果胶预处理对杉木耐久性的影响*

孙振炳，李晓宝，姚曜，李晓平，孙雷，Jeffrey J.Morrell

(1.西南林业大学 云南省胶黏剂与胶合制品重点实验室，云南 昆明 6502242；2.阳光海岸大学 国家木材耐久性和设计寿命中心,澳大利亚 Maroochydore 4558)

杉木 [Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook]属于杉科(Taxodiaceae)杉木属(Cunninghamia)裸子植物，主要产于中国，是我国南方主要用材树种[1]，也是南方种植面积最大的树种之一。在陕西、河南、安徽、江苏、浙江、福建、江西、四川、重庆、广东、广西、云南等地均有分布[2]。杉木人工林蓄积量大、资源丰富，在我国现有6 933×104hm2的人工林中，其中杉木林面积占比1/4，总蓄积量有6.25×108m3[3]。

中国的森林资源相对匮乏，为了更好地保护生态环境和节约森林资源，除了发展木材的替代产品外，木材防腐处理是延长木材使用寿命、减少森林砍伐与保护生态环境的有效方法[4]。为了提高木材利用水平、节约木材资源，对木材进行防腐处理是重要的途径和手段[5]。木材防腐是一种木材保护技术，它使用化学物质来防止菌、虫及海洋钻孔动物等侵入和破坏木材，从而延长木材使用寿命[6-7]，可以改善木材品质并提高木材利用价值。研究结果表明，经过防腐处理后，木材的使用寿命可以延长5～6倍[8]，而不同树种、不同腐朽程度对木材的性能的改变也是各不相同，因此防腐技术的研究对木材利用具有重大意义[9]。

果胶具有多种功能，在食品工业、生物医药及保健品领域发挥着重要作用[10]。另外，由于其在许多反应机制和新陈代谢途径中都有显著效果，果胶已成为一些化妆品、保健品和药物中必不可少的辅料[11]。并且果胶是生物质材料细胞壁中的关键化学成分[12]，分析果胶溶液处理对杉木耐久性的影响及果胶和防腐剂对杉木耐久性影响的协同作用，可用于评判果胶在生物质材料耐久性中的作用和机理。提高果胶在木材利用中的价值，也将有助于杉木的高效利用，这对杉木的经济价值和研究价值都具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

杉木木材为市购刨切木材样品，将其锯成20 mm×20 mm×6 mm的试材，表面粗糙度小于300 μm。木材腐朽菌种白腐菌彩绒革盖菌 [Trametesversicolor(L.)Lloyd](T.V)、褐腐菌绵皮卧孔菌 [Postiaplacenta](P.P)和球毛壳菌[Chaetomiumgloblosum](C.G)均购自云南硕阳生物有限责任公司。

化学试剂 果胶购自北京酷来搏科技有限公司；纳米SiO2(二氧化硅)分析纯，购自上海国药集团化学试剂有限公司；纳米TiO2(二氧化钛)分析纯，购自广东西陇科学化工有限公司；ACQ(氨溶烷基胺铜)化学纯购自深圳市绿泰环保科技有限公司；CCA(铜铬砷)化学纯购自深圳市绿泰环保科技有限公司；吐温80 (Tween 80,polyoxyethylene 80 sorbitan monooleate,聚山梨醇酯 80)分析纯购自上海国药集团化学试剂有限公司。

试验仪器 立式压力蒸汽灭菌器(BXM-30R，上海博迅实业有限公司医疗设备厂)；电热鼓风干燥箱(DHG-9003，上海一恒科学仪器有限公司)；电热恒温培养箱(DHP-9032B，上海一恒科学仪器有限公司)；单人净化工作台(SW-CJ-1D型，购自苏州净化设备有限公司)；电子天平(BSM220，上海卓精电子科技有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 木材分组及重量称量

将杉木锯解成尺寸20 mm(径向)×20 mm(弦向)×6 mm(顺纹方向)的试件，标记好编号，每个试验方案重复10次，自然气干备用。每个预处理条件下需要40个样品；每一份木材需要称量出绝干前和绝干后的重量(在104 ℃条件下烘至绝干，先烘6 h，每隔2 h烘一次，至恒重)。

1.2.2 溶液的配制和样品预处理

溶液配制及预处理方案见表1。

表1 溶液配制及预处理方案Tab.1 Solution preparation and pretreatment scheme

1.2.3 载药率计算

经过果胶或果胶和其他防腐剂配合预处理后，在104 ℃烘箱中将样品烘干，计算绝干状态下的样品单位重量所负载的果胶或其他防腐剂的含量，即为载药量，载药量的大小由载药量百分数表示，即载药率[4]。

式中：m2为样品预处理前的绝干重量；m3为样品预处理后(受菌腐朽前)绝干重量。

1.2.4 PDA培养基配制

配方 马铃薯煮汁1 000 mL，磷酸二氢钾3.0 g，七水硫酸镁1.5 g，葡萄糖20.0 g，维生素B110 mg，琼脂20 g。制取马铃薯煮液：200 g马铃薯，去皮，切块，放入蒸馏水煮沸30 min，取滤液体积定容至1 000 mL。培养基溶液混合好后放入立式压力蒸汽灭菌器121 ℃，灭菌30 min，取出培养基倒入平板备用。清洗培养皿待培养皿晾干后，用报纸包好灭菌，每12个平板一包，121 ℃灭菌60 min；烘干放在灭过菌的超净工作台中；将培养基按前述配方配好，倒板，每个平板25～30 mL培养基，共需6 L培养基。

1.2.5 菌种培养和接种

菌种培养需要2周后再接至平板，平板上的木腐菌生长2周后，可接种样品；样品在接种木腐菌前需将含水率调至20%～40%，后灭菌。灭菌后的样品在培养皿中放置12～16周，接种后的培养时间视菌种不同而异(空白组,16周；彩绒革盖菌,16周；P.P腐朽菌,12周；C.G腐朽菌,12周)。

1.2.6 失重率计算

菌种培养时间结束后可以将样品从培养皿中取出，用纸巾将样品上的菌种擦干净，在104 ℃烘箱中将样品烘干，计算受菌分解后木材样品质量减少百分率，即失重率。

式中：m3为样品预处理后(受菌腐朽前)绝干重量；m4为样品受菌腐朽后绝干重量。

2 结果与分析

2.1 不同处理方式对杉木耐彩绒革盖菌的影响

彩绒革盖菌是一种典型的木材白朽菌，主要降解木材中的木质素和部分抽提物[13]。

从表2中可以得知，在添加彩绒革盖菌的情况下，样本的失重率由1.6%提高至10.4%，分解率提高了550%，说明了彩绒革盖菌对杉木有明显的分解作用。再对比在添加了彩绒革盖菌的环境下，果胶预处理的样本和空白样本这两组数据，可知失重率由10.4%提升至17.6%，增幅高达69.23%，说明了杉木被分解的程度明显提高，验证果胶能够促进杉木被彩绒革盖菌分解。再观察加入SiO2和TiO2后样品的失重率由17.6%降低至5.6%和14.5%，降幅达67.04%和17.61%，说明SiO2和TiO2能够提高果胶对杉木被彩绒革盖菌分解的抵抗能力，并且SiO2的提高程度更高。从表2数据可知，经过CCA和ACQ预处理的样品失重率为2.5%和4.6%，与空白组比较降幅高达78%和55.8%，说明传统的木材防腐剂对彩绒革盖菌分解杉木有明显的抑制效果。在经过CCA预处理的杉木中添加果胶，失重率增加0.8%，增幅达32%，由此说明果胶能够促进杉木被彩绒革盖菌分解。在此杉木中添加SiO2和TiO2，失重率分别增加0.9%和降低1.3%，增幅为27.27%以及降幅为39.39%，进一步说明TiO2提高果胶对杉木被彩绒革盖菌分解的抵抗能力，而在添加CCA后SiO2反而降低了果胶对杉木被彩绒革盖菌分解的抵抗能力。在经过ACQ预处理后的杉木中添加果胶，木材失重率增加1.1%，增幅达23.91%，进一步证明果胶能够促进杉木被彩绒革盖菌分解，而再此基础上加入SiO2和TiO2进行处理，结果木材失重率分别降低0.6%和0.5%，降幅达10.5%和8.77%，再一次说明SiO2和TiO2都能够提高果胶对杉木被彩绒革盖菌分解的抵抗能力。

表2 3种腐朽菌分解杉木的载药率和失重率Tab.2 Drug loading rate and weight loss rate of rotten C.lanceolata samples with three kinds of rotten bacteria %

综上所述，果胶能够促进杉木被彩绒革盖菌分解；SiO2能够提高果胶对杉木被彩绒革盖菌分解的抵抗能力，而在添加CCA后SiO2反而降低了果胶对杉木被彩绒革盖菌分解的抵抗能力；TiO2能够提高果胶对杉木被彩绒革盖菌分解的抵抗能力。

2.2 不同处理方式对杉木耐球毛壳菌的影响

球毛壳菌毛壳属(Chaetomium)真菌是一类分布仅次于青霉(Penicillium)和曲霉(Aspergillus)的常见真菌[14]，在分解利用植物体及其他纤维素物质的过程中起重要作用。毛壳属的常见种类球毛壳菌(C.globosum)广泛分布于土壤、堆肥、植物种子、盐沼、木材及含纤维素的制品中，球毛壳菌具有完整的降解纤维素半纤维素的酶体系，在纤维素降解真菌的开发过程中具有重要的研究价值[15]。首先，由表2的数据可知，在存在球毛壳菌的环境下，其木材失重率由4.3%提高到了16.56%，增幅达285.12%，说明了球毛壳菌加快了杉木的腐朽程度。然后，由表2 数据可知，样品经过果胶预处理后其木材失重率由16.56%降低至5.3%，降幅达67.94%，充分说明果胶能够抑制杉木被球毛壳菌分解，而在此基础上添加SiO2和TiO2后，由表2数据可知，其木材失重率增加1.96%和6.34%，增幅达37%和119.62%，说明SiO2和TiO2会降低果胶对杉木被球毛壳菌分解的抵抗能力。从表2数据中，可知在接种球毛壳菌环境中，杉木经过CCA和ACQ与处理后，其木材失重率降低10.95%和10.28%，降幅高达66.12%和62.08%，说明CCA和ACQ能抑制杉木被球毛壳菌分解。在此环境下，添加果胶后，木材失重率增加2.52%和降低1.9%，增幅达44.92%以及降幅达30.25%，由此可见，在加入CCA的样品中加入果胶促进了杉木被球毛壳菌分解，而ACQ和果胶具有协同作用，可加强抑制杉木被球毛壳菌分解的效果。在添加CCA和果胶的杉木中再加入SiO2和TiO2失重率增加了0.42%和降低了2.59%，增幅达5.2%和降幅达31.86%，再一次说明SiO2降低果胶对杉木被球毛壳菌分解的抵抗能力，而TiO2在经过CCA处理的情况下，能够提高果胶对杉木被球毛壳菌分解的抵抗能力。在添加ACQ和果胶的杉木中再添加SiO2和TiO2失重率增加8.12%和5.44%，增幅为185.39%和124.2%，进一步说明SiO2降低果胶对杉木被球毛壳菌分解的抵抗能力。

综上所述，果胶能够抑制杉木被球毛壳菌分解，SiO2和TiO2会降低果胶对杉木被球毛壳菌分解的抵抗能力，但TiO2在经过CCA处理的情况下，能够提高果胶对杉木被球毛壳菌分解的抵抗能力。

2.3 不同处理方式对杉木耐绵皮卧孔菌的影响

绵皮卧孔菌是褐腐菌，主要降解木材中的纤维素[16]。由表2可知，在接种绵皮卧孔菌的环境中，杉木的失重率高达30.13%，说明绵皮卧孔菌对杉木有显著的降解效果。在经过果胶预处理后木材失重率降低10.93%，降幅高达36.28%，说明果胶能抑制杉木被绵皮卧孔菌降解。在此基础上再添加SiO2和TiO2，木材失重率提高7.4%和降低2.68%，增幅达38.54%和降幅达13.96%，说明SiO2能降低果胶对杉木被绵皮卧孔菌降解的抑制作用，而TiO2则可以和果胶起协同作用，加强抑制杉木被绵皮卧孔菌降解。由表2数据可知，经过CCA和ACQ预处理的杉木的失重率降低19.73%和25.93%，降幅高达65.48%和86.06%，充分地说明其对绵皮卧孔菌的抑制作用极强。在添加CCA和ACQ的杉木中再添加果胶后，木材失重率增加了0.64%和降低了0.2%，增幅达6.5%和降幅达4.76%，说明果胶能降低CCA 处理过的杉木对绵皮卧孔菌的抑制作用，而ACQ和果胶则对杉木抑制绵皮卧孔菌起协同作用，增强抑制杉木被绵皮卧孔菌降解的效果。在同时经过果胶和CCA处理的杉木中添加SiO2和TiO2，木材失重率下降3.98%和3.28%，降幅达35.93%和29.2%，进一步说明TiO2可以和果胶起协同作用，加强抑制杉木被绵皮卧孔菌降解，而对同时经过CCA处理的杉木，SiO2能促进果胶对杉木被绵皮卧孔菌降解的抑制作用。在同时经过果胶ACQ处理的杉木中添加SiO2和TiO2，木材失重率增加1.8%和0.6%，增幅达45%和15%，说明SiO2能降低果胶对杉木被绵皮卧孔菌降解的抑制作用,而对同时经过ACQ处理的杉木，TiO2能降低果胶对杉木被绵皮卧孔菌降解的抑制作用。

综上所述，果胶能抑制杉木被绵皮卧孔菌降解，但在已添加CCA的杉木中，果胶会降低其防腐作用；SiO2能降低果胶对杉木被绵皮卧孔菌降解的抵抗能力，但是对同时经过CCA处理的杉木，SiO2能提高果胶对杉木被绵皮卧孔菌降解的抵抗能力；TiO2能提高果胶对杉木被绵皮卧孔菌降解的抵抗能力，但是对同时经过ACQ处理的杉木，TiO2反而降低果胶对杉木被绵皮卧孔菌降解的抵抗能力。

3 讨论与结论

我国的杉木资源和果胶资源都比较丰富，而杉木的耐久性对其经济价值有着重要作用。研究果胶预处理对杉木耐久性的影响，对于提高果胶在木材利用中的价值和杉木的高效利用有着重要的研究意义。

果胶能够促进杉木被彩绒革盖菌降解，抑制杉木被球毛壳菌和绵皮卧孔菌降解，但在已添加CCA的杉木中，果胶会降低其防腐作用。SiO2能够加强果胶对杉木被彩绒革盖菌降解的抵抗能力，但在添加CCA后SiO2反而降低了果胶对杉木被彩绒革盖菌降解分解的抵抗能力；SiO2能降低果胶对杉木被绵皮卧孔菌和球毛壳菌降解的抵抗作用，但是对经过CCA处理的杉木，SiO2能提高果胶对杉木被绵皮卧孔菌降解的抑制能力。TiO2能够加强果胶对杉木被彩绒革盖菌和绵皮卧孔菌分解的抵抗能力，但是对同时经过ACQ处理的杉木，TiO2反而降低果胶对杉木被绵皮卧孔菌分解的抵制能力；TiO2会降低果胶对杉木被球毛壳菌降解的抵抗能力，但TiO2在经过CCA处理的情况下，能够提高果胶对杉木被球毛壳菌降解的抵抗能力。