摻銅氧化鋅復(fù)合材料協(xié)同微波對(duì)羽絨抗菌的工藝探究*

江娟，馮安生，黎彧

(廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東省特種建筑材料及其綠色制備工程技術(shù)研究中心∥佛山市特種功能性建筑材料及其綠色制備技術(shù)工程中心, 廣東 廣州 510300)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展、科技的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)水平的提高，微生物檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用在生活各個(gè)方面，人們對(duì)保暖材料的質(zhì)量、衛(wèi)生、環(huán)保的要求越來越高[1]。羽絨具有蓬松度高、透氣性好、吸濕性強(qiáng)等優(yōu)良性能[2]，但其作為親水織物，使用過程中容易滋養(yǎng)微生物，且耐微生物性能較差[3]。在羽絨織物上，微生物的滋生和繁殖過程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物易使羽絨織物發(fā)霉、產(chǎn)生變色，甚至有令人惡心的臭味釋放，這不僅對(duì)人們的健康有一定的危害，對(duì)環(huán)境也會(huì)有一定的污染[3-4]。

目前，無機(jī)抗菌材料因其安全性、耐久性、緩釋性和化學(xué)穩(wěn)定性等性能優(yōu)良，已經(jīng)在各方面得到廣泛應(yīng)用[5]。ZnO是一種綜合性能良好的抗菌材料[6-7]，具有良好的熱穩(wěn)定性、遇高溫不分解、不變色、價(jià)格便宜且環(huán)境友好等特點(diǎn)，而Cu2+也是一種具有抗菌功能的金屬離子[8-9]。結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，合成Cu/ZnO無機(jī)復(fù)合抗菌材料，研制新型羽絨抗菌材料。

微波滅菌技術(shù)具有高效快速、綠色環(huán)保、低耗能、易操作、滅菌效果均勻徹底等優(yōu)點(diǎn)，是近年來倍受大眾關(guān)注的一種新型的理想滅菌方式[10]。本實(shí)驗(yàn)將在微波協(xié)同的作用下，探究Cu/ZnO對(duì)羽絨的抗菌工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 Cu/ZnO合成實(shí)驗(yàn)

1.1.1 試劑及儀器

試劑：檸檬酸、硝酸鋅、硝酸銅,所用試劑均為分析純。

儀器：RW20機(jī)械攪拌器(IKA)、SX3-10-14型快速升溫電阻爐(湖南湘潭儀器有限公司)、SH系列鼓風(fēng)干燥箱(上杭儀器有限公司)。

1.1.2 合成路線

300 mL去離子水于燒杯中加熱到60℃后,稱取一定量檸檬酸緩慢加入，并攪拌至完全溶解。再將質(zhì)量比為1∶1的硝酸鋅、硝酸銅依次緩緩加入，并攪拌溶解，再加入適量無水乙醇，于80℃連續(xù)攪拌30 min,得到一種透明溶膠,放置2 h得到膠狀液體。將該膠狀液體于90℃電熱恒溫干燥箱中經(jīng)過24 h恒溫蒸發(fā)干燥,得到塊狀的干凝膠，將其研磨后放入坩堝,于200℃恒溫處理6 h，得棕黑色粉末樣品。待樣品冷卻后再次研磨，在馬弗爐中600℃下恒溫焙燒2 h，最終得Cu/ZnO復(fù)合材料[11]。

1.2 Cu/ZnO復(fù)合材料對(duì)羽絨的抗菌實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

BS110S電子天平、HJ-6B多頭磁力加熱攪拌器、SDJ單人式凈化工作臺(tái)、YX-280B型手提式蒸汽消毒器(江陰濱江醫(yī)療設(shè)備廠)1000 mL BIO-DL移液槍(上海寶予德科學(xué)儀器有限公司)、DHP-9002隔水式恒溫培養(yǎng)箱(上海銳風(fēng)儀器制造有限公司)、WF-4000微波快速反應(yīng)系統(tǒng)(上海屹堯微波化學(xué)技術(shù)有限公司)、上述實(shí)驗(yàn)合成的摻銅氧化鋅復(fù)合材料、營養(yǎng)瓊脂(青島海博生物)、羽絨(廣東鴻基羽絨制品有限公司)、其他所用試劑和溶劑均為分析純。

1.2.2 抗菌實(shí)驗(yàn)步驟

(1)無菌水的制備

分別量取100 mL和50 mL去離子水于兩個(gè)錐形瓶中，蓋好硅膠塞并包扎好后于高壓蒸汽滅菌鍋進(jìn)行滅菌，得到無菌水。

(2)培養(yǎng)基的制備

稱取3.3 g營養(yǎng)瓊脂于錐形瓶中，加去離子水100 mL并加熱溶解至透明后蓋好硅膠塞并包扎，放入滅菌鍋中進(jìn)行滅菌。

(3)滅菌

對(duì)無菌水、試管、玻璃棒、移液管、培養(yǎng)皿、培養(yǎng)基、布氏漏斗、等實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行包扎，于蒸汽高壓滅菌鍋內(nèi)105 kpa、121℃下滅菌。同時(shí)用75%的酒精對(duì)超凈工作臺(tái)進(jìn)行消毒，紫外燈照射無菌室30 min左右進(jìn)行消毒。

(4)含菌羽絨溶液的制備

稱量0.50 g羽絨，轉(zhuǎn)移到盛有50 mL無菌水的錐形瓶中，搖勻，使附著在羽絨毛上的部分細(xì)菌溶于水中，抽濾，將抽濾后的羽絨放入盛有50 mL無菌水的消化瓶中，磁力攪拌15 min，獲得含有細(xì)菌的羽絨水。

(5)測定樣品菌落數(shù)

在已消毒的超凈工作臺(tái)上，取2只試管，分別將含菌羽絨水稀釋到100倍和1000倍；將含有Cu/ZnO復(fù)合材料的羽絨溶液進(jìn)行稀釋。用移液槍取相同量的稀釋液接種至培養(yǎng)皿，平行兩次實(shí)驗(yàn)。將營養(yǎng)瓊脂均勻倒入上述培養(yǎng)基中，待培養(yǎng)基冷卻凝固，倒平板，于37℃，恒溫培養(yǎng)24 h后取出，數(shù)菌落總數(shù)計(jì)算抑菌率。實(shí)驗(yàn)中以無菌水為空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)[12]。

(6)實(shí)驗(yàn)條件的改變對(duì)其抗菌效果影響

設(shè)定不同的Cu/ZnO復(fù)合材料用量、微波功率、微波溫度以及微波輻射時(shí)間單一變量，測定不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)抑菌效果的影響。取0.50 g羽絨樣品，測定實(shí)驗(yàn)前后羽絨水樣品中的菌落總數(shù)，平行試驗(yàn)兩次，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并得到最佳抗菌工藝條件。其中，以無微波作用、無Cu/ZnO的羽絨樣品為空白對(duì)照。抑菌率計(jì)算公式如下：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Cu/ZnO復(fù)合材料的用量對(duì)抑菌效果的影響

量取處理過的羽絨0.50 g于裝有50 mL無菌水的消化瓶中，充分搖勻15 min，測定微波前菌落總數(shù)(即空白樣品菌落數(shù))。加入不同質(zhì)量的Cu/ZnO復(fù)合材料(0.125 g，0.25 g，0.5 g，1.0 g和1.5 g)，在微波條件下(微波溫度為50℃、微波時(shí)間為1 min、微波功率為200 W)測定Cu/ZnO復(fù)合材料對(duì)羽絨的抑菌率，測定結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同用量Cu/ZnO復(fù)合材料對(duì)羽絨的抑菌率

由上圖可知，隨著Cu/ZnO復(fù)合材料用量的增加，抑菌率呈先增大后下降的趨勢。當(dāng)Cu/ZnO復(fù)合材料的用量為1.0 g(即羽絨：Cu/ZnO = 1∶2)時(shí)，抑菌率達(dá)到76.27%。因此，確定羽絨與Cu/ZnO復(fù)合材料的質(zhì)量比為1∶2為最佳抑菌的質(zhì)量比值。

2.2 微波功率抗菌效果的影響

量取經(jīng)無菌水清洗、抽濾與處理的羽絨0.50 g于裝有50 mL無菌水的消化瓶(含有轉(zhuǎn)子)中，充分搖勻15 min，測定微波前菌落總數(shù)(即空白樣品菌落數(shù))。加入0.25 g Cu/ZnO復(fù)合材料，設(shè)定微波溫度為50℃、微波時(shí)間為1 min，分別測定微波功率100 W、200 W、300 W、400 W、500 W下的抑菌率，結(jié)果如圖2所示

圖2 不同微波功率下Cu/ZnO復(fù)合材料的抑菌率

由上圖可知，微波功率為100 W～200 W時(shí)，微波協(xié)同Cu/ZnO復(fù)合材料的抑菌率有所增大，抑菌率與微波功率呈正比關(guān)系，抑菌率值最高達(dá)到58.95%。當(dāng)微波功率超過200 W時(shí)，抑菌率逐漸下降，所以200 W是最佳抑菌微波功率。

2.3 微波溫度對(duì)抑菌效果的影響

量取經(jīng)無菌水清洗、抽濾處理的羽絨0.50 g于裝有50 mL無菌水的消化瓶(含有轉(zhuǎn)子)中，充分搖勻15 min，測定微波前菌落總數(shù)(即空白樣品菌落數(shù))。加入0.25 g Cu/ZnO復(fù)合材料，設(shè)定微波功率為200 W、微波時(shí)間為1 min，分別測定微波溫度為41℃、44℃、47℃、50℃、53℃下的抑菌率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同微波溫度下Cu/ZnO復(fù)合材料的抑菌率

由上圖可知，隨著溫度上升，抑菌率呈增大趨勢，當(dāng)溫度大于50℃時(shí)，抑菌率隨溫度的升高而下降。50℃時(shí)，抑菌率達(dá)到最高值，為53.94%。

2.4 微波時(shí)間對(duì)抑菌效果的影響

量取處理后的羽絨0.50 g于裝有50 mL無菌水的消化瓶(含有轉(zhuǎn)子)中，充分搖勻15 min，測定微波前菌落總數(shù)(即空白樣品菌落數(shù))。加入0.25 g Cu/ZnO復(fù)合材料，設(shè)定微波功率為200 W、微波溫度為50℃，分別測定微波時(shí)間為30 s、60 s、90 s、120 s、150 s下的抑菌率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同微波時(shí)間下Cu/ZnO復(fù)合材料的抑菌率

由上圖可知，當(dāng)微波作用時(shí)間由30 s增加為60 s，抑菌率增加(由44.54%→53.94%)；繼續(xù)延長微波作用時(shí)間(60 s～150 s)，抑菌率逐漸地降低(53.94%→17.10%)。故微波1 min為抑菌最佳微波作用時(shí)間。

2.5 微波協(xié)同Cu/ZnO復(fù)合材料抗菌的最佳工藝條件和抗菌效果

取經(jīng)無菌水清洗、抽濾的羽絨0.50 g于裝有50 mL無菌水的消化瓶(含有轉(zhuǎn)子)中，充分搖勻15 min，測定微波前菌落總數(shù)(即空白樣品菌落數(shù))。在最佳工藝條件下(即微波功率為200 W、微波溫度為50 ℃、微波時(shí)間為60 s、羽絨與Cu/ZnO復(fù)合材料的質(zhì)量比為1∶2)測定的抑菌率為76.27%。

2.6 Cu/ZnO復(fù)合材料回收及回收抗菌效果

將上述實(shí)驗(yàn)中羽絨與Cu/ZnO復(fù)合材料的混合物用篩子過濾，用燒杯收集濾液。將濾液置于烘箱中烘干，得到回收的Cu/ZnO復(fù)合材料，于干燥箱中保存待用。在最佳抗菌工藝條件下做回收復(fù)合材料抗菌試驗(yàn)，回收抑菌率見表1。

表1 循環(huán)回收實(shí)驗(yàn)抑菌率

3 結(jié)論

(1)Cu/ZnO復(fù)合材料的合成方法簡單，容易操作，且成本低；

(2)Cu/ZnO對(duì)羽絨的最佳抗菌條件為：羽絨與復(fù)合材料的質(zhì)量比為1∶2，微波功率為200 W，微波溫度為50℃，微波作用時(shí)間為1 min，最佳抑菌率為76.27%；

(3)無機(jī)復(fù)合抗菌材料協(xié)同微波的抗菌工藝，具有綠色環(huán)保、抗菌高效的作用。