趙洋，任佳，鄭欣欣，潘彪,2*，冷魏祺,2

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210037；2.南京林業(yè)大學林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037)

西加云杉(Piceasitchensis)為松科云杉屬常綠喬木[1]，其木材材色潔白、材質(zhì)細膩、紋理通直，共鳴性優(yōu)良，是樂器、模型、家具及室內(nèi)裝飾的優(yōu)良用材[2-3]。但西加云杉木材中含有大量的糖類、淀粉和蛋白質(zhì)等，容易受到真菌感染發(fā)生霉變、變色，即使后續(xù)將板材進行干燥處理，也會留下永久的缺陷，直接影響了木材的產(chǎn)品質(zhì)量[4]。因此，在后續(xù)開料加工時必須將變色的部分切除，從而極易造成西加云杉木材的大量浪費。

引起木材變色的真菌有3種：木腐菌、霉菌和變色菌[5]。其中，變色菌和霉菌均來自子囊菌綱和不完全菌綱，變色菌有可可球二孢菌(Botryodiplodiatheobromae)、串珠鐮刀菌(Fusariummoniliforme)、鏈格孢霉(Alternariaalternate)等，常見的霉菌有黑曲霉(Aspergillusniger)、桔青霉(Penicilliumcitrinum)、綠色木霉(Trichodermaatroviride)等[6]。由于變色菌僅出現(xiàn)在木材的邊材部分，因此也被稱為邊材變色。變色菌分泌著色物質(zhì)使木材出現(xiàn)變色，常呈現(xiàn)紅色、藍色和綠色等顏色[7]。研究表明，變色菌種類不同，對木材材性的影響也不同，主要表現(xiàn)在改變木材顏色和增加木材的滲透性[8]。霉菌對木材的影響與變色菌類似，但是變色更淺。

筆者以鏈格孢霉(A.alternate)、桔青霉(P.citrinum)和綠色木霉(T.atroviride)侵染的西加云杉木材為研究對象，研究3種木材真菌對西加云杉材色、化學成分的影響及其感染途徑，以期為西加云杉的合理利用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鏈格孢霉(A.alternate)、桔青霉(P.citrinum)和綠色木霉(T.atroviride)，購自上海魯微科技有限公司；土豆葡萄糖瓊脂(PDA)培養(yǎng)基，購自廣東環(huán)凱微生物科技有限公司。

西加云杉試材，取自江蘇鎮(zhèn)江中林新民洲港川雅木業(yè)有限公司，原產(chǎn)地美國阿拉斯加，為新進口濕材，生材含水率為62.0%。西加云杉試樣規(guī)格為50 mm×20 mm×5 mm(縱向×徑向×弦向)，無蟲蛀、無變色、無霉斑。

1.2 試驗設備

CR-5型分光測色儀(柯尼卡美能達投資有限公司)、TU-213型滑走切片機、Phenom Pro型掃描電鏡(復納科學儀器上海有限公司)、Alliance E2695高效液相色譜儀(美國Waters)、Lambda 950型紫外/可見/近紅外分光光度計(美國Perkinelmer)和VERTEX 80V型紅外光譜儀(德國Bruker)。

1.3 試驗方法

1.3.1 顏色測定方法

按照GB/T 18261—2013《防霉劑對木材霉菌及變色菌防治效力的試驗方法》，在西加云杉試樣上分別接種鏈格孢霉、桔青霉和綠色木霉，培養(yǎng)4周后，對4組試樣(正常材、鏈格孢霉感染試樣、桔青霉感染試樣和綠色木霉感染試樣)進行材色測定。每組試樣10個重復樣品，共40個試樣。

采用分光測色儀、D65標準光源拍照，用國際照明委員會的表色系統(tǒng)表色，在樣品上隨機取10個點，測得試樣的色度學參數(shù)L*(明度指數(shù))、a*(紅綠軸色品指數(shù))和b*(黃藍軸色品指數(shù))，并按如下公式計算色差ΔE*：

(1)

式中，ΔE*為色差；ΔL*、Δa*和Δb*為不同真菌感染試樣的L*、a*和b*值與正常材的差值。

1.3.2 掃描電子顯微鏡觀察

在試樣縱切面連續(xù)切取5張切片(40 μm/片)，依次經(jīng)過50%，60%，70%，80%，90%，95%和100%(體積分數(shù)，下同)乙醇脫水處理，再經(jīng)50%乙醇+50%正丁醇和100%正丁醇防皺縮處理，每一級處理時間為20 min。將脫水以后的切片放在樣品臺上風干以揮發(fā)正丁醇，經(jīng)離子噴金儀噴金處理，在掃描電鏡下觀察。

1.3.3 木材化學成分的測定方法

依據(jù)美國可再生能源實驗室(NREL)法，測定木材中三大素的含量。首先，除去試樣中的樹脂和色素等雜質(zhì)，選擇乙醇索氏抽提法；第2步水解，選擇質(zhì)量分數(shù)72%和4%的硫酸，分兩步進行水解，濾液采用高效液相色譜儀測定單糖含量，計算樣品中纖維素、半纖維素的含量；濾渣用來測定酸不溶木質(zhì)素的含量。

采用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)定性分析木材三大素相對含量。采用溴化鉀(KBr)壓片法，使用紅外光譜儀對試樣進行掃描，掃描范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為16次。

2 結果與分析

2.1 真菌對西加云杉木材材色的影響

正常材、鏈格孢霉感染試樣、桔青霉感染試樣和綠色木霉感染試樣的色度學參數(shù)數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，西加云杉木材經(jīng)過鏈格孢霉、桔青霉、綠色木霉感染后，均發(fā)生了顏色變化。L*值普遍降低，即木材明度降低。a*、b*值變化趨勢不一致，使得受3種真菌感染的木材變色不相同。其中，鏈格孢霉組試樣紅化明顯，綠色木霉組試樣黃化明顯，桔青霉組向偏藍方向發(fā)展，3組試樣色差值都在12.00以上，說明肉眼觀察就能看到木材發(fā)生非常明顯的顏色變化[9-10]。

表1 感染真菌試樣與正常材的色度學參數(shù)Table 1 Colorimetric values of Picea sitchensis wood infected with three kinds of fungi

2.2 真菌對西加云杉木材的感染途徑

2.2.1 鏈格孢霉的感染途徑

鏈格孢霉的感染途徑見圖1。受鏈格孢霉侵染4周后，鏈格孢霉連續(xù)5張切片的軸向管胞均觀察到菌絲，并且菌絲在西加云杉軸向管胞之間的延伸是通過紋孔進行的， 在前3層的射線薄壁細胞中觀察到菌絲。圖1a2和1c2中，菌絲在射線內(nèi)沿射線薄壁細胞生長；圖1b2中的菌絲穿過了射線薄壁細胞的水平壁紋孔，說明鏈格孢霉變色菌可以深入西加云杉木材內(nèi)部。木材感染變色菌后，細胞壁和細胞膜上會出現(xiàn)小孔洞，這致使木材更容易發(fā)生腐朽[11]。呂文華等[12]在觀察藍變西南樺木材纖維構造時發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，藍變菌的菌絲較粗，從一個細胞到另一細胞的穿越幾乎全部經(jīng)過細胞壁的紋孔。當西南樺中的菌絲直接穿過細胞壁時，細胞壁上被溶蝕出的孔非常小，比菌絲的正常寬度要小幾倍。鏈格孢霉侵染西加云杉木材時，菌絲并沒有直接穿透細胞壁，而是通過紋孔進行傳播，細胞壁未發(fā)生溶蝕現(xiàn)象，未出現(xiàn)孔洞。

a1～a2)受鏈格孢霉菌感染試樣的第1層切片; b1～b2)受鏈格孢霉菌感染試樣的第2層切片; c1～c2)受鏈格孢霉菌感染試樣的第3層切片; d1～d2)受鏈格孢霉菌感染試樣的第4層切片; e1～e2)受鏈格孢霉菌感染試樣的第5層切片。圖1 西加云杉木材中鏈格孢霉菌絲的分布與感染途徑Fig. 1 Distribution and infection pathway of A. alternate in Picea sitchensis wood

2.2.2 桔青霉的感染途徑

桔青霉感染試樣4周后，通過觀察，僅第1層和第2層軸向管胞觀察到桔青霉菌絲，結果見圖2。圖2a1、2b1中，菌絲通過紋孔穿過軸向管孢；圖2a2、2b2、2c2中，菌絲分布在射線薄壁細胞中，圖2c2中可觀察到菌絲穿過射線薄壁細胞端壁上的紋孔。與鏈格孢霉不同，桔青霉無法侵入西加云杉內(nèi)部。桔青霉侵染西加云杉木材后，菌絲在軸向管孢和射線薄壁細胞內(nèi)均有分布。分析菌絲在射線薄壁細胞廣泛存在的原因，是因為大部分射線由射線薄壁細胞構成，邊材部分的薄壁細胞起貯藏營養(yǎng)物質(zhì)的作用[13]，而淀粉粒是木射線薄壁細胞的儲藏物質(zhì)，也是糖代謝活動的起點，特別適于變色菌及霉菌的繁殖，因此菌絲主要侵染射線薄壁細胞[14]。

a1～a2)受桔青霉菌感染試樣的第1層切片; b1～b2)受桔青霉菌感染試樣的第2層切片; c1～c2)受桔青霉菌感染試樣的第3層切片; d1～d2)受桔青霉菌感染試樣的第4層切片; e1～e2)受桔青霉菌感染試樣的第5層切片。圖2 西加云杉木材中桔青霉菌絲的分布與感染途徑Fig. 2 Distribution and infection pathways of P. citrinum in Picea sitchensis wood

2.2.3 綠色木霉的感染途徑

綠色木霉感染西加云杉試樣4周后，通過觀察，僅第1層、第2層軸向管胞和射線薄壁細胞觀察到綠色木霉菌絲，結果見圖3。圖3a1、3b1中，菌絲通過紋孔穿過軸向管孢；圖3a2、3b2中，菌絲分布在射線薄壁細胞中，且菌絲數(shù)量較少；圖3c1、3c2、3d1、3d2、3e1和3e2中未見綠色木霉菌絲分布。

與鏈格孢霉相比，綠色木霉菌絲較細，且菌絲數(shù)量較少。與鏈格孢霉和桔青霉相同，并未觀察到真菌對木材細胞壁產(chǎn)生破壞。

a1～a2)受綠色木霉菌感染試樣的第1層切片; b1～b2)受綠色木霉菌感染試樣的第2層切片; c1～c2)受綠色木霉菌感染試樣的第3層切片; d1～d2)受綠色木霉菌感染試樣的第4層切片; e1～e2)受綠色木霉菌感染試樣的第5層切片。圖3 西加云杉木材中綠色木霉菌絲的分布與感染途徑Fig. 3 Distribution and infection pathways of T. atroviride in Picea sitchensis wood

2.3 真菌對木材化學成分的影響

2.3.1 真菌對西加云杉木材三大素含量的影響

采用美國國家可再生能源實驗室(NREL法)提供的生物質(zhì)主要化學成分分析的方法分析，結果見表2。表2中空白對照試樣的半纖維素相對含量為25.53%，而真菌侵染后，鏈格孢霉侵染木材(T1)、桔青霉侵染木材(T2)、綠色木霉侵染木材(T3)試樣半纖維素的相對含量分別下降至23.73%，24.27%和24.09%，分別降低了1.80%，1.26% 和1.44%;3種真菌對于半纖維素的降解能力相似，且降解程度有限。與半纖維素不同的，空白對照試樣纖維素相對含量為46.48%，木質(zhì)素相對含量為26.33%，真菌侵染后，T1、T2、T3試樣的纖維素相對含量分別為45.79%，47.96%和48.10%，木質(zhì)素的相對含量分別為26.13%，26.95% 和27.30%，均呈現(xiàn)上升趨勢。這是由于試樣中半纖維素的相對含量減少，使纖維素與木質(zhì)素的相對含量有一定的提高。這表明3種真菌主要降解西加云杉中的半纖維素。研究一般認為變色菌侵蝕的主要是細胞的內(nèi)含物[15]，而不會破壞木材細胞壁結構，但根據(jù)NREL法測定的各項抽提物的含量來看，變色菌在適宜的條件下，也會溶蝕木材細胞壁，造成半纖維素含量降低。針葉材中，半纖維素含量25.00%～35.00%，主要分布在木材細胞壁的初生壁和次生壁[16]。3個試驗組半纖維素相對含量降低1.50%左右，結合菌絲在細胞中的分布和滲透，表明3種真菌僅破壞了木材細胞壁的次生壁內(nèi)表層部分。

表2 真菌侵染西加云杉木材的化學成分測定結果Table 2 Experiment results of chemical compositions of the wood infected by fungus and noninfected wood %

2.3.2 紅外光譜分析真菌對西加云杉木材成分的影響

木材的FT-IR分析制樣簡單，廣泛用于分析物質(zhì)的官能團[17]。測得西加云杉正常材與變色材的紅外光譜歸屬見表3，對變色材和正常材紅外光譜分析中官能團吸收峰的歸屬進行了總結。

表3 真菌感染試樣與空白試樣紅外光譜特征吸收峰及官能團歸屬Table 3 Chemical groups and their FT-IR spectrum features of fungi wood and noninfected wood

圖4 變色材與正常材的紅外光譜圖Fig. 4 The FT-IR spectrum of stained wood and noninfected wood

3 結 論

1)西加云杉木材分別感染鏈格孢霉、桔青霉和綠色木霉4周后，ΔE*分別為32.33，17.94和22.97，均大于12.00，變色非常明顯。3種真菌造成的變色不一致，其中，鏈格孢霉組試樣紅化明顯，桔青霉組試樣藍化明顯，綠色木霉組試樣黃化明顯。

2)3種真菌侵染深度不同，鏈格孢霉變色菌可以侵染木材內(nèi)部，桔青霉和綠色木霉無法侵入木材內(nèi)部，同時3種真菌感染木材的途徑一致：軸向管胞內(nèi)有菌絲，射線薄壁細胞中有菌絲，射線管胞中則不存在；菌絲在西加云杉軸向管胞之間的延伸是通過紋孔進行的，菌絲在射線內(nèi)沿射線薄壁細胞生長，穿過射線薄壁細胞的水平壁紋孔進行感染。

3)西加云杉木材經(jīng)鏈格孢霉、綠色木霉和桔青霉感染后，1 737 cm-1處羰基吸收峰強度減弱，半纖維素相對含量降低。1 318和896 cm-1附近的纖維素特征吸收譜峰和1 607和1 511 cm-1附近的木質(zhì)素特征吸收譜峰比較穩(wěn)定。