弱堿性油污清潔劑的研究與應(yīng)用

陳源明 何佳興 馬 鈴

廣東蒂姆森大健康科技有限公司，廣東廣州，510000

在日常生活烹飪過程中，食用油和食物中的油脂在長時間高溫加熱條件下，一部分直接氣化，一部分發(fā)生氧化和聚合反應(yīng)，冷凝后附著于油煙機、燃氣灶、墻壁、門窗等物體表面，再吸附空氣中的浮塵、纖維等物質(zhì)，形成黏膩牢固的廚房污垢[1]。污垢的成分非常復(fù)雜，主要由油性聚合物、烹飪過程中形成的油煙沉積物、食物殘渣、塵埃和器具本身產(chǎn)生的污染物構(gòu)成[2]。廚房污垢不僅影響廚房環(huán)境的整潔美觀，而且易滋生細菌和產(chǎn)生異味，有損人體健康。

對廚房污垢的清潔需要用到廚房油污清潔劑，一般由表面活性劑、溶劑、堿性助劑、螯合劑等成分組成。表面活性劑通過降低表面張力，潤濕，乳化、分散油污和塵埃。溶劑可以滲透、溶解、分散油污。堿性助劑能與油脂中的脂肪酸發(fā)生皂化反應(yīng)，生成脂肪酸鹽，同時還能對不飽和油脂聚合物形成的樹脂狀物產(chǎn)生溶脹作用，使油垢與固體表面的結(jié)合力和污垢的致密性下降[3]。螯合劑可以螯合水中及器具產(chǎn)生的各類金屬離子，防止污垢沉積。

市售廚房油污清潔劑大多是強堿性配方，能有效去除廚房重油污，但是對廚房器具的腐蝕性較強。隨著生活水平的提高，消費者對廚房油污清潔劑的品質(zhì)有了更高的要求，產(chǎn)品除了具有高效的除油污能力，還應(yīng)具備不傷器具、低刺激性等特性。因此，低堿性配方的開發(fā)和應(yīng)用很有必要。

1 實驗部分

1.1 原料和設(shè)備

1.1.1 原料

三乙醇胺（TEA）、N，N-二羧甲基丙氨酸三鈉（MGDA）、烷基糖苷（APG），均為工業(yè)級，巴斯夫化學(xué)品有限公司；碳酸鈉（Na2CO3），工業(yè)級，連云港堿業(yè)；碳酸氫鈉（NaHCO3），分析純，西隴化工有限公司；氫氧化鈉（NaOH），工業(yè)級，TOSOH；二異丙醇胺（DIPA）、乙二醇單丁醚（BCS），工業(yè)級，陶氏化學(xué)有限公司；乙二胺四乙酸二鈉（EDTA-2Na）、乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na）、谷氨酸二乙酸四鈉（GLDA），均為工業(yè)級，諾力昂化學(xué)品有限公司；脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES），工業(yè)級，湖南麗臣實業(yè)有限公司；

真實油污：收集自不同家庭、餐館的抽油煙機集油盒、管道油污。人工油污：參考《廚房油污清潔劑》GB/T 35833―2018中A.4.1方法制備。

1.1.2 設(shè)備

CIX 100奧林巴斯清潔度檢測系統(tǒng)，奧林巴斯株式會社；RHBX-Ⅱ型金屬清洗擺洗機，中國日用化學(xué)工業(yè)研究院；數(shù)顯恒溫水浴鍋，深圳市三莉科技有限公司；分析天平，德國賽多利斯；鼓風(fēng)干燥箱，德國BINDER；紫外恒溫老化箱，北京中科博達儀器有限公司；RW20 Digital電動攪拌器，德國IKA；GM-0.33A抽濾機，天津津騰實驗設(shè)備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 市售產(chǎn)品的分析

依據(jù)GB/T 35833―2018《廚房油污清潔劑》中規(guī)定進行。

1.2.2 油污成分分析測試

操作過程主要為提取、過濾、檢測三個步驟。

提?。簩⑹占挠臀刍旌暇鶆?，稱取相同質(zhì)量，使用醇醚溶劑與油污按照10∶1的比例置于70 ℃水浴中加熱并攪拌30 min。

過濾：使用抽濾設(shè)備過濾油污溶解液，使污垢顆粒均勻分布在濾膜表面。將過濾膜置于120 ℃烘箱中干燥30 min、干燥器中冷卻30 min。

檢測：使用CIX 100奧林巴斯清潔度檢測系統(tǒng)，調(diào)節(jié)使用10×物鏡觀測，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的4個粒徑范圍區(qū)間，分別標(biāo)記金屬顆粒與非金屬顆粒，統(tǒng)計顆粒物的種類、數(shù)量和粒徑大小等信息。

1.2.3 家庭油污去污力測定

參考GB/T 35833―2018《廚房油污清潔劑》標(biāo)準(zhǔn)附錄A要求，使用家庭油污制作污片，在120 ℃下經(jīng)過烘干30 min，冷卻后進行擺洗測試，并計算去污力。去污力計算見式1。

1.2.4 人工油污去污力測定

參考GB/T 35833―2018《廚房油污清潔劑》標(biāo)準(zhǔn)附錄A要求進行測試，為使油污更牢固，將老化時間由3 h延長至6 h。

1.2.5 腐蝕量測試

根據(jù)QB/T 2117―1995《通用水基金屬凈洗劑》中5.6測定方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 市售產(chǎn)品分析

收集部分市售重油污清潔劑產(chǎn)品，并按GB/T 35833―2018進行分析，結(jié)果見表1。

表1 市售產(chǎn)品分析

目前國內(nèi)市售的重油污清潔劑大多是強堿型配方，主要添加氫氧化鈉或氫氧化鉀等強無機堿，對廚房重油污具有良好的去除效果，但缺點是對器具腐蝕性較大，對使用者皮膚刺激性較強。

2.2 油污成分分析

經(jīng)取樣發(fā)現(xiàn)，不同環(huán)境下的真實廚房油污成分有很大不同，大多數(shù)家庭抽油煙機集油盒油污雜質(zhì)較少；餐館使用的大型抽油煙機集油槽和內(nèi)壁油污大顆粒雜質(zhì)較多；人工油污經(jīng)過紫外燈光老化加熱以后呈黏稠糊狀。油污經(jīng)醇醚溶劑處理，小分子油脂和水溶性物質(zhì)被溶解，剩下的不溶顆粒通過CIX 100清潔度檢測系統(tǒng)進行分析，測試結(jié)果見表2，不溶顆粒微觀圖片見圖1、圖2和圖3。

從表2可以看出，三種油污的不溶顆粒物粒徑集中分布在20.00～100.00 μm，家庭油污大多為可溶組分，僅含有少量的不溶顆粒；餐館油污含有大量的大粒徑顆粒，且存在部分粒徑大于1000 μm的顆粒；人工油污不溶顆粒全部在20.00～500.00 μm。此外，三種類型污垢都只含有微量的金屬顆粒。

表2 油污不溶顆粒分析結(jié)果

圖1為家庭油污不溶顆粒微觀圖片，不溶顆粒物主要是由不飽和油脂聚合而成的油性聚合物，其由不飽和脂肪酸在高熱條件下發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成大粒徑的難溶性凝膠，并伴隨黏度增加和顏色加深[4]?？梢酝茰y廚房油污主要成分為含不飽和脂肪酸較多的植物油。

圖1 家庭油污不溶顆粒

圖2為餐館油污不溶顆粒微觀圖片，由于烹飪習(xí)慣和油污收集系統(tǒng)的差異，餐館油污中不溶顆粒物含量較多，除了由植物油形成的油脂聚合物，還含有較多的食物殘渣。

圖2 餐館油污不溶顆粒

圖3為人工油污不溶顆粒微觀圖片。黑色顆粒是部分淀粉經(jīng)高溫變性形成的碳化顆粒，黃褐色顆粒為不飽和脂肪酸形成的油脂聚合物。人工油污植物油含量較低，動物油含量較高，而動物油為飽和脂肪酸，不易形成大粒徑油性聚合物[5]。

圖3 人工油污不溶顆粒

2.3 弱堿性助劑性能考察

選擇行業(yè)常用的表面活性劑和溶劑，基礎(chǔ)配方設(shè)計如下：2%脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、1%烷基糖苷、5%乙二醇單丁醚，堿性助劑與螯合劑為實驗測試變量，余量為純水（注：百分比含量以產(chǎn)品計算）。

2.3.1 弱堿性助劑單因素性能測試

將TEA、Na2CO3、NaHCO3、DIPA四種弱堿性助劑和NaOH，分別設(shè)置1%、3%、5%三個梯度，加入基礎(chǔ)配方中，測試對家庭油污和人工油污的去污力和對硬鋁腐蝕量，結(jié)果見表3。

由表3可知：對于高脂肪酸含量的家庭油污，有機弱堿性助劑TEA和DIPA具有更好的去污力。而對于含混合油、淀粉的人工油污，NaOH的去污效果更好。

表3 堿性助劑的實驗結(jié)果

動、植物油的主要成分是脂肪酸，堿性助劑能與脂肪酸發(fā)生皂化反應(yīng)生成脂肪酸鹽[6]。隨著添加量的增加，TEA、DIPA、Na2CO3和NaHCO3對兩種油污的去污力呈先快速增加后下降的變化規(guī)律，存在一個峰值。因為隨著堿劑添加過量，弱堿性助劑體系的pH值增幅較小，油污表面形成了大量水溶性較差的脂肪酸皂，導(dǎo)致剩余油脂與堿的相互接觸變得越來越困難，從而影響體系的去污力[7]。由于有機堿的皂鹽比鈉皂水溶性好，故TEA和DIPA體系的去污力降幅更小。NaOH的含量與去污力成正相關(guān)關(guān)系，因為在強堿性條件下，更有利于難溶顆粒油性聚合物凝膠溶脹、分解。

腐蝕量：NaOH＞Na2CO3＞NaHCO3＞DIPA≈TEA。腐蝕性與配方的pH值有關(guān)，無機堿劑腐蝕量較大，有機堿劑的腐蝕量較低。TEA和DIPA通過N、O等親核活性位點與金屬表面形成配位鍵，而分子中的C原子可與金屬表面的電子形成反饋鍵，形成穩(wěn)定的吸附膜，改變雙電層的結(jié)構(gòu)，提高金屬離子化過程的活化能，降低腐蝕離子對金屬的溶解[8]，具有緩蝕作用。

2.3.2 弱堿性助劑復(fù)配性能測試

分別對TEA、NaHCO3、Na2CO3和DIPA進行四個因素三水平考察，根據(jù)因素水平數(shù)，選取L9（34）正交表開展家庭油污去污力測試，正交實驗因素水平表、正交實驗結(jié)果與極差分析見表4、表5。

表4 正交試驗因素水平表

表5 正交實驗結(jié)果

根據(jù)各因素極差數(shù)的大小可以看出，在復(fù)配體系下，對去污力最主要影響因素是Na2CO3和DIPA的用量，NaHCO3和Na2CO3對洗凈力的貢獻呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，TEA和DIPA對洗凈力的貢獻與添加量成正相關(guān)。單一添加TEA或DIPA時，去污效果優(yōu)于復(fù)配組合，是由于Na2CO3或NaHCO3與油污形成的難溶脂肪酸鈉沉積于作用表面，不利于復(fù)配體系中TEA和DIPA與油污的進一步反應(yīng)。

2.4 螯合劑性能測試

將EDTA-2Na、EDTA-4Na、GLDA、MGDA共4款螯合劑，分別設(shè)置0.1%、0.3%、0.5%三個梯度，加入含0.2%三乙醇胺的基礎(chǔ)配方中，測試對家庭油污和人工油污去污力。結(jié)果見表6。

根據(jù)表6可知，對家庭油污去污力：MGDA≈GLDA＞EDTA-4Na＞EDTA-2Na；對人工油污去污力：MGDA≈GLDA≈EDTA-4Na＞EDTA-2Na。

表6 螯合劑的實驗結(jié)果

在動植物油污中，脂肪酸易結(jié)合高價金屬離子形成難清洗污垢。螯合劑一方面與金屬離子作用會形成可溶性金屬離子螯合物，另一方面通過物理吸附、螯合作用將附著在表面的灰塵以及皂類污垢基底表面去除[9]。可以發(fā)現(xiàn)在兩種油污測試條件下，加入螯合劑能有效提升去污力水平。但是隨著螯合劑的過量加入，去污力未明顯增加，多添加的螯合劑并未在去污中發(fā)揮明顯作用，去污力不再增加。因此，需要根據(jù)清洗的實際情況添加螯合劑[10]。

pH值是影響螯合劑作用的重要因素，EDTA-4Na的螯合能力隨著pH的增加線性增加[11]，故在堿性條件下具有良好的去污力。EDTA-2Na在pH=5時螯合能力最強，在弱堿性環(huán)境下螯合能力較低[11]。GLDA與MGDA的螯合能力隨pH增加先上升后下降，在pH≈11時螯合性能達到峰值[12]，在pH=9～11的范圍內(nèi)對于人工油污和真實油污的去污力增效明顯。

3 結(jié)論

（1）人工油污和不同環(huán)境中廚房油污的成分以及不溶物顆粒的數(shù)量和粒徑分布有很大差異。

（2）添加堿性助劑可顯著提高對油污的去除效果，NaOH的濃度與去污力成正相關(guān)，Na2CO3、NaHCO3、DIPA和TEA在特定的濃度具有最佳的去污效果。在弱堿性條件下，有機堿劑DIPA和TEA具有更出色的清潔效果和低腐蝕性。

（3）螯合劑對于油污的去污效果具有增效作用，在弱堿性條件下，EDTA-4Na、MGDA和GLDA比EDTA-2Na具備更好的去污增效。

（4）由于烹飪和飲食習(xí)慣的差異，廚房油污的成分存在差異，在產(chǎn)品配方開發(fā)應(yīng)用時，應(yīng)針對不同場景設(shè)計和考察配方。