纳米木聚糖对木材霉变菌抑菌性的影响

程泽琦，赵 艳，张世晓，庞久寅

(吉林省木质材料科学与工程重点实验室(北华大学)，吉林 吉林 132013)

目前，市场上常用的木材防霉剂主要有2-(硫氰酸甲基巯基)苯并噻唑、甲叉双硫酸盐、3-碘代-2-丙炔基甲酸丁胺、八羟基喹琳铜、三唑类化合物、百菌清、季铵盐等，虽然具有良好的防霉效果，但这些防霉剂或其降解物存在较大毒性，在使用过程中会威胁人体健康，导致环境质量下降，不符合环境保护及可持续发展的原则.开发绿色环保、高效无毒、可生物降解的新型木材防霉剂成为今后木材保护行业的发展方向[1-2].木聚糖(xylan)是一种存在于植物细胞壁中的异质多糖，约占植物细胞干重的15%～35%，是植物半纤维素的主要成分，一般是由β-1，4木糖苷键连接而成的复杂分子多聚糖，带有多种取代基，是一种复杂的多聚五碳糖，具有稳定性，可以在正常的环境温度下储存和使用[3-5].木聚糖是一种绿色环保、可生物降解的天然木材防霉剂，主要成分是木糖，能够被最简单的“化学工厂”——微生物细胞转化成单细胞蛋白和各种化学燃料[6-7].木聚糖来源广泛，可以从农林剩余物中获得，在玉米芯、蔗渣、稻壳、棉籽壳、秸秆以及桦木中均大量存在，并且我国农林生物质资源(包括竹林及农作物秸秆)丰富，因此，木聚糖以及木聚糖的衍生物在可生物降解功能材料领域具有很大的市场前景，可创造十分可观的经济效益[8-9].

纳米木聚糖使木聚糖粒子的粒径大大减小，表面积大大增加，可形成更高的局部浓度，可以在木材中更好地分散和渗透，从而具备更好的防霉性能和杀菌性能[10-13].本文以木聚糖为原料，采用NaOH-乙醇提取法制备纳米木聚糖.在常温常压下，用3种不同质量分数的纳米木聚糖溶液浸泡杨木木块，检测载药量，研究制备纳米木聚糖的最佳工艺条件，以及在木材防霉中的实际表现，旨在从根本上解决传统木材防霉剂毒性较大、难以降解的问题，为新型生物木材防霉剂的规模生产、应用提供理论基础和技术支持.

1 材料与方法

1.1 试验仪器与原料

试验主要仪器设备见表1，主要原料见表2.

表1 主要仪器设备Tab.1 Main equipments

表2 主要试验原料Tab.2 Main test materials

1.2 试验方法

1.2.1 纳米木聚糖制备

称量1 g冻干的木聚糖，加入100 mL氢氧化钠溶液，在一定温度下(30、45、60、75 ℃)溶解，用HCl调节pH至5.5；溶液用一定量95%乙醇沉淀，静置12 h，离心(5 000 r/min、10 min、4 ℃)得到沉淀；经冷冻干燥得到纳米木聚糖，其木糖含量在90%以上，重均分子量约为18 000 g/mol.利用纳米粒度仪测定纳米木聚糖溶液粒径.

1.2.2 木材防霉

本次试验研究3种不同质量分数(1%、5%、10%)纳米木聚糖溶液对杨木防霉性能的影响，溶剂为水.选取干燥、无腐朽、无变色、无虫蛀以及无明显缺陷的杨木板材，切割成20 mm×20 mm×10 mm的试件，共48块，其中24块用于测定纳米木聚糖溶液的防霉能力，另外24块用于做培养基饲木.将用于防霉试验的小木块放入烘箱中，80 ℃下烘至绝干，称重记录，计算质量损失率.将烘至绝干的小木块分别放入质量分数为1%、5%、10%的纳米木聚糖溶液中，每种质量分数纳米木聚糖溶液放入6块，共计18块；另外6块不做任何处理，作为空白对照组.24 h后，再次将全部小木块放入烘箱，80 ℃下烘至绝干，称量并记录质量[14].

木块载药量：

式中：M1为木块浸泡后的绝干质量，g；M2为木块未浸泡的绝干质量，g.

1.2.3 菌种培养基制备

1)麦芽糖液制备.选取新鲜土豆20 g，去皮，切块，用水在电炉上煮沸30 min，滤去土豆块，将水补足到200 mL，加入4 g葡萄糖，溶解后所得溶液即为麦芽糖液[15].加入琼脂，待完全溶解后分装于5支清洗干燥的试管中制成斜面，凝固后放入立式蒸汽灭菌器灭菌.

2)试菌接种与培养.灭菌后的试管冷却到室温后在超净台接种菌种.先将超净工作台用紫外灯灭菌20 min，打开通风，防止空气中的微生物及孢子进入，然后开始接种.先用75%酒精将手、试管和菌种试管消毒，然后在超净台内打开试管，先用酒精灯灼烧试管、菌种试管管口部分以及接种环，将灼烧过的接种环伸入菌种管内.接种环充分冷却后轻轻刮取少许菌苔，迅速将沾有菌种的接种环伸入另一支待接试管内，接种完毕后抽出接种环，灼烧管口，塞上棉塞，放入细菌培养箱中培养一周[16].

选取新鲜土豆200 g，去皮，切成小块，加入蒸馏水至2 000 mL，在电炉上煮沸30 min，滤去土豆块，加入40 g葡萄糖，50 g琼脂，继续加热使琼脂完全溶化，补水至2 000 mL，分别用4个500 mL三角瓶称装，塞好棉塞包防水纸，121 ℃、0.1 MPa蒸汽灭菌30 min.灭菌后的琼脂培养基冷却至50 ℃左右，在无菌条件下分装倒入已灭菌的培养皿中，制成平板培养基备用[17-18].

待平板培养基灭菌冷却后，在超净工作台接种菌种.首先，用紫外灯将超净工作台灭菌20 min，打开通风，以防止空气中的微生物及孢子进入，然后开始接种.采用平板划线法，选用平整、圆滑的接种环，按无菌操作法挑取少量黑曲霉.

在无菌条件下用接种针挑取供试菌的菌丝体及孢子，挑取时沿菌落的前缘向内连同培养基一起切割，放入已灭菌的组织研磨器内；加适量无菌水，适当磨碎后倒人已灭菌的有玻璃珠的三角瓶内；加少量无菌水，放在摇床上震荡(转速100～120 r/min)，转10～15 min制成悬浮液供接种用.在超净工作台上用移液枪吸取菌丝体与孢子悬浮液，注入已有平板培养基的培养皿内(每个培养皿内0.2～0.5 mL)摇动，使之在培养基表面均匀分布.接种后立即放入电热恒温、恒湿培养箱内培养(保持25～28 ℃，相对湿度85%)，培养7 d至菌落成熟，供试样接菌用.接菌后立即放回培养箱内(保持25～28 ℃，相对湿度85%)，培养4周[19].

1.2.4 防霉等级测定

试样接菌培养4周后，目测试菌感染面积和蓝变程度.除记录表面感染程度外，在试样厚度中线，沿顺纹方向劈开，检查试样内部蓝变程度.被害值根据《木材防腐剂》(GB/T 27654—2011)分级，见表3.被害值越低，药效越大.

表3 试样被害值Tab.3 Sample damage values

2 结果与分析

2.1 纳米木聚糖粒径的影响因素

碱液浓度、温度对纳米木聚糖粒径的影响见图1、图2.由图1可见：随着碱液质量分数的增加，纳米木聚糖的粒径呈现下降趋势，当碱液质量分数为10%时，纳米木聚糖的粒径为45.99 nm.出现这种趋势的原因可能是碱液浓度的提高对大分子量木聚糖的降解有一定的促进作用，从而使纳米木聚糖的粒径减小.由图2可见：纳米木聚糖的粒径随着处理温度的上升呈现先下降再上升的趋势，当处理温度为60 ℃时，纳米木聚糖的粒径为42.58 nm；温度继续升高，纳米木聚糖的粒径反而减小.呈现这种趋势可能是因为当温度较低时，随着温度的升高，可以促进碱液裂解大分子量木聚糖，木聚糖粒子粒径大大减小，具有更高的比表面积；温度过高，会使木聚糖的化学活性降低，在一定程度上会抑制大分子量木聚糖向小分子量纳米木聚糖转化.

图1 碱液质量分数对纳米木聚糖粒径的影响Fig.1 Effect of lye concentration on the particle size of xylan nanoparticles

图2 温度对纳米木聚糖粒径的影响Fig.2 Effect of temperature on the particle size of xylan nanoparticles

2.2 纳米木聚糖质量分数对载药量的影响

通过试件载药量可以初步评价纳米木聚糖溶液的防腐效果.不同质量分数的纳米木聚糖溶液的试件载药量见表4，平均载药量趋势见图3.由图3可见：随着纳米木聚糖溶液质量分数的不断增加，试件的载药量呈现不断上升趋势.分析认为，在试件吸水能力相近的情况下，随着纳米木聚糖溶液质量分数的提高，试件在吸入等量溶液时，高质量分数的纳米木聚糖溶液所含的纳米木聚糖粒子数量要远高于低质量分数的纳米木聚糖溶液.所以，纳米木聚糖质量分数为10%时，木材试件的载药量最高.另外，在高质量分数的纳米木聚糖溶液中，纳米木聚糖粒子可以形成更高的局部浓度，粒径增大，试件的载药量上升，防腐效果增强.

图3 木材试件平均载药量趋势Fig.3 Drug loading of wood sample

表4 杨木试件载药量Tab.4 Drug loading of poplar sample

2.3 不同质量分数纳米木聚糖溶液处理后的防霉效果

图4为4种不同质量分数木聚糖、纳米木聚糖溶液处理后试样进行木材防霉试验的被害值.由图4可以明显看出，经过木聚糖、纳米木聚糖溶液处理后，被害值都呈现下降趋势.对比可知，当溶液质量分数为10%时，经木聚糖溶液处理的杨木试样被害值为1；经纳米木聚糖溶液处理的杨木试样被害值为0.可以看出，试样经纳米木聚糖溶液处理后的被害值要低于经木聚糖溶液处理后的被害值，纳米木聚糖的防霉效果更加显著.这是因为纳米木聚糖的粒径更小，在木材中可以更好地分散和渗透，木材试件的载药量随之增加，防霉效果会更加突出.另外，纳米木聚糖粒子可形成更高的局部浓度，也更容易吸附于霉菌表面，增加对霉菌的杀伤作用.

图4 试样被害值Fig.4 Damage value of samples

3 结论与讨论

采用NaOH-乙醇提取法制备纳米木聚糖，碱液浓度与温度是影响纳米木聚糖粒径的重要因素.其中，制备纳米木聚糖的最佳工艺参数为提取温度60 ℃、碱液质量分数10%.在试件吸水能力相近的情况下，随着纳米木聚糖溶液质量分数的提高，试件在吸入等量溶液时，高质量分数的纳米木聚糖溶液所含有的纳米木聚糖粒子数量远高于低质量分数的纳米木聚糖溶液；高质量分数的纳米木聚糖载药量大于低质量分数的纳米木聚糖，与木聚糖相比，纳米木聚糖具有更小的粒径，更容易在木材中更好地分散和渗透，经纳米木聚糖溶液处理后载药量更高.

从试样被害值看，纳米木聚糖溶液对霉菌的抑制效果随着浓度的增加而提高.随着药液浓度和木材载药量的增加，被害值呈现逐渐降低的趋势，说明纳米木聚糖溶液具备良好的防霉性能.

木聚糖本身具有抑菌性强、绿色无毒、可生物降解等特点，是一种天然生物防腐剂，作为一种自然界来源丰富的绿色资源，在新型功能材料研发与利用方面有着广阔的应用前景.目前，纳米级别的木聚糖已经制备成功，设计并合成具有新功能的纳米级木聚糖衍生物或聚合物成为今后的发展方向，不仅可以促进功能材料的应用与发展，还可以处理农业废料，变废为宝，实现农林废弃物能源利用的最大化，避免天然可再生资源浪费，具有十分可观的经济效益和广阔的发展空间.