مایع ماشین ظرفشویی

مقدمه:

شوینده‌ها حاوی مواد شیمیایی خاصی هستند که می‌توانند آلودگی را از بین ببرند. امروزه، مواد شوینده از سورفکتانت ها (مواد فعال کنندهٔ سطح) و نرم‌کننده‌های آب بسیار پیشرفته تشکیل شده‌اند. این شوینده‌ها نسبت به صابون‌ها برتر هستند زیرا می‌توانند در حضور یون‌های فلزی ²⁺Ca و ²⁺Mg نسبت به صابون‌های طبیعی شستشوی بهتری داشته باشند. سدیم تری پلی فسفات به دلیل خاصیت کی لیت شوندگی بالا، یک سورفکتانت رایج است. از طرف دیگر، کلرها باعث بهبود شستشو از طریق گونه‌های اکسیژن فعال در واکنش‌های اکسایش-کاهش می‌شوند. متأسفانه، استفادهٔ روزافزون از این دو ماده شیمیایی هنگام ورود آنها به جریان‌های آب، باعث مسائل زیست محیطی شده است.

فسفات‌ها باعث رشد گستردهٔ جلبک‌ها (اوتروفیکاسیون) شده در حالی که کلرها باعث از بین رفتن ماهی‌ها می‌شوند و تعادل اکوسیستم را برهم می‌زنند. به دلیل این مسائل زیست محیطی، مواد شوینده مدرن از پایهٔ پتروشیمی به پایهٔ اولئو شیمی تبدیل شده‌اند تا با محیط زیست سازگارتر باشند. در نتیجه، آنزیم‌ها به عنوان مواد افزودنی در فرمولاسیون شوینده‌ها معرفی شدند و بطور گسترده در خط تولید مایع ظرفشویی و لباسشویی مورد استفاده قرار گرفتند. توسعهٔ آنزیم‌هایی مانند لیپازها و افزودن آنها به مخلوط مواد شوینده (مانند فرمول ژل ظرفشویی، مایع ظرفشویی و لباسشویی) با توجه به نیاز به صرفه جویی در انرژی با شستشو در دمای پایین و نگرانی‌های زیست محیطی در مورد کاهش آلودگی توسط مواد شیمیایی غیر قابل تجزیه و همچنین موفقیت شرکت‌هایی مانند Novo در تولید آنزیم‌های جدید ایجاد شد.

لیپاز به منظور تجزیه‌تری گلیسیریدهای نامحلول به اسیدهای چرب (دارای کشش سطحی کمتر) اضافه می‌شود که منجر به امولسیون کوچکتر و حذف آسان‌تر چربی‌ها می‌شود. با این حال، دانشمندان دریافته‌اند که ترکیب بیش از یک آنزیم باعث افزایش اثر شستشو می‌شود. یک فرمول مایع ماشین ظرفشویی (Automatic Dishwashing liquid Formulation) شامل اجزای اساسی مانند سورفکتانت ها، سفید کننده‌ها، نرم کننده‌های آب و عوامل کمکی است. با این حال، این اجزای اساسی اثر پاک کنندگی کامل را ایجاد نمی‌کنند و برای بهبود کارایی شستشو، سایر مواد باید به فرمولاسیون اضافه شوند. یکی از این مواد سورفکتانت های کمکی با کف کم هستند، زیرا کف زیاد فشار آب و راندمان شستشو را کاهش می‌دهد.

یک شویندهٔ خوب ماشین ظرفشویی باید کشش سطحی را کاهش دهد تا چربی و غذاها به راحتی پاک شود، در آب سخت به خوبی کار کند، لکه‌های آب را به حداقل برساند و خوردگی شیشه و فلز را در اثر گرما کاهش دهد. بنابراین، یک فرمول سازگار با محیط زیست و چند منظوره برای تأمین تقاضای مصرف کننده، لازم است. پیش از این، رحمان و همکارانش یک فرمولاسیون مایع ماشین ظرفشویی تولید کردند که فقط شامل لیپاز 1T بود. اندازه گیری اکتیو مایع ظرفشویی نشان داد که این فرمول فقط توانایی حذف 40٪ چربی در آب سخت دارد. به منظور بهبود فرمولاسیون، دو آنزیم دیگر مقاوم در برابر حرارت، پروتئاز رند و آمیلاز مالتوژنیک، همراه با برخی تغییرات به فرمول قبلی افزوده شد.

هدف از این مطالعه بهبود اثر شستشو، پرداختن به آلودگی از سه دسته بستر مواد غذایی نشاسته‌ای، لکه‌های پروتئینی و لکه‌های چربی بود. بنابراین، فرمول‌های مایع ماشین ظرفشویی حاوی هر سه آنزیم و اجزای شوینده سازگار برای عملکرد ظرفشویی در شرایط انتخاب شده، ارزیابی شدند.

نتایج و بحث:

پایداری لیپاز 1T، پروتئاز رند و آمیلاز مالتوژنیک در فرمولاسیون مایع ماشین ظرفشویی:

غلظت‌های پروتئینی لیپاز 1T، پروتئاز رند و آمیلاز مالتوژنیک برای فعالیت‌های آنزیمی U/mL 15، 100 و 230 تعیین شد و به ترتیب 1X، 1Y و 1Z نامیده شدند. این واحد از آنزیم‌ها برای بهینه سازی کلیه اجزای شوینده از جمله سورفکتانت ها، سفید کننده‌ها، سازنده‌ها، عوامل پراکندگی و عوامل قلیایی استفاده شد. پایداری این آنزیم‌ها از طریق آزمایش سازگاری بررسی شد.

نتایج نشان می‌دهد که سورفکتانت های غیر یونی برای هر سه آنزیم سازگار بودند به جز SDS، (یک سورفکتانت آنیونی) که هر سه آنزیم را بی ثبات می‌کند (فعل و انفعالات یونی بین آنزیم‌ها و گروه سر SDS ممکن است باعث غیرفعال شدن پروتئین‌های کروی شود). لیپاز 1T در حضور آلکیل پلی گلوکوزید پایدارتر بود، زیرا الکل‌های قندی می‌توانند دناتوراسیون حرارتی را کاهش داده و به آنزیم اجازهٔ واکنش می‌دهد. لیپاز 1T به وسیلهٔ سایر سورفکتانت ها کمی مهار شد (تا 15 ٪) اما پروتئاز رند بسیار پایدار بود. فعالیت نسبی آمیلاز مالتوژنیک به وسیلهٔ آلکیل پلی گلوکوزید افزایش و در حضور 80Tween حدود 7٪ کاهش یافت. بنابراین بهترین سورفکتانت برای تثبیت هر سه آنزیم آلکیل پلی گلوکوزید بود.

عوامل سفید کننده باعث بی ثباتی هر سه آنزیم می‌شوند. این عوامل هنگام حل شدن در آب، پراکسید هیدروژن (یک ماده اکسید کننده) آزاد می‌کنند که می‌تواند به راحتی منجر به اکسیداسیون برخی از اسیدهای آمینه و غیرفعال شدن آنزیم‌ها شود. گزارش شده است که بیشتر پروتئازهای تجاری در حضور عوامل سفید کننده ناپایدار هستند. با این حال، ماکسامال یک پروتئاز اصلاح شده ژنتیکی است که با جهش زایی تولید می‌شود و ثبات در حضور عوامل سفید کننده را بهبود داده است.

نمونه‌های دیگر آنزیم‌های جهش یافتهٔ اکسیداتیو شامل Durazym، Purafect و Lipolase® هستند. از آنجا که لیپاز 1T و پروتئاز رند آنزیم‌های وابسته به ²⁺Ca هستند، این سازنده احتمالاً با آنزیم‌های موجود برای یون‌های ²⁺Ca موجود در رقابت است که می‌تواند روی پایداری آنزیم‌ها تأثیر بگذارد. گزارش شده است که پروتئاز رند، لیپاز 1T و آمیلاز مالتوژنیک دارای طیف وسیعی از پایداری pH بین 0/10-5/6، 0/11-0/6 و 0/9-0/6 هستند بنابراین یافتن عوامل قلیایی مناسب برای آنها آسان‌تر است.

لیپاز 1T دارای pH مطلوب 0/9 است، در حالی که پروتئاز رند و آمیلاز مالتوژنیک دارای pH مطلوب 0/7 هستند. نه تنها آنزیم‌ها تحت تأثیر pH جزء بافری قرار می‌گیرند بلکه سختی آب نیز می‌تواند کاهش یابد، زیرا بیشتر عوامل قلیایی تمایل به تشکیل کمپلکس با کاتیون‌ها دارند. هیچ مادهٔ سفید کننده‌ای به فرمول اضافه نشد، که باعث می‌شود فرمولاسیون مایع ماشین ظرفشویی جدید سازگار با محیط زیست باشد. از مواد سفید کننده معمولاً برای از بین بردن لکه‌ها و از بین بردن باکتری‌ها استفاده می‌شود که هر دو با استفاده از آنزیم‌ها قابل انجام هستند.

کارایی غلظت هر آنزیم در فرمولاسیون مایع ماشین ظرفشویی:

کارایی مایع‌های ظرفشویی فرموله شده بدون آنزیم در دماهای مختلف، آب نرم (ppm 0/0 ₃0CaCO) (شکل a2) و آب سخت (ppm 0/350 ₃0CaCO) (شکل b2) مورد بررسی قرار گرفت. سورفکتانت کشش سطحی را کاهش می‌دهد و چربی را راحت جدا می‌کند، عامل پراکندگی از جذب مجدد آن روی سطح جلوگیری کرده و سازنده می‌تواند اثر آب سخت را کاهش دهد. در آزمایش بعدی، عملکرد حذف چربی و آلودگی به وسیلهٔ مواد شوینده فرموله شده با افزودن آنزیم‌های آزاد منفرد در غلظت‌های مختلف برای تعیین بهترین مقدار لیپاز، پروتئاز و آمیلاز مورد نیاز در فرمولاسیون، مورد بررسی قرار گرفت.

(شکل 2)

مقدار متفاوتی از هر آنزیم به صورت جداگانه در آب نرم و سخت در دمای 60 درجهٔ سانتی گراد اضافه شد. نتایج آزمایش مایع ظرفشویی نشان داد که غلظت بالای لیپاز 1T، پروتئاز رند و آمیلاز مالتوژنیک به طور قابل توجهی باعث بهبود شستشو نمی‌شود.

تجزیه و تحلیل نتایج نشان می‌دهد که اگر کمترین سطح آنزیم با کارایی خوب استفاده شود، منجر به تولید یک فرمول مایع ظرفشویی ارزان قیمت و با کیفیت مناسب می‌گردد. افزون بر این، مطالعهٔ پووانا کریشنان نشان داد که افزودن لیپاز به فرمولاسیون مایع ماشین ظرفشویی حاوی پروتئاز باعث بهبود کارایی شستشو و از بین بردن لکه‌های چربی شده و ترکیب بیش از دو آنزیم می‌تواند گزینه بهتری باشد.

کپسول سازی آنزیم ها:

کپسول سازی لیپاز 1T با استفاده از مواد افزودنی صمغ عربی (GA) و مالتو دکسترین (MD) منجر به حفظ فعالیت در مقایسه با آنزیم آزاد می‌شود. آنزیم در شکل پودر ناپایدار بوده و تحت تأثیر حرارت و فرآیند خشک کردن به سرعت فعالیت خود را از دست می‌دهد. با این حال، کپسوله کردن و اضافه کردن مواد افزودنی تأثیر مثبتی روی آنزیم داشته و منجر به افزایش فعالیت کل می‌شود.

این نشان می‌دهد که مواد افزودنی از آنزیم‌ها در برابر گرمای خشک کن محافظت کرده و چسبندگی و رطوبت را کاهش می‌دهند. ترکیبی از 1GA/MD/T با نسبت 6: 12: 3، محصولی با پیکربندی کروی تولید می‌کند که دارای سطح صاف و چند فرو رفتگی است و (شکل a3) فعالیت آنزیمی بیش از دو برابر آنزیم آزاد نشان می‌دهد. GA و MD آب دوست و محلول در آب هستند. GA پس از انحلال در آب، مخصوصاً در غلظت‌های بیش از (w/v)10٪، بسیار چسبناک می‌شود.

همچنین ذرات کوچکتر از 100 نانومتر پودر آنزیم ممکن است به یک تهدید برای سلامتی مصرف کننده تبدیل شوند. بنابراین، دانه بندی یا کپسول کردن ذرات آنزیم به طور معمول ارجح است. نتایج نشان داد که پس از اضافه کردن مواد افزودنی برای کپسول سازی آنزیم‌ها، هر دو آنزیم پروتئاز رند و آمیلاز مالوتوژنیک کپسوله شده (به ترتیب با فعالیت 93٪ و 95٪) فعالیت بیشتری نسبت به فرم پودر و آنزیم‌های آزاد تولید می‌کنند.

(شکل 3)

این ثابت می‌کند که اضافه کردن افزودنی‌ها برای کپسول سازی آنزیم‌ها، اثرات مثبتی بر روی فعالیت هر دو آنزیم دارد. صمغ عربی آبگریزی محصول را کاهش داده و تحرک آب را در آنزیم افزایش می‌دهد، در حالی که مالتودکسترین ثبات اکسیداتیو خوبی برای آنزیم های کپسوله شده فراهم می‌کند.

مقایسه مواد شوینده حاوی آنزیم آزاد و کپسوله شده:

کارایی فرمولاسیون مایع ماشین ظرفشویی پس از افزودن آنزیم‌های آزاد و کپسول شده در دماها (40، 50 و 60 درجهٔ سانتیگراد) و سختی‌های (ppm 0/0 ₃ CaCO برای آب نرم و ppm 0/350 ₃ CaCO برای آب سخت) مختلف آب آزمایش شد (شکل b،a4). مایع ظرفشویی حاوی آنزیم‌های آزاد با A و مایع ظرفشویی حاوی آنزیم‌های کپسوله شده با B نشان داده شده است. همانطور که انتظار می‌رفت، با افزایش دما هر دو مایع فرموله شده با آنزیم‌ها، عملکرد ظرفشویی را بهبود بخشیدند. بر اساس شکل a4، مایع بدون آنزیم در آب نرم و دمای 60-40 درجه، حدود 80٪ عملکرد ظرفشویی را نشان می‌دهد.

دو مایع فرموله شده A و B، پس از افزودن آنزیم در دمای 21 درجهٔ سانتیگراد در هر دو آب نرم و سخت، هیچ تفاوتی قابل توجهی در عملکرد ظرفشویی نشان ندادند. این ثابت می‌کند که آنزیم‌ها در دمای پایین فعال نیستند، بنابراین هیچ بهبودی در شستشو مشاهده نشد. مطالعاتی وجود دارد که نشان می‌دهد برخی چربی‌ها از واکنش آنزیم‌ها در دمای پایین جلوگیری می‌کنند.

(شکل 4)

بر اساس مطالعات post hoc، افزودن آنزیم کپسوله شده در آب نرم و دمای 60-50 درجهٔ سانتیگراد، باعث تفاوت معنی داری در عملکرد شوینده نسبت به آنزیم آزاد شد. می‌توان نتیجه گرفت که مایع شوینده آنزیمی کپسول شده در آب نرم و دماهای بالا بهترین عملکرد را دارد. عملکرد ظرفشویی مایع حاوی آنزیم‌های کپسول شده و آزاد در مقایسه با شویندهٔ فاقد آنزیم در آب سخت و دمای بالا، بهره وری قابل توجهی نشان می‌دهد. همچنین، عملکرد فرمول مایع ماشین ظرفشویی در آب سخت در مقایسه با آب نرم در همان شرایط کاهش می‌یابد.

چندین مطالعه نشان داد که عملکرد سورفکتانت با حضور کاتیون‌های ²⁺Ca و ²⁺Mg به شدت تحت تأثیر قرار می‌گیرد. این کاتیون‌ها با سورفکتانت برهم کنش داده و کمپلکس‌های پیچیده‌ای تشکیل می‌دهند که از حذف چربی و آلودگی جلوگیری می‌کند. ترکیب سه آنزیم کپسوله شده در فرمولاسیون باعث افزایش عملکرد ظرفشویی مایع در دمای بالا می‌شود. این ممکن است به این دلیل باشد که دمای مطلوب برای فعالیت آمیلاز مالتوژنیک و پروتئاز رند 50 درجهٔ سانتیگراد است.

تاثیر غلظت مایع ظرفشویی بر حذف چربی و آلودگی:

اثر غلظت مواد شوینده بر عملکرد شستشو موردمطالعه قرار گرفت. جدول 3 مقایسهٔ عملکرد ظرف‌شویی دو مایع A و B را در غلظت‌های مختلف با مقدار ثابت آنزیم در آب سخت و دمای 50 درجهٔ سانتی‌گراد نشان می‌دهد. هر دو فرمول با افزایش غلظت مواد شوینده افزایش درصد حذف خاک و چربی را نشان می‌دهد. (طرز تهیه مایع ظرف‌شویی برای همهٔ فرمول‌ها یکسان بوده و فقط غلظت‌ها تغییر داده شد)

تاثیر زمان شستشو بر حذف خاک و چربی:

اثر زمان شستشو بر حذف خاک و چربی با استفاده از شویندهٔ A (حاوی آنزیم‌های آزاد) و شویندهٔ B (حاوی آنزیم‌های کپسوله شده) مورد مطالعه قرار گرفت. حداکثر عملکرد ظرفشویی توسط شوینده‌های A و B به ترتیب 92 و 96 درصد در 20 و 30 دقیقه به دست آمد. فرمول مایع ظرفشویی A با افزایش زمان شستشو از 3 به 20 دقیقه و در 25 تا 30 دقیقه کاهش میزان حذف خاک را نشان داد.

در مقابل، مایع B افزایش حذف خاک تا 30 دقیقه را نشان داد. آنزیم‌های آزاد در مقابل تجزیهٔ خاک و چربی سریعتر عمل می‌کنند زیرا آنها بستر را به راحتی هدف قرار می‌دهند. اما از آنجا که در معرض دناتوراسیون قرار می‌گیرند، به راحتی دناتور می‌شوند. مایع B تا 20 دقیقه عملکرد ظرفشویی فزاینده‌ای را نشان داد، اما مطالعات post hoc نشان داد که افزایش ناچیز عملکرد ظرفشویی در 25 یا 30 دقیقه پیشرفت چشمگیری ندارد.

مقایسه ی فرمول مایع ماشین ظرفشویی حاوی آنزیم با نمونه های تجاری:

پس از ارزیابی هر دو مایع ظرفشویی فرموله شده در آب نرم و سخت و دماهای مختلف، این محصولات با یک نمونهٔ تجاری، ^®Finish مقایسه شدند. شویندهٔ B در آب نرم و دمای بالا، راندمان شستشوی بهتری را با اختلاف معنی دار نشان داد (شکل 5). نتایج این مقایسه نشان داد که عملکرد مایع B بهتر از شویندهٔ A و ^®Finish در دمای 40 درجه سانتیگراد و آب سخت است و در آب نرم این اختلاف بسیار معنی دار تر می‌شود.

(شکل 5)

اما در دمای بالاتر (60 درجهٔ سانتیگراد) ^®Finish عملکرد شستشوی ظرف بهتری را نسبت به B و A نشان داد (درصد حذف خاک و چربی به ترتیب 66، 50 و 5/42 برای سه نمونه بود). همچنین فرمول‌های مایع ماشین ظرفشویی حاوی آنزیم‌های سه گانه مقاوم در برابر حرارت نسبت به مایع شویندهٔ حاوی لیپاز 1T (30%) حذف خاک و چربی بهتری را نشان داد. بهترین دمای کار برای عملکرد بهینهٔ این آنزیم‌ها در فرمول و صرفه‌جویی در انرژی، 50 درجه سانتی‌گراد به دست آمد.

نتیجه گیری

به دلیل نگرانی‌های زیاد نسبت به محیط زیست، صنعت مواد شوینده نیز به سمت رویکرد سازگار با محیط زیست شامل استفاده از مواد شیمیایی و آنزیم‌های زیست تخریب پذیر روی آورده است. در این مطالعه کارایی فرمولاسیون یک مایع ماشین ظرفشویی حاوی سه آنزیم لیپاز 1T، پروتئاز رند و آمیلاز مالتوژنیک در دو شکل آزاد و کپسوله شده مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج بررسی نشان داد که عملکرد مایع حاوی آنزیم‌های کپسول شده (B) نسبت به مایع حاوی آنزیم‌های آزاد (A) در دمای 50 تا 60 درجهٔ سانتیگراد به ویژه در آب سخت بهتر است. همچنین این محصول راندمان قابل‌مقایسه‌ای با نمونهٔ تجاری ^®Finish در هر دو آب نرم و سخت و دمای بالا نشان می‌دهد.