真空处理对青霉菌的抑制及吸湿性能影响研究

2022-02-10孙喻晗邱增处米冰冰付梦娜陈章景

西北林学院学报 2022年1期

孙喻晗，邱增处*，米冰冰，付梦娜，陈章景

(1.西北农林科技大学林学院，陕西杨陵 712100；2.弗吉尼亚理工大学木材科学与林产品系，弗吉尼亚 24060)

霉菌是一种数量众多、代谢旺盛、繁殖能力强的微小真菌，在潮湿环境和适宜温度下极易侵害木材，导致其发霉腐败变质。这不仅影响木材外观，延长木材干燥时间，也使其更容易受到其他生物的攻击[1]。因而采取有效措施对木材进行杀菌处理很有必要。

目前，多使用砷酸铜CCA、季胺铜ACQ、硼酸盐、三唑、多菌灵、百菌清、合成拟除虫菊酯类和氨基甲酸酯等化学药剂对木材进行杀菌处理，但这类杀菌剂含有毒物质，对环境和人体产生危害[2-3]。近些年发展起来的生物杀菌剂逐渐受到人们的青睐，如乙酰胺类化合物、芦丁及金属配合物、植物精油等，但其抑菌作用较弱[4-11]。因此，研发对环境和人体无毒害的新型抑菌技术意义重大。

引起木材霉变的真菌主要有木霉(Trichoderma)、青霉(Penicillium)、曲霉(Aspergillus)和毛霉(Mucro)等，最常见的霉菌如木霉属的绿色木霉、青霉属的青霉菌和曲霉属的黑曲霉等均为需氧型霉菌[12]。霉菌适宜生长温度为25 ℃，适宜湿度为75%～95%[13-14]，故可通过排除氧气和水分抑制霉菌生长。真空灭菌技术在食品领域和医疗领域的应用较为广泛[15-17]，但在木材杀菌方面的报道较为少见，故可尝试将真空技术应用于木材的灭菌领域。

本研究通过对接种青霉菌的橡胶木进行真空处理，采取霉菌稀释计数、傅里叶红外分析、热重分析方法和动态水蒸气吸附分析试验，分析真空对青霉菌的抑制作用及真空处理对接菌橡胶木表面化学结构、热稳定性和吸湿解吸性能的影响，探索真空抑制青霉菌的工艺，以期为研发新型环保抑菌技术提供更多的思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

木材：橡胶木(H.brasiliensis)，含水率5%，尺寸为50 mm(L)×20 mm(T)×5 mm(R)，采自海南省三亚市。

试验用菌：青霉菌(Penicilliumsp.)，子囊菌亚门，青霉属青霉菌，来自西北农林科技大学资源环境学院试验中心。

试剂：孟加拉红培养基、无水乙醇、75%的酒精、无菌水、绝干溴化钾(KBr)试剂(分析纯)、丙酮溶液、荧光素双醋酸盐(FDA)试剂等。

1.2 试验设备

HZ-2004A型可程序恒温恒湿试验机，LDZM-80KCS-Ⅱ型立式压力蒸汽灭菌器，BBS-SDC型无菌操作台，101-1AB型电热鼓风干燥箱，SDV30循环水式真空机组，JP-350A-8型万能高速粉碎机，NICOLET FTIR IS10傅里叶变换红外光谱仪， TGA/DSC3+热重分析仪，DVS-100T型动态水蒸气吸附分析仪等。

1.3 试验方法

1.3.1 霉变橡胶木试件的制备依据GB/T 18261-2013《防霉剂对木材霉菌及变色菌防止效力的试验方法》对橡胶木试件进行接菌培养，共计42个培养皿，设置温度25～28 ℃，相对湿度85%，培养时长30 d。

1.3.2 抽真空处理将接种好青霉菌的橡胶木试件分为7组，每组3个进行真空处理，真空度7 mmHg(933 Pa)，温度15 ℃，处理时长为0、12、24、36、48、60、72 h，并设置未经任何处理的橡胶木试件为空白对照。

1.3.3 霉菌稀释计数采用霉菌稀释计数法。分别配置1∶103，1∶104，1∶105，1∶106，1∶107，1∶108和1∶109共7个体积分数梯度的菌悬液稀释溶液。选择这7个体积分数梯度的菌悬液溶液进行稀释计数。使用抑菌效率对真空抑制青霉菌的效果进行评价：

真空抑菌效率(%)=(未处理木材中青霉菌数-真空处理后木材中青霉菌数)/未处理的木材青霉菌数×100%

(1)

1.3.4 傅里叶变化红外光谱分析使用KBr压片法分别对空白对照(未接菌试件)、接菌-真空0 h(真空处理时长0 h)、接菌-真空60 h(真空处理时长60 h)试件进行红外光谱分析。取纯KBr粉末于105 ℃下烘干去除多余水分后保存备用。取1 mmg橡胶木与100 mg KBr粉末置于玛瑙研钵内，在红外灯下充分研磨成细粉，转移至压片模具中，压力设置10 MPa，加压时间60 s，即得一透明压片，在32 cm-1分辨率下扫描64次，获得红外光谱图。

1.3.5 热重分析采用N2作为保护气体，设置气流速度50 mL·s-1，反应温度30～600 ℃，升温速率10 ℃·min-1，每次取10 mg 200目筛的橡胶木粉进行热解试验。

1.3.6 动态水蒸气吸附分析仪分析从空白对照、接菌-真空0 h、接菌-真空60 h试件表面取少量样品作为试验材料。称取少量样品放入动态水蒸气吸附分析仪的样品盘上，设置温度25 ℃，相对湿度0～90%，相对湿度梯度10%。每隔1 min用高精度天平测定样品的质量，天平精度10-4g。在一定的相对湿度下，木材的平衡含水率(equilibrium moisture content,EMC,公式中用EMC表示)为:

(2)

式中：EMC为样品平衡含水率,%；w为某一相对湿度下样品的重量,g；wo为样品的绝干重量,g。

动态水蒸气吸附分析仪可以得到相对湿度0～90%共10个点的平衡含水率，使用Origin软件绘制吸湿解吸曲线图。

2 结果与分析

2.1 真空处理抑菌效率分析

真空处理接菌橡胶木小于等于24 h时，抑菌效率呈直线上升(表1)。处理时间大于24 h时，抑菌效率增加量逐渐降低。处理48 h时，抑菌效率达到99.79%，几乎没有青霉菌生长；处理60 h，真空抑菌效率达到99.99%；之后时长增加，抑菌效率不再变化，可视作青霉菌被全部杀死。分析可知，真空处理对于青霉菌的生长有明显的抑制作用。由于青霉菌生长环境湿度大于82%，温度5～32 ℃，而随着真空处理时长增加，木材内部和青霉菌体内的氧气和水分被抽出，霉菌因缺水、缺氧被杀死[13-14]。

表1 每克木材中含有的霉菌数及其抑菌效率

2.2 傅里叶变换红外光谱分析

分析图1和表2可知，与空白对照组相比，接菌处理的橡胶木试件在2 924 cm-1处甲基、亚甲基中的C-H的伸缩振动减弱，说明经过青霉菌处理的橡胶木试件纤维素有所降解。1 736 cm-1附近乙酰基和羧基上的C=O伸缩振动有所减弱，说明经过青霉菌处理的橡胶木试件中的半纤维素有所降解。经过真空处理后，半纤维素相对含量有所增加。1 049 cm-1附近的C-O伸缩振动和乙酰基中的烷氧键伸缩振动减弱，说明样品中的纤维素和半纤维素有所降解。经过青霉菌处理的橡胶木试件在1 643 cm-1处木质素共轭羰基伸缩振动减弱，1 512 cm-1处苯环骨架振动减弱，1 254 cm-1处酚醚键伸缩振动减弱，说明木质素有所降解；3 422 cm-1附近的O-H伸缩振动峰尖锐程度增加，说明接菌后的橡胶木试件亲水基团增加，表面亲水性增加[18-20]。根据红外结果分析可知，青霉菌能够降解橡胶木表面的纤维素、半纤维素和木质素(三大素)，增强表面亲水性。但经过60 h真空处理，橡胶木中的青霉菌被杀死，青霉菌分解产生的CO2和单糖类物质被抽出，三大素相对含量又有所增加。

表2 不同处理条件橡胶木样品红外光谱特征吸收峰及其官能团归属

2.3 热重分析

从图2可知，橡胶木试件在250 ℃开始发生热解，直到370 ℃后反应才大致结束，反应过程大概分为3个阶段：

30～250 ℃，随着温度的上升，橡胶木试件内水分逐渐蒸发，少量半纤维素发生降解。250～370 ℃，剩余半纤维素(220～270 ℃)、纤维素(250～320 ℃)和木质素(280～400 ℃)热解速率加快，失重率高达60%以上，其中，接菌橡胶木试件降解速率明显加快，最大反应速率对应的温度降低了17.5 ℃。真空处理60 h的试件降解反应速率介于两者之间，但降解反应温度提前约20 ℃。由于青霉菌的作用，橡胶木试件的纤维素、半纤维素和木质素被降解，热解反应更易发生。

370 ℃之后，3种试样TG曲线随温度升高变化趋于平缓，DTG曲线热解速率接近于0，热解炭化后的残余物为少量固体炭化物和灰分。从TG曲线看，经过接菌的2个试件在350 ℃最早进入热解炭化阶段，未接菌处理试件在374 ℃进入炭化阶段，说明青霉菌侵染过的橡胶木更易炭化，其热稳定性降低，其中经过真空处理的接菌试件热稳定性最低。

2.4 橡胶木的吸湿解吸特性分析

由图3可见，在25 ℃下，随着环境相对湿度逐渐增大，橡胶木试件的吸湿和解吸曲线均呈现上升趋势，并且相对湿度对橡胶木试件平衡含水率的影响是不均衡的。橡胶木的吸湿等温线的形状均呈“S”形，解吸等温线近于直线。当相对湿度小于50%时，橡胶木试件的吸湿等温线缓慢上升；当相对湿度大于50%时，其吸湿等温线上升加快。对比空白对照，经过青霉菌处理的橡胶木吸湿解吸性明显增加，滞后现象减弱，这可能与橡胶木经青霉菌分解后，一部分纤维素和半纤维素被分解，游离羟基增加，吸湿性增加有关，这与2.2中橡胶木经青霉菌处理后亲水性官能团增加结果一致。加之，由于青霉菌的作用使橡胶木内部微毛细管系统受到破坏，也会增加其解吸性。虽然经过真空处理60 h后的橡胶木青霉菌生长被抑制，但是青霉菌分解产生的小分子物质被抽出，导致其孔隙率增加，使这一性能又有所增加。