抗菌劑的種類及其在紡織品上的應用

王小娟

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽712000)

抗菌劑的種類及其在紡織品上的應用

王小娟

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽712000)

介紹了抗菌劑的概念、分類和不同種類抗菌整理劑的抗菌機理及特點，分析了抗菌劑在紡織品上的應用現狀和發展方向。

抗菌劑；抗菌機理；性能；抗菌紡織品

微生物在自然界中的分布極其廣泛，它為生產生活帶來了很多益處，但是也造成不少危害，例如由細菌、霉菌和酵母菌等微生物導致的動植物的病變；另外飼料、木材、紙張、紡織品、皮革、化妝品、涂料和塑料等材料可以為微生物生長提供營養源，在環境條件適宜的情況下，微生物會迅速繁殖，從而使材料劣化、腐蝕和變質，造成了巨大的經濟損失。因此，人們采用各種方法與各類微生物進行不懈的斗爭，抗菌已成為人們共同關注的課題[1]。

抗菌的方法可以分為物理法、化學法和生物法3類。物理方法主要是通過改變溫度、壓力、水分含量(干燥)，以及使用濾菌器、電磁波、電子射線等物理手段殺菌。化學方法則是通過調節pH值，利用化學試劑滅菌。生物方法包括控制營養源、增加材料抗微生物性能及應用抗微生物的生物體如乳酸菌等。其中使用抗菌防腐劑防止微生物生長，迄今仍然是最廣泛采用的方法。抗菌劑已引起人們的高度重視，并被應用于各個領域，以達到消滅病菌和抑制菌體滋生的目的[2]。

1 抗菌劑的概念

自然界存在的微生物至少在10萬種以上，而常見的微生物主要是病毒、細菌、真菌等。根據殺滅微生物種類的不同，抗菌劑通常可以稱為：殺(抗)病毒劑、抗(細)菌劑、殺真菌劑、防霉劑、殺粘液菌劑、殺孢子劑、殺念珠菌劑、滅藻劑等；若按照其抗微生物作用程度和方式的不同，則可以分為殺菌劑、抑菌劑和治療劑。其中可以直接導致微生物死亡的殺菌劑又稱鏟除劑、殺滅劑。抑菌劑又稱防御劑、保存劑，包括防腐劑、防霉劑、保鮮劑等，其作用主要是保護物體不受微生物等外界條件的損害，抑制微生物的生長、繁殖。治療劑是指用于治療人、畜、禽類等因微生物感染產生異常病癥的醫用抗生素、抗菌消炎藥。殺菌和抑菌常常不易嚴格區分，一般可統稱為抗菌劑。抗菌劑按化學結構分類又可以分為有機類、無機類和天然類[3]。對于抗菌劑的概念如果作進一步的明確，則可以得到以下結果：

(1)殺菌劑 可有效殺死微生物的化學物質；(2)抑菌劑 能夠抑制微生物的生長繁殖或孢子萌發而對病毒作用小的物質；(3)抗菌劑 能夠有效抑制微生物生長繁殖或可殺死病菌的物質，包括殺菌劑和抑菌劑；(4)防腐劑 主要是指可以防止、減緩有機質的腐敗變質(包括蛋白質的變質、糖類的發酵、脂類的酸敗等)的物質；(5)防霉劑 防止物體長霉變質的物質；(6)消毒劑 殺滅繁殖狀態的微生物或對芽孢、病毒有殺滅、抑制作用的物質，主要用于人體皮膚、粘膜腔道、醫療器械、病室、環境等；(7)保鮮劑 用于防止水果、蔬菜、魚肉、食品、花卉等鮮活物因受外界條件(微生物、氧氣等)的損害而腐敗變質的化學物質。

2 抗菌劑的種類

抗菌劑主要分為天然抗菌劑、無機抗菌劑和有機抗菌劑3大類。

2.1 天然抗菌劑

天然抗菌劑是人類使用最早的抗菌劑，是從某些動植物體內提取的具有抗菌活性物質，其使用安全，無毒副作用。主要有殼聚糖、魚精蛋白、桂皮油、羅漢柏油和大蒜素等。

殼聚糖主要是從蝦、蟹的殼中提取出來的,其分子內含有活性基團,可對許多種細菌表現出良好的抑制作用，殼聚糖是目前廣泛研究使用的天然抗菌劑。殼聚糖的抗菌機制是由兩步反應完成的,首先是在酸性條件下,活性基團與微生物細胞壁中所含的陰離子結合,使微生物自由活動受阻；然后殼聚糖進一步低分子化,通過微生物細胞壁進入細胞內,遺傳因子轉變過程受阻,使得微生物無法繁殖，從而達到抗菌作用[4]。

大蒜素提取液的抗菌機制在于大蒜中所含的巰基化合物可與亞硝酸鹽生成硫代亞硝酸酯類化合物,從而抵消亞硝酸鹽的毒性。大蒜水溶液對幾十種常見的污染食品的真菌(霉菌、酵母菌等)的抗真菌作用強度相當于化學防腐劑苯甲酸和山梨酸,是目前具有抗菌作用最強的一種天然抗菌劑,這為提高食品質量、延長食品保質期提供了途徑。

2.2 無機抗菌劑

無機抗菌劑按照抗菌機理分為金屬型無機抗菌劑和光催化型無機抗菌劑，這類試劑具有安全、穩定性好等優點，較適用于塑料、建材、纖維等制品。其不足之處是價格較高、具有抗菌遲效性及對霉菌沒有作用。

金屬類抗菌劑主要是將銀、銅、鋅等金屬或金屬離子負載于無機擔體(如沸石、硅膠等多孔材料)表面上的制劑。其抗菌機理[5]是金屬離子接觸微生物,使微生物蛋白質結構破壞,造成微生物死亡或產生功能障礙。當微量金屬離子接觸到微生物的細胞膜時,因細胞膜帶負電荷而與金屬離子發生庫侖吸引,使兩者牢固結合,即所謂微動力效應,導致金屬離子穿透細胞膜,進入微生物內,與微生物體內蛋白質上的巰基發生反應。

此反應使蛋白質凝固,破壞微生物合成酶的活性,并可能干擾微生物DNA的合成,造成微生物喪失分裂增殖能力而死亡。金屬類抗菌劑尤其是含銀的抗菌劑具有良好的抗菌性。

光催化型無機抗菌劑是一類能被光子激活的半導體氧化物，包括TiO2、ZnO、ZrO2等。光催化型抗菌劑大都屬于寬禁帶的n型半導體氧化物。半導體的能帶結構通常是由一個充滿電子的低能價帶和一個空的高能導帶構成。價帶和導帶之間存在禁帶。當能量大于或等于半導體帶隙能的光波輻射半導體時，處于價帶的電子就會被激發到導帶上，價帶生成空穴，從而在半導體表面產生具有高度活性的空穴電子對。光催化抗菌劑的作用機制是加入抗菌劑后,材料表面分布著微量的金屬元素,能起到催化活性中心的作用,活性中心能吸收環境的能量,激活吸附在材料表面的空氣或水中的氧氣,產生羥自由基(·OH)和活性氧中心(O2-·),它們具有很強的氧化還原能力,能夠破壞細菌細胞的增殖能力，抑制或殺滅細菌,產生抗菌性能。

2.3 有機抗菌劑

有機抗菌劑主要是有機酸、酯、醇、酚等物質，根據有機抗菌劑的化學分子結構可以將其分成20類。其抗菌機理主要是與細菌或霉菌的細胞膜表面的陰離子相結合，或與巰基反應,破壞蛋白質和細胞膜的合成系統,從而抑制細菌和霉菌的繁殖。常見的有機抗菌劑有季銨鹽類、季磷鹽類等。

季銨鹽類抗菌劑由于價格低廉、殺菌速度快,己經被人們廣泛研究和利用。國際上已經開發出4代(單鏈季銨鹽、單鏈季銨鹽的衍生物、雙鏈季銨鹽、單雙鏈季銨鹽)有典型意義的季銨鹽抗菌劑。這類抗菌劑的抗菌能力和毒性隨季銨鹽結構變化的一般規律是：同類季銨鹽抗菌劑，含短烷基鏈的毒性要比長烷基鏈的大；在烷基鏈長相同時,帶芐基的毒性要比帶甲基的小；單烷基的毒性要比雙烷基的大。烷基鏈長短對抗菌能力影響較大,當烷基鏈中碳原子數少于10或大于16時,抗菌劑對細菌的殺傷力不大；而當碳原子數為14時,抗菌劑的抗菌能力最強。烷基鏈為芐基及其衍生物時抗菌能力要比為甲基時高得多。含有不飽和烷基季銨鹽的抗菌劑具有高效、廣譜的抗菌性,并且季銨鹽中引入不飽和烷基有助于提高抗菌活性。

季磷鹽是抗菌劑研究的方向之一。從季磷鹽和季銨鹽的結構來看,磷原子比氮原子的離子半徑大,極化作用強,使得季磷鹽更容易吸附帶負電荷的菌體,同時由于P元素在元素周期表中位于N元素的下方,P比N有更弱的電負性。因此季磷鹽分子結構比較穩定。與一般的氧化劑、還原劑、酸、堿都不發生反應。因此,季磷鹽的使用范圍廣,可在pH值為2-12范圍內的水中使用,而季銨鹽只有在pH大于9時效果才最佳。季磷鹽類抗菌劑可廣泛用于各個行業,如四羥甲基季磷鹽被用于制革行業代替長期使用的有毒的鉻蹂劑,具有良好的抗菌防霉作用,同時還具有高阻燃的性能。季磷鹽還能殺滅藻類、對異養菌、鐵氧菌、硫酸鹽還原菌，具有很好的殺菌效果,被用于油田系統和循環水系統。目前,由于合成材料有限、價格較高,且合成條件相對于季銨鹽來說更為苛刻,因此,國內對季磷鹽的研究仍處于起步階段。

3 抗菌劑在紡織品上的應用

紡織品的抗菌處理是指用能殺滅微生物的藥劑來處理織物和纖維，使之具有抗菌、防臭、防腐等性能。其目的不僅是為了防止織物被微生物沾污而受損，更重要的是為了防止傳染疾病，保證人體的安全健康和穿著舒適，降低公共環境的交叉感染率，使織物獲得衛生保健功能。

3.1 抗菌劑整理織物和抗菌纖維

目前市場上見到的各種抗菌紡織品(包括針織物、機織物和無紡布),基本上采用3種方法生產，一是先將抗菌劑加入紡絲材料中制成抗菌纖維,然后制成各種抗菌紡織品,這種方法常用來生產合成纖維類產品；二是在織物印染后整理過程中加入抗菌劑(常被稱為抗菌整理劑),然后制成各種抗菌紡織品,這種方法既可生產天然纖維或合成纖維類產品,也可生產混紡纖維類產品,適應性廣,故絕大多數抗菌紡織品的生產是采用這種方法；三是先將抗菌劑加入紡絲材料中制成抗菌纖維,再在織物印染后整理過程中加入抗菌整理劑,然后制成各種抗菌紡織品,這種方法僅在具有很高抗菌性能要求的特殊產品中使用[6-8]。

3.2 抗菌劑在紡織品上的應用現狀

近幾年，馬凱凱等[9]合成了兩種基于氰尿酸的鹵胺抗菌劑前驅體，并在交聯劑1，2，3，4-丁烷四羧酸(BTCA)協助下成功交聯到了棉織物上，經簡單的次氯酸鈉氯化后，獲得具有抗菌效果的棉織物。氯化后的抗菌棉織物在5～10min之內就可將金黃色葡萄球菌和大腸桿菌全部殺死，展示出了優異的抗菌性能。蔣之銘等[10]制備出了三嗪類抗菌棉織物，結果顯示該抗菌紡織品具有良好的細胞相容性。氯化后的改性棉織物可在5min之內使全部大腸桿菌失活，可在10min內使全部金黃色葡萄球菌失活，抗菌性能優異。劉穎等[11]選用鹵胺化合物和季銨鹽兩種抗菌劑處理棉織物。合成了5,5-二甲基-3-(3′-三乙氧基硅丙基)-海因(DTH)及其聚合物(PDTH),3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基三甲基氯化銨(Quat-C1),3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基二甲基十八烷基氯化銨(Quat-C18)。抗菌性能測試結果表明兩種抗菌劑混合使用時抗菌效果比單獨使用鹵胺化合物有所下降，但比單獨使用季銨鹽有所提高，且季銨鹽的加入可顯著減少鹵胺化合物的用量，從而節約成本。李琳等[12]合成了反應型鹵胺抗菌劑，并在其應用方面獲得了突破。以三聚氯氰為活性基團，分別合成了水溶性和非水溶性反應型抗菌劑，應用于棉織物抗菌改性。抗菌測試顯示，水溶性抗菌劑比非水溶性抗菌劑抗菌效果明顯，水洗穩定性好，兩者織物強力損失均很小。鹵胺抗菌紡織品具有高效的抗菌性能，可在5～10min完全殺死大腸桿菌和金黃色葡萄糖菌；抗菌紡織品具有良好的細胞相容性；抗菌整理后的織物強力損傷小；抗菌整理工藝簡單。陳富群等[13]以4，4′-二氨基二苯甲烷四縮水甘油胺為原料，通過兩步法合成制備了一系列不同季銨化度(20%、40%、60%、80%、100%)的多季銨鹽抗菌劑，研究結果表明，隨著季銨化度的增大，臨界膠束濃度和臨界表面張力減小，抗菌性增強，且都優于常規型抗菌劑十二烷基二甲基芐基氯化銨。王冰等[14]研究了有機硅季銨鹽和殼聚糖季銨鹽抗菌劑的抑菌活性以及兩種抗菌劑復配后的抑菌性能。與單獨使用相比，有機硅季銨鹽與甲殼素季銨鹽復配后可以提高對致病菌的抗菌活性，并且具有殺菌時間短、見效快、抑菌率高等優點。

目前應用比較成熟的抗菌防臭整理劑類型主要有：無機化合物、與纖維配位的絡合金屬、季銨鹽、胍類、酚類、脂肪酸及脂肪酸鹽、有機銅化合物、脫乙酞基甲殼質和含氮雜環化合物等。抗菌衛生整理技術已開始進入成熟階段，多功能產品和新工藝的相繼出現表明了抗菌整理紡織品新時代即將來臨，研究高效、多功能的抗菌劑必將成為今后的主要發展方向。

3.3 紡織品抗菌劑的發展方向

新型紡織品抗菌劑應具備下列條件：(1)高效、廣譜抗菌性 抗菌作用強，用量少且可迅速滅菌，對多種微生物都有殺滅或抑制作用；(2)具有安全無毒性 口服急性毒性試驗LD50>1 000mg/kg。加工、儲運、使用和廢棄后不產生污染，如漂洗、焚燒時不產生有害物質；(3)耐久性 即可以長期保持藥效，特別是對皂洗、酸洗、干洗具有耐久性，并對光、熱、酸、堿等物理化學因素有較好的穩定性。熱穩定性包括抗菌劑在高溫紡絲時不會發生分解或揮發，化學穩定性要求抗菌劑在纖維處理和洗滌過程中與有關助劑不發生反應；(4)有良好的配伍性和相容性 抗菌劑與纖維及其他整理劑之間的相容性好，具有良好的透氣性，不損傷纖維，不使織物產生色變，對染料色光、牢度及紡織品的風格無負面影響；(5)便于使用 如易溶、易分散、易吸附、工藝簡單等，能與材料很好的結合，或在其中均勻分布且不影響藥效和紡織材料及紡織成品的性能；(6)環境相容性好 如無色、無臭、無刺激性、無腐蝕性等，不會產生污染，易生物降解；(7)市場潛力大 價格便宜，貨源充足，便于推廣。

4 結語

抗菌紡織品具有較好的發展前景，它對提高我國衛生保健水平和降低公共環境交叉感染具有重要的實用價值，研究安全高效的抗菌劑是社會和經濟發展的必然要求，目前開發的3大類抗菌劑的特點各異，都有自己的優點和缺點，理想的紡織品抗菌整理劑還有待進一步開發研究。

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Types of Antibacterial Agents and Their Application in Textiles

WANG Xiao-juan

(Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China)

The concept and classification of antibacterial agents were reviewed. The antibacterial mechanism and characteristics of different antibacterial finishing agents were introduced. The current situation and development trend of antibacterial agents in textiles were analyzed.

antibacterial agent; antibacterial mechanism; property; antibacterial textile

2017-03-24；

2017-04-10

陜西省教育廳自然科學專項項目(15JK1054)

王小娟(1982-)，女，副教授，碩士，主要從事染整助劑及新工藝的研究，E-mail：wangxiaojuan8@yeah.net。

TS

A

1673-0356(2017)06-0021-04