前言：食品工業(yè)中設(shè)備和機器的徹底清洗耗費大量時間和成本，但卻是生產(chǎn)衛(wèi)生的關(guān)鍵要求。誠然，手動和自動噴淋系統(tǒng)在很大程度上已用于加工和包裝機械的清洗，但到目前為止，它們基本上都是根據(jù)經(jīng)驗而設(shè)計的。因此，針對清潔不銹鋼表面的有效措施的對比研究也非常少。德國阿爾布施塔特-錫格馬林根大學(xué)PiLS專業(yè)知識與研究實驗室進行了系統(tǒng)清洗實驗，這些實驗?zāi)軒椭称窓C械的制造商和使用者解決這一問題。

　　污漬被理解為是“損害相關(guān)物品的使用、衛(wèi)生或美觀”的物質(zhì)。與進行的研究相關(guān)聯(lián)，污漬首先指構(gòu)成食品工業(yè)中設(shè)備和機器上污物主要成分的食品殘渣。此外，清潔后表面殘留的清潔劑、消毒劑或微生物從整體衛(wèi)生考慮也同樣重要。然而，這一問題在目前并不是本研究的主題。

　　可以通過食物殘渣類污漬對水的反應(yīng)確定其特征，而水則通常是清洗溶液的主要組成部分。根據(jù)污漬成分的不同，其在水中可能溶解、溶脹、形成乳液或懸濁液，這些都是清洗動力學(xué)方面要考慮的關(guān)鍵因素（表）。蛋白質(zhì)作為肉類加工中的污漬之一，其溶脹步驟最重要。

　　溶脹過程決定速度

　　但是，在確定達(dá)到預(yù)期結(jié)果所需的總清潔時間時，不僅僅要考慮到污漬的組成成分，其既往歷史同樣重要。根據(jù)工藝的不同，可能要等待幾個小時的時間才能再次清洗受污染的設(shè)備。在這段時間內(nèi)，機械和設(shè)備表面污漬的蛋白質(zhì)和碳水化合物成分的性質(zhì)已發(fā)生變化，主要因為干燥。這些設(shè)備上的殘留物干涸度越高，進行清潔所需的水、能源和化學(xué)清洗劑的量也就越大。對于含脂量高的污漬來說，這種時間性效應(yīng)就沒有那么明顯。

　　考慮到這一點，在清潔實踐中通常會先用高壓噴嘴和/或清潔泡沫進行預(yù)清洗，而后進行主清洗。在后一步操作中，可用高壓或低壓清潔器噴頭沖走已經(jīng)部分脫落的污漬。而后用清水沖洗廠房和機械。用于預(yù)清洗和主清洗的時長可分別占總時長的2/3和1/3。換言之，預(yù)清洗的時間一定要足夠長，以確保有效的清潔操作。在污漬極為頑固、或設(shè)備部件難以靠近的情況下，在現(xiàn)實中還有必要通過手動刷洗進行輔助清潔。

　　在對清潔操作進行說明時，通常采用辛納清洗圖來顯示影響因素（圖1）。在其原有的表現(xiàn)形式中，主要在質(zhì)量方面顯示濕洗的必需參數(shù)：反應(yīng)時間、所用的機械作用力、所使用的化學(xué)品以及清洗液的溫度。而在擴展的辛納清洗圖中，也考慮到了污漬的性質(zhì)、數(shù)量和條件，以及表面材料的性質(zhì)、形式和粗糙度。

　　圖一：擴展的辛納清洗圖，說明影響濕洗的因素。溶脹操作決定速度。

　　表面的材料和性質(zhì)能對清洗時間和清洗效果造成明顯影響。除了結(jié)構(gòu)鎖定連接之外，污漬顆粒與表面之間的分子作用力（如靜電力或疏水相互作用）也起主要作用。這些都受表面粗糙度的影響。但是，也不應(yīng)指望精工細(xì)磨的表面就一定比略微粗糙的表面更易清洗。借助生物膜發(fā)現(xiàn)，粘附力的最小值發(fā)生于粗糙度（Ra）介于0.4到1.5μm的范圍內(nèi)。無論表面是更光滑還是更粗糙，粘附力均有顯著增加。因此，經(jīng)歐洲衛(wèi)生工程設(shè)計集團（EHEDG）建議，在食品工業(yè)中，與產(chǎn)品接觸的廠房和器械表面的平均Ra指數(shù)不應(yīng)超過0.8μm。在有特殊要求的情況下，如在制藥工業(yè)中，表面需經(jīng)過電拋光，使其粗糙度可達(dá)到0.2μm以下。我們?yōu)榇诉M行了試驗，以檢驗這一措施是否適用于食品工業(yè)。

　　在我們自己的研究中，我們使用了由奧氏體鉻鎳鉬鋼（材料編號1.4404，AISI 316L）制造的不銹鋼板。這種材料經(jīng)常用于食品工業(yè)廠房和機械。這些板材的表面均按照EHEDG的建議經(jīng)過機械研磨或電拋光。根據(jù)DIN EN ISO 4288測定Ra值，結(jié)果是0.5到0.8?m（機械研磨表面）或0.15?m（電拋光表面）。所用的試驗污漬為標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)蛋白粉。針對部分試驗，20g蛋白粉被添加到80g軟水（8°dH）中，經(jīng)攪拌后在室溫下溶脹24小時。形成均質(zhì)糊，用薄膜涂抹器將其均勻涂抹，間隙寬度為200?m（紫外光下不銹鋼板上呈現(xiàn)均質(zhì)蛋白質(zhì)膜）。在使用高壓噴槍的試驗中，溶脹的時間被縮短到10分鐘。這樣得到略微粗糙的面糊，用螺旋涂抹器涂抹，間隙寬度為200?m，得到一個不規(guī)則的污漬薄膜（紫外光下不銹鋼板上呈現(xiàn)顆粒狀蛋白質(zhì)膜）。試驗前，先將該蛋白質(zhì)薄膜在特定條件（40℃,50%相對濕度）的氣候控制柜中干燥4個小時。

　　將這種帶污漬的板材夾在低壓噴涂裝置（LPSS）上，使用細(xì)噴霧清洗不超過20分鐘；部分則被放置在高壓噴涂裝置（HPSS）的托架上，在高壓噴嘴噴射出的水流下水平移動一到三次。在LPSS中，雙噴嘴結(jié)構(gòu)中噴射出的體積流速約為90ml/min。壓力容器中的水壓被設(shè)置為1bar；霧化所需的空氣壓力為1.5bar。噴嘴被定位于距離板材220mm處，并與其垂直。板材相比水平線略微傾斜20°，使水流可以流過。除一項測試系列外，所使用的水（8°dH）均為室溫（約20℃）。在一項試驗中，所使用的水溫（噴射流中測量）約為30℃。在清洗試驗進行之前，我們先在板上噴灑了水或2.5%堿性萬能清潔劑溶液，并使其溶脹15分鐘。在HPSS中所用的壓力為40或60bar。與所用噴嘴相匹配，得到約14或18l/min的體積流速。溫度（噴射流中測量）約為50℃。如在實際中常見，噴嘴被定位于距離板材150mm處，并保持40°差角。在試驗前，先用霧化瓶中噴出的水霧潤濕板材，溶脹時間為3分鐘。這一系列的試驗未對化學(xué)清潔劑的影響進行考察。

　　為了進行評估，在試驗前后分別用紫外光（波長312nm）對板材進行了觀察。由于蛋白質(zhì)的固有熒光，污漬清晰可見，而干凈的不銹鋼板則保持暗色。借助數(shù)碼相機拍攝的照片隨后經(jīng)過一項圖像處理程序得到評估。為此，彩色照片被轉(zhuǎn)換為8位灰度圖像。借助固定邊界值，圖像處理程序?qū)ξ蹪n（亮）和干凈（暗）的區(qū)域進行了區(qū)分。在板材上預(yù)先指定的區(qū)域內(nèi)，通過用清洗后圖像發(fā)亮區(qū)域（污漬區(qū)域）除以清洗前圖像發(fā)亮區(qū)域得出殘留污漬（RS）值。RS可以為從0%（徹底清洗的板材）到100%（無清洗）間的數(shù)值。

　　結(jié)果

　　圖2顯示了低壓噴涂裝置（LPSS）的清洗試驗結(jié)果。一方面展示了用堿性清潔劑配清水的清潔效果，另一方面展示了表面處理（機械研磨對比電拋光）的影響。柱狀圖展示的是九個平行試驗的平均值。以分散程度大小給出標(biāo)準(zhǔn)偏差。在這一系列的試驗中，如上所述，板材被夾在LPSS中，并暴露于細(xì)噴霧中長達(dá)20分鐘。清洗的機械作用在此可以忽略不計。這大大減慢了清洗速度。但是，辛納清洗圖中其他因素的影響卻如慢動作般清晰可見。

　　圖2：用低壓噴霧裝置的清洗試驗結(jié)果。RS：污漬殘留。用堿性清潔劑（表面活性劑）與利用清水的影響對比，以及不同表面處理（機器研磨或電拋光）的影響。清洗時間為10分鐘（黑色柱）或20分鐘（白色柱）。

　　以下結(jié)果通過用打磨的不銹鋼板得出。在僅使用清水的情況下，平均77%的原有污漬在10分鐘后仍然存在。在試驗開始之前用堿性清潔劑反應(yīng)15分鐘，可將殘留污漬降到68%。清洗20分鐘的試驗結(jié)果相似，即用清水時的污漬殘留為72%，而用清潔劑時則被減少到45%。對這些結(jié)果進行對比可以發(fā)現(xiàn)，電拋光表面板上殘留的污漬總體來說比打磨表面的高。例如，10分鐘后還有81%的污漬殘留，使用清潔劑時可將污漬殘留量降到67%。20分鐘后則分別有72%（用純水）或57%（用清潔劑）的污漬殘留。

　　然而，對這些清洗試驗影響最大的因素是水溫（最右側(cè)的柱形圖）。在使用打磨板材進行的系列試驗中，噴射流中水溫被升到30℃，未使用化學(xué)清潔劑。10分鐘后除去了約50%的污漬，大大優(yōu)于溫度為20℃時、甚至是用清潔劑情況下的結(jié)果。20分鐘后，原有污漬僅剩余25%。這是全部清洗試驗中所得到的最佳結(jié)果。

　　圖3：用高壓噴霧裝置的清洗試驗結(jié)果。RS：污漬殘留。噴霧壓力（40bar，60bar）和托盤移動速度（快速0.65m/s，慢速0.2m/s）的影響。打磨表面，第一次通過高壓噴射流后（黑色柱）或三次通過后（白色柱）。

　　圖4：用高壓噴霧裝置的清洗試驗結(jié)果。RS：污漬殘留。電拋光表面，第一次通過高壓噴射流后（黑色柱）或三次通過后（白色柱）。實驗標(biāo)記如圖5。

　　使用高壓噴射流的實驗結(jié)果如圖3和4所示。一方面顯示了將壓力從40升高到60bar所產(chǎn)生的影響，另一方面也展示了板材在高壓噴射流下不同移動速度（慢：0.2m/s；快：0.65m/s）的影響。圖中所示的數(shù)據(jù)為6到9項平行試驗的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖中顯示的僅為第一次和第三次高壓噴射流通過后的結(jié)果，第二次通過后的數(shù)值未被列出，但在全部試驗中，第二次的結(jié)果數(shù)值都在第一次和第三次之間。

　　與預(yù)期一致，和LPSS的結(jié)果相比，用HPSS后測出的污漬殘留顯著降低。但盡管如此，打磨和電拋光表面可清潔性的差異在此同樣可見。如使用打磨的不銹鋼板，在噴霧壓力為40bar、以0.65m/s高速移動的情況下，第一次通過后的污漬殘留為7.5%（圖3）。在托盤移動速度被降低到0.2m/s時，污漬殘留減少約一半（3.9%）。相比40bar，將壓力升高到60bar能使清洗更為有效。污漬殘留即便在托盤快速移動（0.65m/s）時也能減少到2.1%，當(dāng)托盤移動速度降為0。2m/s時，僅1.0%的原有污漬仍然存在。在更多次通過高壓噴射流之后，污漬殘留也如預(yù)期一樣得到進一步減少。因此，在40bar壓力下第三次通過高壓噴射流后，僅觀察到1.7%（0.65m/s）或0.9%（0.2m/s）的污漬殘留。在60bar壓力下第三次通過后，僅觀察到0.6%（0.65m/s）或0.3%（0.2m/s）的污漬殘留。換言之，板材幾乎已經(jīng)完全潔凈。

　　如使用電拋光的不銹鋼板，通過噴射流后的污漬殘留在所有情況下都遠(yuǎn)高于打磨的不銹鋼板。如圖4所示，在40bar壓力下、以0.65m/s移動速度第一次通過后，仍有14.5%的原有污漬殘留。移動速度降低到0.2m/s時，殘留污漬量幾乎減半（8.7%）。將壓力升高到60bar時，電拋光不銹鋼板的清洗結(jié)果也有明顯改善（0.65m/s下4.3%或0.2m/s下3.1%）。同樣，在第三次通過高壓噴射流后，其污漬殘留總是高于打磨的不銹鋼板。例如：在40bar下污漬殘留為6.1%（0.65m/s）或2.8%（0.2m/s），在60bar下為1.6%（0.65m/s）或0.7%（0.2m/s）。

　　低壓噴射流試驗使我們能夠檢驗沒有機械力影響情況下的清洗操作。其結(jié)果是，辛納清洗圖中剩余的影響參數(shù)能在模型的基礎(chǔ)上得到檢驗。我們的試驗顯示了溫度和堿性清潔劑帶來的影響。這些因素最終影響蛋白質(zhì)的溶脹，這正是去除蛋白質(zhì)污漬中至關(guān)重要的因素。試驗還顯示，即使電拋光能夠降低表面粗糙度，這對已經(jīng)被干燥在表面上的蛋白質(zhì)膜來說沒有任何可清潔性優(yōu)勢。

　　利用高壓噴霧裝置則可進行與實際相關(guān)的試驗。在給定的條件下，高壓清洗即便在不使用化學(xué)清潔劑時仍非常有效。在打磨的表面上，即便壓力只有40bar，仍有超過90%的原有污漬在第一次通過噴射流后就得以去除。正如所預(yù)期的一樣，多次通過噴射流能進一步減少污漬殘留。在壓力升高到60bar時，在噴嘴直徑不變的情況下，體積流速也將升高。更高的壓力和更快的體積流速共同作用，可明顯降低污漬殘留。如噴射流和表面之間的相對速度有所降低，在試驗中，這體現(xiàn)為托盤的移動速度從0.65減慢到0.2m/s，全部試驗中的污漬殘留實際上都在減少了一半。然而，清洗相同表面所需的時間卻提升了三倍。通過電拋光降低表面粗糙度不會對含有蛋白質(zhì)的污漬清洗帶來積極影響。在我們的全部試驗中，其污漬殘留都高于打磨表面的污漬殘留。與生物膜相似，在表面粗糙度非常低時，蛋白質(zhì)膜的粘附力也有明顯升高。從迄今的實驗結(jié)果中還不能確定粘附力最低點發(fā)生在哪里。目前，正在研究溫度和壓力變化（在恒定的體積流速下）對高壓清洗效率產(chǎn)生影響的方式。

　　Christian Gerhards（工程師博士）教授為德國阿爾布施塔特-錫格馬林根大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授。他任教于食品技術(shù)、食品質(zhì)量安全、生產(chǎn)和包裝過程等領(lǐng)域。

　　Andreas Schmid（理科博士）教授為德國巴登符騰堡地區(qū)阿爾布施塔特-錫格馬林根大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長兼教授。