餐具洗涤剂：成分、作用机理和操作原理 
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这些日常产品基于胶体化学、酶学和材料科学的科学进步，由复杂的化学成分制成，旨在有效去除厨具表面的各种污染物。
现代洗涤剂的工作原理是表面活性剂、酶和辅助成分之间复杂的相互作用，它们共同构成一个有效的系统，能够去除脂肪、蛋白质、淀粉和其他食物污染物。在这种情况下，不仅活性成分起着重要作用，它们的比例以及洗碗过程中发生的物理和化学过程也起着重要作用。
洗洁精的化学成分
表面活性剂作为洗涤剂的基础
表面活性物质 (SAS) 是所有餐具洗涤剂的主要活性成分。它们的分子结构决定了其降低两种环境边界表面张力的能力，从而使其能够渗透到污垢和餐具表面之间。SAS 分子具有亲水性“头部”，易于与水结合；以及疏水性“尾部”，对油脂具有亲和力。这种两亲性质使 SAS 能够在水和油脂污垢之间架起桥梁，从而将其去除。
手洗餐具清洁剂中的表面活性剂浓度通常占总成分的20%至45%，是主要活性成分。这些物质不仅能将污垢从餐具表面分离，还能使污垢悬浮在水中，防止其再次沉积在餐具上。
表面活性剂的种类及其作用
洗碗剂使用几种类型的表面活性剂，每种表面活性剂都有其自身的功能：
阴离子表面活性剂是大多数洗涤剂的基础成分，其占比可达35%。这些物质在水溶液中带负电荷，具有强大的清洁能力和良好的起泡性。这些表面活性剂包括烷基硫酸钠（例如十二烷基硫酸钠）、烷基苯磺酸盐等。阴离子表面活性剂可以有效分解餐具上的污垢，但频繁接触可能会刺激皮肤。
非离子表面活性剂在溶液中不带电荷，用量通常比阴离子表面活性剂少3-8倍。它们对皮肤更温和，主要用于婴儿餐具洗涤剂。非离子表面活性剂对油性污渍效果良好，并有助于减轻阴离子表面活性剂可能带来的负面影响。
两性表面活性剂，例如甜菜碱、氧化胺和烷基两性乙酸盐，被添加到餐具洗涤剂中，以稳定泡沫并改善硬水中的起泡效果。它们兼具阴离子和阳离子表面活性剂的特性，可根据环境pH值改变电荷。两性表面活性剂的特点是对皮肤温和，并具有良好的脱脂性能。
水溶助长表面活性剂通常添加到电解质含量高的浓缩产品中。它们可以防止成分分离，并提高非离子表面活性剂的浊点，从而有助于提高产品的稳定性。
辅助部件及其功能
洗洁精除了表面活性剂外，还含有许多辅助成分：
水是大多数餐具洗涤剂的主要溶剂。作为“万能溶剂”，它比任何其他液体都能溶解更多的物质。当与洗涤剂和表面活性剂结合时，水就成为一种有效的清洁剂。
增稠剂可调节产品的粘度，使其使用更方便。它们有助于计量并减少产品消耗。非离子表面活性剂（例如二乙醇胺）和其他高分子化合物常用作增稠剂。
柔顺剂可补偿表面活性剂对手部皮肤可能造成的负面影响。这些添加剂包括甘油、泛醇和各种植物提取物，有助于防止皮肤过度干燥和刺激。
添加香精和着色剂是为了使产品具有令人愉悦的气味和诱人的外观，这会影响产品的消费者特性。
防腐剂可确保产品在整个保质期内的微生物稳定性，防止细菌生长和霉菌滋生。
污染物去除的物理化学原理
与油脂相互作用的机制
去除餐具上油渍的过程基于多种物理和化学原理。当洗洁精接触到脏污的表面时，表面活性剂的疏水“尾部”会与油脂分子相互作用，而亲水“头部”则朝向水面。
当受到机械作用（用海绵或刷子摩擦）时，脂肪分子会从表面剥离，并被表面活性剂分子包裹，形成微小的液滴，称为胶束。在这些胶束中，脂肪被包裹在内部，而表面活性剂分子的亲水部分则包裹在外部，从而确保了整个结构在水中的溶解性。
水温也是一个重要因素。较高的水温有助于固体脂肪融化，使其更容易被表面活性剂吸收。此外，温水还能加速化学反应，提高分子的流动性，从而提高清洁效率。
胶束的形成和工作过程
胶束形成是餐具洗涤剂运作的关键过程。只有当表面活性剂的浓度超过所谓的临界胶束浓度 (CMC) 时，才会形成胶束。达到此浓度时，表面活性剂分子会自发地组装成球形结构。
在水溶液中，胶束呈球形颗粒，其中表面活性剂分子的疏水“尾”朝内，亲水“头”朝外，朝向水介质。当与脂肪接触时，会形成反胶束，脂肪分子被困在胶束内部，而表面活性剂分子的亲水部分则确保整个结构在水中的溶解性。
胶束能够溶解脂肪和油等不溶于水的物质，从而将其从餐具表面去除。胶束形成后，污染物会悬浮在水中，并在冲洗过程中被冲走。
水在洗碗过程中的作用
水在洗碗过程中扮演着多重角色。首先，它作为介质溶解洗涤剂并形成活性溶液。其次，水参与将餐具表面的污渍剥离。第三，在冲洗过程中，水将洗涤剂残留物与溶解的污渍一起带走。
水质对洗涤效果有显著影响。含有钙镁离子的硬水会降低洗涤剂的清洁能力，因为这些离子会与阴离子表面活性剂相互作用，形成不溶性化合物。为了弥补这种影响，洗涤剂中通常会添加能够结合硬度离子的螯合剂。
水温也很重要：温水（30-45°C）通常能提供最佳效果，因为它有助于融化脂肪并加速化学反应，而不会导致高温下可能发生的蛋白质污染物变性。
现代洗涤剂中的酶
蛋白酶和淀粉酶的作用原理
酶（或发酵剂）是加速化学反应的生物催化剂。现代自动洗碗机洗涤剂广泛使用各种类型的酶，可以分解特定类型的污垢。
蛋白酶专门分解蛋白质污染物，例如肉类、蛋类或乳制品残渣。这些酶能破坏蛋白质分子中的肽键，将其分解成更小的片段 — — 肽和氨基酸 — — 这些片段很容易被水冲洗掉。
淀粉酶的作用是分解土豆、大米、意大利面和烘焙残渣中的淀粉和其他多糖。它们将复合碳水化合物转化为易溶于水的单糖。
有些配方奶粉还含有脂肪酶，这种酶专门分解脂肪和油脂。它们将甘油三酸酯分解成甘油和脂肪酸，更容易被表面活性剂去除。
酶的独特之处在于它们在反应过程中不会被消耗，而是可以重复多次。一个酶分子就能分解数百万个污垢分子，这使得它们即使在低浓度（通常低于洗涤剂成分的2%）下也能发挥极强的功效。
酶配方的益处
在洗涤剂中使用酶有许多显著的优点：
低浓度高效。即使少量的酶也能凭借其催化特性提供显著的清洁效果。洗涤剂中的酶含量通常仅为2%左右，而磷酸盐配方中的酶含量则高达7%甚至更高。
作用特异性。每种酶都针对特定类型的污染，这使您能够针对不同的任务创建有针对性的配方。
能够在较低温度下发挥作用。许多现代耐热酶在40-50°C下即可发挥作用，这使得使用洗碗机时可以节省能源。
与磷酸盐等传统化学成分相比，酶对环境的影响更小。酶可生物降解，不会在环境中积累。
与洗涤剂的其他成分兼容，从而可以创建具有协同效应的复杂配方。
酶使用的生态方面
酶是传统洗涤剂化学成分的一种更环保的替代品。与会导致水体富营养化的磷酸盐不同，酶会在环境中自然分解。
洗涤剂用酶的生产需要使用微生物，例如地衣芽孢杆菌，这些微生物在特殊的生物反应器中生长。产生的酶经过分离、稳定处理后，添加到洗涤剂中。
酶在使用后排入废水，逐渐失去活性，被环境分解，成为正常细菌的食物，促使其完全分解，不会形成有害的副产物。
在洗涤剂中用酶替代磷酸盐是减少家用化学品对生态系统负面影响的重要一步。鉴于许多国家已出台限制磷酸盐使用的措施，这一点尤为重要。
特殊组件增强清洁能力
螯合剂及其重要性
螯合剂（螯合物）是能够与钙、镁、铁和铜等金属离子形成稳定络合物的物质。它们在洗涤剂中的主要作用是软化水质，并防止与表面活性剂形成不溶性盐。
乙二胺四乙酸 (EDTA) 和氮川三乙酸 (NTA) 是洗涤剂中常用的螯合剂。它们能结合硬水中的钙和镁离子，防止它们与洗涤剂成分发生相互作用并形成沉淀。
螯合物也有助于去除含金属的污渍，例如铁锈或硬水渍。它们与污渍中的金属离子形成复合物，使金属离子更易溶解，更容易去除。
现代配方越来越多地使用可生物降解的 EDTA 替代品，例如甲基甘氨酸二乙酸 (MGDA) 和其他氨基羧酸盐，它们具有良好的螯合性能，对环境的影响较小。
清洁产品成分中的助洗剂（增效剂）
助洗剂是增强主要清洁剂作用的成分，具有以下几个重要作用：
通过结合钙镁离子来软化水质，从而提高表面活性剂的有效性。传统上，人们使用三聚磷酸钠 (STPP) 来实现这一目的，它对重金属和钙离子具有很强的结合能力。
保持最佳pH值，有助于提高清洁效果。碱性盐（例如碳酸钠）为清洁部件的工作创造了良好的环境。
防止去除的污垢重新沉积在餐具表面。这对于自动洗碗机尤为重要，因为洗碗机的清洗周期较长。
由于许多国家对磷酸盐的使用存在环保限制，现代配方中通常会添加替代助洗剂，例如沸石、聚丙烯酸酯、柠檬酸钠和聚羧酸盐。例如，A型沸石具有优异的离子交换和硬水软化性能，是一种环保材料。
泡沫和形状稳定剂
泡沫稳定剂可确保在使用手洗餐具洗涤剂时形成稳定的泡沫。虽然泡沫本身并不能提高清洁效果，但它可以作为产品活性的指标，并在消费者的心理上与产品的有效性产生联系。
甜菜碱等两性表面活性剂常用于稳定泡沫，即使在硬水中也能形成细腻稳定的泡沫。它们还能减轻阴离子表面活性剂可能对皮肤造成的刺激。
相比之下，自动洗碗机洗涤剂通常使用消泡剂，因为过多的泡沫会干扰机器的运行，影响水位传感器并导致门密封泄漏。
形态或稠度稳定剂有助于在整个保质期内保持产品的粘度和均匀性。这类稳定剂包括各种聚合物，可防止产品分离，并在不同的储存温度下保持稳定的稠度。
不同应用产品的特点
手洗餐具清洁剂
手洗餐具洗涤剂具有一些决定其成分的具体要求：
发泡性强。丰富稳定的泡沫是产品功效及其成本效益的直观体现。为此，配方中加入了具有良好发泡性能的阴离子表面活性剂以及泡沫稳定剂。
温和呵护双手肌肤。由于这类产品会与肌肤直接且长时间接触，因此必须添加能够降低刺激性的成分，例如非离子和两性表面活性剂，以及柔顺剂（甘油、泛醇）。
清洁脱脂效果佳。该配方能够有效去除各种食物污渍，包括脂肪、淀粉和蛋白质。为了达到此效果，我们采用了多种具有协同效应的表面活性剂组合。
易于冲洗。产品应易于彻底从餐具上冲洗掉，不留任何痕迹或化学味道。这一点尤为重要，因为残留物可能会渗入食物中。
手洗餐具洗涤剂中表面活性剂的总含量通常为20-45%，其中阴离子表面活性剂的含量最高可达配方总量的35%。非离子表面活性剂的添加量较少（比阴离子表面活性剂少3-8倍）。两性表面活性剂用于稳定泡沫，并减轻阴离子表面活性剂对皮肤的刺激。
自动洗碗机的配方
自动洗碗机的洗涤剂与手洗的洗涤剂有很大不同：
低泡。过多的泡沫会影响洗碗机的运行，影响水位传感器并导致泄漏。因此，这类产品会使用低泡表面活性剂或添加消泡剂。
高碱性。餐具洗涤剂通常具有较高的pH值（10-12），有助于有效去除油脂和蛋白质污渍。为此，其成分中通常含有碱性盐，例如偏硅酸盐、碱金属氢氧化物和碳酸钠。
酶含量。自动化产品通常含有多种酶（蛋白酶、淀粉酶，有时还有脂肪酶），可在 40-60°C 的温度下有效破坏各种类型的食品污染物。
漂白剂能够破坏和褪色有机污染物。现代配方通常使用含氧漂白剂，而非含氯漂白剂，因此更加环保。
防腐添加剂（通常是硅酸钠），可防止洗碗机和餐具的金属部件腐蚀。
洗碗机洗涤剂中的表面活性剂含量明显低于手洗洗涤剂 — — 通常在成品中约为0.5-2%。主要成分是酶、助洗剂、漂白剂和防腐添加剂。
针对特殊类型污垢的专用产品
除了通用的洗碗剂外，还有专门针对特定类型污渍的产品：
强力去焦油剂含有高浓度的碱性成分，可有效分解碳化的食物残渣。它们可能含有氢氧化钠或氢氧化钾等成分，能够皂化焦油。
银器和其他有色金属清洁剂含有特殊成分，可防止金属表面氧化和失去光泽。这类清洁剂通常含有温和的研磨剂和抗氧化剂，但不含腐蚀性漂白剂。
婴儿餐具洗涤剂以其高安全性成分而著称。其主要成分为非离子和温和的两性表面活性剂，不含任何潜在过敏原、染料和刺激性香料。
洗碗机除垢剂和除油剂含有可以溶解矿物质沉积物的酸（柠檬酸、乳酸），以及可以去除机器内表面油污的表面活性剂。
每款专业产品均拥有独特配方，并针对特定任务进行优化。它们的研发不仅考虑了清洁效率，还充分考虑了接触表面的安全性。
洗涤剂发展的现代趋势
组合物的绿色化和生物降解性
现代餐具洗涤剂发展的关键趋势之一是提高其环境安全性：
用替代助洗剂替代磷酸盐。由于许多国家禁止或限制使用磷酸盐（例如，欧盟自2017年1月1日起禁止或限制自动洗碗机使用磷酸盐），制造商正在积极开发具有类似功能的替代成分。这些成分包括沸石、聚羧酸盐、柠檬酸盐和其他可生物降解的化合物。
使用植物基表面活性剂替代石化产品。许多现代产品含有源自棕榈油、椰子油或其他植物油的表面活性剂。这些化合物通常比传统的石化表面活性剂具有更好的生物降解性。
提高活性成分的浓度，从而减少包装体积和运输成本。现代浓缩产品以更低的产品消耗提供相同的清洁效果。
开发固体和粉末状液体洗涤剂的替代品，减少塑料包装的使用。用于洗碗机的片状和粉末状洗涤剂，以及用于手洗餐具的固体洗涤剂，正日益受到欢迎。
实施包装再利用系统。一些制造商提供可重复使用的容器和补充系统，这有助于减少浪费。
酶技术的创新
酶技术的发展对改善洗涤剂起着重要作用：
创造能够在高温（50-70°C）下有效工作的耐热酶，从而提高其去除重污渍的清洁能力。
开发在漂白剂和其他洗涤剂化学成分存在下稳定性更高的酶，从而可以创造出更有效的复合配方。
利用定向进化和基因工程来创造具有改良特性的酶，适应特定的操作条件（pH、温度、污染物类型）。
不同类型的酶（蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶）的组合，可产生协同效应。研究表明，此类组合可显著提高去除复杂污染物的效率。
开发颗粒状和胶囊状的酶，这些酶只有溶于水才能被激活，从而增加了酶在储存过程中的稳定性和消费者的安全性。
监管限制及其对配方的影响
立法限制显著影响了现代洗涤剂的成分：
欧盟对磷酸盐的禁令促使洗涤剂配方进行重大调整，并开始寻找替代助洗剂。由于磷酸盐会导致水体富营养化 — — 藻类过度生长，从而导致缺氧和水生生物死亡，因此出台了这些限制措施。
许多国家对表面活性剂生物降解性的要求促进了具有更环保特性的表面活性剂的使用。现行法规要求表面活性剂在28天内完成80%的初级生物降解和60%的完全生物降解。
对某些防腐剂、调味剂和色素的使用进行限制，特别是那些可能引起过敏反应或具有潜在荷尔蒙影响的物质，导致许多传统配方被重新考虑，并寻求更安全的替代品。
要求产品成分信息透明化，要求制造商在包装上标明所有潜在危险成分。这将促进配方更简洁、更易懂的产品的开发，方便消费者理解。
洗涤剂生产和包装的环境标准日益严格，这不仅影响到化学成分，还影响到包装的材料和设计以及生产技术。
这些监管限制虽然给制造商带来了一些挑战，但最终却带来了更安全、更环保的产品，满足了消费者对环保清洁产品日益增长的需求。
洗涤剂作用机制的最后方面
成分的协同效应
现代餐具洗涤剂的功效不仅源于各个成分的作用，更源于它们之间的协同作用。正确选择不同类型的表面活性剂（阴离子、非离子、两性离子）的组合，其清洁效果远胜于每种表面活性剂单独作用的总和。
酶与表面活性剂的相互作用也体现了协同作用：酶将复杂的污染物分解成更简单的化合物，然后表面活性剂可以更有效地去除这些化合物。螯合剂通过结合水硬度离子，为表面活性剂和酶的协同作用创造最佳条件，从而提高洗涤剂的整体功效。
需要注意的是，洗涤剂配方必须保持平衡，考虑到各成分之间所有可能的相互作用。例如，某些酶在某些表面活性剂或高pH值下可能会失去活性，因此配方必须确保其稳定性和相容性。
效率与安全的平衡
现代餐具洗涤剂是在清洁力与人身及环境安全之间寻求平衡的成果。制造商致力于研发能够有效去除污垢，同时最大程度降低对手部皮肤的影响，并避免破坏水生生态系统的配方。
这是通过以下方式实现的：
- 用更温和的替代品取代侵蚀性表面活性剂
- 减少合成成分的比例，增加天然成分的比例
- 添加保护和柔化手部皮肤的成分
- 开发不会在环境中积累的可生物降解配方
然而，安全性的提高往往会导致效率的降低，反之亦然。因此，洗涤剂的开发需要科学的方法，并在性能和安全性的各个方面进行权衡。
技术进一步发展的前景
洗洁精的未来在于几个技术发展领域：
纳米技术可以创造新型表面活性剂和其他活性成分，使其在分子层面上性能得到改善。例如，目前正在开发的纳米结构表面活性剂能够更有效地与污染物相互作用。
生物技术为创造具有特定特性的新型酶提供了可能性，这些酶可以在更广泛的温度和pH值范围内发挥作用。这将使我们能够制造出即使在低温下也能有效的洗涤剂，从而降低能耗。
绿色化学鼓励对植物基表面活性剂和其他源自可再生资源的成分进行研究。鉴于人们对环境问题的日益关注，这一点尤为重要。
数字技术可以催生“智能”计量系统的诞生，该系统可以根据水的硬度、污垢类型和餐具数量自动确定最佳洗涤剂量。
这些领域反映了创造更有效、更安全、更环保的洗碗剂的总体趋势，以满足日益增长的消费者需求和环境标准。
洗涤剂有效性的测试方法
实验室测试和质量标准
洗碗剂的有效性可以通过多种标准化方法和测试来评估：
去污测试测量在特定条件下，标准时间内从表面去除的污垢百分比。Leenert 改进型去污力测试仪等专用设备可用于比较不同配方的去污效果。
起泡能力是指在特定混合条件下形成的泡沫的体积和稳定性。对于手洗餐具洗涤剂而言，高且稳定的起泡能力是一项重要的质量指标。
生物降解性测试评估洗涤剂成分在环境中分解的速度和完整性。标准方法包括测量微生物分解测试物质时产生的二氧化碳或消耗的氧气量。
皮肤病学测试可验证产品对手部皮肤的安全性。测试内容包括评估产品的潜在皮肤刺激性、致敏性以及其他可能的负面影响。
与各种材料的兼容性测试确定清洁剂在长时间接触时是否会对餐具（玻璃、陶瓷、金属、塑料）的表面造成损坏。
影响消费者选择的因素
在选择洗洁精时，消费者会考虑以下几个因素：
清洁效率是主要标准，但消费者对其进行主观评估，通常基于丰富的泡沫或去除可见污垢的能力等间接标志。
健康安全正日益成为重要的因素。消费者更青睐那些含有少量潜在危险化学物质和可能引起过敏反应的添加剂的产品。
产品的环保性会影响有环保意识的消费者的选择。他们更青睐可生物降解的配方，以及对环境影响最小的产品。
效率和价格仍然是大多数消费者关注的因素。浓缩型洗衣液配方每次洗涤所需的洗涤剂较少，通常被认为更划算。
易用性，包括包装设计、易于剂量和无需佩戴防护手套，也会影响消费者的偏好。
产品的香气和外观虽然与产品的清洁性能没有直接关系，但在消费者对产品质量的认知中起着重要作用。