模拟茶渍模型物质清洗研究的初步探索

《Food and Bioproducts Processing》：First Step to Study Cleaning of Model Substances Representing Tea Stains

　　

摘要

在日常生活和洗碗机行业中，茶渍是最难去除的污垢之一。常用的洗涤剂对其效果有限。红茶茶渍的主要成分来自茶叶的氧化多酚，如鞣酸和儿茶素，以及硬水中常见的无机钙盐和镁盐。这些物质的综合作用在表面形成了紧密结合的沉积物，难以清洁。茶渍具有多孔的微观结构，含有细菌生长的营养物质，这使得细菌和杂质更容易滞留在孔隙中。因此，茶渍的长期积累会导致细菌滋生和杂质堆积。在实践中，这些问题可能导致清洁效果不符合质量和健康安全标准。

因此，本研究采用鞣酸和硅酸钙作为模型物质体系，研究茶渍的清洁过程。首先，建立了一种在陶瓷表面制备茶渍的标准化方法。在模型物质体系建立后，在实验室流动通道装置中研究了模型物质体系在不同参数设置下的反应，这些参数包括Sinner圈中的要素。最终将结果与实际物质体系进行了比较。结果表明，当研究参数为温度和壁面剪应力时，模型物质能够代表实际物质体系。然而，在洗涤剂浓度方面，模型物质体系模拟实际物质体系的能力有限。因此，需要进一步研究模型物质体系，以建立一种能够反映上述清洁影响因子的功能性模型污垢体系。

引言

红茶茶渍，尤其是最具挑战性的清洁难题（Olsen & Falholt, 1998），因为其持久性和强附着性。其多孔的微观结构有利于细菌和杂质的滞留（Xu et al., 2017）。当洗碗周期结束后仍有污垢残留时，可能导致卫生问题。全面研究茶渍的特征和形成机制对于开发有效的清洁策略至关重要。通过确定影响污渍去除的相关因素，制造商可以提高清洁过程的效率，减少资源消耗，并增强洗碗机的整体能效。

通常，茶叶含有复杂的化学成分，包括蛋白质、多酚类化合物和矿物质元素。在冲泡过程的萃取过程中，这些成分部分溶解于茶水中（Tanizawa et al., 2007）。这些氧化的多酚类衍生物与存在于水相中的二价阳离子（如Ca2?、Mg2?）协同作用，形成不溶性配位复合物，强烈附着于玻璃、陶瓷和金属等亲水表面（Abudureheman et al., 2022）。

水的无机成分显著影响污渍沉积动力学。含有较高浓度钙离子和镁离子的硬水通过两种机制加速污渍形成：（i）增强金属-多酚螯合，（ii）碳酸盐沉淀（如CaCO?）作为非均相沉积的成核位点。因此，水质硬度较高的地区茶渍积累明显更高（Yamada et al., 2007）。

使用清洁液从固体表面去除可溶性污垢的过程，本质上是一个涉及多相界面的传质过程，由浓度差驱动。首先，可溶性污垢在固体表面发生界面溶解并转移到相邻的边界层中。该过程遵循菲克第一定律：污垢分子从浓度极高的固体表面扩散到浓度较低的紧邻液层中（Fick, 1855）。一旦污垢分子扩散穿过浓度边界层，流体中的对流成为传质的主导机制。流体的宏观运动迅速将溶解的污垢分子从表面附近带走并分散到整个清洁液中。

至于不溶性污垢，则利用洗涤剂通过一系列物理化学作用将污垢从表面"桥接"到水相中：降低界面张力、润湿和渗透、乳化、分散和增溶。随后，水流在壁面附近施加的壁面剪应力从机械上去除污垢。

一般来说，茶渍的清洁因素可以总结为两部分：

i）清洁剂与污渍的反应：
- 酸性洗涤剂：酸性洗涤剂与儿茶素中的酚羟基氧结合，中和负电荷，减弱其与金属离子和基底的静电吸引力（Sellés-Marchart et al., 2007）。
- 碱性洗涤剂：碱性环境增加了茶多酚的电离程度，增强其水溶性。此外，如果茶渍与脂肪（如牛奶）接触，碱与脂肪发生皂化反应，使其溶于水（Fukuzaki, 2006）。
- 表面活性剂：表面活性剂分子吸附在茶渍颗粒表面，降低茶渍的表面能，从而减弱污渍与表面之间的附着力（Fukuzaki, 2006）。

ii）物理效应：
- 壁面剪应力：通常，当流体在壁面附近流动时，会产生壁面剪应力（Hibbeler, 2002）。因此，茶渍也会受到壁面剪应力的作用。当壁面剪应力超过茶渍在表面上的附着力时，茶渍会从基底表面剥离并进入液相。
- 热力学效应：高温增加了分子的热运动，从而加速了上述清洁剂与污渍之间的反应速率。此外，沉积物中的可溶性物质根据浓度梯度扩散。随着温度升高，扩散增强（van Wylen & Sonntag, 1976）。

在1.1节概述的清洁机制中，清洁过程的整体效率受多个相互依赖的参数控制，这些参数构成了表面清洁技术中Sinner圈的基本原则（Sinner, 1959）。这一成熟的理论框架假设四个关键参数——接触时间、化学作用、机械能和热能——保持动态平衡，其中一个参数的优化允许减少其他参数，同时保持等效的清洁性能。虽然所有四个因素对污垢去除效率均表现出显著的组合效应，但本研究具体考察了化学作用（洗涤剂浓度）、流体动力学能（壁面剪应力）和热力学能（温度）对污垢去除时间和清洁速率的影响。此外，氧化和聚合的多酚类化合物具有稳定的结构，难以用洗涤剂去除（Dullien, 2015）。

各部分摘要

模型物质体系：鞣酸和硅酸钙

在清洁研究中，使用模型物质来模拟目标污垢体系是一种成熟的方法。这种方法能够在避开天然污垢异质性的复杂性的同时，对关键参数（如附着力、化学反应性）进行可控的研究（Gottschalk et al., 2022）。此外，与真实物质体系相比，模型物质体系具有更好的重复性。真实物质体系还需要更多的生产时间，几乎

图像分析方法和所采用的分析标准

可以通过Spiegel的方法分析板上模型物质随时间的比例。通过确定该覆盖率的最小值和最大值作为清洁过程的起点和终点，获得污垢去除动力学的图形表示。所得的变化图（图4）显示，清洁过程初期和末期的清洁速率相对较慢，而中间阶段表现出更快且更均匀的去除。

结论

本研究的目的是建立一个能够代表茶渍的模型物质体系，这在一定程度上简化了茶渍清洁研究。在DIN EN 60436:2021-04标准中使用的污垢制备方法经过 slight 修改，以更好地适应流动通道中使用的平板。作为额外的优势，与真实物质体系相比，模型物质体系具有更高的可重复性，生产时间更短，标准偏差更小。

展望

目前的首要目标仍然是建立一个代表性的模型化合物来替代真实物质，以消除与真实物质相关的显著偏差，从而减少其对分析和建模的干扰影响。

因此，由于模型物质体系与真实物质体系相比仍存在明显的局限性，模型体系仍在进一步开发中。在正在进行的工作中，模型物质体系中的物质组成

术语表

A——面积
C——洗涤剂浓度 g/L
C——清洁时间
Lc——特征长度 m
Dh——水力直径 m
Ac——横截面积 m2
p——润湿周长
?——质量流量
V——体积流量 L/min
v——流速 m/s
?——温度 °C
t——时间 s
ρ——密度 kg/m3
η——动态粘度 Pa·s
τ——壁面剪应力 Pa
λ——摩擦系数
Re——雷诺数
Occ rate——污垢覆盖率
t95——95%清洁时间

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢英国剑桥大学化学工程与生物技术系的Ian Wilson教授，他使冲击射流装置实验成为可能，并特别感谢他提供的密集支持和指导。

J. Yang | F. Aselmeyer | W. Augustin | S. Scholl
德国布伦瑞克工业大学化学与热过程工程学院，布伦瑞克，德国