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中草药木材防腐剂研究进展

2021-06-09推荐论文

  摘要:中草药具有来源广、毒性低、无污染等优点,是一种颇具潜力的环保型木材防腐剂,其中小檗碱、连翘苷、蛇床子素等中草药提取物具有良好的抗真菌作用。目前,有关利用中草药进行木材防腐的研究已取得一定的研究成果。文中介绍了抗真菌中草药的种类、提取方法、中草药木材防腐剂的复配以及中草药-纳米复合改性防腐剂,讨论了中草药防腐剂的不足并提出研究展望,以期为今后该领域的研究提供参考。

  关键词:中草药,木材防腐剂,抗真菌

木材防腐

  木材因其易于使用、耐用、自然色和高强度重量比的优势而被广泛用于家具和建筑材料,也是最早使用的能源材料。但是木材容易受到菌腐虫蛀,严重影响其使用性能和使用寿命,所以在使用木材之前需要对其进行防腐处理[1-3]。目前国内最常用的木材防腐处理方法主要是化学方法,其中加铬砷酸铜(CCA)和氨溶烷基胺铜(ACQ)是近年来使用最广泛的水载型木材防腐剂[4-5]。但是在传统木材保护方法中使用的化学防腐剂大部分是有毒的,会对人类健康和环境产生不利影响[6]。

  随着人们对环境保护意识的增强和对自身健康的重视,使用无毒、低毒、活性物质可循环利用的天然绿色原料作为木材防腐剂,逐渐成为木材保护的主要发展方向。植物源防腐剂具有来源广、毒性低、可再生等优势,在木材保护中广泛应用[7-9]。目前,很多植物源提取物被开发利用作为木材防腐剂。研究表明,包括植物来源的精油[10]、单宁酸[11]、类黄酮[12]、生物碱[13]和树木心边材提取物[14]等在内的多种化合物均对木材腐朽菌有抑制作用,可以达到在提高木材防腐性能的同时对环境绿色无污染的目的。

  大多数植物源提取物只能作为单效药剂使用,种类单一,并且需要较高的浓度才能使木材达到理想的防腐效果。通过提取工艺的优化,单剂的复配和纳米改性会使中草药防腐剂的种类更加多元化,明显提高防腐剂的抗流失性和耐候性,且对木材细胞壁无明显损伤,在降低成本的同时增强防腐效果,可为植物源防腐剂的应用创造更大的市场。

  1中草药木材防腐剂成分来源

  中草药是我国传统天然药物的总称,其提取物不但能应用于临床医学,还能起到灭虫杀菌的作用。我国是中草药产量大国,在本草纲目中记载的中草药植物高达4773种,种类繁多。虽然不同中草药的防腐性能不同,但大部分中草药都含有抑菌防腐的活性物质,在木材保护领域具有很大的开发利用价值[15]。中草药成分复杂,通过溶剂提取和索氏抽提等提取方法可以将有效抑菌成分提取出来,达到高效防腐地目的,并且根据中草药液成分和浓度的不同可以达到不同的耐腐等级。研究发现,可以作为木材防腐剂的中草药主要包括黄连、连翘、苦参、蛇床子和皂角等植物成分。

  经过有效成分的筛选发现,不同中草药含有不同的有效抑菌成分,以上中草药的主要抑菌成分分别是小檗碱、连翘苷、苦参碱、蛇床子素和皂角苷等。其中黄连是抑菌效果最好的中草药植物之一,其有效抑菌成分为小檗碱,中草药木材防腐剂则可以以该有效抑菌成分的含量作为参考进行筛选,并且通过不同提取方法确定有效成分的最高含量来优化最佳提取工艺。由于中草药绿色无毒且具有保健功效,经过中草药防腐处理的木材不但可以作为室外用材,更可以作为室内用材,包括婴儿房等。根据中草药不同成分表现出的不同功效,还可以优化配方,达到不同的康养保健效果,使防腐木同时具备养生保健的功能特性。未来可以通过对中草药木材防腐剂成分的不断筛选和提取工艺的优化,生产更多的中草药防腐剂。

  2中草药有效抑菌成分的提取及木材防腐剂的制备

  2.1中草药有效抑菌成分的提取

  中草药的成分非常复杂,其中包括有效抑菌成分和无效抑菌成分(果壳、药渣等),将其有效抑菌成分提取出来可以提高中草药防腐剂的使用效率,通过不断地分离和提纯可使有效抑菌成分的含量达到最大化。

  中草药有效抑菌成分的提取方法主要包括溶剂提取法、超声波提取法、微波提取法和索氏抽提法。溶剂提取法是将中草药粉碎、绝干、称量后加入一定溶剂(蒸馏水、乙醇、氯仿、甲醇等),利用相似相溶原理将有效抑菌成分提取出来,其中最简单常用的方法是水煮法。超声波提取法是应用超声波产生的空化效应和强烈振动,通过在中草药提取液中传播、释放超声波,使其内部产生大量的空化泡,当空化泡破裂后会在中草药介质内部瞬间释放出巨大的能量,使周围局部环境的压力和温度瞬间升高,中草药细胞会由于瞬间的压力升高造成细胞壁的破碎甚至细胞结构的完全破坏,从而使细胞内的有效抑菌成分释放、扩散、溶解到提取液中[18]。

  微波提取法本质上与超声波提取法相似,其主要是通过在辐射过程中产生的高频率电磁波达到植物细胞内部,在高频电磁波的作用下导致细胞内部的极性物质温度上升,产生的内部压力造成细胞壁破裂,使得细胞内部的活性成分外流到提取溶剂中。

  索氏抽提法是利用溶剂的回流和虹吸原理,对中草药中有效成分进行连续提取,既节约溶剂,萃取效率又高[19]。研究发现,溶剂提取法虽然可以节能减排、降低能耗,但因中草药中的有效抑菌成分水溶性较差而造成提取率过低[16-18],所以研究者将超声提取、微波提取等与索氏抽提法相结合,根据索氏法抽提时间、微波和超声功率等参数的设定,确定不同中草药的最佳提取工艺[19-20]。其中微波提取法的提取时间最短,仅需几分钟就可将中草药中的有效成分提取出来,且提取出的有效抑菌成分含量最多,耗能低、溶剂用量少。因此,微波提取法是研究者最常用的提取手段。

  2.2中草药木材防腐剂的制备

  中草药木材防腐剂的制备分别为单剂的制备、复配药剂的制备和中草药纳米改性剂的制备。其中,单剂的制备主要是通过超声、微波等辅助手段将单一中草药的有效抑菌成分溶于提取溶剂中,制备成中草药木材防腐剂,方法简单且产品易得。复配药剂的制备主要是选择2种或2种以上的中草药进行配伍得到药效增强且性能加倍的木材防腐剂,工艺较为复杂。由于中草药木材防腐剂的不耐候性,选择具有耐候性能的纳米材料与中草药复合制备成纳米复合改性剂,可以有效改善其自身缺陷。

  2.2.1单剂的制备

  王长健等[19]将蛇床子药粉与浓度为80%的乙醇混合,并将其在室温下搅拌2h,置于TGCXZ-2B超声循环提取机中超声处理40min(超声功率为980W),再将提取液真空抽滤得到药渣和药液,将药渣包裹在滤纸中再次进行7h的索氏抽提,最后将2次得到的抽提液与滤液合并,使用旋转蒸发器快速蒸发掉多余的乙醇,得到蛇床子提取物的干膏,将其置于电热恒温鼓风干燥箱内在80℃下烘至恒重,即为提取率最高的待测样品。

  李斌辉等[20]利用超声提取法将干燥后的黄连粉末于95%的乙醇中浸泡12h(超声功率为600W、20kHz脉冲处理30min),再煎煮0.5h浓缩至稠膏状,最后于鼓风干燥箱在90℃下干燥至恒重,得到样品。同时还利用微波提取法,将称量好的黄连粉末倒入烧杯中,与浓度为95%的乙醇混合均匀,并浸泡12h,将中草药液置于微波反应器中在微波功率为320W的条件下处理5min,再通过索氏抽提将抽滤得到的药渣包在滤纸袋中回流4h,得到的滤液与二次抽提得到的乙醇提取液合并,最后将合并的中草药提取液置于鼓风干燥箱中,在70℃条件下干燥至恒重,得黄连浸膏。

  3中草药木材防腐剂的抑菌性能通过对中草药有效成分的筛选和性能评价,认为单剂防腐剂具有一定的防腐效果,但单剂中草药的抗流失性差且所需的抑菌浓度过高。为了解决该问题,将中草药单剂防腐剂进行不同配方和比例的配伍,防腐效果比单剂明显,但是复方中草药存在复配难、理论复杂的问题。而通过新技术的应用,对中草药防腐剂进行有效的纳米改性,可以增强协同效应,使其固着性能和抗流失性都明显提高。

  3.1单剂中草药的抑菌性能

  目前已经证实,大部分中草药具有良好的杀菌效果。江贵波等[24]通过水蒸气蒸馏法将野艾中的挥发油提取出来,发现其对水稻稻瘟病菌和玉米纹枯病菌具有良好的抑制作用。马欣等[25]利用70%的乙醇作为溶剂提取黄柏、马齿苋等8种中草药提取物,发现8种中草药提取物对2种土传病害病原菌都具有抑制作用,其中黄柏提取物的抑制作用最好。陈蔚燕等[26]采用水提和醇提2种提取方法从山豆根、麻黄草等12种中草药中提取药液,并以番茄灰霉病菌、白菜灰斑病菌等6种常见真菌进行抑菌实验,结果表明,山豆根水提药液对辣椒炭疽病菌有良好的抑制作用,而穿心莲醇提药液对白菜灰斑病菌有良好的抑制率。

  哈斯格根[27]通过研究发现,北豆根和黄柏对番茄采摘后产生的主要病原真菌的抑制效果最佳,并且通过对中药提取物的抑菌机理进行深入研究发现,北豆根和黄柏主要是通过提高番茄自身抵抗病原体酶的活性来提高其自然的抑菌性能。蒋世一等[28]通过将20种中草药提取液与PDA培养基混合制成带毒培养基,接种木腐菌菌丝块作抑菌性能研究,发现对白腐菌抑菌效果最好的中药是皂角和川椒,而对褐腐菌抑菌效果最好的中药是皂角,其余中药虽然抑菌效果不是很明显,但也表现出不同程度的抑菌作用。王长健[19]研究发现,中草药蛇床子具有良好的抑制真菌作用,且成本低廉,其有效抑菌成分为蛇床子素。

  4中草药木材防腐剂的抑菌机理研究

  中草药能够抑制真菌主要是通过在防腐过程中影响真菌中酶的活性、抑制真菌的生长周期和控制真菌繁殖过程中的基因表达,从而影响其主要成分蛋白的合成。还可通过破坏真菌的细胞膜结构,使细胞膜内部的内容物外渗影响真菌细胞继续分裂。对抑菌机理的研究,通常可以借助电镜细胞化学技术、比浊法、蛋白双向电泳、质谱分析和氧电极法等检测手段,通过中草药防腐剂对木材腐朽菌的形态毒理作用、生长周期影响、蛋白影响和呼吸代谢影响等研究中草药防止木材腐朽的抑菌机理。

  木材防腐论文投稿刊物:《木材加工机械》(双月刊)1984年创刊,是木材加工行业惟一的专业技术性刊物,由国家林业局北京林业机械研究所主办。主要刊登内容:木材加工机械行业的最新研究和设计成果,使用维护、技术革新、生产经营管理经验,新技术新产品介绍,国内外技术发民展趋势综述,技术经营信息,标准和检测及有关人造板生产工艺等。

  5研究展望

  中草药木材防腐剂虽然绿色安全且防腐效果显著,但是其不耐候性和易流失性影响了其防腐效果和使用年限。近年来,智能响应材料被应用到了许多方面,包括人体内的药物递送、细胞内生物传感、环境修复和纳米级制造。为了避免中草药的活性成分在木材腐朽前失活,可根据人体癌细胞靶向原理,采用智能靶向型载体包载中草药防腐剂。同时,对中草药防腐剂直接进行纳米改性制备成碳量子点也可以提高其抑菌性能和抗流失性,纳米粒子更容易进入植物细胞,对真菌细胞造成严重损害,直至丧失活性。所以开发响应载体包载中草药防腐剂和对其进行有效纳米改性是未来研究的主要趋势。

  参考文献:

  [1]ZALAMEAM,GONZALEZG,LODGEDJ.Physical,chemical,andbiologicalpropertiesofsoilunderdecayingwoodinatropicalwetforestinPuertoRico[J].Forests,2016,7(8):168-173.

  [2]WANGYM,ZHANGZX,FANHQ,etal.Woodcarbonizationasaprotectivetreatmentonresistancetowooddestroyingfungi[J].InternationalJournalofEnvironmentalBioremediation&Biodegradation,2018,129(1):42-49.

  [3]WANGJY,STIRLINGR,MORRISPI,etal.Durabilityofmasstimberstructures:areviewofthebiologicalrisks[J].WoodandFiberScience,2018,50(1):110-127.

  [4]李玉栋.美国宣布将限制CCA防腐剂处理木材[J].国际木业,2002(4):7-8.

  [5]方桂珍,任世学,金钟玲.木材防腐剂的研究进展[J].东北林业大学报,2001,9(5):88-90.

  [6]SUNGJP,JUNGKO,JUNGPH,etal.Effectofincisingonthelong-termbiodeteriorationresistanceofalkalinecopperquaternary(ACQ)treatedwood[J].EuropeanJournalofWoodandWoodProducts,2017,75(5):777-783.

  [7]ZHAOXQ,WANGL,WANGYM,etal.One-potsynthesisofForsythia@carbonquantumdotswithnaturalanti-woodrotfungusactivity[J].Materials&Design,2021,206.DOI:10.1016/j.matdes.2021.109800.

  作者:赵晓琪1朱安明2王磊1任士明1胡政1王雅梅1

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