植物精油对木材霉变菌的抑菌效力研究

胡 拉，杨章旗，秦理哲，罗群凤

（广西壮族自治区林业科学研究院 a.国家林业局马尾松工程技术研究中心；b.广西马尾松工程技术研究中心，广西 南宁 530002）

在含水率较高或环境湿度较大的条件下，马尾松、橡胶木等木材易于发霉和变色。霉变通常仅发生在木材表面，对其密度和力学性能无明显影响，但会引起木材外观颜色的显著改变，影响木材表面的装饰性，降低木材利用率和使用价值[1]。对木材进行有效的霉变防治处理，是符合木质资源高效利用发展趋势的重要途径之一。木材霉变的防治方法可分为物理防治、化学防治和生物防治三大类。其中化学防治是利用具有抑菌特性的化学药剂对木材进行浸渍或涂刷处理来达到防止霉变的目的，是目前应用最为广泛、效果最为理想的方法，同时还能与阻燃剂等其他功能试剂复合而满足“一剂多效”的功能需求[2]。

用于霉变防治的化学试剂从最初毒性较大的农用杀菌剂（如五氯酚钠）向低毒、高效、广谱的有机杀菌剂（如甲基硫菌灵、多菌灵）发展[3]，但其对人畜仍具有一定的毒性，处理不当还可能会污染环境。近年来，环境保护和绿色发展理念日益深入人心，绿色环保的天然木材保护剂成为研究热点[4]，这为木材霉变的防治提供了新的思路。研究表明，部分植物精油[5]、植物抽提物[6]及木材心材抽提物[7]等天然产物具有较优的抑菌特性。其中植物精油来源广泛，产品众多，在木材霉变防治领域具有很大的应用潜力。

植物精油也开始应用于木材霉变防治剂的研究与开发。研究表明，肉桂、天竺葵及丁香油酚精油能有效抑制球壳孢菌Sphaeropsis sapinea等4 种边材变色菌的生长[8]。肉桂、壮丽冷杉木和俄勒冈香桃木精油对木霉菌Trichodermaspp.、黑曲霉Aspergillus niger和长喙壳菌Ophiostoma perfectum表现出明显的抑制特性[9]。肉桂醛对黑曲霉和桔青霉Penicillam citrinum表现出较好的防霉效果，在质量浓度为68.67 g/L 时可以完全抑制桔青霉的生长[10]。目前，关于植物精油对我国常见霉菌及变色菌综合抑菌效力的研究较少。为此，本研究选取19 种植物精油，对比分析其对国家标准 GB/T 18261—2013《防霉剂对木材霉菌及变色菌防治效力的试验方法》中列出的6 种霉变菌的抑菌效力，为新型木材霉变防治剂的开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设备

月桂等19 种天然植物精油（表1），由广州市帛丝琳香料有限公司提供。黑曲霉、桔青霉和绿色木霉Trichoderma viride等3 种木材霉菌，可可球二孢Botryodiplodia theobromae、串珠镰刀菌Fusarium moniliforme和链格孢霉Alternaria alternata等3 种木材变色菌，均由中国林业微生物菌种保藏管理中心提供。马铃薯葡萄糖琼脂（PDA，BR 级），由青岛高科技工业园海博生物技术有限公司提供。无菌水，实验室自制。

表1 植物精油基本信息Table 1 Basic information about plant essential oils

试验用到的仪器设备主要包括：压力蒸汽灭菌器（LDZM-80KCS，上海申安医疗器械厂）、净化工作台（SW-CJ-IFD，苏州净化设备有限公司）、移液枪（德国EPPENDORF 公司）、智能人工气候箱（RXZ，宁波江南仪器厂）、旋涡混匀仪（MX-S，美国SCILOGEX 公司）、恒温水浴锅（HH-S，上海江星仪器有限公司）、接种针、离心管、培养皿（直径90 mm）等。

1.2 菌种培养

取46.0 g PDA 和1 000 mL 无菌水加入锥形瓶中，用封口膜密封后置于蒸汽灭菌器内，115 ℃加热处理30 min，获得培养基溶液，倒入灭菌后的培养皿，冷却制得固体平板培养基。在净化工作台内，用接种针挑取变色菌的菌丝接种于平板培养基中央，在人工气候箱（温度27 ℃，相对湿度65%）内培养1 周至菌落成熟。

1.3 精油抑菌效力的测试

参照文献[8,11]中的方法进行。依据上述方法配制培养基溶液，在65 ℃恒温水浴条件下存放待用。用移液枪分别定量吸取培养基溶液和植物精油加入50 mL 离心管，置于旋涡混匀仪内混合均匀，倒入灭菌后的培养皿，冷却制得精油修正的固体平板培养基。利用接种针从成熟菌落的外缘部分取直径5 mm 的菌块，接种于固体平板培养基中央，有菌落的一面朝下，置于人工气候箱（温度27 ℃，相对湿度65%）内培养。以不添加植物精油的培养基作为对照，每个处理设置3 个重复。每天观测菌种的生长情况，对照组菌落长满培养基时结束试验，利用十字交叉法测量菌落直径。依据公式（1）计算植物精油的抑菌效力。

式中：A为抑菌效力，%；D1为对照组菌落直径，mm；D2为精油处理组菌落直径，mm。

研究中先选用可可球二孢来分析植物精油体积分数对其抑菌效力的影响，再比较相同体积分数（0.05%）条件下植物精油对6 种木材霉变菌的抑菌效力。

1.4 数据分析

以植物精油编号为标注个案，精油对6 种霉变菌的抑菌效力为变量，利用SPSS 软件对精油进行聚类分析，分类方法选用系统聚类法，采用组间联接法（平方Euclidean 距离）定义类间距离。以精油对6 种霉变菌的抑菌效力为变量，利用SPSS 软件进行Pearson 双变量相关性分析。

2 结果与分析

2.1 植物精油体积分数对抑菌效力的影响

植物精油在不同体积分数条件下对可可球二孢的抑菌效力如图1所示。当体积分数为0.01%时，抑菌效力为0 的精油共有7 种，最高抑菌效力为73%；当体积分数为0.05%时，抑菌效力为0%的精油仅有2 种，抑菌效力达100%的精油共有5 种；当体积分数为2.00%时，仅有2 种精油的抑菌效力未达到100%，最低抑菌效力为57%。可见，随着植物精油体积分数的增大，其抑菌效力明显提高。后续研究中选定精油体积分数为0.05%，对比分析不同植物精油对木材霉变菌的抑菌效力。

2.2 植物精油的抑菌效力

2.2.1 霉 菌

植物精油在体积分数为0.05%的条件下对霉菌的抑菌效力如图2所示。试验选用的19 种植物精油对黑曲霉、桔青霉和绿色木霉的抑菌效力分别为0～100%、0～100%和0～100%。其中肉桂（3#）、丁香花（6#）和百里香（16#）精油对霉菌的抑制效果最优，对3 种霉菌的抑菌效力均达到100%；尤加利（5#）和甜橙（11#）精油对3种霉菌的抑菌效力仅为0～5%，未表现出明显的防霉效果。柠檬草（9#）精油对黑曲霉和绿色木霉的抑菌效力达到100%，对桔青霉的抑菌效力为55%，也表现出较优的防霉性能。丝柏（4#）、薰衣草（8#）、松树（13#）、迷迭香（14#）和茶树（17#）精油的抑菌效力小于20%，对霉菌生长的抑制作用较弱。

图2 植物精油对霉菌的抑菌效力Fig.2 Antifungal efficacy of plant essential oils against wood mould fungi

2.2.2 变色菌

图3为植物精油在体积分数为0.05%的条件下对变色菌的抑菌效力。试验选用的19 种植物精油对可可球二孢、串珠镰刀菌和链格孢霉的抑菌效力分别为0～100%、11%～100%和20%～100%。其中肉桂（3#）、丁香花（6#）、柠檬草（9#）和百里香（16#）精油完全抑制了3种变色菌的生长，抑制效果最优，而冬青（19#）精油对可可球二孢的抑菌效力也达到100%。尤加利（5#）、甜橙（11#）和松树（13#）精油对可可球二孢和串珠镰刀菌的抑菌效力较低，分别为0～3%和11%～18%。丝柏（4#）、尤加利（5#）和薰衣草（8#）精油对链格孢霉的抑制作用较弱，抑菌效力为20%～23%。

图3 植物精油对变色菌的抑菌效力Fig.3 Antifungal efficacy of plant essential oils against wood stain fungi

2.3 抑菌效力的数据统计分析

2.3.1 聚类分析

植物精油聚类分析结果如图4所示。结合上述抑菌效力的分析可知，3#、6#、9#、16#和19#精油表现出较高的综合抑菌效力，1#、7#、12#、15#和18#精油的综合抑菌效力中等，而其余9 种精油的综合抑菌效力较低。其中抑菌性能较优的5种精油又可以分为3 组：肉桂（3#）、丁香花（6#）和百里香（16#）精油对6 种霉变菌均表现出较优的抑菌效果；柠檬草（9#）精油对黑曲霉等5 种霉变菌的抑菌效力均达到100%，但对桔青霉的抑菌效力较低；冬青（19#）精油对可可球二孢的抑菌效力达到100%，而对其他5 种霉变菌的抑菌效力为47%～90%。综合分析可知，肉桂、丁香花和百里香精油对试验用霉变菌的生长表现出较优的抑制特性。在9 种抑菌作用较弱的植物精油中，尤加利（5#）、甜橙（11#）和松树（13#）精油的综合抑菌效力最低。

图4 植物精油抑菌效力聚类分析结果Fig.4 Dendrogram in cluster analysis of the antifungal efficacy of plant essential oils

2.3.2 相关性分析

植物精油对不同霉变菌抑菌效力的相关性分析结果如表2 所示。6 组抑菌效力之间均在0.01 水平上显著相关，Pearson 相关系数为0.777～0.959。这表明精油对6 种不同霉变菌具有广谱的抑菌特性，与上述分析中肉桂（3#）、丁香花（6#）和百里香（16#）精油对6 种霉变菌的抑菌效力均达到100%相一致。已有研究也表明，抑菌效果较好的植物精油及其活性化学成分能够同时抑制多种菌类的生长[8,10]。因此，在利用植物精油开发木材霉变防治剂时，可以先针对可可球二孢等生长较为迅速的某一菌类进行初步筛选，将有利于提高效率，节约成本。

表2 植物精油对不同霉变菌抑菌效力的相关性†Table 2 The correlation between antifungal efficacy of plant essential oils against different wood mould and stain fungi

3 结论与讨论

对比分析了19 种植物精油对黑曲霉、桔青霉、绿色木霉、可可球二孢、串珠镰刀菌和链格孢霉6种木材霉变菌的抑菌效力，并进行聚类分析及相关分析，所得主要结论如下：

1）19 种植物精油对黑曲霉、桔青霉、绿色木霉、可可球二孢、串珠镰刀菌和链格孢霉的抑菌效力分别为0～100%、0～100%、0～100%、0～100%、11%～100%和20%～100%，不同植物精油的抑菌效力之间表现出较大差异。

2）聚类分析表明，肉桂、丁香花和百里香精油是可以用于木材霉变防治的较优品种，在体积分数0.05%的条件下对6 种霉变菌的抑菌效力均达到100%，而尤加利、甜橙和松树精油的综合抑菌效力最低。

3）相关分析表明，植物精油对6 种霉变菌的抑菌效力之间均表现出显著相关性（α=0.01），其Pearson 相关系数为0.777～0.959。

本研究选用的19 种天然精油来源于树木、花和草等多种植物，主要由萜类、萜烯类及苯丙烯类化合物等活性物质组成，化学成分差异较大，因而抑菌效力也表现出明显差异[12]。肉桂、丁香花和百里香精油中含有肉桂醛、丁香酚及百里酚等具有较高抑菌活性的化学物质，因而表现出较优的抑菌特性。在体积分数0.05%的条件下，肉桂、丁香花和百里香精油可以完全抑制6 种霉变菌在培养基中的生长，抑菌效果与文献报道中肉桂、丁香酚和天竺葵精油对球壳孢菌Sphaeropsis sapinea、长喙壳菌Ophiostoma floccosum等变色菌的抑菌效果接近[8]，明显优于飞龙掌血、马尾松和黄荆等植物的乙醇提取物对可可球二孢的抑菌效果[13]及辣椒汁对变色菌（松梢球壳孢菌Sphaeropsis sapinea、薄粘束梗菌Leptographium procerum）的抑菌效果[11]。本研究主要通过培养基法对比分析了植物精油的抑菌效力，尚需进一步研究精油对木材的霉变防治效果、精油的抑菌机理及抑菌持久性，开发出安全环保且实用的木材霉变防治剂。