納米木聚糖對木材霉變菌抑菌性的影響

程澤琦，趙 艷，張世曉，龐久寅

(吉林省木質(zhì)材料科學與工程重點實驗室(北華大學)，吉林 吉林 132013)

目前，市場上常用的木材防霉劑主要有2-(硫氰酸甲基巰基)苯并噻唑、甲叉雙硫酸鹽、3-碘代-2-丙炔基甲酸丁胺、八羥基喹琳銅、三唑類化合物、百菌清、季銨鹽等，雖然具有良好的防霉效果，但這些防霉劑或其降解物存在較大毒性，在使用過程中會威脅人體健康，導致環(huán)境質(zhì)量下降，不符合環(huán)境保護及可持續(xù)發(fā)展的原則.開發(fā)綠色環(huán)保、高效無毒、可生物降解的新型木材防霉劑成為今后木材保護行業(yè)的發(fā)展方向[1-2].木聚糖(xylan)是一種存在于植物細胞壁中的異質(zhì)多糖，約占植物細胞干重的15%～35%，是植物半纖維素的主要成分，一般是由β-1，4木糖苷鍵連接而成的復雜分子多聚糖，帶有多種取代基，是一種復雜的多聚五碳糖，具有穩(wěn)定性，可以在正常的環(huán)境溫度下儲存和使用[3-5].木聚糖是一種綠色環(huán)保、可生物降解的天然木材防霉劑，主要成分是木糖，能夠被最簡單的“化學工廠”——微生物細胞轉(zhuǎn)化成單細胞蛋白和各種化學燃料[6-7].木聚糖來源廣泛，可以從農(nóng)林剩余物中獲得，在玉米芯、蔗渣、稻殼、棉籽殼、秸稈以及樺木中均大量存在，并且我國農(nóng)林生物質(zhì)資源(包括竹林及農(nóng)作物秸稈)豐富，因此，木聚糖以及木聚糖的衍生物在可生物降解功能材料領(lǐng)域具有很大的市場前景，可創(chuàng)造十分可觀的經(jīng)濟效益[8-9].

納米木聚糖使木聚糖粒子的粒徑大大減小，表面積大大增加，可形成更高的局部濃度，可以在木材中更好地分散和滲透，從而具備更好的防霉性能和殺菌性能[10-13].本文以木聚糖為原料，采用NaOH-乙醇提取法制備納米木聚糖.在常溫常壓下，用3種不同質(zhì)量分數(shù)的納米木聚糖溶液浸泡楊木木塊，檢測載藥量，研究制備納米木聚糖的最佳工藝條件，以及在木材防霉中的實際表現(xiàn)，旨在從根本上解決傳統(tǒng)木材防霉劑毒性較大、難以降解的問題，為新型生物木材防霉劑的規(guī)模生產(chǎn)、應用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗儀器與原料

試驗主要儀器設(shè)備見表1，主要原料見表2.

表1 主要儀器設(shè)備Tab.1 Main equipments

表2 主要試驗原料Tab.2 Main test materials

1.2 試驗方法

1.2.1 納米木聚糖制備

稱量1 g凍干的木聚糖，加入100 mL氫氧化鈉溶液，在一定溫度下(30、45、60、75 ℃)溶解，用HCl調(diào)節(jié)pH至5.5；溶液用一定量95%乙醇沉淀，靜置12 h，離心(5 000 r/min、10 min、4 ℃)得到沉淀；經(jīng)冷凍干燥得到納米木聚糖，其木糖含量在90%以上，重均分子量約為18 000 g/mol.利用納米粒度儀測定納米木聚糖溶液粒徑.

1.2.2 木材防霉

本次試驗研究3種不同質(zhì)量分數(shù)(1%、5%、10%)納米木聚糖溶液對楊木防霉性能的影響，溶劑為水.選取干燥、無腐朽、無變色、無蟲蛀以及無明顯缺陷的楊木板材，切割成20 mm×20 mm×10 mm的試件，共48塊，其中24塊用于測定納米木聚糖溶液的防霉能力，另外24塊用于做培養(yǎng)基飼木.將用于防霉試驗的小木塊放入烘箱中，80 ℃下烘至絕干，稱重記錄，計算質(zhì)量損失率.將烘至絕干的小木塊分別放入質(zhì)量分數(shù)為1%、5%、10%的納米木聚糖溶液中，每種質(zhì)量分數(shù)納米木聚糖溶液放入6塊，共計18塊；另外6塊不做任何處理，作為空白對照組.24 h后，再次將全部小木塊放入烘箱，80 ℃下烘至絕干，稱量并記錄質(zhì)量[14].

木塊載藥量：

式中：M1為木塊浸泡后的絕干質(zhì)量，g；M2為木塊未浸泡的絕干質(zhì)量，g.

1.2.3 菌種培養(yǎng)基制備

1)麥芽糖液制備.選取新鮮土豆20 g，去皮，切塊，用水在電爐上煮沸30 min，濾去土豆塊，將水補足到200 mL，加入4 g葡萄糖，溶解后所得溶液即為麥芽糖液[15].加入瓊脂，待完全溶解后分裝于5支清洗干燥的試管中制成斜面，凝固后放入立式蒸汽滅菌器滅菌.

2)試菌接種與培養(yǎng).滅菌后的試管冷卻到室溫后在超凈臺接種菌種.先將超凈工作臺用紫外燈滅菌20 min，打開通風，防止空氣中的微生物及孢子進入，然后開始接種.先用75%酒精將手、試管和菌種試管消毒，然后在超凈臺內(nèi)打開試管，先用酒精燈灼燒試管、菌種試管管口部分以及接種環(huán)，將灼燒過的接種環(huán)伸入菌種管內(nèi).接種環(huán)充分冷卻后輕輕刮取少許菌苔，迅速將沾有菌種的接種環(huán)伸入另一支待接試管內(nèi)，接種完畢后抽出接種環(huán)，灼燒管口，塞上棉塞，放入細菌培養(yǎng)箱中培養(yǎng)一周[16].

選取新鮮土豆200 g，去皮，切成小塊，加入蒸餾水至2 000 mL，在電爐上煮沸30 min，濾去土豆塊，加入40 g葡萄糖，50 g瓊脂，繼續(xù)加熱使瓊脂完全溶化，補水至2 000 mL，分別用4個500 mL三角瓶稱裝，塞好棉塞包防水紙，121 ℃、0.1 MPa蒸汽滅菌30 min.滅菌后的瓊脂培養(yǎng)基冷卻至50 ℃左右，在無菌條件下分裝倒入已滅菌的培養(yǎng)皿中，制成平板培養(yǎng)基備用[17-18].

待平板培養(yǎng)基滅菌冷卻后，在超凈工作臺接種菌種.首先，用紫外燈將超凈工作臺滅菌20 min，打開通風，以防止空氣中的微生物及孢子進入，然后開始接種.采用平板劃線法，選用平整、圓滑的接種環(huán)，按無菌操作法挑取少量黑曲霉.

在無菌條件下用接種針挑取供試菌的菌絲體及孢子，挑取時沿菌落的前緣向內(nèi)連同培養(yǎng)基一起切割，放入已滅菌的組織研磨器內(nèi)；加適量無菌水，適當磨碎后倒人已滅菌的有玻璃珠的三角瓶內(nèi)；加少量無菌水，放在搖床上震蕩(轉(zhuǎn)速100～120 r/min)，轉(zhuǎn)10～15 min制成懸浮液供接種用.在超凈工作臺上用移液槍吸取菌絲體與孢子懸浮液，注入已有平板培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿內(nèi)(每個培養(yǎng)皿內(nèi)0.2～0.5 mL)搖動，使之在培養(yǎng)基表面均勻分布.接種后立即放入電熱恒溫、恒濕培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)(保持25～28 ℃，相對濕度85%)，培養(yǎng)7 d至菌落成熟，供試樣接菌用.接菌后立即放回培養(yǎng)箱內(nèi)(保持25～28 ℃，相對濕度85%)，培養(yǎng)4周[19].

1.2.4 防霉等級測定

試樣接菌培養(yǎng)4周后，目測試菌感染面積和藍變程度.除記錄表面感染程度外，在試樣厚度中線，沿順紋方向劈開，檢查試樣內(nèi)部藍變程度.被害值根據(jù)《木材防腐劑》(GB/T 27654—2011)分級，見表3.被害值越低，藥效越大.

表3 試樣被害值Tab.3 Sample damage values

2 結(jié)果與分析

2.1 納米木聚糖粒徑的影響因素

堿液濃度、溫度對納米木聚糖粒徑的影響見圖1、圖2.由圖1可見：隨著堿液質(zhì)量分數(shù)的增加，納米木聚糖的粒徑呈現(xiàn)下降趨勢，當堿液質(zhì)量分數(shù)為10%時，納米木聚糖的粒徑為45.99 nm.出現(xiàn)這種趨勢的原因可能是堿液濃度的提高對大分子量木聚糖的降解有一定的促進作用，從而使納米木聚糖的粒徑減小.由圖2可見：納米木聚糖的粒徑隨著處理溫度的上升呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢，當處理溫度為60 ℃時，納米木聚糖的粒徑為42.58 nm；溫度繼續(xù)升高，納米木聚糖的粒徑反而減小.呈現(xiàn)這種趨勢可能是因為當溫度較低時，隨著溫度的升高，可以促進堿液裂解大分子量木聚糖，木聚糖粒子粒徑大大減小，具有更高的比表面積；溫度過高，會使木聚糖的化學活性降低，在一定程度上會抑制大分子量木聚糖向小分子量納米木聚糖轉(zhuǎn)化.

圖1 堿液質(zhì)量分數(shù)對納米木聚糖粒徑的影響Fig.1 Effect of lye concentration on the particle size of xylan nanoparticles

圖2 溫度對納米木聚糖粒徑的影響Fig.2 Effect of temperature on the particle size of xylan nanoparticles

2.2 納米木聚糖質(zhì)量分數(shù)對載藥量的影響

通過試件載藥量可以初步評價納米木聚糖溶液的防腐效果.不同質(zhì)量分數(shù)的納米木聚糖溶液的試件載藥量見表4，平均載藥量趨勢見圖3.由圖3可見：隨著納米木聚糖溶液質(zhì)量分數(shù)的不斷增加，試件的載藥量呈現(xiàn)不斷上升趨勢.分析認為，在試件吸水能力相近的情況下，隨著納米木聚糖溶液質(zhì)量分數(shù)的提高，試件在吸入等量溶液時，高質(zhì)量分數(shù)的納米木聚糖溶液所含的納米木聚糖粒子數(shù)量要遠高于低質(zhì)量分數(shù)的納米木聚糖溶液.所以，納米木聚糖質(zhì)量分數(shù)為10%時，木材試件的載藥量最高.另外，在高質(zhì)量分數(shù)的納米木聚糖溶液中，納米木聚糖粒子可以形成更高的局部濃度，粒徑增大，試件的載藥量上升，防腐效果增強.

圖3 木材試件平均載藥量趨勢Fig.3 Drug loading of wood sample

表4 楊木試件載藥量Tab.4 Drug loading of poplar sample

2.3 不同質(zhì)量分數(shù)納米木聚糖溶液處理后的防霉效果

圖4為4種不同質(zhì)量分數(shù)木聚糖、納米木聚糖溶液處理后試樣進行木材防霉試驗的被害值.由圖4可以明顯看出，經(jīng)過木聚糖、納米木聚糖溶液處理后，被害值都呈現(xiàn)下降趨勢.對比可知，當溶液質(zhì)量分數(shù)為10%時，經(jīng)木聚糖溶液處理的楊木試樣被害值為1；經(jīng)納米木聚糖溶液處理的楊木試樣被害值為0.可以看出，試樣經(jīng)納米木聚糖溶液處理后的被害值要低于經(jīng)木聚糖溶液處理后的被害值，納米木聚糖的防霉效果更加顯著.這是因為納米木聚糖的粒徑更小，在木材中可以更好地分散和滲透，木材試件的載藥量隨之增加，防霉效果會更加突出.另外，納米木聚糖粒子可形成更高的局部濃度，也更容易吸附于霉菌表面，增加對霉菌的殺傷作用.

圖4 試樣被害值Fig.4 Damage value of samples

3 結(jié)論與討論

采用NaOH-乙醇提取法制備納米木聚糖，堿液濃度與溫度是影響納米木聚糖粒徑的重要因素.其中，制備納米木聚糖的最佳工藝參數(shù)為提取溫度60 ℃、堿液質(zhì)量分數(shù)10%.在試件吸水能力相近的情況下，隨著納米木聚糖溶液質(zhì)量分數(shù)的提高，試件在吸入等量溶液時，高質(zhì)量分數(shù)的納米木聚糖溶液所含有的納米木聚糖粒子數(shù)量遠高于低質(zhì)量分數(shù)的納米木聚糖溶液；高質(zhì)量分數(shù)的納米木聚糖載藥量大于低質(zhì)量分數(shù)的納米木聚糖，與木聚糖相比，納米木聚糖具有更小的粒徑，更容易在木材中更好地分散和滲透，經(jīng)納米木聚糖溶液處理后載藥量更高.

從試樣被害值看，納米木聚糖溶液對霉菌的抑制效果隨著濃度的增加而提高.隨著藥液濃度和木材載藥量的增加，被害值呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，說明納米木聚糖溶液具備良好的防霉性能.

木聚糖本身具有抑菌性強、綠色無毒、可生物降解等特點，是一種天然生物防腐劑，作為一種自然界來源豐富的綠色資源，在新型功能材料研發(fā)與利用方面有著廣闊的應用前景.目前，納米級別的木聚糖已經(jīng)制備成功，設(shè)計并合成具有新功能的納米級木聚糖衍生物或聚合物成為今后的發(fā)展方向，不僅可以促進功能材料的應用與發(fā)展，還可以處理農(nóng)業(yè)廢料，變廢為寶，實現(xiàn)農(nóng)林廢棄物能源利用的最大化，避免天然可再生資源浪費，具有十分可觀的經(jīng)濟效益和廣闊的發(fā)展空間.