CN106635446B - 一种生物膜清洁剂及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物膜清洁剂的制备及其应用，以质量百分含量计，由如下组分制成：群体感应抑制剂45～55％；表面活性剂25～35％；水软化剂15～20％；述群体感应抑制剂以质量百分比计由以下组分混合而成：菠萝酮30～40％；薄荷醇30～40％；香草醛30～40％。本发明以群体感应抑制剂为主，通过抑制微生物的群体感应行为来抑制致病菌的生物膜生成及细菌的生长，而不是现有多数清洁剂采用的利用化合物来抗菌灭菌，由此避免了杀菌过程中的耐药性问题。
Description
技术领域
本发明涉及环保应用领域，具体涉及一种生物膜形成抑制剂的制备及其应用。
背景技术
随着我国城镇化建设和水平不断提高，城市人口急剧增长，居民对生活品质的要求也在不断提升，如何有效清除洁具上的水垢、医疗器械表面的生物膜等也引起人们的广泛关注。细菌在接触到湿润的固体物表面时会形成一层粘稠而富含养分的生物膜。这层生物膜形成之后又会吸引更多的细菌及其它颗粒物而迅速成为活跃的病原体聚居地。这不仅影响器具的美观和使用，更严重危害人类的健康。有研究表明：至少80％的细菌感染与生物膜有关。因此，如何有效地处理生物膜问题亟待解决。
生物膜的形成是一个动态过程，包括可逆性粘附、不可逆性粘附、微菌落形成、生物膜成熟和解聚等阶段，任何一个阶段的异常都会影响生物膜的形成。从不同的阶段分析，生物膜清除主要包括两个方面：采用抗菌生物材料，阻止细菌在材料表面粘附；阻止细胞间相互作用，抑制生物膜形成。
目前，清除生物膜的方法主要为采用抗菌生物材料，有聚乙二醇、重金属或生物活性分子(如纳米银、ZnO等)、阳离子表面活性分子(如季铵盐等)等。其中聚乙二醇高度亲水，具有很大的排斥体积和反渗透压，其抗细菌粘附的能力极强，但具有投加量大、杀菌品种单一的缺点；ZnO等重金属作用明显，但还存在二次污染和产生副产物的缺点；季铵盐类固定于材料表面，形成缓释效应，对抑制生物膜形成有很好的效果，但长期使用容易产生耐药性问题。
阻止细胞间相互作用的方法主要为抑制细菌的群体感应。细菌群体感应(Quorumsensing，QS)现象在自然界普遍存在，QS作为细菌在长期的进化选择压力下形成的广泛使用的“语言交流”调控调节机制之一，在细菌适应不断变化的环境过程中发挥着十分重要的作用。抑制或干扰细菌QS作用，可阻断细菌间的“细菌交流”，从而抑制群体感应调控的生理生态行为的发生，破坏细菌的群体感应即可有效地破坏微生物的生物膜形成及其稳定，达到抑菌的效果。同时可减弱其抗性，在其他药剂成分基础上起到增效的作用，减少药剂使用量而增强抑制生物膜形成的效果，有效的避免抗菌过程中的耐药性问题。
申请号为201610098695.0的中国发明专利申请公开了一种汽车玻璃清洁剂及其制备方法，将异丙醇、乙二醇、乙二醇单丁醚等混合后可迅速去污，简单快捷，但异丙醇等为有毒危险品，会对人体产生危害，造成环境污染。申请号为201610073444.7的中国发明专利公开了一种天然清洁剂及其制备工艺，采用天然提取物为原料，无毒无刺激，同时具有杀菌、抑菌的功效，但其原料成本过高，所需投加量大。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种生物膜清洁剂的制备及其应用，以群体感应抑制剂为主，与具有杀菌、去除污垢等功能的表面活性剂和水软化剂经复配制成，能提高生物膜清除效力，且更加安全、环保和高效。
一种生物膜清洁剂，由群体感应抑制剂、表面活性剂和水软化剂以总质量(50～150)g/L溶解于去离子水中制成。
进一步优选地，去离子水的量以群体感应抑制剂、表面活性剂和水软化剂以总质量(80～120)g/L水量计。
所述群体感应抑制剂、表面活性剂和水软化剂之间的重量百分比配比如下：
群体感应抑制剂 40～60％
表面活性剂 20～40％
水软化剂 10～30％。
本发明以群体感应抑制剂为主，通过抑制微生物的群体感应行为来抑制致病菌的生物膜生成及细菌的生长，而不是现有多数清洁剂采用的利用化合物来抗菌灭菌，由此避免了杀菌过程中的耐药性问题；以表面活性剂和水软化剂为辅，有效的提高清洁效率、减少药剂使用量。此外，本发明的群体感应抑制剂以菠萝、薄荷、香草等植物废弃物为来源，采用超声波水提取法、有机溶剂提取法或超声波辅助有机溶剂提取法提取菠萝酮、薄荷醇、香草醛后，通过冷冻干燥法制得粉剂，低温可以保证群体感应抑制剂的有效性。因此，本发明中的生物膜清洁剂是一种安全、经济、环保，可进行大规模推广使用的清洁剂。
进一步优选地，所述群体感应抑制剂、表面活性剂和水软化剂之间的重量百分比配比如下：
群体感应抑制剂 45～55％
表面活性剂 25～35％
水软化剂 15～20％。
更进一步优选地，所述群体感应抑制剂、表面活性剂和水软化剂之间的重量百分比配比如下：
群体感应抑制剂 50％
表面活性剂 30％
水软化剂 20％。
本发明将不同种类群体感应抑制剂、表面活性剂及水软化剂等作为生物膜清洁剂不仅可以提高清洁效率减少药剂使用量还能使清洁器具表面不易再次形成生物膜，同时此种新型复合清洁剂还能避免引起清洁过程中的耐药性问题，是一种较为安全和环保的清洁剂。
所述群体感应抑制剂可以为单一抑制剂，例如，可以是菠萝酮、薄荷醇和香草醛中的其中一种，也可以采用上述组分混合而成的复合群体感应抑制剂。
作为优选，本发明采用复合群体感应抑制剂，即：所述群体感应抑制剂由以下组分及重量百分含量混合而成：
菠萝酮 20～50％
薄荷醇 20～50％
香草醛 20～50％。
所述复合群体感应抑制剂的制备方法为将所有组分混合均匀。
采用复合群体感应抑制剂比单一组分的复合群体感应抑制剂效果更好，能更好的与其他组分协同作用，增强清洁效果，缩短清洁时间。
进一步优选，所述群体感应抑制剂由以下组分及重量百分含量混合而成：
菠萝酮 30～40％
薄荷醇 30～40％
香草醛 30～40％。
在该优选比例下混合得到的复合群体感应抑制剂可以进一步提高其与其他组分协同作用，增强清洁效果，缩短清洁时间。
最优选地，复合群体感应抑制剂中菠萝酮、薄荷醇和香草醛的质量比为1:1:1。
作为优选，所述表面活性剂为十二烷基二甲基苄基氯化铵或/和双烷基二甲基氯化铵。
所述水软化剂可以采用单一组分的水软化剂，例如可以是无水磷酸三钠和腐植酸钠，也可以采用复合水软化剂，本发明中作为优选，采用复合水软化剂，即：所述水软化剂由以下组分及重量百分含量混合而成：
无水磷酸三钠 50％～70％
腐植酸钠 30％～50％。
采用上述混合比例的复合水软化剂的效果比单一组分的水软化剂效果更好。
进一步优选地，所述水软化剂由以下组分及重量百分含量混合而成：
无水磷酸三钠 60％～70％
腐植酸钠 30％～40％。
本发明中进一步优选地，由群体感应抑制剂、表面活性剂和水软化剂以总质量(80～120)g/L溶解于去离子水中制成；
所述群体感应抑制剂、表面活性剂和水软化剂之间的重量百分比配比如下：
群体感应抑制剂 45～55％
表面活性剂 25～35％
水软化剂 15～20％。
群体感应抑制剂中菠萝酮、薄荷醇和香草醛的质量比为1:1:1。
本发明还提供所述生物膜清洁剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)分别从菠萝、薄荷、香草等植物废弃物中采用超声波水提取法或有机溶剂提取法提取菠萝酮、薄荷醇和香草醛，并通过冷冻干燥法将其制成粉剂，按比例混合得群体感应抑制剂；
(2)按配比将水软化剂和表面活性剂依次加入40～60℃的去离子水，以保证最优的溶解及使用效果；全部溶解后冷却至室温，然后加入配比量的群体感应抑制剂，搅拌至完全溶解。
本发明中选择的群体感应抑制剂为菠萝酮、薄荷醇和香草醛。菠萝酮、薄荷醇和香草醛是微生物群体感应信号分子的类似物，这些类似物与相应受体结合后，不能有效的启动群体感应调控的生理生态行为，因此可以有效的干扰微生物的群体感应、抑制生物膜的形成。由于三者与不同受体结合能力不同，微生物群体感应受体存在多样性，作为优选采用三者按比例混合，以充分扩大群体感应干扰谱。同时鉴于群体感应系统的保守性，利用群体感应抑制剂可以达到避免细菌耐药性增加的要求。
本发明中的菠萝酮、薄荷醇和香草醛可以从菠萝皮、菠萝冠以及菠萝茎叶，薄荷茎叶，香草茎叶等废弃物中提取。我国相关的废弃物产量位居世界前列，来源丰富，且有效物的提取可以减少农业废弃物的产量，具有变废为宝的特点。本发明中菠萝酮、薄荷醇和香草醛的提取可以采用超声波水提取法：称取一定量粉碎后的菠萝皮或薄荷废弃物或香草废弃物，按料液比1：25加水于有塞的三角瓶中，超声波(400W)作用20min以上，再在30℃恒温水浴锅中震荡浸提1h，然后3000r·min-1离心5min取清液，用真空冷冻干燥即为菠萝酮、薄荷醇、香草醛制品。置于4℃冰箱中保存待用。
除上述方法，菠萝酮、薄荷醇、香草醛亦可采用乙酸乙酯等有机物进行提取：称取一定量粉碎后的菠萝皮或薄荷废弃物或香草废弃物，按料液比1：25加水于有塞的三角瓶中，超声波(400W)作用20min以上，室温用等体积的乙酸乙酯萃取。取有机相旋转蒸发器浓缩干燥即为菠萝酮、薄荷醇、香草醛制品。置于4℃冰箱中保存待用。
为进一步提高菠萝酮、薄荷醇、香草醛的提取率及提取物的抑菌效果，本发明对制备方法进行了优化，采用超声波辅助有机溶剂提取法。具体步骤为称取一定量粉碎后的菠萝皮、薄荷废弃物或香草废弃物，按料液比1：25加乙酸乙酯等有机溶剂于有塞的三角瓶中，超声波(400W)作用20min以上，再在30℃恒温水浴锅中震荡浸提1h，然后3000r·min-1离心5min，取上层乙酸乙酯提取液，用真空蒸发旋转器浓缩并冷冻干燥后即得菠萝酮、薄荷醇、香草醛制品。置于4℃冰箱中保存待用。
本发明中菠萝酮、薄荷醇和香草醛采用冷冻干燥制成粉剂，可以极大的保证制剂的有效性。采用表明活性剂和水软化剂冷却后再加入群体感应抑制剂，亦可以防治高温对于抑制剂环状结构的破坏。即通过冷冻干燥和低温溶解，保证了菠萝酮、薄荷醇和香草醛的抑菌活性。
本发明中选择的表面活性剂不仅具备对群体感应抑制剂增溶的效果，同时能结合群体感应抑制剂起到协同增效杀菌的作用，提高了药效也降低了使用成本。
本发明中选择的水软化剂不仅具备对群体感应抑制剂增溶的效果可有效的保证群体感应抑制剂的适用范围，同时无水磷酸三钠和腐植酸钠可络合污垢中的金属离子，对污垢有乳化分散作用，有利于去除污垢。
本发明还提供了一种如所述生物膜清洁剂在洁具、医疗器械等生物膜清洁处理上的应用。
本发明为高效、广谱清洁剂，可应用于洁具、医疗器械等表面的生物膜清洁处理。生产过程成本费用低，设备工艺操作简单，无“三废”排出，可进行大规模推广，具有显著的环境和经济效益。
附图说明
图1是本发明清洁剂配方及制备过程流程图
具体实施方式
参照图1所示：首先将表面活性剂和水软化剂所需所有成分分别进行烘干，群体感应抑制剂通过超声破碎、有机萃取及冷冻干燥后获得干粉制剂，将所得粉剂按各组分重量百分比称量。然后将一定量的去离子水加热升温至50℃，依次加入水软化剂和表面活性剂，并不断搅拌，使之全部溶解，搅拌时间为30分钟以上，50℃恒温。待降至室温后加入群体感应抑制剂，搅拌至完全溶解。最后分装成瓶，经检验合格后即得成品。
成品清洁剂用于处理洁具、医疗器械等上形成的生物膜。将成品清洁剂均匀涂抹于器具表面需清除生物膜等污垢的部分，杀灭细菌，清除生物膜，最后用清水冲洗，保持器具干燥。
以下结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案，但并不限制本发明的范围。
实施例1
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取无水磷酸三钠180g(60％)和腐植酸钠120g(40％)，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合水软化剂。然后称取菠萝酮200g、薄荷醇200g、香草醛200g(1：1：1)投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合群体感应抑制剂。取上述复合水软化剂160g(20％)、十二烷基二甲基苄基氯化铵280g(35％)，加入到10升(80g/L)50℃去离子水中，搅拌30分钟以上，50℃恒温。待降至室温后加入复合群体感应抑制剂360g(45％)，搅拌至完全溶解后分装成瓶，经检验清洁剂的微生物指标满足细菌总数≤1000CFU/cm2，大肠菌群≤3MPN/100cm2后即可制得本发明的一种复合清洁剂。
实施例2
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取无水磷酸三钠195g(65％)和腐植酸钠105g(35％)，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合水软化剂。然后称取菠萝酮200g、薄荷醇200g、香草醛200g(1：1：1)投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合群体感应抑制剂。取上述复合水软化剂200g(20％)、十二烷基二甲基苄基氯化铵300g(30％)，加入到10升(100g/L)50℃去离子水中，搅拌30分钟以上，50℃恒温。待降至室温后加入复合群体感应抑制剂500g(50％)，搅拌至完全溶解后分装成瓶，经检验清洁剂的微生物指标满足细菌总数≤1000CFU/cm2，大肠菌群≤3MPN/100cm2后即可制得本发明的一种复合清洁剂。
实施例3
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取无水磷酸三钠210g(70％)和腐植酸钠90g(30％)，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合水软化剂。然后称取菠萝酮200g、薄荷醇200g、香草醛200g(1：1：1)投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合群体感应抑制剂。取上述复合水软化剂240g(20％)、十二烷基二甲基苄基氯化铵300g(25％)，加入到10升(120g/L)50℃去离子水中，搅拌30分钟以上，50℃恒温。待降至室温后加入复合群体感应抑制剂660g(55％)，搅拌至完全溶解后分装成瓶，经检验清洁剂的微生物指标满足细菌总数≤1000CFU/cm2，大肠菌群≤3MPN/100cm2后即可制得本发明的一种复合清洁剂。
实施例4
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取无水磷酸三钠180g(60％)和腐植酸钠120g(40％)，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合水软化剂。然后称取菠萝酮200g、薄荷醇200g、香草醛200g(1：1：1)投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合群体感应抑制剂。取上述复合水软化剂160g(20％)、双烷基二甲基氯化铵280g(35％)，加入到10升(80g/L)50℃去离子水中，搅拌30分钟以上，50℃恒温。待降至室温后加入复合群体感应抑制剂360g(45％)，搅拌至完全溶解后分装成瓶，经检验清洁剂的微生物指标满足细菌总数≤1000CFU/cm2，大肠菌群≤3MPN/100cm2后即可制得本发明的一种复合清洁剂。
实施例5
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取无水磷酸三钠195g(65％)和腐植酸钠105g(35％)，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合水软化剂。然后称取菠萝酮200g、薄荷醇200g、香草醛200g(1：1：1)投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合群体感应抑制剂。取上述复合水软化剂200g(20％)、双烷基二甲基氯化铵300g(30％)，加入到10升(100g/L)50℃去离子水中，搅拌30分钟以上，50℃恒温。待降至室温后加入复合群体感应抑制剂500g(50％)，搅拌至完全溶解后分装成瓶，经检验清洁剂的微生物指标满足细菌总数≤1000CFU/cm2，大肠菌群≤3MPN/100cm2后即可制得本发明的一种复合清洁剂。
实施例6
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取无水磷酸三钠210g(70％)和腐植酸钠90g(30％)，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合水软化剂。然后称取菠萝酮200g、薄荷醇200g、香草醛200g(1：1：1)投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合群体感应抑制剂。取上述复合水软化剂240g(20％)、双烷基二甲基氯化铵300g(25％)，加入到10升(120g/L)50℃去离子水中，搅拌30分钟以上，50℃恒温。待降至室温后加入复合群体感应抑制剂660g(55％)，搅拌至完全溶解后分装成瓶，经检验清洁剂的微生物指标满足细菌总数≤1000CFU/cm2，大肠菌群≤3MPN/100cm2后即可制得本发明的一种复合清洁剂。
实施例7
本发明的复合抑菌药剂可以作为洁具、医疗器械等的生物膜清洁剂，其使用方法是以上述实施例任意一种液体复合清洁剂分别对某器具表面形成的生物膜进行清洁处理。首先取两个表面平坦的器具，经过测量表面形成生物膜的量OD570为1～2，细菌总数浓度为107～108CFU/cm2。在10cm2的器具表面使用配制好的清洁剂10mL，经过十分钟的处理，器具表面的细菌总数浓度下降到100～103CFU/cm2，生物膜去除率接近100％，一周内，器具表面基本未形成生物膜。
实验表明，以上6种制备的复合清洁剂对生物膜的去除率均接近100％，之后又对器具表面进行细菌芽胞定量杀灭试验，经过清洁处理后的器具表面，这些菌几乎都为零，而且生物膜不易在器具表面形成，实验结果如表1所示。
表1上述6个实施例制备的6种清洁剂的清洁效果现场试验效果
实施例8
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取无水磷酸三钠180g(60％)和腐植酸钠120g(40％)，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合水软化剂。取上述复合水软化剂160g，加入到10升50℃去离子水中，完全溶解后加入十二烷基二甲基苄基氯化铵640g，搅拌30分钟以上，50℃恒温。降至室温并分装成瓶，经检验合格后即制得和本发明对比的一种不含群体感应抑制剂的复合清洁剂。
将实施例1的新型复合清洁剂和上述不含复合群体感应抑制剂的清洁剂在相同条件下应用于清洁测验：两者分别对某器具表面的生物膜进行清洁处理。首先取两个相同且生物膜形成情况相似的器具，经过测量细菌总数浓度为107～108CFU/cm2，生物膜形成量OD570为1～2。
在两个器具表面分别投加新型复合抑制剂和不含复合群体感应抑制剂的清洁剂10mL对比，经过十分钟的处理，应用本发明的器具表面，生物膜去除率达100％，器具表面的细菌总数浓度下降到100～103CFU/cm2。一周内，器具表面基本未形成生物膜。
而应用不含复合群体感应抑制剂的清洁剂器具表面，虽然生物膜也能够被清除，但是细菌总数测定发现杀菌率不足30％，需要加大用药量才能达到相同效果，且2天左右，器具表面会再次形成生物膜。
实施例9
按照图1所示的配方和制备流程：首先称取无水磷酸三钠180g(60％)和腐植酸钠120g(40％)，投入到搅拌机中搅拌均匀，制得复合水软化剂。取上述复合水软化剂160g，加入到10升50℃去离子水中，完全溶解后加入双烷基二甲基氯化铵640g，搅拌30分钟以上，50℃恒温。降至室温并分装成瓶，经检验合格后即制得和本发明对比的一种不含群体感应抑制剂的复合清洁剂。
将实施例3的新型复合清洁剂和上述不含复合群体感应抑制剂的清洁剂在相同条件下应用于清洁测验：两者分别对某器具表面的生物膜进行清洁处理。首先取两个相同且生物膜形成情况相似的器具，经过测量细菌总数浓度为107～108CFU/cm2，生物膜形成量OD570为1～2。
在器具表面取两个面积相同，生物膜形成情况相似部位，分别投加新型复合清洁剂和不含复合群体感应抑制剂的清洁剂10mL对比，经过十分钟的处理，应用本发明的器具表面，生物膜去除率达100％，器具表面的细菌总数浓度下降到100～103CFU/cm2。一周内，器具表面基本未形成生物膜。
而应用不含复合群体感应抑制剂的清洁剂器具表面，虽然生物膜也能够被清除，但是细菌总数测定发现杀菌率不足30％，需要加大用药量才能达到相同效果，且2天左右，器具表面会再次形成生物膜。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (3)
1.一种生物膜清洁剂，其特征在于，由群体感应抑制剂、表面活性剂和水软化剂以总质量(50～150)g/L溶解于水中制成；
所述群体感应抑制剂、表面活性剂和水软化剂之间的重量百分比配比如下：
群体感应抑制剂 40～60％
表面活性剂 20～40％
水软化剂 10～30％；
所述群体感应抑制剂由菠萝酮、薄荷醇和香草醛的按质量比为1:1:1混合而成；
所述表面活性剂为十二烷基二甲基苄基氯化铵或/和双烷基二甲基氯化铵；
所述水软化剂由以下组分及重量百分含量混合而成：
无水磷酸三钠 50％～70％
腐植酸钠 30％～50％。
2.根据权利要求1所述生物膜清洁剂，其特征在于，所述群体感应抑制剂、表面活性剂和水软化剂之间的重量百分比配比如下：
群体感应抑制剂 45～55％
表面活性剂 25～35％
水软化剂 15～20％；
所述水软化剂由以下组分及重量百分含量混合而成：
无水磷酸三钠 60％～70％
腐植酸钠 30％～40％。
3.一种如权利要求1所述生物膜清洁剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用超声波水提取法、有机溶剂提取法或超声波辅助有机溶剂提取法分别从菠萝、薄荷、香草的废弃物中提取菠萝酮、薄荷醇和香草醛，并通过冷冻干燥法将其制成粉剂，按比例混合得群体感应抑制剂；
(2)按配比将水软化剂和表面活性剂依次加入40～60℃的去离子水中，全部溶解后冷却至室温，然后加入配比量的群体感应抑制剂，搅拌至完全溶解；去离子水的量以群体感应抑制剂、表面活性剂和水软化剂的总质量与去离子水的质量体积比为(50～150)g/L计。
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