洗护市场消毒技术原理与应用

张天翼

(威莱（广州）日用品有限公司, 广州，510931)

统计数据显示，自2015年以来，中国消毒剂市场年产值一直以6%以上的速度快速平稳增长。虽然2019年由于环保压力，消毒剂市场受上游化工行业景气指数下滑的影响，增速有所放缓，但2020年在新冠疫情的刺激下，消毒剂市场需求重新旺盛，销售额飞速上涨。由于WHO关于新冠病毒可能长期存续的推断，此次疫情不仅会短期拉动消毒灭菌产品市场产的快速增长，也会进一步培育全社会的消毒灭菌产品的长期使用习惯，推动消杀行业的长期稳定发展。

新冠疫情以来，人们对周边环境中微生物污染和疾病感染风险的担忧与日俱增，公众越来越多地使用灭菌剂和消毒剂来阻断疾病传播，控制微生物感染，维护公共卫生安全。本文综述了目前七大类广泛使用的灭菌剂和消毒剂，简述相关作用机制，并尽可能将现有知识与实际应用联系起来。值得注意的是，这些灭菌剂和消毒剂可以单独使用，也可以组合使用。在多种产品中，抗菌活性受许多因素影响，如配方协同增效、配方拮抗效应，有机负载物的存在、温度，环境pH等，限于篇幅，本文不便一一赘述。消毒剂分类见表1。

表1 消毒剂的简单分类

“消杀产品”作为一个通用术语，通常指一种广谱的使微生物失活的化学药剂。由于这个定义范围很广，本文根据市场习惯介绍一些更具体的术语的定义，包括：“抑菌剂”指抑制微生物生长的药剂；“抗生素”被定义为天然存在或合成的有机物质，通常在低浓度下选择性抑制或破坏细菌或其他微生物；“灭菌剂”是破坏或抑制活微生物生长的产品，可以杀灭芽孢；“消毒剂”是类似的产品，不过不能杀灭芽孢。

无论微生物细胞（或实体）的类型是什么，灭菌消毒的过程都可以总结为一个类似的事件序列。可以设想为灭菌剂或消毒剂与细胞表面的相互作用，然后渗透到细胞中并在靶点起作用。细胞的表面性质和组成因细胞类型（或实体）而异，也可能因环境变化而改变。细胞表面的相互作用也会对细胞活力产生显著影响（如戊二醛），但大多数灭菌剂或消毒剂在细胞内都具有一定活性。因此，微生物细胞的最外层会对其对灭菌剂或消毒剂的敏感性产生重大影响；大多数灭菌剂或消毒剂的活性增强可通过配合使用各种添加剂来实现。

本文将灭菌剂和消毒剂依据杀菌机制大致分为氧化型和非氧化型两大类。前者主要被视为细胞破坏性消杀产品，后者通常被视为细胞凝固或破膜类消杀产品。

1 氧化类消毒剂

氧化类消毒剂目前在市场上应用极为广泛，主要包括两大类：①卤素及其衍生物，因为物美价廉而在公共环境消毒中得以应用，如二氧化氯、次氯酸钠和聚维酮碘；②过氧化物，由于反应副产物环保健康安全的特性推动了其在医疗体系中的广泛应用，经典的代表有两个，过氧化氢和过氧乙酸。

氧化类消毒剂通常在微生物中的作用机制如下：①作用于DNA或RNA。氧化类消毒剂通过形成高活性的含氧自由基直接破坏DNA或RNA链，攻击嘌呤、嘧啶、核糖或脱氧核糖的磷酸骨架，如攻击胸腺嘧啶将其氧化为胸腺嘧啶乙二醇。②作用于蛋白质或氨基酸中的肽键。氧化类消毒剂还可作用于肽键，氧化断裂导致蛋白质结构变形，功能破坏，当细胞内的酶的结构被破坏失活时尤其致命。③作用于脂质。氧化类消毒剂可以将脂质氧化断裂成更小的脂肪酸，带双键结构的不饱和脂肪酸更容易受到攻击，过氧化过程中产生的自由基，引发进一步的链式反应，使情况进一步恶化。最终当细胞壁和细胞膜失去弹性变硬时，细胞破裂，细胞内容物外泄。

1.1 含氯消毒剂

常见的含氯消毒剂通常包括次氯酸钠、二氧化氯和氮氯化合物（如二氯异氰尿酸钠、氯胺T等）。最广为人知便是次氯酸钠溶液，广泛用于硬表面消毒（家用漂白剂），也可用于消毒含有HIV或HBV的血液污染物[1]。二氯异氰尿酸钠也可用于此目的，并且具有提供更高浓度的有效氯和不易被有机物灭活的优点。二氧化氯作为被世界卫生组织(WHO)推荐的消毒剂，具有广谱、高效、安全和快速等优点,但存在不稳定的缺点。除去用作硬表面消毒剂，新型酸化亚氯酸钠（亚氯酸钠和扁桃酸复配体系）是一种有效的防腐剂。

尽管含氯消毒剂已被广泛研究，但其实际作用机制尚不完全清楚。通常认为高氧化活性的含氯消毒剂会破坏蛋白质的细胞活性；在低pH下，含氯消毒剂的活性高，氧化作用强，此时以非离子化形态存在含氯消毒剂具有更优异的细胞外膜渗透能力。因此，次氯酸一直被认为是含氯消毒剂活性组分[2]。

更进一步的实验发现，次氯酸在低浓度时不会引起细菌膜损伤或严重的蛋白质变性，反而将细菌的DNA作为主要攻击对象，氧化生成核苷酸碱基的氯代衍生物，同时破坏氧化磷酸化等细胞膜相关的活动[3]。

与次氯酸杀菌机制不同的是，二氧化氯对细胞壁有很强的吸附穿透能力，可以氧化细胞内蛋白质上的巯基，抑制微生物蛋白质合成，从而达到灭杀效果。

含氯消毒剂在较高浓度下（取决于pH和有效氯的浓度）可以增加芽孢的渗透性，最终引发芽孢裂解，从而灭杀芽孢。

通常认为含氯消毒剂可以破坏病毒衣壳，因而具有相当的杀病毒活性，因此新冠疫情期间广泛应用于公共场所消毒。

1.2 过氧化物

过氧化氢灭菌机制见图1。

图1 过氧化氢灭菌机制

过氧化氢（H2O2）是一种广泛用于消毒、灭菌和防腐的灭菌剂，外观是一种透明无色的液体，市售浓度为3%～90%。H2O2最显著的优点是环保，能迅速降解成无害的水和氧。虽然H2O2纯溶液通常是稳定的，但大多数都含有防止分解的稳定剂。H2O2对病毒、细菌、酵母菌和细菌孢子具有广谱功效，一般来说，对革兰氏阳性细菌的活性高于革兰氏阴性细菌；需要留意的是，很多细菌内存在过氧化氢酶或其他过氧化物酶可以增加对低浓度H2O2耐受性。灭杀芽孢通常需要较高浓度的H2O2（10%～30%）和较长的接触时间，尤其在气相中效用显著。H2O2通过产生羟基自由基（•OH），攻击细胞的脂质、蛋白质和DNA中暴露的巯基和双键[4]。

与H2O2类似，过氧乙酸（PAA，CH3COOOH）可以破坏巯基（—SH）或二硫键（S-S）使蛋白质和酶变性，增加细胞壁通透性，从而达到灭菌效果。PAA可用于医疗器械灭菌，也可用于环境表面消毒，与过氧化氢相比有两大优势：①低浓度（0.3%）下便具有良好的灭杀芽孢、细菌、病毒和真菌的作用；②与H2O2不同，PAA不被过氧化物酶分解、可以在有机负载物存在下保持活性[4]。由于PAA是一种优异的低温液体灭菌剂，针对此次新冠疫情中低温冷链病毒呈阳性情况频发的问题，或许会是一种可行的解决方案，缺点是成本相对较高。

2 非氧化类消毒剂

非氧化类消毒剂包括醇类、双胍类、季铵盐类、酚类、醛类和环氧乙烷等。非氧化类消毒剂的作用机制通常是与微生物发生反应和交联所有成分使其凝结：①作用于DNA或RNA。烷基化剂（如环氧乙烷）通常作用于DNA或RNA分子并交联碱基结构，并进一步交叉连接相邻的核苷酸碱基，导致分子结构紊乱，于是DNA的复制和转录最终都被阻断。此外，如果DNA结构错误，DNA链会被细胞的自动修复机制破坏。②作用于蛋白质或氨基酸中的肽键。当醛类到达细胞表面时，会与各类氨基酸交联，尤其是含有氨基（—NH2）的赖氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺和精氨酸，最终导致蛋白质结构被破坏，进而引发核酸和脂质结构的紊乱。

2.1 醇类

尽管许多种低碳醇都已被证明有消毒效用，但真正应用广泛主要是乙醇、异丙醇和正丙醇（特别是在欧洲）。醇类对植物性细菌（包括分枝杆菌）、病毒和真菌具有快速广谱抗菌活性，虽然不能杀灭芽孢，却可以抑制芽孢形成和芽孢萌发（这种抑制作用是可逆的）。由于缺乏灭杀芽孢的能力，醇类不建议用作灭菌剂，可以广泛用于硬表面消毒剂和皮肤消毒剂，或用于增强其他消毒剂的活性。

许多醇类消毒剂通常与低浓度的其他不易挥发消毒剂（常见的是洗必泰）进行复配，可以在醇类蒸发后继续在皮肤上实现长效抑菌，亦或搭载成膜剂（制作成酒精凝胶）以减缓醇类的挥发速度来延长与微生物的接触时间，显著提升功效的持久性。

一般认为，异丙醇具有更大的亲脂性，对细菌更有效，而乙醇对病毒更有效。酒精的抗菌活性在浓度低于50%时显著降低，60%～80%范围内最佳，浓度为70%时具有抗分枝杆菌活性。之所以不能在80%或更高浓度下使用，是因为高浓度的酒精会导致细菌细胞壁凝结过度，反而阻止消毒剂进入细胞内部，而且酒精蒸发会带走水分，过高浓度的酒精溶液对皮肤刺激很大。

2.2 双胍类

洗必泰(氯己定；chlorohexidine)是使用极为广泛的消毒剂，特别是在手部清洁和口腔护理产品中。这主要是由于其广谱功效、对皮肤的高亲和性和低刺激性。然而洗必泰的活性极大地依赖于pH，并且在有机物存在的情况下活性大大降低。

在适当的浓度和pH下，带正电荷的洗必泰与带负电的细菌细胞壁或外膜快速结合，破坏膜电位，损伤细胞外层，但这还不足以引发细胞溶解死亡。洗必泰进一步通过被动扩散穿过细胞壁或外膜，随后攻击细胞质或内膜，损伤脆弱的半透膜后，细胞内成分泄漏，细菌暴裂死亡。由于正负电荷键合紧密，洗必泰与细胞有很强的结合力，因此与酒精的快速作用不同，洗必泰具有持久抑菌效果。高浓度的洗必泰同样会引起细胞内成分的凝固，导致渗漏减少[5-6]。

分枝杆菌通常对洗必泰高度耐药。洗必泰也不能灭杀芽孢。即使是高浓度的双胍也不会影响芽孢杆菌在常温下的活力，仅在高温芽孢结构损伤，双胍吸收增加的情况下，可以达到灭杀效果。同时洗必泰对细菌芽孢的萌发影响不大，但对芽孢的生长有抑制作用。

洗必泰被认为是一种特别弱的抗病毒药物，其活性仅限于脂包膜病毒（抗病毒机制研究认为其仅作用于病毒包膜和核酸），不能灭活非包膜病毒，如轮状病毒、甲型肝炎病毒或脊髓灰质炎病毒。值得一提的是，洗必泰对新冠病毒也不具备显著效用（表2）。

表2 洗必泰（氯己定）的适用范围及作用机制

聚合双胍在食品工业中已被用作一般消毒剂，并且非常成功地用于游泳池等公共场所的消毒。聚六亚甲基双胍（PHMB）是其中应用极为成功的例子（如vantocil）。vantocil对革兰氏阳/阴性菌均具有显著活性，但对铜绿假单胞菌和普通变形杆菌不太有效，且不能灭杀芽孢。

阳离子低聚物PHMB通常含有16个或以上双胍单元，每个双胍单元有2个阳离子基团，因此PHMB与纤维表面能形成多重吸附，结合强度很高。当其结构中的部分阳离子基团与织物表面结合后，剩余的游离阳离子基团可以起到良好的长效抗菌作用。聚合物本身的分子多分散性进一步确保了PHMB的广谱抗菌性能[7]。

消毒机制的研究认为PHMB是一种膜活性剂，会引起细胞质膜酸性磷脂结构域的形成，干扰一些与膜相关的酶的功能，最终损害细菌外膜的完整性和通透性，具体步骤如下：①带正电的PHMB迅速吸附到带负电荷的细菌细胞表面，对含磷酸盐的化合物具有强烈的特异性吸附；②细菌外膜的完整性受损，PHMB渗透到细菌细胞内膜；③PHMB与磷脂结合，内膜通透性增加，抑菌作用随之产生；④随后膜功能完全丧失，细胞内成分沉淀，实现杀菌作用[8]。

2.3 季铵盐类

以季铵盐为代表的阳离子消毒剂是目前市面上十分有效的消毒剂，除了具有抗菌性能外，还具有优良的硬表面清洁和除臭性能。

目前的研究结果公认季铵盐是膜反应剂，认为阳离子消毒剂作用于微生物的步骤如下所述：①带正电荷的季铵盐吸附和渗透到细胞壁；②与细胞质膜（脂质或蛋白质）反应并破坏膜的渗透性；③细胞内低分子量物质泄漏；④蛋白质和核酸被降解；⑤由细胞内自溶酶引发壁溶解[9]。至此，细菌的细胞质膜失去了结构和组织的完整性，细菌细胞被破坏。

季铵盐可以抑制芽孢的生长（从萌发的孢子中发育出营养细胞），但不抑制实际的萌发过程（从休眠状态发展到代谢活跃状态）。同样地，季铵盐不具有杀灭分枝杆菌的能力，但具有抑制分枝杆菌作用。季铵盐可以对脂包膜病毒（如HIV和HBV）起效，但对非包膜病毒没有效果（图2）。

图2 季铵盐的消毒机制

苯扎氯铵应当是市面上消毒产品中应用最广泛季铵盐消毒剂，尽管为大家熟知，在使用时仍有一些需要注意的要点：①pH=7.5～8.5时效果最好，活性随温度升高而加强；②不能与氯酚类共用；③由于细菌细胞表面空位竞争的原因，与碘类、钙镁离子都会产生拮抗；④蛋白质、糖类、脂类有机物会妨碍苯扎氯铵的细胞表面吸附效果；⑤会与包装内含有的聚乙烯增塑剂反应；⑥非离子表活在CMC以上生成的胶束会将季铵盐分子包裹入胶束，进入胶束的季铵盐分子不参与杀菌，因此当非离子表活浓度＞CMC时，增加季铵盐浓度无法成比例地增加体系的杀菌力；⑦pH＜3时细菌表面电位逆转，季铵盐无法在细菌细胞表面吸附，杀菌力急剧下降！

然而单链季铵盐仅仅是一种低效消毒剂，为了改善这一缺陷，长期广泛的市场应用推动了季铵盐体系的发展进步，双链季铵盐以及单双链复配季铵盐体系凭借以下优点逐步受到市场追捧（尤其欧洲市场）：①单链季铵盐的碳链在12～14[10]，双链季铵盐的碳链在8～10时，CMC值会低至具有优异消毒杀菌能力；②相对皮肤刺激性较强的苯扎氯铵，复合季铵盐体系仅有轻刺激性，属低毒，无致畸、无致敏、无亚急性毒性；③单双链季铵盐复配后，与钙镁竞争细菌表面空位能力成倍增加，抗硬水和有机物能力大幅增加；④双链季铵盐抵抗阴离子表活的能力相较于传统的单链季铵盐显著提高；⑤更优异的表面活性作用，聚集于菌体表面，通过静电力/氢键等与细胞的亲水基结合而产生室阻效应，导致细菌生长受抑影响新陈代谢。

随着季铵盐消毒剂的广泛使用，新一代聚合型季铵盐衍生物走入市场，其中影响较大两类分别是季铵化改性有机硅和季铵化改性壳聚糖，混合结构同时解决织物的抗皱免烫和长效抗菌难题：有机硅与壳聚糖均可以通过与棉纤维上的负电基团静电作用或同纤维素羟基缩水形成共价键来实现在织物表面的高效吸附成膜，良好的耐水洗性能保证其即使在低剂量下也足以提供足量的嫁接季铵链与带负电的细菌细胞壁/细胞膜牢固结合，改变膜的通透性，破坏细胞的膜电位和pH梯度，与金属离子产生螯合作用，影响细菌重要营养物质的摄入，产生溶胞作用，导致细胞内容物泄漏，最终暴裂死亡，起到很好的长效抑菌作用。

2.4 苯胺类

苯胺类化合物中研究的比较成熟的当属三氯卡班（TCC；3,4,4’-三氯卡班），主要用于肥皂和除臭剂[11]。TCC对革兰氏阳性菌特别有效，但对革兰氏阴性菌和真菌的活性明显降低，对皮肤缺乏明显的实质性（持久性）。苯胺类化合物被认为是通过吸附和破坏细胞质膜的半透膜特性，导致细胞死亡。

文献研究表明三氯卡班(TCC)有可能引发包括癌症、生殖功能障碍和发育异常等病症的诸多问题，同时对水生生物体具有潜在的高风险。因此美国食品药品管理局（FDA）要求含三氯生和三氯卡班的抗菌洗涤产品（包括液体、泡沫、手工香皂凝胶、肥皂和沐浴产品）不得进入市场。不过该规则只适用于消费者使用的水洗抗菌肥皂和沐浴产品，并不适用于抗菌洗手液或湿纸巾，也不适用于卫生保健机构如医院和疗养院使用的抗菌肥皂。

2.5 双酚类

三氯生（TCS; 2,4,4’-三氯-2’-羟基二苯醚）[12-14]对革兰氏阳性菌具有特殊的活性，同时其对革兰氏阴性菌和酵母菌的效用可通过与螯合剂（如EDTA，GLDA等）联合使用增加外膜的通透性而显著增强。三氯生的具体作用方式尚不清楚，有报道认为其主要作用是在细胞质膜上，亚抑制浓度的三氯生抑制必需营养素的吸收，而较高浓度则导致细胞成分的快速释放引发细胞死亡。同时二价离子和脂肪酸可能会吸附并限制三氯生对其作用部位的渗透性[15]。三氯生与上文所述的三氯卡班同样受到FDA的限制进入市场。

2.6 卤代苯酚

氯代二甲酚（4-氯-3,5-二甲基苯酚，PCMX）是消毒剂配方中十分常用的卤代苯酚，但铜绿假单胞菌和许多霉菌都对其具有很强的耐药性。尽管其广泛应用多年，其作用机制却很少被研究。由于它的酚类性质，预计会对微生物膜产生影响，引起K+流失，细胞膜受损，破坏选择渗透性引起细胞内成分的渐进性泄漏，高浓度下还能够引起细胞质成分的凝固，导致不可逆的细胞损伤[16]。

然而，对氯间二甲苯酚对鱼类有剧毒（而且是痕量剧毒，类比的话相当于砒霜对于人），所以禁止向任何自然水体包括河流、湖泊、海洋中排放，并且禁止在未知会本地污水处理厂的情况下，向下水道中排放，因此越来越多的商家开始广泛寻找合适的替代原料。

2.7 重金属离子

作为历史悠久的消毒剂，银及其化合物以这样或那样的形式长期以来一直被用在各类抗/抑菌产品中[17]。目前使用的重要的银化合物包括磺胺嘧啶银（AgSD）、醋酸银、硝酸银和银蛋白，它们都被列入了Extra pharmacopeia的Martindale（马丁代尔大药典）中。近年来，三星、小天鹅等厂商都先后推出了银离子抗菌洗衣机。

研究表明，Ag+抗菌的作用机制主要通过两大途径：①带正电的Ag+可以同吸附到带负电的细菌细胞壁/细胞膜上，与细胞质膜（脂质或蛋白质）反应并破坏膜电位，细胞膜的渗透性改变，细胞内容物泄漏死亡（图3a）。②Ag+渗透进入细菌/病毒细胞内部与蛋白质或酶的氨基酸中的巯基（—SH）结合引发失活。含巯基的氨基酸（如半胱氨酸）和其他含巯基的化合物（如巯基乙酸）等都是Ag+进攻的靶点。相反，含有二硫键（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+影响（图3b）。

图3 银离子消毒机制

3 小结

随着新型细菌病毒不断变异出现，新型灭菌剂和消毒剂的研发也不断推陈出新，并逐渐成为世界各国的战略性研究方向，全球消费者正逐渐习惯在日常生活中的各个环节使用消杀类产品。在消杀品类市场前景可期的明天，相信洗涤行业消杀品类会在保障大众身体健康、防范公共场所环境中的细菌病毒扩散风险方面作出越来越重要的贡献。