聚乙烯醇(PVA)是1种可被细菌作为碳源利用的乙烯基聚合物水溶性材料，已成为研发绿色环保材料的热门基料[1-2]。在工业生产中，PVA通常是通过低碱醇解聚醋酸乙烯酯获得[3]。醇解获得的PVA链内具有大量羟基，易形成氢键；大量氢键的存在使得PVA基复合材料不仅具有良好的力学性能，而且具有一定的水溶性和气体阻隔性。以PVA为基材的材料是1种无毒无害、无细胞毒性、绿色环保的新型绿色材料，在包装、建筑、医药保健等领域具有良好的应用潜力[4-6]。但纯PVA材料制品并不具备抗菌性，明显限制了PVA材料在食品、医药保健等领域的应用。抗菌改性是通过共混、接枝、离子交换或后处理的方法在基材本体或表面引入抗菌剂，使材料具备抗菌能力，其核心组成部分是抗菌剂[7-8]。抗菌改性处理使得以PVA为基材的制品具备抗菌性能，满足食品、医药等领域对其抗菌性的要求。同时，改性后PVA抗菌材料不仅抗菌效果显著，并且被赋予热致变性[9]、紫外线阻隔性[10]和pH响应[11]等新功能，使其使用范围得到进一步拓展。PVA抗菌材料具有抗菌性强、亲水性好、力学性能优异等优点，特别是生物可降解性和良好的细胞相容性的特点，使其成为1种具备多功能、可应用于多领域的绿色环保材料。本研究主要介绍抗菌PVA材料的改性方法、抗菌性能评价方法及其应用研究现状，为PVA复合抗菌材料的进一步研究提供参考。1抗菌PVA的改性方法及应用抗菌PVA材料通常是指以PVA为基材，通过添加1种或多种抗菌剂所制得的材料。目前抗菌改性赋予PVA材料以抗菌性能的方法主要有：包埋法、共混法、物理交联法和接枝共聚法。1.1包埋法包埋法是指将酶或细胞包埋在能固化的载体中形成微胶囊的1种方法，其特点是能够有效保护被包埋物的结构和形态不发生变化[12]。在包埋PVA抗菌改性中，包埋物通过与PVA相结合，在应用过程中进行缓释从而赋予PVA材料抗菌性。Liu等[13]通过包埋法将万古霉素(van)封装到PVA/聚丙交酯-乙交酯酸(PLGA)纳米颗粒中，在生物医学钛表面构建了有效药物递送系统。与传统药物剂型相比，控释系统更有效，作用途径更有利，改善了金属植入物的成骨细胞黏附性和抗菌活性。Aslanli等[14]以六组氨酸标记的有机磷水解酶(His6-OPH)包埋在聚乙烯醇冷冻凝胶(PVA-CG)/细菌纤维素(BC)为基础，开发了具有抗菌性能的新型复合生物材料。将β-内酰胺抗生素美罗培南或抗菌肽temporin A和吲哚菌素与His6-OPH包埋在PVA-CG/BC中，通过提高包埋抗菌剂的包埋效率增强其抗菌性。1.2共混法共混改性是指将两种或者两种以上的聚合物通过共同混合，使其性能发生变化，形成均匀、连续的高分子材料的过程[15]。天然抗菌剂都是从自然界中提取，其有效性强、不易产生耐药性、不含有害化学物质，对人类无副作用，可以通过浸泡、喷雾、洗涤、热处理等方式去除。Amalraj等[16]将PVA、阿拉伯胶(GA)、壳聚糖(CS)与黑胡椒精油(BPEO)和生姜精油(GEO)进行共混，通过溶剂浇铸法制得了BPEO-GEO/PVA/GA/CS复合膜。该复合薄膜对蜡样芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌的生长有明显的抑制作用。但该复合薄膜对黄曲霉菌的抗菌活性差，而且抗菌剂的存在一定程度影响了食品的味道和质量。Khazaei等[17]采用优选的方法，将PVA与大豆淀粉(PBS)以80∶20共混，再与肉桂精油(CEO)、生姜精油(GEO)和大蒜精油(GaEO)分别共混，制得对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、蜡状芽孢杆菌和黄曲霉菌等，表现出显著抗菌活性的PVA/PBS/CEO半生物基生物可降解抗菌复合膜。该半生物基可降解复合薄膜克服了BPEO-GEO/PVA/GA/CS复合膜对黄曲霉菌抗菌活性差的缺陷，并且由于CEO可以被作为烘焙食品增香剂，在被当作抗菌剂用于PVA/PBS/CEO半生物基生物可降解抗菌复合膜时，避免了对食品味道和质量的影响。尽管天然抗菌剂与PVA共混制得的抗菌材料抗菌性强、降解性好，但天然抗菌剂通常是从植物或动物中提取，在不同的环境下稳定性差。如在温度较高的环境中发生分解丧失抗菌作用。将无机抗菌剂共混使抗菌PVA材料可以克服天然抗菌剂抗菌时效短、稳定性差的缺点。Gautam等[18]将纳米银(Ag)修饰的氧化石墨烯(GO)与PVA共混，制得的PVA/GO/Ag纳米复合薄膜对革兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性细菌大肠杆菌等传染性微生物菌落展现出高效持久的抗菌活性。克服了天然抗菌剂稳定性差的缺陷，但PVA/GO/Ag纳米复合薄膜制作成本较高且功能单一，不适合广泛用于实际生产生活。为改善这一现状，Wang等[19]通过将WO3纳米棒与PVA共混开发了1种具有新鲜度监测能力和光热抗菌活性的新型多功能复合薄膜。该薄膜能够实现对食物的新鲜度监测的同时，在近红外光的照射下，其对大肠杆菌展现出90%的抗菌效率，对金黄色葡萄球菌展现出90%以上的抗菌效率。天然抗菌剂和无机抗菌剂各有优缺点，将其共混可制得多功能互补性的PVA抗菌材料。Menazea等[20]采用共混的方法将激光烧结的氧化钒纳米颗粒(V2O5NP)嵌入了PVA/CS复合膜，制得了PVA/CS/V2O5NP复合薄膜。结果表明：由于V2O5NP的加入，使得CS的抗菌性得到提升。随着激光消融时间的增加，PVA/CS薄膜负载V2O5NP的量增多，PVA/CS/V2O5NP复合薄膜的抗菌性能也进一步增强。Eskandari等[21]将CS与银锰二硫化物(Ag-MnS2)共混制备了可检测有毒重金属的银锰二硫化物/壳聚糖/聚乙烯醇(Ag-MnS2/CS/PVA)纳米复合材料。由于金属纳米颗粒和聚合物化合物的作用不仅对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出显著的抗菌性能，而且可以通过比色法检测到水中的汞离子，实现了有机、无机抗菌剂共同作用赋予PVA材料抗菌性，并扩展了PVA抗菌材料的功能。1.3物理交联法物理交联法是用于制备水凝胶的有效方法[22]。在抗菌PVA水凝胶中，使用较多的是反复冷冻解冻法和冻结-部分脱水法。这两种方法均使PVA分子链间通过氢键和微晶区形成物理交联点，使抗菌剂负载于PVA水凝胶三维网状结构中，以达到赋予PVA材料抗菌性的目的。该过程无须添加任何化学交联剂，对环境无污染。Chen等[23]采用反复冻融法制备了对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有显著协同抗菌作用的聚乙烯醇-壳聚糖/铈(PVA-Cs/Ce)水凝胶，图1为复合水凝胶的制备工艺[23]。结果表明：当Cs/Ce配合物的配比为5∶3时，其力学性能和抗菌性能较优。但由于Ce属于轻质稀土金属，在自然界中稳定存在，造成PVA-Cs/Ce水凝胶自然降解性较差。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.023.F001图1复合水凝胶的制备工艺Fig.1Preparation process of composite hydrogels范瑶等[24]充分利用了ε-聚赖氨酸(ε-PL)在水和体液中可迅速降解为天然氨基酸的特点，将ε-PL和柠檬酸(CA)与PVA水溶液混合，经过反复冻融后得到具有微孔隙结构的PVCL抗菌复合水凝胶。结果表明：该水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有近100%的抗菌活性，同时还具有优异的生物降解性。但是由于ε-PL容易受到酸碱环境的影响而自然降解，PVCL的力学强度较差，不利于高力学要求领域的应用。高红芳[25]采用物理交联的方法，以肉桂醛(CIN)和纳米二氧化硅(n-SiO2)为抗菌添加剂，制备了PVA-CIN-Si抗菌复合膜。由于n-SiO2均匀分散在膜中填充了因CIN而形成的空隙，使膜的结构更加紧实，提高了其力学性能，拉伸强度可达(25.62±0.50) MPa；且n-SiO2与PVA之间存在的氢键形成了物理交联，延长了该抗菌复合膜的抗菌时效，但其抗菌性有所下降。为制得具有持续抗生素输送性能的BC/PVA基水凝胶，Tamahkar[26]引入功能性生物聚合物PVA与细菌纤维素(BC)反复冻融，将水凝胶有效抗菌时效延长了500%，且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌仍然表现出较大的抗菌活性。水凝胶独特的三维网状空间结构使其在载药领域具有良好潜质。王悦等[27]以PVA和海藻酸钠(SA)为原料，制得了孔隙率在80%以上的PVA/SA@盐酸万古霉素(VAN)载药复合水凝胶。随着SA添加量的增加，水凝胶的载药物性能提高，药物分散率得到较大提升，其抗菌效果远大于传统口服的效果。1.4接枝共聚法接枝共聚法是指将1种聚合物作为支链接到另1种聚合物主链上的方法[28]。接枝共聚法特点是可以将两种不同的聚合物链通过化学反应结合在一起，形成新的聚合物，使这种新的聚合物同时具有两种聚合物的特性，从而获得新的性质和应用领域。Bi等[29]为了提高CS封装原花青素的封装率以提高其抗菌能力，采用偶联剂介导法将PVA分子的羟基通过CDI活化转化为活性咪唑基氨基甲酸酯中间体后与CS的伯胺基反应，形成具有咪唑释放的CS衍生物，再采用CS衍生物封装原花青素(PC)，制得封装率超过95%的CS接枝PVA/PC复合抗菌膜，图2为其合成途径[29]。结果表明：CS接枝PVA/PC复合抗菌膜对金黄色葡萄球菌、沙门氏菌和大肠杆菌以及艾氏菌表现出极高的抗菌活性，抗菌率分别为93.0%、90.4%、92.2%和97.9%。虽然CS接枝PVA/PC复合抗菌膜表现出优异的抗菌活性，但交联后的产物容易出现酶解或者水解的情况。为了避免出现接枝后制品不稳定的情况，Liu等[30]将二羟甲基-5,5-二甲基海因(DMDMH)共价接枝到PVA表面，制得了可循环使用的纳米抗菌纤维膜。该纳米抗菌膜不仅具有高稳定性，经过五次再氯化后此纳米膜的杀菌效果依旧不变，且赋予了PVA材料高的杀菌性能（在1 min可杀灭99.9999%的大肠杆菌和黄色葡萄球菌），显示出良好的稳定性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.023.F002图2CS-接枝-PVA的合成途径Fig.2Synthesis pathway of CS-graft-PVA高湿度敏感性是PVA薄膜公认的缺陷之一，许多研究发现，对PVA薄膜进行疏水改性后仍存在相容性、稳定性和细胞毒性等问题[31-32]。对此，Liu等[33]提出利用N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)接枝PVA-壳聚糖。结果表明：PVA-NIPA的化学结构通过迈克尔加成反应后在PVA和NIPA之间形成化学键，薄膜的湿敏性显著降低，接触角(CA)可达107.85°，并表现出良好的相容性和稳定性。在接枝抗生素的应用中，Li等[34]通过曼尼希反应将氨基接枝到木质素磺酸钠上，得到木质素胺(LA)，再将LA、银纳米颗粒与PVA交联形成抗菌水凝胶，但其皮肤抗黏附性较弱。Yang等[35]通过改性[2-（甲基丙烯酰氧基）乙基]三甲基氯化铵(DMC)或两性离子磺基甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(SBMA)与丙烯酸化的聚乙烯醇(Acr-PVA)的共聚反应，合成了Acr-PVA-g-PDMC和Acr-PVA-g-PSBMA水凝胶，所得带电基团修饰的PVA水凝胶不仅保持PVA的固有特性，而且还具有出色的抗菌和抗黏特性。通过改性可以获得具有抗菌作用的PVA材料。接枝共聚法由于需要添加交联剂和引发剂，影响材料的结构和环境稳定性，涉及的化学反应副产物多、对环境污染大而被较少采用。包埋法的操作过程烦琐，需要精确地控制和操作以避免出现气泡、组织缺少等缺陷，只能用于小批量生产。共混法的工艺简单、改性剂能够同时覆盖膜表面和膜孔内壁而不会引起膜结构的破坏，但存在稳定性差的问题。物理交联法不需要添加交联剂，交联方式简单，交联程度可调等优点，被广泛应用于PVA抗菌水凝胶的改性制备，但相对于化学交联，其制备的材料力学性能较差，操作过程也比较复杂。因此，需要根据交联剂种类、工艺要求、材料性能等选用合适的改性方法。2PVA的抗菌性能评价方法抗菌性是指产品所具有的抑制细菌繁殖的性能[36]，也是评价抗菌材料改性成功与否的主要指标。目前许多研究都采用抑菌圈法评价抗菌PVA材料抗菌性能。但根据抗菌材料应用场景的不同，对改性抗菌材料的抗菌性应根据具体情况选择不同的评价方法才能获取较准确的评价结果。评价抗菌性能的常见方法有：贴膜接触抗菌法、平板扩散法、扫描电镜观察法、荧光显微镜观察法。2.1贴膜接触抗菌法贴膜接触抗菌法是1种定量测定塑料抗菌性的方法，是现今能够客观反映抗菌塑料抗菌性的测试方法[37]。该方法是将细菌与样品接触后覆膜保存一定时间，再将塑料表面的细菌采集后进行活菌计数，比较实验样品和空白样品（未加抗菌剂）的平行实验结果，计算抗菌率[38]。抗菌率的计算公式为：抗菌率=（空白样品上的菌数-实验样品上的菌数）/空白样品上的菌数×100%(1)王天琦等[39]采用贴膜接触抗菌法将LB培养基分别接种冻干株E. coli和S. aureus，37 ℃恒温培养24 h，将其传至两代，接种环取菌株在LB液体培养基中，37 ℃恒温培养24 h，用麦氏比浊法将菌悬液浓度稀释至1×106 CFU/mL，测定了钛表面微弧氧化-微波水热法铜铌涂层的抗菌性，通过式（1）计算得出该涂层对E. coli和S. aureus的抗菌率均达到了92%以上，可有效抑制大肠杆菌和金色葡萄球菌的生长。虽然计算结果显示上述涂层的抗菌率高达92%以上，但由于在现有的各个抗菌测试标准中，其配制菌悬液采用营养肉汤作稀释液时，使用营养肉汤的配制比例要求不完全一致，造成测试结果之间存在差异。周志南等[40]通过不同浓度营养肉汤培养细菌，观察其不同菌悬液对贴膜接触抗菌法菌群回收数的影响，得出金黄色葡萄球菌和大肠杆菌配制菌悬液的最佳浓度配比分别为1∶500和1∶1 000的结论。为得到材料表面抗菌性能检测试验菌悬培养液最佳浓度配比提供了参考，保障了测试结果的准确性。2.2平板扩散法（抑菌圈法）平板扩散法是检测材料抗菌性能常用的方法[41-42]。该方法是通过利用微生物学中的抑菌圈实验直观显现被测试样品的抗菌性。抑菌圈直径越大，表明被测样品抗菌性越强。但该方法只有在被测样品有金属离子等可溶出的成分时才能够显现出抑菌圈，因而不能应用于评价不可溶出成分或不释放杀菌剂的抗菌复合材料。Jayakumar等[43]采用抑菌圈法中的Kirby-Bauer圆盘扩散法，研究了含罗望子提取物的PVA薄膜的抗菌活性。结果表明：含有罗望子提取物的聚合物薄膜对大肠杆菌和金色葡萄球菌均表现出抗菌活性。王金海等[44]采用抑菌圈法中的纸片扩散法检测了聚赖氨酸/细菌纤维素抗菌敷料的抗菌性能。结果表明：不同浓度(1.00、2.00、4.00、8.00 g/L)聚赖氨酸/细菌纤维素抗菌敷料对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌所产生的抑菌圈大小分别为10.7~12.2 mm、12.9~13.6 mm、13.8~14.5 mm、14.7~16.1 mm，说明其具备优异的抗菌性。纸片扩散法虽然具有较好的重复性和精确度，但其存在实验耗时较长、对某些菌种可能产生不可预测的反应缺陷。田双娥[45]采用了3种不同抑菌圈法（纸片扩散法、牛津杯法和打孔法）探究不同平板扩散法对牛至油抗菌性测试的影响。相比于纸片扩散法和牛津杯法，打孔法获得的抑菌圈重复性好、质量高，是评价材料抗菌性优先选用的抑菌圈方法。2.3扫描电镜观察法扫描电镜观察法主要针对吸附到被测样品表面的菌体，通过扫描电镜立体观察到被测样品表面菌体的体貌特征，对比空白样品与被测样品菌体体貌差异，从而对抗菌材料的抗菌性能进行直观观察和评价，揭示抗菌复合材料的抗菌机理[46-47]。通常，接触杀菌的菌体细胞膜一般会发生皱缩、形变甚至破裂，与空白样品菌体体态差异较大。杨苗等[48]为了揭示了球孢白僵菌Bb09对美国白蛾幼虫的致病机理，利用扫描电镜观察法，分别观察了不同浓度的球孢白僵菌Bb09悬浮液对美国白蛾3幼虫的致病过程，直观立体观察到球孢白僵菌Bb09分生孢子入侵美国白蛾表皮发芽管，揭示了球孢白僵菌Bb09对美国白蛾的侵入过程。雷妍圆等[49]同样采用了扫描电镜观察法观察分生孢子在幼虫体表附着、萌发、穿透的过程，阐明白僵菌与玫烟色虫草菌对草地贪夜蛾的致病机理。2.4荧光显微镜观察法荧光显微镜观察法是指采用染色剂对培养后的样品进行染色，从而在荧光显微镜下激发继发荧光效应，根据死菌群和活菌群的不同颜色，直观呈现被测样品对微生物的灭活能力和吸附能力的方法[50]。在该方法中，通常采用Ethd-1与钙黄绿素AM对样品进行染色，钙黄绿素AM在活细胞内表现为绿色荧光，Ethd-1在死细胞内表现为红色荧光[51]。Varguez-Catzim等[52]为了探究聚乙烯醇/聚（2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸）(PVA/PAMPS)双层膜中PVA与PAMPS达到抗菌性、细胞亲和性和黏附性最佳的复配比例，采用Ethd-1与钙黄绿素AM对不同比例复配的PVA/PAMPS双层膜上培养的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行染色。结果表明：在85/15比例复配下，PVA/PAMPS双层膜对大肠杆菌和葡萄球菌的抗菌性最佳。王志芳等[53]利用荧光显微镜和扫描电镜染色观察了Streptomyces alboflavus产生的抗真菌物质对串珠镰刀菌细胞膜和细胞壁的破坏作用，探索了抑菌物质作用的靶点，直观揭示了Streptomyces alboflavus产生的抗真菌物质对串珠镰刀菌的抑菌机理，为抑菌物质的鉴定和拮抗菌的应用提供理论参考。值得注意的是，采用荧光显微镜观察法需要考虑荧光探针的可靠性，进行不断优化和验证。在4种抗菌性评价方法中，贴膜接触抗菌法的操作简单易行，是较常见的材料抗菌性的评估方法，但该法只适用于检测表面平滑的制品，不适用于表面凹凸的发泡制品或纤维等吸水性制品。平板扩散法适用于多种样品或试剂，通用性强，但散布均匀性有一定影响，准确性有待提高。扫描电镜观察法可以提供更高的观察分辨率，但需要对样品进行处理，可能损害样品而影响其抗菌性评价。荧光显微镜观察法虽然可以在不损伤样本的情况下观察其抗菌性，但其需要特殊制备样品，成本较高。总体分析，贴膜接触法和平板扩散法适用于抗菌性初步筛查，荧光显微镜观察法和扫描电镜观察法适用于深入研究抗菌机理。3结论采用包埋法、共混法、物理交联法、接枝共聚法可以制备多种抗菌剂复合的PVA材料以改善PVA材料力学性能差、缺乏抗菌能力的缺陷。材料的抗菌性能可以利用贴膜接触抗菌法、平板扩散法、扫描电镜观察法和荧光显微镜观察法进行评估使更贴近真实状态而满足人们对测试结果的需求。未来，利用多种改性方法复合以及多种评价方法复合评估的方式可以充分发挥抗菌剂协同抗菌机理以及解决单一评估过程中出现的灵敏度、重复性、准确性较差的问题，从而赋予PVA复合抗菌材料更多的功能，拓展PVA抗菌材料在食品包装、医疗保健等领域的应用范围。