水性抗菌罩光油的制备及抗菌性能

李学强，潘微微，涂伟萍*，陈燕银

（1.品升商品检测（上海）有限公司广州分公司，广东 广州 510656；2.华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640）

水性抗菌罩光油的制备及抗菌性能

李学强1，潘微微1，涂伟萍2，*，陈燕银1

（1.品升商品检测（上海）有限公司广州分公司，广东 广州 510656；2.华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640）

以水性丙烯酸酯乳液为主要连结料，添加纳米二氧化钛抗菌剂复配成水性罩光油。参考日本JIS Z2801：2000标准，研究了纳米二氧化钛种类和用量对水性罩光油抗菌效果的影响。结果表明，TIO-WPR010（锐钛型纳米二氧化钛水性溶液）的抗菌效果优于TIO-NP100（氮掺杂纳米二氧化钛粉体）。当TIO-WPR010质量分数为0.7% ～ 0.9%时，所制备的水性抗菌罩光油经过48 h的抗菌试验，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率分别为91.84%和94.51%，能够满足白卡纸的抗菌要求。

水性罩光油；丙烯酸酯乳液；抗菌性能；最小抑菌浓度

First-author's address： Guangzhou Branch， TÜV SÜD Products Testing （Shanghai） Co.， Ltd.， Guangzhou 510656， China

罩光油又称为上光油，是一种用于印刷品表面涂布的无色透明涂料，可以改善和提高印刷品表面的性能［1］。目前，对罩光油的研究主要集中在探讨如何提高其物理性能方面，而较少关注其抗菌性能的提高。但是，近年来人们对印刷品的卫生性能要求越来越高，对易于交叉污染的流通纸制品提出应具有抗菌性能的要求。抗菌材料的核心成分是起到抑制细菌繁殖或杀灭细菌作用的抗菌剂。常用的抗菌剂可分为 3类：无机类、有机类和天然生物类。与有机类、天然生物类抗菌剂相比，无机类抗菌剂在安全性、持久性、抗菌谱的广度和耐热性等方面都存在优势［2-3］。银系无机抗菌剂在光照和受热等作用下，易变成棕色和黑色，限制了其在浅色制品的应用［4］；纳米TiO2以其活性高、热稳定性及耐热性好、持续时间长、安全性高和即效性好等特点，成为最受欢迎的无机抗菌剂。当前研究最多的是锐钛型纳米TiO2［5］。涂启梁等［6］研究了纳米TiO2喷液及其复合物在固体表面上的抑菌作用，发现纳米TiO2可以有效地杀灭细菌。张小宁等［7］制备出氮掺杂纳米TiO2的乳胶涂料，在自然光激发下，经8 h抗菌定量试验，其平均抗菌率为98.73%。但是，目前对比锐钛型纳米TiO2水性溶液和氮掺杂纳米TiO2粉体抗菌效果的研究鲜见报道。

本实验以自制的水性丙烯酸酯乳液为主要连结料，分别与锐钛型纳米二氧化钛水性溶液和氮掺杂纳米二氧化钛粉体复配成水性抗菌罩光油，研究了纳米TiO2不同添加量对其抗菌效果的影响，旨在探讨用于水性抗菌罩光油的抗菌剂的最佳添加比例。

1　实验

1. 1试剂与材料

水性丙烯酸酯乳液，实验室自制；TIO-WPR010（锐钛型纳米二氧化钛水性溶液，平均粒径≤10 nm，纯度＞99.5%）、TIO-NP100（氮掺杂纳米二氧化钛粉体，平均粒径≤10 nm，纯度＞99.5%），上海沪正纳米科技有限公司；消泡剂、增稠剂，深圳明佳科技有限公司；2%的羟乙基纤维素浆，梯希爱（上海）化成工业发展有限公司；金黄色葡萄球菌ATCC 6538P、大肠杆菌ATCC 8739和ATCC，The Global Bioresource Center美国菌种保藏中心；水解酪蛋白琼脂培养基 MH（Muller Hinton Agar），北京陆桥技术有限责任公司；标准琼脂培养基，实验室自制；营养肉汤（Nutrient Broth，NB）培养基、营养琼脂（Nutrient Agar，NA）培养基，BD碧迪医疗器械（上海）有限公司；苯乙烯（St）、丙烯酸丁酯（BA）和丙烯酸（AA），西陇化工股份有限公司；甲基丙烯酸甲酯（MMA）、过硫酸铵，天津大茂化学试剂厂；甲基丙烯酸羟丙酯（HPMA），阿拉丁化学有限公司；十二烷基硫酸钠、氨水、碳酸氢钠，广东光华化学有限公司；OP-10，天津科密欧化学试剂有限公司。

1. 2试验设备

十万级洁净度的阳性实验室；立式高压杀菌器CL-32L，日本ALP；生化培养箱LRH-250，上海一恒；电热恒温鼓风干燥箱DHG-9070A、水浴恒温箱EBK-4A，广东环凯微生物科技有限公司；微量移液管（1 ～ 10 µL）713111060000，DRAGON；智能恒温水浴锅ZKYY-21，巩义市予华仪器有限公司；增力电动搅拌器，上海标本模型厂。

1. 3水性丙烯酸酯乳液的制备

在装有搅拌器、回流冷凝器、温度计、滴液漏斗的四口烧瓶中加入适量的去离子水和乳化剂，温度控制在60 ～ 62 °C，开动搅拌使乳化剂全部溶于水。再加入1/3混合单体进行预乳化25 min，升温至75 °C，将1/4的引发剂溶液（引发剂配成5%的水溶液）加入四口烧瓶中，升温至80 °C反应30 min，开始滴加剩余单体（1.5 h 滴加完毕），每隔30 min 补加引发剂溶液。单体滴加结束后，在80 ～ 82 °C下保温30 min，升温至91 ～ 93 °C，反应30 min，使残余单体反应完全。降温至40°C，用氨水调节pH至8［8-9］。水性丙烯酸酯乳液的基础配方如下（以质量分数表示，下同）：

苯乙烯（St，单体）15% ～ 25%

丙烯酸丁酯（BA，单体）10% ～ 20%

甲基丙烯酸甲酯（MMA，单体）8% ～ 10%

丙烯酸（AA，单体）1% ～ 3%

甲基丙烯酸羟丙酯（HPMA，单体）0.2% ～ 2.0%

OP-10（乳化剂）1% ～ 3%

十二烷基硫酸钠（ SDS，乳化剂）0.5% ～ 2.0%

碳酸氢钠（缓冲剂）0.5%

过硫酸铵（引发剂）0.2%

去离子水余量

1. 4水性抗菌罩光油的制备

取定量的水性丙烯酸酯乳液和去离子水置于分散釜中混合，在高速搅拌（1 500 ～ 2 000 r/min）下加入定量的纳米二氧化钛水性溶液，分散10 ～ 30 min；中速搅拌（700 ～ 800 r/min）下加入定量的2%羟乙基纤维素浆，分散10 ～ 30 min；低速搅拌（100 ～ 200 r/min）下加入定量的消泡剂，分散10 ～ 30 min；最后将物料加入砂磨机并加定量的增稠剂，砂磨至合适细度，调节体系黏度至施工黏度，10 min后过滤、出料。而用氮掺杂纳米二氧化钛粉体共混复配成水性抗菌罩光油时，则需要加入定量分散剂0.5 ～ 1.0 g，同时用超声波分散处理［10］。水性抗菌罩光油基础配方如下：

水性丙烯酸酯乳液24% ～ 30%

TIO-WPR010（以纯纳米TiO2计）0.3% ～ 2.0%

消泡剂0.1% ～ 0.3%

增稠剂0.1% ～ 0.3%

2%羟乙基纤维素浆2% ～ 8%

去离子水余量

1. 5抗菌试验

首先，将水性抗菌罩光油按照施工工艺均匀涂布在50 mm × 50 mm × 3 mm玻璃板上，在常温下固化24 h，即得到水性抗菌罩光油涂膜，将该涂膜置于紫外灯下照射30 min。然后参考中华人民共和国卫生部2002年11月发布的《消毒技术规范》（2002年版）的最小抑菌浓度（Minimum Inhibitory Concentration，MIC）实验，分别采用琼脂法及肉汤法测定金黄色葡萄球菌和大肠杆菌埃希氏的MIC，从定性的角度分析水性抗菌罩光油是否具有抗菌性。其次，参考日本JIS Z2801：2000 Antimicrobial products—Test for antimicrobial activity and efficacy进行抗菌初步实验，接种的菌液与水性抗菌罩光油表面接触时间分别是12、24和48 h，从定量的角度分析TIO-WPR010（锐钛型纳米二氧化钛水性溶液）对水性罩光油抗菌效果的影响。最后，白卡纸模拟试验是将实验的载体由玻璃板改为白卡纸，以期得出水性抗菌罩光油在白卡纸上使用时的实际抗菌效果，因为高档包装盒、烟盒较多地使用白卡纸。

1. 5. 1MIC 预实验

1. 5. 1. 1琼脂稀释法

将抗菌剂含量为2%的水性抗菌罩光油稀释成不同浓度的受试液，置于45 ～ 50 °C水浴中，恒温备用；称取76 g MH琼脂培养基，溶于1 000 mL水中。加热至沸腾溶解后，于121 °C压力蒸气灭菌15 min，然后置于45 ～50 °C水浴中备用。分别取10 mL系列稀释的抗菌液加入平皿内。将在45 ～ 50 °C水浴中的双料MH琼脂培养基10 mL加入平皿内，边加边摇晃平板，使抗菌受试液和培养基充分混匀，待凝固后备用；用微量移液管取1 ～ 2 μL［含菌量约为107菌落形成单位/mL（Colony-Forming Units/mL，CFU/mL）］菌悬液点种于含抗菌液培养基的平皿，接种后所形成的菌液圈直径约5 ～ 8 mm（每个点菌量约为104CFU）。以同样方法接种不含抗菌受试液成分的MH琼脂平板，作为阳性对照。将接种后的平板放置在35 °C培养箱中，倒置培养18 ～ 24 h，观察结果［11］。阳性对照的结果须为细菌生长，否则需要重新选择不含抗菌剂的受试液。

1. 5. 1. 2营养肉汤稀释法

将水性抗菌罩光油用蒸馏水做对倍系列，稀释成不同浓度的受试液。取各稀释度受试液2.5 mL，加入到含2.5 mL双倍浓度营养肉汤的试管中；取0.1 mL含菌量约为108CFU/mL的菌悬液接种于含抗菌受试液的营养肉汤（Nutrient Broth，NB）的试管中，作为试验组样本；以同样方法接种不含抗菌受试液的营养肉汤的试管中，作为阳性对照组样本；取 2支仅含营养肉汤的试管作为阴性对照组样本；将试验组样本、阳性对照组样本及阴性对照组样本放置在37 °C的培养箱中，培养48 h，观察结果。试验中，参照日本JIS Z2801：2000标准，将试验用菌悬液进行活菌培养计数，其作用浓度应为5 × 105～ 5 × 106CFU/mL。阳性对照和阴性对照的结果须为细菌生长，否则需要重新选择不含抗菌剂的受试液。

1. 5. 2抗菌初步实验

3片50 mm × 50 mm大小的样片，对照片6片；挑取斜面上培养的菌落接种于用1/500 NB（即1份溶质配500份溶液）浓度的稀释液中制成（2.5 ～ 10） × 105个/mL的菌液，取0.4 mL，接种；用脱脂棉花沾上酒精轻轻擦上述试验片2 ～ 3次，充分干燥；取40 mm × 40 mm膜覆盖于接种的菌液上，小心压膜，以便试验菌液散开；用镊子将覆盖膜和实验片放入无菌袋中，加入10 mL SCDLP（Soya Casein Digest Lecithin Polysorbate Broth，即大豆酪蛋白消化卵磷脂聚氧乙烯油酸山梨醇酯）肉汤，用手充分揉搓袋中的试验片和覆盖膜洗脱；平板计数。抗菌活性值R计算如式（1）。式中，Ut为未加工试验片接种后培养12、24和48 h后测得的活菌数平均数，At为抗菌加工试验片接种后培养12、24和48 h后测得的活菌数平均值。实验成立条件的判定，只有同时满足如下3项实验条件时，才被判定为有效，否则需再次进行实验。

（1） 未进行抗菌处理的样片接种后直接测得的活菌数对数值应该满足式（2）。

式中，Lmax为活菌数的最大对数值，Lmin为活菌数的最小对数值，Lmean为3个试片活菌数对数的平均值。

（2） 未处理的样片接种后直接测得的活菌平均值应在1.0 × 105～ 4.0 × 105CFU/样片范围内。（3） 无加工测试片在12、24和48 h的活菌数，3片个值都在1.0 × 103CFU/样片以上。

1. 5. 3白卡纸模拟实验

仅将实验的载体由玻璃板改成用未涂布罩光油的白卡纸 ，其他步骤同1.5.2。

2　结果与讨论

2. 1MIC对抗菌初步实验的影响

最小抑菌浓度是测量抗菌药物的抗菌活性的一个指标，指在体外培养细菌18 ～ 24 h后能抑制培养基内病原菌生长的最低药物浓度［11］。因为考虑到评价方法的再现性以及水性抗菌罩光油所使用的环境，所以选用比较有代表性的革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌。再者，金黄色葡萄球菌ATCC 6538P、大肠杆菌ATCC 8739也是日本JIS Z2801：2000推荐的菌种，统一检测的菌种有利于分析、比较不同实验阶段的结果。

营养肉汤稀释法和琼脂稀释法各有优缺点，笔者认为两种方法一起做可以起到优势互补、相互印证的作用。肉汤法操作便捷、结果敏感、重现性好，但样品最小抑菌浓度需要通过溶解性（是否浑浊）进行判断，易造成主观误差；琼脂稀释法则没有此缺点，但要求实验人员技术娴熟，否则琼脂容易凝固，导致抗菌剂分散或凝固，从而影响抗菌效果［12］。而采用规范规定的方法，可能会得出不同的试验结果。造成不同方法结果差异的重要原因是所选的方法是否反映样品的实际使用效果。

MIC预试验结果如下：琼脂稀释法，金黄色葡萄球菌0.4%，大肠杆菌0.3%；肉汤稀释法，金黄色葡萄球菌0.5%，大肠杆菌0.3%。试验结果表明，水性抗菌罩光油所配制的琼脂稀释液和肉汤稀释液对金黄色葡萄球菌和埃希氏大肠杆菌均有抑制作用；而且TIO-WPR010（锐钛型纳米二氧化钛水性溶液）和TIO-NP100（氮掺杂纳米二氧化钛粉体）最小抑菌浓度一致，金黄色葡萄球菌在0.40% ～ 0.50%，而大肠杆菌则在0.30%内。以下阶段抗菌初步实验的浓度范围设计，理应参考和依据以上的数据，而且必须涵盖有效抑菌浓度。

图1为金黄色葡萄球菌和大肠埃希氏菌的琼脂平板试验照片。如图1所示，平板中的单菌落可见纯种，没有其他外源的污染，而且平行实验证明，本实验的空白对照的重复性是16%。根据SN/T 1800-2006《食品和动物饲料微生物学30 °C菌落计数方法》标准，微生物测试结果的重复性在±43%被认为可接受。可见，实验受到外界因素的影响相对较少。因此，可以证明实验过程操作规范，实验结果可靠、有效。

图1　金黄色葡萄球菌和埃希氏大肠杆菌实验平板照片Figure 1　Photos of experimental plate using Staphylococcus aureus and Escherichia coli编者注：图1原为彩色，请见C1页。

2. 2 不同用量的TIO-WPR010和TIO-NP100对抗菌效果的影响

图2a、2b为不同质量分数的TIO-WPR010和TIO-NP100对于金黄色葡萄球菌（SA）和埃希氏大肠杆菌（EC）在培养12、24和48 h后的抗菌效果。由图2a可见，当TIO-WRP010的质量分数分别达到0.7%和0.6%时，其3个时间段的抗菌率均超过90%，表明抗菌效果良好，而且继续增加抗菌剂质量分数，其效果稳定。由图2b可见，对于TIO-NP100共混复配制备的水性抗菌罩光油，达到最高抗菌率点前后，抗菌效果波动较大。其主要原因是TIO-WPR010较好地解决了二氧化钛的溶解和分散问题。TIO-NP100的质量分数低于最高抗菌率点时，随着用量的增加，各种有效杀菌基团（活性羟基、超氧离子、过羟基和双氧水）的浓度也增加，抗菌率相应提高；当TIO-NP100的初始质量分数高于最高抗菌率点时，由于二氧化钛粉体质量分数高时容易发生“团聚”。一方面，二氧化钛与细菌实际接触面减少；另一方面，体系的透光率下降，使得溶液内部的TiO2粉末光激发效率下降，因而抗菌率逐渐降低。综上所述，含TIO-WPR010的罩光油的抗菌性能优于含TIO-NP100的罩光油。

图2　含不同用量的TIO-WPR010 和TIO-NP100 的罩光油对金黄色葡萄球菌和埃希氏大肠杆菌的抗菌率Figure 2　Antibacterial rate of varnish with different mass fractions of TIO-WPR010 and TIO-NP100 to Staphylococcus aureus and Escherichia coli

另外，实验结果显示，相同抗菌剂质量分数下，大肠杆菌抗菌率明显高于金黄色葡萄球菌；也就意味着，要达到相同的抗菌效果，用于杀灭大肠杆菌的纳米二氧化钛的使用量更少，跟预实验MIC的结果吻合。

此外，对于相同质量分数的TIO-WPR010来说，试片接种后培养不同时间其抗菌罩光油对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率大小依次为：48 h ＞ 12 h ＞ 24 h。这是因为纳米TiO2经过光催化后产生的抗菌自由基与细菌接触后，对体系中的大部分细菌产生杀菌作用，并且使体系中的细菌在一个新的相对恶劣的环境下，其生长曲线的对数增长期会往后推移，甚至在其生长过程中被杀死。因此，12 h抗菌率较高；而12 h到24 h期间，原来未被杀死的细菌对纳米TiO2的抗菌自由基耐受力提高了，适应了新的相对恶劣的生存环境，而且存活下来的细菌都是相对顽强的，并开始按照对数生长繁殖。故抗菌率12 h ＞ 24 h，即24 h的抗菌率比12 h低；然而，随着时间的推移及最初的积累，抗菌自由基开始抑制顽强细菌的繁殖，直至把它们杀死。所以，48 h的抗菌率最高。

2. 3白卡纸对抗菌效果的影响

选择TIO-WRP010制备水性抗菌罩光油，白卡纸涂布水性抗菌罩光油前后的照片见图3。从图3可以看出，涂布了水性抗菌罩光油的白卡纸光泽度较高。

图3　白卡纸涂布水性抗菌罩光油前后的外观Figure 3　Appearance of white cardboards before and after coating water-based antibacterial varnish编者注：图3原为彩色，请见C1页。

图4是以不同含量TIO-WRP010制备的水性罩光油的白卡纸模拟试验结果。可以看出，在白卡纸载体上，TIO-WPR010的用量对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效果与初步实验类似，均有抗菌效果。差异点有：

（1） 用白卡纸，48 h的抗菌率拐点（第1个出现高于90%抗菌率的点）往后推移。对于金黄色葡萄球菌，当TIO-WPR010质量分数为0.9%时，水性罩光油在接种培养48 h的抗菌率是90.13%，而初步实验（玻璃板为基材）则是TIO-WPR010质量分数为0.6%时，48 h的抗菌率为91.84%；对于大肠埃希氏菌，当TIO-WPR010质量分数为0.7%，48 h的抗菌率最高为94.51%，而初步实验则是其质量分数为0.5%时，48 h的抗菌率为91.08%。

（2） 白卡纸24 h的抗菌率比玻璃板略低。分析认为，白卡纸与玻璃板的结构差异是导致上述结果的主要原因。通常白卡纸由三层浆组成，面层、芯层、底层都使用漂硫酸盐木浆，致密程度比玻璃差，所接种的菌液会通过毛细作用进入芯层并进行繁殖。所以纳米TiO2经过光催化后产生抗菌自由基最初只能够消灭面层的细菌，要杀死进入芯层的细菌，理论上需要更高浓度的TIO-WPR010和更长的接触时间。

图4　TIO-WPR010质量分数对白卡纸抗菌效果的影响Figure 4　Effect of mass fraction of TIO-WPR010 on antibacterial effect of white cardboard

3　结论

以水性丙烯酸酯乳液为主要连结料，添加TIO-WPR010（锐钛型纳米二氧化钛水性溶液）和TIO-NP100（氮掺杂纳米二氧化钛粉体）复配成水性罩光油。结果表明，含TIO-WPR010的罩光油的抗菌效果优于含TIO-NP100的罩光油；当TIO-WPR010质量分数为0.7% ～ 0.9%时，所制备的水性罩光油具有环保、光泽性高、48 h的抗菌率稳定（对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率分别为91.84%和94.51%）等特点，能够满足白卡纸的抗菌要求。

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［ 编辑：韦凤仙 ］

Preparation of water-based antibacterial varnish and its antibacterial performance

// LI Xue-qiang， PAN Wei-wei，TU Wei-ping*， CHEN Yan-yin

A water-based antibacterial varnish was prepared with water-based acrylic emulsion as main binder and nano-TiO2as antibacterial agent. The effects of type and dosage of nano-TiO2on antibacterial effect of the water-based varnish were studied according to the JIS Z2801：2000 published by Japanese Standards Association. The results indicated that the antibacterial effect of TIO-WPR010 （an anatase-type water-based nano-TiO2solution） is superior to that of the TIO-NP100 （a N-doped nano-TiO2powder）. When the mass fraction of TIO-WPR010 is in range of 0.7%-0.9%， the antibacterial rates of the prepared water-based antibacterial varnish after antibacterial test for 48 h to Staphylococcus aureus and Escherichia coli are 91.84% and 94.51%， respectively， meeting the antibacterial requirement of white cardboard.

water-based varnish； acrylate emulsion； antibacterial property； minimum inhibitory concentration

TQ631.2

A

1004 - 227X （2015） 06 - 0308 - 06

2014-11-11

2015-01-04

李学强（1978-），男，广东广州人，化学工程硕士，现任TÜV SÜD大中华集团食品、健康与美护事业部经理，研究方向是精细化工产品开发与检测，广东工业大学秋季MBA在读。

涂伟萍，教授，博导，（E-mail） cewptu@scut.edu.cn。