紫甘薯花青素在口罩材料上的应用研究

俞家琛

(浙江省杭州第二中学,浙江杭州 310053)

紫甘薯花青素在口罩材料上的应用研究

俞家琛

(浙江省杭州第二中学,浙江杭州 310053)

为提高花青素类化合物在日常生活中的应用水平,本研究选取口罩材料作为应用对象,避免污染口罩对人体的二次危害,用分光光度法测得紫甘薯母液的花青素含量为280mg/l,稀释后配置成不同浓度,滤材浸泡后烘干。实验采用了双变量对比法,不同花青素含量的滤材在不同的PH值溶液显色实验和人佩戴含花青素成分的口罩12小时后显色对比,280mg/l和140mg/l浓度中处理的滤材在PH6.5溶液中的变色和佩戴相同花青素浓度含量的口罩12小时后的变色基本一致。结论:紫甘薯中花青素类化合物可以在口罩材料上应用。

花青素 滤材 变色 应用

1 项目研究的背景

1.1 国内目前的空气污染情况

由于社会的发展，日常生活、环境污染、工业生产、汽车尾气等排放的废弃物导致在空气中悬浮颗粒物越来越多，秋冬季又经常是雾霾和季节性流感叠加，由于民众对雾霾和流感的重视程度不断提高，口罩作为个人呼吸保护装置，保护佩戴者的呼吸器官免受有害烟、气、尘和飞沫的危害，需求不断增加。

口罩一般分为医用、劳保用品、保健用品三种类别，普通的一次性口罩多是由熔喷布或无纺布制成的，其主要原料是聚丙烯。目前市场上销售基本是简易自吸过滤式防尘口罩，靠佩戴者呼吸克服部件阻力用于防尘的过滤式呼吸护具。

1.2 目前口罩材料的缺点

由于普通口罩多是由熔喷布或无纺布制成的，别看这口罩只有薄薄的几层，使用一段时间以后，粉尘、颗粒物吸附在口罩表面，造成阻力变大、流量变小，透气性明显变差。不仅阻碍了新鲜空气的进入，造成缺氧，鼻腔黏膜自身抵抗能力下降，而且还会使口罩内部的呼出气不能顺畅地透出，污浊的气体反复吸入，导致呼吸道感染。

人佩戴时口罩处于潮湿、温暖的环境下，有利于病菌在口罩上繁殖，口罩不但没有挡住致病菌，反而让“送菌入口”，造成呼吸道感染。由此二次污染的口罩对人体的危害很大，极大地影响人们的健康。目前目测和经验是人们判断口罩是否有效的主要方法，在失效前提前废弃是资源浪费，失效后继续使用会危害健康，所以急需要一种设别口罩有效性的方法来解决这个问题。

图1 pH为4时花青素溶液的紫外吸收光谱图

图2 不同浓度花青素溶液的吸光度

1.3 项目的由来

本项目是前期“一种新颖鼻塞过滤器”的延续，滤材上含花青素成分的“一种新颖鼻塞过滤器”在实际佩戴8小时后，滤片从紫色变成了粉红色， 用此方法加工的紫甘蓝色素溶液因工艺较为粗糙，在使用时只能对鼻塞过滤组件的污染程度进行“定性”监控。本项目受测量人体体温的比色卡试纸的启发，对花青素在滤材上的使用进行精确地定量分析。

项目经浙江省科技信息研究院(国家一级科技查新单位)查新，部分查新结论如下：“经分析比较，当空气中的各类有害气体通过封闭鼻塞内‘过滤组件’时，‘过滤组件’内的花青素会引起反应，从而提示人们及时更换‘过滤组件’；含花青素‘过滤组件’的鼻塞加工方法，以上特点在所检文献中未见述及。”

项目首次将花青素成分添加到过滤组件上，可实现对空气中(酸碱)污染程度和对“口罩”使用时间的实时监控，从而可及时更换口罩，保证能清洁干净的使用口罩；在实验的基础上完成了含花青素“智能口罩材料”的加工方法；定量精确研究滤片的污染程度以实现商业化价值，另考虑通过许可滤材生产企业使用专利权的方式开发含花青素成分的空气过滤材料，并可以在普通口罩上推广使用。

2 基本思路和原理

2.1 基本思路

从植物中提取花青素成分，均匀添加到口罩过滤材料上，在不影响口罩过滤性能的前提下，在佩戴一段时间后，从口罩滤材的显色变化结果对照比色卡确认口罩的污染程度，增加了可监控口罩污染程度的新功能，可以让使用者在进行日常活动的同时，提醒人们及时更换口罩，从而能尽可能的得到合适的保护。

图3 140mg/l花青素溶剂浸泡滤材的显色变化

普通一次性口罩一般由三层材料组成，由外到内分别是：30克PP纺粘蓝布、熔喷无纺布及30克PP纺粘白布，其中内外层均为聚丙烯材料，蓝布显蓝色是因为在蓝布上添加了聚丙烯色母粒，仅颜色不同而已。内外层主要起到阻止微生物穿透、防水、保持力学性能的功能，内层熔喷无纺布起过滤的作用。内外层主要的性能指标有防护性能、舒适性能、力学性能和沾湿性能等，防护性能主要是对细菌、微细粉尘粒子的过滤效率，主要通过耐静水压的指标来确认，要求通过AATCC127耐静水压测试；舒适性能主要是指佩戴者使用后的舒适性，面部是否有异物感，包括生理的舒适性和活动的方便性；力学性能主要表现为纵、横向的强力和伸长率，由于内容中间层熔喷无纺布的力学性能差，所以口罩力学性能主要依靠内外层；沾湿性能是要求表面张力低于水、油、酒精的表面张力，能提高拒湿性能，内外层在湿态环境下细菌、病毒的易穿透。我们将不同浓度的花青素成分添加在口罩的内层(30克PP纺粘白布)上，烘干后委托样品提供单位进行检测，主要检测添加花青素成分后是否影响材料原有的防护性能、舒适性能、力学性能和沾湿性能。如果不同浓度的花青素成分添加在30克PP纺粘白布上对滤材的功能没有影响或者影响不大且符合行业标准，下一步选取不同花青素含量的滤材放入内有不同PH值溶液的表面皿上，观察颜色的变化并生成比色卡，实验确认颜色变化最明显的那种滤材；将这种浓度的花青素滤材作为口罩的内层，人呼吸时呼出的二氧化碳和温湿的水汽形成弱碳酸，人佩戴12个小时后观察颜色的变化并与比色卡比较，通过对比比色卡得出实验结果。

2.2 原理

花青素属于酚类化合物中的类黄酮类，其基本结构包含两个苯环，并有一个3碳的单位连接(C6-C3-C6)。花青素广泛存在于开花植物(被子植物)的花、果实、茎、叶、根器官的细胞液中，分布于27个科、72个属的植物中。目前已经进行开发、利用和商业化生产的有葡萄皮色素、巴西莓、蓝莓、紫甘薯、紫甘蓝、紫玉米、桑葚、黑米、黑豆等，紫甘薯种植的推广为花青素产业化提供了重要的原料基础。紫甘薯中花青素的主要成分是矢车菊色素和芍药素，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团，所以比一般花青素对光、热、空气等感应较少，性质更稳定；紫甘薯中花青素色素具有常温下较稳定、对酸和碱稳定性差、对自然光稳定性好之特性。即在常温下其颜色随时间的延迟基本无变化，但能随空气中的酸碱程度变化而变化，花青素色素比紫色石蕊显色明显且灵敏度高，是一种良好的绿色环保酸碱指示剂。

紫甘薯含丰富的花青素色素且价廉易得。由于紫甘薯中的花青素分子含有多个酚羟基及吡喃环上有四个阳离子，所以花青素同时具有酸及碱的性质，能浓于稀酸及稀碱，且对酸和碱都很灵敏。花青素具有能遇(酸)变红，遇(碱)变蓝，中性为( 紫)的特性，故在常温下有会随时间的延迟随空气中的酸碱程度变化而变化。将这一特征应用在口罩过滤材料中，当空气中的各类有害气体通过含花青素滤材时，“过滤材料”内的花青素会引起反应，根据空气中的酸碱程度的变化而发生变化，可实现对空气中(酸碱)污染程度和对“口罩”使用时间的实时监控，从而可及时更换口罩，保证能清洁干净的使用口罩，避免口罩所产能的二次污染。

此外，天然提取的花青素具有抗氧化、抗突变、预防心血管疾病、保护肝脏的功能，更具有抑菌功能。天然花青素成分添加到口罩材料上不仅安全、无毒，还有药理保健的功能。

实验同时也考虑到口罩佩戴时光照和气温对花青素稳定性的影响：紫甘薯中花青素的成分主要是矢车菊色素和芍药素，在自然光及避光的条件下，性能很稳定；但日光直射对花青素的稳定有一定的影响，花青素在日光直射1天后的保存率在80%以上；花青素在60℃以下时很稳定，7天后的保存率仍能达到93.77%。因为普通一次性口罩的在常温下生产、使用时间在24小时内，以上数据能符合花青素成分在一次性口罩材料上使用的要求。

3 研究内容和方法

3.1 材料和仪器

材料：紫甘薯(浙紫薯1号)，购于杭州市滨江区江南豪园农贸市场；熔喷无纺布，由嘉兴嘉瑞过滤科技有限公司提供；30克PP纺粘白布，由南通汇优洁医用材料有限公司提供；普通医用口罩，江西3L医用制品集团股份有限公司生产，购于药品连锁商店；PH缓冲剂、PH精密试纸，由杭州市化工研究院有限公司提供。

仪器：九阳榨汁机；TU-1900双光束紫外可见分光光度计；CT15RT台式冷冻高速离心机；DHG电热鼓风干燥箱；SCOUT SE电子天平；100-1000ul微量移液器；烧杯、试管、表面皿若干；250ml容器瓶等。

3.2 花青素的提取

参阅相关文献资料，花青素的提取方法有酸性溶剂浸提、超声波提取、酶解法和超高压辅助提取等方法，考虑到提取的花青素直接应用到口罩上及综合提取难度等因素，本次实验采用了传统榨汁提取方式。

取4-6个新鲜的紫甘薯(视甘薯大小而定)，将紫甘薯洗净削皮2-3mm后，切成长条状，然后放到榨汁机中榨汁，汁中含有大量淀粉及杂质，经沉淀后取上层清液，清液过滤后得到高浓度的花青素粗母液，接着将此母液分装在塑料试管中经高速离心机分离，离心机温度设定常温，转速8000转/min，时间设定为5min，取上清液，测上清液的吸光度A。

3.3 花青素的定量

3.3.1 花青素最大吸收峰波长的确定

将高速离心机分离后的花青素母液用去离子水稀释24倍，然后滴加pH=4的缓冲溶液，经紫外分光光度计确定花青素的最大吸收峰波长为530nm。结果如图1、图2。

3.3.2 花青素浓度的确定

而苋莱红的也是530nm，依据这一共性，花青素的绝对含量便用合成苋莱红为基准物来计算。绘制标准曲线，得到下式回归方程：

式中：Y—提取液的浓度(10-6g/mL)；X—提取液的吸光度。根据提取液中吸光度，代入公式(1)中就可以算出提取液中花青素的浓度。将花青素母液稀释24倍后，然后在530nm处测定提取液的吸光度A=0.2752，带入公式1得花青素提取液浓度为11.7×10-6g/mL，从而得到提取的母液中花青素浓度为280.8×10-6g/mL。为了检测用苋菜红标准曲线方程测定的准确性，分别将待测的花青素提取液再稀释2/3，1/3，然后分别测定吸光度A，线性关系很好，用公式(1)来计算花青素提取液浓度值准确度很高。

3.4 花青素对滤材性能的影响分析

已测定的提取液中花青素的浓度为280mg/l，用250ml容量瓶，加去离子水定容，配成5种不同浓度的花青素溶液备用，另四种浓度分别是140mg/l、70mg/l、35mg/l和17.5mg/l。将120*120大小的滤材浸泡在已知浓度的花青素溶液中，然后将滤材放置鼓风干燥箱中烘干，鼓风干燥箱设置温度为40℃，时间为24h。将烘干好的滤材委托滤材生产企业进行性能检测，经过南通汇优洁医用材料有限公司检测，熔喷白布滤材添加花青素成分后对滤材性能没有影响。

3.5 不同pH下花青素比色卡的制作

用成套缓冲剂，配置pH值分别是4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10共13种溶液，另准备若干已在280mg/l、140mg/l、70mg/l、35mg/l和17.5mg/l浓度中浸泡、烘干的滤材，并剪成5mm*5mm，用镊子夹住不同花青素浓度的滤材观察滤材颜色的变化，实验结果显示在280mg/l和140mg/l浓度花青素溶液中浸泡、烘干的滤材在不同的PH值的溶液中变色明显，基本的趋势如下：

3.6 花青素口罩佩戴实验

佩戴在浓度为140mg/l花青素溶液中处理的口罩12小时，观察颜色变化，人呼吸产能的CO2和水气在口罩相对密闭的环境中产生的微量碳酸形成弱酸性，实验结果变色类似于6.5PH值的实验。通过图1比色卡，可以看出我们用过的花青素改性口罩的颜色变化，从而鉴别口罩是否污染，及时更换。

4 社会效益和经济效益

由于花青素在医药保健领域的应用，花青素的提取已经实现工业化，根据西安瑞林生物技术有限公司的报价，含量25%花青素粉末的市场价格每公斤在700元左右。 浓度为140mg/l的花青素溶液浸泡滤材，每升能浸泡5平方熔喷白布滤材，口罩用量是100mm*120mm，每平方能做83个口罩计算，由此计算到每平方熔喷滤材上的成本在0.08元，计算到每个口罩上几乎可以忽略不计。由此可以解决一次性口罩使用时效性的问题，提高使用的效率，既可以避免提前遗弃造成的浪费，也可以提醒佩戴者及时更换，避免已污染口罩的二次污染。批量生产时可以考虑用丝网印刷、3D打印或者是浸泡低温鼓风烘道工艺来解决量产的问题。

5 结语

本研究采用花青素浓度和PH值双变量的变色反应，和实验者佩戴添加不同含量花青素滤材的口罩1 2小时后的变色对比，280mg/l和140mg/l浓度中处理的滤材在PH6.5溶液中的变色和佩戴同种浓度花青素滤材的口罩12小时后的变色基本一致，紫甘薯中花青素类化合物可以在口罩材料上应用。

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