MDF热解液组分特性及其抑菌性能分析

赖宗元，李雨爽，母 军

人造板作为21世纪大量生产及使用的木质复合材料，废弃后如何将其回收利用是人造板行业面临的问题之一。经过几十年的发展我国已经成为世界人造板生产、消费和进出口大国，总产量稳居世界之首。随着产量和使用量的增长，废弃人造板逐年增加，数量巨大［1］。人造板常用胶黏剂——氨基树脂胶黏剂中含有大量氮元素，随意丢弃或填埋处理会造成严重的土壤或水污染，直接燃烧则会产生NO、NO2等有害气体的前驱物，造成空气污染［2］。

热解可以使废弃人造板得到高效利用，在绝氧或缺氧的条件下利用热能切断生物质大分子中的化学键，使之转化为低分子、高能量密度的气相、液相和固相产物，并且可以从这些产物分离得到很多化学原料［3］。这样不仅避免了废弃人造板随意丢弃或焚烧而带来的环境问题，而且可以合理利用减少能源的浪费。由于人造板中氨基树脂胶黏剂的存在使得人造板热解液与一般生物质原料热解液成分有较大的不同，人造板热解液中的含氮化合物含量相对于木材热解液普遍偏高［4-7］，对于含氮化合物中氮杂环化合物，被认为具有独特的生物活性，常被用作医药和农药合成领域［8-10］。研究表明，废弃人造板热解液经过处理后对于细菌和霉菌具有一定的抑制作用［11-14］，但是根据现有的研究还不确定人造板热解液中主要的抑菌成分及不同成分的抑菌能力。

有研究证明，酸碱萃取法对木材热解冷凝液中的酸类化合物和碱性化合物可以有效地富集分离［15-16］。本研究针对含有脲醛树脂(UF)的中密度纤维板(MDF)在4种反应终温下热解所得的热解液，利用酸碱萃取法对4种热解液进行萃取分离，分离成碱性、中性和酸性组分，通过GC-MS分析不同组分的成分构成，并对不同组分进行抑菌圈试验和菌丝生长抑制率试验，以探究不同组分与抑菌性能之间的关系。

1 材料与方法

1.1 材料

以施胶量为12%的中密度纤维板(MDF)为原料，采用自制炭化炉热解制备，热解条件为:反应终温 300、400、500℃ 和 600℃，升温速率为 150℃ ·h－1，收集热解冷凝液体产物得到4种热解液。静置一段时间，用抽滤装置加双层滤纸进行抽滤，连续抽滤2次，除去其中杂质，得到精制MDF热解液;试验菌种为大肠杆菌(Escherichia coli)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、黑曲霉菌(Aspergillus niger)和绿色木霉菌(Trichoderma viride)，均由实验室自行培养;葡萄糖、琼脂均为化学纯。

1.2 仪器设备

GC-MS-QP2010型气相色谱-质谱联用仪，日本岛津公司;BS124S型电子分析天平，德国Sartorius公司;PHS-25型pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司;NH-4型数显恒温水浴锅，金坛荣华仪器制造有限公司;YX-2ALDJ型手提式压力蒸汽灭菌器，江阴滨江医疗设备有限公司;PSE恒温恒湿箱，常州市华普达教学仪器有限公司生产。

1.3 MDF热解液组分分离

图1 热解液组分分离工艺流程Fig.1 Flow chart of separating pyrolysis liquid

利用酸碱萃取法［17］对热解液进行组分分离，分离成酸性、中性和碱性组分。萃取过程中量取15 mL的热解液，根据图1的具体分离工艺流程进行萃取分离，其中所有萃取溶剂的体积都为15 mL，最后根据萃取相的体积变化计算各分离组分的化合物含量。4种热解液分离后共得到12组组分，分离后的组分密封存放于棕色玻璃瓶中。

1.3.1 分离组分碱含量/酸含量测定 采用酸碱滴定法按文献［16］测量样品溶液的碱含量/酸含量。用移液管吸取1 mL的样品溶液，加蒸馏水稀释至100 mL，用 0.1 mol·L－1的盐酸标准滴定溶液和 0.1 mol·L－1的氢氧化钠标准滴定溶液分别对酸性和碱性组分进行滴定，pH测试计观察滴定终点，根据所消耗盐酸标准滴定溶液或氢氧化钠标准滴定溶液的体积计算对应组分中的碱含量/酸含量，测试结果取3次测量平均值。

1.3.2 分离组分成分构成测定 分离得到的12组组分进行GC-MS成分分析，将待测溶液用滤纸过滤杂质后用0.45 μm的过滤器进行2次过滤，与乙酸乙酯按体积比1∶1的比例进行萃取，萃取3次，得到样品。

萃取后的溶液样品采用岛津2010气相色谱质谱联用仪进行解析，气相分析条件为:色谱柱Rtx-5MS(0.25 mm×30 m×0.25 μm)，进样口温度250℃，氦气流速1 mL·min－1，分流比为10∶1。采用程序升温进行分离:初温 40℃，保持1 min，以 10℃·min－1的速率升到 200℃，再以 20℃·min－1的速率升到280℃，保持5 min。质谱分析条件:电离方式为EI，电子能量70 eV，离子源温度200℃，接口温度250℃，扫描范围为33～400 amu。所获得的图谱与NIST标准图谱库进行对照分析，以确定物质成分，相对含量采用面积归一法获得。

1.4 抑菌圈试验

分离得到的12组组分进行抑菌圈试验，试验菌种为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，所选对照组为乙酸乙酯。

抑菌圈试验采用牛津杯法，具体步骤参照文献［18］，抑菌圈直径用十字交叉法测量，并根据如下公式计算而得。

1.5 菌丝生长抑制率试验

分离得到的12组组分进行菌丝生长抑制率试验，试验菌种为黑曲霉菌和绿色木霉菌，对照组为乙酸乙酯。

培养基为马铃薯葡萄糖琼脂培养基(PDA)，在超净工作台上，用直径0.4 cm打孔器在长满菌丝的培养基上切下带菌菌饼，然后制备带药培养基，向每个培养皿中以1∶20的比例加入样品溶液0.5 mL和灭菌后的培养基10 mL，摇晃混合均匀，制成厚度均匀的平板。每个浓度设置3个重复，以无菌水作为对照。用镊子将菌饼接种到带药培养基上，有菌丝的一面向下，以灭菌后的蒸馏水作为对照组，置于霉菌培养箱中温度28℃、相对湿度85%的条件下培养72 h后检查结果并记录试验数据。

根据以下公式计算菌丝生长抑制率:

2 结果与分析

2.1 MDF热解液分离组分物质含量分析

300～600℃的MDF热解液，3种组分在相应温度下收集到的热解液(除水分)中的含量(表1)。

表1 热解液不同组分化合物含量Table 1 The compound contents of different groups of pyrolysis liquid %

由表1看出，对于4种热解液，相应温度段分离得到3种组分，碱性组分中的化合物含量最高，其次是酸性组分，中性组分中含量最少。这可能是由于MDF中UF树脂的存在使得热解液中含有大量含氮化合物，使得热解液呈现碱性，因此进行酸碱分离之后，碱性组分中的化合物含量最高。

表2 热解液不同组分碱含量和酸含量Table 2 The alkali content and acid content of different groups of pyrolysis liquid (mol·L－1)

从表2可知，对于不同温度段下的热解液，其分离得到的组分中的碱含量和酸含量存在一定的差异。对于酸性和碱性组分，500℃热解液中含量最高，分别为 1.333 mol·L－1和 1.167 mol·L－1。500℃和600℃组分中的碱含量和酸含量较高，原因可能是MDF热解过程温度对热解液成分的影响。

2.2 MDF热解液分离组分成分构成分析

由表3可知，人造板热解液是一种多组分的复杂混合物，可以归结为芳香类、酮类、酯类、有机酸类和含N化合物。12组组分中，无论是碱性组分、中性组分还是酸性组分，都含有邻二甲苯、邻苯二甲酸二丁酯和 1，3，5-三甲基-1，3，5-三嗪-2，4，6-三酮这 3种化合物，并且相对含量很高，不考虑这3种化合物，对于4种MDF热解液，其碱性组分中几乎全是吡嗪类，吡啶类等含N类化合物，由表4可知其相对含量之和分别为 39.89%、55.69%、56.60%和 48.47%，且含N化合物的相对含量随温度升高而增加并在500℃达到最大值。这些物质是由于在热解过程中UF树脂和木材主要成分发生了一系列复杂的化学反应，N原子取代苯环上C原子而生成的，为碱性化合物。而酸性组分中，以芳香类物质和酸类物质为主，由表4可知其相对含量之和分别为64.74%、50.38%、72.33% 和 70.00%，其相对含量在500℃达到最大。至于中性组分，其成分构成比较杂乱，这种现象出现的原因可能是由于分离酸性和碱性组分时萃取不完全，但是这些酚类、酮类、含N化合物等的相对含量是较少的。因此，酸碱萃取分离工艺还是比较有效的分离工艺，将酸碱组分很好地进行了分离和富集。

表3 300、400、500、600℃热解液不同组分主要成分及其相对含量Table 3 The compositions and relative content of separated groups of pyrolysis liquid from 300，400，500，600℃

2.3 MDF热解液分离组分抑菌性能分析

2.3.1 MDF热解液分离组分对细菌的抑菌性能从图2、图3可以看出，除了乙酸乙酯对照组没有抑菌性，其他4种热解液的不同组分对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都具有一定的抑菌作用，并且呈现出不同的抑菌效果。对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，酸性组分的抑菌效果最好，抑菌圈直径最大分别为21.67 mm 和20.5 mm，其次是碱性组分，最小的是中性组分。纤维板热解液碱性组分和酸性组分对2种细菌的抑制效果随热解条件变化呈现较为一致的趋势，均表现为抑菌圈直径随终温升高而变大，至500℃达到最大值之后变小，但变化相对较小。500℃热解液分离得到的碱性组分和酸性组分抑菌效果更好，抑菌圈直径分别达到13.33 mm和21.67 mm，由于500℃热解液碱性组分和酸性组分中相应的含氮化合物和酚类化合物含量较多。相同热解温度下，MDF热解液中的碱性组分含量高于酸性组分，并且酸性组分对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果明显优于碱性组分，碱性组分中主要是吡啶、吡嗪等含N杂环类物质，而酸性组分中主要是酚类物质，因此，对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，酚类化合物的抑菌性能优于吡啶、吡嗪等含N类物质。

表4 300、400、500、600℃热解液不同组分中各类化合物的相对含量Table 4 The relative amount of various species of compounds in the separated groups of pyrolysis liquid from 300，400，500，600℃

图2 分离组分对大肠杆菌的抑菌圈Fig.2 The antibacterial circle of separated groups to E.coli

图3 分离组分对金黄色葡萄球菌的抑菌圈Fig.3 Diameters of the inhibition circtles of separated groups to S.aureus

2.3.2 MDF热解液分离组分对霉菌的抑菌性能测定12组分离组分对绿色木霉和黑曲霉的菌丝生长抑制率，对菌落生长直径进行测量统计，计算分离组分对其的菌丝生长抑制率(图4、图5)。

12组组分对绿色木霉和黑曲霉都具有一定的抑菌作用，对于绿色木霉，酸性组分、碱性组分和中性组分的最大抑菌率分别为 69.44%、61.11%和41.67%，对于黑曲霉，3 种组分最大抑菌率为54.29%、42.86 %和 34.29%。300℃、400℃、500℃、600℃ 4 种MDF热解液除了400℃热解液酸性组分对绿色木霉的菌丝生长抑制率＜其碱性组分，这可能是400℃热解液酸性组分中有机酸类物质含量较低引起的，对于其他3种热解液，其酸性组分的菌丝生长抑制率都大于碱性组分和中性组分，其中中性组分的菌丝生长抑制率最小。4种热解液中，500℃所得到的酸性组分和碱性组分对绿色木霉和黑曲霉的菌丝生长抑制率最高，抑菌效果也最优。结合分离组分碱含量和酸含量的结果可知，500℃碱性组分和酸性组分中的碱含量和酸含量都是最高的，分别为1.333、1.167 mol·L－1，而且成分分析中500℃碱性组分中的含N杂环物质含量也最高，为56.6%，酸性组分中的酚类物质含量最高，为65.6%。可见对于绿色木霉和黑曲霉，酚类物质的抑菌性能最优，其次是吡啶、吡嗪等含N杂环类物质。

图4 分离组分对绿色木霉的菌丝生长抑制率试验结果Fig.4 Mycelial growth inhibition rate of separated groups to T.viride

图5 分离组分对黑曲霉的菌丝生长抑制率试验结果Fig.5 Mycelial growth inhibition rate of separated groups to and A.niger

3 结论与讨论

4组MDF热解液中碱性组分和酸性组分含量存在明显差异，说明热解液中的各类化合物含量与热解温度相关。MDF热解液经过萃取分离，其碱性组分中主要化合物是吡嗪类、吡啶类等含N杂环类物质，总的相对含量为 39.89%～56.6%;酸性组分中，以酚类物质和酸类物质为主，总的相对含量为40.37%～65.6%;中性组分成分构成比较杂乱，含有少量的酚类、吡嗪、吡啶等含N杂环类物质。研究表明，酚类物质和酮类物质可以破坏霉菌细胞壁，扩大霉菌细胞壁的渗透性，使霉菌内含物逸出，从而破坏霉菌的生长繁殖，起到防霉、抑菌作用［18-21］;醛类和有机酸类物质均属于消毒灭菌物质，可进入霉菌菌体细胞，破坏其蛋白质表面，使蛋白质失去活性，抑制霉菌的新陈代谢［22-23］。吡嗪、吡啶等含N杂环物质，吡嗪及其衍生物常被用作医药中间体，吡啶类含N杂环化合物在医药和农药中都具有广泛的应用［10，24-25］。

不同热解终止温度下收集的热解液的分离组分对4种供试菌均具有一定程度的抑制能力，但抑菌能力存在差异，对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，酸性组分的抑菌效果最好，抑菌圈直径最大分别为21.67 mm和20.5 mm，其次是碱性组分，最小的是中性组分。对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，碱性组分和酸性组分的抑菌圈直径随终温升高而变大，至500℃达最大值之后而变小，这可能是随着热解温度升高MDF热解生成的物质进一步发生分解使含氮化合物和酚类化合物百分含量下降。对于绿色木霉和黑曲霉，酸性组分的抑菌效果最好，其次是碱性组分，最小的是中性组分。对于绿色木霉，酸性组分、碱性组分和中性组分的最大抑菌率分别为69.44%、61.11%和 41.67%，对于黑曲霉，3 种组分最大抑菌率分别为 54.29%、42.86%和 34.29%。500℃ MDF热解液酸性组分和碱性组分的菌丝生长抑制率最高，抑菌效果也最优。

MDF热解液有较好的抑菌性能，其中酚类物质和含氮杂环类物质为主要抑菌成分;MDF热解液由于废弃原料数量巨大，来源广泛，具有较好的开发利用价值。