一種淀粉類污垢含酶清潔劑及清洗工藝的研究

陳春旭， 孟閔節(jié)， 張 齊， 楊劍婷， 高紅梅，杜傳來(lái)， 郭元新， 李先保*

(1.安徽科技學(xué)院 食品工程學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100；2.江蘇科技大學(xué) 糧食學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212004)

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人們對(duì)食品安全問(wèn)題日益重視。食品清洗是保證食品安全的重要一環(huán)。食品行業(yè)內(nèi)的清洗，主要是遵循相關(guān)程序與標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)肉眼可見的食品污垢，以清水、清洗劑為清洗載體，進(jìn)行徹底清洗的過(guò)程[1]。清洗劑和清洗工藝對(duì)清洗效果的影響占主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)清洗技術(shù)主要利用酸堿或酸堿復(fù)合清洗劑，如小蘇打、氫氧化鈉、硝酸等，而在現(xiàn)代清洗技術(shù)中，微量、高效、安全的含酶清潔劑正在逐步取代傳統(tǒng)清潔劑[2]。常見的食品工業(yè)，如在焙烤加工、淀粉產(chǎn)業(yè)、飲料產(chǎn)業(yè)、糖類制品工業(yè)中，淀粉類污垢占有很大的比例。雖然傳統(tǒng)清洗工藝使用堿性清洗劑，可以將淀粉部分清除，但是對(duì)于淀粉變性后的污垢及當(dāng)其含有油漬等其他污垢時(shí)清洗效果不理想。因此，利用溫和無(wú)腐蝕的含酶清潔劑，不僅對(duì)于淀粉類的污垢有更強(qiáng)的針對(duì)性，而且對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備有一定的保護(hù)性[3-4]。

α-1,4-D-葡萄糖-葡萄糖苷水解酶(α-淀粉酶)是普遍分布在動(dòng)物、植物和微生物中的一種重要的淀粉水解酶[5]。其廣泛用于各類清潔劑中，幾乎90%以上的液體清潔劑中都含有α-淀粉酶[6]。商品化的洗滌劑所用的α-淀粉酶來(lái)自于芽孢菌屬的微生物，能切斷連接淀粉多糖中的α-1,4鍵產(chǎn)生水溶性的葡萄糖從而去除含淀粉的污垢。此外，α-淀粉酶與大多數(shù)洗滌劑成分包括各類表面活性劑、洗滌劑助劑及其他酶制劑兼容，在粉狀及液體洗滌劑中都具有較好的穩(wěn)定性。同時(shí)研究還表明，α-淀粉酶與蛋白酶協(xié)同作用可以防止因淀粉污垢導(dǎo)致的再沉積[7]。

表面活性劑作為功能性精細(xì)化工產(chǎn)品[8]，可產(chǎn)生潤(rùn)濕、乳化、增溶及發(fā)泡等清洗效果，不但能夠降低水的表面張力，改善水對(duì)洗滌物表面的潤(rùn)濕性，還可以增強(qiáng)污垢的分散和懸浮能力[9-10]。其中，非離子表面活性劑表面活性較高，水溶液的表面張力低，臨界膠束濃度低，膠束聚集數(shù)大，增溶作用強(qiáng)。例如，椰子油二乙醇酰胺不但具有使水溶液變稠的特性，而且對(duì)大多數(shù)類別的油脂都有很強(qiáng)的脫脂力，還可與離子型表面活性劑復(fù)配從而具有良好的增效性。而陽(yáng)離子表面活性劑主要是含氮的有機(jī)胺衍生物，具有良好的殺菌，在水中電離后其表面活性基團(tuán)帶有正電荷，例如十二烷基二甲基芐基氯化銨對(duì)通常帶負(fù)電荷的物品有很強(qiáng)的吸附力，從而具有消毒殺菌的作用[11-12]。

基于此，本實(shí)驗(yàn)擬以椰子油二乙醇酰胺和苯扎氯銨兩種表面活性劑為原料進(jìn)行復(fù)配，添加α-淀粉酶，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)分析優(yōu)化得到淀粉污垢清洗的最佳工藝參數(shù)，為食品加工行業(yè)淀粉類污垢的清洗工藝的發(fā)展提供進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

不銹鋼鐵片購(gòu)于思普家儀器有限公司；黃油、植物油均為市售；可溶性淀粉購(gòu)于天津致遠(yuǎn)化學(xué)品試劑有限公司；α-淀粉酶(>50 U/mg)購(gòu)于北京鑫達(dá)食品添加劑有限公司；無(wú)水檸檬酸(>99.5%)購(gòu)于上海中試化工總公司；苯扎氯銨,椰子油二乙醇酰胺購(gòu)于麥克林試劑有限公司。

1.2 儀器

101-3-5電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精密試驗(yàn)設(shè)備有限公司)；FA2004B電子天平(上海精密科技儀器有限公司)；JTMX-HH-S24 型電熱恒溫水浴鍋(北京中西泰安技術(shù)服務(wù)有限公司)；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司)；JSM-6700F掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 人工淀粉污片的制備 稱量5 g可溶性淀粉，2.5 g黃油，2.5 g植物油，混合于磁力攪拌器中攪拌10 min即為淀粉污垢，稱取1 g淀粉污垢涂抹于3 cm×3 cm的不銹鋼鐵片上，95 ℃恒溫干燥12 h，取出即為淀粉污片[11-13]。

1.3.2 淀粉轉(zhuǎn)化率測(cè)定 根據(jù)GB/T5009.7-2008，以亞甲基藍(lán)作為指示劑，采用滴定法測(cè)定還原糖含量，根據(jù)還原糖含量轉(zhuǎn)化計(jì)算出淀粉轉(zhuǎn)化率。

1.3.3 去污率計(jì)算 取1片淀粉污片，稱量質(zhì)量，按操作要求清洗，清洗完成后用蒸餾水緩慢沖洗污片，沖洗液置于原液中，將污片放置鼓風(fēng)干燥箱中干燥12 h，至無(wú)水分時(shí)，取出稱量，再將污片完全洗凈干燥后稱量[13-14]。

1.3.4 微觀結(jié)構(gòu)觀察 采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察淀粉污垢在清洗過(guò)程中顆粒大小、形態(tài)結(jié)構(gòu)變化。將淀粉污垢按要求進(jìn)行清洗，清洗凈后放在恒溫干燥箱中干燥12 h至衡重，將樣品固定于樣品臺(tái)并噴金，用JSM-6700F掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察淀粉污垢表面狀態(tài)[15-18]。

1.3.5 單因素試驗(yàn) 取一定量取5%椰子油二乙醇酰胺0、2、4、6、8 mL，5%苯扎氯銨0、1、2、3、4 mL，α-淀粉酶0、0.1、0.2、0.3、0.4 g，用蒸餾水定容至25 mL，并將其倒入裝有淀粉污片的燒杯，分別在20、30、40、50、60 ℃恒溫水浴鍋中，在振蕩頻率為0、50、100、150、200 r/min的轉(zhuǎn)速下，清洗0、5、10、15、20 min，后用少量蒸餾水清洗污片后放入烘箱干燥12 h，評(píng)估不同因素對(duì)污片清洗效果的影響。

1.3.6 正交試驗(yàn) 應(yīng)用正交分析軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素和水平，最終獲得淀粉類污垢含酶清潔劑的優(yōu)化工藝條件參數(shù)(表1)。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉污片清洗單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 α-淀粉酶含量對(duì)淀粉污片清洗效果的影響 由圖1可以看出，在試驗(yàn)條件下，隨著α-淀粉酶用量的增加去污率以及淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸增大，但當(dāng)添加量大于0.2 g時(shí)，去污率略有下降，淀粉轉(zhuǎn)化率上升速度變緩。

圖1 α-淀粉酶添加量對(duì)去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率的影響

圖2 震蕩時(shí)間對(duì)去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率的影響

這可能是由于隨著酶濃度提高，酶與底物結(jié)合越來(lái)越充分，反應(yīng)速率不斷加快，而當(dāng)添加量大于0.2 g時(shí)，由于底物濃度降低淀粉轉(zhuǎn)化率上升速率放緩，而且過(guò)量的淀粉酶在表面活性劑的影響下吸附于污垢表面，將一些已經(jīng)分離的油脂重新聚集，使去污率下降。因此，試驗(yàn)選擇α-淀粉酶添加量為0.2 g時(shí)具有最佳清洗效果。

2.1.2 清洗時(shí)間對(duì)淀粉污垢清洗效果的影響 從圖2可知，隨著清洗時(shí)間的增加，去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸增大，在10 min之后，去污率基本維持不變，淀粉轉(zhuǎn)化率略有上升。這可能是由于前期污垢在表面活性劑的作用下擴(kuò)散溶解，在α-淀粉酶的作用下分解，所以去污率與淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸升高，而10 min后，當(dāng)油脂大部分?jǐn)U散在水中時(shí)，此時(shí)去污率達(dá)到峰值，而其中游離出的淀粉顆粒繼續(xù)與α-淀粉酶作用，淀粉轉(zhuǎn)化率緩慢升高。比較10 min與20 min時(shí)的淀粉轉(zhuǎn)化率，相差不大，但時(shí)間增加必然會(huì)增加一倍能量損耗，進(jìn)而增加清洗成本。所以，選擇10 min為單因素試驗(yàn)中最佳清洗時(shí)間。

2.1.3 溫度對(duì)淀粉污片清洗效果的影響 由圖3可知，隨著清洗溫度的增加，去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸增大，在40 ℃時(shí)，去污率和淀粉轉(zhuǎn)化率達(dá)到峰值，隨著溫度繼續(xù)升高，去污率基本不變，淀粉轉(zhuǎn)化率反而減小。這可能是因?yàn)棣?淀粉酶需要適宜的工作溫度，當(dāng)超過(guò)最適溫度時(shí)，隨溫度升高酶活力開始下降，繼續(xù)升高溫度酶結(jié)構(gòu)遭到破壞，使α-淀粉酶變性失活降低。因此，實(shí)驗(yàn)選擇40 ℃為最佳清洗溫度。

圖3 清洗溫度對(duì)去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率的影響

圖4 震蕩頻率對(duì)去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率的影響

2.1.4 震蕩頻率對(duì)淀粉污片清洗效果的影響 從圖4可以看出，隨著震蕩頻率逐漸增大至100 r/min，去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸增大，當(dāng)震蕩頻率超過(guò)100 r/min時(shí)，去污率基本不變，淀粉轉(zhuǎn)化率有小幅升高。這可能是因?yàn)檎鹗幱兄诘矸畚酃钢械矸蹟U(kuò)散至溶液中，增大底物濃度。當(dāng)震蕩頻率達(dá)到一定程度時(shí)，幾乎所有的淀粉都從污垢中擴(kuò)散出來(lái)，相應(yīng)的去污率也相應(yīng)達(dá)到最大，α-淀粉酶利用余留底物，使淀粉轉(zhuǎn)化率小幅的增加。因此，選擇100 r/min的震蕩頻率作為清洗最佳震蕩頻率。

2.1.5 苯扎氯銨含量對(duì)淀粉污垢清洗效果的影響 由圖5可知，在試驗(yàn)條件下，隨著苯扎氯銨的濃度逐漸增大，淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸增加，當(dāng)苯扎氯銨添加量超過(guò)1 mL時(shí)淀粉轉(zhuǎn)化率開始下降。而去污率卻隨著苯扎氯銨濃度增大而逐漸減小，在苯扎氯銨用量大于2 mL時(shí)增速降低。這可能是因?yàn)楫?dāng)溶液中陽(yáng)離子表面活性劑濃度過(guò)大時(shí)會(huì)抑制非離子表面活性的作用。同時(shí)，選擇1 mL作為苯扎氯銨的最佳添加量。

2.1.6 椰子油二乙醇酰胺含量對(duì)淀粉污垢清洗效果的影響 從圖4可以看出，在試驗(yàn)條件下，隨著椰子油二乙醇酰胺的用量逐漸增大，淀粉轉(zhuǎn)化率逐漸增大，當(dāng)添加量大于6 mL時(shí)上升變緩。這可能是因?yàn)楫?dāng)溶液中非離子表面活性劑濃度較小時(shí)對(duì)于清洗抑制作用不明顯，濃度過(guò)大時(shí)會(huì)抑制自身的作用。因此，選擇5%椰子油二乙醇酰胺最佳用量為6 mL。

圖5 苯扎氯銨添加量對(duì)去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率的影響

圖6 椰子油二乙醇酰胺對(duì)去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率的影響

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

按照上述提取工藝，在多次單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文選擇苯扎氯銨用量、α-淀粉酶用量、椰子油二乙醇酰胺用量、震蕩頻率作為研究對(duì)象，以淀粉轉(zhuǎn)化率及去污率為考察指標(biāo)，按照L9(34)進(jìn)行四因素三水平的正交試驗(yàn)，對(duì)于淀粉污垢的清洗工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，正交試驗(yàn)結(jié)果顯示如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用極差法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表3～4。結(jié)果表明，苯扎氯銨對(duì)去污率的影響最大，椰子油二乙醇酰胺次之，其后是α-淀粉酶用量，最后是震蕩頻率。對(duì)于淀粉轉(zhuǎn)化率的影響，苯扎氯銨最大，其次是α-淀粉酶用量，椰子油二乙醇酰胺，震蕩頻率影響最小[15-16]。綜合來(lái)看，不同考察指標(biāo)影響差別主要在于α-淀粉酶與椰子油二乙醇酰胺，從表中可以看出，α-淀粉酶用量和椰子油二乙醇酰胺對(duì)淀粉轉(zhuǎn)化率的影響幾乎一致，而且兩者都不是主要影響因素。所以，最優(yōu)組合為A3、B1、C3、D3，即苯扎氯銨用量1.5 mL，椰子油二乙醇酰胺用量5.5 mL，α-淀粉酶用量0.25 g，震蕩頻率150 r/min。

由于此優(yōu)化的條件在正交實(shí)驗(yàn)表中并未出現(xiàn)，因此進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。量取5%椰子油二乙醇酰胺5.5 mL，5%苯扎氯胺1.5 mL，α-淀粉酶0.25 g，用蒸餾水定容至25 mL，并倒入放入淀粉污片的燒杯中，將燒杯放入40 ℃恒溫水浴鍋中，在轉(zhuǎn)速150 r/min的轉(zhuǎn)速下，清洗10 min。清洗后用少量蒸餾水清洗污片后放入烘箱干燥12 h。對(duì)于清洗液過(guò)濾后測(cè)定其去污率及淀粉轉(zhuǎn)化率。結(jié)果如表5所示，重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)得到去污率為94.02%±0.10%，淀粉轉(zhuǎn)化率為13.65%±0.35%。由此驗(yàn)證了正交試驗(yàn)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

表3 去污率極差分析表

表4 淀粉轉(zhuǎn)化率極差分析表

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

2.3 淀粉污垢處理掃描電鏡

從圖7a、b可以看出，淀粉小分子大部分顆粒飽滿，成卵形，有輕微粘連在一起，成小塊聚集。從圖7c、d可以看出，淀粉小分子部分顆粒飽滿，能看出小分子性質(zhì)，分子粘連現(xiàn)象較為明顯。由圖7e、f可以看出，淀粉小分子出現(xiàn)空洞，顆粒間漸漸出現(xiàn)空隙。由圖7g、h可知，空洞逐漸增大，小分子聚集成網(wǎng)狀，大塊顆粒逐漸解離。這主要是因?yàn)殡S著清洗時(shí)間的延長(zhǎng)，含α-淀粉酶的清潔劑逐漸破壞其淀粉分子結(jié)構(gòu)，使大分子逐漸分解為小分子，游離在溶液中[17-19]。

圖7 淀粉污垢處理掃描圖Fig.7 SEM of decontamination of starch dirt

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，當(dāng)5%苯扎氯銨添加量為1.5 mL，5%椰子油二乙醇酰胺添加量為5.5 mL，α-淀粉酶添加量為0.25 g，以純水定容至25 mL后，在震蕩頻率為150 r/min，清洗溫度為40 ℃，清洗時(shí)間10 min的條件下對(duì)淀粉類污垢具有最佳的清洗工藝。此外，正交試驗(yàn)結(jié)果表明，苯扎氯銨對(duì)于淀粉污垢清洗效果影響最大，椰子油二乙醇酰胺和α-淀粉酶次之，震蕩頻率對(duì)其影響最小。不同類型的表面活性劑對(duì)生物酶有著不同的影響[19-20]。非離子表面活性劑在臨界膠束濃度以下，可以提高生物酶的反應(yīng)速率促進(jìn)清洗作用，但是當(dāng)在臨界膠束濃度以上時(shí)，會(huì)抑制清洗效果。陽(yáng)離子表面活性劑在低濃度時(shí)，對(duì)酶活性影響不大，而陰離子表面活性劑則較易抑制生物酶的活性，影響清洗效果。本研究的復(fù)配型清洗劑在優(yōu)化條件下對(duì)于淀粉類污垢具有良好的去污性。對(duì)食品加工行業(yè)淀粉類污垢的清洗工藝有一定的理論指導(dǎo)意義。