家电抗菌技术的研究现状与发展趋势分析

李小娇 王秀萍 董玮利 俞国新

海尔智家生态平台 超前创新中心 山东青岛 266101

1 引言

抗菌家电兴起于上世纪80年代的日本，日立公司最早推出抗菌冰箱，随后东芝与松下等企业也相继开发出抗菌冰箱，推动了抗菌技术在家电行业的产业化。中国的抗菌家电发展于上世纪90年代，1998年海尔集团和中科院理化所合作推出了系列抗菌家电产品，自此开始，抗菌技术在中国家电行业实现产业化应用。经过20多年的发展，目前抗菌技术在国内家电行业的市场渗透率为10%左右。随着新冠肺炎疫情的发生，市场对于抗菌类健康家电产品的需求将进一步提高，未来具有较大的发展潜力和超万亿的市场前景。

2 家电产品的微生物污染情况分析

抗菌技术在家电行业的需求和发展是以家电产品的微生物污染痛点为基础的。以细菌、真菌、病毒为代表的微生物，占食源性疾病的发病原因的70%，同时也是20%的呼吸道疾病的病因。其中，细菌及真菌污染均容易造成食物中毒，导致腹泻、呕吐等；真菌污染还会对人体皮肤系统和内脏系统造成危害，出现皮肤癣、淋巴感染等症状；病毒污染则往往具有较高的传染性，造成大规模的群体感染，出现发热症状甚至威胁生命健康，此次新冠肺炎即是病毒引发的微生物危害。

微生物的种类数以百万计，存在于生活环境中的各处，而家电产品在长期使用过程中，也会成为微生物传播的载体和途径。对现有文献进行调研发现，冰洗空类家电产品中普遍存在微生物污染情况如表1所示，需要在相应产品中增加除菌功能，对使用者构成有效健康防护。

尽管冰箱的低温环境能够抑制微生物酶的活性，可由于内部空间有限并且存储食物多，冰箱的冷藏室、风道口及风流经处均能检测到大量的细菌、真菌等微生物，冰箱成为了家庭微生物污染的重灾区。此外，工作年限长的冰箱比新冰箱会出现更多的微生物积累。

空调与冰箱所处空间不同，其工作环境更加开放和复杂。换热器由于温度和湿度高，成为空调最严重的污染区。值得关注的是，空调机组系统中真菌污染甚至比细菌更为严重。这些真菌如青霉、曲霉、枝孢霉、链格孢霉，可产生外生孢子，在适宜的温湿度环境下成熟后，会在空气中飞扬，引起皮肤过敏。

一般而言，微生物浓度随着相对湿度的升高而增加，对于洗衣机而言，持续用水的工况形成了潮湿的环境，十分适宜细菌与真菌的生长。正是因为这个原因，在洗衣机微生物污染情况的研究中，新机与旧机并未出现较大的微生物总数差异。

与冰箱、空调和洗衣机相比，目前对于热水器内细菌情况的研究较少，普遍认为热水器产品具有较高的温度和压力，不利于细菌的生长和繁殖。但近几年对水体细菌的研究中发现，在管道冷却塔、管道水系统、温泉水、生活热水，甚至在淋浴头的自来水中均检出军团菌污染[9-11]，这引起了热水器研发人员对于微生物污染的关注。

总本来看，冰洗空家电面临的微生物污染风险非常高，对冰洗空家电的抗菌应用研究也较为成熟。目前，虽然对于热水器家电除菌的研究处于起始阶段，但水质健康一直是消费者的关注所在。伴随本次新冠肺炎疫情带来的用户健康意识的提升，将引发对整体家居环境、食品、水质、衣物等方面的安全关注，并引导更细化、更全面的家庭微生物污染控制研究。

表1 家电微生物污染现状

3 家电产品抗菌性能的技术标准

家电微生物污染状况促进了抗菌家电产业迅速发展，与此同时，健康安全标准的建立也在推动抗菌技术的进步。GB 21551.1-2008《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能 通则》[12]中对抗菌定义为，采用化学、物理等方法杀灭细菌或妨碍细菌生长繁殖及其活性的过程，针对家用电器上使用的抗菌材料；对除菌的定义为，采用化学、物理等方法去除或减少作用对象上细菌、真菌的过程，针对家电产品整机功能。而抑菌是指通过一系列物理化学方法抑制细菌和真菌的生长和繁殖。从定义可知，抗菌包括两部分内容，即除菌和抑菌。

目前，我国的抗菌家电相关标准包括六项强制性国家标准、两项行业标准和一项团体标准，且涉及抗菌材料或性能的家用电器标准大多参照GB 21551.2的规定进行。如表2所示，对国家标准所涉及的抗菌、除菌的相关指标要求进行了概括。

冰洗空热产品中存在的微生物种类各不相同，除细菌外，也存在真菌超标的现象。尤其是空调产品中，真菌甚至成为优势菌。因此，现有针对细菌的抗菌率指标难以满足广谱的抗菌需求，可参考其他涉及健康的三项标准作为补充，如表3所示。

以健康相关的标准作为参考，对比家电国标中对于抗菌相关的规定，通过分析，有三点值得关注：

（1）目前的国标对微生物的灭活主要关注于细菌，是以大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白葡萄球菌为代表的革兰氏阴性菌或阳性菌，未涉及真菌种类。

（2）对于抗菌效果的评价，均以外部接种菌液的形式进行产品抗菌测试，显示的主要是产品对外界环境的抗菌性能；而对于产品本身使用过程中产生微生物积累引起的二次污染问题，如空气净化器滤网因微生物滋生引起异味，抗菌性能评价研究尚处于起步阶段。

（3）部分技术手段实现抗菌效果的同时，会产生臭氧等污染物，而目前对臭氧浓度的控制以泄漏量为主，适合消毒柜等开关不频繁的产品，但对于频繁开启的冰箱，存在开启瞬间浓度较高的风险。类似的，在限制污染物浓度时，对于场景的细化也是必要的。

抗菌家电的诞生及发展均是以健康为最终目的。因此，未来可针对各家电产品的工况特点和优势微生物种类来对抗菌家电进行更全面的细化与评价。此外，为了避免造成二次污染，需要增加家电产品自身微生物洁净度的评价。

表2 国家标准对于家用电器的抗菌技术规定

表3 涉及健康的可参考国家标准

4 家电产品抗菌技术的应用现状

抗菌相关标准的建立促进了抗菌技术的进一步发展，抗菌协会在对天猫商城、京东商城、苏宁易购和国美商场四个电商平台的数据分析后发现，抗菌技术在洗衣机、空调产品（包括空净）、冰箱的渗透率最高，分别达到47.0%、35.9%和16.3%，此三类也是受微生物污染最严重的家电产品。抗菌净水器和热水器产品的品牌市场占有率为9.9%和6.6%。

目前市面上的家电，其实现抗菌的方式主要有两种：材料和技术，即一种是通过在原料基体中加入抗菌剂实现材料优异的抗菌性能；另一种是在产品结构上装置抗菌设备实现空间内的除菌消毒。

4.1 抗菌材料

抗菌材料可分为有机、无机、天然产物及复合抗菌剂四类，如表4所示，详细的介绍了各类抗菌剂的抗菌原理及优缺点。银离子除菌及其衍生出的光动银除菌、纳米银抗菌等技术被松下、海尔等各大家电企业应用在洗衣机、冰箱、净水器及空气净化器等产品上。另外，海尔还从用户最为关注的除菌效果和其对食品的影响等几个方面考虑，借助从草本植物中提取的天然抗菌物质，实现除菌的同时又不会破坏食物的结构；天然碧玺石可持续自发产生大量负离子，将其嵌入冰箱风道，形成天然负离子养鲜仓，瓦解冰箱内部异味和细菌，保证内部空间清新洁净，使得物品表面的除菌率达到99.9%。

4.2 抗菌技术

与抗菌材料不同，技术类抗菌手段的实现较为复杂，经过多年的发展，可大致分为加热、光辐照、活性粒子、电磁场四大类。

加热是最传统的除菌方法，其实现方式包括电加热、光波加热、红外加热。从温度的不同可分为高温（80℃以上）和巴氏（56℃～80℃）。洗衣机、热水器以及消毒柜普遍采用这一方法进行除菌，其除菌率一般可达99.99%。例如，海尔的光波巴氏消毒柜就是利用宽频光波巴氏（65℃～90℃）与深紫外光波协同作用，对大肠杆菌的除菌率大于99.9%，对脊髓灰质炎病毒的除菌率达到99.99%以上，该技术在对餐具消毒过程中不产生臭氧等副产物。尽管加热除菌的效果很好，但其能耗高并且需避免在对温度敏感的场景中使用。

光辐照技术，其代表的形式包括UVC紫外[22,23]和脉冲强光，二者的有效波段均为深紫外。UVC处于微生物吸收峰的范围之内，可在几秒种之内通过破坏微生物的DNA或RNA，造成细胞死亡，达到除菌消毒的效果。传统的紫外灯为汞灯，功率较高，适合于较大空间的空气除菌、物体表面除菌；UVC-LED凭借体积小、开启速度快、功耗低等诸多优点，在水、空气、表面除菌等许多领域都有巨大的应用价值和市场前景。但由于发光效率和光输出功率低，使其只适用于小范围近距离（如洗碗机、消毒柜、净水机等）的除菌。脉冲强光具有更广的光谱和强度，因此可实现快速、高效的除菌。使用该类技术时需要注意存在辐照死角和随距离增大而产生辐照度下降的问题。

光触媒、等离子体及臭氧等除菌技术都是通过活性粒子如：·OH、、O-、H2O2、、NO+等的强氧化性来除菌。传统的光触媒技术[23]在洗衣机中应用比较广泛，但需要借助紫外灯才能发挥作用。冷触媒（自然触媒）[25]在传统紫外光触媒技术上进一步突破，其无需凭借紫外光，在自然光下便可发挥作用。目前，海尔已将冷触媒技术用于空气净化器、冰箱等产品中，在冰箱冷藏室中安装冷触媒抗菌除臭模块，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率达到99.99%以上，对甲硫醇和三甲胺异味的去除率也大于90%。等离子技术作为新兴的技术，已经在冰箱、洗衣机、消毒柜等产品中有所运用，其除菌速度快且效果好。目前制约等离子体技术发展的主要症结在于放电过程中所产生臭氧浓度的控制问题，这是与臭氧除菌技术共同的技术难点。因此，在运用时，需要在有效使用和浓度控制之间寻找一个平衡点。

电场和磁场[26]往往是相辅相成而存在的，通过交变电场和磁场作用产生击穿而实现除菌。液体的电场除菌往往通过欧姆作用实现，而空间的电场除菌类似于电晕技术，会产生O3等成分。磁场除菌目前应用相对较少，在热水器中对水体的除菌中有部分使用。

表4 常用抗菌剂种类及抗菌原理

4.3 抗菌技术的发展趋势分析

抗菌材料和技术的发展为实现更高的除菌效果提供了可能，虽然部分抗菌材料和抗菌技术具有广谱通用性，但仍需要针对场景和优势菌进行分析、匹配，以实现最优的组合。如，以病毒灭杀为目标的除菌技术，需考虑病毒自身适于较低温度和湿度的环境，且对热敏感的性质，因此选用中高温加热的方式即可实现较好的除菌效果；而真菌最适宜在高湿度环境下繁殖，因此在抗菌技术应用的同时需配合相应的干燥程序为佳。

本次新冠肺炎疫情的出现使得消费者对健康的需求向更加全面、细化和具象化方向发展，从对单一家电产品的抗菌到整体家居环境的抗菌，从对除菌率提高的追求到除菌过程的可感知，这些都需要家电产品的研发人员付出更多的努力。笔者认为，以下几个方向可能成为未来家电抗菌技术发展的趋势：

（1）抗菌效果的提升。不同家电产品所存在的微生物种类不同，尤其是对于真菌普遍超标的现象，需要全面提高包括真菌在内的抗菌效果；同时在关注家电产品对工况环境的抗菌外，应进一步提高家电产品自身抗菌性能。

（2）抗菌技术安全性能的提升。对于存在一定有害物（如臭氧）的抗菌技术，需要进一步优化工作模式，减少有害物质释放，提高用户体验。

（3）多方式组合抗菌的优化。通过多重技术的协同作用，取长补短，实现高效快速的除菌效果，提升抗菌能力。

（4）除菌的可感知。通过对家电产品的实时或定期的检测，对家电洁净情况进行监控；并实现除菌程序工作进度和效果的可视化，为消费者提供更安心的体验。

5 结束语

众多家电产品为人们的生活带来了极大的舒适与便捷，而消费者们健康意识的提升对产品技术的研发提出了更高的要求，不论是与饮食相关的冰箱、消毒柜，还是与呼吸相关的空调、空气净化器等。诸多除菌技术让家电增加了健康属性，随着除菌技术的发展，将会有更多先进的除菌技术应用到各种家电产品中，实现用户家庭全场景的健康应用体验。