抗菌技术及其在造纸行业中的应用

当前，随着世界人口的增加和生态环境的恶化，各种细菌、病毒对人类的危害越来越严重，它们不仅给人类带来疾病，甚至使人致命，对社会造成极大的危害。据世界卫生组织（WHO）统计，1995年，全世界因细菌感染引起死亡的人为1 700万人，约占全球死亡人数的1/3。1996年日本发生的致病性大肠杆菌0-157全国性感染事件，2000年日本、韩国、蒙古等国家发生的口蹄疫，2003年SARS的出现，这一系列事件都引起了全球性的恐慌。因此，近年来如何控制和消灭病菌及病毒传播引起的传染病已被提上日程。此外，这类微生物还会引起各种工业材料、化妆品、医药品等的分解、变质和腐败，从而使产品的寿命减短。因此，控制和消灭有害细菌的生长和繁殖，是一项与人类健康息息相关的重要课题。由于抗菌制品能从根本上杜绝人与人、人与物、物与物之间的细菌交叉感染，所以在全世界受到了普遍欢迎。在日本以及欧美发达国家，抗菌材料已广泛应用于医药、纺织、服装、食品包装等领域。 1 抗菌方法 微生物是种类繁多，人类肉眼无法看见的，非常小的一类生物。在生物学的分类上，既不属于动物界，也不属于植物界，而是属于原生生物界。通常，抗菌的对象是指那些对人类健康有害以及给人类生活带来不便的细菌等。 “抗菌”的含义非常广泛，包括灭菌、杀菌、消毒和防菌等多种含义。抗菌的方法可分为物理和化学两类。物理的方法是通过改变温度、压力以及使用电磁波、电子射线等物理手段杀菌。化学方法则是通过调节pH值、进行气体交换、失水、隔离营养源等手段灭菌。此外，还可利用化学药剂—抗菌剂来达到抗菌的目的。 根据不同的使用目的和抗菌处理对象，可选用不同的抗菌方法。目前使用抗菌剂是进行抗菌加工的主要方法，具有适用面广、效率高、有效期长等特点。 2 抗菌剂的分类 2.1 有机抗菌剂 根据有机抗菌剂的化学分子结构，人们将其分为20余个大类，包括季胺盐类、酚类、卤素类、有机氮类、醛基水溶液类、异噻唑及咪唑类等。其抗菌机理主要是与细菌和霉菌的细胞膜表面阴离子相结合，或与硫基反应，破坏蛋白质和细胞膜的合成系统，从而抑制细菌和霉菌的繁殖，起到杀菌、防腐及防霉等作用。 由于有机抗菌剂具有杀菌力强、效果迅速、来源广泛、价格便宜等优点，曾经得到广泛应用；但在使用过程中，人们又发现这类抗菌剂具有一定的挥发性，且耐热性较差，难以与纤维熔纺，并且当长期使用时有析出现象，尤其是将水溶性的小分子和高分子抗菌剂用于水处理、食品、医疗卫生及包装材料等领域时，往往存在毒性和余毒问题。为了改善抗菌剂的性能，降低它对环境，人畜的刺激和毒害，研制具有缓释、长效、高效、低毒安全的抗菌剂，人们正设法通过抗菌剂单体化合物的聚合或将抗菌剂分子固定在高载体上制成聚合物抗菌剂。 2.2 无机抗菌剂 利用银、铜、锌等金属本身所具有的抗菌能力，通过物理吸附或离子交换等方法，将银、铜、锌等金属（或其离子）固定在沸石、硅胶等多孔材料的表面即可制成无机抗菌剂。按载体来分类，无机抗菌剂可分为沸石型、磷酸复盐型、硅酸型、膨润土型、可溶性玻璃型和包覆型等。根据有效成分来细分，无机抗菌剂又可分为银系、钛系、铜系和锌系等。 钦系的原料包括TiO2,ZrO2等，其原理是TiO2在一定光照条件下还原、并发生氧化反应，使细菌分解，从而达到抑菌的目的，主要发生的化学反应为： Hv＋TiO2→h+＋e - H2O＋h+→·OH＋H+ O2＋e-→·O2- 式中：h+为带正电的空穴，e-为带负电的高活性电子，OH和O2-为可用于使细菌降解的高活性基团。 由于这种抗菌剂受环境的影响较大，因此其适用的范围有限：相比较而言，银系抗菌剂是使用最广泛的一类无机抗菌剂。由于银离子的毒性小，抗菌能力强，在人体中难以累积，所以在抗菌加工中应用的无机抗菌剂大部分是银系抗菌剂。银离子从载体中溶出后，与细胞体内的蛋白质发生作用，破坏了细菌的细胞膜或细胞原生质活性酶的活性，从而使细菌的代谢受阻，达到抑菌效果。 与有机类抗菌剂相比，无机抗菌剂的优点是具有安全性、耐热性、耐久性、持续性，是纤维、塑料、建材等生活制品最适宜的抗菌剂品种。不足之处是价格较高和抗菌的迟效性，不能像有机系抗菌剂那样能迅速杀死细菌，且容易变色。 2.3 天然抗菌剂 天然抗菌剂包括从动植物体内提取及微生物发酵生产的抗菌剂，类似薄荷、孟宗竹等提取物，壳聚糖等。壳聚糖是从虾蟹壳中提炼出的一种物质，具有优良的生物活性和生物相溶性，且可生物降解，抗菌作用明显。其抗菌机理是由于壳聚糖分子带正电荷，与带负电荷的细菌类微生物相互接触时，细菌表面的电荷被中和，从而使细菌的活动受到抑制，失去活性。同时壳聚糖进一步低分子化，渗透到微生物细胞壁内，阻碍遗传因子从DNA到RNA的转移，从而阻止微生物的发育，达到抗菌目的。 天然抗菌剂具有无毒、环保的优点，但受到安全性和加工条件的制约，目前还不能大规模市场化。 3 抗菌技术在造纸行业中的应用 3.1 造纸过程的杀菌防腐 造纸过程的杀菌防腐应用主要分为纸浆的杀菌防腐和涂料的杀菌防腐两类。 近年来，随着传统的酸性抄纸逐渐向中碱性抄纸过渡，各种废纸（二次纤维）的大量使用，以及纸机采用白水封闭循环系统，造成了生产车间各种设备和管道中沉积物的积累，使得微生物快速生长，引起腐浆障碍，尤其在夏季气温偏高的环境下，这一问题尤为突出。一旦混入腐浆的浆料上网，轻者影响纸机网部滤水，污染毛毯，使得出伏辊的湿纸页干度下降、强度降低，进而提高干燥部干燥负荷；重者造成断纸，影响纸机生产效率，并且易在成纸表面产生各种颜色的斑点和“孔洞”等纸病，以及纸页尘埃超标纸品等级下降等问题。为了保证纸机的正常生产，减少清洗次数，提高生产效率，有必要在浆料中加入杀菌防腐剂以减少或基本消除腐浆障碍。 在涂布加工纸生产过程中，因涂料制备时加入了多种诸如改性淀粉等有机物质，并且涂料和颜料的pH值均在碱性范围内，涂料在制备过程中由于高速搅拌的作用，使得涂料温度较高，这些都有利于细菌的生长和繁殖，造成涂料变质或损坏，在涂布过程中引起生产问题，在涂布纸长期贮存过程中发生霉变，造成不必要的损失。 抗菌剂的杀菌和抑菌浓度是对总纸料量或总涂料量而言的，因此，如在纸浆浓度较高处加入可以减少其用量。一般在造纸机抄前池、高位箱或调浆箱及白水池等处加入，也可以加入到废纸浆中；用于加工纸涂料中，可以在涂料制备后期直接加入到涂料罐中。 3.2 抗菌纸的生产 当前，很多医护用品可用纸代替，这些纸品除了要求本身经过消毒保持无菌，还应具备杀菌的功能。包装纸若能抗菌，则能令被包装物诸如食品、果蔬等延长使用期而不发生变质。部分生活用纸如卸装纸、吸油纸等，都要求对皮肤安全，但是没有灭菌功能的纸张在湿度较大的环境中极易滋长细菌，从而会对使用者产生不良后果。不少具有珍贵价值的文献，在收藏的过程中易被霉菌所毁，如果纸本身对细菌有抵抗作用，则文献、书画、证券等资料的保存就有了更高的保险系数。此外，公众交换频繁的纸，包括钞票、证券、电话本以及饭店使用的菜单等都应考虑增加抗菌的功能，使社会变得更加安全。 目前，抗菌纸的生产方法主要有以下两种。 3.2.1 杀菌剂的使用 根据杀菌剂的性质和所用纸张特性，加工方法大体有：湿部添加、表面施胶、喷淋、浸渍和涂布。 以纸张作为杀菌剂载体，利用杀菌剂的杀菌作用灭除微生物，与其他杀菌物品相比，具有重量轻、易保存、使用方便等特点，现已比较广泛的使用于医疗卫生、食品包装、环境保护、工业消毒、餐饮业和日常生活中。 使用杀菌剂生产抗菌纸加工方便，可供选择的杀菌剂范围很广，然而其缺点是抗菌效果的耐久性不理想，且通常使用的杀菌处理剂都不可避免毒性，对皮肤、眼睛也有刺激，经水洗后抗菌作用会下降，细菌还易产生耐药性。此外，利用杀菌剂对纸张或纤维进行处理过程中产生的残留物容易造成环境污染。 3.2.2 抗菌纤维技术 这种方法主要是通过将化学纤维的高分子结构改性或共混改性的方法，将抗菌剂添加到化纤高聚物中制得抗菌纤维，从而得到抗菌性能持久的纸品，其中又以共混改性的方法为主。 随着化纤工业的发展，人们开始尝试把纸张抗菌处理转向纤维改性以获取具有持久抗菌效果的纸张，然而与合成纤维共混改性所使用的抗菌剂部分存在对人体的毒性问题和抗菌潜不广的缺陷。 近年来，世界工业发达国家正在积极开发利用甲壳素及其衍生物纤维，甲壳素及其衍生物作为天然抗菌剂通过纺丝而制得的纤维具有优良的抗菌性和生物活性，无静电且天然无毒，可生物降解，符合新世纪绿色纤维应用的发展趋势。因而，采用甲壳素纤维作为抗菌材料以赋予纸张抗菌性，对于综合高效利用自然资源、加强人们日常生活卫生保健都具有现实意义。 4 结语 随着抗菌材料的开发，其应用越来越广泛。化工、纤维、食品、电机、水泥等行业均有了抗菌产品，并已有成熟的技术逐渐得到推广，而作为具有广泛用途的纸，其抗菌技术的研究却远远落后于上述领域，应引起相关行业人士的关注。 抗菌技术的应用必须根据行业自身的特点、应用的目标产品及其使用场合的不同予以设计，这也需要学科交叉知识和跨行业的技术协作，相信随着抗菌技术及造纸工业的不断发展，抗菌产品在造纸行业的应用必然会逐步扩大；同时，这对于提高造纸产品的质量，增进造纸产品的卫生性能，提高造纸产品的档次，改善人们的生活质量具有重大的社会效益和经济效益。 然而，由于当前我国尚无统一的行业标准和国家标准对抗菌制品的抗菌性能进行规范，从而导致加工和检测方法的随意性较大，抗菌产品市场混乱，严重地阻碍了这一新兴产业的健康发展。因此，尽快制定国家统一的抗菌性能检测标准具有十分重要的意义。 信息来源于：中国造纸技术网