中密度纤维板抗菌处理工艺1)

王保华 张显权 付 超 刘一星

(生物质材料与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

中密度纤维板抗菌处理工艺1)

王保华 张显权 付 超 刘一星

(生物质材料与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

探索了中密度纤维板的防霉抗菌处理工艺。研究结果表明：进行抗菌处理对制成的中密度纤维板的物理力学性能有一定的不利影响；接菌处理后板材力学性能随着培养时间的延长而下降；壳聚糖的引入可以增强板材的抗菌性能；在大肠杆菌抑菌实验中，用银离子处理的板材抗菌效果明显优于二氧化钛处理板材，更优于未处理板材。

中密度纤维板；防霉抗菌；银离子；力学性能

我国抗菌剂和抗菌材料的研制工作起步较晚，目前其主要的研究领域为抗菌剂、抗菌母料等，其应用领域则主要包括抗菌塑料制品、抗菌涂料、一次性卫生用品和部分家电制品等。抗菌剂一般包括无机抗菌剂、有机抗菌剂和天然抗菌剂3种[1]。人造板越来越多地应用于食品储存场所，例如用于食品架等，这就要求其具有良好的抗菌性能。目前人造板抗菌处理多选用水杨酰苯胺和多菌灵、抑菌清、硼酸等作为抗菌剂，其抗菌效果尚可，但对板材的胶合强度影响较大，且存在着二次污染[2]。目前环保型的防霉抗菌木质人造板在国内的产品还是空白。

本研究以抗菌剂和中密度纤维板(简称中纤板)为原料，通过对制成的中纤板施行几种不同的抗菌处理，测定不同处理条件所得中纤板的抗菌效果，并分析其物理力学性能的变化规律，以确定研究所用的抗菌剂。

1 材料与方法

1.1 材料

市售中密度纤维板，将大块板材锯切成不同规格大小的试件。编号1：210 mm×50 mm×9 mm，用于测定静曲强度和弹性模量；编号2：50 mm×50 mm×9 mm，用于测定内结合强度、吸水厚度膨胀率、密度和含水率；编号3：20 mm×20 mm×9 mm，用于测定被菌种侵染过后的质量损失；编号4：100 mm×100 mm×9 mm，用于观察大肠杆菌的状态及数量分布。

1.2 方法

1.2.1 前期处理

对每种规格大小的试件进行前期的相对于对照组的抗菌处理，3种具体处理方法如下：

①用清水除去表面灰尘→烘干→浸泡在1 g/L的AgNO3溶液中(30 min)→烘干→浸泡在1 g/L的NaBH4溶液中(30 min)→烘干；

②用清水除去表面灰尘→烘干→浸泡在5 g/L的壳聚糖中(15 min)→烘干→浸泡在1 g/L的AgNO3溶液中(30 min)→烘干→浸泡在1 g/L的NaBH4溶液中(30 min)→烘干；

③用清水除去表面灰尘→烘干→浸泡在2%的TiO2悬浮液中(10 min)→烘干。

1.2.2 实验步骤

①首先需要在无菌操作室中先接种好菌种(黑曲霉、大肠杆菌)，培养3～5 d，待菌种生长情况较好的时候，放置以供之后接种所用。

②将防霉处理和未处理的中密度纤维板的试件用纱布包裹几层，放入压力蒸气灭菌锅中，在0.1 MPa、121 ℃的条件下灭菌30 min，以使试件达到无菌的状态，待用。

③用培养好的菌种和无菌水制成所需的菌液，移入已经消毒的喷壶当中，用喷壶将菌液喷到需要接种菌类的试件表面，放在托盘中摆好；并从无菌操作室中移到恒温恒湿培养箱中，在温度为25～30 ℃、相对湿度为80%的条件下培养。

④每隔一个周期(10 d)取样，每种条件各取5块试件，然后进行表面观察和物理力学性能的检测，判断分析防霉抗菌效果。

2 结果与分析

2.1 第一周期(前期处理后)板材性能的变化

分别测试未处理板材、防霉处理1板材以及防霉处理2板材的性能，测试结果见表1。

表1 第一周期板材性能变化

处 理2h吸水厚度膨胀率平均值/%标准差/%变异系数/%24h吸水厚度膨胀率平均值/%标准差/%变异系数/%内结合强度平均值/MPa标准差/MPa变异系数/%未处理2.70.290.1112.70.470.040.820.340.41防霉处理14.00.530.1314.60.330.020.690.310.45防霉处理24.80.390.0813.41.000.070.490.160.32

注：样本数量为5个，防霉处理1和防霉处理2的处理方法分别为前期处理中的前两种处理方法。

板材经过防霉抗菌处理后物理力学性能下降较多，与处理方法中的浸泡药液的处理方式有很大关系。板材经过溶液浸泡后，含水率变大，厚度膨胀，从而导致试件密度下降，其物理力学性能也会受到很大的影响。而防霉处理2板材的物理力学性能又比处理1板材的性能略差，与其浸泡壳聚糖溶液这一步有绝对关系。作为天然抗菌剂的壳聚糖在自然界中含量丰富，杀菌速度快，抑菌效果好，而且具有良好的物理、化学性能和生物相容性，但耐热性能差，大大限制了其应用范围[3-4]。壳聚糖还表现出止血活性、抗微生物活性以及与金属离子的强亲和性[5-6]。而且壳聚糖溶液较黏，附着在试件表面不易擦净，烘干中还容易因为表面残留壳聚糖溶液而使试件发生局部的少许变形，这样便会进一步影响板材的物理力学性能。

2.2 第二周期(接菌培养10 d后)板材性能的变化

基本操作和测试与第一周期相同，使用黑曲霉菌和无菌水配成的菌液，将其喷到各种处理的板材表面，用压力蒸气灭菌锅对板材进行灭菌处理，致使板材发生较大变形，局部发生膨胀，结果见表2。板材性能下降较快，与蒸气灭菌处理有很大关系，中密度纤维板使用的脲醛树脂胶抗水性差，遇水结合强度很快降低，严重影响了板材性能及形状。未处理喷菌板材的性能下降，可能是与喷菌液的操作有关系，说明黑曲霉菌对板材有侵蚀，导致板材力学强度下降。有些防霉处理2板材的物理力学性能与处理1板材略强，说明了加了壳聚糖后防霉效果可能会好些，但还需进一步实验才能证明。壳聚糖中糖元的2位为—NHCOCH3或游离的—NH2，3位为仲—OH和6位为伯—OH，这种特殊的结构使得壳聚糖对一些金属离子在一定的pH值下具有螯合作用[7]。壳聚糖中的—NH与—OH都与金属离子Ag(I)发生配合反应[8]，也说明了处理2的处理方法虽开始对板材性能有所影响，但防霉效果要比处理1好些。

2.3 第三周期(接菌培养20 d后)板材性能的变化

性能测试结果见表3。基本操作和测试方法与第二周期相同，实验中出现的现象亦与上第二期的现象基本相同，不同的是板材性能下降较快。板材力学性能下降较大，相对于第二周期板材的性能下降也较大。第二周期中分析到高压蒸气灭菌对板材的严重影响，会使板材性能下降、发生变形等。用紫外光照射，板材会与银离子反应，置换出银单质，使板材不具有防霉抗菌效果。可用γ射线照射进行灭菌，γ射线对细胞有杀伤力，医疗上用于治疗肿瘤[9]。前期处理中的防霉处理，尤其是处理2的对板材的力学性能也有很大影响。未处理喷菌板材性能下降，因为没有经过防霉抗菌处理，不具有防霉抗菌效果；但板材力学性能下降并非很大，可能是因为木块吸水使菌类缺乏水分，导致其生长缓慢，菌类没有大量繁殖，这一点从板材表面没有出现大量霉菌就可以看出。

表2 第二周期板材性能变化

处 理2h吸水厚度膨胀率平均值/%标准差/%变异系数/%24h吸水厚度膨胀率平均值/%标准差/%变异系数/%内结合强度平均值/MPa标准差/MPa变异系数/%未处理、未喷菌2.60.240.0912.70.990.080.590.190.32未处理、喷菌3.10.130.0412.70.610.050.520.200.39防霉处理1、喷菌3.60.840.2313.41.210.090.430.050.11防霉处理2、喷菌3.60.540.1513.80.600.040.440.170.38

注：样本数量为5个，防霉处理1和防霉处理2的处理方法分别为前期处理中的前两种处理方法。

表3 第三周期板材性能变化

处 理2h吸水厚度膨胀率平均值/%标准差/%变异系数/%24h吸水厚度膨胀率平均值/%标准差/%变异系数/%内结合强度平均值/MPa标准差/MPa变异系数/%未处理、未喷菌2.00.180.0911.60.260.020.510.090.17未处理、喷菌2.40.100.0411.20.530.050.450.040.09防霉处理1、喷菌2.60.140.0510.70.620.060.420.100.24防霉处理2、喷菌2.70.550.2012.80.320.020.410.110.27

注：样本数量为5个，防霉处理1和防霉处理2的处理方法分别为前期处理中的前两种处理方法。

2.4 黑曲霉菌侵蚀板材的质量损失

将编号为3的试件烘至绝干并称质量，接种黑曲霉菌后放入恒温恒湿培养箱中，在温度为30 ℃、湿度为80%的条件下培养，每过一个周期拿出相应试件并称取绝干质量，用于计算质量损失率，结果见表4。

表4 板材质量损失率

①素板由于没有进行防霉抗菌处理，导致其质量损失率较大，说明素板被霉菌侵蚀较为严重，同时为防霉处理的板材提供了对照。

②防霉处理1板材的质量损失率略微大于处理2板材，说明了处理2的防霉抗菌效果比处理1的效果要好一些。

③实验中部分试件出现了膨胀松散(与高压蒸气灭菌的步骤有关系)，导致质量损失率测试结果略有不准，影响了实验结果。建议采用γ射线进行灭菌。

④防霉处理2板材质量损失率比防霉处理1略小，说明壳聚糖有一定的防霉抗菌作用，再加上银这种材料也有良好的抗菌性能，将它们配合在一起会有更好的防霉抗菌性能。

2.5 板材对大肠杆菌的抑菌分析

将未处理板材(作为对照)、防霉处理1板材、防霉处理2板材和防霉处理3板材分别进行灭菌，然后在无菌操作室中将大肠杆菌接种到各个试件的表面，培养1～3 d后，通过整体宏观、体式显微镜和电子显微镜观察，分析试件表面大肠杆菌生长状况并记录，结果见图1。可以看出，虽然没有得到大量纯净的大肠杆菌，但实验结果依旧很好地反映了每种处理板材的防霉抗菌效果。用银处理的板材表现出很好的防霉抗菌效果，基本没有菌类在其表面生长；用二氧化钛处理的板材生长出了些许的菌落菌丝，受环境影响较大，防霉抗菌效果一般；而未处理板材表面长出了大量的菌落菌丝，基本不具备防霉抗菌效果，可作为对照组以供比较分析。

图1 试件表面大肠杆菌生长状况

3 结论

板材经过防霉抗菌液浸泡处理后，其物理力学性能会有较大程度的下降，含水率变大，密度下降，吸水厚度膨胀率会变大，说明表面浸泡的防霉抗菌处理方法对板材整个性能影响较大。可在保证板材性能不受较大影响的前提下，将浸泡时间适当缩短，选择出合理的处理时间。

接菌后随着培养周期的变长，板材各种性能逐渐下降；其中素板性能下降较快，防霉抗菌处理板材性能下降较为缓慢，说明银离子防霉抗菌处理方法有效地减缓了菌类对板材的侵蚀，具有良好的防霉抗菌效果。

对质量损失率、性能参数等方面的分析得出：同样是用银离子，加了壳聚糖的板材防霉抗菌效果略微优于没加壳聚糖的板材，说明壳聚糖起到了些许作用，具有一定的防霉抗菌效果。

从宏观、细观和微观3种尺度观察每种板材被大肠杆菌侵蚀的状况可看出，加了壳聚糖银离子处理的板材防霉抗菌效果最好，其次是没加壳聚糖的银离子处理板材；二氧化钛处理板材有一定的防霉抗菌效果，但其受环境的影响较大，相比银离子处理板材的防霉抗菌效果有一定的差距。

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Antibacterial Technology on Medium Density Fiberboard/

Wang Baohua, Zhang Xianquan, Fu Chao, Liu Yixing

(Key Laboratory of Bio-based Material Science and Technology of Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-95～98

We explored the antibacterial technology on medium density fiberboard (MDF) preliminarily. The antibacterial treatment has the adverse effects on the physical and mechanical properties of board. The mechanical properties decreased with the extension of culture time after the MDF specimens were input with the bacterium. The input of the chitosan can enhance the antibacterial property. In the escherichia coli antimicrobial experiment, the board with silver ion treatment is better than that with titanium dioxide antibacterial treatment, and far better than untreated board.

Medium density fiberboard (MDF); Antibacterial; Silver ion; Mechanical properties

王保华，男，1991年1月生，生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，硕士研究生。

张显权，生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，教授。E-mail:zhangxianquan2013@aliyun.com。

2013年11月15日。

TS653.6； S781.72

1) “十二五”农村领域国家科技计划课题(2012BAD24B0203)。

责任编辑：戴芳天。