抗菌皮革的制備及抗菌性能評價

胡昆 楊嵐 蘇輝 劉煜 黃蕊慰

（廣東省惠州市質量計量監督檢測所，廣東 惠州 516003）

引言

皮革主要包括天然革和人造革，天然革源于各類動物生皮，因其本身含有豐富的蛋白質、脂肪等營養物質，且擁有多孔結構及極性結構的皮革極易吸收水分及空氣中的營養物質，從而滋生各類微生物。在皮革生產加工過程中，還會使用加脂劑、涂飾劑、填充劑等各類富含營養的助劑，使得天然革制品極易發生腐敗。人造革則是在棉布基、合成纖維基和纖維基上，添加各種聚氨酯和聚氯乙烯等配方發泡或覆膜制作而成的仿真皮革制品。人造革的優點是物美價廉、質地柔軟，且色澤，強度等物理特性更為均勻一致，其防風性、防水性均優于天然革，因此用途十分廣泛。但跟天然革相比，人造革的透氣性和耐磨性較差，較差的透氣性會導致人在于其接觸時更易產生汗液，從而導致各類菌群的生長。滋生微生物的皮革不僅會影響美觀，造成皮革本身及其制品的腐爛，縮短使用壽命，還會傳播各類由微生物導致的疾病。因此，無論是天然革還是人造革，皮革的抗菌性能開發則顯得迫切且重要，抗菌皮革及其制品的發展對增加相應產品的耐用性以及人類的生活健康具有重要意義。

1. 抗菌皮革的制備方式

皮革一般不具有抗菌性能，且因其自身的特性易于被微生物污染。想要皮革具有抗菌性能，需要在制革過程中加入抗菌劑或抗菌成分，并使之與皮革發生物理連接或化學結合作用，也可以采用噴灑或浸泡等的方法將抗菌劑添加至成品革中而賦予皮革抗菌特性。因抗菌劑或抗菌成分與皮革結合方式或結合階段的不同，將抗菌皮革的制備方式進行以下分類。

1.1 在制革濕加工階段添加抗菌劑

此制革濕加工階段主要是指在鞣制工段、鞣后濕處理工段，在這過程中加入相應的抗菌劑或抗菌成分使皮革具有抗菌性能。溫州大學研究人員[1]發明了一種抗菌型超支化聚合物皮革復鞣劑，利用六亞甲基二異氰酸酯三聚體對含有亞氨基的抗菌劑環丙沙星進行改性，制得NCO 封端，以季戊四醇為核，用抗菌劑、季戊四醇、異氰酸酯對其進行擴鏈，最后用2,2 二羥甲基丙酸進行封端，得到抗菌復鞣劑。此復鞣劑在保持良好復鞣性能的前提下，以共價鍵的形式引入抗菌劑，可賦予復鞣劑持久穩定的抗菌特性。SU 等[2]采用原位法制備了聚二甲基二烯丙基氯化銨-甲基丙烯酸/鍍銀氧化鋅復合材料〔（DMDAAC-MAA）/Ag/ZnO〕，在皮革復鞣過程中加入制備得到的復合材料，因抗菌成分Ag/ZnO 和N+的引入，使得皮革具有有效的抗菌防霉性能。Ali Yorgancioglu等[3]將具有抗菌性的氧化鋅納米顆粒與不同鏈長的石蠟發生乳化反應，制得加脂劑。用不同配比的納米氧化鋅與石蠟的乳化液對鉻鞣家具革乳化加脂處理，根據ASTM 標準E 2149-2001《在動態接觸條件下固定抗菌劑抗菌活性測定的標準試驗方法》對成品革的抗菌性能進行了測試，結果顯示處理過的皮革微生物減少量＞95%。李伏益等[4]利用椰子油、聚乙二醇－400、順丁烯二酸酐和偏重亞硫酸鈉合成了一種具有抗菌防霉作用的加脂劑。其研究結果表明：在椰子油:聚乙二醇-400 摩爾比為1:2，醇解產物與順丁烯二酸酐摩爾比1:0.7 的條件下合成的椰子油加脂劑具有較好的抗菌效果，用振蕩法測試其抑菌率可達85.2%，暈圈法測試可見明顯的抑菌透明圈，抑菌圈直徑為31.50 mm，當偏重亞硫酸鈉用量是油脂質量的25%時，加脂劑仍具有較好的加脂效果且抗菌保持效果不變。

1.2 在涂飾工段添加抗菌劑

皮革涂飾劑用于涂飾皮革表面，可保護并提高皮革美觀性的一類皮革助劑的統稱，它主要由成膜物質、著色材料、溶劑及助劑按照一定比例配制而成，其中的成膜物質是皮革涂飾劑的基礎。皮革涂飾劑不僅可以保護皮革和增加美觀度，還可延長皮革耐用時間。因為涂飾劑作用于皮革表面，在涂飾階段加入抗菌劑或抗菌成分的相關研究最為常見，將抗菌劑或抗菌成分與涂飾劑共混制備成具有抗菌性能的復合膜，使得皮革具有抗菌性能。N.Lkhagvajav 等[5]利用納米銀（nAg）對皮革進行涂層，并采用定性（瓊脂覆蓋法）和定量（瓊脂覆蓋法）對皮革材料表面nAg 涂層抗菌性能進行評價，測試菌株為大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌及黑曲霉。定性試驗結果表明，當nAg 涂層含量在20 g/cm2以上時可有效抑制四種菌株的生長。定量測試結果則表明，經nAg涂層含量為20 g/cm2處理后的皮革樣品對大腸桿菌的抗菌率為99.25%。當nAg 濃度為10 g/cm2時，對金黃色葡萄球菌的抗菌率為99.91%。徐群娜等[6]將己內酰胺（CPL）改性酪素（CA）（簡寫為CPL-CA）、殼聚糖（CS）及植酸（PA）生物質材料作為原料，加入無機組分氫氧化鎂（MH），采用層層組裝（LBL）的方法對皮革進行涂層。選用抑菌圈法對進行涂層處理后的皮革進行了抗菌測試，結果表明，CS 的引入使得涂層具有抗菌性能，當CS 溶液質量分數為1.0%，浸漬3 層時，抑菌圈直徑（d）為3.7cm，抑菌效果最好。FAN 等[7]利用配體輔助重結晶法制備了Cs2AgBiBr6納米晶，然后通過層層噴涂的方式制得了PU/SiO2/（Cs2AgBiBr6/TiO2）5納米復合涂層。結果表明，經PU/SiO2/（Cs2AgBiBr6/TiO2）5涂飾后皮革對金黃色葡萄球菌具有明顯抗菌作用。

1.3 物理共混添加抗菌劑

直接混合法是指將商用或制備的抗菌劑主要通過浸泡、噴灑等方式直接與高分子材料相混合，制成各種抗菌塑料、紡織品、皮革。王旭等[8]采用原子轉移自由基聚合法在TiO2納米粒子表面接枝丙烯酸酯類聚合物，并對其進行季銨化處理得到聚合物季銨鹽，最后通過浸泡后干燥的方式將改性后的納米粒子負載在皮革表面。經檢測負載改性TiO2納米粒子的皮革具有優異的抗細菌性能。改性后的皮革與一定濃度的菌液直接接觸6 h 后，對于金黃色葡萄球菌的抑制率可達到99.99%。

王瑤等[9]制得一種納米銀復合抗菌劑，并將質量濃度為2.4×10-5g/mL 的納米銀復合抗菌劑通過高壓噴淋的方式將其添加到皮革上，制備得到抗菌皮革。以金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、粘性紅圓酵母及黑曲霉作為測試菌株，采用抑菌圈法和抑菌率法對其抗菌性能進行評價，同時用人工汗液洗滌處理抗菌皮革，以此來考察抗菌皮革的抗菌持久性。研究結果表明此抗菌皮革樣對4種試驗菌株的抑菌圈寬度分別大于35 mm（汗洗前）和大于28 mm（汗洗后），平均抑菌率大于分別大于90%（汗洗前）和大于70%（汗洗后），說明此法制得的抗菌皮革具有一定的抗菌性及抗菌持久性。

三種主要抗菌皮革制備方式比較詳見表1。

表1 抗菌皮革制備方式的比較Table 1 Comparison of preparation methods of antimicrobial leather

2. 皮革中常用的抗菌劑

皮革及其制品上常用的抗菌防腐劑主要分為四大類，包括天然抗菌劑、無機抗菌劑、有機抗菌劑及復合抗菌劑。

2.1 天然抗菌劑

天然抗菌劑可從自然界的動物、植物或礦物質中提取得來，也可通過微生物發酵產生。天然抗菌劑賦予皮革抗菌性能的同時，在生產和應用過程中對生態環境和人類健康產生的影響也較小。源于動物的抗菌劑主要有殼聚糖和魚精蛋白等，其中殼聚糖主要是從節肢動物如螃蟹或蝦的外殼中提取得來，因其相對易于提取，殼聚糖是目前研究較為廣泛的天然抗菌劑[10]。

目前關于其抗菌機理尚未完全明確，有研究表明殼聚糖上氨基的存在使其帶正電荷，可以與帶負電的細菌細胞膜之間發生靜電相互作用而結合，以改變細胞膜通透性，進而使細胞內物質外流導致細胞死亡[11-13]。也有研究表明，殼聚糖可以滲入到細胞內部擾亂細菌微生物的正常生理活動，并影響細胞的DNA 表達[14]。

殼聚糖本身具有良好的抗菌作用，但殼聚糖分子中存在較強的氫鍵，使得其僅溶于pH＜6 的酸性環境中，此特性限制了殼聚糖在中性和生理環境下的應用[13]。因此研究人員對殼聚糖分子內具有游離的羥基和氨基進行化學改性，如將它羧甲基化、季銨鹽化、磺酸化后，改性后得到的殼聚糖衍生物不僅具有更優的水溶性，且抗菌活性更強[15]。羅泉清等[16]用聚乙二醇對殼聚糖進行化學改性，通過?；磻晒铣闪司垡叶?接枝-殼聚糖聚合物（PEG-g-CS）。PEG-g-CS 具有良好的水溶性，且可以作為水性涂層對皮革進行抗菌處理。結果表明，PEG-g-CS 相較于單一的殼聚糖具有更強的抗菌性能（CS 的最小抑菌濃度為31.25 mg?mL-1，PEG-g-CS的最小抑菌濃度為1.56 mg?mL-1）。

2.2 無機抗菌劑

無機抗菌劑成分穩定，易于獲取，且具有廣譜抗菌性能，因此廣泛用于各類材料，應用于皮革的主要有金屬抗菌劑、光催化型抗菌劑等[17]。因銀、銅、鋅等金屬離子對人體毒副作用相對較小，因此，近年來被廣泛應用于皮制品的抗菌研究。在金屬納米顆粒中，以最常見的納米銀為例，納米銀的抗菌機理目前也尚未形成一致意見，有研究人員[18]指出納米銀可穿透細菌外膜并在內膜積累，納米銀黏附后損傷細胞導致微生物細胞膜的滲透性增加，細胞因內容物滲出而死亡。Quinteros M 等[19]則提出納米銀進入細菌后，可與細胞中的含硫和磷基團發生相互作用，進而進入細胞內部改變細胞內部的遺傳物質、蛋白質結構及功能，同時納米銀也可與細胞中酶的巰基發生相互作用，在內膜中形成鏈活性氧（ROS）和自由基，影響細胞膜的呼吸功能，最后導致細胞死亡。雖然銀等金屬離子具有優異的抗菌性能，但單獨的金屬鹽類不穩定且易分解，常常需要將金屬離子固定在不同的載體上增加其穩定性。包括載體和相應的抗菌活性成分的金屬抗菌劑，可通過物理吸附、離子交換、絡合-被覆等方式結合得到，例如將銀、銅、鋅等對應的金屬氧化物和金屬離子固定在無機載體材料上。

目前，常見的無機載體材料主要包括沸石系、硅膠系、磷酸鈣系、磷酸鋯系以及硅酸鹽系等[20]。Kaygusuz M 等[21]將納米Ag-TiO2涂層在皮革表面，并測試經nAg-TiO2涂層處理的皮革對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌和黑曲霉的抑菌性能。定性測試結果表明，在皮革樣品上添加2%及以上濃度的nAg-TiO2可抑制這四種微生物的生長。此外，定量測試結果表明，5% nAg-TiO2處理的皮革樣品對大腸桿菌的抑菌活性最高，抑菌率為93.50%，而2%的nAg-TiO2處理的皮革樣品對金黃色葡萄球菌的抑菌率可達99.99%。

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，禁帶寬度都屬于N 型，如TiO2、ZnO、SiO2等。其中，TiO2是光催化抗菌劑的研究熱點。光催化型抗菌劑的優點是無毒、無特殊氣味且無刺激性，具有強耐熱性，但其必須在紫外光照射和有氧氣或水存在的條件下才能發揮殺菌作用[22]。光催化抗菌劑可通過吸收外界的光電子能量等途徑來激發吸附在材料表面的空氣或水中的氧氣，形成具有強還原氧化能力的活性氧中心（O2-）和羥自由基（?OH），以破壞細菌細胞的繁殖能力并影響微生物正常的生命活動，從而起到抑制、殺滅微生物的作用[23]。馬建中等[24]發明了一種二氧化硅負載殼聚糖改性水性聚氨酯丙烯酸酯復合乳液，該復合乳液使殼聚糖可以持續釋放達到長效抗菌的效果。

2.3 有機抗菌劑

有機抗菌劑因其在殺菌性強，具有抗菌廣譜性且成本較低市場占主體地位，主要包括有機酸、有機醇、酚等物質。使用較廣的有季銨鹽類、季銨鹽衍生物（季銨鹽類衍生物包括單鏈季銨鹽、雙鏈季銨鹽、雙季銨鹽、聚合季銨鹽、混合季銨鹽以及一些新型的季銨鹽[25]）、鹵胺類、三氯生、胍類等。以季銨鹽為例，其制備簡單，屬陽離子化合物。因季銨鹽本身帶正電荷，可吸附于帶負電荷的微生物細胞表面， 同時其烷烴鏈與細胞的類脂層發生疏水相互作用，破壞微生物細胞壁和細胞膜結構，抑制酶或蛋白質活性，影響細胞代謝從而使微生物失活[26]。林煒等[27]研發了一種含有季銨鹽殺菌基團的水性聚氨酯皮革涂飾劑，含有季銨鹽殺菌基團的分子擴鏈劑具有與優異的殺菌性能，且擴鏈劑上的雙羥基可與二異氰酸酯發生縮合反應，從而被引入到聚氨酯基體中，結果表明該產品不僅保持了原有聚氨酯涂層的高透明度和成膜性能，還賦予了此聚氨酯涂飾劑持久的殺菌性能。

2.4 復合抗菌劑

不同類型的抗菌劑均具有特異的抗菌活性與局限性， 因此將兩種或多種抗菌劑進行復配聯用已在近年成為發展趨勢。復合抗菌劑的抗菌效果通常大于單一抗菌劑，具有相互協同、相互促進、相互補充的作用[20]。

有研究[28]表明將氨基化石墨烯/殼聚糖應用于皮革涂飾時，可賦予成品革優異的物理機械性能、防水性能和抗菌性能，此復合涂飾劑對肺炎克雷伯氏菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抗菌率均≥99.9%。溫永漢等[29]將高效、低毒的異噻唑啉酮與納米銀溶液進行復配可得到穩定的納米銀復合抗菌劑，將此納米銀復合抗菌劑應用于綿羊裘皮中，處后理的綿羊裘皮對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和紅圓酵母均具有快速、明顯的抑菌效果。

常見皮革抗菌劑類型與特點見表2。

表2 常見皮革抗菌劑類型與特點Table2 Types and characteristics of common leather antibacterial agents

3. 皮革抗菌性能測試方法比較與選取原則

在制備得到抗菌皮革后，如何準確的選擇測試方法來評價皮革的抗菌性能是目前需要關注的問題。

據相關標準[30-32]主要分為四種檢測方法，包括抑菌圈法、貼膜法（膜接觸法）、吸收法及振蕩法。

（1）抑菌圈法是將定量的菌液涂抹于瓊脂培養基上，待菌液干燥后將試樣及對照樣平貼在培養基上培養一定時間，看是否產生抑菌環，若產生則測量抑菌環的寬度。其原理是抗菌劑可能經瓊脂擴散溶出而形成不同濃度梯度，顯示抑菌作用。抑菌圈法一方面是評價對皮革因加入抗菌劑而可能引起的安全性能問題，另一方面可根據抑菌環結果來判定抗菌皮革是否具有溶出性，為繼續選擇其他方法來評價皮革抗菌性能提供參考。

（2）貼膜法（膜接觸法）是將接種定量細菌于試樣及對照樣上，然后用略小于試樣面積的聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）或聚對苯二甲酸類塑料（PET）等薄膜貼在樣品表面，使細菌均勻接觸試樣和對照樣，經過一定時間的培養后，測得2 組樣品中的回收菌數，對比并計算出樣品的抗細菌率。即評價皮革表面的抗菌成分或抗菌劑是否可抑制微生物的生長。

（3）吸收法是直接在抗菌試驗樣和對照樣上定量接種一定濃度的測試菌液，經一定時間的培養接觸培養后將殘留活菌洗脫下來，測得2 組樣品中洗脫下來的存活菌數，對比并計算出樣品的抗細菌率。吸收法用于評價具有吸水性的抗菌皮革是否可抑制微生物的生長。

（4）振蕩法是通過將待測樣品和對照樣直接置于定量菌液中進行強制接觸， 經過一段時間的振蕩培養，測定振蕩菌液中的存活菌數，據此計算出樣品的抗菌率。振蕩法用于評價具有吸水性的抗菌皮革是否可抑制微生物的生長。

四種方法均主要選取3 種測試菌株作為試驗菌，分別是肺炎克雷伯氏菌或大腸埃希氏菌作為革蘭氏陰性菌的代表，金黃色葡萄球菌作為革蘭氏陽性菌的代表，白色念珠菌作為真菌的代表。四種評價皮革抗菌性能測試方法比較詳見表3。

表3 皮革抗菌性能測試方法的比較[30,32] Table3. Comparison oftest methods for antibacterial activity of leather

4. 結語

皮革因其舒適美觀且可選擇的種類繁多而廣泛應用于家具家居、鞋類和鞋部件、服裝箱包、汽車內飾等產品。而抗菌皮革的開發對于改善皮革的耐用性、減少致病菌的傳播具有重要意義，伴隨著人們生活水平的提高和對環境保護意識的增強，市場對抗菌皮革制品的需求也會明顯增加。因此文章從抗菌皮革的制備方式，常用的抗菌劑及抗菌性能測試方法三個方面進行了綜述：

（1）因抗菌劑或抗菌成分與皮革結合方式或結合階段的不同，分為制革濕加工階段添加抗菌劑、在涂飾工段添加抗菌劑、物理共混添加抗菌劑。從抗菌劑的結構與來源將其分為天然抗菌劑、無機抗菌劑、有機抗菌劑和復合抗菌劑。如何選擇高效、廣譜、低毒、經濟的抗菌劑經適宜簡便的制備方法得到抗菌皮革仍需更多研究。

（2）目前針對制備得到抗菌皮革，應至少進行兩項測試包括安全性能測試（抑菌圈法）和抗菌性能測試（貼膜法或吸收法或振蕩法）。值得注意的是，抑菌圈法中的抑菌環寬度并不能直接表明抗菌皮革的抗菌性能，而主要顯示其安全性能。若抗菌皮革的抑菌環寬度＞5mm，則說明抗菌劑與皮革結合不夠牢固易發生遷移，抗菌劑的析出擴散會導致環境的污染從而進一步危害人類的健康，且影響皮革的抗菌持久性。因此，在保證因加入抗菌劑的皮革安全性的情況下，進一步探索抗菌效果及抗菌時效性還需更深入的研究。