饒 瑾 Nayebare Kakwara Prosper 楊勝祥 吳華平 楊秀樹 孫芳利

(1.浙江農(nóng)林大學工程學院 杭州 311300；2.浙江農(nóng)林大學理學院 杭州 311300；3.浙江杭化新材料科技有限公司 杭州 311305)

竹子是一種天然速生材料，與木材有著相似的質感。我國竹類資源豐富，養(yǎng)竹歷史悠久，竹材作為國家第二大林業(yè)產(chǎn)業(yè)填補著木材供需矛盾的缺口，同時也為竹產(chǎn)區(qū)農(nóng)民的脫貧致富作出了重要貢獻，尤其在我國南方地區(qū)，如浙江、江西、福建和湖南等省，竹產(chǎn)業(yè)已成為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的支柱和主導產(chǎn)業(yè)(賀勇等，2009)。然而，竹材因含有較多的糖類、淀粉和蛋白質等營養(yǎng)物質(吳海萍等，2006)，在加工、貯存和使用過程中易發(fā)生霉變，不僅影響竹產(chǎn)品的外觀，而且空氣中大量的霉菌孢子還讓人呼吸不暢，甚至造成呼吸道疾病，給企業(yè)和消費者帶來了一定損失。

眾多學者已在低毒、環(huán)保和高效的防霉劑研發(fā)方面做了大量工作，但在實際使用中仍存在毒性、防霉效果不理想和抗流失性差等問題，尤其是用于食品和人體接觸的竹制器具，如竹筷、砧板、竹席和玩具等，防霉劑的流失不僅降低防霉效果，而且還會污染環(huán)境、影響人們的健康(趙鶴等，2010)。因此，開發(fā)天然無毒且具有一定抗流失性和防霉效果好的防霉劑尤為重要。

隨著人們對環(huán)境生存質量要求的日益提高以及對環(huán)境保護意識的不斷加強，有機氯殺蟲劑和五氯酚類防霉劑均已停止使用和生產(chǎn)(陳利芳等，2012)，開發(fā)綠色環(huán)保無污染的防霉劑是今后必然的發(fā)展趨勢。樟樹(Cinnamomuncamphora)葉提取物、殼聚糖和竹醋原液等已被用于竹材防霉(徐國祺，2011；孫芳利等，2006；沈哲紅等，2009)，這些以天然提取物為主要成分的防霉劑不僅對環(huán)境和人體無毒無害，而且還能有效抑制霉菌對竹材的侵染，然而不斷拓展的竹產(chǎn)品種類和應用領域對防霉劑的持效性提出了新要求。碘及其衍生物在醫(yī)藥領域有著廣泛應用(王衛(wèi)平等，2008)，但其缺點是活性成分很容易從材料中流失出來。有研究指出，漆酶作為一種催化氧化劑，可通過自由基反應活化生物質的木素成分(Yaropolovetal.，1994)，已用于無甲醛人造板和木材抗菌中(金春德等，2009；Schubertetal.，2012)

鑒于此，本研究利用漆酶催化氧化特性，使無毒殺菌劑碘與竹材形成穩(wěn)定化學鍵提高碘的抗流失性，增強竹材防霉性能，以期為天然無毒防霉劑的開發(fā)提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試材 采自浙江省杭州市臨安區(qū)三口鎮(zhèn)4年生新鮮毛竹(Phyllostachysedulis)，取地上2～4 m處，剖開后去青去黃，加工成 50 mm×20 mm×5 mm(長 × 寬 × 厚)，稱質量，記作m1，然后用游標卡尺測其長度、寬度和厚度，計算體積V。

1.1.2 菌種 木霉(Trichodermaviride)、桔青霉(Penicilliumcitrinum)和黑曲霉(Aspergillusniger)。

1.1.3 藥劑 磷酸二氫鉀(KH2PO4，AR，湖州湖試化學試劑有限公司)；碘化鉀(KI，AR，杭州蕭山化學試劑廠)；2，2′-聯(lián)氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽(ABTS，上海阿拉丁試劑有限公司)；活性為0.50 U·mg-1的漆酶(Laccase，Sigma-Aldrich公司)。

1.2 研究方法

1.2.1 試樣處理 1) 藥劑配制 將6.804 5 g KH2PO4溶解到1 L 容量瓶中，加蒸餾水定容，配成磷酸鹽緩沖液(PBS)，各處理液均以PBS緩沖液為溶劑。采用精度0.000 1 g的電子天平精確稱取漆酶，在1 000 mL容量瓶中配制1.5×10-3、3.3×10-3和4.8×10-3wt.‰的漆酶溶液，并分別與0.15 mol·L-1KI和1.46 mol·L-1ABTS混合組成3組處理液，另取碘化鉀制成0.15 mol·L-1KI緩沖溶液。

2) 試樣浸漬處理 將竹塊置于1 000 mL燒杯中井字形擺放，用惰性重物壓住竹塊以防止其浮動，加入上述配制好的溶液。為了保證漆酶活性，所有處理組均放入40 ℃水浴鍋內恒溫24 h，充分反應。反應結束后取出竹塊，稱質量得m2，將竹塊風干12 h后放入鼓風干燥箱，40 ℃干燥3 h。

1.2.2 防霉試驗 1) 不同菌種防霉測試 防霉試驗的試樣準備、處理和接種等均參照《防霉劑對木材霉菌及變色菌防治效力的試驗方法》(GB/T 18261—2013)的相關規(guī)定進行。未經(jīng)任何處理的竹塊作為對照組(Control)，0.15 mol·L-1KI緩沖溶液處理組(KI)以及由0.15 mol·L-1KI緩沖溶液、1.46 mol·L-1ABTS和濃度分別為1.5×10-3、3.3×10-3或4.8×10-3wt.‰漆酶緩沖溶液組成的處理組分別記作1.5LI、3.3LI和4.8LI。所有竹塊分別進行木霉、黑曲霉和桔青霉接菌試驗，接菌后的竹塊置于溫度28±2 ℃、相對濕度85%±5%的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4周。竹塊接菌培養(yǎng)第2天起，目測試菌感染面積和霉菌生長情況，主要檢查試樣表面感菌程度。被害值按表1分級(被害值越低，防霉效果越好)，根據(jù)試樣被害值評定防霉劑的防霉效果和防治效力(resisting efficacy，RE)。防霉劑對3種霉菌的防治效力按下式計算：RE=(1-DtDo)× 100%，其中:RE為防治效力；Dt為藥劑處理試樣的平均被害值；Do為對照試樣的平均被害值。

表1 試件霉變的分級標準Tab.1 Classes of the infection value of the tested bamboo blocks

2) 綜合防霉試驗 為研究漆酶催化碘處理材流失前后的防霉性能，取未流失對照組(UL-control)、0.15 mol·L-1KI緩沖溶液處理組(UL-KI)以及由0.15 mol·L-1KI、1.46 mol·L-1ABTS 和濃度4.8×10-3wt.‰漆酶緩沖溶液混合成的處理組(UL-4.8LI)，將竹塊鉆孔懸掛于如圖1所示可調控溫濕度的防霉試驗箱中，按照美國木材保護協(xié)會標準AWPA E 24-12進行防霉試驗，防霉試驗箱中放置由木霉、黑曲霉和桔青霉混合感染的竹塊和土壤，溫度保持(28±2) ℃、相對濕度85%±5%，每周檢查霉變面積，按照表1記錄霉變程度。另取對照組、0.15 mol·L-1KI緩沖溶液處理組以及由0.15 mol·L-1KI、1.46 mol·L-1ABTS和濃度為4.8×10-3wt.‰漆酶緩沖溶液混合成的處理組，先進行流失試驗，然后按照上述方法進行防霉性能測試。流失竹塊編號依次分別為L-control、L-KI和 L-4.8LI。

流失試驗按如下步驟進行，將竹塊按照每塊加入50 mL蒸餾水進行浸泡，連續(xù)浸泡14天，每天相同時間更換新鮮蒸餾水，收集流失液，用電感耦合等離子體質譜儀(NexlON 300D，美國PerkinElme)檢測流失液中碘含量。

圖1 綜合防霉試驗箱Fig.1 Comprehensive anti-mildew test chamber

1.2.3 竹材中碘固著率測試 參考《木材防腐劑對腐朽菌毒性實驗室試驗方法》(LY/T 1283—2011)，先計算竹塊中碘的載藥量R(kg·m-3)，再根據(jù)流失液中碘含量計算碘的流失量L(kg·m-3)。根據(jù)下式計算碘固著率F(%)：

式中：m1為防霉液處理前竹塊質量(g)；m2為防霉液處理后竹塊質量(g)；CI為處理液中碘的質量百分數(shù)(wt.%)；V為防霉液處理前竹塊體積(cm3)；mL為流失液中碘含量(g)。

1.2.4 化學組分表征 為進一步研究漆酶碘化處理對竹材化學組成和結構的影響，探索漆酶碘化處理防霉機制，選取流失試驗后對照組L-control和混合液處理組L-4.8LI的竹塊進行FTIR和XPS測試。

將竹塊粉碎后取小于100目的竹粉，與溴化鉀混合研磨并壓片，采用傅里葉變換紅外光譜儀(IRPrestige-21，日本島津)進行紅外光譜分析。樣品掃描范圍為4 000～400 cm-1，掃描分辨率為4 cm-1。采用X射線光電子能譜儀(Thermo Fisher Scientific，USA)對竹粉進行XPS分析，打開氬離子槍原位刻蝕樣品30 s，以排除試樣表面存在雜質的影響。樣品以單色化 A1 Kα射線(1 486.6 eV)激發(fā)，在真空度小于 5×10-7Pa的分析室中對試樣進行掃描，掃描范圍為0～1 100 eV。

2 結果與分析

2.1 不同濃度漆酶催化碘處理竹材的防霉效果

碘及其化合物是一種毒性較小的殺菌劑，常用于醫(yī)藥衛(wèi)生領域，將其用于霉菌的抑制尚未見報道。為了得到漆酶對不同竹材霉菌的抑制作用，本研究采用木霉、黑曲霉和桔青霉分別接種試塊，研究3種霉菌對竹材的感染情況。

2.1.1 防木霉效果 木霉是竹材常見的污染性霉菌，尤其是綠色木霉，受該種霉菌感染的竹材表面呈綠色或灰綠色，感染速度快，在溫暖潮濕的環(huán)境中，不到10天就能覆蓋整個竹材表面。圖2a為不同處理材在室內試驗中受綠色木霉感染平均被害值，可以看出，0.15 mol·L-1KI緩沖溶液處理竹塊接種綠色木霉28天后，竹塊平均被害值達到1.72。采用漆酶催化碘處理竹塊，綠色木霉感染程度降低，防霉效果明顯增加。濃度為3.3×10-3和4.8×10-3wt.‰漆酶催化碘處理竹塊防木霉效果最佳，平均被害值分別為0.12和0.10，幾乎不發(fā)霉。

2.1.2 防黑曲霉效果 黑曲霉感染能力最強，繁殖最快，其分生孢子呈黑色，竹材感染該霉菌后，表面呈黑色斑點，有時連成片。未處理竹塊第5天就已全部覆蓋菌絲(圖2b)，0.15 mol·L-1KI緩沖溶液處理竹塊第6天開始感染霉菌，第7天已有一半以上的竹表面覆蓋菌絲，平均被害值達到2.5，隨后被害值不斷增加，第21天長滿菌絲。漆酶催化碘處理竹塊對黑曲霉的抑制效果優(yōu)于碘化鉀處理竹塊，可延緩黑曲霉的生長和繁殖。濃度為1.5×10-3wt.‰漆酶催化碘處理的竹塊防黑曲霉效果不如濃度為3.3×10-3wt.‰和4.8×10-3wt.‰漆酶催化碘處理的竹塊。但在16天后黑曲霉增長較快，所有竹塊21天時幾乎全部被黑曲霉菌絲覆蓋。

2.1.3 防桔青霉效果 桔青霉對竹塊的侵染較慢，對照組和0.15 mol·L-1KI緩沖溶液處理組在第7天時開始感染桔青霉，隨后菌絲繁殖較快，第12天時2種處理組竹塊表面幾乎布滿菌絲(圖2c)。桔青霉在漆酶催化碘處理的竹塊上生長和繁殖較緩慢，第10天開始出現(xiàn)菌絲，10～14天生長緩慢，14天以后開始迅速生長，并在24天時竹塊幾乎完全被菌絲覆蓋。相比較來看，濃度為3.3×10-3wt.‰漆酶催化碘處理竹塊防治效果最佳。與黑曲霉效果相似，所有竹塊21天后幾乎長滿菌絲。

圖2 不同濃度漆酶對木霉(a)、黑曲霉(b)和桔青霉(c)的防霉效果Fig.2 Anti mold efficiency of different activity of laccase against T.viride (a),A.niger (b),P.citrinum (c)

為了進一步評價幾種處理對3種霉菌的防治效果，根據(jù)處理材受3種霉菌侵染后各自的平均被害值，計算各處理材對3種霉菌的防治效力，結果如表2所示。0.15 mol·L-1KI緩沖溶液處理組對3種霉菌的綜合防治效力在7天左右就降到59.52%，14天后只有29.31%，隨后變化不大，這說明碘化鉀單獨處理竹材也具有一定防霉效果，但效果不理想。漆酶催化碘處理竹材對3種霉菌的防治效力都有顯著提高，前14天3.3LI和4.8LI的綜合防治效力都能達到80%以上，14天后防治效力開始明顯下降，28天試驗結束后，漆酶催化碘處理的竹塊防治效力仍能達到30%以上。

表2 不同處理對3種霉菌的防治效力
Tab.2 Resisting efficacy of different activitylaccase toT.viride,A.nigerandP.citrinum

時間Time/d防治效力Resistingefficacy(%)KI1.5LI3.3LI4.8LI759.5299.86100.00100.001429.3167.9294.8681.942120.0834.5837.5036.782819.7231.9434.7235.28

2.2 處理材的抗流失性能

在實際使用時，竹產(chǎn)品往往會受到水的淋洗，如砧板、筷子和竹席等生活用品。為了更進一步了解實際使用時的情況，將未流失和流失后的竹塊置于木霉、青霉和黑曲霉混合菌感染的防霉試驗箱中，進行為期3個月的防霉性能測試，結果如圖3所示。對照組第7天就完全霉變。碘化鉀單獨處理的竹材未經(jīng)流失試驗(UL-KI)21天前有一定防霉效果，但霉菌生長和繁殖較快，65天后失去防霉效果，其防霉效果明顯低于漆酶催化碘處理的UL-4.8LI組。UL-4.8LI組雖然隨著時間延長被害值呈上升趨勢，但91天后被害值仍處于3左右。經(jīng)過14天流失試驗，碘化鉀處理材(L-KI)前7天防霉效果與流失前相當，7天后防霉效果遠低于流失前的防霉效果，說明有一部分碘從竹塊中流失出來，從而降低了其防霉效果。與未流失試材UL-4.8LI相比，流失試材L-4.8LI防霉效果雖有所下降，但明顯比L-KI組好。以上結果表明，漆酶催化碘處理竹材能有效提高竹材防霉效果，且具有一定的抗流失性。

圖3 不同處理方式流失前和流失后的防霉效果Fig.3 Anti mold efficiency of different treatments before and after leaching

從以上分析可以看出，碘化鉀雖能在一定程度上提高竹材的防霉性，但是流失后防霉性能明顯降低。而漆酶催化碘處理竹材不僅可提高竹材的防霉性，而且具有一定的抗流失性。碘固著率計算結果如表3所示。碘化鉀處理組和濃度為4.8×10-3wt.‰漆酶催化碘處理組流失試驗前碘載藥量分別為0.81和0.79 kg·m-3，說明2種處理方法碘的吸藥量差別不大。但經(jīng)過流失試驗后，碘化鉀處理組碘固著率只有37.47%，漆酶催化碘處理組碘固著率高達86.13%，遠遠高于碘化鉀處理組。這一結果說明漆酶能通過某種反應將一部分碘固定在竹材中，提高了碘的抗流失性。

表3 竹塊碘固著率Tab.3 Fixation of iodine in bamboo blocks

2.3 處理竹材的紅外光譜分析

為了更好了解漆酶催化氧化碘處理后竹材發(fā)生的化學變化，對改性前后的竹材進行FTIR分析，結果如圖4所示。1 600和1 510 cm-1處表征木質素苯環(huán)結構的吸收峰強度減弱，表明木質素發(fā)生了變化，推測漆酶催化氧化碘化鉀主要發(fā)生在木質素上，導致木質素中C—C鍵和苯環(huán)裂解(Bourbonnaisetal.，1995)，與Schubert(2012)的研究結果相似，在無膠纖維板研究中也發(fā)現(xiàn)漆酶對木質素有作用(金春德等，2009)。1 087和882 cm-1處峰的增強可能與苯環(huán)上形成的C—I鍵有關(Coates，2000)。2 971 cm-1和2 921 cm-1分別代表—CH3和—CH2—，處理材這2處峰明顯增強，可能是木質素側鏈的C—H鍵發(fā)生了變化。

2.4 處理前后竹材表面的XPS分析

2.4.1 竹材表面化學組成分析 X射線光電子能譜能夠用于分析竹材處理前后表面化學成分及元素狀態(tài)的變化，有助于推測漆酶催化碘處理竹材的反應機制。圖5為竹材改性前后的XPS能譜，不管是對照材還是處理材都存在C1s、N1s和O1s 3個峰，分別表示C、N、O元素。從圖5可以看出，處理材明顯多了一個I3d峰(Qingetal.，2015)，表4中對照材I含量為0，處理材則為0.17%，說明處理后的竹材經(jīng)過14天浸泡仍存在I元素，這部分碘可能與竹材發(fā)生了反應。618.7和630.2 eV為KI的特征峰，說明有少量KI留存于竹材中未被淋洗出來。621.0和632.6 eV為C—I鍵的特征峰(Wangetal.，2004)，遠大于KI的特征峰。C—I鍵的形成可能與木質素有關，這一點在上述紅外分析中也已證明。據(jù)報道，漆酶能夠氧化木質素產(chǎn)生苯自由基或苯氧自由基(Sj?str?m，1993)，同時也能氧化KI產(chǎn)生碘自由基(Xu，1996)，二者可以反應形成C—I共價鍵，提高碘的固著率，從而賦予竹材一定的抗菌性(Ihssenetal.，2014；Schubertetal.，2012)。值得關注的是，漆酶氧化竹材后O/C應該增加，但試驗得出的結果卻減小，這可能與C—I鍵的形成機制有關。

圖4 改性前后竹材的紅外光譜分析Fig.4 FTIR spectra of bamboo powder before and after modification

圖5 竹材表面XPS能譜Fig.5 XPS spectra of bamboo

表4 對照材和改性材的O/C和I/CTab.4 O/C ratio and I/C ratio of control and modified bamboo

圖6 竹材表面的C1s XPS圖譜Fig.6 C1s XPS spectra of bamboo

2.4.2 竹材表面C1s分析 Dorris等(1978)將木材中的碳原子劃分為4種結合形式，據(jù)此可對C1s譜通過曲線擬合出4個峰，分別為C1、C2、C3、C4。由于O1s峰在木材表面化學組成研究中的重要性遠不如C1s峰(杜官本，1999)，且關于不同化學態(tài)O元素結合能的數(shù)據(jù)較少并存在爭議(Inartetal.，2006)，因此本研究未對O1s進行分峰擬合處理。

圖6和表5分別為竹材表面的C1s XPS圖譜和不同化學態(tài)C的百分比。無論是對照材還是處理材，C2所占百分比都是最高的，分別為61.79%和53.31%，這是由于C2是纖維素和半纖維素C的主要結合方式(丁濤等，2017)。處理材中代表木質素含量的C1面積百分比明顯增加，代表纖維素和半纖維素含量的C2面積相對減少，C1/C2從0.47增加到0.69，說明纖維素和半纖維素氧化較多，而木質素的變化有2種可能性：一是氧化程度低，由于漆酶對木質素的氧化性已得到認可，故其可能性較??；二是木質素氧化后形成含氧自由基，含氧自由基被碘自由基取代形成C—I鍵。木質素苯環(huán)結構的變化和C—I鍵的形成在紅外分析和I3d XPS圖譜上得到證明。

表5 對照材和改性材不同化學態(tài)C的百分比Tab.5 Distribution of different C components of control and modified bamboo

3 討論

竹材中豐富的糖類、淀粉和蛋白質使其極易受到霉菌侵染而產(chǎn)生霉變(孫芳利等，2006)，現(xiàn)如今市場上所用防霉劑大多對環(huán)境和人畜有害，因此研發(fā)安全環(huán)保的防霉方式具有重要的科學價值和廣闊的市場應用前景。此外，當竹材作為筷子和砧板等頻繁水洗領域使用時，需要處理材防霉劑抗流失，防霉效果持久。本研究利用漆酶能夠同時氧化碘化物和芳香族的特性(Witayakranetal.，2010)，在碘化鉀溶液中加入漆酶共同處理竹材，通過防霉和流失試驗，檢測試塊的防霉和抗流失性能，并采用FTIR和XPS分析試塊主要化學鍵和元素的變化，以此探究漆酶催化碘處理竹材的反應機制。

木霉、桔青霉和黑曲霉是引起竹材霉變常見的3種霉菌，本研究利用這3種霉菌對試塊侵染后發(fā)現(xiàn)，漆酶催化碘處理組防霉效果均明顯高于碘化鉀單獨處理組。碘化鉀單獨處理組和濃度為4.8×10-3wt.‰漆酶催化碘處理組雖然具有相似的碘載藥量，但是經(jīng)過14天去離子水流失試驗后，碘化鉀單獨處理組碘固著率遠遠小于漆酶催化碘處理組。而混合菌防霉試驗也表明即使經(jīng)過流失處理，漆酶催化碘處理組防霉效果仍高于碘化鉀單獨處理組。這說明漆酶催化作用將碘固著在竹材內部，不僅提高了竹材的防霉性能，同時也增強了碘化物的抗流失性能。

已有研究表明，漆酶既能氧化碘化鉀又能作用于酚類化合物，如竹材中的木質素。本研究借助漆酶這一特性使碘與竹材中的木質素發(fā)生反應，防霉試驗和流失試驗證明漆酶催化碘化鉀后能將碘固著于竹材中。為了進一步探索其固著機制，采用紅外光譜和X-射線光電子能譜進一步分析測試。紅外測試發(fā)現(xiàn)，漆酶催化碘處理主要使竹材中的木質素發(fā)生較大變化，其反應機制可能是木質素被漆酶氧化形成含氧基團并產(chǎn)生自由基，碘化鉀則被氧化成碘自由基，二者可能形成C—I鍵。X-射線光電子能譜證實了C—I鍵的存在。這一研究結果揭示了漆酶催化碘化物處理竹材后防霉性能和抗流失性提高的原因，為漆酶催化氧化在木竹材保護和改性中的應用提供了新思路。

4 結論

碘化鉀單獨處理竹材在試驗初始階段有一定防霉效果，但后期竹塊發(fā)霉嚴重，說明防霉效果不持久。漆酶催化碘處理竹材能有效提高竹材防霉效果，尤其對木霉有較好的防霉作用，且漆酶濃度越大，防治效力越高。加入漆酶催化碘化物作為竹材防霉劑還能有效解決碘易流失的問題，提高碘的固著性和防霉性能，擴大碘及其衍生物在木竹材防霉防腐方面的應用。