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烷基糖苷APG在餐具洗涤中的应用

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  一、餐具上的油污是如何除去的

  餐具洗涤是从餐具表面除去油污等污垢的过程,常需使用餐具洗涤剂,表面活性剂是餐具洗涤剂的成分。表面活性剂分子通常含有一个较长的疏水链和一个亲水基。疏水链在水中处于不稳定的状态,有迁移到两相或多相界面上的趋势,以尽量减小与水的接触面积,结果使界面张力降低,从而产生润湿、增溶等功能。当表面活性剂浓度够大时,表面活性剂分子在水中聚集,疏水链彼此靠在一起形成胶团,亲水基向外构成胶团表面。胶团内可以包裹油污,使油在水中的溶解度显著增大(即增溶作用)。再施以机械作用,就能将油污从餐具表面除去。

  餐具洗涤剂常用的表面活性剂很多,如十二烷基苯磺酸钠(LAS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐(AES),但是它们在安全性、对皮肤的影响、生物降解性能等方面都不够理想。这里给大家介绍一种性能比较理想的绿色表面活性剂APG。

  二、什么是APG

  APG代表烷基糖苷(Alkyl Polyglucoside),通常为单糖和低聚糖的烷基糖苷化合物,烷基葡萄糖苷分子的结构如图2所示。分子中的疏水链R一般为C8~C12的烷基,亲水基为单糖或低聚糖苷(聚合度一般为1~3,很少超过5)。由于糖分子具有多个羟基,例如葡萄糖有5个羟基,蔗糖、麦芽糖有8个羟基,因此烷基糖苷的结构复杂,存在多种异构体。

  三、APG的洗涤性能

  APG分子中没有强电离基团,属于非离子型表面活性剂,其表面活性居于之列,比常见非离子型表面活性剂(例如脂肪醇聚氧乙烯醚)都强,并且在浓碱和电解质(如硅酸钠等)溶液中仍能保持较高的表面活性。表面活性剂形成胶团的低浓度称为临界胶束浓度(cmc),它是衡量表面活性剂表面活性的重要参数。cmc越小,表面活性越高。当烷基相同时,常用的阴离子型十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠的cmc分别为1.2×10-3mol/L和9.3×10-3mol/L,非离子型月桂醇聚氧乙烯醚C12H25O(OC2H4)9H为1.0×10-4mol/L,而各种APG可小至8.0×10-5mol/L~2.2×10-4mol/L。

  APG还具有其他优点,包括泡沫丰富,起泡能力与阴离子表面活性剂差不多;与其他表面活性剂复配具有协同效应,能提高表面活性并减小刺激性表面活性剂的用量;手感温和,对皮肤刺激性小。由于它无毒,易于降解,并且100%用再生性天然原料生产,在能耗、生理、环境相容性等方面有其的优势,因而被誉为绿色表面活性剂。它的缺点是受水质的影响较大,随着水硬度增大,去污能力下降

  四、APG的合成

  APG通常用天然淀粉及其水解产物与脂肪醇缩合来制备,淀粉的水解产物可以是葡萄糖,也可以是二糖、三糖等低聚糖。合成方法有多种,目前主要使用化学合成法。

  在此介绍两种成熟的工业合成法。一种常称为一步法,它是采用C8~C16的脂肪醇与淀粉水解产物直接反应来生产烷基糖苷,通常需要加热,并需要催化剂。常用的催化剂为硫酸、对甲苯磺酸,也使用具有乳化性能的酸(如十二烷基苯磺酸),这些酸可使原料形成稳定的细小液滴,有助于糖苷化反应。

  反应完成后除去脂肪醇,然后经过中和、漂白后,即得产物APG。这种方法相对简单,但由于高碳醇与糖的溶解度不好,所以反应时间长,同时需要仔细控制反应条件,否则易形成结积的焦块。国外主要用此法合成烷基糖苷。

  另一种合成法常称为二步法。以转缩醛化法为例,它是在硫酸、对甲苯磺酸等酸性催化剂存在下, 先让低碳脂肪醇(一般为丁醇)和淀粉(或其水解产物)生成低碳链的烷基糖苷,然后再以高碳链的脂肪醇取代糖苷中的低碳链,从而制得高碳链的烷基糖苷。以葡萄糖为原料的反应为:

  目前国内主要用此法生产,常用的条件是:第一步反应2小时后,在100~120℃、真空下尽快除去正丁醇,再进行第二步反应。反应40分钟后,用Na2CO3中和,在165℃,0.27 kPa下脱除十二醇,即得到产物。二步法的特点是反应时间短,操作简单,很好地解决了醇糖相溶性问题,但规模化生产需要增加低碳醇的分离工序和设备,且产品纯度不如一步法。除了化学法以外,还可用酶催化法来合成APG。该法具有选择性好,条件温和,工艺简单,产品纯度高等优点,但是转化率低,反应速度慢,合适的酶体系建立复杂,因此目前还处于实验室研究阶段。

  五、APG配制餐具洗涤剂

  通常,使用APG的餐具洗涤剂配方中还含有其他表面活性剂,这样配成的洗涤剂泡沫丰富,抗硬水性好,易漂洗,手感温和。需要说明的是,泡沫与洗涤剂性能并无直接关系,但泡沫在洗涤过程中逐渐减少的现象,可表明洗涤溶液的有效成分减少,清洗能力下降。由于APG价格相对较高,一般配方中APG用量较少(通常在1%~15%),以降低成本。商业化生产中为了进一步降低成本并增大黏度,常用NaCl作为增稠剂。

  以下是一个简单配方的配制实验方案:称取APG(50%)0.70 g,AES(70%)1.20 g,分别加水至10 g,用水浴(或加热套)微微加热使其溶解。将两份溶液混合,加入NaCl饱和溶液3.5 mL,轻轻搅拌均匀,即得产品。本产品具有很强的去污能力,将它稀释5倍后在硬水中的洗涤效果仍很好。

  在实验中,需要注意以下事项:(1)AES具有弱酸性,对皮肤有定刺激性,应尽量避免直接接触皮肤。(2)配制洗涤剂时,应将APG与AES分别溶解后再行混合,否则溶解会较困难。(3)APG较难溶于水,但剧烈搅动会产生大量泡沫,且增溶效果不明显。所以溶解时不宜剧烈搅动,可以稍微加热来促进溶解。(4)NaCl应以饱和溶液形式加入,直接加入固体会造成溶解困难。NaCl的用量不能过大,否则会失去增稠作用,反而使洗涤剂变稀。(5)实验用品多为易燃有机物,所以整个过程不能有明火。

  为满足不同需求,可向洗涤剂中加入保湿剂(一般为少许甘油)避免洗涤后皮肤干燥,可加入香料(柠檬香料0.02 g)改善气味,还可加入适量防腐剂(脱氢醋酸钠0.01 g)延长产品保质期。

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