孫喻晗，邱增處*，米冰冰，付夢娜，陳章景

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100；2.弗吉尼亞理工大學(xué) 木材科學(xué)與林產(chǎn)品系，弗吉尼亞 24060)

霉菌是一種數(shù)量眾多、代謝旺盛、繁殖能力強(qiáng)的微小真菌，在潮濕環(huán)境和適宜溫度下極易侵害木材，導(dǎo)致其發(fā)霉腐敗變質(zhì)。這不僅影響木材外觀，延長木材干燥時間，也使其更容易受到其他生物的攻擊[1]。因而采取有效措施對木材進(jìn)行殺菌處理很有必要。

目前，多使用砷酸銅CCA、季胺銅ACQ、硼酸鹽、三唑、多菌靈、百菌清、合成擬除蟲菊酯類和氨基甲酸酯等化學(xué)藥劑對木材進(jìn)行殺菌處理，但這類殺菌劑含有毒物質(zhì)，對環(huán)境和人體產(chǎn)生危害[2-3]。近些年發(fā)展起來的生物殺菌劑逐漸受到人們的青睞，如乙酰胺類化合物、蘆丁及金屬配合物、植物精油等，但其抑菌作用較弱[4-11]。因此，研發(fā)對環(huán)境和人體無毒害的新型抑菌技術(shù)意義重大。

引起木材霉變的真菌主要有木霉(Trichoderma)、青霉(Penicillium)、曲霉(Aspergillus)和毛霉(Mucro)等，最常見的霉菌如木霉屬的綠色木霉、青霉屬的青霉菌和曲霉屬的黑曲霉等均為需氧型霉菌[12]。霉菌適宜生長溫度為25 ℃，適宜濕度為75%～95%[13-14]，故可通過排除氧氣和水分抑制霉菌生長。真空滅菌技術(shù)在食品領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛[15-17]，但在木材殺菌方面的報道較為少見，故可嘗試將真空技術(shù)應(yīng)用于木材的滅菌領(lǐng)域。

本研究通過對接種青霉菌的橡膠木進(jìn)行真空處理，采取霉菌稀釋計數(shù)、傅里葉紅外分析、熱重分析方法和動態(tài)水蒸氣吸附分析試驗(yàn)，分析真空對青霉菌的抑制作用及真空處理對接菌橡膠木表面化學(xué)結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和吸濕解吸性能的影響，探索真空抑制青霉菌的工藝，以期為研發(fā)新型環(huán)保抑菌技術(shù)提供更多的思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

木材：橡膠木(H.brasiliensis)，含水率5%，尺寸為50 mm(L)×20 mm(T)×5 mm(R)，采自海南省三亞市。

試驗(yàn)用菌：青霉菌(Penicilliumsp.)，子囊菌亞門，青霉屬青霉菌，來自西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗(yàn)中心。

試劑：孟加拉紅培養(yǎng)基、無水乙醇、75%的酒精、無菌水、絕干溴化鉀(KBr)試劑(分析純)、丙酮溶液、熒光素雙醋酸鹽(FDA)試劑等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

HZ-2004A型可程序恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)，LDZM-80KCS-Ⅱ型立式壓力蒸汽滅菌器，BBS-SDC型無菌操作臺，101-1AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱，SDV30循環(huán)水式真空機(jī)組，JP-350A-8型萬能高速粉碎機(jī)，NICOLET FTIR IS10傅里葉變換紅外光譜儀， TGA/DSC3+熱重分析儀，DVS-100T型動態(tài)水蒸氣吸附分析儀等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 霉變橡膠木試件的制備 依據(jù)GB/T 18261-2013《防霉劑對木材霉菌及變色菌防止效力的試驗(yàn)方法》對橡膠木試件進(jìn)行接菌培養(yǎng)，共計42個培養(yǎng)皿，設(shè)置溫度25～28 ℃，相對濕度85%，培養(yǎng)時長30 d。

1.3.2 抽真空處理 將接種好青霉菌的橡膠木試件分為7組，每組3個進(jìn)行真空處理，真空度7 mmHg(933 Pa)，溫度15 ℃，處理時長為0、12、24、36、48、60、72 h，并設(shè)置未經(jīng)任何處理的橡膠木試件為空白對照。

1.3.3 霉菌稀釋計數(shù) 采用霉菌稀釋計數(shù)法。分別配置1∶103，1∶104，1∶105，1∶106，1∶107，1∶108和1∶109共7個體積分?jǐn)?shù)梯度的菌懸液稀釋溶液。選擇這7個體積分?jǐn)?shù)梯度的菌懸液溶液進(jìn)行稀釋計數(shù)。使用抑菌效率對真空抑制青霉菌的效果進(jìn)行評價：

真空抑菌效率(%)=(未處理木材中青霉菌數(shù)-真空處理后木材中青霉菌數(shù))/未處理的木材青霉菌數(shù)×100%

(1)

1.3.4 傅里葉變化紅外光譜分析 使用KBr壓片法分別對空白對照(未接菌試件)、接菌-真空0 h(真空處理時長0 h)、接菌-真空60 h(真空處理時長60 h)試件進(jìn)行紅外光譜分析。取純KBr粉末于105 ℃下烘干去除多余水分后保存?zhèn)溆?。? mmg橡膠木與100 mg KBr粉末置于瑪瑙研缽內(nèi)，在紅外燈下充分研磨成細(xì)粉，轉(zhuǎn)移至壓片模具中，壓力設(shè)置10 MPa，加壓時間60 s，即得一透明壓片，在32 cm-1分辨率下掃描64次，獲得紅外光譜圖。

1.3.5 熱重分析 采用N2作為保護(hù)氣體，設(shè)置氣流速度50 mL·s-1，反應(yīng)溫度30～600 ℃，升溫速率10 ℃·min-1，每次取10 mg 200目篩的橡膠木粉進(jìn)行熱解試驗(yàn)。

1.3.6 動態(tài)水蒸氣吸附分析儀分析 從空白對照、接菌-真空0 h、接菌-真空60 h試件表面取少量樣品作為試驗(yàn)材料。稱取少量樣品放入動態(tài)水蒸氣吸附分析儀的樣品盤上，設(shè)置溫度25 ℃，相對濕度0～90%，相對濕度梯度10%。每隔1 min用高精度天平測定樣品的質(zhì)量，天平精度10-4g。在一定的相對濕度下，木材的平衡含水率(equilibrium moisture content,EMC,公式中用EMC表示)為:

(2)

式中：EMC為樣品平衡含水率,%；w為某一相對濕度下樣品的重量,g；wo為樣品的絕干重量,g。

動態(tài)水蒸氣吸附分析儀可以得到相對濕度0～90%共10個點(diǎn)的平衡含水率，使用Origin軟件繪制吸濕解吸曲線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 真空處理抑菌效率分析

真空處理接菌橡膠木小于等于24 h時，抑菌效率呈直線上升(表1)。處理時間大于24 h時，抑菌效率增加量逐漸降低。處理48 h時，抑菌效率達(dá)到99.79%，幾乎沒有青霉菌生長；處理60 h，真空抑菌效率達(dá)到99.99%；之后時長增加，抑菌效率不再變化，可視作青霉菌被全部殺死。分析可知，真空處理對于青霉菌的生長有明顯的抑制作用。由于青霉菌生長環(huán)境濕度大于82%，溫度5～32 ℃，而隨著真空處理時長增加，木材內(nèi)部和青霉菌體內(nèi)的氧氣和水分被抽出，霉菌因缺水、缺氧被殺死[13-14]。

表1 每克木材中含有的霉菌數(shù)及其抑菌效率

2.2 傅里葉變換紅外光譜分析

分析圖1和表2可知，與空白對照組相比，接菌處理的橡膠木試件在2 924 cm-1處甲基、亞甲基中的C-H的伸縮振動減弱，說明經(jīng)過青霉菌處理的橡膠木試件纖維素有所降解。1 736 cm-1附近乙?；汪然系腃=O伸縮振動有所減弱，說明經(jīng)過青霉菌處理的橡膠木試件中的半纖維素有所降解。經(jīng)過真空處理后，半纖維素相對含量有所增加。1 049 cm-1附近的C-O伸縮振動和乙?；械耐檠蹑I伸縮振動減弱，說明樣品中的纖維素和半纖維素有所降解。經(jīng)過青霉菌處理的橡膠木試件在1 643 cm-1處木質(zhì)素共軛羰基伸縮振動減弱，1 512 cm-1處苯環(huán)骨架振動減弱，1 254 cm-1處酚醚鍵伸縮振動減弱，說明木質(zhì)素有所降解；3 422 cm-1附近的O-H伸縮振動峰尖銳程度增加，說明接菌后的橡膠木試件親水基團(tuán)增加，表面親水性增加[18-20]。根據(jù)紅外結(jié)果分析可知，青霉菌能夠降解橡膠木表面的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素(三大素)，增強(qiáng)表面親水性。但經(jīng)過60 h真空處理，橡膠木中的青霉菌被殺死，青霉菌分解產(chǎn)生的CO2和單糖類物質(zhì)被抽出，三大素相對含量又有所增加。

表2 不同處理?xiàng)l件橡膠木樣品紅外光譜特征吸收峰及其官能團(tuán)歸屬

2.3 熱重分析

從圖2可知，橡膠木試件在250 ℃開始發(fā)生熱解，直到370 ℃后反應(yīng)才大致結(jié)束，反應(yīng)過程大概分為3個階段：

30～250 ℃，隨著溫度的上升，橡膠木試件內(nèi)水分逐漸蒸發(fā)，少量半纖維素發(fā)生降解。250～370 ℃，剩余半纖維素(220～270 ℃)、纖維素(250～320 ℃)和木質(zhì)素(280～400 ℃)熱解速率加快，失重率高達(dá)60%以上，其中，接菌橡膠木試件降解速率明顯加快，最大反應(yīng)速率對應(yīng)的溫度降低了17.5 ℃。真空處理60 h的試件降解反應(yīng)速率介于兩者之間，但降解反應(yīng)溫度提前約20 ℃。由于青霉菌的作用，橡膠木試件的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素被降解，熱解反應(yīng)更易發(fā)生。

370 ℃之后，3種試樣TG曲線隨溫度升高變化趨于平緩，DTG曲線熱解速率接近于0，熱解炭化后的殘余物為少量固體炭化物和灰分。從TG曲線看，經(jīng)過接菌的2個試件在350 ℃最早進(jìn)入熱解炭化階段，未接菌處理試件在374 ℃進(jìn)入炭化階段，說明青霉菌侵染過的橡膠木更易炭化，其熱穩(wěn)定性降低，其中經(jīng)過真空處理的接菌試件熱穩(wěn)定性最低。

2.4 橡膠木的吸濕解吸特性分析

由圖3可見，在25 ℃下，隨著環(huán)境相對濕度逐漸增大，橡膠木試件的吸濕和解吸曲線均呈現(xiàn)上升趨勢，并且相對濕度對橡膠木試件平衡含水率的影響是不均衡的。橡膠木的吸濕等溫線的形狀均呈“S”形，解吸等溫線近于直線。當(dāng)相對濕度小于50%時，橡膠木試件的吸濕等溫線緩慢上升；當(dāng)相對濕度大于50%時，其吸濕等溫線上升加快。對比空白對照，經(jīng)過青霉菌處理的橡膠木吸濕解吸性明顯增加，滯后現(xiàn)象減弱，這可能與橡膠木經(jīng)青霉菌分解后，一部分纖維素和半纖維素被分解，游離羥基增加，吸濕性增加有關(guān)，這與2.2中橡膠木經(jīng)青霉菌處理后親水性官能團(tuán)增加結(jié)果一致。加之，由于青霉菌的作用使橡膠木內(nèi)部微毛細(xì)管系統(tǒng)受到破壞，也會增加其解吸性。雖然經(jīng)過真空處理60 h后的橡膠木青霉菌生長被抑制，但是青霉菌分解產(chǎn)生的小分子物質(zhì)被抽出，導(dǎo)致其孔隙率增加，使這一性能又有所增加。

3 結(jié)論

使用7 mmHg絕對真空對橡膠木上生長的霉菌進(jìn)行處理，研究發(fā)現(xiàn)真空處理可明顯抑制青霉菌的生長，時間越長，抑制效果越好。60 h真空處理對青霉菌的抑制效率可高達(dá)99.99%。

青霉菌能降解木材，使其表面的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量增大，增加木材表面親水性，增強(qiáng)木材吸濕解吸性能。真空處理后，木材表面三大素含量愈加增大，吸濕解吸性進(jìn)一步增強(qiáng)。

木材經(jīng)青霉菌侵染后，熱降解的最大速率對應(yīng)的反應(yīng)溫度降低，熱穩(wěn)定性能降低；真空處理60 h后，該結(jié)果更趨顯著，其熱穩(wěn)定性能進(jìn)一步降低，木材更易發(fā)生碳化。