫已经达到较低的水平。而含对照表活的稀释液在整个鼓泡期间泡沫始终处于高位，停止鼓泡后残泡也高于含LFE-1410的稀释液。

图3 不同低泡表活配方的循环鼓泡实验结果

2.1.3 针对不同食品的抑泡性能

在加工过程中，部分食品具有发泡性。清洗时如果不能较好地控制泡沫，会导致溢出并影响工艺效果。在升温条件下，对混合奶粉的工作液进行鼓泡实验。结果显示（图4），含有LFE-1410的工作液对奶粉具有较好的抑泡性能。鼓泡过程中，没有出现大幅度的泡沫增多。而对照表活工作液在鼓泡期间泡沫持续上升，停止鼓泡后虽有一定程度的消泡，但5 min后的泡沫高度仍高于LFE-1410工作液。

图4 混合奶粉的工作液循环鼓泡实验结果

在升温条件下，对混合啤酒的工作液进行鼓泡实验。结果显示（图5），两个低泡表活工作液的泡沫曲线均很低，几乎重合。由此看来，两个表活对啤酒均有较好的抑泡性能，或者啤酒在高温下的发泡性并不显著。

图5 混合啤酒的工作液循环鼓泡实验结果

2.2 润湿性能

动态表面张力反映了在动态过程中表面张力随着时间变化的情况。其测试结果通常是表面活性剂在新界面达到吸附平衡前的表面张力。动态表面张力与体系中表面活性剂的迁移速度相关，而其迁移速度反映了该表面活性剂的润湿性能。在同样的时间内，表面活性剂迁移速度越快，表面张力降得越低，润湿底材的速度越快[7-9]。结果显示（图6），ECOSURF™ LFE-1410水溶液的表面张力曲线都明显低于对照表活水溶液。这说明ECOSURF™ LFE-1410表面张力降低速度要优于对照表活，这一特点对于帮助清洗液快速润湿和铺展起到重要的作用。

图6 表活水溶液（1 g/L）的动态表面张力

2.3 漂洗性能

在清洗工艺中，通常添加表面活性剂来提高清洗效果。因此漂洗时，不仅需要关注存在残碱的可能性，表面活性剂也可能会有残留。有报道显示残留的表面活性剂会对产品质量产生影响[10]，不少企业开始研究残留检测和控制，确保表活被彻底漂洗去除，同时也避免过度清洗带来的水耗增加。目前的检测方法是通过对漂洗液的表面张力测定，来反映该清洗液漂洗情况[11]。

2.3.1 不锈钢板

根据测试结果（图7）可知，第一次漂洗液因为含有较多前一步操作的清洗液，所以表面张力相对较低，均在40～45 mN/m。而经过三次漂洗后，ECOSURF™ LFE-1410的漂洗液表面张力达到65 mN/m以上，说明该液体表面活性已经很低。而对照表活清洗液在三次漂洗后，其漂洗液的表面张力仍有50～55 mN/m，可以看出对照表活在易漂洗性能上不如ECOSURF™ LFE-1410。

图7 不同工作液的漂洗情况（不锈钢板）

2.3.2 载玻片（玻璃）

根据测试结果（图8）发现，第一次漂洗液的数据与不锈钢板的相应数据接近。从第三次漂洗结果来看，ECOSURF™ LFE-1410漂洗液的表面张力数值更高，过洗情况相对较好。同时也注意到，不同食物或表活，载玻片第三次漂洗液的表面张力均明显低于不锈钢板第三次漂洗后的数据。这提示了玻璃材质可能比不锈钢难漂洗，在清洗时需要更多关注。

图8 不同工作液的漂洗情况（载玻片）

3 结论

通过与常规EO/PO共聚物型低泡表活相比较，新型非离子低泡表面活性剂ECOSURF™ LFE-1410对于含高泡阴离子表活配方和奶粉具有更好的抑泡性能。同时，还表现出更低的动态表面张力，在清洗中可以快速润湿和铺展于污渍和设备表面，从而提高清洗效率。并且相比于EO/PO共聚物对照品，ECOSURF™ LFE-1410漂洗液的表面张力数据显示其更易于过洗从而节省能耗。由此看来，ECOSURF™ LFE-1410可以作为一个优良的低泡表面活性剂应用在食品工业清洗产品中。