高溫油熱處理對竹材淀粉含量及防霉性能的影響

曹鈺，王新洲，李延軍,*，沈道海，戴月萍，張水珍，章衛(wèi)鋼

(1.浙江農林大學工程學院，杭州311300； 2.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210037；3.杭州大索科技有限公司，杭州311251； 4.福建華宇集團竹業(yè)有限公司，福建南平 353000)

世界森林資源面積不斷減少，森林有效供給與日益增長的社會需求間的矛盾愈發(fā)突出。竹子作為一種生長周期短、產(chǎn)量大、強度和剛度高的生物質材料，逐漸成為重要的森林資源替代品之一[1]。中國竹資源十分豐富，竹林面積和竹材產(chǎn)量均居世界首位。隨著我國“以竹代木”理念的推廣，竹子的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)利用已取得較大成效，被廣泛應用于人造板、裝飾建材、家具、工藝品等行業(yè)[2]。但與木制產(chǎn)品相比，竹制品更易受霉變和蟲蛀等侵害。這些問題嚴重影響了竹材的利用率和竹產(chǎn)品的使用壽命，給竹加工制造業(yè)帶來重大損失，因此必須加快進行竹材的防霉保護研究[3]。

目前，國內外專家學者通過研究發(fā)現(xiàn)了竹材的霉變機理。Okahisa等[4]利用堿性提取葡萄糖淀粉酶水解法分析發(fā)現(xiàn)竹材薄壁細胞組織的細胞腔以及細胞間隙中含有大量淀粉顆粒，且淀粉含量高達3.6%～5.7%。淀粉是植物中重要的非結構性碳水化合物，由葡萄糖分子聚合形成，是植物生長必不可少的營養(yǎng)物質。馬星霞等[5]研究發(fā)現(xiàn)適宜的環(huán)境因素與淀粉、還原糖等營養(yǎng)因子促進竹材霉變真菌的生長與繁殖，從而進一步引發(fā)竹材腐朽、蟲蛀等問題。為提高竹材利用率，孫芳利等[6]開發(fā)出相關防霉改性技術，將殼聚糖金屬配合物(CMC)采用浸漬等方式應用于竹材防霉，并取得了一定的防霉效果。雍宬等[7]利用超聲空化作用處理竹材使得竹材薄壁細胞內淀粉顆粒大量糊化流出。周明明等[8]采用不同浸漬方法處理竹材，發(fā)現(xiàn)隨著浸漬液濃度和時間的變化竹材中淀粉含量顯著降低，有利于后期防腐防霉處理。然而目前利用超聲、藥劑浸漬等防霉處理方法不能將藥劑浸入竹材內部，防霉效果有限，且傳統(tǒng)防霉藥劑內含有害化學物質，長期使用危害人身健康與環(huán)境。

熱處理是目前應用于竹、木材較為環(huán)保而簡易的物理改性方法[9]，通過高溫、高壓等熱處理方式使竹木材在無氧惰性環(huán)境下發(fā)生炭化反應，改善其理化力學、耐久性等性能。其中以油為加熱介質的熱處理工藝，材料受熱更加均勻，溫度控制也更精確[10]。李冠君等[11]利用蒸汽對橡膠木進行熱處理，發(fā)現(xiàn)淀粉含量會隨著溫度的升高而降低。而現(xiàn)有利用油介質的熱處理改性竹材大多研究處理后竹材的物理力學、表面顏色等性能的變化，對油熱處理后竹材中淀粉含量變化以及防霉性能的研究甚少。因此，本試驗采用甲基硅油為加熱介質，對竹材進行高溫油熱處理，測量在不同油熱處理溫度和時間下竹材中淀粉含量以及防霉性能的變化，研究竹材霉變程度與竹材淀粉含量變化之間的關系，為竹材的高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試樣制取：試驗所用毛竹取自浙江臨安昌化鎮(zhèn)。采伐5年生新鮮毛竹，截取離根部2 m以上，端頭直徑大于10 cm的中部竹段，用推臺鋸將其剖分成200 mm×30 mm×tmm(壁厚)的竹片，不去竹青竹黃，不帶竹節(jié)且表面無蟲蛀開裂等缺陷。為消除密度差異對試驗數(shù)據(jù)的影響，分別計算出每個竹段所對應的竹片密度，挑選密度相近(本試驗竹材密度范圍為0.90～1.04 g/cm3)的竹片進行油熱處理。處理后刨去竹青竹黃，將竹材制成50 mm×20 mm×5 mm(長×寬×厚)的竹片，用粉碎機粉碎到能夠過60目(孔徑250 μm)篩網(wǎng)，并將竹粉試樣烘至絕干(烘箱溫度設為105 ℃)后分別進行編號，冷卻后放入密封罐備用。

試劑：試驗用淀粉(純度≥99.9%)、濃鹽酸(質量分數(shù)為37%，試驗中配置濃鹽酸與蒸餾水的體積比為1∶1鹽酸水溶液和1∶19鹽酸水溶液)、碘(I2)、碘化鉀(KI)、乙醇(質量分數(shù)為50%)、實驗室防霉試驗用霉菌(黑曲霉Aspergillusniger、桔青霉Penicillamcitrinum和綠色木霉Trichodermaviride)。

1.2 試驗儀器

數(shù)顯恒溫油浴鍋(HH-S型，金壇市科析儀器有限公司)、電熱恒溫鼓風干燥箱(SEG-021型，上海愛斯佩克環(huán)境設備有限公司)、紫外可見分光光度計(UV-1800型，日本島津國際貿易上海有限公司)、掃描電子顯微鏡(FEI-QUANTA200型，荷蘭FEI公司)、人工氣候箱(寧波萊?？萍加邢薰?等。

1.3 試驗方法

1.3.1 油熱處理工藝

以甲基硅油為加熱介質對毛竹片進行油熱處理。為避免竹材中的水分遇高溫油介質產(chǎn)生爆沸致使竹片開裂，處理前先將竹片烘至絕干，再整齊平鋪放置于恒溫油浴鍋的同一深度處，用鐵網(wǎng)壓住竹片防止漂浮，確保竹片受熱均勻。加熱時先設置油浴鍋初始溫度為30 ℃，接著以20 ℃/h的升溫速度進行升溫，每次升溫待溫度穩(wěn)定后保溫10 min以確保竹片內部均勻受熱防止開裂。當升溫到設置溫度后開始計時，達到指定時間后，關閉油浴鍋，將竹片取出冷卻瀝油，并用吸油紙包裹豎直晾置通風處24 h左右以去除殘余油。本試驗設置了不同時間(2，4和6 h)和不同溫度(140，160，180和200 ℃)的油熱處理條件，為提高試驗準確性，每個工藝制作6組平行樣，并留有未處理試樣作為空白對照。竹材油熱處理后對其進行失重率研究，結果如圖1所示。隨著熱處理溫度的不斷升高，竹材的失重率越大，可能是由于高溫油介質溶解和破壞竹材內部物質導致質量降低，少量油介質附著對竹材重量變化沒有太大影響。因此，探索高溫油熱處理工藝對竹材內部物質的影響具有一定的研究價值。

圖1 油熱處理工藝對竹材失重率的影響Fig. 1 Effect of oil heat treatment on bamboo mass loss

1.3.2 竹材淀粉的提取與測定

參照美國紙漿及造紙工業(yè)技術協(xié)會(TAPPI)的T419 Starch in paper標準[12]，配置淀粉標準溶液，通過二元回歸分析法將吸光度與淀粉溶液濃度進行了擬合，繪制出淀粉標準曲線(圖2)，得出曲線方程y=0.0 160x，相關系數(shù)R2=0.9 993。結果表明，吸光度和淀粉溶液濃度在0～40 mg/L內存在顯著的線性關系。

圖2 淀粉標準曲線Fig. 2 Starch calibration curve

將完成油熱處理后的竹片用粉碎機研磨成粉，篩出過60目篩網(wǎng)的干燥竹粉用于竹材中淀粉的提取，利用淀粉與碘反應生成藍色絡合物這一原理判斷竹粉中是否有淀粉殘余。提取方法：準確稱取1.0 g絕干竹粉放入燒杯中，加入70 mL的蒸餾水進行蒸煮，煮沸后立即進行抽濾。抽濾完成后用1∶1 鹽酸水溶液清洗殘渣并浸泡，促進殘余淀粉顆粒的水解，多次抽濾后滴入KI-I2試劑檢驗是否殘留淀粉(是否發(fā)生顯色反應)。若有殘留，重復抽濾步驟。若無殘留，將濾液用蒸餾水定容至500 mL得到竹材淀粉溶液。

利用紫外分光光度計測定竹材淀粉溶液在吸收峰波長580 nm處的吸光度值。將5 g碘(I2)與7.5 g碘化鉀(KI)放入100 mL、50%乙醇溶液中，完全降解后用蒸餾水稀釋至1 000 mL制備標準KI-I2試劑。測定時量取2.5 mL的KI-I2試劑與25 mL竹材淀粉溶液以1∶10的體積比進行配比，混合后用蒸餾水將其定容至50 mL，使用時充分搖勻。接著稱取相同體積的KI-I2試劑用1∶19鹽酸水溶液將其定容至50 mL作為背景吸光度。每個工藝制作6個平行樣并計算出平均吸光值，之后將其代入公式(1)計算出淀粉含量的質量分數(shù)。

(1)

式中：W為淀粉含量的質量分數(shù)；A為樣品溶液的吸光度；a為淀粉標準曲線所得到的吸光系數(shù)，0.016 L/mg；V0為提取的竹材淀粉溶液體積，500 mL；Vf為測量時的竹材淀粉溶液與KI-I2試劑混合溶液體積，50 mL；VA為測量時的竹材淀粉溶液，25 mL；M為竹粉的試樣質量，1 000 mg。

1.3.3 掃描電子顯微鏡( SEM) 分析

采用掃描電子顯微鏡觀察油熱處理后毛竹的微觀結構。由于竹片兩端以及表面直接接觸高溫油介質，其細胞腔內淀粉顆粒最早溶解不具代表性，因此如圖3所示將竹片用刨切機去青去黃制成5 mm厚的竹片，接著截取竹肉中部將其制成5 mm×5 mm×2 mm的竹塊，并利用半自動輪轉切片機對其表面進行平滑處理，最后放入烘箱中105 ℃烘至絕干。試驗時需要用導電膠將竹塊固定在鋁質樣品架上，并利用真空鍍膜儀進行噴金處理以增加其導電性，使用掃描電子顯微鏡觀察不同油熱處理條件下竹材中淀粉顆粒以及表面結構的變化。

圖3 竹塊制作流程Fig. 3 Process of making bamboo specimens

1.3.4 實驗室防霉試驗

參照GB/T 18261—2013《防霉劑對木材霉菌及變色菌防治效力的試驗方法》，將竹片制成50 mm×20 mm×5 mm(長×寬×厚)，并對其進行防霉性能測試。主要試驗步驟如下：稱取去皮馬鈴薯200 g，切小塊加水煮沸30 min，過濾后在濾液中加入20 g葡萄糖和20 g瓊脂，用蒸餾水定容至1 000 mL后充分攪拌至完全溶解，利用高溫蒸汽滅菌鍋殺菌后倒入培養(yǎng)皿中制作平板培養(yǎng)基。在無菌環(huán)境下，將黑曲霉、桔青霉、綠色木霉這3種霉菌孢子懸浮液等體積稀釋混合，使得每菌最后的懸浮液孢子數(shù)為(1～2)×106個/mL，并將其均勻涂布于培養(yǎng)基表面，密封后放入恒溫恒濕箱[相對濕度(85±5)%，溫度(27±2)℃]中培養(yǎng)。待菌落成熟后進行試樣接菌，在長滿菌絲體的平板培養(yǎng)基表面放置2根直徑為3 mm的U形玻璃棒，取2塊竹片試樣橫放于玻璃棒上，用無菌封口膜密封后將其放回恒溫恒濕箱中培養(yǎng)28 d。每組熱處理工藝侵染6塊竹片試樣，每2 d拿取出培養(yǎng)皿透過玻璃目測竹片表面試菌感染面積，依據(jù)表1記錄感染值，30 d后取平均值計算熱處理竹材對霉菌的防治效力。防治效力按公式(2)計算。

(2)

式中：E為防治效力，%；D1為處理試樣的平均感染值；D0為未處理對照試樣的平均感染值。

表1 試樣受霉菌表面感染值分級Table 1 Grade of mold infection value on the surface of samples

以上所有操作工具試驗前都需進行滅菌處理，且都在無菌環(huán)境下進行操作。

2 結果與分析

2.1 不同油熱處理條件下竹材的淀粉含量

通過公式(1)計算出不同油熱處理條件下竹材淀粉含量的質量分數(shù)，結果如表2所示。

表2 不同油熱處理條件下竹材的淀粉含量Table 2 Starch contents of bamboo at different oil heat treatment temperatures %

由表2可知，未處理竹材中淀粉含量為3.16%。經(jīng)高溫油熱處理后毛竹材的淀粉含量變化明顯，均低于未處理材，且淀粉含量隨著熱處理溫度和時間的升高而降低，說明油熱處理工藝能夠有效減少竹材中的淀粉含量。竹材經(jīng)140 ℃/2 h、4 h熱處理后，與未處理材相比淀粉含量分別降低7.24%和9.81%，降速較平穩(wěn)。當熱處理時間為6 h時，降低了33.54%，淀粉含量降低較快，且在熱處理溫度為140～180 ℃時也具有同樣的變化趨勢。結果表明，熱處理時間是影響竹材中淀粉含量變化的重要因素之一。在相同油熱處理時間下，隨著熱處理溫度的升高淀粉含量變化速度越快。當溫度為140～160 ℃時，竹材中淀粉含量降低較快，這可能是由于竹材外部的淀粉在高溫油介質的影響下迅速溶解；當溫度為160～180 ℃時，竹材中淀粉含量降低較平緩，可能由于竹材較差的滲透性使得油介質無法進入竹材內部與內部淀粉顆粒發(fā)生反應。而當溫度為200 ℃時，3個時間段里淀粉含量降幅都較大，分別比未處理竹材下降了83.39%，96.04%和97.23%，淀粉顆粒幾乎全被溶解。原因可能是一定時間的高溫加熱使得竹材的滲透性提高，內部淀粉分子鏈吸收能量產(chǎn)生劇烈振動，導致分子鏈間的氫鍵松弛，所形成的雙螺旋結構出現(xiàn)解旋，造成淀粉結構破壞，提高了淀粉的溶解度，從而導致竹材中淀粉含量的降低[13]。

2.2 油熱處理竹材的SEM分析

竹材高溫油熱處理前后橫切面與徑切面微觀結構特征如圖4所示。未處理竹材的橫截面與縱切面特征見圖4a、e，200 ℃油熱處理6 h后竹材的橫截面與縱切面特征見圖4b、c、d、f。觀察發(fā)現(xiàn)，未處理竹材薄壁組織細胞的細胞壁光滑平整，紋孔清晰可見，且細胞腔中都含有大量的淀粉顆粒。由圖4b、f觀察發(fā)現(xiàn)竹材經(jīng)油熱處理后，其薄壁細胞組織呈現(xiàn)明顯扭曲變形，細胞壁發(fā)生分層破裂。這是由于經(jīng)過一定時間和溫度的油熱處理后，竹材中的半纖維素發(fā)生熱解，細胞壁韌性下降從而造成破壞[14]。經(jīng)熱處理后竹材的薄壁細胞腔當中幾乎不存在淀粉顆粒，有糊狀物質殘留。這可能是由于高溫油熱處理導致薄壁細胞中的淀粉顆粒發(fā)生溶解，在加熱的條件下淀粉分子內的化學鍵發(fā)生斷裂，油介質逐漸進入淀粉顆粒的結晶區(qū)域，使得淀粉顆粒體積膨脹破裂，淀粉分子溶解后相互聯(lián)結纏繞，形成一個網(wǎng)狀的糊狀體[15]。由圖4c、d觀察可知，細胞壁上紋孔被部分填充，且細胞壁出現(xiàn)裂縫。破裂的細胞壁提高了竹材長形細胞與短細胞之間的滲透性，高溫油介質進入竹材內部，使得溶解后的淀粉分子以及一些營養(yǎng)物質更易從細胞腔中流出，因此高溫油熱處理之后竹材中淀粉含量降低。且熱處理后形成油介質附著于紋孔當中，阻斷水分以及一些霉變菌絲的部分侵入渠道，對竹材的防霉效果具有一定的影響。

a.未處理竹材橫切面； b、c、d. 熱處理200 ℃ 6 h竹材橫切面；e. 未處理材縱切面；f. 熱處理200 ℃ 6 h竹材縱切面。圖4 油熱處理前后竹材薄壁細胞的微觀結構Fig. 4 Microstructure of bamboo parenchyma cells after oil heat treatment

2.3 油熱處理竹材的防霉性能分析

在不同溫度和時間的高溫油熱處理后，竹材試樣經(jīng)黑曲霉、綠色木霉和桔青霉這3種霉菌混合侵染30 d的平均被害值如圖5所示。各處理材對混合霉菌的綜合防治效力結果如表3所示。圖6為未處理竹材與200 ℃、6 h高溫油熱處理竹材經(jīng)黑曲霉、綠色木霉和桔青霉混合霉菌侵染的最終結果圖。觀察發(fā)現(xiàn)未處理竹材對霉菌抵抗能力最差，在第2天就出現(xiàn)霉變現(xiàn)象，僅5～6 d竹片表面就布滿菌絲，在30 d室內防霉試驗結束后表面長滿霉菌孢子，而經(jīng)過油熱處理竹材的防霉能力與未處理材相比均有提高。由圖5和表3可知，當油熱處理溫度為140 ℃時，處理時間為2，4和6 h的竹材平均防治效力分別為12.3%，12.3%和16.7%，竹片表面在2～4 d均產(chǎn)生不同程度的霉變現(xiàn)象，在20 d左右均被菌絲布滿，防霉效果基本相似，具有一定的防霉效果，但效果不理想，此時熱處理時間的變化對竹材的防霉性能影響不大。當熱處理溫度大于140 ℃時，在同一熱處理溫度下隨著處理時間的增加，竹材開始被觀察到感染的天數(shù)不斷延后, 平均防治效力也不斷增加。經(jīng)160 ℃高溫油熱處理2和4 h的竹材在26 d后霉菌布滿竹材表面，處理6 h的竹材在霉菌侵染30 d后表面未被全部感染，平均防治效力為31.8%，防霉效果顯著增加。當熱處理溫度大于160 ℃時，試驗結束后竹材表面均未被全部感染，且隨著熱處理時間的增加防霉效果越好。當熱處理溫度為200 ℃時，竹材感染速度緩慢，6 d后才開始出現(xiàn)霉變現(xiàn)象，且竹材平均防治效力均大于60%，防霉效果優(yōu)異。其中當竹片經(jīng)200 ℃、6 h熱處理，霉菌第18天才開始感染，30 d后表面只布有少量菌絲，竹材防治效力高達92%，防霉效果最佳。

圖5 油熱處理前后竹材的防霉效果Fig. 5 Mold-resistance of bamboo after oil heat treatment

表3 油熱處理前后竹材對霉菌的平均防治效力Table 3 Average preserving effects of bamboo on mold after oil heat treatment

圖6 竹材防霉最終試樣圖Fig. 6 Images of bamboo after 30 d mold-resistance test

3 結 論

1)高溫油熱處理能夠有效降低竹材的淀粉含量。經(jīng)過油熱處理的竹材淀粉含量均少于未處理竹材，且熱處理溫度和時間對竹材中的淀粉含量影響顯著，淀粉含量隨著油熱處理溫度和時間的升高而逐漸降低。在200 ℃、6 h油熱處理條件下，油熱處理后竹材的淀粉含量比未處理竹材下降了97.23%，竹材內的淀粉顆粒幾乎全被溶解。

2)在防霉試驗中，經(jīng)過油熱處理竹材的防霉能力與未處理材相比均有提高。當熱處理溫度大于160 ℃時，防霉效果顯著，且竹材淀粉含量越低對霉菌的防霉效果越好。經(jīng)200 ℃熱處理6 h的竹片，30 d后表面只布有少量菌絲，防治效力高達92%，防霉效果最佳。

3)通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)高溫油熱處理后竹材薄壁細胞組織呈現(xiàn)明顯扭曲變形，細胞壁發(fā)生分層破裂，細胞腔中淀粉顆粒明顯減少。破裂的細胞壁增強了竹材的滲透性，使得油介質進入竹材內部，加速淀粉顆粒的溶解，且竹材紋孔及表面有油介質附著，阻斷水分以及一些霉變菌絲的部分侵入渠道，提高了竹材的防霉效果。