抗菌皮革的制备及抗菌性能评价

胡昆 杨岚 苏辉 刘煜 黄蕊慰

（广东省惠州市质量计量监督检测所，广东 惠州 516003）

引言

皮革主要包括天然革和人造革，天然革源于各类动物生皮，因其本身含有丰富的蛋白质、脂肪等营养物质，且拥有多孔结构及极性结构的皮革极易吸收水分及空气中的营养物质，从而滋生各类微生物。在皮革生产加工过程中，还会使用加脂剂、涂饰剂、填充剂等各类富含营养的助剂，使得天然革制品极易发生腐败。人造革则是在棉布基、合成纤维基和纤维基上，添加各种聚氨酯和聚氯乙烯等配方发泡或覆膜制作而成的仿真皮革制品。人造革的优点是物美价廉、质地柔软，且色泽，强度等物理特性更为均匀一致，其防风性、防水性均优于天然革，因此用途十分广泛。但跟天然革相比，人造革的透气性和耐磨性较差，较差的透气性会导致人在于其接触时更易产生汗液，从而导致各类菌群的生长。滋生微生物的皮革不仅会影响美观，造成皮革本身及其制品的腐烂，缩短使用寿命，还会传播各类由微生物导致的疾病。因此，无论是天然革还是人造革，皮革的抗菌性能开发则显得迫切且重要，抗菌皮革及其制品的发展对增加相应产品的耐用性以及人类的生活健康具有重要意义。

1. 抗菌皮革的制备方式

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，需要在制革过程中加入抗菌剂或抗菌成分，并使之与皮革发生物理连接或化学结合作用，也可以采用喷洒或浸泡等的方法将抗菌剂添加至成品革中而赋予皮革抗菌特性。因抗菌剂或抗菌成分与皮革结合方式或结合阶段的不同，将抗菌皮革的制备方式进行以下分类。

1.1 在制革湿加工阶段添加抗菌剂

此制革湿加工阶段主要是指在鞣制工段、鞣后湿处理工段，在这过程中加入相应的抗菌剂或抗菌成分使皮革具有抗菌性能。温州大学研究人员[1]发明了一种抗菌型超支化聚合物皮革复鞣剂，利用六亚甲基二异氰酸酯三聚体对含有亚氨基的抗菌剂环丙沙星进行改性，制得NCO 封端，以季戊四醇为核，用抗菌剂、季戊四醇、异氰酸酯对其进行扩链，最后用2,2 二羟甲基丙酸进行封端，得到抗菌复鞣剂。此复鞣剂在保持良好复鞣性能的前提下，以共价键的形式引入抗菌剂，可赋予复鞣剂持久稳定的抗菌特性。SU 等[2]采用原位法制备了聚二甲基二烯丙基氯化铵-甲基丙烯酸/镀银氧化锌复合材料〔（DMDAAC-MAA）/Ag/ZnO〕，在皮革复鞣过程中加入制备得到的复合材料，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]将具有抗菌性的氧化锌纳米颗粒与不同链长的石蜡发生乳化反应，制得加脂剂。用不同配比的纳米氧化锌与石蜡的乳化液对铬鞣家具革乳化加脂处理，根据ASTM 标准E 2149-2001《在动态接触条件下固定抗菌剂抗菌活性测定的标准试验方法》对成品革的抗菌性能进行了测试，结果显示处理过的皮革微生物减少量＞95%。李伏益等[4]利用椰子油、聚乙二醇－400、顺丁烯二酸酐和偏重亚硫酸钠合成了一种具有抗菌防霉作用的加脂剂。其研究结果表明：在椰子油:聚乙二醇-400 摩尔比为1:2，醇解产物与顺丁烯二酸酐摩尔比1:0.7 的条件下合成的椰子油加脂剂具有较好的抗菌效果，用振荡法测试其抑菌率可达85.2%，晕圈法测试可见明显的抑菌透明圈，抑菌圈直径为31.50 mm，当偏重亚硫酸钠用量是油脂质量的25%时，加脂剂仍具有较好的加脂效果且抗菌保持效果不变。

1.2 在涂饰工段添加抗菌剂

皮革涂饰剂用于涂饰皮革表面，可保护并提高皮革美观性的一类皮革助剂的统称，它主要由成膜物质、着色材料、溶剂及助剂按照一定比例配制而成，其中的成膜物质是皮革涂饰剂的基础。皮革涂饰剂不仅可以保护皮革和增加美观度，还可延长皮革耐用时间。因为涂饰剂作用于皮革表面，在涂饰阶段加入抗菌剂或抗菌成分的相关研究最为常见，将抗菌剂或抗菌成分与涂饰剂共混制备成具有抗菌性能的复合膜，使得皮革具有抗菌性能。N.Lkhagvajav 等[5]利用纳米银（nAg）对皮革进行涂层，并采用定性（琼脂覆盖法）和定量（琼脂覆盖法）对皮革材料表面nAg 涂层抗菌性能进行评价，测试菌株为大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌及黑曲霉。定性试验结果表明，当nAg 涂层含量在20 g/cm2以上时可有效抑制四种菌株的生长。定量测试结果则表明，经nAg涂层含量为20 g/cm2处理后的皮革样品对大肠杆菌的抗菌率为99.25%。当nAg 浓度为10 g/cm2时，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.91%。徐群娜等[6]将己内酰胺（CPL）改性酪素（CA）（简写为CPL-CA）、壳聚糖（CS）及植酸（PA）生物质材料作为原料，加入无机组分氢氧化镁（MH），采用层层组装（LBL）的方法对皮革进行涂层。选用抑菌圈法对进行涂层处理后的皮革进行了抗菌测试，结果表明，CS 的引入使得涂层具有抗菌性能，当CS 溶液质量分数为1.0%，浸渍3 层时，抑菌圈直径（d）为3.7cm，抑菌效果最好。FAN 等[7]利用配体辅助重结晶法制备了Cs2AgBiBr6纳米晶，然后通过层层喷涂的方式制得了PU/SiO2/（Cs2AgBiBr6/TiO2）5纳米复合涂层。结果表明，经PU/SiO2/（Cs2AgBiBr6/TiO2）5涂饰后皮革对金黄色葡萄球菌具有明显抗菌作用。

1.3 物理共混添加抗菌剂

直接混合法是指将商用或制备的抗菌剂主要通过浸泡、喷洒等方式直接与高分子材料相混合，制成各种抗菌塑料、纺织品、皮革。王旭等[8]采用原子转移自由基聚合法在TiO2纳米粒子表面接枝丙烯酸酯类聚合物，并对其进行季铵化处理得到聚合物季铵盐，最后通过浸泡后干燥的方式将改性后的纳米粒子负载在皮革表面。经检测负载改性TiO2纳米粒子的皮革具有优异的抗细菌性能。改性后的皮革与一定浓度的菌液直接接触6 h 后，对于金黄色葡萄球菌的抑制率可达到99.99%。

王瑶等[9]制得一种纳米银复合抗菌剂，并将质量浓度为2.4×10-5g/mL 的纳米银复合抗菌剂通过高压喷淋的方式将其添加到皮革上，制备得到抗菌皮革。以金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、粘性红圆酵母及黑曲霉作为测试菌株，采用抑菌圈法和抑菌率法对其抗菌性能进行评价，同时用人工汗液洗涤处理抗菌皮革，以此来考察抗菌皮革的抗菌持久性。研究结果表明此抗菌皮革样对4种试验菌株的抑菌圈宽度分别大于35 mm（汗洗前）和大于28 mm（汗洗后），平均抑菌率大于分别大于90%（汗洗前）和大于70%（汗洗后），说明此法制得的抗菌皮革具有一定的抗菌性及抗菌持久性。

三种主要抗菌皮革制备方式比较详见表1。

表1 抗菌皮革制备方式的比较Table 1 Comparison of preparation methods of antimicrobial leather

2. 皮革中常用的抗菌剂

皮革及其制品上常用的抗菌防腐剂主要分为四大类，包括天然抗菌剂、无机抗菌剂、有机抗菌剂及复合抗菌剂。

2.1 天然抗菌剂

天然抗菌剂可从自然界的动物、植物或矿物质中提取得来，也可通过微生物发酵产生。天然抗菌剂赋予皮革抗菌性能的同时，在生产和应用过程中对生态环境和人类健康产生的影响也较小。源于动物的抗菌剂主要有壳聚糖和鱼精蛋白等，其中壳聚糖主要是从节肢动物如螃蟹或虾的外壳中提取得来，因其相对易于提取，壳聚糖是目前研究较为广泛的天然抗菌剂[10]。

目前关于其抗菌机理尚未完全明确，有研究表明壳聚糖上氨基的存在使其带正电荷，可以与带负电的细菌细胞膜之间发生静电相互作用而结合，以改变细胞膜通透性，进而使细胞内物质外流导致细胞死亡[11-13]。也有研究表明，壳聚糖可以渗入到细胞内部扰乱细菌微生物的正常生理活动，并影响细胞的DNA 表达[14]。

壳聚糖本身具有良好的抗菌作用，但壳聚糖分子中存在较强的氢键，使得其仅溶于pH＜6 的酸性环境中，此特性限制了壳聚糖在中性和生理环境下的应用[13]。因此研究人员对壳聚糖分子内具有游离的羟基和氨基进行化学改性，如将它羧甲基化、季铵盐化、磺酸化后，改性后得到的壳聚糖衍生物不仅具有更优的水溶性，且抗菌活性更强[15]。罗泉清等[16]用聚乙二醇对壳聚糖进行化学改性，通过酰化反应成功合成了聚乙二醇-接枝-壳聚糖聚合物（PEG-g-CS）。PEG-g-CS 具有良好的水溶性，且可以作为水性涂层对皮革进行抗菌处理。结果表明，PEG-g-CS 相较于单一的壳聚糖具有更强的抗菌性能（CS 的最小抑菌浓度为31.25 mg•mL-1，PEG-g-CS的最小抑菌浓度为1.56 mg•mL-1）。

2.2 无机抗菌剂

无机抗菌剂成分稳定，易于获取，且具有广谱抗菌性能，因此广泛用于各类材料，应用于皮革的主要有金属抗菌剂、光催化型抗菌剂等[17]。因银、铜、锌等金属离子对人体毒副作用相对较小，因此，近年来被广泛应用于皮制品的抗菌研究。在金属纳米颗粒中，以最常见的纳米银为例，纳米银的抗菌机理目前也尚未形成一致意见，有研究人员[18]指出纳米银可穿透细菌外膜并在内膜积累，纳米银黏附后损伤细胞导致微生物细胞膜的渗透性增加，细胞因内容物渗出而死亡。Quinteros M 等[19]则提出纳米银进入细菌后，可与细胞中的含硫和磷基团发生相互作用，进而进入细胞内部改变细胞内部的遗传物质、蛋白质结构及功能，同时纳米银也可与细胞中酶的巯基发生相互作用，在内膜中形成链活性氧（ROS）和自由基，影响细胞膜的呼吸功能，最后导致细胞死亡。虽然银等金属离子具有优异的抗菌性能，但单独的金属盐类不稳定且易分解，常常需要将金属离子固定在不同的载体上增加其稳定性。包括载体和相应的抗菌活性成分的金属抗菌剂，可通过物理吸附、离子交换、络合-被覆等方式结合得到，例如将银、铜、锌等对应的金属氧化物和金属离子固定在无机载体材料上。

目前，常见的无机载体材料主要包括沸石系、硅胶系、磷酸钙系、磷酸锆系以及硅酸盐系等[20]。Kaygusuz M 等[21]将纳米Ag-TiO2涂层在皮革表面，并测试经nAg-TiO2涂层处理的皮革对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌和黑曲霉的抑菌性能。定性测试结果表明，在皮革样品上添加2%及以上浓度的nAg-TiO2可抑制这四种微生物的生长。此外，定量测试结果表明，5% nAg-TiO2处理的皮革样品对大肠杆菌的抑菌活性最高，抑菌率为93.50%，而2%的nAg-TiO2处理的皮革样品对金黄色葡萄球菌的抑菌率可达99.99%。

光催化型无机抗菌剂是一类能被光子激活的半导体氧化物，禁带宽度都属于N 型，如TiO2、ZnO、SiO2等。其中，TiO2是光催化抗菌剂的研究热点。光催化型抗菌剂的优点是无毒、无特殊气味且无刺激性，具有强耐热性，但其必须在紫外光照射和有氧气或水存在的条件下才能发挥杀菌作用[22]。光催化抗菌剂可通过吸收外界的光电子能量等途径来激发吸附在材料表面的空气或水中的氧气，形成具有强还原氧化能力的活性氧中心（O2-）和羟自由基（•OH），以破坏细菌细胞的繁殖能力并影响微生物正常的生命活动，从而起到抑制、杀灭微生物的作用[23]。马建中等[24]发明了一种二氧化硅负载壳聚糖改性水性聚氨酯丙烯酸酯复合乳液，该复合乳液使壳聚糖可以持续释放达到长效抗菌的效果。

2.3 有机抗菌剂

有机抗菌剂因其在杀菌性强，具有抗菌广谱性且成本较低市场占主体地位，主要包括有机酸、有机醇、酚等物质。使用较广的有季铵盐类、季铵盐衍生物（季铵盐类衍生物包括单链季铵盐、双链季铵盐、双季铵盐、聚合季铵盐、混合季铵盐以及一些新型的季铵盐[25]）、卤胺类、三氯生、胍类等。以季铵盐为例，其制备简单，属阳离子化合物。因季铵盐本身带正电荷，可吸附于带负电荷的微生物细胞表面， 同时其烷烃链与细胞的类脂层发生疏水相互作用，破坏微生物细胞壁和细胞膜结构，抑制酶或蛋白质活性，影响细胞代谢从而使微生物失活[26]。林炜等[27]研发了一种含有季铵盐杀菌基团的水性聚氨酯皮革涂饰剂，含有季铵盐杀菌基团的分子扩链剂具有与优异的杀菌性能，且扩链剂上的双羟基可与二异氰酸酯发生缩合反应，从而被引入到聚氨酯基体中，结果表明该产品不仅保持了原有聚氨酯涂层的高透明度和成膜性能，还赋予了此聚氨酯涂饰剂持久的杀菌性能。

2.4 复合抗菌剂

不同类型的抗菌剂均具有特异的抗菌活性与局限性， 因此将两种或多种抗菌剂进行复配联用已在近年成为发展趋势。复合抗菌剂的抗菌效果通常大于单一抗菌剂，具有相互协同、相互促进、相互补充的作用[20]。

有研究[28]表明将氨基化石墨烯/壳聚糖应用于皮革涂饰时，可赋予成品革优异的物理机械性能、防水性能和抗菌性能，此复合涂饰剂对肺炎克雷伯氏菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抗菌率均≥99.9%。温永汉等[29]将高效、低毒的异噻唑啉酮与纳米银溶液进行复配可得到稳定的纳米银复合抗菌剂，将此纳米银复合抗菌剂应用于绵羊裘皮中，处后理的绵羊裘皮对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和红圆酵母均具有快速、明显的抑菌效果。

常见皮革抗菌剂类型与特点见表2。

表2 常见皮革抗菌剂类型与特点Table2 Types and characteristics of common leather antibacterial agents

3. 皮革抗菌性能测试方法比较与选取原则

在制备得到抗菌皮革后，如何准确的选择测试方法来评价皮革的抗菌性能是目前需要关注的问题。

据相关标准[30-32]主要分为四种检测方法，包括抑菌圈法、贴膜法（膜接触法）、吸收法及振荡法。

（1）抑菌圈法是将定量的菌液涂抹于琼脂培养基上，待菌液干燥后将试样及对照样平贴在培养基上培养一定时间，看是否产生抑菌环，若产生则测量抑菌环的宽度。其原理是抗菌剂可能经琼脂扩散溶出而形成不同浓度梯度，显示抑菌作用。抑菌圈法一方面是评价对皮革因加入抗菌剂而可能引起的安全性能问题，另一方面可根据抑菌环结果来判定抗菌皮革是否具有溶出性，为继续选择其他方法来评价皮革抗菌性能提供参考。

（2）贴膜法（膜接触法）是将接种定量细菌于试样及对照样上，然后用略小于试样面积的聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）或聚对苯二甲酸类塑料（PET）等薄膜贴在样品表面，使细菌均匀接触试样和对照样，经过一定时间的培养后，测得2 组样品中的回收菌数，对比并计算出样品的抗细菌率。即评价皮革表面的抗菌成分或抗菌剂是否可抑制微生物的生长。

（3）吸收法是直接在抗菌试验样和对照样上定量接种一定浓度的测试菌液，经一定时间的培养接触培养后将残留活菌洗脱下来，测得2 组样品中洗脱下来的存活菌数，对比并计算出样品的抗细菌率。吸收法用于评价具有吸水性的抗菌皮革是否可抑制微生物的生长。

（4）振荡法是通过将待测样品和对照样直接置于定量菌液中进行强制接触， 经过一段时间的振荡培养，测定振荡菌液中的存活菌数，据此计算出样品的抗菌率。振荡法用于评价具有吸水性的抗菌皮革是否可抑制微生物的生长。

四种方法均主要选取3 种测试菌株作为试验菌，分别是肺炎克雷伯氏菌或大肠埃希氏菌作为革兰氏阴性菌的代表，金黄色葡萄球菌作为革兰氏阳性菌的代表，白色念珠菌作为真菌的代表。四种评价皮革抗菌性能测试方法比较详见表3。

表3 皮革抗菌性能测试方法的比较[30,32] Table3. Comparison oftest methods for antibacterial activity of leather

4. 结语

皮革因其舒适美观且可选择的种类繁多而广泛应用于家具家居、鞋类和鞋部件、服装箱包、汽车内饰等产品。而抗菌皮革的开发对于改善皮革的耐用性、减少致病菌的传播具有重要意义，伴随着人们生活水平的提高和对环境保护意识的增强，市场对抗菌皮革制品的需求也会明显增加。因此文章从抗菌皮革的制备方式，常用的抗菌剂及抗菌性能测试方法三个方面进行了综述：

（1）因抗菌剂或抗菌成分与皮革结合方式或结合阶段的不同，分为制革湿加工阶段添加抗菌剂、在涂饰工段添加抗菌剂、物理共混添加抗菌剂。从抗菌剂的结构与来源将其分为天然抗菌剂、无机抗菌剂、有机抗菌剂和复合抗菌剂。如何选择高效、广谱、低毒、经济的抗菌剂经适宜简便的制备方法得到抗菌皮革仍需更多研究。

（2）目前针对制备得到抗菌皮革，应至少进行两项测试包括安全性能测试（抑菌圈法）和抗菌性能测试（贴膜法或吸收法或振荡法）。值得注意的是，抑菌圈法中的抑菌环宽度并不能直接表明抗菌皮革的抗菌性能，而主要显示其安全性能。若抗菌皮革的抑菌环宽度＞5mm，则说明抗菌剂与皮革结合不够牢固易发生迁移，抗菌剂的析出扩散会导致环境的污染从而进一步危害人类的健康，且影响皮革的抗菌持久性。因此，在保证因加入抗菌剂的皮革安全性的情况下，进一步探索抗菌效果及抗菌时效性还需更深入的研究。