俞家琛

(浙江省杭州第二中學(xué),浙江杭州 310053)

紫甘薯花青素在口罩材料上的應(yīng)用研究

俞家琛

(浙江省杭州第二中學(xué),浙江杭州 310053)

為提高花青素類化合物在日常生活中的應(yīng)用水平,本研究選取口罩材料作為應(yīng)用對象,避免污染口罩對人體的二次危害,用分光光度法測得紫甘薯母液的花青素含量為280mg/l,稀釋后配置成不同濃度,濾材浸泡后烘干。實(shí)驗(yàn)采用了雙變量對比法,不同花青素含量的濾材在不同的PH值溶液顯色實(shí)驗(yàn)和人佩戴含花青素成分的口罩12小時(shí)后顯色對比,280mg/l和140mg/l濃度中處理的濾材在PH6.5溶液中的變色和佩戴相同花青素濃度含量的口罩12小時(shí)后的變色基本一致。結(jié)論:紫甘薯中花青素類化合物可以在口罩材料上應(yīng)用。

花青素 濾材 變色 應(yīng)用

1 項(xiàng)目研究的背景

1.1 國內(nèi)目前的空氣污染情況

由于社會的發(fā)展，日常生活、環(huán)境污染、工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣等排放的廢棄物導(dǎo)致在空氣中懸浮顆粒物越來越多，秋冬季又經(jīng)常是霧霾和季節(jié)性流感疊加，由于民眾對霧霾和流感的重視程度不斷提高，口罩作為個(gè)人呼吸保護(hù)裝置，保護(hù)佩戴者的呼吸器官免受有害煙、氣、塵和飛沫的危害，需求不斷增加。

口罩一般分為醫(yī)用、勞保用品、保健用品三種類別，普通的一次性口罩多是由熔噴布或無紡布制成的，其主要原料是聚丙烯。目前市場上銷售基本是簡易自吸過濾式防塵口罩，靠佩戴者呼吸克服部件阻力用于防塵的過濾式呼吸護(hù)具。

1.2 目前口罩材料的缺點(diǎn)

由于普通口罩多是由熔噴布或無紡布制成的，別看這口罩只有薄薄的幾層，使用一段時(shí)間以后，粉塵、顆粒物吸附在口罩表面，造成阻力變大、流量變小，透氣性明顯變差。不僅阻礙了新鮮空氣的進(jìn)入，造成缺氧，鼻腔黏膜自身抵抗能力下降，而且還會使口罩內(nèi)部的呼出氣不能順暢地透出，污濁的氣體反復(fù)吸入，導(dǎo)致呼吸道感染。

人佩戴時(shí)口罩處于潮濕、溫暖的環(huán)境下，有利于病菌在口罩上繁殖，口罩不但沒有擋住致病菌，反而讓“送菌入口”，造成呼吸道感染。由此二次污染的口罩對人體的危害很大，極大地影響人們的健康。目前目測和經(jīng)驗(yàn)是人們判斷口罩是否有效的主要方法，在失效前提前廢棄是資源浪費(fèi)，失效后繼續(xù)使用會危害健康，所以急需要一種設(shè)別口罩有效性的方法來解決這個(gè)問題。

圖1 pH為4時(shí)花青素溶液的紫外吸收光譜圖

圖2 不同濃度花青素溶液的吸光度

1.3 項(xiàng)目的由來

本項(xiàng)目是前期“一種新穎鼻塞過濾器”的延續(xù)，濾材上含花青素成分的“一種新穎鼻塞過濾器”在實(shí)際佩戴8小時(shí)后，濾片從紫色變成了粉紅色， 用此方法加工的紫甘藍(lán)色素溶液因工藝較為粗糙，在使用時(shí)只能對鼻塞過濾組件的污染程度進(jìn)行“定性”監(jiān)控。本項(xiàng)目受測量人體體溫的比色卡試紙的啟發(fā)，對花青素在濾材上的使用進(jìn)行精確地定量分析。

項(xiàng)目經(jīng)浙江省科技信息研究院(國家一級科技查新單位)查新，部分查新結(jié)論如下：“經(jīng)分析比較，當(dāng)空氣中的各類有害氣體通過封閉鼻塞內(nèi)‘過濾組件’時(shí)，‘過濾組件’內(nèi)的花青素會引起反應(yīng)，從而提示人們及時(shí)更換‘過濾組件’；含花青素‘過濾組件’的鼻塞加工方法，以上特點(diǎn)在所檢文獻(xiàn)中未見述及?！?/p>

項(xiàng)目首次將花青素成分添加到過濾組件上，可實(shí)現(xiàn)對空氣中(酸堿)污染程度和對“口罩”使用時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而可及時(shí)更換口罩，保證能清潔干凈的使用口罩；在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成了含花青素“智能口罩材料”的加工方法；定量精確研究濾片的污染程度以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化價(jià)值，另考慮通過許可濾材生產(chǎn)企業(yè)使用專利權(quán)的方式開發(fā)含花青素成分的空氣過濾材料，并可以在普通口罩上推廣使用。

2 基本思路和原理

2.1 基本思路

從植物中提取花青素成分，均勻添加到口罩過濾材料上，在不影響口罩過濾性能的前提下，在佩戴一段時(shí)間后，從口罩濾材的顯色變化結(jié)果對照比色卡確認(rèn)口罩的污染程度，增加了可監(jiān)控口罩污染程度的新功能，可以讓使用者在進(jìn)行日常活動的同時(shí)，提醒人們及時(shí)更換口罩，從而能盡可能的得到合適的保護(hù)。

圖3 140mg/l花青素溶劑浸泡濾材的顯色變化

普通一次性口罩一般由三層材料組成，由外到內(nèi)分別是：30克PP紡粘藍(lán)布、熔噴無紡布及30克PP紡粘白布，其中內(nèi)外層均為聚丙烯材料，藍(lán)布顯藍(lán)色是因?yàn)樵谒{(lán)布上添加了聚丙烯色母粒，僅顏色不同而已。內(nèi)外層主要起到阻止微生物穿透、防水、保持力學(xué)性能的功能，內(nèi)層熔噴無紡布起過濾的作用。內(nèi)外層主要的性能指標(biāo)有防護(hù)性能、舒適性能、力學(xué)性能和沾濕性能等，防護(hù)性能主要是對細(xì)菌、微細(xì)粉塵粒子的過濾效率，主要通過耐靜水壓的指標(biāo)來確認(rèn)，要求通過AATCC127耐靜水壓測試；舒適性能主要是指佩戴者使用后的舒適性，面部是否有異物感，包括生理的舒適性和活動的方便性；力學(xué)性能主要表現(xiàn)為縱、橫向的強(qiáng)力和伸長率，由于內(nèi)容中間層熔噴無紡布的力學(xué)性能差，所以口罩力學(xué)性能主要依靠內(nèi)外層；沾濕性能是要求表面張力低于水、油、酒精的表面張力，能提高拒濕性能，內(nèi)外層在濕態(tài)環(huán)境下細(xì)菌、病毒的易穿透。我們將不同濃度的花青素成分添加在口罩的內(nèi)層(30克PP紡粘白布)上，烘干后委托樣品提供單位進(jìn)行檢測，主要檢測添加花青素成分后是否影響材料原有的防護(hù)性能、舒適性能、力學(xué)性能和沾濕性能。如果不同濃度的花青素成分添加在30克PP紡粘白布上對濾材的功能沒有影響或者影響不大且符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，下一步選取不同花青素含量的濾材放入內(nèi)有不同PH值溶液的表面皿上，觀察顏色的變化并生成比色卡，實(shí)驗(yàn)確認(rèn)顏色變化最明顯的那種濾材；將這種濃度的花青素濾材作為口罩的內(nèi)層，人呼吸時(shí)呼出的二氧化碳和溫濕的水汽形成弱碳酸，人佩戴12個(gè)小時(shí)后觀察顏色的變化并與比色卡比較，通過對比比色卡得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 原理

花青素屬于酚類化合物中的類黃酮類，其基本結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)苯環(huán)，并有一個(gè)3碳的單位連接(C6-C3-C6)。花青素廣泛存在于開花植物(被子植物)的花、果實(shí)、莖、葉、根器官的細(xì)胞液中，分布于27個(gè)科、72個(gè)屬的植物中。目前已經(jīng)進(jìn)行開發(fā)、利用和商業(yè)化生產(chǎn)的有葡萄皮色素、巴西莓、藍(lán)莓、紫甘薯、紫甘藍(lán)、紫玉米、桑葚、黑米、黑豆等，紫甘薯種植的推廣為花青素產(chǎn)業(yè)化提供了重要的原料基礎(chǔ)。紫甘薯中花青素的主要成分是矢車菊色素和芍藥素，以糖苷化后的?；苌镄问酱嬖冢蚱渚哂械孽；鶊F(tuán)，所以比一般花青素對光、熱、空氣等感應(yīng)較少，性質(zhì)更穩(wěn)定；紫甘薯中花青素色素具有常溫下較穩(wěn)定、對酸和堿穩(wěn)定性差、對自然光穩(wěn)定性好之特性。即在常溫下其顏色隨時(shí)間的延遲基本無變化，但能隨空氣中的酸堿程度變化而變化，花青素色素比紫色石蕊顯色明顯且靈敏度高，是一種良好的綠色環(huán)保酸堿指示劑。

紫甘薯含豐富的花青素色素且價(jià)廉易得。由于紫甘薯中的花青素分子含有多個(gè)酚羥基及吡喃環(huán)上有四個(gè)陽離子，所以花青素同時(shí)具有酸及堿的性質(zhì)，能濃于稀酸及稀堿，且對酸和堿都很靈敏?；ㄇ嗨鼐哂心苡?酸)變紅，遇(堿)變藍(lán)，中性為( 紫)的特性，故在常溫下有會隨時(shí)間的延遲隨空氣中的酸堿程度變化而變化。將這一特征應(yīng)用在口罩過濾材料中，當(dāng)空氣中的各類有害氣體通過含花青素濾材時(shí)，“過濾材料”內(nèi)的花青素會引起反應(yīng)，根據(jù)空氣中的酸堿程度的變化而發(fā)生變化，可實(shí)現(xiàn)對空氣中(酸堿)污染程度和對“口罩”使用時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而可及時(shí)更換口罩，保證能清潔干凈的使用口罩，避免口罩所產(chǎn)能的二次污染。

此外，天然提取的花青素具有抗氧化、抗突變、預(yù)防心血管疾病、保護(hù)肝臟的功能，更具有抑菌功能。天然花青素成分添加到口罩材料上不僅安全、無毒，還有藥理保健的功能。

實(shí)驗(yàn)同時(shí)也考慮到口罩佩戴時(shí)光照和氣溫對花青素穩(wěn)定性的影響：紫甘薯中花青素的成分主要是矢車菊色素和芍藥素，在自然光及避光的條件下，性能很穩(wěn)定；但日光直射對花青素的穩(wěn)定有一定的影響，花青素在日光直射1天后的保存率在80%以上；花青素在60℃以下時(shí)很穩(wěn)定，7天后的保存率仍能達(dá)到93.77%。因?yàn)槠胀ㄒ淮涡钥谡值脑诔叵律a(chǎn)、使用時(shí)間在24小時(shí)內(nèi)，以上數(shù)據(jù)能符合花青素成分在一次性口罩材料上使用的要求。

3 研究內(nèi)容和方法

3.1 材料和儀器

材料：紫甘薯(浙紫薯1號)，購于杭州市濱江區(qū)江南豪園農(nóng)貿(mào)市場；熔噴無紡布，由嘉興嘉瑞過濾科技有限公司提供；30克PP紡粘白布，由南通匯優(yōu)潔醫(yī)用材料有限公司提供；普通醫(yī)用口罩，江西3L醫(yī)用制品集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)，購于藥品連鎖商店；PH緩沖劑、PH精密試紙，由杭州市化工研究院有限公司提供。

儀器：九陽榨汁機(jī)；TU-1900雙光束紫外可見分光光度計(jì)；CT15RT臺式冷凍高速離心機(jī)；DHG電熱鼓風(fēng)干燥箱；SCOUT SE電子天平；100-1000ul微量移液器；燒杯、試管、表面皿若干；250ml容器瓶等。

3.2 花青素的提取

參閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，花青素的提取方法有酸性溶劑浸提、超聲波提取、酶解法和超高壓輔助提取等方法，考慮到提取的花青素直接應(yīng)用到口罩上及綜合提取難度等因素，本次實(shí)驗(yàn)采用了傳統(tǒng)榨汁提取方式。

取4-6個(gè)新鮮的紫甘薯(視甘薯大小而定)，將紫甘薯洗凈削皮2-3mm后，切成長條狀，然后放到榨汁機(jī)中榨汁，汁中含有大量淀粉及雜質(zhì)，經(jīng)沉淀后取上層清液，清液過濾后得到高濃度的花青素粗母液，接著將此母液分裝在塑料試管中經(jīng)高速離心機(jī)分離，離心機(jī)溫度設(shè)定常溫，轉(zhuǎn)速8000轉(zhuǎn)/min，時(shí)間設(shè)定為5min，取上清液，測上清液的吸光度A。

3.3 花青素的定量

3.3.1 花青素最大吸收峰波長的確定

將高速離心機(jī)分離后的花青素母液用去離子水稀釋24倍，然后滴加pH=4的緩沖溶液，經(jīng)紫外分光光度計(jì)確定花青素的最大吸收峰波長為530nm。結(jié)果如圖1、圖2。

3.3.2 花青素濃度的確定

而莧萊紅的也是530nm，依據(jù)這一共性，花青素的絕對含量便用合成莧萊紅為基準(zhǔn)物來計(jì)算。繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到下式回歸方程：

式中：Y—提取液的濃度(10-6g/mL)；X—提取液的吸光度。根據(jù)提取液中吸光度，代入公式(1)中就可以算出提取液中花青素的濃度。將花青素母液稀釋24倍后，然后在530nm處測定提取液的吸光度A=0.2752，帶入公式1得花青素提取液濃度為11.7×10-6g/mL，從而得到提取的母液中花青素濃度為280.8×10-6g/mL。為了檢測用莧菜紅標(biāo)準(zhǔn)曲線方程測定的準(zhǔn)確性，分別將待測的花青素提取液再稀釋2/3，1/3，然后分別測定吸光度A，線性關(guān)系很好，用公式(1)來計(jì)算花青素提取液濃度值準(zhǔn)確度很高。

3.4 花青素對濾材性能的影響分析

已測定的提取液中花青素的濃度為280mg/l，用250ml容量瓶，加去離子水定容，配成5種不同濃度的花青素溶液備用，另四種濃度分別是140mg/l、70mg/l、35mg/l和17.5mg/l。將120*120大小的濾材浸泡在已知濃度的花青素溶液中，然后將濾材放置鼓風(fēng)干燥箱中烘干，鼓風(fēng)干燥箱設(shè)置溫度為40℃，時(shí)間為24h。將烘干好的濾材委托濾材生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行性能檢測，經(jīng)過南通匯優(yōu)潔醫(yī)用材料有限公司檢測，熔噴白布濾材添加花青素成分后對濾材性能沒有影響。

3.5 不同pH下花青素比色卡的制作

用成套緩沖劑，配置pH值分別是4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10共13種溶液，另準(zhǔn)備若干已在280mg/l、140mg/l、70mg/l、35mg/l和17.5mg/l濃度中浸泡、烘干的濾材，并剪成5mm*5mm，用鑷子夾住不同花青素濃度的濾材觀察濾材顏色的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在280mg/l和140mg/l濃度花青素溶液中浸泡、烘干的濾材在不同的PH值的溶液中變色明顯，基本的趨勢如下：

3.6 花青素口罩佩戴實(shí)驗(yàn)

佩戴在濃度為140mg/l花青素溶液中處理的口罩12小時(shí)，觀察顏色變化，人呼吸產(chǎn)能的CO2和水氣在口罩相對密閉的環(huán)境中產(chǎn)生的微量碳酸形成弱酸性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果變色類似于6.5PH值的實(shí)驗(yàn)。通過圖1比色卡，可以看出我們用過的花青素改性口罩的顏色變化，從而鑒別口罩是否污染，及時(shí)更換。

4 社會效益和經(jīng)濟(jì)效益

由于花青素在醫(yī)藥保健領(lǐng)域的應(yīng)用，花青素的提取已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，根據(jù)西安瑞林生物技術(shù)有限公司的報(bào)價(jià)，含量25%花青素粉末的市場價(jià)格每公斤在700元左右。 濃度為140mg/l的花青素溶液浸泡濾材，每升能浸泡5平方熔噴白布濾材，口罩用量是100mm*120mm，每平方能做83個(gè)口罩計(jì)算，由此計(jì)算到每平方熔噴濾材上的成本在0.08元，計(jì)算到每個(gè)口罩上幾乎可以忽略不計(jì)。由此可以解決一次性口罩使用時(shí)效性的問題，提高使用的效率，既可以避免提前遺棄造成的浪費(fèi)，也可以提醒佩戴者及時(shí)更換，避免已污染口罩的二次污染。批量生產(chǎn)時(shí)可以考慮用絲網(wǎng)印刷、3D打印或者是浸泡低溫鼓風(fēng)烘道工藝來解決量產(chǎn)的問題。

5 結(jié)語

本研究采用花青素濃度和PH值雙變量的變色反應(yīng)，和實(shí)驗(yàn)者佩戴添加不同含量花青素濾材的口罩1 2小時(shí)后的變色對比，280mg/l和140mg/l濃度中處理的濾材在PH6.5溶液中的變色和佩戴同種濃度花青素濾材的口罩12小時(shí)后的變色基本一致，紫甘薯中花青素類化合物可以在口罩材料上應(yīng)用。

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