天然棕色棉的抗菌性能

王 佳， 徐秀娟， 馬明波， 周文龍

( 浙江理工大學 材料與紡織學院， 浙江 杭州 310018 )

天然棕色棉的抗菌性能

王 佳， 徐秀娟， 馬明波， 周文龍

( 浙江理工大學 材料與紡織學院， 浙江 杭州 310018 )

為探究天然棕色棉的抗菌特性，以金黃色葡萄球菌和大腸桿菌分別作為革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的代表，通過平板菌落計數法和比濁法測試了棕色棉纖維的抗菌性能，并用暈圈法、熒光顯微鏡以及掃描電子顯微鏡分析了棕色棉色素提取物的抗菌活性及抗菌機制。結果表明：棕色棉纖維對2種細菌的生長繁殖都有良好的抑制作用，抗菌率分別為87.9%和79.5%；常規的堿精練和酶精練可在一定程度上提高棕色棉纖維的抗菌性能；棕色棉纖維的抗菌性能來源于其色素，色素可通過與細菌的細胞膜結構的結合來破壞細胞膜的轉運能力，進而破壞細菌正常的生長和繁殖過程，達到殺死細菌的效果。

天然棕色棉； 色素； 抗菌機制； 細胞膜

天然彩色棉具有天然的色彩，其在紡織加工過程中避免了染色工序，不但減少了織物染色時化學試劑的使用，而且更降低了殘留有毒化學物質的排放，基本可做到化學物質的零使用、零排放及對環境的零污染，符合環保主題[1-2]。天然彩色棉以其天然的色彩、綠色環保和健康保健等優點[3-4]，具有很好的發展潛力。

天然棕色棉的基本形態和結構與白色棉相似，成熟的纖維呈扁平扭曲帶狀，橫截面呈腰圓形，纖維結構也是由初生胞壁、次生胞壁和中腔3部分組成[5]。與普通白色棉不同的是，棕色棉中腔內含有色素，這使其表現出與眾不同的特性，如抗氧化性、抗菌防霉、阻燃、防紫外線等[6]。棕色棉的優異性能引起了學者們對其色素的研究興趣。羅少宏等[7]用不同體積分數的乙醇/水溶液對棕色棉色素組分進行提取發現，體積分數為90%以上的乙醇溶液不能對色素進行有效的提取，不同體積分數的乙醇/水溶液提取的色素物質組成有所差異。詹少華等[8]用不同的溶劑對棕色棉色素進行提取，并進行色素的純化和化學物質的鑒定，推斷棕色棉色素化學結構含有雙鍵和酚羥基。馬明波等[9]用液相色譜法對棕色棉色素的種類及分子結構進行研究發現，棕色棉色素是由一系列結構相似的同系多酚類化合物組成的。

在自然界中，多酚類化合物大都具有較好的抗菌活性，如黃酮類、單寧類、花色素等[10]，因此，本文對于棕色棉纖維的抗菌性能進行了評估，并對其抗菌機制進行了研究。首先選用平板菌落計數法和比濁法對棕色棉纖維的抗菌性進行定量分析，并用暈圈法和熒光顯微鏡對色素的抗菌活性進行定性研究，在此基礎上，通過掃描電子顯微鏡對色素的抗菌機制進行研究。

1 實驗部分

1.1 主要原料與試劑

天然棕色棉、普通白色棉纖維，浙江省農業科學院提供；氫氧化鈉、氯化鈉，天津市永大化學試劑有限公司提供；蛋白胨、牛肉膏、瓊脂，杭州百思生物技術有限公司提供；堿性果膠酶，和氏璧生物技術有限公司提供；C8-10醇聚氧乙烯6醚，臨沂市蘭山區綠森化工有限公司提供；熒光顯色劑，天津市大邱莊宏達化工有限公司提供。

1.2 棉纖維預處理

白色棉和棕色棉纖維的精練處理參照文獻[7]的方法進行。

原樣：由于原棉纖維疏水性高，菌液難以被纖維吸收，所以用表面活性劑處理了纖維樣品。纖維于常溫下在質量濃度為2 g/L的滲透劑中浸泡1 min，浴比為1∶20，洗滌后置于35 ℃烘箱內烘干，白色棉纖維作為對照樣。

堿處理：100 ℃的質量濃度為20 g/L的氫氧化鈉溶液煮沸30 min，浴比為1∶20，洗滌后置于35 ℃烘箱內烘干。

酶處理：果膠酶溶液，浴比為1∶20，在55 ℃水浴中恒溫振蕩1 h。其中酶溶液的具體參數為：滲透劑JFC 2 mL/L、堿性果膠酶2 g/L、pH值調節至8.0～9.0。

1.3 棕色棉的抗菌性

根據AATCC 100—2004《后整理抗菌織物的抗細菌性評價：菌數測定法》的平板菌落計數法，將接觸各纖維樣本的細菌液稀釋適當梯度，取100 μL細菌稀釋液均勻涂覆在瓊脂平板上培養，記錄菌落個數。

比濁法：用適量生理鹽水洗出接觸纖維樣本的細菌，以生理鹽水為參照樣，得到的細菌液在UV754紫外可見分光光度計(上海佑科儀器儀表有限公司)上測試波長值為600 nm處的光密度(OD)值。

1.4 棕色棉色素的提取

色素提取參照文獻[7]的方法進行。取適量棕色棉纖維，磨成粉末，溶于30%乙醇水溶液中，在溫度低于50 ℃的水浴中超聲24 h。經過濾濃縮后，冷凍干燥為棕色棉色素粉末。

1.5 抗菌活性測試方法

根據AATCC90—1997《紡織材料抗菌活性的評定方法：瓊脂平皿法》的暈圈法，將細菌液稀釋適當梯度，取100 μL細菌稀釋液均勻涂覆在瓊脂平板上，依次貼上含有質量濃度為30、20、10、5 g/L和不含色素的藥敏紙片，觀察細菌生長情況。

熒光顯色法：取1 mL細菌液，加入色素溶液，置于37 ℃下培養2 h，用去離子水洗滌若干次，離心分離。用異硫氰酸熒光素/磺化丙啶(FITC/PI)雙染色法對細菌染色，并在激發波長為543、488 nm下拍攝熒光圖。

1.6 色素抗菌性能測試

取1 mL細菌液，加入質量濃度為30 g/L的色素溶液，置于37 ℃下培養2 h，用去離子水洗滌若干次，離心分離。再依次按30%、50%、70%、85%、90%、100%乙醇脫水后滴加在載玻片上，乙醇揮發后將樣品鍍金，采用S- 4800場發射掃描電子顯微鏡進行觀察并拍攝圖像。

2 結果與分析

2.1 棕色棉的抗菌性分析

平板菌落計數法是常用的記錄菌落個數的方法，直觀地表征了接觸不同棉花樣本后細菌的存活情況。由于細菌個數和其吸光度(在一定的濃度范圍內)呈線性關系，因此可用細菌液的OD值表征細菌的濃度。本文選取金黃色葡萄球菌和大腸桿菌作為革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的代表。棕色棉相對于白色棉的抗菌性能測試結果如表1所示。可看出，與普通白色棉相比，天然棕色棉具有明顯的抗菌性，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌率分別為64.8%和53.6%。經堿處理和果膠酶處理后，棕色棉抗菌性顯著增加，抗菌率分別增加到79.3%和68.5%。研究表明：未處理的棕色棉纖維色素主要分布在中腔內；經果膠酶和堿處理后，色素發生轉移，在纖維中分布得更加均勻[11]。與未處理的棕色棉相比，堿處理和酶處理后，色素更易與細菌直接接觸，增強了其抗菌性。而堿處理由于反應劇烈，雜質基本被去除，甚至破壞了纖維的部分結構，色素更易遷移到纖維表面，因而其抗菌性比果膠酶處理略好。

表1 利用平板菌落計數法和比濁法測得的 棉纖維樣本的抗菌性能Tab.1 Antimicrobial properties of cotton fiber samples characterized by plate colony-counting and turbidimetry

注：抑菌率=(未接觸樣本的細菌液OD值-接觸樣本后細菌液OD值)/未接觸樣本的細菌液OD值。

2.2 棕色棉色素的抗菌性

馬明波等[12]研究棕色棉的色素發現，棕色棉良好的抗菌性能主要源于其纖維中的抗菌成分—色素。由于前人沒有對色素的抗菌活性進行定量研究，所以本文通過以不同質量濃度的色素所形成抑菌圈的大小來表征色素的抗菌活性。圖1示出以金黃色葡萄球菌和大腸桿菌為測試菌，不同質量濃度的色素形成的抑菌圈圖。從圖中可明顯地看出，與對照樣相比，含有色素溶液的藥敏紙片周圍形成了大小不等的抑菌圈，質量濃度為30 g/L的色素溶液在涂有金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的平板中形成的抑菌圈直徑分別為24.8 mm和18.3 mm，質量濃度為20 g/L的色素形成的抑菌圈直徑分別為21.4 mm和13.2 mm，隨色素質量濃度的降低，形成的抑菌圈直徑逐漸減小，不含色素的藥敏紙片周圍細菌正常生長，這表明色素對細菌的生長具有明顯的抑制作用，與文獻[12]研究結果一致。

注：a—空白對照；b—30 g/L色素溶液；c—20 g/L色素溶液； d—10 g/L色素溶液；e—5 g/L色素溶液。圖1 不同質量濃度的色素抑菌活性Fig.1 Growth inhibition of bacteria by different concentrations of pigment extracts. (a) S.aureus; (b) E.coli

除抑制細菌生長，殺菌能力對抗菌紡織材料來說也是至關重要的。FITC/PI雙染色法[13-14]可用來研究棕色棉色素的殺菌效果。FITC可使所有細菌染色，在熒光顯微鏡下顯示綠色，而PI只能使死細胞顯示紅色。圖2示出金黃色葡萄球菌和大腸桿菌在接觸棕色棉色素前后細菌的存活情況。可看出，接觸棕色棉色素前，細菌(如圖2(a)、(c)所示)基本全部存活，而在接觸棕色棉色素2 h后，大部分細菌死亡，金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率分別為87.9%和79.5%(如圖2(b)、(d)所示)。圖2結果證明了棕色棉色素具有顯著的殺菌活性。

圖2 接觸棕色棉色素前后細菌的熒光圖Fig.2 Fluorescence images of bacteria before and after contacting pigment extract.(a) S.aureus before contacting; (b) S.aureus after contacting pigment extract for 2 h; (c) E.coli before contacting; (d) E.coli after contacting pigment extract for 2 h

2.3 抗菌機制

抗菌性包括抑制細菌的生長和徹底殺死細菌。棕色棉及色素的抗菌性已得到證明，而研究棕色棉色素的抗菌機制有助于更好地利用棕色棉的抗菌性能。圖3示出金黃色葡萄球菌和大腸桿菌在接觸棕色棉色素前后的電鏡照片。

圖3 接觸棕色棉色素前后細菌的掃描電鏡照片Fig.3 SEM images of bacteria before and after contacting pigment of brown cotton.(a) S.aureus without contacting pigment of brown cotton； (b) S.aureus after contacting pigment of brown cotton；(c) E.coli without contacting pigment of brown cotton； (d) E.coli after contacting pigment of brown cotton

從圖3可看出：接觸色素前，細菌細胞的表面比較光滑平整，結構緊湊(見圖3(a)、(c))，而接觸色素2 h后，金黃色葡萄球菌細胞表面粗糙，并且有小顆粒生成(見圖3(b))；大腸桿菌細胞表面變得疏松，出現細長紋路(見圖3(d))，表明棕色棉色素與細菌的細胞膜結構發生結合，破壞細胞膜的轉運能力，進而破壞細菌正常的生長和繁殖過程。這很可能是棕色棉色素抑制和殺滅細菌的主要原因。由于天然棕色棉的抗菌性和其具有的色素直接相關，因而色澤的深淺、色素的組成以及不同產地的棕色棉都可能影響抗菌性能。天然棕色棉具體抗菌機制有待進一步深入研究。

3 結 論

天然棕色棉相比普通白色棉具有良好的抗菌性，經過堿處理和果膠酶處理后抗菌性得到增強，但綜合考慮后，果膠酶處理棕色棉纖維效果更好。

棕色棉纖維的抗菌性主要源于其色素物質，色素可通過與細菌的細胞膜結構發生結合來破壞細胞膜的轉運能力，進而破壞細菌正常的生長和繁殖過程，以達到殺死細菌的效果。

FZXB

[1] ZHOU W, BAO Y, LI M. The effects of 1, 2, 3, 4-butane-tetracarboxylic acid (BTCA) finishing on the color of naturally colored cotton fabrics[J]. Research Journal of Textile and Apparel, 2009, 13(4): 26-33.

[2] MATUSIAK M, FRYDRYCH I. Investigation of naturally colored cotton of different origin: analysis of fibre properties[J]. Fibres & Textiles in Eastern Europe, 2014, 22(107):34-42.

[3] PARK J, CHANG Y, HONG W, et al. Effects of color, scouring method, and age on the visual sensibility of naturally colored organic cotton (NaCOC)[J]. Human Factors and Ergonomics in Manufacturing & Service Industries, 2014, 24(3): 318-327.

[4] 周文龍, 邱新棉. 天然彩色棉的開發現狀及對策[J]. 紡織導報, 2001(5): 106-108. ZHOU Wenlong, QIU Xinmian. The development present situation and countermeasures of natural color cotton[J].China Textile Leader, 2001(5): 106-108.[5] WAKELYN P J, BERTONIERE N R, FRENCH A D, et al. Cotton Fiber Chemistry and Technology[M].[S.l.]: CRC Press, 2006:23-25.

[6] PARMAR M S, GIRI C C, SINGH M, et al. Development of UV and flame resistant fabric from natural coloured cotton[J]. Colourage, 2006, 53(7): 57-60.

[7] 羅少宏, 馬明波, 傅科杰, 等. 乙醇/水溶液對天然棕色棉色素提取的影響[J]. 紡織學報, 2015, 36(12): 7-10. LUO Shaohong, MA Mingbo, FU Kejie, et al. Influence of ethanol/water solution to pigment extraction of natural brown cotton[J]. Journal of Textile Research, 2015, 36(12): 7-10.

[8] 詹少華, 林毅, 蔡永萍, 等. 天然棕色棉色素提取, 純化及其 UV 光譜研究[J]. 激光生物學報, 2004, 13(5): 324-328. ZHAN Shaohua, LIN Yi, CAI Yongping, et al. Extraction and purification of the pigment of natural brown cotton and its UV spectral properties[J]. Journal of Iaser Biological, 2004, 13(5): 324-328.

[9] 馬明波, 李榮霞, 唐志榮, 等. 天然棕色棉色素的液相色譜分離[J]. 紡織學報, 2012, 33(7): 10-14. MA Mingbo, LI Rongxia, TANG Zhirong, et al. Separation of pigments extracted from natural brown cotton fiber by liquid chromatography[J]. Journal of Textile Research, 2012, 33(7): 10-14.

[10] 柯春林, 王娣, 謝海偉, 等. 多酚化合物抗菌活性的最新進展[J]. 食品工業科技, 2012, 33(17): 405-408. KE Chunlin, WANG Di, XIE Haiwei, et al.Antibacterial activity of polyphenol compound[J]. Food Industry Science and Technology, 2012, 33(17): 405-408.

[11] 陳莉, 黃故, 張健飛, 等. 果膠酶處理后天然彩色棉的表面結構變化[J]. 天津工業大學學報, 2006, 24(6): 37-39. CHEN Li, HUANG Gu, ZHANG Jianfei, et al. Surface structure change of natural color cotton processed by pectinase[J]. Journal of Tianjin Technology University, 2006, 24(6): 37-39.

[12] MA M, LI R, DU Y, et al. Analysis of antibacterial properties of naturally colored cottons[J]. Textile Research Journal, 2013, 83(5): 462-470.

[13] LU Z, MENG M, JIANG Y, et al. UV-assisted in situ synthesis of silver nanoparticles on silk fibers for antibacterial applications[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2014, 447: 1-7.

[14] LIU S, WEI L, HAO L, et al. Sharper and faster ″nano darts″ kill more bacteria: a study of antibacterial activity of individually dispersed pristine single-walled carbon nanotube[J]. Acs Nano, 2009, 3(12): 3891-3902.

Antimicrobial properties of natural brown cotton

WANG Jia， XU Xiujuan， MA Mingbo， ZHOU Wenlong

(CollegeofMaterialsandTextiles,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

To explore the antimicrobial properties of natural brown cotton, plate colony counting method and turbidimetry method were used to test the antimicrobial properties against gram-positive bacteriaS.aureusand gram-negative bacteriaE.coli. Meanwhile, the antimicrobial activity and antimicrobial mechanism of the pigment extract were also studied by disk diffusion method, fluorescence microscopy and scanning electron microscopy. The results showed that brown cotton fibers have good inhibitory effect on the growth of two test bacteria and its antimicrobial ratio are 87.9% and 79.5%, respectively, showing significant antimicrobial properties of brown cotton fibers. Conventional alkali scouring and enzyme scouring can improve the antimicrobial properties of brown cotton fibers to a certain extent. Brown cotton fibers′ antimicrobial properties derive from its pigment. The pigment may destroy the transport capacity of cell membrane by combination with membrane structure of bacteria and then inhibit the normal growth and reproduction process of bacteria to achieve the effect of killing bacteria.

natural brown cotton； pigment； antimicrobial mechanism； cell membrane

2016-03-07

2016-08-19

國家自然科學基金資助項目(51373156)

王佳(1991—)，女，碩士生。研究方向為新型紡織材料及綠色紡織品。周文龍，通信作者，E-mail: wzhou@zstu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160301705

TS 190.2

A