堿性蛋白酶在洗衣皂中的應(yīng)用研究

張德昌

（南風(fēng)化工集團(tuán)技術(shù)中心 山西運(yùn)城 郵編044000）

堿性蛋白酶在洗衣皂中的應(yīng)用研究

張德昌

（南風(fēng)化工集團(tuán)技術(shù)中心 山西運(yùn)城 郵編044000）

通過(guò)對(duì)洗衣皂原料的預(yù)處理，去除或降低了對(duì)酶制劑有害的吊白塊、漂白劑等組分。同時(shí)，通過(guò)降低體系水分活度、加入常見(jiàn)的酶制劑穩(wěn)定助劑、控制產(chǎn)品pH值、控制工藝溫度等，解決了蛋白酶在普通洗衣皂產(chǎn)品中的儲(chǔ)存穩(wěn)定性問(wèn)題，使規(guī)?；a(chǎn)成為可能。

洗衣皂；蛋白酶；穩(wěn)定助劑；生產(chǎn)

早在上世紀(jì)80年代末，國(guó)內(nèi)洗滌用品行業(yè)就已成功地將酶制劑應(yīng)用于洗衣粉中，消費(fèi)者對(duì)洗滌用品中酶制劑的功效已有相當(dāng)程度的了解。

同其他快速消費(fèi)品一樣，皂類產(chǎn)品市場(chǎng)存在概念及訴求進(jìn)一步細(xì)分的趨勢(shì)。其中引入酶制劑有助于提高產(chǎn)品的使用性能，豐富產(chǎn)品訴求，從而延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命力。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上加酶皂產(chǎn)品極少，主要原因是酶制劑在含水脂肪酸鈉鹽體系中的穩(wěn)定性問(wèn)題不易解決，國(guó)內(nèi)酶制劑在皂類產(chǎn)品中的應(yīng)用文獻(xiàn)也比較缺乏。因此，有必要從理論及實(shí)踐等方面對(duì)蛋白酶制劑在皂類產(chǎn)品中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 影響蛋白酶穩(wěn)定性的因素分析

用于洗滌劑工業(yè)的堿性蛋白酶主要以固體制劑的形式添加到洗衣粉中。隨著洗滌用品市場(chǎng)的發(fā)展，酶制劑將嘗試進(jìn)入液體洗滌劑、洗衣皂等領(lǐng)域。但由于在產(chǎn)品中的穩(wěn)定性問(wèn)題未能很好解決，影響了加酶液體洗滌劑、加酶洗衣皂等產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)用。綜合分析，對(duì)酶制劑影響較大的因素包括產(chǎn)品中的表面活性劑組成、pH值、儲(chǔ)存溫度、水分含量、金屬離子含量、酶制劑的穩(wěn)定助劑等[1]。進(jìn)行加酶洗衣皂開(kāi)發(fā)的要點(diǎn)是，在保證產(chǎn)品基本功能的前提下，以酶制劑穩(wěn)定為中心目標(biāo)，創(chuàng)造最佳表面活性劑配比、最佳pH值環(huán)境、屏蔽有害金屬離子、添加有益的穩(wěn)定助劑等，使酶制劑的穩(wěn)定性在產(chǎn)品中盡可能保持較長(zhǎng)時(shí)間。

不同于粉狀加酶洗滌劑，對(duì)于酶制劑而言，洗衣皂與液體洗滌劑的配方環(huán)境具有相當(dāng)程度的相似性，其中的表面活性劑、水分、金屬離子、pH值環(huán)境、助劑等都與酶制劑發(fā)生緊密接觸并產(chǎn)生正負(fù)面影響，只是液體洗滌劑具有更靈活的配方選擇而洗衣皂相對(duì)單一而已。因此，研究酶制劑在皂類產(chǎn)品中的應(yīng)用時(shí)，酶制劑在液體洗滌劑中的應(yīng)用文獻(xiàn)可以借鑒。

1.1 表面活性劑組成

已有文獻(xiàn)報(bào)道了TX-10、AEO9、6501、AES、LAS、AOS等表面活性劑對(duì)酶活力儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響順序[2,4]，但針對(duì)脂肪酸鈉鹽體系的影響未見(jiàn)諸報(bào)道?？傮w而言，配方結(jié)構(gòu)中AEO9、6501等非電離性表面活性劑成分的增加有利于酶活力的保持，而LAS、AOS等電離性較強(qiáng)的表面活性劑不利于酶活力的保持。這對(duì)于以脂肪酸鈉為主表面活性劑的洗衣皂而言非常不利，但我們可以通過(guò)表面活性劑復(fù)配的方法盡量減弱[2,3]這種影響。

1.2 pH值

堿性蛋白酶作為一種蛋白類催化劑，其發(fā)揮作用的pH值環(huán)境相對(duì)狹小，本文所選用的堿性蛋白酶在pH7～10范圍內(nèi)比較有利于酶活性的保持，這對(duì)洗衣皂而言容易做到。

1.3 水分含量

水分含量對(duì)酶活力的影響十分顯著[3]。從本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以驗(yàn)證，總體而言減少體系中水分含量有利于酶活性的保持。根據(jù)品種不同，洗衣皂的水分含量為10%～30%不等。從皂類加工工藝角度考慮，有必要保持一定的水分含量。一定程度上講，水分的影響因素不可完全消除，但可以通過(guò)添加合適助劑來(lái)降低水分的活度系數(shù)，進(jìn)而弱化這種不利影響。

1.4 金屬離子含量

一些重金屬離子的存在不但導(dǎo)致皂類產(chǎn)品酸敗、變色，而且會(huì)強(qiáng)烈抑制酶制劑的活性[6]。優(yōu)秀的加酶洗衣皂配方應(yīng)在達(dá)到屏蔽重金屬離子同時(shí)又能兼顧有益金屬離子的含量，配方體系中存在一定的Ca2+對(duì)酶制劑的穩(wěn)定性至關(guān)重要。因此，要慎重處理對(duì)Ca2+具有屏蔽作用的螯合劑的使用方法及劑量，達(dá)到保護(hù)酶制劑的目的。

1.5 助劑

有關(guān)蛋白酶穩(wěn)定助劑的品類較多，在產(chǎn)品中應(yīng)用時(shí)需要認(rèn)真權(quán)衡。酶制劑作為一種具有高效的催化功能的蛋白質(zhì)分子，其催化活力取決于分子的特殊三維空間結(jié)構(gòu)。本研究采用容易采購(gòu)的硼砂、甘油等作為酶穩(wěn)定劑。

1.6 生產(chǎn)工藝

酶制劑是一種蛋白質(zhì)，高溫可以使其迅速變性失活[5]。雖然有文獻(xiàn)報(bào)道酶制劑發(fā)揮最佳性能的溫度可以高達(dá)50～60℃，但在兼顧洗衣皂成型工藝要求的前提下，建議整個(gè)過(guò)程溫度控制在45℃以下，以消除高溫對(duì)酶制劑的負(fù)面影響因素。另外，在洗衣皂的上游生產(chǎn)工序力求使用質(zhì)量較高的油脂原料，盡量減少或杜絕吊白塊（在漂白過(guò)程中可產(chǎn)生微量甲醛）、漂白劑（特別是氯系漂白劑）的使用。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)原料

AEO9，本公司自產(chǎn)皂粒（含水量24%），外購(gòu)8020#皂粒（含水量12%），國(guó)標(biāo)JB-02蛋白污布，進(jìn)口EMPA117污布，工業(yè)甘油，硼砂，賽威液體蛋白酶16XL，H501，BHT，香精等。

2.2 設(shè)備與儀器

WSD-3U白度儀，國(guó)標(biāo)立式去污機(jī)，0.001克天平，巴萊斯特小型洗衣皂成型機(jī)，101-1A型恒溫箱。

2.3 樣品的制作及加速老化

將硼砂、甘油、水等預(yù)混均勻，然后加入賽威液體蛋白酶16XL、原料皂粒、H501、BHT、香精等，經(jīng)研磨、出條、壓塊等工序制成不同配比的皂塊樣品（為防止樣品水分蒸發(fā)，所得樣品用保鮮膜2層封裝）。將樣品置于38℃、30℃恒溫箱中存放，每周從恒溫箱取出一個(gè)樣品放入0～4℃冰箱保存，直至所有樣品全部歸入冰箱為止。

為縮短試驗(yàn)周期，根據(jù)本文所采用酶制劑的特性介紹，認(rèn)為在38℃恒溫條件儲(chǔ)存4周相當(dāng)于自然條件下儲(chǔ)存1年[7]。本文根據(jù)皂類產(chǎn)品在市場(chǎng)的流通周期需要，進(jìn)行了最多8周的加速老化來(lái)加快試驗(yàn)進(jìn)度，以映照產(chǎn)品的實(shí)際儲(chǔ)存流通周期需要。

2.4 樣品酶活力的檢測(cè)

上述2.3中所有樣品的殘余酶活力檢測(cè)主要通過(guò)國(guó)標(biāo)立式去污機(jī)洗滌國(guó)標(biāo)JB-02蛋白污布、進(jìn)口EMPA117污布的辦法進(jìn)行。通過(guò)觀察樣品的去污比值變化來(lái)間接衡量殘存酶活力的大小，此方法也更有利于篩選最接近實(shí)際洗滌效果的產(chǎn)品。?

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.5.1 樣品的失水校正實(shí)驗(yàn)

由于待測(cè)樣品均較長(zhǎng)時(shí)間處于38℃及30℃的高溫環(huán)境中，雖封裝在保鮮膜中，但失水干燥趨勢(shì)不可避免并引起了相關(guān)成分濃縮，導(dǎo)致去污結(jié)果產(chǎn)生逐漸升高的偏差，因此需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行失水效應(yīng)校正。為此，我們進(jìn)行了恒溫條件下相同皂塊的失水趨勢(shì)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

樣品前期失水速率較快，從第6周開(kāi)始趨于平緩，第8周結(jié)束累計(jì)失水率可達(dá)12.7%。失水效應(yīng)導(dǎo)致主要去污成分脂肪酸鈉鹽及酶制劑的同步濃縮，因此去污實(shí)驗(yàn)中樣品的加入量應(yīng)從2克開(kāi)始按比例逐步減少，具體加量按表1執(zhí)行。

2.5.2 無(wú)助劑情況下蛋白酶與含水量為25%樣品皂的相容性

測(cè)試結(jié)果表明，在無(wú)助劑、恒溫30℃情況下，1周后樣品在JB-02、EMPA117污布上的去污能力已比較接近空白樣的比值1.00（見(jiàn)圖2）。此時(shí)樣品已喪失大部分酶活力，同時(shí)也說(shuō)明了正常含水量（市場(chǎng)大多數(shù)產(chǎn)品在25%左右）情況下，脂肪酸鈉鹽與酶制劑的相容性很差。顯然，酶制劑不能直接簡(jiǎn)單加入普通洗衣皂的配方中。

圖1 樣品皂的失水率曲線

表1 去污試驗(yàn)樣品加量

改變測(cè)試溫度（38℃恒溫），1周后樣品中的酶活力同樣失去了絕大部分，與圖2結(jié)果比較相似（如圖3所示）。此時(shí)，溫度的小范圍升高似乎構(gòu)不成酶制劑失活的主因。

2.5.3 無(wú)助劑情況下蛋白酶與含水量12%樣品皂的相容性

對(duì)比2.5.2中樣品含水量在25%情況下的結(jié)果，當(dāng)水分含量降低到12%后，酶活性在樣品中的保持時(shí)間得到了極大延長(zhǎng)。

圖5配方加入了2%的AEO9。由于AEO9的非電離性特點(diǎn)，對(duì)酶制劑基本不產(chǎn)生負(fù)面作用，而且能使皂粒更容易加工成型。8周后，樣品中酶活力的保有量仍達(dá)到70%以上。

原因分析：當(dāng)樣品皂中水分降到12%甚至更低的情況下，體系中的多數(shù)水分子可能已被混合脂肪酸鈉鹽、無(wú)機(jī)鹽或其他組份分子間的范德華力所束縛，水分的游離程度大大減少。此時(shí)，洗衣皂內(nèi)部環(huán)境已比較接近于粉狀洗滌劑，水分對(duì)酶制劑的影響被強(qiáng)烈弱化[6]，因此酶活力的保持時(shí)間成倍增加?？梢?jiàn)，降低體系中的水分含量或減少體系中水分活度可顯著增加酶活力的保持時(shí)間。

2.5.4 硼砂及甘油助劑對(duì)酶活性的耐力實(shí)驗(yàn)

樣品皂（含水量25%）中加入酶穩(wěn)定助劑后，分別在38℃、30℃下進(jìn)行恒溫實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)溫度下酶活力的最終殘存值比較接近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與2.5.2相比，產(chǎn)品酶活力保持時(shí)間顯著增加，相當(dāng)于產(chǎn)品在自然儲(chǔ)存條件下2年后仍能保存50%左右的酶活力，這對(duì)于酶制劑在洗衣皂中的工業(yè)化應(yīng)用十分重要。與2.5.3結(jié)果對(duì)比，可以看出水分的負(fù)面影響因素在加穩(wěn)定劑情況下仍然存在。因此，在原料水分含量固定情況下，降低體系水分活度的潛力還很大，值得在以后的工作中進(jìn)行重點(diǎn)研究。

上述試驗(yàn)中去污結(jié)果有時(shí)會(huì)出現(xiàn)無(wú)法消除的波動(dòng)，原因可能由污布或操作手法等因素的波動(dòng)而引起，但數(shù)據(jù)顯示的趨勢(shì)是比較明確的，且趨勢(shì)的重現(xiàn)性也比較滿意。

圖2 蛋白酶與樣品皂（含水量25%）的相容性

圖3 蛋白酶與樣品皂（含水量25%）的相容性

圖4 蛋白酶與樣品皂（含水量12%）的相容性

圖5 蛋白酶與樣品皂（含水量12%）的相容性

圖6 酶活性耐力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 酶活性耐力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

①脂肪酸鈉鹽與酶制劑的相容性較差，需通過(guò)復(fù)配其他表面活性劑來(lái)減弱這種影響。

②減少加酶皂體系中的水分含量可顯著延長(zhǎng)樣品酶活力的儲(chǔ)存時(shí)間。

③硼砂和甘油作為蛋白酶穩(wěn)定助劑能顯著延長(zhǎng)樣品酶活力的儲(chǔ)存時(shí)間。

④加酶皂所用原料的前期處理不能忽視，應(yīng)避免使用吊白塊及強(qiáng)氧化性物質(zhì)，慎重選用螯合劑種類及加量。

⑤通過(guò)采取綜合措施，為酶制劑構(gòu)造合適的生存環(huán)境，酶制劑可以在洗衣皂中得到成功應(yīng)用。

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