家電抗菌技術的研究現狀與發展趨勢分析

李小嬌 王秀萍 董瑋利 俞國新

海爾智家生態平臺 超前創新中心 山東青島 266101

1 引言

抗菌家電興起于上世紀80年代的日本，日立公司最早推出抗菌冰箱，隨后東芝與松下等企業也相繼開發出抗菌冰箱，推動了抗菌技術在家電行業的產業化。中國的抗菌家電發展于上世紀90年代，1998年海爾集團和中科院理化所合作推出了系列抗菌家電產品，自此開始，抗菌技術在中國家電行業實現產業化應用。經過20多年的發展，目前抗菌技術在國內家電行業的市場滲透率為10%左右。隨著新冠肺炎疫情的發生，市場對于抗菌類健康家電產品的需求將進一步提高，未來具有較大的發展潛力和超萬億的市場前景。

2 家電產品的微生物污染情況分析

抗菌技術在家電行業的需求和發展是以家電產品的微生物污染痛點為基礎的。以細菌、真菌、病毒為代表的微生物，占食源性疾病的發病原因的70%，同時也是20%的呼吸道疾病的病因。其中，細菌及真菌污染均容易造成食物中毒，導致腹瀉、嘔吐等；真菌污染還會對人體皮膚系統和內臟系統造成危害，出現皮膚癬、淋巴感染等癥狀；病毒污染則往往具有較高的傳染性，造成大規模的群體感染，出現發熱癥狀甚至威脅生命健康，此次新冠肺炎即是病毒引發的微生物危害。

微生物的種類數以百萬計，存在于生活環境中的各處，而家電產品在長期使用過程中，也會成為微生物傳播的載體和途徑。對現有文獻進行調研發現，冰洗空類家電產品中普遍存在微生物污染情況如表1所示，需要在相應產品中增加除菌功能，對使用者構成有效健康防護。

盡管冰箱的低溫環境能夠抑制微生物酶的活性，可由于內部空間有限并且存儲食物多，冰箱的冷藏室、風道口及風流經處均能檢測到大量的細菌、真菌等微生物，冰箱成為了家庭微生物污染的重災區。此外，工作年限長的冰箱比新冰箱會出現更多的微生物積累。

空調與冰箱所處空間不同，其工作環境更加開放和復雜。換熱器由于溫度和濕度高，成為空調最嚴重的污染區。值得關注的是，空調機組系統中真菌污染甚至比細菌更為嚴重。這些真菌如青霉、曲霉、枝孢霉、鏈格孢霉，可產生外生孢子，在適宜的溫濕度環境下成熟后，會在空氣中飛揚，引起皮膚過敏。

一般而言，微生物濃度隨著相對濕度的升高而增加，對于洗衣機而言，持續用水的工況形成了潮濕的環境，十分適宜細菌與真菌的生長。正是因為這個原因，在洗衣機微生物污染情況的研究中，新機與舊機并未出現較大的微生物總數差異。

與冰箱、空調和洗衣機相比，目前對于熱水器內細菌情況的研究較少，普遍認為熱水器產品具有較高的溫度和壓力，不利于細菌的生長和繁殖。但近幾年對水體細菌的研究中發現，在管道冷卻塔、管道水系統、溫泉水、生活熱水，甚至在淋浴頭的自來水中均檢出軍團菌污染[9-11]，這引起了熱水器研發人員對于微生物污染的關注。

總本來看，冰洗空家電面臨的微生物污染風險非常高，對冰洗空家電的抗菌應用研究也較為成熟。目前，雖然對于熱水器家電除菌的研究處于起始階段，但水質健康一直是消費者的關注所在。伴隨本次新冠肺炎疫情帶來的用戶健康意識的提升，將引發對整體家居環境、食品、水質、衣物等方面的安全關注，并引導更細化、更全面的家庭微生物污染控制研究。

表1 家電微生物污染現狀

3 家電產品抗菌性能的技術標準

家電微生物污染狀況促進了抗菌家電產業迅速發展，與此同時，健康安全標準的建立也在推動抗菌技術的進步。GB 21551.1-2008《家用和類似用途電器的抗菌、除菌、凈化功能 通則》[12]中對抗菌定義為，采用化學、物理等方法殺滅細菌或妨礙細菌生長繁殖及其活性的過程，針對家用電器上使用的抗菌材料；對除菌的定義為，采用化學、物理等方法去除或減少作用對象上細菌、真菌的過程，針對家電產品整機功能。而抑菌是指通過一系列物理化學方法抑制細菌和真菌的生長和繁殖。從定義可知，抗菌包括兩部分內容，即除菌和抑菌。

目前，我國的抗菌家電相關標準包括六項強制性國家標準、兩項行業標準和一項團體標準，且涉及抗菌材料或性能的家用電器標準大多參照GB 21551.2的規定進行。如表2所示，對國家標準所涉及的抗菌、除菌的相關指標要求進行了概括。

冰洗空熱產品中存在的微生物種類各不相同，除細菌外，也存在真菌超標的現象。尤其是空調產品中，真菌甚至成為優勢菌。因此，現有針對細菌的抗菌率指標難以滿足廣譜的抗菌需求，可參考其他涉及健康的三項標準作為補充，如表3所示。

以健康相關的標準作為參考，對比家電國標中對于抗菌相關的規定，通過分析，有三點值得關注：

（1）目前的國標對微生物的滅活主要關注于細菌，是以大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白葡萄球菌為代表的革蘭氏陰性菌或陽性菌，未涉及真菌種類。

（2）對于抗菌效果的評價，均以外部接種菌液的形式進行產品抗菌測試，顯示的主要是產品對外界環境的抗菌性能；而對于產品本身使用過程中產生微生物積累引起的二次污染問題，如空氣凈化器濾網因微生物滋生引起異味，抗菌性能評價研究尚處于起步階段。

（3）部分技術手段實現抗菌效果的同時，會產生臭氧等污染物，而目前對臭氧濃度的控制以泄漏量為主，適合消毒柜等開關不頻繁的產品，但對于頻繁開啟的冰箱，存在開啟瞬間濃度較高的風險。類似的，在限制污染物濃度時，對于場景的細化也是必要的。

抗菌家電的誕生及發展均是以健康為最終目的。因此，未來可針對各家電產品的工況特點和優勢微生物種類來對抗菌家電進行更全面的細化與評價。此外，為了避免造成二次污染，需要增加家電產品自身微生物潔凈度的評價。

表2 國家標準對于家用電器的抗菌技術規定

表3 涉及健康的可參考國家標準

4 家電產品抗菌技術的應用現狀

抗菌相關標準的建立促進了抗菌技術的進一步發展，抗菌協會在對天貓商城、京東商城、蘇寧易購和國美商場四個電商平臺的數據分析后發現，抗菌技術在洗衣機、空調產品（包括空凈）、冰箱的滲透率最高，分別達到47.0%、35.9%和16.3%，此三類也是受微生物污染最嚴重的家電產品。抗菌凈水器和熱水器產品的品牌市場占有率為9.9%和6.6%。

目前市面上的家電，其實現抗菌的方式主要有兩種：材料和技術，即一種是通過在原料基體中加入抗菌劑實現材料優異的抗菌性能；另一種是在產品結構上裝置抗菌設備實現空間內的除菌消毒。

4.1 抗菌材料

抗菌材料可分為有機、無機、天然產物及復合抗菌劑四類，如表4所示，詳細的介紹了各類抗菌劑的抗菌原理及優缺點。銀離子除菌及其衍生出的光動銀除菌、納米銀抗菌等技術被松下、海爾等各大家電企業應用在洗衣機、冰箱、凈水器及空氣凈化器等產品上。另外，海爾還從用戶最為關注的除菌效果和其對食品的影響等幾個方面考慮，借助從草本植物中提取的天然抗菌物質，實現除菌的同時又不會破壞食物的結構；天然碧璽石可持續自發產生大量負離子，將其嵌入冰箱風道，形成天然負離子養鮮倉，瓦解冰箱內部異味和細菌，保證內部空間清新潔凈，使得物品表面的除菌率達到99.9%。

4.2 抗菌技術

與抗菌材料不同，技術類抗菌手段的實現較為復雜，經過多年的發展，可大致分為加熱、光輻照、活性粒子、電磁場四大類。

加熱是最傳統的除菌方法，其實現方式包括電加熱、光波加熱、紅外加熱。從溫度的不同可分為高溫（80℃以上）和巴氏（56℃～80℃）。洗衣機、熱水器以及消毒柜普遍采用這一方法進行除菌，其除菌率一般可達99.99%。例如，海爾的光波巴氏消毒柜就是利用寬頻光波巴氏（65℃～90℃）與深紫外光波協同作用，對大腸桿菌的除菌率大于99.9%，對脊髓灰質炎病毒的除菌率達到99.99%以上，該技術在對餐具消毒過程中不產生臭氧等副產物。盡管加熱除菌的效果很好，但其能耗高并且需避免在對溫度敏感的場景中使用。

光輻照技術，其代表的形式包括UVC紫外[22,23]和脈沖強光，二者的有效波段均為深紫外。UVC處于微生物吸收峰的范圍之內，可在幾秒種之內通過破壞微生物的DNA或RNA，造成細胞死亡，達到除菌消毒的效果。傳統的紫外燈為汞燈，功率較高，適合于較大空間的空氣除菌、物體表面除菌；UVC-LED憑借體積小、開啟速度快、功耗低等諸多優點，在水、空氣、表面除菌等許多領域都有巨大的應用價值和市場前景。但由于發光效率和光輸出功率低，使其只適用于小范圍近距離（如洗碗機、消毒柜、凈水機等）的除菌。脈沖強光具有更廣的光譜和強度，因此可實現快速、高效的除菌。使用該類技術時需要注意存在輻照死角和隨距離增大而產生輻照度下降的問題。

光觸媒、等離子體及臭氧等除菌技術都是通過活性粒子如：·OH、、O-、H2O2、、NO+等的強氧化性來除菌。傳統的光觸媒技術[23]在洗衣機中應用比較廣泛，但需要借助紫外燈才能發揮作用。冷觸媒（自然觸媒）[25]在傳統紫外光觸媒技術上進一步突破，其無需憑借紫外光，在自然光下便可發揮作用。目前，海爾已將冷觸媒技術用于空氣凈化器、冰箱等產品中，在冰箱冷藏室中安裝冷觸媒抗菌除臭模塊，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌率達到99.99%以上，對甲硫醇和三甲胺異味的去除率也大于90%。等離子技術作為新興的技術，已經在冰箱、洗衣機、消毒柜等產品中有所運用，其除菌速度快且效果好。目前制約等離子體技術發展的主要癥結在于放電過程中所產生臭氧濃度的控制問題，這是與臭氧除菌技術共同的技術難點。因此，在運用時，需要在有效使用和濃度控制之間尋找一個平衡點。

電場和磁場[26]往往是相輔相成而存在的，通過交變電場和磁場作用產生擊穿而實現除菌。液體的電場除菌往往通過歐姆作用實現，而空間的電場除菌類似于電暈技術，會產生O3等成分。磁場除菌目前應用相對較少，在熱水器中對水體的除菌中有部分使用。

表4 常用抗菌劑種類及抗菌原理

4.3 抗菌技術的發展趨勢分析

抗菌材料和技術的發展為實現更高的除菌效果提供了可能，雖然部分抗菌材料和抗菌技術具有廣譜通用性，但仍需要針對場景和優勢菌進行分析、匹配，以實現最優的組合。如，以病毒滅殺為目標的除菌技術，需考慮病毒自身適于較低溫度和濕度的環境，且對熱敏感的性質，因此選用中高溫加熱的方式即可實現較好的除菌效果；而真菌最適宜在高濕度環境下繁殖，因此在抗菌技術應用的同時需配合相應的干燥程序為佳。

本次新冠肺炎疫情的出現使得消費者對健康的需求向更加全面、細化和具象化方向發展，從對單一家電產品的抗菌到整體家居環境的抗菌，從對除菌率提高的追求到除菌過程的可感知，這些都需要家電產品的研發人員付出更多的努力。筆者認為，以下幾個方向可能成為未來家電抗菌技術發展的趨勢：

（1）抗菌效果的提升。不同家電產品所存在的微生物種類不同，尤其是對于真菌普遍超標的現象，需要全面提高包括真菌在內的抗菌效果；同時在關注家電產品對工況環境的抗菌外，應進一步提高家電產品自身抗菌性能。

（2）抗菌技術安全性能的提升。對于存在一定有害物（如臭氧）的抗菌技術，需要進一步優化工作模式，減少有害物質釋放，提高用戶體驗。

（3）多方式組合抗菌的優化。通過多重技術的協同作用，取長補短，實現高效快速的除菌效果，提升抗菌能力。

（4）除菌的可感知。通過對家電產品的實時或定期的檢測，對家電潔凈情況進行監控；并實現除菌程序工作進度和效果的可視化，為消費者提供更安心的體驗。

5 結束語

眾多家電產品為人們的生活帶來了極大的舒適與便捷，而消費者們健康意識的提升對產品技術的研發提出了更高的要求，不論是與飲食相關的冰箱、消毒柜，還是與呼吸相關的空調、空氣凈化器等。諸多除菌技術讓家電增加了健康屬性，隨著除菌技術的發展，將會有更多先進的除菌技術應用到各種家電產品中，實現用戶家庭全場景的健康應用體驗。