紫甘薯花青素在口罩材料上的應用研究

俞家琛

(浙江省杭州第二中學,浙江杭州 310053)

紫甘薯花青素在口罩材料上的應用研究

俞家琛

(浙江省杭州第二中學,浙江杭州 310053)

為提高花青素類化合物在日常生活中的應用水平,本研究選取口罩材料作為應用對象,避免污染口罩對人體的二次危害,用分光光度法測得紫甘薯母液的花青素含量為280mg/l,稀釋后配置成不同濃度,濾材浸泡后烘干。實驗采用了雙變量對比法,不同花青素含量的濾材在不同的PH值溶液顯色實驗和人佩戴含花青素成分的口罩12小時后顯色對比,280mg/l和140mg/l濃度中處理的濾材在PH6.5溶液中的變色和佩戴相同花青素濃度含量的口罩12小時后的變色基本一致。結論:紫甘薯中花青素類化合物可以在口罩材料上應用。

花青素 濾材 變色 應用

1 項目研究的背景

1.1 國內目前的空氣污染情況

由于社會的發展，日常生活、環境污染、工業生產、汽車尾氣等排放的廢棄物導致在空氣中懸浮顆粒物越來越多，秋冬季又經常是霧霾和季節性流感疊加，由于民眾對霧霾和流感的重視程度不斷提高，口罩作為個人呼吸保護裝置，保護佩戴者的呼吸器官免受有害煙、氣、塵和飛沫的危害，需求不斷增加。

口罩一般分為醫用、勞保用品、保健用品三種類別，普通的一次性口罩多是由熔噴布或無紡布制成的，其主要原料是聚丙烯。目前市場上銷售基本是簡易自吸過濾式防塵口罩，靠佩戴者呼吸克服部件阻力用于防塵的過濾式呼吸護具。

1.2 目前口罩材料的缺點

由于普通口罩多是由熔噴布或無紡布制成的，別看這口罩只有薄薄的幾層，使用一段時間以后，粉塵、顆粒物吸附在口罩表面，造成阻力變大、流量變小，透氣性明顯變差。不僅阻礙了新鮮空氣的進入，造成缺氧，鼻腔黏膜自身抵抗能力下降，而且還會使口罩內部的呼出氣不能順暢地透出，污濁的氣體反復吸入，導致呼吸道感染。

人佩戴時口罩處于潮濕、溫暖的環境下，有利于病菌在口罩上繁殖，口罩不但沒有擋住致病菌，反而讓“送菌入口”，造成呼吸道感染。由此二次污染的口罩對人體的危害很大，極大地影響人們的健康。目前目測和經驗是人們判斷口罩是否有效的主要方法，在失效前提前廢棄是資源浪費，失效后繼續使用會危害健康，所以急需要一種設別口罩有效性的方法來解決這個問題。

圖1 pH為4時花青素溶液的紫外吸收光譜圖

圖2 不同濃度花青素溶液的吸光度

1.3 項目的由來

本項目是前期“一種新穎鼻塞過濾器”的延續，濾材上含花青素成分的“一種新穎鼻塞過濾器”在實際佩戴8小時后，濾片從紫色變成了粉紅色， 用此方法加工的紫甘藍色素溶液因工藝較為粗糙，在使用時只能對鼻塞過濾組件的污染程度進行“定性”監控。本項目受測量人體體溫的比色卡試紙的啟發，對花青素在濾材上的使用進行精確地定量分析。

項目經浙江省科技信息研究院(國家一級科技查新單位)查新，部分查新結論如下：“經分析比較，當空氣中的各類有害氣體通過封閉鼻塞內‘過濾組件’時，‘過濾組件’內的花青素會引起反應，從而提示人們及時更換‘過濾組件’；含花青素‘過濾組件’的鼻塞加工方法，以上特點在所檢文獻中未見述及。”

項目首次將花青素成分添加到過濾組件上，可實現對空氣中(酸堿)污染程度和對“口罩”使用時間的實時監控，從而可及時更換口罩，保證能清潔干凈的使用口罩；在實驗的基礎上完成了含花青素“智能口罩材料”的加工方法；定量精確研究濾片的污染程度以實現商業化價值，另考慮通過許可濾材生產企業使用專利權的方式開發含花青素成分的空氣過濾材料，并可以在普通口罩上推廣使用。

2 基本思路和原理

2.1 基本思路

從植物中提取花青素成分，均勻添加到口罩過濾材料上，在不影響口罩過濾性能的前提下，在佩戴一段時間后，從口罩濾材的顯色變化結果對照比色卡確認口罩的污染程度，增加了可監控口罩污染程度的新功能，可以讓使用者在進行日常活動的同時，提醒人們及時更換口罩，從而能盡可能的得到合適的保護。

圖3 140mg/l花青素溶劑浸泡濾材的顯色變化

普通一次性口罩一般由三層材料組成，由外到內分別是：30克PP紡粘藍布、熔噴無紡布及30克PP紡粘白布，其中內外層均為聚丙烯材料，藍布顯藍色是因為在藍布上添加了聚丙烯色母粒，僅顏色不同而已。內外層主要起到阻止微生物穿透、防水、保持力學性能的功能，內層熔噴無紡布起過濾的作用。內外層主要的性能指標有防護性能、舒適性能、力學性能和沾濕性能等，防護性能主要是對細菌、微細粉塵粒子的過濾效率，主要通過耐靜水壓的指標來確認，要求通過AATCC127耐靜水壓測試；舒適性能主要是指佩戴者使用后的舒適性，面部是否有異物感，包括生理的舒適性和活動的方便性；力學性能主要表現為縱、橫向的強力和伸長率，由于內容中間層熔噴無紡布的力學性能差，所以口罩力學性能主要依靠內外層；沾濕性能是要求表面張力低于水、油、酒精的表面張力，能提高拒濕性能，內外層在濕態環境下細菌、病毒的易穿透。我們將不同濃度的花青素成分添加在口罩的內層(30克PP紡粘白布)上，烘干后委托樣品提供單位進行檢測，主要檢測添加花青素成分后是否影響材料原有的防護性能、舒適性能、力學性能和沾濕性能。如果不同濃度的花青素成分添加在30克PP紡粘白布上對濾材的功能沒有影響或者影響不大且符合行業標準，下一步選取不同花青素含量的濾材放入內有不同PH值溶液的表面皿上，觀察顏色的變化并生成比色卡，實驗確認顏色變化最明顯的那種濾材；將這種濃度的花青素濾材作為口罩的內層，人呼吸時呼出的二氧化碳和溫濕的水汽形成弱碳酸，人佩戴12個小時后觀察顏色的變化并與比色卡比較，通過對比比色卡得出實驗結果。

2.2 原理

花青素屬于酚類化合物中的類黃酮類，其基本結構包含兩個苯環，并有一個3碳的單位連接(C6-C3-C6)。花青素廣泛存在于開花植物(被子植物)的花、果實、莖、葉、根器官的細胞液中，分布于27個科、72個屬的植物中。目前已經進行開發、利用和商業化生產的有葡萄皮色素、巴西莓、藍莓、紫甘薯、紫甘藍、紫玉米、桑葚、黑米、黑豆等，紫甘薯種植的推廣為花青素產業化提供了重要的原料基礎。紫甘薯中花青素的主要成分是矢車菊色素和芍藥素，以糖苷化后的酰基化衍生物形式存在，因其具有的酰基化基團，所以比一般花青素對光、熱、空氣等感應較少，性質更穩定；紫甘薯中花青素色素具有常溫下較穩定、對酸和堿穩定性差、對自然光穩定性好之特性。即在常溫下其顏色隨時間的延遲基本無變化，但能隨空氣中的酸堿程度變化而變化，花青素色素比紫色石蕊顯色明顯且靈敏度高，是一種良好的綠色環保酸堿指示劑。

紫甘薯含豐富的花青素色素且價廉易得。由于紫甘薯中的花青素分子含有多個酚羥基及吡喃環上有四個陽離子，所以花青素同時具有酸及堿的性質，能濃于稀酸及稀堿，且對酸和堿都很靈敏。花青素具有能遇(酸)變紅，遇(堿)變藍，中性為( 紫)的特性，故在常溫下有會隨時間的延遲隨空氣中的酸堿程度變化而變化。將這一特征應用在口罩過濾材料中，當空氣中的各類有害氣體通過含花青素濾材時，“過濾材料”內的花青素會引起反應，根據空氣中的酸堿程度的變化而發生變化，可實現對空氣中(酸堿)污染程度和對“口罩”使用時間的實時監控，從而可及時更換口罩，保證能清潔干凈的使用口罩，避免口罩所產能的二次污染。

此外，天然提取的花青素具有抗氧化、抗突變、預防心血管疾病、保護肝臟的功能，更具有抑菌功能。天然花青素成分添加到口罩材料上不僅安全、無毒，還有藥理保健的功能。

實驗同時也考慮到口罩佩戴時光照和氣溫對花青素穩定性的影響：紫甘薯中花青素的成分主要是矢車菊色素和芍藥素，在自然光及避光的條件下，性能很穩定；但日光直射對花青素的穩定有一定的影響，花青素在日光直射1天后的保存率在80%以上；花青素在60℃以下時很穩定，7天后的保存率仍能達到93.77%。因為普通一次性口罩的在常溫下生產、使用時間在24小時內，以上數據能符合花青素成分在一次性口罩材料上使用的要求。

3 研究內容和方法

3.1 材料和儀器

材料：紫甘薯(浙紫薯1號)，購于杭州市濱江區江南豪園農貿市場；熔噴無紡布，由嘉興嘉瑞過濾科技有限公司提供；30克PP紡粘白布，由南通匯優潔醫用材料有限公司提供；普通醫用口罩，江西3L醫用制品集團股份有限公司生產，購于藥品連鎖商店；PH緩沖劑、PH精密試紙，由杭州市化工研究院有限公司提供。

儀器：九陽榨汁機；TU-1900雙光束紫外可見分光光度計；CT15RT臺式冷凍高速離心機；DHG電熱鼓風干燥箱；SCOUT SE電子天平；100-1000ul微量移液器；燒杯、試管、表面皿若干；250ml容器瓶等。

3.2 花青素的提取

參閱相關文獻資料，花青素的提取方法有酸性溶劑浸提、超聲波提取、酶解法和超高壓輔助提取等方法，考慮到提取的花青素直接應用到口罩上及綜合提取難度等因素，本次實驗采用了傳統榨汁提取方式。

取4-6個新鮮的紫甘薯(視甘薯大小而定)，將紫甘薯洗凈削皮2-3mm后，切成長條狀，然后放到榨汁機中榨汁，汁中含有大量淀粉及雜質，經沉淀后取上層清液，清液過濾后得到高濃度的花青素粗母液，接著將此母液分裝在塑料試管中經高速離心機分離，離心機溫度設定常溫，轉速8000轉/min，時間設定為5min，取上清液，測上清液的吸光度A。

3.3 花青素的定量

3.3.1 花青素最大吸收峰波長的確定

將高速離心機分離后的花青素母液用去離子水稀釋24倍，然后滴加pH=4的緩沖溶液，經紫外分光光度計確定花青素的最大吸收峰波長為530nm。結果如圖1、圖2。

3.3.2 花青素濃度的確定

而莧萊紅的也是530nm，依據這一共性，花青素的絕對含量便用合成莧萊紅為基準物來計算。繪制標準曲線，得到下式回歸方程：

式中：Y—提取液的濃度(10-6g/mL)；X—提取液的吸光度。根據提取液中吸光度，代入公式(1)中就可以算出提取液中花青素的濃度。將花青素母液稀釋24倍后，然后在530nm處測定提取液的吸光度A=0.2752，帶入公式1得花青素提取液濃度為11.7×10-6g/mL，從而得到提取的母液中花青素濃度為280.8×10-6g/mL。為了檢測用莧菜紅標準曲線方程測定的準確性，分別將待測的花青素提取液再稀釋2/3，1/3，然后分別測定吸光度A，線性關系很好，用公式(1)來計算花青素提取液濃度值準確度很高。

3.4 花青素對濾材性能的影響分析

已測定的提取液中花青素的濃度為280mg/l，用250ml容量瓶，加去離子水定容，配成5種不同濃度的花青素溶液備用，另四種濃度分別是140mg/l、70mg/l、35mg/l和17.5mg/l。將120*120大小的濾材浸泡在已知濃度的花青素溶液中，然后將濾材放置鼓風干燥箱中烘干，鼓風干燥箱設置溫度為40℃，時間為24h。將烘干好的濾材委托濾材生產企業進行性能檢測，經過南通匯優潔醫用材料有限公司檢測，熔噴白布濾材添加花青素成分后對濾材性能沒有影響。

3.5 不同pH下花青素比色卡的制作

用成套緩沖劑，配置pH值分別是4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10共13種溶液，另準備若干已在280mg/l、140mg/l、70mg/l、35mg/l和17.5mg/l濃度中浸泡、烘干的濾材，并剪成5mm*5mm，用鑷子夾住不同花青素濃度的濾材觀察濾材顏色的變化，實驗結果顯示在280mg/l和140mg/l濃度花青素溶液中浸泡、烘干的濾材在不同的PH值的溶液中變色明顯，基本的趨勢如下：

3.6 花青素口罩佩戴實驗

佩戴在濃度為140mg/l花青素溶液中處理的口罩12小時，觀察顏色變化，人呼吸產能的CO2和水氣在口罩相對密閉的環境中產生的微量碳酸形成弱酸性，實驗結果變色類似于6.5PH值的實驗。通過圖1比色卡，可以看出我們用過的花青素改性口罩的顏色變化，從而鑒別口罩是否污染，及時更換。

4 社會效益和經濟效益

由于花青素在醫藥保健領域的應用，花青素的提取已經實現工業化，根據西安瑞林生物技術有限公司的報價，含量25%花青素粉末的市場價格每公斤在700元左右。 濃度為140mg/l的花青素溶液浸泡濾材，每升能浸泡5平方熔噴白布濾材，口罩用量是100mm*120mm，每平方能做83個口罩計算，由此計算到每平方熔噴濾材上的成本在0.08元，計算到每個口罩上幾乎可以忽略不計。由此可以解決一次性口罩使用時效性的問題，提高使用的效率，既可以避免提前遺棄造成的浪費，也可以提醒佩戴者及時更換，避免已污染口罩的二次污染。批量生產時可以考慮用絲網印刷、3D打印或者是浸泡低溫鼓風烘道工藝來解決量產的問題。

5 結語

本研究采用花青素濃度和PH值雙變量的變色反應，和實驗者佩戴添加不同含量花青素濾材的口罩1 2小時后的變色對比，280mg/l和140mg/l濃度中處理的濾材在PH6.5溶液中的變色和佩戴同種濃度花青素濾材的口罩12小時后的變色基本一致，紫甘薯中花青素類化合物可以在口罩材料上應用。

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