超臨界二氧化碳殺菌技術在紡織上的應用

閆 俊，李佳睿，王 亮，李 紅，廖永平，杜 冰

(1.大連工業大學 紡織與材料工程學院，遼寧 大連 116034；2.大連工業大學 生物工程學院，遼寧 大連 116034)

新冠疫情爆發后殺菌問題成為了社會關注的焦點，而紡織品作為細菌傳播重要媒介之一，被研究者看作是細菌和真菌等微生物生存和繁殖的溫床[1]。而織物表面的微生物存活時間受材料本身成分、結構或性能影響。合成纖維由于本身的拒水性和低吸濕性等特點，對微生物有一定抑制作用，而大多數常見的天然纖維中含有纖維素或蛋白質等成分，回潮率高，多有孔隙，比表面積大，更容易附著塵埃、病毒和細菌。因此天然纖維更容易受到細菌和微生物侵害。在合適條件下，尤其是蛋白質類和纖維素類纖維中的蛋白質和某些糖分均可為微生物的滋生提供條件[2]。

20世紀80年代Masamichi等[3]首次發現超臨界二氧化碳(scCO2)可以使大腸桿菌失活。scCO2是一種在超臨界狀態下(臨界壓力7.38 MPa,臨界溫度31.1 ℃)，兼備氣相的擴散系數、黏度及液相的密度等特性的高密度流體。scCO2可用于熱敏材料和水解性聚合物[4]，在食品、醫療行業中廣泛使用。而其殺菌能力已經得到了諸多文獻研究證實，在溫度35～55 ℃以及壓力10～35 MPa下，對大腸桿菌、白色念珠菌以及金黃色葡萄球菌的殺菌效果均在5個對數級以上，且大腸桿菌的殺菌速率隨溫度和壓力的升高而增加[4-6]。2015年美國和澳大利亞的監管機構就已經批準了scCO2作為終端殺菌技術的產品。scCO2應用在紡織染色萃取方面研究較多，而用于殺菌領域研究較少。因此，本文從傳統紡織品殺菌技術的弊端、scCO2對紡織品殺菌的原理等方面探討在紡織領域中scCO2作為殺菌技術的可能性。

1 紡織品殺菌技術現狀

在繁多的微生物群體中，有害的微生物作為病原體，可導致人體感染[7]。目前我國紡織品微生物檢測標準主要參考GB/T 18204.4—2013 《公共場所衛生檢驗方法 第4部分：公共用品用具微生物》、SN/T 3335—2012 《進出口紡織品微生物項目檢驗規范》以及GB 15979—2002 《一次性使用衛生用品衛生標準》，在以上檢測標準中采用大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌以及沙門氏菌4種均會導致人體皮膚疾病的細菌為主要檢測指標。Zeeuwen等[8]認為金黃色葡萄球菌作為人體皮膚暫居菌是免疫力低患者的主要致病因素。王華等[9]研究表明，在患者濕疹部分的皮膚中，金黃色葡萄球菌的濃度與濕疹嚴重程度成正相關。此外，銅綠假單胞菌也是導致下呼吸道感染的原因[10]。因此對紡織品進行殺菌整理能夠削減細菌和病毒感染導致的致病率。

選用紡織品殺菌技術需要考慮典型微生物和織物對熱、物理和化學處理的穩定性，不能損壞紡織品的自身結構，還要保證處理可達到國家紡織品微生物衛生標準，遵循中國消毒與洗滌用品行業“十三五”規劃。因此，以創新驅動、綠色環保、技術升級為出發點，尋求可替代傳統紡織品的綠色殺菌技術尤為重要。目前，常用紡織品殺菌技術主要包括蒸汽/干熱殺菌、環氧乙烷(EO)氣體殺菌、臭氧殺菌、紫外線殺菌等，但這些技術在應用上仍存在一些問題，表1總結了常用殺菌技術的優缺點。相比于干熱和蒸汽殺菌適用范圍有限，臭氧殺菌對環境要求高，紫外線殺菌只停留在織物表面，scCO2殺菌技術作為一種新型的非熱殺菌技術，打破了以上傳統殺菌技術的局限性。其使用條件溫和，能夠保護織物紋理，同時CO2與微生物等相互作用實現有效殺菌[11]。

表1 幾種常用紡織品殺菌技術優缺點比較Tab.1 Comparison of the advantages and disadvantages of several common textile sterilization techniques

2 超臨界二氧化碳殺菌技術

scCO2具有化學惰性，無色無味，易獲得，高溶解能力、低粘度、零表面張力以及高擴散系數等物理和化學特性，使其能夠不受多孔隙和結構較繁雜材料的影響，穿透材料后作用在病原微生物上，對細菌、酵母菌、霉菌、病毒等微生物具有高效的殺菌能力[16-17]。

2.1 超臨界二氧化碳殺菌機理

盡管諸多研究對scCO2的殺菌能力予以肯定，但追溯本質，其滅活機制還沒有得出確切結論。在現研究階段，被研究者們接受并得到了支持和論證的是細胞破裂理論。Garcia等[16]提出了失活機制的7步驟的假設，過程如圖1所示：①細胞外溶解CO2；②細胞膜修飾；③細胞內酸化；④酶失活及干擾代謝；⑤碳酸干擾代謝；⑥電解質平衡破壞；⑦從細胞膜和細胞質中提取物質。當CO2與含水介質接觸時會反應生成H2CO3，H2CO3電離產生的H+會使細胞質酸性增加，進而導致pH降低。而微生物失活與pH值密切相關，pH值越低，則失活抗性越低[18]，越有助于增加細胞滲透性，促進CO2滲入；CO2對細胞膜的親和力較好，可擴散到細胞膜內使其結構紊亂[19]。這一系列連鎖反應將細胞內外pH值平衡破壞，無法維持穩定。胞內酶的活性很大程度上依賴于內部pH值，因此當細胞質過酸時，代謝和調節過程所必需的關鍵酶可能會受到抑制或失活[19-20]。scCO2具有高溶解度，可以去除細胞內成分(如磷脂和疏水化合物)，破壞細胞生物系統并促進細菌失活[19]。

圖1 scCO2滅活微生物步驟示意圖Fig.1 Schematic diagram of inactivating microorganisms

2.2 超臨界二氧化碳殺菌技術參數

微生物有著繁雜的結構，因而研究促使其失活的各因素是必要的。scCO2殺菌涉及的參數有壓力、溫度、處理時間、降壓速率、壓力循環、添加劑的使用、含有微生物的介質的性質、細胞濃度、細胞生長階段等，其中壓力、溫度、處理時間是關鍵因素。

2.2.1 壓 力

達到臨界狀態時，壓力作為重要參數影響顯著。在scCO2殺菌過程中，雖然壓力本身并不是導致微生物失活的直接因素，但會影響微生物失活動力學。Karajanagi等[21]對軟性生物材料(水凝膠)處理時發現，當溫度為70℃時，15 MPa比7.5 MPa達到的殺菌效果好，清楚地表明壓力的增加對這些細菌的失活有積極影響，壓力增加會促進CO2滲透，提高殺菌效率。

2.2.2 溫 度

每種微生物都有一個失活最高溫度，高溫也會加速細胞膜的流動性，進而刺激失活[22]。但當處于CO2的臨界壓力附近時，溫度升高會起到相反作用。scCO2處理芽孢桿菌的孢子時，存在一個極限溫度70 ℃，當低于極限溫度時達不到殺菌要求[23]。Spilimbergo等[24]研究發現在9.0 MPa，60 ℃處理6 h條件下，枯草芽孢桿菌孢子數量減少了超過6個數量級。但在溫和的溫度下成功殺菌是否依賴于添加劑的使用，仍需進一步討論。

2.2.3 時 間

處理時間是scCO2殺菌的一個關鍵因素，且跨度可以從5min到100 h不等。Bertoloni等[25]在研究中使用scCO2對醫療導管殺菌，30min即可滅活大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌以及白色念珠菌。為了更好地研究scCO2中微生物失活與處理時間之間的關系，采用修正后的動力學方程。

式中：A為漸近線最低值；λ為滯后期的時間長度；tt為完全失活所需處理時間，min；kdm為最大失活率。

2.3 超臨界二氧化碳殺菌效果對比

超臨界二氧化碳憑借有效的殺菌性能可以直接作用于革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌，以及真菌和病毒。通過對過去10年發表的文章進行對比分析，得到超臨界二氧化碳殺菌效果高于無菌保證水平4級的實驗方案。一般來說，與革蘭氏陰性菌相比，革蘭氏陽性菌的細胞壁具有更高的厚度和不同的組成，因此表現出更高的機械阻力和更低的CO2膜透，通常需要更強烈的操作條件才能進行超臨界殺菌失活。表2為scCO2對于紡織品微生物常見菌種的殺菌效果。

2.4 超臨界二氧化碳應用于紡織品殺菌

超臨界二氧化碳對紡織品殺菌示意圖如圖2所示。諸多學者成功地采用scCO2對紡織品殺菌，Donati等[30]發現在不使用添加劑的情況下，scCO2殺菌處理后熱固性材料金黃色葡萄球菌的數量可減少6個數量級，并且殺菌后材料的彎曲強度變化不到3%，不影響材料結構的完整性。Hossain等[31]利用scCO2對臨床固體材料殺菌，結果顯示處理后的材料中大腸桿菌數量最多可減少7.7個數量級，其材料的物理、結構參數等都沒有受到負面影響。Sousa等[32]研究scCO2處理后絲綢的力學和熱性能，其殺菌后的彈性模量和斷裂伸長率分別降低5%和升高7%。絲綢的結構和顏色不變，染色和未染色樣品的顏色不受處理影響。

表2 scCO2對紡織品常見菌種的殺菌效果Tab.2 Sterilization effect of scCO2 on common strains of textiles under

圖2 scCO2對紡織品殺菌示意圖Fig.2 Schematic diagram of scCO2 sterilization of textiles

Aslanidou等[33]使用超臨界殺菌設備(如圖3所示)對成功地實現了紡織品殺菌。殺菌裝置由冷凝器、CO2儲備罐、壓力和溫度控制器以及高壓殺菌器構成。殺菌過程可簡單概括為：CO2被壓縮后進入釜體內處理樣品，待結束后減壓降溫完成殺菌。該實驗證實了scCO2對感染真菌的絲織品殺菌有效，并在引入水和5% Ca(OH)2溶液后，溫度40 ℃，15 MPa的條件下，殺菌效果最佳，殺菌效率可達到97%。

圖3 scCO2殺菌流程圖Fig.3 scCO2 sterilization flow chart

3 結束語

在殺菌效果以及材料應用范圍方面，超臨界二氧化碳(scCO2)技術相比于傳統紡織品殺菌技術有一定優勢，scCO2能夠在低溫過程中對附著在織物中的微生物進行高效滅活，且不會對織物性能產生不良影響，殺菌后的物料無需烘干可立即使用，減少了能源成本和處理時間，且綠色安全、無污染，滿足“碳達峰碳中和”要求。但現階段scCO2殺菌技術應用于紡織品的研究還不全面，需進一步探索殺菌機制、對各種織物或類似織物結構材料的適用性以及使用添加劑對殺菌效果的影響，考慮經濟效益以及能耗等實際問題。因此，如何高效利用及是否可投入工業化生產仍待更深一步摸索討論。