洗護市場消毒技術原理與應用

張天翼

(威萊（廣州）日用品有限公司, 廣州，510931)

統計數據顯示，自2015年以來，中國消毒劑市場年產值一直以6%以上的速度快速平穩增長。雖然2019年由于環保壓力，消毒劑市場受上游化工行業景氣指數下滑的影響，增速有所放緩，但2020年在新冠疫情的刺激下，消毒劑市場需求重新旺盛，銷售額飛速上漲。由于WHO關于新冠病毒可能長期存續的推斷，此次疫情不僅會短期拉動消毒滅菌產品市場產的快速增長，也會進一步培育全社會的消毒滅菌產品的長期使用習慣，推動消殺行業的長期穩定發展。

新冠疫情以來，人們對周邊環境中微生物污染和疾病感染風險的擔憂與日俱增，公眾越來越多地使用滅菌劑和消毒劑來阻斷疾病傳播，控制微生物感染，維護公共衛生安全。本文綜述了目前七大類廣泛使用的滅菌劑和消毒劑，簡述相關作用機制，并盡可能將現有知識與實際應用聯系起來。值得注意的是，這些滅菌劑和消毒劑可以單獨使用，也可以組合使用。在多種產品中，抗菌活性受許多因素影響，如配方協同增效、配方拮抗效應，有機負載物的存在、溫度，環境pH等，限于篇幅，本文不便一一贅述。消毒劑分類見表1。

表1 消毒劑的簡單分類

“消殺產品”作為一個通用術語，通常指一種廣譜的使微生物失活的化學藥劑。由于這個定義范圍很廣，本文根據市場習慣介紹一些更具體的術語的定義，包括：“抑菌劑”指抑制微生物生長的藥劑；“抗生素”被定義為天然存在或合成的有機物質，通常在低濃度下選擇性抑制或破壞細菌或其他微生物；“滅菌劑”是破壞或抑制活微生物生長的產品，可以殺滅芽孢；“消毒劑”是類似的產品，不過不能殺滅芽孢。

無論微生物細胞（或實體）的類型是什么，滅菌消毒的過程都可以總結為一個類似的事件序列。可以設想為滅菌劑或消毒劑與細胞表面的相互作用，然后滲透到細胞中并在靶點起作用。細胞的表面性質和組成因細胞類型（或實體）而異，也可能因環境變化而改變。細胞表面的相互作用也會對細胞活力產生顯著影響（如戊二醛），但大多數滅菌劑或消毒劑在細胞內都具有一定活性。因此，微生物細胞的最外層會對其對滅菌劑或消毒劑的敏感性產生重大影響；大多數滅菌劑或消毒劑的活性增強可通過配合使用各種添加劑來實現。

本文將滅菌劑和消毒劑依據殺菌機制大致分為氧化型和非氧化型兩大類。前者主要被視為細胞破壞性消殺產品，后者通常被視為細胞凝固或破膜類消殺產品。

1 氧化類消毒劑

氧化類消毒劑目前在市場上應用極為廣泛，主要包括兩大類：①鹵素及其衍生物，因為物美價廉而在公共環境消毒中得以應用，如二氧化氯、次氯酸鈉和聚維酮碘；②過氧化物，由于反應副產物環保健康安全的特性推動了其在醫療體系中的廣泛應用，經典的代表有兩個，過氧化氫和過氧乙酸。

氧化類消毒劑通常在微生物中的作用機制如下：①作用于DNA或RNA。氧化類消毒劑通過形成高活性的含氧自由基直接破壞DNA或RNA鏈，攻擊嘌呤、嘧啶、核糖或脫氧核糖的磷酸骨架，如攻擊胸腺嘧啶將其氧化為胸腺嘧啶乙二醇。②作用于蛋白質或氨基酸中的肽鍵。氧化類消毒劑還可作用于肽鍵，氧化斷裂導致蛋白質結構變形，功能破壞，當細胞內的酶的結構被破壞失活時尤其致命。③作用于脂質。氧化類消毒劑可以將脂質氧化斷裂成更小的脂肪酸，帶雙鍵結構的不飽和脂肪酸更容易受到攻擊，過氧化過程中產生的自由基，引發進一步的鏈式反應，使情況進一步惡化。最終當細胞壁和細胞膜失去彈性變硬時，細胞破裂，細胞內容物外泄。

1.1 含氯消毒劑

常見的含氯消毒劑通常包括次氯酸鈉、二氧化氯和氮氯化合物（如二氯異氰尿酸鈉、氯胺T等）。最廣為人知便是次氯酸鈉溶液，廣泛用于硬表面消毒（家用漂白劑），也可用于消毒含有HIV或HBV的血液污染物[1]。二氯異氰尿酸鈉也可用于此目的，并且具有提供更高濃度的有效氯和不易被有機物滅活的優點。二氧化氯作為被世界衛生組織(WHO)推薦的消毒劑，具有廣譜、高效、安全和快速等優點,但存在不穩定的缺點。除去用作硬表面消毒劑，新型酸化亞氯酸鈉（亞氯酸鈉和扁桃酸復配體系）是一種有效的防腐劑。

盡管含氯消毒劑已被廣泛研究，但其實際作用機制尚不完全清楚。通常認為高氧化活性的含氯消毒劑會破壞蛋白質的細胞活性；在低pH下，含氯消毒劑的活性高，氧化作用強，此時以非離子化形態存在含氯消毒劑具有更優異的細胞外膜滲透能力。因此，次氯酸一直被認為是含氯消毒劑活性組分[2]。

更進一步的實驗發現，次氯酸在低濃度時不會引起細菌膜損傷或嚴重的蛋白質變性，反而將細菌的DNA作為主要攻擊對象，氧化生成核苷酸堿基的氯代衍生物，同時破壞氧化磷酸化等細胞膜相關的活動[3]。

與次氯酸殺菌機制不同的是，二氧化氯對細胞壁有很強的吸附穿透能力，可以氧化細胞內蛋白質上的巰基，抑制微生物蛋白質合成，從而達到滅殺效果。

含氯消毒劑在較高濃度下（取決于pH和有效氯的濃度）可以增加芽孢的滲透性，最終引發芽孢裂解，從而滅殺芽孢。

通常認為含氯消毒劑可以破壞病毒衣殼，因而具有相當的殺病毒活性，因此新冠疫情期間廣泛應用于公共場所消毒。

1.2 過氧化物

過氧化氫滅菌機制見圖1。

圖1 過氧化氫滅菌機制

過氧化氫（H2O2）是一種廣泛用于消毒、滅菌和防腐的滅菌劑，外觀是一種透明無色的液體，市售濃度為3%～90%。H2O2最顯著的優點是環保，能迅速降解成無害的水和氧。雖然H2O2純溶液通常是穩定的，但大多數都含有防止分解的穩定劑。H2O2對病毒、細菌、酵母菌和細菌孢子具有廣譜功效，一般來說，對革蘭氏陽性細菌的活性高于革蘭氏陰性細菌；需要留意的是，很多細菌內存在過氧化氫酶或其他過氧化物酶可以增加對低濃度H2O2耐受性。滅殺芽孢通常需要較高濃度的H2O2（10%～30%）和較長的接觸時間，尤其在氣相中效用顯著。H2O2通過產生羥基自由基（?OH），攻擊細胞的脂質、蛋白質和DNA中暴露的巰基和雙鍵[4]。

與H2O2類似，過氧乙酸（PAA，CH3COOOH）可以破壞巰基（—SH）或二硫鍵（S-S）使蛋白質和酶變性，增加細胞壁通透性，從而達到滅菌效果。PAA可用于醫療器械滅菌，也可用于環境表面消毒，與過氧化氫相比有兩大優勢：①低濃度（0.3%）下便具有良好的滅殺芽孢、細菌、病毒和真菌的作用；②與H2O2不同，PAA不被過氧化物酶分解、可以在有機負載物存在下保持活性[4]。由于PAA是一種優異的低溫液體滅菌劑，針對此次新冠疫情中低溫冷鏈病毒呈陽性情況頻發的問題，或許會是一種可行的解決方案，缺點是成本相對較高。

2 非氧化類消毒劑

非氧化類消毒劑包括醇類、雙胍類、季銨鹽類、酚類、醛類和環氧乙烷等。非氧化類消毒劑的作用機制通常是與微生物發生反應和交聯所有成分使其凝結：①作用于DNA或RNA。烷基化劑（如環氧乙烷）通常作用于DNA或RNA分子并交聯堿基結構，并進一步交叉連接相鄰的核苷酸堿基，導致分子結構紊亂，于是DNA的復制和轉錄最終都被阻斷。此外，如果DNA結構錯誤，DNA鏈會被細胞的自動修復機制破壞。②作用于蛋白質或氨基酸中的肽鍵。當醛類到達細胞表面時，會與各類氨基酸交聯，尤其是含有氨基（—NH2）的賴氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺和精氨酸，最終導致蛋白質結構被破壞，進而引發核酸和脂質結構的紊亂。

2.1 醇類

盡管許多種低碳醇都已被證明有消毒效用，但真正應用廣泛主要是乙醇、異丙醇和正丙醇（特別是在歐洲）。醇類對植物性細菌（包括分枝桿菌）、病毒和真菌具有快速廣譜抗菌活性，雖然不能殺滅芽孢，卻可以抑制芽孢形成和芽孢萌發（這種抑制作用是可逆的）。由于缺乏滅殺芽孢的能力，醇類不建議用作滅菌劑，可以廣泛用于硬表面消毒劑和皮膚消毒劑，或用于增強其他消毒劑的活性。

許多醇類消毒劑通常與低濃度的其他不易揮發消毒劑（常見的是洗必泰）進行復配，可以在醇類蒸發后繼續在皮膚上實現長效抑菌，亦或搭載成膜劑（制作成酒精凝膠）以減緩醇類的揮發速度來延長與微生物的接觸時間，顯著提升功效的持久性。

一般認為，異丙醇具有更大的親脂性，對細菌更有效，而乙醇對病毒更有效。酒精的抗菌活性在濃度低于50%時顯著降低，60%～80%范圍內最佳，濃度為70%時具有抗分枝桿菌活性。之所以不能在80%或更高濃度下使用，是因為高濃度的酒精會導致細菌細胞壁凝結過度，反而阻止消毒劑進入細胞內部，而且酒精蒸發會帶走水分，過高濃度的酒精溶液對皮膚刺激很大。

2.2 雙胍類

洗必泰(氯己定；chlorohexidine)是使用極為廣泛的消毒劑，特別是在手部清潔和口腔護理產品中。這主要是由于其廣譜功效、對皮膚的高親和性和低刺激性。然而洗必泰的活性極大地依賴于pH，并且在有機物存在的情況下活性大大降低。

在適當的濃度和pH下，帶正電荷的洗必泰與帶負電的細菌細胞壁或外膜快速結合，破壞膜電位，損傷細胞外層，但這還不足以引發細胞溶解死亡。洗必泰進一步通過被動擴散穿過細胞壁或外膜，隨后攻擊細胞質或內膜，損傷脆弱的半透膜后，細胞內成分泄漏，細菌暴裂死亡。由于正負電荷鍵合緊密，洗必泰與細胞有很強的結合力，因此與酒精的快速作用不同，洗必泰具有持久抑菌效果。高濃度的洗必泰同樣會引起細胞內成分的凝固，導致滲漏減少[5-6]。

分枝桿菌通常對洗必泰高度耐藥。洗必泰也不能滅殺芽孢。即使是高濃度的雙胍也不會影響芽孢桿菌在常溫下的活力，僅在高溫芽孢結構損傷，雙胍吸收增加的情況下，可以達到滅殺效果。同時洗必泰對細菌芽孢的萌發影響不大，但對芽孢的生長有抑制作用。

洗必泰被認為是一種特別弱的抗病毒藥物，其活性僅限于脂包膜病毒（抗病毒機制研究認為其僅作用于病毒包膜和核酸），不能滅活非包膜病毒，如輪狀病毒、甲型肝炎病毒或脊髓灰質炎病毒。值得一提的是，洗必泰對新冠病毒也不具備顯著效用（表2）。

表2 洗必泰（氯己定）的適用范圍及作用機制

聚合雙胍在食品工業中已被用作一般消毒劑，并且非常成功地用于游泳池等公共場所的消毒。聚六亞甲基雙胍（PHMB）是其中應用極為成功的例子（如vantocil）。vantocil對革蘭氏陽/陰性菌均具有顯著活性，但對銅綠假單胞菌和普通變形桿菌不太有效，且不能滅殺芽孢。

陽離子低聚物PHMB通常含有16個或以上雙胍單元，每個雙胍單元有2個陽離子基團，因此PHMB與纖維表面能形成多重吸附，結合強度很高。當其結構中的部分陽離子基團與織物表面結合后，剩余的游離陽離子基團可以起到良好的長效抗菌作用。聚合物本身的分子多分散性進一步確保了PHMB的廣譜抗菌性能[7]。

消毒機制的研究認為PHMB是一種膜活性劑，會引起細胞質膜酸性磷脂結構域的形成，干擾一些與膜相關的酶的功能，最終損害細菌外膜的完整性和通透性，具體步驟如下：①帶正電的PHMB迅速吸附到帶負電荷的細菌細胞表面，對含磷酸鹽的化合物具有強烈的特異性吸附；②細菌外膜的完整性受損，PHMB滲透到細菌細胞內膜；③PHMB與磷脂結合，內膜通透性增加，抑菌作用隨之產生；④隨后膜功能完全喪失，細胞內成分沉淀，實現殺菌作用[8]。

2.3 季銨鹽類

以季銨鹽為代表的陽離子消毒劑是目前市面上十分有效的消毒劑，除了具有抗菌性能外，還具有優良的硬表面清潔和除臭性能。

目前的研究結果公認季銨鹽是膜反應劑，認為陽離子消毒劑作用于微生物的步驟如下所述：①帶正電荷的季銨鹽吸附和滲透到細胞壁；②與細胞質膜（脂質或蛋白質）反應并破壞膜的滲透性；③細胞內低分子量物質泄漏；④蛋白質和核酸被降解；⑤由細胞內自溶酶引發壁溶解[9]。至此，細菌的細胞質膜失去了結構和組織的完整性，細菌細胞被破壞。

季銨鹽可以抑制芽孢的生長（從萌發的孢子中發育出營養細胞），但不抑制實際的萌發過程（從休眠狀態發展到代謝活躍狀態）。同樣地，季銨鹽不具有殺滅分枝桿菌的能力，但具有抑制分枝桿菌作用。季銨鹽可以對脂包膜病毒（如HIV和HBV）起效，但對非包膜病毒沒有效果（圖2）。

圖2 季銨鹽的消毒機制

苯扎氯銨應當是市面上消毒產品中應用最廣泛季銨鹽消毒劑，盡管為大家熟知，在使用時仍有一些需要注意的要點：①pH=7.5～8.5時效果最好，活性隨溫度升高而加強；②不能與氯酚類共用；③由于細菌細胞表面空位競爭的原因，與碘類、鈣鎂離子都會產生拮抗；④蛋白質、糖類、脂類有機物會妨礙苯扎氯銨的細胞表面吸附效果；⑤會與包裝內含有的聚乙烯增塑劑反應；⑥非離子表活在CMC以上生成的膠束會將季銨鹽分子包裹入膠束，進入膠束的季銨鹽分子不參與殺菌，因此當非離子表活濃度＞CMC時，增加季銨鹽濃度無法成比例地增加體系的殺菌力；⑦pH＜3時細菌表面電位逆轉，季銨鹽無法在細菌細胞表面吸附，殺菌力急劇下降！

然而單鏈季銨鹽僅僅是一種低效消毒劑，為了改善這一缺陷，長期廣泛的市場應用推動了季銨鹽體系的發展進步，雙鏈季銨鹽以及單雙鏈復配季銨鹽體系憑借以下優點逐步受到市場追捧（尤其歐洲市場）：①單鏈季銨鹽的碳鏈在12～14[10]，雙鏈季銨鹽的碳鏈在8～10時，CMC值會低至具有優異消毒殺菌能力；②相對皮膚刺激性較強的苯扎氯銨，復合季銨鹽體系僅有輕刺激性，屬低毒，無致畸、無致敏、無亞急性毒性；③單雙鏈季銨鹽復配后，與鈣鎂競爭細菌表面空位能力成倍增加，抗硬水和有機物能力大幅增加；④雙鏈季銨鹽抵抗陰離子表活的能力相較于傳統的單鏈季銨鹽顯著提高；⑤更優異的表面活性作用，聚集于菌體表面，通過靜電力/氫鍵等與細胞的親水基結合而產生室阻效應，導致細菌生長受抑影響新陳代謝。

隨著季銨鹽消毒劑的廣泛使用，新一代聚合型季銨鹽衍生物走入市場，其中影響較大兩類分別是季銨化改性有機硅和季銨化改性殼聚糖，混合結構同時解決織物的抗皺免燙和長效抗菌難題：有機硅與殼聚糖均可以通過與棉纖維上的負電基團靜電作用或同纖維素羥基縮水形成共價鍵來實現在織物表面的高效吸附成膜，良好的耐水洗性能保證其即使在低劑量下也足以提供足量的嫁接季銨鏈與帶負電的細菌細胞壁/細胞膜牢固結合，改變膜的通透性，破壞細胞的膜電位和pH梯度，與金屬離子產生螯合作用，影響細菌重要營養物質的攝入，產生溶胞作用，導致細胞內容物泄漏，最終暴裂死亡，起到很好的長效抑菌作用。

2.4 苯胺類

苯胺類化合物中研究的比較成熟的當屬三氯卡班（TCC；3,4,4’-三氯卡班），主要用于肥皂和除臭劑[11]。TCC對革蘭氏陽性菌特別有效，但對革蘭氏陰性菌和真菌的活性明顯降低，對皮膚缺乏明顯的實質性（持久性）。苯胺類化合物被認為是通過吸附和破壞細胞質膜的半透膜特性，導致細胞死亡。

文獻研究表明三氯卡班(TCC)有可能引發包括癌癥、生殖功能障礙和發育異常等病癥的諸多問題，同時對水生生物體具有潛在的高風險。因此美國食品藥品管理局（FDA）要求含三氯生和三氯卡班的抗菌洗滌產品（包括液體、泡沫、手工香皂凝膠、肥皂和沐浴產品）不得進入市場。不過該規則只適用于消費者使用的水洗抗菌肥皂和沐浴產品，并不適用于抗菌洗手液或濕紙巾，也不適用于衛生保健機構如醫院和療養院使用的抗菌肥皂。

2.5 雙酚類

三氯生（TCS; 2,4,4’-三氯-2’-羥基二苯醚）[12-14]對革蘭氏陽性菌具有特殊的活性，同時其對革蘭氏陰性菌和酵母菌的效用可通過與螯合劑（如EDTA，GLDA等）聯合使用增加外膜的通透性而顯著增強。三氯生的具體作用方式尚不清楚，有報道認為其主要作用是在細胞質膜上，亞抑制濃度的三氯生抑制必需營養素的吸收，而較高濃度則導致細胞成分的快速釋放引發細胞死亡。同時二價離子和脂肪酸可能會吸附并限制三氯生對其作用部位的滲透性[15]。三氯生與上文所述的三氯卡班同樣受到FDA的限制進入市場。

2.6 鹵代苯酚

氯代二甲酚（4-氯-3,5-二甲基苯酚，PCMX）是消毒劑配方中十分常用的鹵代苯酚，但銅綠假單胞菌和許多霉菌都對其具有很強的耐藥性。盡管其廣泛應用多年，其作用機制卻很少被研究。由于它的酚類性質，預計會對微生物膜產生影響，引起K+流失，細胞膜受損，破壞選擇滲透性引起細胞內成分的漸進性泄漏，高濃度下還能夠引起細胞質成分的凝固，導致不可逆的細胞損傷[16]。

然而，對氯間二甲苯酚對魚類有劇毒（而且是痕量劇毒，類比的話相當于砒霜對于人），所以禁止向任何自然水體包括河流、湖泊、海洋中排放，并且禁止在未知會本地污水處理廠的情況下，向下水道中排放，因此越來越多的商家開始廣泛尋找合適的替代原料。

2.7 重金屬離子

作為歷史悠久的消毒劑，銀及其化合物以這樣或那樣的形式長期以來一直被用在各類抗/抑菌產品中[17]。目前使用的重要的銀化合物包括磺胺嘧啶銀（AgSD）、醋酸銀、硝酸銀和銀蛋白，它們都被列入了Extra pharmacopeia的Martindale（馬丁代爾大藥典）中。近年來，三星、小天鵝等廠商都先后推出了銀離子抗菌洗衣機。

研究表明，Ag+抗菌的作用機制主要通過兩大途徑：①帶正電的Ag+可以同吸附到帶負電的細菌細胞壁/細胞膜上，與細胞質膜（脂質或蛋白質）反應并破壞膜電位，細胞膜的滲透性改變，細胞內容物泄漏死亡（圖3a）。②Ag+滲透進入細菌/病毒細胞內部與蛋白質或酶的氨基酸中的巰基（—SH）結合引發失活。含巰基的氨基酸（如半胱氨酸）和其他含巰基的化合物（如巰基乙酸）等都是Ag+進攻的靶點。相反，含有二硫鍵（S-S）的氨基酸和非含硫氨基酸（如胱硫醚、胱氨酸、L-蛋氨酸、牛磺酸）都不受Ag+影響（圖3b）。

圖3 銀離子消毒機制

3 小結

隨著新型細菌病毒不斷變異出現，新型滅菌劑和消毒劑的研發也不斷推陳出新，并逐漸成為世界各國的戰略性研究方向，全球消費者正逐漸習慣在日常生活中的各個環節使用消殺類產品。在消殺品類市場前景可期的明天，相信洗滌行業消殺品類會在保障大眾身體健康、防范公共場所環境中的細菌病毒擴散風險方面作出越來越重要的貢獻。