植物源活性物质对木材的抑菌防腐效果及机理研究*

刘 琳，周子尧，杨春旺，刘亦婷，邱 坚

(西南林业大学 材料与化学工程学院，云南 昆明 650233)

木材是一种重要的生物材料。木材产品质量因腐朽或霉变受到严重影响，每年约占木材生产量 15% 的木材因腐朽而损失掉，造成巨大的资源浪费。广泛的化学合成木材防腐剂包括铜基防腐剂(即铬酸盐砷酸铜)、三唑(氮杂康唑、丙环唑、戊唑醇)、五氯苯酚或硼基杀菌剂。部分传统的木材防腐剂因毒性大、污染环境等原因已被禁止使用[1-3]。因此，开发新型绿色环保的植物源木材防腐剂成为木材保护领域的重要方向。

植物源活性物质具有安全、高效、毒副作用小等优点[4]，主要包括生物碱、酚类、多糖、黄酮、挥发油、萜类化合物等[5]。从植物提取物中分离的活性物质对木材腐朽菌的抗真菌作用主要归因于多种机制，如与真菌酶的直接相互作用、细胞壁和细胞膜结构的破坏导致细胞内容物泄漏或离子稳态的干扰、抗氧化活性等。本文总结了木材防腐领域的植物源活性物质，探究了活性物质对木材腐朽菌的抗真菌机理，分析了植物源木材防腐剂存在的问题及发展趋势，以期为植物源木材防腐剂的综合利用提供一定的理论依据。

1 木材防腐领域的植物源抗真菌活性物质

木材腐朽就是木材细胞壁被真菌分解时所引起的木材糟烂和解体的现象。能分解木材细胞壁的真菌为木材腐朽菌，主要包括白腐菌、褐腐菌和软腐菌[6]。植物是生物活性化合物的天然宝库，次生代谢产物超过 40 万种。其中，萜烯类、生物碱类、类黄酮、酚类，以及挥发油等活性成分具有杀虫或抗菌等功效[7-8]，为植物源木材抗真菌防腐剂的开发利用奠定了丰富的物质基础。木材防腐领域的植物源活性物质主要分为生物碱、挥发油、酚类、其他成分等。

1.1 生物碱

生物碱是存在于自然界中的一类含氮的碱性有机化合物，有显著的生物活性[9]。咖啡因，一种从茶叶和咖啡中提取的生物碱，具有抗氧化、抗菌、免疫、抗癌和抗真菌特性；咖啡因抑菌作用的机制涉及其对真菌细胞壁和细胞膜的破坏作用[10-12]。Araoa 等[13]对茶叶和咖啡提取物开展了抗木材真菌的研究，证明茶和咖啡提取物的主要成分咖啡因对大多数真菌有很高的抑制作用，绿茶提取物对白腐、褐腐和软腐真菌的抑制作用高于咖啡、正统红茶和商业红茶的提取物。Kristnaá 等[14]将咖啡因应用在挪威云杉上，发现可以防止白蚁侵袭和抑制褐腐菌。Aitor Barbero-López 等[15]发现咖啡银皮热水提取物在较高质量分数 (3%)下对鲑色波斯特孔菌、密粘褶菌和云芝的抑制率达 60%～70%，是一种潜在的木材防腐剂原料。Tripath 等[16]从马缨丹的根、茎和叶中提取的含有生物碱、萜类化合物和酚类化合物的乙醇提取物，抑制了花叶松中白腐菌和褐腐菌生长。EL-Hefny 等[17]研究了滇茄果实的提取物对于木材的抗细菌和抗真菌活性，对于F. culmorum 和 R. solani 的真菌菌丝体抑制作用达84.07%和67.03%，且发现生物碱、酚类化合物、类黄酮化合物、糖苷、单宁和皂甙，是该植物提取物抗真菌活性的原因。

1.2 挥发油

挥发油是以蒸馏、压榨、萃取等方式从芳香植物中提取的且有特殊香味的精油，具有抗氧化、杀虫、抗真菌等生物活性[18-20]。Mohareb 等[21]研究了 18 种埃及植物精油对灵芝(Ganoderma lucidum)和毛蜂窝菌(Hexagonia apiaria)的抗菌性，结果表明，利用大果柏木、柠檬、北美香柏、加州胡椒树、单子蒿和香叶天竺葵这 6 种植物叶子或果皮精油处理的苏格兰松边材的防腐效果较好。Reinprecht 等[22]发现，在五种不同的精油(罗勒、肉桂、丁香、牛至和百里香)中，罗勒油对褐腐菌(G. trabeum)和白腐菌(T.versicolor)的抗菌效果最明显。Xie 等[23]证实了牛至、香茅、百里香、天竺葵、肉桂和丁香精油对木材腐朽菌有抗真菌特性，并指出，香芹酚、香茅醇、肉桂醛、丁香酚和百里酚是最活跃的化合物。Rawat等[24]报告了含有印楝素的印楝油对尖孢镰刀菌、增殖镰刀菌、葡萄孢镰刀菌和交链孢菌有明显的抗真菌活性。

1.3 酚类

酚类化合物是植物次生代谢物。根据碳骨架，其可分为黄酮类、香豆素、单宁酸和酚酸类[25]，具有防腐抑菌等功效。Voda 等[26]发现，茴香、罗勒、孜然、牛至和百里香油中的百里酚、香芹酚、反式茴香脑、甲基茶酚等对褐腐菌和白腐菌具有明显的抗菌效果。Zhang 等[27]发现，香芹酚对白腐菌、褐腐菌和血红孔菌的抑菌效果最强。Da Silveira 等[28]报道，相思树的单宁提取物是一种有效的木材防腐剂，可防止白腐菌。Anttila 等[29]从挪威云杉树皮和球果以及苏格兰松果中提取的八种不同单宁组分发现，挪威云杉球果单宁比树皮单宁更能抑制真菌生长，且对褐腐菌的抑制果优于白腐菌和软腐菌。Sen 等[30]将西西里漆树和橡树叶的水提取物以及土耳其松树皮中丰富的单宁应用在苏格兰松和山毛榉木材中，发现橡树提取物对于白腐菌和褐腐菌的抗菌效果明显。

1.4 其他成分

肉桂醛天然存在于肉桂树的树皮和叶片中。Shreaz 等[31]研究发现，肉桂醛对白腐菌和褐腐菌等具有抗真菌活性。Thulasidas 等[32]研究表明，印度柚木心材提取物对褐腐菌和白腐病抗菌效果明显，并指定萘醌为最重要的活性化合物。Macias等[33]提取了不同柑橘皮的精油，研究发现其中的黄酮类化合物被建议作为木材防腐剂和防虫剂使用。Dhyan 等[34]对印度楝树叶的几种极性溶剂抽提物进行了抑菌性能研究，抑菌圈试验显示，甲醇和乙醇提取物的防腐作用最好，质量分数为 0.5% 的提取物可对腐朽菌起到 98%～99%的抑制作用；质量分数1.5%的丙酮抽提物对腐朽菌的抑制作用为 50%～60%。在提取物中，鉴定出抑菌活性物质橡黄素，其能抑制木腐菌的生长。Bi等[35]研究发现，魔芋飞粉中的水杨酸 (SA)、2，4，6-三氯酚 (TCP)、香兰素 (VL)和肉桂醛 (CMA)等化学成分对木材腐朽菌有明显的抗真菌活性。

2 植物源活性物质对木材腐朽菌抑菌机理

植物源活性物质对木材腐朽菌抑菌机理取决于活性物质的类型，主要有以下几个方面：1)与真菌酶的直接相互作用；2)细胞壁和细胞膜结构的破坏导致细胞内容物泄漏或离子稳态的干扰；3)抗氧化活性[31-33]。

2.1 与真菌酶的直接相互作用

大多数研究集中在植物源活性物质对纤维素酶的抑制作用上，香兰素是木质素降解后产生的一种酚类物质。Li等[36]详细研究了香兰素对纤维素水解过程中纤维素酶活性的影响，发现香兰素在适当质量浓度下可以可逆竞争性抑制纤维素酶活性，估计半抑制质量浓度值为 30 g/L；采用HCH-1模型研究了香兰素对纤维素酶的抑制动力学，香兰素的醛基和酚类羟基对纤维素酶有抑制作用。Stamogiannou等[37]通过考察酚类化合物与酶或底物之间可能的相互作用，深入研究了酚类化合物对纤维素酶水解的影响，并鉴定出抑槲皮素、山奈酚、反式肉桂酸、木犀草素、鞣花酸等酚类化合物抑制纤维素酶水解。Kim等[38]发现，低聚酚类酶比简单酚类酶可以从溶液中沉淀，并通过将纤维素酶限制在纤维素上，从而抑制他们的底物。Mhlongoetal等[39]研究表明，单宁酸会对纤维二糖水解酶(CBH1)、β-葡萄糖苷酶 ((BGL1)和内切葡聚糖酶(EG2)产生明显的抑制作用，抑制的强度取决于酶的类型和衍生酶的微生物。Martinez-Sotres等[40]开展了Medicarpin 抑制漆酶活性的分子对接研究，发现抑制作用是通过一种 medicarpin 构象异构体阻断花斑竹漆酶中的溶剂通道而发生的，阻止分子氧快速进入三核 T2/T3 铜簇，并且通过在 T1 位点口袋中偶联 medicarpin 构象异构体，阻止低聚木酚分子进入，这种medicarpin 与漆酶中两个位点的偶联，中断了木质素降解的酶促机制。

2.2 真菌细胞壁和细胞膜的破坏导致细胞内容物泄漏或离子稳态的干扰

李清芸等[41]探讨了大果紫檀心材提取物对木材腐朽菌抑制的生理生化机制及可能的作用靶点。研究发现，大果紫檀心材提取物能够破坏木腐菌的细胞膜，使其通透性变大，从而使其胞内蛋白透出。Shreazetal等[42]对肉桂醛的显微镜检查处理后的念珠菌细胞显示了细胞内的改变细胞壁和质膜的形态和损伤，导致麦角甾醇含量的改变和离子泄漏。Pinto等[43]发现，香芹酚和百里香酚对各种真菌也表现出显著的抗真菌活性，导致细胞质膜损伤形成和麦角甾醇含量降低。壳聚糖通过与细胞膜等质膜的相互作用来影响细胞的通透性。Singh等[44]在用壳聚糖处理的木材腐朽真菌中，已经观察到一些导致质膜破坏和细胞壁修饰的超微结构变化。咖啡因的杀菌作用归因于细胞壁结构的改变导致β-2，3-葡聚糖和几丁质含量的增加，从而导致真菌细胞壁结构完整性的丧失。Piotrowski等[45]发现，一种叫做Poacic酸的植物酸，能与真菌细胞壁合成所需的基本物质结合，抑制β-1，3-葡聚糖的合成，妨碍真菌细胞壁的形成，从而遏制真菌繁殖。Choi等[46]研究了二氢脱氢二癸二烯醇9′-O-β-d-葡萄糖苷(DDDC9G)的抗真菌活性，表明DDDC9G通过在真菌质膜上 0.74 nm 至 1.4 nm 的形成孔，导致渗透压变化和细胞减少。

2.3 抗氧化活性

Willfor等[47]评价了13种结节木提取物和酚类化合物的超氧化物和过氧化物自由基的抗氧化能力和自由基清除能力，发现黄酮类化合物具有较高的抗氧化能力和/或自由基清除能力。Mihara等[48]研究了金合欢心材提取物对木材腐烂真菌生长的影响，发现提取物中的类黄酮类物质具有抗真菌活性，其中3，4′，7，8-四羟基黄酮和四氢磺酸2种类黄酮物质均具有较强的1，1-二苯基-2-吡啶并肼基(DPPH)自由基清除活性。Royer等[49]研究表明，不同红枫的富酚提取物对超氧阴离子羟基自由基、过氧自由基、次氯酸盐离子、过氧化氢和一氧化氮具有较高的自由基清除能力，特别是茎皮提取物中总酚含量较高，在清除自由基方面效率最高。Vek等[50]研究发现，苏格兰松树结皮和刺槐心材是生物基木材防腐剂的抗真菌和抗氧化剂的潜在来源，刺槐心材提取物是良好的自由基清除剂，优于苏格兰松树的结节材提取物。

3 植物源木材防腐剂存在的问题

虽然目前全球木材保护研究的重点是使用天然绿色环保的植物源活性成分来保护木材，植物源木材防腐剂对木材生物侵害具有一定的防治效果，但还存在以下问题：

1)植物成分复杂，给提取、分离和纯化工作带来了一定困难。目前植物源木材防腐剂的研究大多停留在粗提物的抑菌性能研究上，而对提取工艺、活性成分的纯化、分离、鉴定以及利用尚缺乏进一步的研究。同时，采用不同提取方法得到的提取物的化学成分不同，对木材腐朽菌的抑菌效果存在差异。

2)植物源木材防腐剂环境稳定性欠佳，其应用范围受到限制。植物源活性成分是植物次生代谢物质，这类物质在使用过程中降解快、低残留，对环境污染小，但受产地、 采收时间、储藏和加工工艺等因素影响其对木材的防腐效果会有较大差异，有些活性成分在特定环境条件下会失活从而影响对木材的防护效果。植物源木材防腐剂易降解、 易流失、 药效期短、 对外界环境因素敏感等问题，会限制其应用范围，因此，如何维护植物源木材防腐剂在不同自然环境中的效果，扩大其应用范围，有待进一步研究和探索。

3)对植物源木材防腐剂的毒理学分析和安全性评价有待进一步完善。植物源活性成分除具有较强地抑制真菌生长及真菌毒素积累的作用外，同时还应对其进行毒理学分析及安全性评价[51]，以预测直接和间接接触对人类健康和环境的影响。

4 植物源木材防腐剂发展趋势及展望

目前，国内外对植物源木材防腐剂尚处于探索性阶段。为了更大地发挥植物源木材防腐剂的环境优势，开发出在实践中具有推广价值的产品，今后对于植物源木材防腐剂的研究应从以下几个方面去思考：

1)建立快速高效的植物源活性成分提取分离、纯化和鉴定的方法。如何快速有效地从植物中提取出高抑菌性的活性成分，利用现代仪器分析手段对植物提取物有效成分进行分离和鉴定成为植物源木材防腐剂研究首先需要解决的问题。

2)建立植物源木材防腐剂的质量控制体系。因产地、收获季节、生长年限、用药部位等因素的影响，植物中有效成分的含量会有差异，需要完善并构建植物源防腐剂的质量控制体系。

3)加强植物源木材抗真菌防腐剂增效研究。通过植物源活性物质与化学药剂或纳米材料进行功能性复配，亦或是将其本身制备成纳米结构或性能稳定的微囊结构等增效技术研究，提升木材抗真菌防腐剂在实际应用中的防腐性、耐久性和稳定性。

4)拓宽植物源木材防腐剂的木材处理工艺研究。针对不同类型植物源木材防腐剂的特点进行木材防腐处理。例如，对于精油类木材防腐剂通常采用涂刷的处理方式，对于水载性植物源木材防腐剂采用常温浸泡、真空加压浸渍处理来获得更好的防腐效果。

5)加深对植物源木材防腐剂的抑菌机理研究。木材腐朽菌抑菌机理研究相对较少，需要微生物学、生物化学、木材科学与技术等多学科的技术和理论支持，系统分析植物源活性物质对木材的防腐抑菌作用机理。

6)研发植物源木材防腐剂需遵循绿色、高效、安全无毒、抑菌谱广、对环境友好的宗旨。木材抗真菌防腐剂的毒理学分析和安全性评价有待进一步完善，其对人类健康和环境的影响有待开展系统评价。

总而言之，植物源木材防腐剂的研究为木材防腐技术的发展开辟了一条新途径。植物源活性物质对木材腐朽菌抑菌机理研究还面临一些难题，但随着科学技术的进步及人们对健康和环境问题的日益重视，开发和利用绿色、高效、安全无毒、抑菌谱广、对环境友好的绿色植物源木材防腐剂必将展现出巨大的开发潜力和广阔的应用前景。