为探究热处理竹材自然霉变的真菌种属以及化学组分的变化特征,以毛竹(Phyllostachys edulis)为原料,分别在160,180,200,220 ℃下进行2 h的热处理,对未处理竹材和热处理竹材在自然环境中霉变的形态特征、微观结构、真菌种属、化学组分、pH以及淀粉含量等开展研究。结果显示:热处理竹材霉变程度随着热处理温度的升高而逐渐减弱,当温度为200和220 ℃时,霉变现象肉眼几乎不可见; 所有样品的真菌主要包括曲霉属(Aspergillus)、青霉素(Penicillium)和节担菌属(Wallemia)等,其中最优势属均为曲霉属,且其相对丰度也随着热处理温度的升高而增加,青霉属与节担菌属两个次优势菌群的相对丰度总和随着热处理温度的升高而呈下降趋势; 真菌对未处理竹材的纤维素降解严重,对热处理竹材半纤维素的降解显著,对所有竹材样品中阿拉伯糖和克拉松木素降解程度均不明显; 自然霉变后未处理竹材和200,220 ℃热处理竹材的pH降低,酸性略微增强,而160,180 ℃处理的竹材pH增加; 热处理竹材的淀粉含量随处理温度升高呈降低趋势,且均低于未处理竹材; 霉菌对未处理竹材中淀粉的消耗明显高于所有热处理竹材,表明霉菌对高温热处理竹材中的淀粉破坏较小。本研究展示了不同温度热处理竹材的自然霉变特性,可为竹材的防霉提供一定的理论依据。
竹材作为一种资源丰富的天然生物质材料,因其具有生长快、可再生、强度高、韧性好、硬度大、易加工等特点,已广泛应用于工程结构、建筑装饰、交通运输、家具制造等领域。然而竹材化学组分主要包含纤维素、半纤维素、木质素以及淀粉等营养物质,大量亲水基团的存在导致竹材产品极易吸湿变形,而且易受腐朽菌和霉菌的侵害,严重影响竹质产品的性能及应用。
目前高温热处理技术已广泛应用于竹集成材、竹重组材等竹材加工行业中,可以有效降低竹材的吸湿性,从而提高竹材产品的尺寸稳定性。大量研究和实践已证实高温热处理对竹材尺寸稳定性和防腐性有明显的改善。
高温热处理可以降解竹材中的半纤维素和淀粉等营养物质,减少竹材的亲水性,从而提高竹质产品对真菌侵害的抵抗能力。然而,高温热处理竹材在实际应用中仍然存在严重的霉变现象。郭志豪等、颛孙浩对热处理竹材在实验室特定霉菌条件下的霉变特征进行了研究,结果表明热处理对竹材霉变虽有抑制作用,但热处理后竹材仍然存在严重的霉菌感染情况,即使在220 ℃热处理条件下仍存有轻微的霉变现象。
高温热处理竹材主要应用于自然环境中的户外工程结构、地板家具等,其在使用过程中的自然霉变特征还鲜有报道。
南京林业大学胡纲正、何文等对不同温度热处理竹材在自然环境中霉变的形态特征、微观结构、霉菌种类、淀粉含量、pH与化学组分的变化情况进行研究分析,探究高温热处理竹材在自然环境中的霉变特征,揭示热处理温度对竹材自然霉变特征的影响规律,为热处理竹材的防霉提供一定的理论依据,改善热处理竹材的应用效果,进一步拓宽竹材的应用领域。1.1 试验材料
试验毛竹(Phyllostachys edulis)取自浙江省诸暨市(29°43'N,120°14'E),竹龄4 a。本研究自然霉变试验样品参考GB/T 18261—2013《防霉剂对木材霉菌及变色菌防治效力的试验方法》进行制备,从地面基部1.3 m以上选择端头直径为8～10 cm的毛竹截取1 m长竹材备用,利用剖竹机将毛竹剖成宽度为25 mm的竹片,经四面刨去青去黄加工成尺寸为1 000 mm×20 mm×5 mm(长×宽×厚)的竹条,经干燥后,用推台锯加工成尺寸为50 mm×20 mm×5 mm(长×宽×厚)的无节试样,最后将试样干燥至含水率为8%～12%,编号后备用。
1.2 试验方法
1.2.1 高温热处理工艺
首先将制备好的竹片放入管式炉内,以300 mL/min的速率将氮气扩散到管式炉中,持续扩散15 min以排尽管式炉内的空气。然后,将氮气扩散速率调整到100 mL/min,热处理温度分别设定为160,180,200,220 ℃,热处理时间均设置为2 h。不同温度下的热处理竹片分别标记为HTB-160℃、HTB-180℃、HTB-200℃和HTB-220℃。未经热处理的竹片标记为NB。
1.2.2 自然霉变试验方法
在室外自然条件下对试样NB、HTB-160℃、HTB-180℃、HTB-200℃和HTB-220℃ 5组样品(每组包含4块)进行自然霉变测试,试验地点为江苏省南京林业大学新庄校区,将样品置于室外高于地面1 m的水平网络架子上,使样品直接暴露于室外自然环境之中(放置时间为2023年7月10日),定期进行观察并记录。待未热处理竹材NB所有试样表面霉菌感染面积占比均超过95%后取样(取样时间为2023年9月20日)。霉变后的试样标记为NM-NB、NM-HTB-160℃、NM-HTB-180℃、NM-HTB-200℃和NM-HTB-220℃。样品霉变情况参考GB/T 18261—2013进行评估。
1.3 性能表征
1.3.1 微观形态表征
利用VHX-2000(Keyence,日本)型超景深体视显微镜,在400倍的放大倍数下对试样上菌丝生长较为明显的区域进行观察。采用FEI Quanta 200(FEI, 美国)型环境扫描电子显微镜(SEM)对试样的微观结构进行观察。选择上述体式显微镜观察的区域,将样品霉变区域的纵面分别固定于夹具上,上方留一定余量,以垂直于其表面的力迅速将其击断,获得天然断面。再用石蜡切片机对各竹材试样的观察面进行抛光处理,制成约6 mm×6 mm×1 mm的薄片,于45 ℃烘箱中烘干24 h。将试样薄片抛光面朝上粘于贴有碳基底导电胶的样品底座上进行喷金,喷金时间为90 s,然后放入样品腔抽真空至小于5×10-3 Pa,设定电压为10.0 kV后观察微观形貌。
1.3.2 宏基因组学测序法
宏基因组测序法采用二代高通量测序法(NovaSeq 6000, Illumina),具体步骤包括基因组DNA片段化、文库构建、文库质控和测序,得出菌群中霉菌种属。测序数据分析应用MetaPhlAn(MetaPhlAn-4.0.2)和StrainSifter软件,对宏基因组测序数据进行菌群定性和定量分析,确定霉菌种属的相对丰度。利用Origin 2021软件对试验数据进行处理,采用计数法对霉菌种属的相对丰度进行比较与计算。
1.3.3 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)测试及化学组分分析
采用VERTEX-80 V(Bruker,德国)型FT-IR光谱仪分析试样的化学官能团变化。测定前,将干竹粉与KBr混合并压成薄片,设置扫描范围为500～4 000 cm-1,扫描次数为32次,分辨率为4 cm-1。pH测定参照GB/T 6043—2009《木材pH值测定方法》,取4个样品的平均值作为最终结果。用邻苯二甲酸氢钾、四硼酸钠对pH计进行校准,每组竹粉重复测试两次,当两次测定结果差值小于0.04时视为结果有效,最后对有效数字进行算术平均值计算,保留到小数点后两位。参照T419 “Starch in paper”测试霉变前后未处理与热处理竹材的淀粉含量变化。将系列淀粉溶液浓度与其对应的吸光度进行拟合,拟合后的标准曲线方程为y=0.014 6x+0.004 6。化学成分含量的测定参照美国可再生能源国家实验室(NREL)制定的系列标准,制备样品后进行化学组分测定。
2.1 霉菌生长形态特征及种属鉴定
为了研究霉菌对NB以及热处理竹材的侵染情况,对所有试件进行了宏观形态和微观形态观测。由图1霉菌在竹材表面覆盖面积的宏观形态可知,霉菌完全覆盖在NM-NB的纵、横截面,肉眼可见多种霉菌的侵害,霉变程度十分严重; 相对于NM-NB,NM-HTB-160℃和NM-HTB-180℃试件表面的霉菌数量有一定程度的减少,但霉变现象仍较为严重。但随着热处理温度的继续升高,NM-HTB-200℃、NM-HTB-220℃试件上霉菌数量明显减少,肉眼很难观察到菌丝的分布。
由体视显微镜与SEM观察图1中霉菌的菌丝量和分布密度可知,NM-NB的表面与导管中清晰可见大量菌丝生长,形成密集的网状结构,证实了NM-NB霉菌感染严重。在NM-HTB-160℃和NM-HTB-180℃样品表面与导管的横、纵截面中菌丝仍然交织存在,但菌丝量明显减少、呈下降趋势。随着热处理温度的升高,菌丝零星分布在NM-HTB-200℃、NM-HTB-220℃样品的表面与细胞壁上,导管中的菌丝基本消失。
通过高通量测序及数据分析得出的各霉菌占比情况如图2所示。未热处理竹材NB和热处理竹材霉变后的真菌群落主要由曲霉属(Aspergillus)、青霉素(Penicillium)以及节担菌属(Wallemia)组成,所有样品中最优势的霉菌属均为曲霉属。NM-NB、NM-HTB-160℃、NM-HTB-180℃、NM-HTB-200℃和NM-HTB-220℃样品的曲霉属相对丰度分别为83.1%,86.2%,86.4%,87.1%和96.6%,可见霉变后热处理竹材曲霉属的相对丰度均高于NB,且随温度升高逐渐增加。竹材经热处理后,次优势菌群青霉属与节担菌属两者相对丰度总和随着热处理温度的升高逐渐下降,分别由11.4%降为9.8%(NM-HTB-160℃),9.6%(NM-HTB-180℃),6.6%(NM-HTB-200℃),2.7%(NM-HTB-220℃)。其他菌群包括葡萄座腔菌属(Botryosphaeria)、枝孢菌属(Cladosporium)、镰刀菌属(Fusarium)、交链孢霉属(Alternaria)等,在热处理竹材中的相对丰度均低于NB,其中在NM-HTB-220℃中最低(0.7%)。
2.2 主要化学组分分析
NB与热处理竹材自然霉变前后的主要化学组分质量变化如图3所示。高温热处理使竹材纤维素有轻微降解,且随热处理温度的升高葡萄糖含量呈现先减少后增加的趋势(图3a); 木糖热解明显,其含量随着热处理温度的升高大幅下降(图3b); 阿拉伯糖与克拉松木质素随着热处理温度的升高略有减少(图3c、d)。上述现象与相关的热处理竹材化学组分分析一致。
自然霉变使竹材中葡萄糖含量有所减少(图3a),其中NB中葡萄糖含量下降明显,约为26.89%。然而,随着热处理温度的升高,葡萄糖下降趋势明显减弱,其中NM-HTB-220℃的葡萄糖含量仅下降了5.23%,表明随着热处理温度的增加,霉菌对竹材中纤维素降解程度明显减弱。自然霉变后NB中木糖仅减少0.065 g(图3b),而在热处理温度为160,180,200和220 ℃时木糖含量分别下降了0.092,0.084,0.079和0.112 g,表明了霉菌对热处理材木糖的降解幅度均高于未热处理竹材NB。经自然霉变后,霉菌对NB和热处理竹材中阿拉伯糖和克拉松木质素的降解作用均不明显,且降解程度随着热处理温度的升高而逐渐减弱(图3c、d)。
为进一步探究高温热处理竹材自然霉变前后主要化学组分的变化规律,对所有样品进行FT-IR分析,结果如图4a所示。波数为1 736 cm-1的半纤维素羰基峰强度随热处理温度的增加逐渐降低,这主要归因于半纤维素中乙酰基的裂解,证实半纤维素含量由于热处理而呈现下降的趋势。另一方面,在3 430 cm-1的纤维素和木质素的—OH的伸缩振动峰、1 514 cm-1的木质素苯环特征峰和1 160 cm-1对应的纤维素C—O非对称桥拉伸特征峰强度变化不明显,表明在160～220 ℃时纤维素与木质素含量变化较少,仍保持稳定的化学官能团特征。NB中纤维素对应的C—O特征峰强度明显减弱,而半纤维素羰基峰以及木质素苯环特征峰强度无明显变化(图4b),表明自然霉变下霉菌对NB纤维素降解明显,而对半纤维素与木质素影响较小。自然霉变后高温热处理竹材中1 736 cm-1处对应的半纤维素羰基峰强度逐渐减弱,在NM-HTB-200℃、NM-HTB-220℃样品中的羰基峰几乎消失不见,而1 160 cm-1对应的纤维素特征峰以及1 514 cm-1对应的木质素苯环特征峰强度无明显变化(图4c～f),进一步证实霉菌主要对热处理竹材中半纤维素组分进行降解,而对纤维素和木质素影响较小。
2.3pH与淀粉含量变化
NB与热处理竹材自然霉变前后pH变化如图5a所示。热处理竹材的pH均低于NB的pH,这主要归因于NB中的半纤维素在高温热处理时降解成低聚糖和单糖物质,羟基断裂生成了有机酸(甲酸、乙酸),导致竹材的酸性增加。随着热处理温度的增加,糖分降解程度增大,有机酸逐渐减少,因此,热处理竹材的pH逐渐升高并接近未处理竹材。自然霉变后,NM-NB的pH降低了0.55,这归因于霉菌在生长过程中产生的有机酸(如柠檬酸、葡萄糖酸)导致试件pH减小。而NM-HTB-160℃、NM-HTB-180℃的pH分别增加了0.26与0.31,这是因为热处理过程中积累的有机酸(甲酸、乙酸)逐渐与空气中的氧气反应生成二氧化碳与水,而霉菌产生的有机酸总量小于霉变过程中热处理有机酸减少总量,因此NM-HTB-160℃、NM-HTB-180℃样品的pH略有增加。NM-HTB-200℃、NM-HTB-220℃因为霉变程度较轻,所以霉菌产生的有机酸较少,且随着热处理温度在200 ℃以上时热处理产生的有机酸基本消失,因此pH仅略微减少。
热处理竹材自然霉变前后的淀粉含量变化见图5b。在NB中,淀粉含量高达7.31%,高温热处理使淀粉含量大幅下降,HTB-220℃的淀粉含量达到最小值,为4.16%。这是因为随着热处理温度的升高,竹材中淀粉分子链吸收更多的热能量,产生剧烈振动,分子链间的氢键发生松弛,导致形成的双螺旋结构出现解旋,淀粉结构破坏,淀粉含量明显降低。淀粉作为霉菌重要的营养物质,自然霉变后,NB的淀粉含量明显降低,下降了约63.9%; 而热处理竹材淀粉含量的下降呈现减小的趋势,NM-HTB-160℃、NM-HTB-180℃、NM-HTB-200℃和NM-HTB-220℃的淀粉含量分别降低了32.8%,34.9%,16.1%和17.6%,证明了热处理对霉菌侵害竹材的抑制作用。该趋势和上述试件受霉菌侵害程度与菌丝生长情况相一致。
为了进一步探究热处理竹材自然霉变前后淀粉含量的变化,使用SEM观察未处理和热处理竹材的微观结构(图5c)。未处理竹材的薄壁细胞中被密集的淀粉颗粒填满,随着热处理温度的增加,薄壁细胞中的淀粉颗粒数量逐渐减少。经过霉菌侵蚀后,很难观察到未处理薄壁细胞中的内含物存在,证明其淀粉颗粒几乎被全部消耗。相比NM-NB,NM-HTB-160℃与NM-HTB-180℃薄壁细胞中的淀粉颗粒数量也被明显消耗,然而NM-HTB-200℃、NM-HTB-220℃中仍能观察到密集的淀粉颗粒,表明随着霉菌数量的不断减少,竹材中淀粉的降解程度也随之降低。
