程澤琦，趙 艷，張世曉，龐久寅

(吉林省木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北華大學(xué))，吉林 吉林 132013)

目前，市場(chǎng)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(lèi)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(guò)程中會(huì)威脅人體健康，導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量下降，不符合環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展的原則.開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保、高效無(wú)毒、可生物降解的新型木材防霉劑成為今后木材保護(hù)行業(yè)的發(fā)展方向[1-2].木聚糖(xylan)是一種存在于植物細(xì)胞壁中的異質(zhì)多糖，約占植物細(xì)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(fù)雜分子多聚糖，帶有多種取代基，是一種復(fù)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(chǔ)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(jiǎn)單的“化學(xué)工廠”——微生物細(xì)胞轉(zhuǎn)化成單細(xì)胞蛋白和各種化學(xué)燃料[6-7].木聚糖來(lái)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(guó)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(chǎng)前景，可創(chuàng)造十分可觀的經(jīng)濟(jì)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?jǐn)?shù)的納米木聚糖溶液浸泡楊木木塊，檢測(cè)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(shí)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(wèn)題，為新型生物木材防霉劑的規(guī)模生產(chǎn)、應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器與原料

試驗(yàn)主要儀器設(shè)備見(jiàn)表1，主要原料見(jiàn)表2.

表1 主要儀器設(shè)備Tab.1 Main equipments

表2 主要試驗(yàn)原料Tab.2 Main test materials

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 納米木聚糖制備

稱(chēng)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(cè)定納米木聚糖溶液粒徑.

1.2.2 木材防霉

本次試驗(yàn)研究3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%、5%、10%)納米木聚糖溶液對(duì)楊木防霉性能的影響，溶劑為水.選取干燥、無(wú)腐朽、無(wú)變色、無(wú)蟲(chóng)蛀以及無(wú)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(cè)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(yàn)的小木塊放入烘箱中，80 ℃下烘至絕干，稱(chēng)重記錄，計(jì)算質(zhì)量損失率.將烘至絕干的小木塊分別放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、5%、10%的納米木聚糖溶液中，每種質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米木聚糖溶液放入6塊，共計(jì)18塊；另外6塊不做任何處理，作為空白對(duì)照組.24 h后，再次將全部小木塊放入烘箱，80 ℃下烘至絕干，稱(chēng)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(bǔ)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(tái)接種菌種.先將超凈工作臺(tái)用紫外燈滅菌20 min，打開(kāi)通風(fēng)，防止空氣中的微生物及孢子進(jìn)入，然后開(kāi)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(tái)內(nèi)打開(kāi)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(guò)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(xì)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(bǔ)水至2 000 mL，分別用4個(gè)500 mL三角瓶稱(chēng)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(wú)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(tái)接種菌種.首先，用紫外燈將超凈工作臺(tái)滅菌20 min，打開(kāi)通風(fēng)，以防止空氣中的微生物及孢子進(jìn)入，然后開(kāi)始接種.采用平板劃線(xiàn)法，選用平整、圓滑的接種環(huán)，按無(wú)菌操作法挑取少量黑曲霉.

在無(wú)菌條件下用接種針挑取供試菌的菌絲體及孢子，挑取時(shí)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(wú)菌水，適當(dāng)磨碎后倒人已滅菌的有玻璃珠的三角瓶?jī)?nèi)；加少量無(wú)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(tái)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(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)0.2～0.5 mL)搖動(dòng)，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(duì)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(duì)濕度85%)，培養(yǎng)4周[19].

1.2.4 防霉等級(jí)測(cè)定

試樣接菌培養(yǎng)4周后，目測(cè)試菌感染面積和藍(lán)變程度.除記錄表面感染程度外，在試樣厚度中線(xiàn)，沿順紋方向劈開(kāi)，檢查試樣內(nèi)部藍(lán)變程度.被害值根據(jù)《木材防腐劑》(GB/T 27654—2011)分級(jí)，見(jiàn)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(duì)納米木聚糖粒徑的影響見(jiàn)圖1、圖2.由圖1可見(jiàn)：隨著堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米木聚糖的粒徑呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，納米木聚糖的粒徑為45.99 nm.出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因可能是堿液濃度的提高對(duì)大分子量木聚糖的降解有一定的促進(jìn)作用，從而使納米木聚糖的粒徑減小.由圖2可見(jiàn)：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(shì)，當(dāng)處理溫度為60 ℃時(shí)，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(shì)可能是因?yàn)楫?dāng)溫度較低時(shí)，隨著溫度的升高，可以促進(jìn)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(guò)高，會(huì)使木聚糖的化學(xué)活性降低，在一定程度上會(huì)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?jǐn)?shù)對(duì)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(duì)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?jǐn)?shù)對(duì)載藥量的影響

通過(guò)試件載藥量可以初步評(píng)價(jià)納米木聚糖溶液的防腐效果.不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米木聚糖溶液的試件載藥量見(jiàn)表4，平均載藥量趨勢(shì)見(jiàn)圖3.由圖3可見(jiàn)：隨著納米木聚糖溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，試件的載藥量呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì).分析認(rèn)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?jǐn)?shù)的提高，試件在吸入等量溶液時(shí)，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米木聚糖溶液所含的納米木聚糖粒子數(shù)量要遠(yuǎn)高于低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米木聚糖溶液.所以，納米木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，木材試件的載藥量最高.另外，在高質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng).

圖3 木材試件平均載藥量趨勢(shì)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?jǐn)?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?jǐn)?shù)木聚糖、納米木聚糖溶液處理后試樣進(jìn)行木材防霉試驗(yàn)的被害值.由圖4可以明顯看出，經(jīng)過(guò)木聚糖、納米木聚糖溶液處理后，被害值都呈現(xiàn)下降趨勢(shì).對(duì)比可知，當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，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?yàn)榧{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(huì)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(duì)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?jǐn)?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?jǐn)?shù)的提高，試件在吸入等量溶液時(shí)，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米木聚糖溶液所含有的納米木聚糖粒子數(shù)量遠(yuǎn)高于低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米木聚糖溶液；高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米木聚糖載藥量大于低質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)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(shì)，說(shuō)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(qiáng)、綠色無(wú)毒、可生物降解等特點(diǎn)，是一種天然生物防腐劑，作為一種自然界來(lái)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(yīng)用前景.目前，納米級(jí)別的木聚糖已經(jīng)制備成功，設(shè)計(jì)并合成具有新功能的納米級(jí)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(jìn)功能材料的應(yīng)用與發(fā)展，還可以處理農(nóng)業(yè)廢料，變廢為寶，實(shí)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(fèi)，具有十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的發(fā)展空間.