负载IPBC微囊型制剂的制备及木材防霉性能研究
2021-09-03李彤彤李冠君李晓文李家宁李民
李彤彤 李冠君 李晓文 李家宁 李民
(中国热带农业科学院橡胶研究所海南海口 571101)
据最新数据，中国胶园年产橡胶木约200万m3，每年进口东南亚橡胶木近400万m3，橡胶木已成为中国进口的热带锯材中数量最大的树种［1］。橡胶木纹理美观、加工性能良好，由于其淀粉等含量远高于其它树种，通常需经化学防腐改性处理［2］。
3-碘-2-丙炔基丁基氨基甲酸丁酯（IPBC）是一种有机溶剂型广谱杀菌剂，能有效杀灭蓝变/霉菌、酵母菌、藻类和细菌，对担子菌有一定的抑制效果，对人、畜低毒，可安全降解，是高效、低毒和对环境无害的绿色木材防腐剂［3］。Muinm等［4］采用IPBC作为防腐剂，使用超临界CO2处理法，对5种结构木材中密度纤维板、阔叶材胶合板、针叶材胶合板、刨花板和定向刨花板进行防腐处理，结果显示，IPBC具有良好的抗腐朽性能。肖忠平等［5］以超临界CO2流体为载体携带IPBC，处理杉木、马尾松、中密度纤维板和刨花板，对木材的防腐性能和IPBC的抗流失性能进行了分析，结果表明，IPBC对绵腐卧孔菌、彩绒革盖菌有较好的抑制效果。李晓文［6］用IPBC和二癸基二甲基氯化铵（DDAC）对橡胶木进行防霉防蓝变处理，结果表明，单一IPBC制剂及IPBC与DDAC复配制剂处理的木材，均具有较优的防霉防蓝变性能。
以上学者均是将IPBC直接作为防腐剂处理木材，但IPBC水溶性较差，其在热或者紫外光辐照条件下因易分解而丧失抑菌能力，分解产生的碘导致产品变黄，最终影响产品的质量［7-8］。因此，对IPBC的制剂进行改进，将其制备成微胶囊形式，提高其稳定性具有重要意义。本研究采用溶剂挥发法制得一种负载IPBC的微囊型防霉剂，其具有缓释药效作用，期望提高IPBC水溶性、光热稳定性及防霉性能。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 试材
橡胶木品系PR107，采自海南省儋州市中国热带农业科学院试验场，树龄25年。自然风干，制成50 mm×20 mm×5 mm（L×T×R）试件备用。
1.1.2 试剂
IPBC质量分数99%，白色晶体；乙基纤维素，粘度45-55 MPa·s；甲醇，分析纯；无水乙醇，分析纯；吐温-80，分析纯，均由广州化学试剂厂生产。乙腈，色谱纯购自美国Thermo Fisher公司。
1.1.3 供试菌种
哈茨木霉（Trichoderma harzianum），可可球二孢（Botryodiplodia theobromae），由中国林业科学研究院木材工业研究所提供。
1.1.4 仪器
ZM-250型恒温恒湿箱；DZF-6030A型真空干燥箱；ZHJH-C1209B型超净工作台；Agilent 1226高效液相色谱仪，DAD检测器；Horiba Partica LA-960激光散射粒度仪；搅拌器；Mettler电子天平等。
1.2 方法
1.2.1 IPBC微胶囊的制备
采用溶剂挥发法［9-11］制 备IPBC微 胶 囊。将300 mg乙基纤维素加入40 mL无水乙醇中，以1 000 r/min的转速溶解搅拌；待溶解完全后，加入150 mg IPBC，搅拌直至IPBC均匀分散于溶液中，制得内相；然后将质量分数0.75%的吐温-80加入到100 mL去离子水中，形成外相；在恒压漏斗下，以恒定速率将内相混合液加入到外相中，保持搅拌速率为1 200 r/min，直到无水乙醇挥发完全，即得IPBC微胶囊；用0.45µm滤膜过滤，收集固体物质（囊壁材料）和滤液，滤液即为IPBC微胶囊溶液。
1.2.2 IPBC微胶囊的粒径测定
将1 mL IPBC微胶囊溶液滴入Horiba Partica LA-960激光散射粒度仪，测定IPBC微胶囊的平均粒径（D50）。
1.2.3 IPBC微胶囊包覆率及载药量测定
1.2.3.1 IPBC标准溶液的配制
准确称取IPBC标准品0.300 0 g，加甲醇定容至50 mL，配制成6.00 mg/mL的IPBC标准液；取上述标准溶液稀释，分别配制成质量浓度为0.15、0.75、1.50、3.00 mg/mL的系列标准溶液。
1.2.3.2 高效液相色谱检测条件
参考赵玥等［12］的IPBC高效液相色谱检测条件。色谱柱：Agilent Eclipse XDB-C18柱，5µm，250 mm×4.6 mm（id）；流动相：乙腈-水（55∶45，V/V）；流速：1.0 mL/min，等度洗脱；柱温：30℃；检测波长：204 nm；进样量：20µL。
1.2.3.3 包覆率和载药量计算
取1.2.1收集的固体物质，以50℃烘干并称重，即为析出的囊壁材料的质量。取1 mL IPBC纳米胶囊溶液，用4 mL甲醇溶解，超声10 min后，离心取上清液，采用高效液相色谱法测定微胶囊中IPBC的质量浓度，按照式（1）和（2）分别计算包覆率和载药量［13-14］。
式中：C为微胶囊中IPBC的质量浓度，mg/mL；V为微胶囊溶液的体积，mL；M1为加入的IPBC的质量，mg；M2为投放的囊壁材料的质量，mg；M3为析出的囊壁材料的质量，mg。
1.2.4 抑菌实验
将橡胶木试件分别用质量分数为0.15%和0.3%的IPBC微胶囊溶液及空白微胶囊溶液浸渍处理，放置真空干燥箱中抽真空至-0.09 MPa，保持5 min；卸压，继续浸泡1 h，使试件达到全透；取出试件，用滤纸吸去表面余药；参考带毒培养基法［15-16］，将哈茨木霉、可可球二孢菌饼分别接种到PDA培养基［17］中，每皿接种菌饼1块，放入温度28℃、湿度75%的恒温恒湿箱中培养和观察；当培养基表面完全被菌丝覆盖时，将经杀菌的橡胶木试件及空白样平放在培养皿中，二者之间用玻璃棒隔开，在温度28℃、湿度75%的恒温恒湿箱中培养；观察橡胶木霉变情况，每组设3次重复。
2 结果与分析
2.1 IPBC微胶囊的粒径
根据配方制成的IPBC微胶囊溶液，外观为白色、流动性良好的均相液体，无可见悬浮物或沉淀。经激光散射粒度仪检测的IPBC微胶囊粒径分布见图1。IPBC微胶囊直径分布在30～172 nm，均匀度良好，平均粒径（D50）为58 nm。IPBC微胶囊的粒径越小，越有利于在浸渍处理橡胶木时木材防霉剂渗透到木材内部，充分发挥药剂的药效。本研究制备的IPBC微胶囊粒径较小，达到纳米级别，可以进入木材的细胞腔中，从而提高木材的防腐作用。
2.2 IPBC微胶囊的包覆率及载药量
图1 IPBC微胶囊的粒径分布
2.2.1 IPBC标准曲线的绘制
采用高效液相色谱仪，每次进样20µL，以色谱峰的峰面积（Y）为纵坐标，IPBC的浓度（C）为横坐标作图，绘制标准曲线，结果如图2所示。IPBC的线性方程为Y＝1 836.62C＋132.47，相关系数为0.999 8。将质量浓度为1.50 mg/L的标准溶液连续进样5次，每次进样20µL，计算RSD值，结果为5.83%。以噪音的3倍所对应的质量浓度为检出限，计算出检出限为1.32 mg/L。
图2 IPBC标准溶液的工作曲线
2.2.2 IPBC的质量浓度检测图谱
采用高效液相色谱仪检测IPBC微胶囊溶液上清液中IPBC的质量浓度，图谱见图3。IPBC保留时间为6.386 min时，峰形对称。根据IPBC标准曲线计算IPBC微胶囊中IPBC的浓度为0.22 mg/mL。1.2.1中收集的囊壁材料，干重为28.10 mg。根据公式（1、2）得包覆率为71.57%，载药量为25.85%。
图3 IPBC微胶囊的高效液相色谱图
2.3 IPBC微胶囊的抑菌实验
分别将经质量分数为0.15%和0.3%的IPBC微胶囊溶液及空白微胶囊溶液浸渍处理的橡胶木试件放置于长满菌丝的培养基中，观察IPBC微胶囊的抑菌效果，放置一个月，结果见图4。空白微胶囊处理的橡胶木试件表面长满了菌丝，没有任何抑菌效果。经质量分数为0.15%和0.3%的IPBC微胶囊溶液处理的橡胶木对哈茨木霉菌均有较好的抑菌效果，木材表面未长菌丝。与质量分数为0.3%的IPBC微胶囊溶液相比，0.15%的IPBC微胶囊溶液对可可球二孢的抑菌效果较低，在橡胶木试件表面边沿位置有菌丝生长。根据公式（2）计算出质量分数为0.3%的IPBC微胶囊溶液的载药量为49.60%，因此其抑菌效果更好。微胶囊增大了IPBC的水溶性及光热稳定性，具有缓释作用，对橡胶木具有显著的防霉作用，为开发新型橡胶木防霉剂奠定基础。
图4 不同浓度IPBC微胶囊溶液处理橡胶木试件对可可球二孢和哈茨木霉的抑菌效果
3 结论
本研究采用溶剂挥发法制备的IPBC微胶囊木材防霉制剂，以IPBC为囊芯，乙基纤维素为囊壁，提高了IPBC的水溶性及光热稳定性；制备的IPBC微胶囊溶液粒径分布在30～172 nm，微胶囊的平均粒径（D50）为58 nm；经高效液相色谱仪检测，质量浓度0.15%的IPBC微胶囊的包覆率为71.57%，载药量为25.85%。分别用质量浓度为0.15%和0.3%的IPBC微胶囊溶液处理橡胶木试件，2种不同浓度的微胶囊对哈茨木霉菌均有较好的抑菌效果。与质量分数为0.3%的IPBC微胶囊溶液相比，0.15%的IPBC微胶囊溶液对可可球二孢的抑菌效果较低。本研究为开发新型橡胶木防霉剂提供了途径。
