紡織品抗菌面料的性能測試方法
摘要：作為防護性功能紡織品的抗菌整理，存在著各種不同性能測試方法。詳細介紹了紡織品抗菌性能的各種定性和定量測試方法；同時論述了影響紡織品抗菌性能測試效果的關鍵因素。
關鍵詞：紡織品抗菌面料；測試方法；定量測試；關鍵因素
0•前言
在現實生活中,人們不可避免地要接觸到各種各樣的細菌、真菌等微生物。這些微生物在合適的條件下會迅速生長繁殖,并通過接觸等方式傳播疾病,影響人類的身體健康。近幾年,國內外研制和生產了各種紡織品抗菌面料,因此如何準確地檢測和科學評價這些產品的抗菌性能,對于紡織品抗菌面料的良性發展就顯得尤為重要。抗菌織物測試方法在國外研究較早,尤其是美國和日本研究成果較多,西歐發達國家也提出了一些測試方法,但與美日方法大同小異,而國內抗菌測試也主要采用國外測試方法。迄今為止,具有代表性且應用較廣的是美國的AATCC100、ASTM E2149、日本的JIS L1902標準、我國紡織行業抗菌標準FZ/T 01021-92和GB/T 20944.1-2007。
1•測試菌種的選擇
測試的菌種包括細菌和真菌。在細菌中主要用革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌，在真菌中主要用霉菌和癬菌。
在紡織品抗菌面料抗菌性能的評價中,菌種的選擇必須具有科學性和代表性。表1列出的菌種在自然界(包括人體皮膚及粘膜上)的分布較為廣泛。
金黃色葡萄球菌是無芽胞細菌中抵抗力最強的致病菌,可作為革蘭氏陽性菌的代表。巨大芽胞桿菌是芽胞類細菌中常見的致病菌;枯草桿菌易形成芽胞,抵抗力強,可作為芽胞菌的代表。大腸桿菌分布相當廣泛,已作為通常的革蘭氏陰性菌的代表性菌種用于各種試驗。黃曲霉、球毛殼霉作為規定的防霉試驗用菌種,已列入我國國家標準(GB2423.16-81),其他一些所選擇的霉菌,則是侵蝕紡織品或高分子材料的常見霉菌。白色念珠菌是人體皮膚粘膜常見的條件致病性真菌,對藥物具有敏感性,具真菌的特性,菌落酷似細菌而不是細菌又不同于霉菌,因具有酷似細菌的菌落,易于計數觀察,常作為真菌的代表。
因此,為考核紡織品抗菌面料是否具有廣譜抗菌效果,較合理的選擇是按一定的比例,將有代表性的菌種配成混合菌種用于檢測。目前大部分抗菌產品的抗菌性能,往往僅選擇金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌分別作為革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和真菌的代表。但實際上僅用這三種菌來代表織物的抗菌性能是遠遠不夠的[1]。
另外,由于大部分真菌無法計數菌落數,因此,紡織品抗真菌性能的評價主要通過觀察試樣接觸真菌后,在一定的溫濕度的條件下,經過一定時間以后真菌在試樣上的生長情況來評定,而對真菌生長程度的評定,則采用英國標準BS6085-81來進行等級評定。
2•紡織品抗菌性能測試方法
紡織品抗菌面料性能測試方法主要包括定性測試方法、半定量測試方法和定量測試方法。
2.1定性測試方法
定性測試方法主要有美國AATCC Test Method90(Halo Test,暈圈法,也叫瓊脂平皿法)、JISZ2911-1981(抗微生物性實驗法)、AATCC-30（紡織材料抗霉菌和抗腐爛性能的評定）以及GB/T 20944.1-2007（紡織品抗菌性能的評價第1部分：瓊脂平皿擴散法）等。定性測試方法包括在織物上接種測試菌和用肉眼觀察織物上微生物生長情況。它是基于離開纖維進入培養皿的抗菌劑活性,一般適于溶出性抗菌整理,但不適用于耐洗滌的抗菌整理。優點是費用低,速度快,缺點是不能定量測定抗菌活性,結果不夠準確。
2.1.1 AATCC-90試驗法
是用于抗菌劑篩選的抗菌效力快速定性方法。原理是:在瓊脂培養基上接種試驗菌,再緊貼試樣。于37℃下培養24 h后,用放大鏡觀察菌類繁殖情況和試樣周圍無菌區的暈圈大小,與對照樣的試驗情況比較。此法一次能處理大量的試樣,操作較簡單,時間短。但也存在一些問題,如雖然規定了在一定時間內培養試驗菌液,但是菌濃卻沒有明確的規定。另外,阻止帶的寬度代表的是擴散性和抗菌效力,對于與標準織物比較是有意義的,但不能作為抗菌活力的定量評定[2]。
2.1.2 AATCC-90噴霧法
AATCC-90噴霧法是對AATCC-90試驗法改良之一，是在培養后的試樣噴撒一定量TNT試劑,肉眼觀察試樣上菌的生長情況。其發色原理為TNT試劑因試驗菌的琥珀酸脫氫酶的作用被還原,生成不溶紅色色素而顯紅色,從而達到判定抗菌性的目的。該種方法的優點就是無論試樣是否有抑菌圈形成,只要平板上有細菌生長,就會顯出紅色。
2.1.3 AATCC-90比色法
AATCC-90比色法也是對AATCC-90試驗法改良，是在培養后試樣上的菌洗出液中加入一定量的TNT試劑使發色,15 min后用分光光度計測定525nm處的吸光度,來求出活菌個數。但是以上兩方法不適用于無琥珀酸脫氫酶的試驗菌。
2.1.4 J ISZ2911抗霉菌試驗法
該法是第一條研究思路在霉菌檢測中的早期成果,其基本原理是:在樣品及培養基上均勻地噴灑一定量的混合孢子懸液,培養一定時間,定期觀察試樣長霉情況,按霉菌的生長情況分等級評價試樣的抗霉菌性能。
2.1.5 AATCC 30試驗法
AATCC-30是對紡織材料抗霉菌和抗腐爛性能的評定。確定了紡織材料抵抗霉菌和耐腐爛的性能,以評定殺菌劑對紡織材料抗菌性能的有效性。分為土埋法、瓊脂平板法及濕度瓶法等幾種方法。土埋法是指將樣品(具有一定尺寸)埋在泥中一定時間后,測定樣品的斷裂強度。此法是用樣品經土埋處理后所損失的斷裂強度來表征其抗霉能力。瓊脂平板法是用來評估織物抵抗這類細菌能力的方法。該法是將含有培養基的瓊脂平板均勻滴上一定量的分散有曲霉菌孢子的水溶液,然后將經非離子潤濕劑處理的樣品圓片放置其上,并在樣片上均勻滴加一定量的上述水溶液,在一定的溫度下放置一段時間,最后觀察樣品上霉菌的生長情況。它是用樣品圓片上的霉菌面積來進行表征的。濕度瓶法是經過預處理的樣品條懸掛置于一個有一定通風的，盛有一定量的，分散有一定數目細菌孢子的水溶液的廣口瓶中,在一定的溫度下放置一段時間。此法也是用樣品條上的霉菌面積進行表征[3]。
2.1.6 GB/T 20944.1-2007紡織品抗菌性能的評價第1部分：瓊脂平皿擴散法
此標準是國內最新推出的紡織品抗菌性能定性測試方法，平皿內注入兩層瓊脂培養基，下層為無菌培養基，上層為接種培養基，試樣放在兩層培養基上，培養一定時間后，根據培養基和試樣接觸處細菌繁殖的程度，定性評定試樣的抗菌性能[4]。
2.2半定量測試法
紡織品抗菌性能半定量測試法中應用的較多的是平行劃線法。
平行劃線法是對紡織品抗菌效力的半定量實驗方法,可相對快速和方便地定性測試經抗菌整理的紡織材料的抗菌性能,可用來確定具有可擴散抗菌劑的紡織品的抗菌能力。替代了繁瑣的A A T C C-1 0 0。
AATCC-147應用于紡織材料的抗菌整理的評定,是對紡織材料抗菌性能的半定量分析。AATCC-147法是將一定量的培養液(內含一定數目的金黃色葡萄球菌等細菌的孢子)滴加于盛有營養瓊脂平板的培養皿中,使其在瓊脂表面形成五條平行的條紋,然后將樣品垂直放于這些培養液條紋上,并輕輕擠壓,使其與瓊脂表面緊密接觸,在一定的溫度下放置一定時間。此法是用與樣品接觸的條紋周圍的抑菌區的寬度來表征織物的抗菌能力。
2.3定量測試法
目前紡織品抗菌性能定量測試方法最主要的就是燒瓶振蕩法和吸收法。燒瓶振蕩法是通過紡織品在菌液中的振蕩,使細菌與紡織品所含有的抗菌劑接觸,根據振蕩前后菌液中所含活菌個數的變化,作為抗菌性能的主要指標。而吸收法是將含有規定濃度的菌液滴加于紡織品抗菌面料試樣和不含抗菌劑的對照樣上,在規定條件下培養一定時間后,對培養前后的試樣和對照樣分別用規定的洗脫液進行洗滌,之后再對洗脫液中的活菌記數。通過對比培養前后活菌個數的變化,來評價抗菌性能。
振蕩法操作相對復雜,一般的標準中應用范圍也僅限于非溶出型紡織品抗菌面料;而雖然吸收法的操作較為復雜,耗時較長,但因其是定量方法,對溶出型與非溶出型紡織品抗菌面料均較適用,且試驗條件與人體實際穿著情況較為接近,所以是目前測試結果最為準確的方法。從科學性以及生活實際出發,該法都應該是未來紡織品抗菌性能測試的主要發展方向。
定量測試的標準主要包括以下幾種，美國AATCCTest Method 100(菌數測定法)、J ISL1902-8(1998)定量試驗法、FZ/T02021-92、改良的奎因(Quinn)實驗法、ASTM E 2149–2001（固著性抗菌劑抗菌性的動態測試法）、GB/T 20944.2-2007（紡織品抗菌性能的評價第2部分：吸收法）等。定量測試方法的優點是定量、準確、客觀,缺點是時間長、費用高。下面介紹一下常用的紡織品定量測試方法。
2.3.1 AATCC Test Method 100試驗法
該法于1961年由美國紡織印染協會標準委員會提出,1965、1981年修訂后基本定型。該法提出時間較早、影響較大,能定量地檢測試樣的殺菌能力和抑菌能力。原理為:在待測試樣和對照試樣上接種測試菌,暴露一定時間后分別加入一定量中和液,強烈振蕩將試樣殘存活菌洗出,以稀釋平板法測定洗脫液菌濃度,與對照樣比較,計算抗菌織物上細菌減少的百分率[5]。
此法的缺點是一次試驗的檢體不能太多,且花費時間較長;對于非溶出型試樣,不能進行抗菌性能評價;沒有詳細規定中和溶液的成份;而且菌液中營養過于豐富,與實際穿著條件相差太大;容器太大,不易操作。
在吸收國內外經驗的基礎上,經過大量的實驗,對其加以改進,形成了一套系統的定量測試方法體系,可以滿足不同紡織品抗菌面料抗菌性能測試的需要，即改良AATCC-100,要點如下:將AATCC-l00法的試樣由直徑為4.8 cm的圓形改為邊長約1.8 cm的正方形,將其放入30 mL或50 mL帶蓋錐形瓶。用0.85%冰冷生理鹽水(0~4℃)代替AATCC肉湯稀釋接種菌。將菌種從約108~109 cfu/mL稀釋到1×105~2×105 cfu/mL,制成接種菌液。用20 mL,0.85%冰冷生理鹽水代替中和劑洗滌試樣。
用下式計算試樣的抑菌活性和殺菌活性:抑菌率="18h后空白對照樣活菌數-18h后試樣活菌數/18h后空白對照樣活菌數×100%殺菌率=“0”時空白對照樣活菌數-18" h后試樣活菌數/“0”時空白對照樣活菌數×100%該種方法無論對于溶出型試樣,還是非溶出型試樣,都能進行抗菌測試,而且培養基的養分適合織物的使用條件。
2.3.2 J ISL1902-8(1998)定量試驗法
日本學者對美國AATCC100法提出的改良方法,如菌數測定法、細菌增殖抑制試驗法、瓊脂平板法、改良細菌增殖抑制試驗法、改良的AATCC100試驗法等,依此日本工業標準委員會對JISL1902-1990標準進行修訂,制定出了JISL1902-1998標準[6]。
2.3.3 FZ/T02021-92試驗法
FZT01021–92中華人民共和國紡織行業標準，織物抗擾菌性能試驗方法(以下簡稱FZ／T法)；將測試樣和對照樣分別放于三角瓶中(測試樣2瓶，對照樣1瓶)，加入指示菌菌液后將對照樣和零時測試樣上的菌立即用緩沖液洗滌并測定菌量，20 h試樣置適宜溫度下培養后也用緩沖液洗滌，并測定菌量，然后計算出試樣細菌減少百分率。
2.3.4改良的奎因(Quinn)試驗法
實驗原理：將實驗菌液直接滴于待檢織物上，使細菌充分在織物上接觸暴露一定時間，然后覆蓋培養基，使剩下的菌體生長。比較抗菌樣品菌量下降百分率，對其抗菌能力做出判斷。使用放大鏡計數菌落形成單位[7]。
2.3.5 ASTM E 2149–2001試驗法
ASTM E 2149–2001是一種振蕩測試法,測試操作比吸收法簡單,是目前較為理想的測試方法。振蕩法是在一定液體中接種細菌,對于試樣的吸水性要求不高,對于纖維,不論是粉末狀或羽絨羽毛,或凹凸不平的織物,任意形狀的試樣都能應用,且對非溶出型和溶出型抗菌織物的測試都非常適用。該測試方法不僅可以測試織物,還可以測試粉狀和顆粒狀材料,以及其他表面處理固體材料[8]。
2.3.6 GB/T 20944.2-2007紡織品抗菌性能的評價第2部分：吸收法
此標準是國內最新推出的紡織品抗菌性能定量測試方法，測試原理是將試樣與對照樣分別用試驗菌液接種。分別進行立即洗脫和培養后洗脫，測定洗脫液中的細菌數并計算抑菌值或抑菌率，以此評價試樣的抗菌效果[9]。
3•影響紡織品抗菌測試方法中的關鍵因素本文主要針對定量測試方法中的燒瓶振蕩法和吸收法做介紹。
3.1影響燒瓶振蕩測試效果的關鍵因素影響燒瓶振蕩法測試結果的關鍵因素包括試驗菌種、洗滌劑、洗滌方法、測試參數以及抗菌效果的判定等[10]。
3.1.1試驗菌種
即使是使用同屬一個菌種的微生物,但如果來源不同,對抗菌整理加工樣品的敏感性也有差異,測出的抗菌值也就不同。所以,測定時盡量使用標準菌株。細菌的生長都有一定的規律性,一般可分為:遲緩期、對數增長期、穩定期和衰退期等四個生長期。
不同細菌的各個生長周期長短不一。如紡織品抗菌面料檢測時常用細菌“金黃色葡萄球菌”繁殖速度比大腸桿菌、肺炎桿菌要慢得多。接種不同時期試驗菌(即細菌的活性不同)得出的結果也有所差異。
3.1.2洗滌劑、洗滌方法
除非是一次性用品或根據實際用途不需要洗滌的試樣,一般在測試樣品前處理時都要先洗滌一次,一是為了去除織物上的灰塵或雜質,二是消除過量使用的抗菌劑。
洗滌試驗采用何種洗滌劑,以及是否已將殘留洗滌劑清洗干凈,對結果的影響很大。因此,對洗滌程序及洗滌劑要進行標準化,不然,不同測試單位的試驗數據就會缺乏可比性。
3.1.3測試參數
溫度是影響微生物生長的一個重要因素。溫度過低,細菌就會停止生長;當溫度升高時,細胞內的化學反應和酶生化反應速率均較快,生長速率加快。大部分細菌屬于嗜溫微生物,最適生長溫度在37℃左右。細菌的繁殖受溫度的影響非常大,所以,對溫度的考慮是不可缺少的。
紡織品抗菌面料測試方法中,除了《抗菌針織品》行業標準將樣品上菌液培養溫度設定為(24±1)℃,其余皆為37℃。為避免試驗過程中溫度差異對細菌生長產生的影響,使各標準間具可比性,應統一測試溫度。接種菌液濃度、接種菌活性、接種菌營養水平、樣品與菌液接觸時間的培養方式及培養時間等,皆對測試結果有影響。因此,規定統一的測試參數,可使實驗室內和各實驗室間測試結果具有重演性和可比性。
3.1.4抗菌效果的判定
目前,抗菌結果的表示有百分率和對數值兩種。百分率易于理解,但抗菌差異不明顯。如90%、99%、99.9%、99.99%、99.999%......百分率數值上看似乎差一點點,但是小數點后多一個9,實際數值就要相差10倍,而且測試報告上一般只保留小數點后一位數,因此,抗菌差異顯示不出。況且,細菌是以幾何級數增長的,因此,用百分率來表示并不合理。用對數值則可分別表示為1、2、3、4、5,讓人一目了然地了解其抗菌差異,但是不易被外行人士理解。考慮到環境和安全因素,不可片面追求過高的抗菌效果。抗菌織物大多數與人體皮膚直接接觸,而且需多次洗滌,應保證其安全性和持續性。臺灣地區標準CNS14945《一般用途紡織品抗菌面料性能評估》的適用范圍備注中規定,在測試抗菌性能之前,申請者必須附上抗菌劑的皮膚刺激性(pH值<2)或過敏性(無過敏反應)的動物試驗報告,以及產品中添加物之經口急性毒性報告–小鼠>1000 mg/kg無死亡和異常現象的認證實驗室報告正本,或是原料廠商提供的第三方檢驗報告副本及保證書。對于無需洗滌或不接觸人體的制品,可降低這方面的要求。所以,有必要根據實際用途設定合理的抗菌效果判定值。
3.2影響吸收法測試效果的關鍵因素
影響吸收法測試結果的關鍵因素包括菌液制備、對照樣、試樣重量以及培養時間等4個關鍵因素,對于實驗的成功與否起著決定性作用[11]。
3.2.1菌液制備
菌液制備是抗菌試驗中初始、但又非常關鍵的一步,直接決定著試驗中細菌生長情況的好壞。目前的制備方法,分別為以美國AATCC 100為代表的兩步法、以日本JIS L 1902為代表的三步法。所謂兩步法,就是分以下兩個步驟培養細菌:
第一步,用接種環取一接種環保存的菌種,劃線接種于營養瓊脂平皿內,并將該平皿在37℃條件下培養一定時間;
第二步,從第一步平皿中挑取一典型細菌菌落,接種于營養肉湯中,并在37℃條件下培養一定時間;然后,就是將第二步中的菌液稀釋至規定濃度。
而三步法則是在兩步法的基礎上再增加一步,即適量采取第二步中培養的菌液,加入到營養肉湯中,也在37℃條件下培養一定時間,最后再將培養的菌液稀釋至規定濃度。
在抗菌試驗中,必須是活性較高的細菌才能真實地反映紡織品抗菌面料的抗菌性能。在試驗中,活性的高低一般是根據對照樣上的細菌在培養前后的增長情況來判斷的。細菌增長得越多,其活性就越高;反之就越低。兩步法與三步法的實驗數據表明(如表2所示),三步法使得菌液中的細菌活性大大提高,尤其對于生長活性較差的金黃色葡萄球菌來說效果更加明顯,但對于活性較高的大腸桿菌來說變化不大。三步法避免了使用活性較低的保存菌種風險,可保證試驗的重現性,真實反映紡織品的抗菌性能。但連續的3次培養,相對兩步法來說,不僅耗時太長,而且操作煩瑣,對于活性較高的大腸桿菌來說顯得有些多余,因為采用兩步法也能達到三步法的結果,即只要對照樣上活菌數的增加倍數符合要求即可。為了操作簡便,應根據菌種選用合適的方法。
3.2.2對照樣
在抗菌試驗中,對照樣的選擇極為關鍵。這是因為計算抗菌效果是以對照樣為基礎的,對照樣上細菌生長情況的好壞,決定著抗菌效果的評價結果。一些方法選擇了與試樣同一類型、但不含抗菌劑的織物作為對照樣,這主要是為企業而設定的,主要用于篩選工藝的比對試驗。而對于市場化的檢測就無法操作了,企業在送檢時往往提供不出對照樣來。因此,無論是從實驗的可操作性、還是可對比性來看,都應當選擇一種既有代表性的、又能對大多數試樣都適用的對照樣。
考慮到紡織品抗菌面料一般都是內衣、內褲、襪子等與人體皮膚接觸較多的純棉紡織品,故在實驗中,選擇了GB 7565287中規定的紡織品色牢度試驗用棉貼襯織物作為對照樣。在前期試驗時,未對棉貼襯織物洗滌而直接進行的試驗表明,該貼襯織物上的細菌經過19 h培養后洗下的液體,按照十倍稀釋法對其活菌進行計數,數據嚴重違背十倍稀釋規律,甚至出現3.2.3試樣用量試樣用量的多少對結果有著顯著影響。這是因為,在對培養后的試樣洗滌其上的活菌過程中,試樣所含有的抗菌劑同時也被洗出。試樣量越多,洗脫下來的抗菌劑就越多。而這些洗下的抗菌劑,會進一步抑制洗滌下來的液體中殘留的活菌的生長,從而使得最后的活菌數減少。試樣用量越多,活菌數就減少得越多,從而抗菌效果也越好,但這種結果并不能真實反映紡織品的抗菌性能。因此,統一試樣用量在抗菌試驗中就顯得非常重要。
3.2.4培養時間
培養時間是指細菌在正常情況下,從生長繁殖到其活菌數達到最大值的時間。理論上,該時間段為18h比較合適。在現行方法中,有選擇18～24 h的,有選擇18±1 h的,還有選擇20±2 h的,基本上都是在18～24 h范圍內進行選擇。
4•結論
迄今為止,國際上對抗菌測試還沒有一套統一的標準,在實驗菌種、實驗儀器、實驗方法和評價方法等方面都有一定的差異,不同的檢測方法對檢測結果也有影響。國家應盡快制定統一、權威、科學的紡織品抗菌面料檢測標準及評價體系,以規范、監督這個極具發展潛力的市場。
