真空處理對青霉菌的抑制及吸濕性能影響研究

孫喻晗，邱增處*，米冰冰，付夢娜，陳章景

(1.西北農(nóng)林科技大學 林學院，陜西 楊陵 712100；2.弗吉尼亞理工大學 木材科學與林產(chǎn)品系，弗吉尼亞 24060)

霉菌是一種數(shù)量眾多、代謝旺盛、繁殖能力強的微小真菌，在潮濕環(huán)境和適宜溫度下極易侵害木材，導致其發(fā)霉腐敗變質。這不僅影響木材外觀，延長木材干燥時間，也使其更容易受到其他生物的攻擊[1]。因而采取有效措施對木材進行殺菌處理很有必要。

目前，多使用砷酸銅CCA、季胺銅ACQ、硼酸鹽、三唑、多菌靈、百菌清、合成擬除蟲菊酯類和氨基甲酸酯等化學藥劑對木材進行殺菌處理，但這類殺菌劑含有毒物質，對環(huán)境和人體產(chǎn)生危害[2-3]。近些年發(fā)展起來的生物殺菌劑逐漸受到人們的青睞，如乙酰胺類化合物、蘆丁及金屬配合物、植物精油等，但其抑菌作用較弱[4-11]。因此，研發(fā)對環(huán)境和人體無毒害的新型抑菌技術意義重大。

引起木材霉變的真菌主要有木霉(Trichoderma)、青霉(Penicillium)、曲霉(Aspergillus)和毛霉(Mucro)等，最常見的霉菌如木霉屬的綠色木霉、青霉屬的青霉菌和曲霉屬的黑曲霉等均為需氧型霉菌[12]。霉菌適宜生長溫度為25 ℃，適宜濕度為75%～95%[13-14]，故可通過排除氧氣和水分抑制霉菌生長。真空滅菌技術在食品領域和醫(yī)療領域的應用較為廣泛[15-17]，但在木材殺菌方面的報道較為少見，故可嘗試將真空技術應用于木材的滅菌領域。

本研究通過對接種青霉菌的橡膠木進行真空處理，采取霉菌稀釋計數(shù)、傅里葉紅外分析、熱重分析方法和動態(tài)水蒸氣吸附分析試驗，分析真空對青霉菌的抑制作用及真空處理對接菌橡膠木表面化學結構、熱穩(wěn)定性和吸濕解吸性能的影響，探索真空抑制青霉菌的工藝，以期為研發(fā)新型環(huán)保抑菌技術提供更多的思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

木材：橡膠木(H.brasiliensis)，含水率5%，尺寸為50 mm(L)×20 mm(T)×5 mm(R)，采自海南省三亞市。

試驗用菌：青霉菌(Penicilliumsp.)，子囊菌亞門，青霉屬青霉菌，來自西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院試驗中心。

試劑：孟加拉紅培養(yǎng)基、無水乙醇、75%的酒精、無菌水、絕干溴化鉀(KBr)試劑(分析純)、丙酮溶液、熒光素雙醋酸鹽(FDA)試劑等。

1.2 試驗設備

HZ-2004A型可程序恒溫恒濕試驗機，LDZM-80KCS-Ⅱ型立式壓力蒸汽滅菌器，BBS-SDC型無菌操作臺，101-1AB型電熱鼓風干燥箱，SDV30循環(huán)水式真空機組，JP-350A-8型萬能高速粉碎機，NICOLET FTIR IS10傅里葉變換紅外光譜儀， TGA/DSC3+熱重分析儀，DVS-100T型動態(tài)水蒸氣吸附分析儀等。

1.3 試驗方法

1.3.1 霉變橡膠木試件的制備 依據(jù)GB/T 18261-2013《防霉劑對木材霉菌及變色菌防止效力的試驗方法》對橡膠木試件進行接菌培養(yǎng)，共計42個培養(yǎng)皿，設置溫度25～28 ℃，相對濕度85%，培養(yǎng)時長30 d。

1.3.2 抽真空處理 將接種好青霉菌的橡膠木試件分為7組，每組3個進行真空處理，真空度7 mmHg(933 Pa)，溫度15 ℃，處理時長為0、12、24、36、48、60、72 h，并設置未經(jīng)任何處理的橡膠木試件為空白對照。

1.3.3 霉菌稀釋計數(shù) 采用霉菌稀釋計數(shù)法。分別配置1∶103，1∶104，1∶105，1∶106，1∶107，1∶108和1∶109共7個體積分數(shù)梯度的菌懸液稀釋溶液。選擇這7個體積分數(shù)梯度的菌懸液溶液進行稀釋計數(shù)。使用抑菌效率對真空抑制青霉菌的效果進行評價：

真空抑菌效率(%)=(未處理木材中青霉菌數(shù)-真空處理后木材中青霉菌數(shù))/未處理的木材青霉菌數(shù)×100%

(1)

1.3.4 傅里葉變化紅外光譜分析 使用KBr壓片法分別對空白對照(未接菌試件)、接菌-真空0 h(真空處理時長0 h)、接菌-真空60 h(真空處理時長60 h)試件進行紅外光譜分析。取純KBr粉末于105 ℃下烘干去除多余水分后保存?zhèn)溆?。? mmg橡膠木與100 mg KBr粉末置于瑪瑙研缽內，在紅外燈下充分研磨成細粉，轉移至壓片模具中，壓力設置10 MPa，加壓時間60 s，即得一透明壓片，在32 cm-1分辨率下掃描64次，獲得紅外光譜圖。

1.3.5 熱重分析 采用N2作為保護氣體，設置氣流速度50 mL·s-1，反應溫度30～600 ℃，升溫速率10 ℃·min-1，每次取10 mg 200目篩的橡膠木粉進行熱解試驗。

1.3.6 動態(tài)水蒸氣吸附分析儀分析 從空白對照、接菌-真空0 h、接菌-真空60 h試件表面取少量樣品作為試驗材料。稱取少量樣品放入動態(tài)水蒸氣吸附分析儀的樣品盤上，設置溫度25 ℃，相對濕度0～90%，相對濕度梯度10%。每隔1 min用高精度天平測定樣品的質量，天平精度10-4g。在一定的相對濕度下，木材的平衡含水率(equilibrium moisture content,EMC,公式中用EMC表示)為:

(2)

式中：EMC為樣品平衡含水率,%；w為某一相對濕度下樣品的重量,g；wo為樣品的絕干重量,g。

動態(tài)水蒸氣吸附分析儀可以得到相對濕度0～90%共10個點的平衡含水率，使用Origin軟件繪制吸濕解吸曲線圖。

2 結果與分析

2.1 真空處理抑菌效率分析

真空處理接菌橡膠木小于等于24 h時，抑菌效率呈直線上升(表1)。處理時間大于24 h時，抑菌效率增加量逐漸降低。處理48 h時，抑菌效率達到99.79%，幾乎沒有青霉菌生長；處理60 h，真空抑菌效率達到99.99%；之后時長增加，抑菌效率不再變化，可視作青霉菌被全部殺死。分析可知，真空處理對于青霉菌的生長有明顯的抑制作用。由于青霉菌生長環(huán)境濕度大于82%，溫度5～32 ℃，而隨著真空處理時長增加，木材內部和青霉菌體內的氧氣和水分被抽出，霉菌因缺水、缺氧被殺死[13-14]。

表1 每克木材中含有的霉菌數(shù)及其抑菌效率

2.2 傅里葉變換紅外光譜分析

分析圖1和表2可知，與空白對照組相比，接菌處理的橡膠木試件在2 924 cm-1處甲基、亞甲基中的C-H的伸縮振動減弱，說明經(jīng)過青霉菌處理的橡膠木試件纖維素有所降解。1 736 cm-1附近乙?；汪然系腃=O伸縮振動有所減弱，說明經(jīng)過青霉菌處理的橡膠木試件中的半纖維素有所降解。經(jīng)過真空處理后，半纖維素相對含量有所增加。1 049 cm-1附近的C-O伸縮振動和乙?；械耐檠蹑I伸縮振動減弱，說明樣品中的纖維素和半纖維素有所降解。經(jīng)過青霉菌處理的橡膠木試件在1 643 cm-1處木質素共軛羰基伸縮振動減弱，1 512 cm-1處苯環(huán)骨架振動減弱，1 254 cm-1處酚醚鍵伸縮振動減弱，說明木質素有所降解；3 422 cm-1附近的O-H伸縮振動峰尖銳程度增加，說明接菌后的橡膠木試件親水基團增加，表面親水性增加[18-20]。根據(jù)紅外結果分析可知，青霉菌能夠降解橡膠木表面的纖維素、半纖維素和木質素(三大素)，增強表面親水性。但經(jīng)過60 h真空處理，橡膠木中的青霉菌被殺死，青霉菌分解產(chǎn)生的CO2和單糖類物質被抽出，三大素相對含量又有所增加。

表2 不同處理條件橡膠木樣品紅外光譜特征吸收峰及其官能團歸屬

2.3 熱重分析

從圖2可知，橡膠木試件在250 ℃開始發(fā)生熱解，直到370 ℃后反應才大致結束，反應過程大概分為3個階段：

30～250 ℃，隨著溫度的上升，橡膠木試件內水分逐漸蒸發(fā)，少量半纖維素發(fā)生降解。250～370 ℃，剩余半纖維素(220～270 ℃)、纖維素(250～320 ℃)和木質素(280～400 ℃)熱解速率加快，失重率高達60%以上，其中，接菌橡膠木試件降解速率明顯加快，最大反應速率對應的溫度降低了17.5 ℃。真空處理60 h的試件降解反應速率介于兩者之間，但降解反應溫度提前約20 ℃。由于青霉菌的作用，橡膠木試件的纖維素、半纖維素和木質素被降解，熱解反應更易發(fā)生。

370 ℃之后，3種試樣TG曲線隨溫度升高變化趨于平緩，DTG曲線熱解速率接近于0，熱解炭化后的殘余物為少量固體炭化物和灰分。從TG曲線看，經(jīng)過接菌的2個試件在350 ℃最早進入熱解炭化階段，未接菌處理試件在374 ℃進入炭化階段，說明青霉菌侵染過的橡膠木更易炭化，其熱穩(wěn)定性降低，其中經(jīng)過真空處理的接菌試件熱穩(wěn)定性最低。

2.4 橡膠木的吸濕解吸特性分析

由圖3可見，在25 ℃下，隨著環(huán)境相對濕度逐漸增大，橡膠木試件的吸濕和解吸曲線均呈現(xiàn)上升趨勢，并且相對濕度對橡膠木試件平衡含水率的影響是不均衡的。橡膠木的吸濕等溫線的形狀均呈“S”形，解吸等溫線近于直線。當相對濕度小于50%時，橡膠木試件的吸濕等溫線緩慢上升；當相對濕度大于50%時，其吸濕等溫線上升加快。對比空白對照，經(jīng)過青霉菌處理的橡膠木吸濕解吸性明顯增加，滯后現(xiàn)象減弱，這可能與橡膠木經(jīng)青霉菌分解后，一部分纖維素和半纖維素被分解，游離羥基增加，吸濕性增加有關，這與2.2中橡膠木經(jīng)青霉菌處理后親水性官能團增加結果一致。加之，由于青霉菌的作用使橡膠木內部微毛細管系統(tǒng)受到破壞，也會增加其解吸性。雖然經(jīng)過真空處理60 h后的橡膠木青霉菌生長被抑制，但是青霉菌分解產(chǎn)生的小分子物質被抽出，導致其孔隙率增加，使這一性能又有所增加。

3 結論

使用7 mmHg絕對真空對橡膠木上生長的霉菌進行處理，研究發(fā)現(xiàn)真空處理可明顯抑制青霉菌的生長，時間越長，抑制效果越好。60 h真空處理對青霉菌的抑制效率可高達99.99%。

青霉菌能降解木材，使其表面的纖維素、半纖維素和木質素含量增大，增加木材表面親水性，增強木材吸濕解吸性能。真空處理后，木材表面三大素含量愈加增大，吸濕解吸性進一步增強。

木材經(jīng)青霉菌侵染后，熱降解的最大速率對應的反應溫度降低，熱穩(wěn)定性能降低；真空處理60 h后，該結果更趨顯著，其熱穩(wěn)定性能進一步降低，木材更易發(fā)生碳化。