劉 琳，周子堯，楊春旺，劉亦婷，邱 堅(jiān)

(西南林業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650233)

木材是一種重要的生物材料。木材產(chǎn)品質(zhì)量因腐朽或霉變受到嚴(yán)重影響，每年約占木材生產(chǎn)量 15% 的木材因腐朽而損失掉，造成巨大的資源浪費(fèi)。廣泛的化學(xué)合成木材防腐劑包括銅基防腐劑(即鉻酸鹽砷酸銅)、三唑(氮雜康唑、丙環(huán)唑、戊唑醇)、五氯苯酚或硼基殺菌劑。部分傳統(tǒng)的木材防腐劑因毒性大、污染環(huán)境等原因已被禁止使用[1-3]。因此，開發(fā)新型綠色環(huán)保的植物源木材防腐劑成為木材保護(hù)領(lǐng)域的重要方向。

植物源活性物質(zhì)具有安全、高效、毒副作用小等優(yōu)點(diǎn)[4]，主要包括生物堿、酚類、多糖、黃酮、揮發(fā)油、萜類化合物等[5]。從植物提取物中分離的活性物質(zhì)對(duì)木材腐朽菌的抗真菌作用主要?dú)w因于多種機(jī)制，如與真菌酶的直接相互作用、細(xì)胞壁和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物泄漏或離子穩(wěn)態(tài)的干擾、抗氧化活性等。本文總結(jié)了木材防腐領(lǐng)域的植物源活性物質(zhì)，探究了活性物質(zhì)對(duì)木材腐朽菌的抗真菌機(jī)理，分析了植物源木材防腐劑存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)，以期為植物源木材防腐劑的綜合利用提供一定的理論依據(jù)。

1 木材防腐領(lǐng)域的植物源抗真菌活性物質(zhì)

木材腐朽就是木材細(xì)胞壁被真菌分解時(shí)所引起的木材糟爛和解體的現(xiàn)象。能分解木材細(xì)胞壁的真菌為木材腐朽菌，主要包括白腐菌、褐腐菌和軟腐菌[6]。植物是生物活性化合物的天然寶庫，次生代謝產(chǎn)物超過 40 萬種。其中，萜烯類、生物堿類、類黃酮、酚類，以及揮發(fā)油等活性成分具有殺蟲或抗菌等功效[7-8]，為植物源木材抗真菌防腐劑的開發(fā)利用奠定了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。木材防腐領(lǐng)域的植物源活性物質(zhì)主要分為生物堿、揮發(fā)油、酚類、其他成分等。

1.1 生物堿

生物堿是存在于自然界中的一類含氮的堿性有機(jī)化合物，有顯著的生物活性[9]。咖啡因，一種從茶葉和咖啡中提取的生物堿，具有抗氧化、抗菌、免疫、抗癌和抗真菌特性；咖啡因抑菌作用的機(jī)制涉及其對(duì)真菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的破壞作用[10-12]。Araoa 等[13]對(duì)茶葉和咖啡提取物開展了抗木材真菌的研究，證明茶和咖啡提取物的主要成分咖啡因?qū)Υ蠖鄶?shù)真菌有很高的抑制作用，綠茶提取物對(duì)白腐、褐腐和軟腐真菌的抑制作用高于咖啡、正統(tǒng)紅茶和商業(yè)紅茶的提取物。Kristnaá 等[14]將咖啡因應(yīng)用在挪威云杉上，發(fā)現(xiàn)可以防止白蟻侵襲和抑制褐腐菌。Aitor Barbero-López 等[15]發(fā)現(xiàn)咖啡銀皮熱水提取物在較高質(zhì)量分?jǐn)?shù) (3%)下對(duì)鮭色波斯特孔菌、密粘褶菌和云芝的抑制率達(dá) 60%～70%，是一種潛在的木材防腐劑原料。Tripath 等[16]從馬纓丹的根、莖和葉中提取的含有生物堿、萜類化合物和酚類化合物的乙醇提取物，抑制了花葉松中白腐菌和褐腐菌生長。EL-Hefny 等[17]研究了滇茄果實(shí)的提取物對(duì)于木材的抗細(xì)菌和抗真菌活性，對(duì)于F. culmorum 和 R. solani 的真菌菌絲體抑制作用達(dá)84.07%和67.03%，且發(fā)現(xiàn)生物堿、酚類化合物、類黃酮化合物、糖苷、單寧和皂甙，是該植物提取物抗真菌活性的原因。

1.2 揮發(fā)油

揮發(fā)油是以蒸餾、壓榨、萃取等方式從芳香植物中提取的且有特殊香味的精油，具有抗氧化、殺蟲、抗真菌等生物活性[18-20]。Mohareb 等[21]研究了 18 種埃及植物精油對(duì)靈芝(Ganoderma lucidum)和毛蜂窩菌(Hexagonia apiaria)的抗菌性，結(jié)果表明，利用大果柏木、檸檬、北美香柏、加州胡椒樹、單子蒿和香葉天竺葵這 6 種植物葉子或果皮精油處理的蘇格蘭松邊材的防腐效果較好。Reinprecht 等[22]發(fā)現(xiàn)，在五種不同的精油(羅勒、肉桂、丁香、牛至和百里香)中，羅勒油對(duì)褐腐菌(G. trabeum)和白腐菌(T.versicolor)的抗菌效果最明顯。Xie 等[23]證實(shí)了牛至、香茅、百里香、天竺葵、肉桂和丁香精油對(duì)木材腐朽菌有抗真菌特性，并指出，香芹酚、香茅醇、肉桂醛、丁香酚和百里酚是最活躍的化合物。Rawat等[24]報(bào)告了含有印楝素的印楝油對(duì)尖孢鐮刀菌、增殖鐮刀菌、葡萄孢鐮刀菌和交鏈孢菌有明顯的抗真菌活性。

1.3 酚類

酚類化合物是植物次生代謝物。根據(jù)碳骨架，其可分為黃酮類、香豆素、單寧酸和酚酸類[25]，具有防腐抑菌等功效。Voda 等[26]發(fā)現(xiàn)，茴香、羅勒、孜然、牛至和百里香油中的百里酚、香芹酚、反式茴香腦、甲基茶酚等對(duì)褐腐菌和白腐菌具有明顯的抗菌效果。Zhang 等[27]發(fā)現(xiàn)，香芹酚對(duì)白腐菌、褐腐菌和血紅孔菌的抑菌效果最強(qiáng)。Da Silveira 等[28]報(bào)道，相思樹的單寧提取物是一種有效的木材防腐劑，可防止白腐菌。Anttila 等[29]從挪威云杉樹皮和球果以及蘇格蘭松果中提取的八種不同單寧組分發(fā)現(xiàn)，挪威云杉球果單寧比樹皮單寧更能抑制真菌生長，且對(duì)褐腐菌的抑制果優(yōu)于白腐菌和軟腐菌。Sen 等[30]將西西里漆樹和橡樹葉的水提取物以及土耳其松樹皮中豐富的單寧應(yīng)用在蘇格蘭松和山毛櫸木材中，發(fā)現(xiàn)橡樹提取物對(duì)于白腐菌和褐腐菌的抗菌效果明顯。

1.4 其他成分

肉桂醛天然存在于肉桂樹的樹皮和葉片中。Shreaz 等[31]研究發(fā)現(xiàn)，肉桂醛對(duì)白腐菌和褐腐菌等具有抗真菌活性。Thulasidas 等[32]研究表明，印度柚木心材提取物對(duì)褐腐菌和白腐病抗菌效果明顯，并指定萘醌為最重要的活性化合物。Macias等[33]提取了不同柑橘皮的精油，研究發(fā)現(xiàn)其中的黃酮類化合物被建議作為木材防腐劑和防蟲劑使用。Dhyan 等[34]對(duì)印度楝樹葉的幾種極性溶劑抽提物進(jìn)行了抑菌性能研究，抑菌圈試驗(yàn)顯示，甲醇和乙醇提取物的防腐作用最好，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.5% 的提取物可對(duì)腐朽菌起到 98%～99%的抑制作用；質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的丙酮抽提物對(duì)腐朽菌的抑制作用為 50%～60%。在提取物中，鑒定出抑菌活性物質(zhì)橡黃素，其能抑制木腐菌的生長。Bi等[35]研究發(fā)現(xiàn)，魔芋飛粉中的水楊酸 (SA)、2，4，6-三氯酚 (TCP)、香蘭素 (VL)和肉桂醛 (CMA)等化學(xué)成分對(duì)木材腐朽菌有明顯的抗真菌活性。

2 植物源活性物質(zhì)對(duì)木材腐朽菌抑菌機(jī)理

植物源活性物質(zhì)對(duì)木材腐朽菌抑菌機(jī)理取決于活性物質(zhì)的類型，主要有以下幾個(gè)方面：1)與真菌酶的直接相互作用；2)細(xì)胞壁和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物泄漏或離子穩(wěn)態(tài)的干擾；3)抗氧化活性[31-33]。

2.1 與真菌酶的直接相互作用

大多數(shù)研究集中在植物源活性物質(zhì)對(duì)纖維素酶的抑制作用上，香蘭素是木質(zhì)素降解后產(chǎn)生的一種酚類物質(zhì)。Li等[36]詳細(xì)研究了香蘭素對(duì)纖維素水解過程中纖維素酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)香蘭素在適當(dāng)質(zhì)量濃度下可以可逆競爭性抑制纖維素酶活性，估計(jì)半抑制質(zhì)量濃度值為 30 g/L；采用HCH-1模型研究了香蘭素對(duì)纖維素酶的抑制動(dòng)力學(xué)，香蘭素的醛基和酚類羥基對(duì)纖維素酶有抑制作用。Stamogiannou等[37]通過考察酚類化合物與酶或底物之間可能的相互作用，深入研究了酚類化合物對(duì)纖維素酶水解的影響，并鑒定出抑槲皮素、山奈酚、反式肉桂酸、木犀草素、鞣花酸等酚類化合物抑制纖維素酶水解。Kim等[38]發(fā)現(xiàn)，低聚酚類酶比簡單酚類酶可以從溶液中沉淀，并通過將纖維素酶限制在纖維素上，從而抑制他們的底物。Mhlongoetal等[39]研究表明，單寧酸會(huì)對(duì)纖維二糖水解酶(CBH1)、β-葡萄糖苷酶 ((BGL1)和內(nèi)切葡聚糖酶(EG2)產(chǎn)生明顯的抑制作用，抑制的強(qiáng)度取決于酶的類型和衍生酶的微生物。Martinez-Sotres等[40]開展了Medicarpin 抑制漆酶活性的分子對(duì)接研究，發(fā)現(xiàn)抑制作用是通過一種 medicarpin 構(gòu)象異構(gòu)體阻斷花斑竹漆酶中的溶劑通道而發(fā)生的，阻止分子氧快速進(jìn)入三核 T2/T3 銅簇，并且通過在 T1 位點(diǎn)口袋中偶聯(lián) medicarpin 構(gòu)象異構(gòu)體，阻止低聚木酚分子進(jìn)入，這種medicarpin 與漆酶中兩個(gè)位點(diǎn)的偶聯(lián)，中斷了木質(zhì)素降解的酶促機(jī)制。

2.2 真菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的破壞導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物泄漏或離子穩(wěn)態(tài)的干擾

李清蕓等[41]探討了大果紫檀心材提取物對(duì)木材腐朽菌抑制的生理生化機(jī)制及可能的作用靶點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，大果紫檀心材提取物能夠破壞木腐菌的細(xì)胞膜，使其通透性變大，從而使其胞內(nèi)蛋白透出。Shreazetal等[42]對(duì)肉桂醛的顯微鏡檢查處理后的念珠菌細(xì)胞顯示了細(xì)胞內(nèi)的改變細(xì)胞壁和質(zhì)膜的形態(tài)和損傷，導(dǎo)致麥角甾醇含量的改變和離子泄漏。Pinto等[43]發(fā)現(xiàn)，香芹酚和百里香酚對(duì)各種真菌也表現(xiàn)出顯著的抗真菌活性，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)膜損傷形成和麥角甾醇含量降低。殼聚糖通過與細(xì)胞膜等質(zhì)膜的相互作用來影響細(xì)胞的通透性。Singh等[44]在用殼聚糖處理的木材腐朽真菌中，已經(jīng)觀察到一些導(dǎo)致質(zhì)膜破壞和細(xì)胞壁修飾的超微結(jié)構(gòu)變化?？Х纫虻臍⒕饔脷w因于細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致β-2，3-葡聚糖和幾丁質(zhì)含量的增加，從而導(dǎo)致真菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)完整性的喪失。Piotrowski等[45]發(fā)現(xiàn)，一種叫做Poacic酸的植物酸，能與真菌細(xì)胞壁合成所需的基本物質(zhì)結(jié)合，抑制β-1，3-葡聚糖的合成，妨礙真菌細(xì)胞壁的形成，從而遏制真菌繁殖。Choi等[46]研究了二氫脫氫二癸二烯醇9′-O-β-d-葡萄糖苷(DDDC9G)的抗真菌活性，表明DDDC9G通過在真菌質(zhì)膜上 0.74 nm 至 1.4 nm 的形成孔，導(dǎo)致滲透壓變化和細(xì)胞減少。

2.3 抗氧化活性

Willfor等[47]評(píng)價(jià)了13種結(jié)節(jié)木提取物和酚類化合物的超氧化物和過氧化物自由基的抗氧化能力和自由基清除能力，發(fā)現(xiàn)黃酮類化合物具有較高的抗氧化能力和/或自由基清除能力。Mihara等[48]研究了金合歡心材提取物對(duì)木材腐爛真菌生長的影響，發(fā)現(xiàn)提取物中的類黃酮類物質(zhì)具有抗真菌活性，其中3，4′，7，8-四羥基黃酮和四氫磺酸2種類黃酮物質(zhì)均具有較強(qiáng)的1，1-二苯基-2-吡啶并肼基(DPPH)自由基清除活性。Royer等[49]研究表明，不同紅楓的富酚提取物對(duì)超氧陰離子羥基自由基、過氧自由基、次氯酸鹽離子、過氧化氫和一氧化氮具有較高的自由基清除能力，特別是莖皮提取物中總酚含量較高，在清除自由基方面效率最高。Vek等[50]研究發(fā)現(xiàn)，蘇格蘭松樹結(jié)皮和刺槐心材是生物基木材防腐劑的抗真菌和抗氧化劑的潛在來源，刺槐心材提取物是良好的自由基清除劑，優(yōu)于蘇格蘭松樹的結(jié)節(jié)材提取物。

3 植物源木材防腐劑存在的問題

雖然目前全球木材保護(hù)研究的重點(diǎn)是使用天然綠色環(huán)保的植物源活性成分來保護(hù)木材，植物源木材防腐劑對(duì)木材生物侵害具有一定的防治效果，但還存在以下問題：

1)植物成分復(fù)雜，給提取、分離和純化工作帶來了一定困難。目前植物源木材防腐劑的研究大多停留在粗提物的抑菌性能研究上，而對(duì)提取工藝、活性成分的純化、分離、鑒定以及利用尚缺乏進(jìn)一步的研究。同時(shí)，采用不同提取方法得到的提取物的化學(xué)成分不同，對(duì)木材腐朽菌的抑菌效果存在差異。

2)植物源木材防腐劑環(huán)境穩(wěn)定性欠佳，其應(yīng)用范圍受到限制。植物源活性成分是植物次生代謝物質(zhì)，這類物質(zhì)在使用過程中降解快、低殘留，對(duì)環(huán)境污染小，但受產(chǎn)地、 采收時(shí)間、儲(chǔ)藏和加工工藝等因素影響其對(duì)木材的防腐效果會(huì)有較大差異，有些活性成分在特定環(huán)境條件下會(huì)失活從而影響對(duì)木材的防護(hù)效果。植物源木材防腐劑易降解、 易流失、 藥效期短、 對(duì)外界環(huán)境因素敏感等問題，會(huì)限制其應(yīng)用范圍，因此，如何維護(hù)植物源木材防腐劑在不同自然環(huán)境中的效果，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，有待進(jìn)一步研究和探索。

3)對(duì)植物源木材防腐劑的毒理學(xué)分析和安全性評(píng)價(jià)有待進(jìn)一步完善。植物源活性成分除具有較強(qiáng)地抑制真菌生長及真菌毒素積累的作用外，同時(shí)還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行毒理學(xué)分析及安全性評(píng)價(jià)[51]，以預(yù)測直接和間接接觸對(duì)人類健康和環(huán)境的影響。

4 植物源木材防腐劑發(fā)展趨勢(shì)及展望

目前，國內(nèi)外對(duì)植物源木材防腐劑尚處于探索性階段。為了更大地發(fā)揮植物源木材防腐劑的環(huán)境優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出在實(shí)踐中具有推廣價(jià)值的產(chǎn)品，今后對(duì)于植物源木材防腐劑的研究應(yīng)從以下幾個(gè)方面去思考：

1)建立快速高效的植物源活性成分提取分離、純化和鑒定的方法。如何快速有效地從植物中提取出高抑菌性的活性成分，利用現(xiàn)代儀器分析手段對(duì)植物提取物有效成分進(jìn)行分離和鑒定成為植物源木材防腐劑研究首先需要解決的問題。

2)建立植物源木材防腐劑的質(zhì)量控制體系。因產(chǎn)地、收獲季節(jié)、生長年限、用藥部位等因素的影響，植物中有效成分的含量會(huì)有差異，需要完善并構(gòu)建植物源防腐劑的質(zhì)量控制體系。

3)加強(qiáng)植物源木材抗真菌防腐劑增效研究。通過植物源活性物質(zhì)與化學(xué)藥劑或納米材料進(jìn)行功能性復(fù)配，亦或是將其本身制備成納米結(jié)構(gòu)或性能穩(wěn)定的微囊結(jié)構(gòu)等增效技術(shù)研究，提升木材抗真菌防腐劑在實(shí)際應(yīng)用中的防腐性、耐久性和穩(wěn)定性。

4)拓寬植物源木材防腐劑的木材處理工藝研究。針對(duì)不同類型植物源木材防腐劑的特點(diǎn)進(jìn)行木材防腐處理。例如，對(duì)于精油類木材防腐劑通常采用涂刷的處理方式，對(duì)于水載性植物源木材防腐劑采用常溫浸泡、真空加壓浸漬處理來獲得更好的防腐效果。

5)加深對(duì)植物源木材防腐劑的抑菌機(jī)理研究。木材腐朽菌抑菌機(jī)理研究相對(duì)較少，需要微生物學(xué)、生物化學(xué)、木材科學(xué)與技術(shù)等多學(xué)科的技術(shù)和理論支持，系統(tǒng)分析植物源活性物質(zhì)對(duì)木材的防腐抑菌作用機(jī)理。

6)研發(fā)植物源木材防腐劑需遵循綠色、高效、安全無毒、抑菌譜廣、對(duì)環(huán)境友好的宗旨。木材抗真菌防腐劑的毒理學(xué)分析和安全性評(píng)價(jià)有待進(jìn)一步完善，其對(duì)人類健康和環(huán)境的影響有待開展系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

總而言之，植物源木材防腐劑的研究為木材防腐技術(shù)的發(fā)展開辟了一條新途徑。植物源活性物質(zhì)對(duì)木材腐朽菌抑菌機(jī)理研究還面臨一些難題，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及人們對(duì)健康和環(huán)境問題的日益重視，開發(fā)和利用綠色、高效、安全無毒、抑菌譜廣、對(duì)環(huán)境友好的綠色植物源木材防腐劑必將展現(xiàn)出巨大的開發(fā)潛力和廣闊的應(yīng)用前景。