热处理对马尾松木材霉变环境的影响*

高 婕 李腊梅 谢桂军 李兴伟

（广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州510520）

霉菌广泛分布于自然界各处，影响霉菌生长繁殖的因素有许多，如空气、营养物质、水分、酸碱度（pH 值）、温度和渗透压等，霉菌的生命活动规律与一般生物基本相似，均需从外界环境中不断吸收碳素化合物、氮源、无机盐类、生长素等营养物质，以此获得进行生命活动所需要的能量，其中糖类是最好的碳素化合物[1]。木材主要构成成分有纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素和半纤维是糖分的重要来源，特别是其降解产物。纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，是由吡喃葡萄糖苷通过β-1，4-糖苷键连接而形成的线性大分子；半纤维素是木材细胞壁中与纤维素共生、可溶于碱溶液、遇酸后远较纤维素易水解的多糖，构成半纤维素的糖基有 D-木糖、 D-甘露糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖、4-氧甲基-D-葡萄糖醛酸、D-葡萄糖等。大量研究表明，木材中含有丰富的糖类物质，为霉菌的生长提供了有利营养条件。欧洲赤松Pinus sylvestris 边材含有大量的葡萄糖、果糖和蔗糖，往心材方向而逐渐减少，在最接近心材的部位这3 种糖的含量均非常少[2]。阔叶材通常包含更多的多糖，尤其是在半纤维素中[3-4]。

木材霉变是微生物分解和利用木材中的有机物质，合成自身细胞物质及分泌代谢产物的生物化学过程。霉菌在木材上的生长与木材中的可溶性糖和淀粉含量密切相关。以下研究表明，木材热处理对其内部糖分的迁移和降解有较大的影响。木材中低分子量糖类和可溶性的单糖在干燥或热处理过程中因水分的迁移往表面迁移，使木材表面增加大量糖，导致木材更易发霉[5-7]，其中果糖含量最高，其次为葡萄糖和蔗糖。木材热处理后，对木材内部各糖类物质的含量有影响较大。果糖与葡萄糖、蔗糖相比对热更敏感，易受热产生焦糖，尤其在130℃条件下易发生糠醛降解[8]。木材表面的糖经过200℃长时间处理后发生降解，如木糖、木聚糖、葡萄糖[9]。以220℃高温热处理日本雪松Cedrus deodara 2 h，木材中半纤维素成分严重降解，降解产物主要为阿拉伯糖、半乳糖；多糖因其支化和替代的单体单元及无定形结构，更易热解[10]；在220℃和4 h 的处理条件下，鼠李糖全部降解，90%阿拉伯聚糖降解，葡聚糖只降解10%[11-12]。以热处理温度250℃和热处理时间（1、5、7、15 h）处理银桦木Betula alba，随着时间的增加，木糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖受热而含量降低，7 h 后全部降解完全，只保留了一定量的葡萄糖[13]。糖类物质是霉菌在木材上生长繁殖的重要营养物质，因此研究热处理材糖分的变化对木材抗菌防霉研究有重大意义。另外，pH 值也对霉菌的生长有着重要的影响，大量研究表明不同菌种的适宜生长温度、pH 值均有较大区别[14-22]。

为更有效防止热处理材的霉变，拓宽热处理材的应用领域，本课题组采用纳米铜原位制备法和高温热处理相结合，在马尾松Pinus massoniana木材内部填充纳米铜粒子，有效抑制了部分霉菌对马尾松的腐蚀，提高了木材的防霉效果[23]。本研究将以不同热处理方法的马尾松木材中可溶性总糖、还原糖、pH 值为指标，采用单因素法设计，进一步探讨热处理材和含铜热处理材中糖分和pH 值的变化规律，以采取有效措施来抑制甚至完全破坏霉菌的生命活动，降低木材的霉变风险。

1 材料与方法

1.1 试验材料

马尾松木材，取自广东省信宜市林业科学研究所培育了25 年的新鲜林木，无腐朽、霉变，平均胸径约24 cm，平均树高16 m。测试用材取自胸以上成熟边材部位。

含铜化合物浸渍液：由氢氧化铜、二乙醇胺、聚乙二醇200 和水按一定比例配制而成，形成含铜化合物浸渍液（简称“CuG”）。

D-无水葡萄糖（标准品）：SHGMA-ALDRICA；苯酚、98%浓硫酸、3,5-二硝基水杨酸、氢氧化钠、酒石酸钠、偏重亚硫酸钠均为分析纯A.R，天津大茂；邻苯二甲酸氢钾缓冲剂（pH 为4.00）、四硼酸钠缓冲剂（9.18）。

1.2 仪器与设备

电子天平：诸暨市超洋衡器设备有限公司(JM-A10002)；紫外－可见分光光度计：上海精密光谱有限公司（LS-5）；电热鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司（DHG-9240X）；数显恒温水浴锅：金坛市医疗仪器厂（HH-S8）；雷磁pH 计：上海仪电（PHS-3E）；热处理罐：浙江东洲锅炉有限公司；植物粉碎机：天津泰斯特（FZ102）；水浴恒温震荡器：常州澳华仪器有限公司（SHA-C）；超声波清洗机：广州市科洁盟实验仪器有限公司（KM-36C）；超纯水系统：美国艾科浦国际有限公司（AWL-1001-U）。

1.3 马尾松木材前处理试验

将马尾松木材加工成50 mm（顺纹）×20 mm×5 mm，每组10 块，置于60℃的烘箱中直至质量恒定。在保压容器中装入一定体积的CuG浸渍液，置入一部分试样，使液体覆盖住所有试件，在真空状态下保持30 min，再以压力1.5 MPa保压40 min 后取出，得到含铜处理木材，放置在60℃的烘箱内烘至恒定质量。

表1 样品的制备Tab.1 Preparation of test materials

1.4 马尾松木材热处理试验

将含铜处理材及未处理材进行热处理试验，处理温度和处理时间按表1 对照进行。热处理试验步骤如下：（1）将试件放入热处理罐内，不与罐体直接接触，关闭热处理罐罐门，及所有阀门；（2）设定蒸气发生器压力为200 kPa，水蒸气热处理压力为100 kPa，运行时间20 min，排掉热处理罐内的氧气；（3）关闭蒸汽热处理后，开启电热热处理，设置热处理目标温度和时间；（4）处理结束后，开启蒸气发生器，往罐内通入蒸汽降温，待罐内温度降到140 ℃以下后，关闭热处理罐电源及蒸汽发生器电源，取出试件。

1.5 木材中总糖与还原糖含量测试

总糖，为具有还原性的葡萄糖、果糖、乳糖和在测定条件下能水解为还原性单糖的蔗糖（水解后为1 分子果糖和1 分子葡萄糖）、麦芽糖（水解后为2 分子葡萄糖）以及可能部分水解的淀粉（水解后为2 分子葡萄糖），以其能被各种化学试剂氧化为理论基础来测定总糖含量。

还原糖具有还原性，分子中含有游离的醛基（-CHO）或酮基(=C=O)，采用DNS 法测定其含量，二硝基水杨酸与还原糖在碱性条件下发生氧化还原反应，生成3-氨基-5-硝基水杨酸，该产物在煮沸条件下显棕红色，且在一定浓度范围内其颜色深浅与还原糖含量成比例关系，用比色法测定还原糖含量。

1.5.1 配制DNS 试剂配制 （1）将1 000 mL 水煮沸10 min，取7.5 g 3,5-二硝基水杨酸（C7H4N2O7）、14.0 g 氢氧化钠（NaOH），充分溶解于其中；（2）在50℃水浴中熔化5.5 mL 苯酚，依次加入216.0 g 酒石酸钾钠 （C4H4O6KNa·4H2O）、6.0 g 偏重亚硫酸钠 （Na2S2O5）；（3）充分溶解后盛于棕色瓶中，放置5 d 后使用。

1.5.2 标准曲线绘制 （1）还原糖标准曲线 先将葡萄糖标准品置于105℃烘干3 h，准确称取100 mg 葡萄糖，先用少量蒸馏水溶解，转移到100 mL 容量瓶中定容，得1 g/L 的标准葡萄糖溶液，再按表2 配制系列标准浓度。

还原糖标准方程的测定：取10 支25 mL 试管，分别加入各浓度标样溶液2 mL，再分别加入1.5 mL DNS 试剂，摇匀后沸水中静置5 min，取出后冷却至室温，以蒸馏水作为空白对照，于520 nm 波长测定吸收值，建立吸收值-还原糖质量标准曲线。

（2）总糖标准曲线 称取0.100 g 经105℃烘干3 h 的葡萄糖，蒸馏水溶解，转至50 mL 容量瓶内，定容，摇匀，配制成2 g/L 葡萄糖标准溶液，再按表3 配制系列标准浓度。

葡萄糖标准方程的测定：取10 支25 mL 试管，分别加入各浓度葡萄糖标样溶液1 mL，各加5%苯酚溶液1.5 mL 后振荡混匀，垂直滴加5.0 mL 硫酸，迅速振荡混匀，于50℃下放置30 min。以蒸馏水作为空白对照，分光光度法于490 nm 波长处测定吸收值，吸收值-葡萄糖质量作标准曲线。

1.5.3 样品中的糖分含量测试 将木材样品用植物原料粉碎机粉碎成粉末状，称取样品粉末1.5 g，放入锥形瓶中，加入30 mL 蒸馏水，于50℃的水浴恒温振荡器中振荡提取0.5 h，快速过滤。取2 mL，按照标准曲线测试方法检测总糖与还原糖含量。

表2 还原糖的测定Tab.2 The determination of reducing sugar

表3 总糖的测定Tab.3 The determination of total sugar

1.6 木材pH 值测试

用植物原料粉碎机将木材样品粉碎后置于通风良好、无酸、碱性气体的室内环境中气干，取粒径40 ～60 目的木粉约200 g，置于具有磨口玻璃塞广口瓶中备用。

用邻苯二甲酸氢钾、四硼酸钠对酸度计（pH计）进行校准。称取木粉3 g，置于50 mL 烧杯内，加入30.0 mL 去除二氧化碳的蒸馏水搅拌5 min，放置15 min 后再搅拌5 min，静置20 min，测定pH 值。每一种木粉平行测定两次，两次测定结果差值≤0.04，取其算术平均值，小数点后保留两位有效数字。

2 结果与分析

2.1 糖分测试结果

2.1.1 热处理材的糖分变化 图1 是马尾松木材经过不同温度、时间热处理后的糖分变化。素材（CK）的总糖浓度为0.119 g/L，还原糖浓度为0.047 9 g/L，所有热处理马尾松的总糖浓度和还原糖浓度均比素材高。在受热过程中，木材三大成分之一的半纤维素最先发生降解，在160℃半纤维素就开始降解，其次是纤维素和木质素[11,25]。半纤维素首先脱水和脱乙酰基，形成醋酸，催化多糖裂解，促进部分纤维素也裂解，导致热处理材的总糖和还原糖浓度高于未处理材[26]。

在180℃处理条件下，热处理材中的总糖浓度随时间延长呈持续增加且在3 h 后增加比较缓慢，还原糖浓度先增加后减少。与素材相比，热处理1、3、5、7 h 后马尾松热处理材的总糖浓度依次增加了107.6%、199.1%、203.4%、210.9%，还原糖浓度依次增加了46.1%、86.0%、90.2%、83.9%。

在200℃处理条件下，热处理材中的总糖浓度随热处理时间延长，先增加后减少，还原糖浓度先微增加后持续减少。与素材相比，热处理1、3、5、7 h 后马尾松热处理材的总糖浓度依次增加了227.7%、263.0%、216.0%、217.6%，还原糖浓度依次增加了79.7%、81.6%、67.8%、43.0%。

在220℃条件下，热处理材中的总糖浓度随热处理时间延长，先增加后减少，还原糖浓度持续减少。与素材相比，热处理1、3、5、7 h 后马尾松热处理材的总糖浓度依次增加了291.6%、329.4%、294.1%、294.9%，还原糖浓度依次增加了71.8%、20.7%、16.9%、7.1%。

在相同热处理时间下，热处理材中的总糖浓度随着处理温度升高，逐步增加，而还原糖浓度在1 h 时先增加后减少，在3、5、7 h 条件下，还原糖浓度逐步减少，整体呈现降低趋势。

另外，220℃/3 h 处理木材时，马尾松热处理材中的总糖浓度比素材增加329.4%，为总糖含量最高。有研究表明，在220℃高温处理木材时，木材中的半纤维素大量降解生成可溶性糖，部分纤维素也降解生成可溶性糖[10-13,27]，使得220℃热处理马尾松木材的总糖浓度高于其它温度处理的总糖浓度。木材中还原糖含量随着温度升高、时间延长，整体呈现先增加后减少趋势，以180℃/5 h处理木材时，马尾松热处理材中的还原糖浓度比素材增加90.2%，是所有处理方式中还原糖浓度最高的，因为还原糖主要为单糖，经高温和长时间的受热，易发生还原糖降解[9]。

图1 热处理马尾松木材与对照材的糖分Fig. 1 The sugar of heat-treated masson pine and control group

2.1.2 含铜热处理材糖分变化 含铜浸渍液处理后的马尾松均采用220 ℃/3 h 的热处理方式，图2 是含铜热处理材的糖分变化以及与素材、热处理材糖分变化的对比结果。

由图2 可知，各组含铜热处理材与CK 对比，其中P1 的总糖浓度高于CK 的总糖浓度，其它含铜热处理材的总糖浓度与还原糖浓度均低于CK；P1 总糖浓度较CK 增加了26.0%，P2、P3、P4、P5 的总糖浓度较CK 依次减少了30.8%、43.4%、48.7%、26.6%，P1、P2、P3、P4、P5 的 还 原 糖浓度较CK 依次减少了11.1%、26.4%、31.6%、33.8%、29.4%。

各组含铜热处理材与D2203 热处理材对比，P1、P2、P3、P4、P5 的总糖浓度依次减少了240.7%、461.5%、515.7%%、538.7%、443.6%，还原糖浓度依次减少了34.1%、52.5%、58.8%、61.4%、56.2%。

在220℃/3 h 条件下，含铜马尾松热处理材中的总糖浓度和还原糖浓度随着浸渍液含铜量的增加，均先减少后增加，且都低于D2203 热处理材，其中P4 处理材的总糖浓度和还原糖浓度最小。在酸性介质以及存在还原糖的条件下，含铜浸渍材的Cu2+易发生还原反应，还原成Cu+，消耗部分还原糖，这是含铜热处理材中还原糖含量降低的原因之一[28]。金属盐中的金属离子与生物质材料中的含氧基团发生特异反应，破坏其结构，如OH、CO，促进碳化和降解。另外，生物质材料中的金属盐会吸附在生物质颗粒上，给生物质材料的升温带来阻力，降低了生物质的升温速率，而在较慢的升温速率下，有利于固定炭产率的提高[29]，这些均使含铜热处理材获得较低的总糖和还原糖含量。

2.2 pH 值测试结果

2.2.1 热处理材的pH 值 由图3 可知，热处理材的pH 整体分布在4.4～5.1，为酸性区间内。以180℃/1 h 处理的热处理材pH 值低于素材，其余热处理材pH 值均大于或等于素材，其中 pH 值最高是以220℃/7 h 处理的热处理材。半纤维素在受热情况下，酯基易脱落，尤其在含水的酸性环境中酯基更易脱落[29]，而素材pH 值为4.42，刚好为含水的酸性环境，能促进半纤维素上的酯基脱落转化成酸，因而以180℃/1 h 处理后的木材pH值降低。当热处理温度在180℃以上，随着处理时间延长，pH 值增加，这与酸性物质的降解与消失相关，即降解的糖生成了糖醛酸，然后糖醛酸也发生降解，酸度消失[13]。

2.2.2 含铜热处理材的pH 值 由图4 可知，含铜热处理材的pH 值远高于D2203 热处理材和素材。受热降解半纤维素[11]产生有机酸，浸渍处理木材中的含铜浸渍液是碱性的，能够中和降解所产生的有机酸，在木材受热降解过程中，金属盐还原反应，并消耗部分羧酸[28]；半纤维素在受热降解过程中，主要产生液态产品和气体产品，通常都会转化为酸，而金属盐则能阻碍挥发物质的析出通道，加强挥发物质的二次分解，减少酸的生成[30]。含铜浸渍材料在热处理条件下能够获得较高的pH 值，最高可达到7.12。

图2 热处理含铜马尾松木材与对照材的糖分Fig.2 The sugar of heat-treated contained copper masson pine and control group

图3 热处理马尾松木材和对照材的pH 值Fig. 3 pH value of heat-treated masson pine and contro group

图4 热处理含铜马尾松木材与对照材的pH 值Fig. 4 pH value of heat-treated contained masson pine and control group

3 结论

热处理材的总糖和还原糖浓度比素材要高，以220℃/3 h 处理的马尾松热处理材总糖浓度比素材增加329.4%，在所有热处理方式中总糖浓度最高，还原糖浓度也增加了20.7%，意味着热处理为霉菌生长繁殖提供了更丰富的营养物质条件，提升了热处理材霉变的风险；而含铜热处理材的总糖和还原糖浓度均比素材低，且P4 含铜热处理材（浓度为7.70%的含铜浸渍液处理后再在220℃/3 h 条件下热处理）的总糖和还原糖浓度最低，分别比素材低48.7%、33.8%，比D2203 热处理材低538.7%、61.4%，因而纳米铜粒子的引入能有效减少热处理材中各糖类物质，从而在一定程度上降低热处理木材霉变的风险。

热处理材的pH 值在4.38～5.10 之间，其酸性环境条件适宜霉菌在木材繁殖；而含铜热处理材的pH 值在6.63～7.12 之间，呈弱酸或中性，在一定程度上遏制部分霉菌在木材上生长。下一步，应根据热处理材和含铜热处理材的不同pH 值范围，以及不同菌种的适宜生长pH 值，建立针对性的防霉机制与措施，从而提高木材针对特定菌种的防治效力。