真菌对西加云杉木材的感染途径及其材色和化学成分的影响

赵洋，任佳，郑欣欣，潘彪,2*，冷魏祺,2

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037；2.南京林业大学林业资源高效加工利用协同创新中心，南京 210037)

西加云杉(Piceasitchensis)为松科云杉属常绿乔木[1]，其木材材色洁白、材质细腻、纹理通直，共鸣性优良，是乐器、模型、家具及室内装饰的优良用材[2-3]。但西加云杉木材中含有大量的糖类、淀粉和蛋白质等，容易受到真菌感染发生霉变、变色，即使后续将板材进行干燥处理，也会留下永久的缺陷，直接影响了木材的产品质量[4]。因此，在后续开料加工时必须将变色的部分切除，从而极易造成西加云杉木材的大量浪费。

引起木材变色的真菌有3种：木腐菌、霉菌和变色菌[5]。其中，变色菌和霉菌均来自子囊菌纲和不完全菌纲，变色菌有可可球二孢菌(Botryodiplodiatheobromae)、串珠镰刀菌(Fusariummoniliforme)、链格孢霉(Alternariaalternate)等，常见的霉菌有黑曲霉(Aspergillusniger)、桔青霉(Penicilliumcitrinum)、绿色木霉(Trichodermaatroviride)等[6]。由于变色菌仅出现在木材的边材部分，因此也被称为边材变色。变色菌分泌着色物质使木材出现变色，常呈现红色、蓝色和绿色等颜色[7]。研究表明，变色菌种类不同，对木材材性的影响也不同，主要表现在改变木材颜色和增加木材的渗透性[8]。霉菌对木材的影响与变色菌类似，但是变色更浅。

笔者以链格孢霉(A.alternate)、桔青霉(P.citrinum)和绿色木霉(T.atroviride)侵染的西加云杉木材为研究对象，研究3种木材真菌对西加云杉材色、化学成分的影响及其感染途径，以期为西加云杉的合理利用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

链格孢霉(A.alternate)、桔青霉(P.citrinum)和绿色木霉(T.atroviride)，购自上海鲁微科技有限公司；土豆葡萄糖琼脂(PDA)培养基，购自广东环凯微生物科技有限公司。

西加云杉试材，取自江苏镇江中林新民洲港川雅木业有限公司，原产地美国阿拉斯加，为新进口湿材，生材含水率为62.0%。西加云杉试样规格为50 mm×20 mm×5 mm(纵向×径向×弦向)，无虫蛀、无变色、无霉斑。

1.2 试验设备

CR-5型分光测色仪(柯尼卡美能达投资有限公司)、TU-213型滑走切片机、Phenom Pro型扫描电镜(复纳科学仪器上海有限公司)、Alliance E2695高效液相色谱仪(美国Waters)、Lambda 950型紫外/可见/近红外分光光度计(美国Perkinelmer)和VERTEX 80V型红外光谱仪(德国Bruker)。

1.3 试验方法

1.3.1 颜色测定方法

按照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》，在西加云杉试样上分别接种链格孢霉、桔青霉和绿色木霉，培养4周后，对4组试样(正常材、链格孢霉感染试样、桔青霉感染试样和绿色木霉感染试样)进行材色测定。每组试样10个重复样品，共40个试样。

采用分光测色仪、D65标准光源拍照，用国际照明委员会的表色系统表色，在样品上随机取10个点，测得试样的色度学参数L*(明度指数)、a*(红绿轴色品指数)和b*(黄蓝轴色品指数)，并按如下公式计算色差ΔE*：

(1)

式中，ΔE*为色差；ΔL*、Δa*和Δb*为不同真菌感染试样的L*、a*和b*值与正常材的差值。

1.3.2 扫描电子显微镜观察

在试样纵切面连续切取5张切片(40 μm/片)，依次经过50%，60%，70%，80%，90%，95%和100%(体积分数，下同)乙醇脱水处理，再经50%乙醇+50%正丁醇和100%正丁醇防皱缩处理，每一级处理时间为20 min。将脱水以后的切片放在样品台上风干以挥发正丁醇，经离子喷金仪喷金处理，在扫描电镜下观察。

1.3.3 木材化学成分的测定方法

依据美国可再生能源实验室(NREL)法，测定木材中三大素的含量。首先，除去试样中的树脂和色素等杂质，选择乙醇索氏抽提法；第2步水解，选择质量分数72%和4%的硫酸，分两步进行水解，滤液采用高效液相色谱仪测定单糖含量，计算样品中纤维素、半纤维素的含量；滤渣用来测定酸不溶木质素的含量。

采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)定性分析木材三大素相对含量。采用溴化钾(KBr)压片法，使用红外光谱仪对试样进行扫描，扫描范围为400～4 000 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数为16次。

2 结果与分析

2.1 真菌对西加云杉木材材色的影响

正常材、链格孢霉感染试样、桔青霉感染试样和绿色木霉感染试样的色度学参数数据见表1。由表1可知，西加云杉木材经过链格孢霉、桔青霉、绿色木霉感染后，均发生了颜色变化。L*值普遍降低，即木材明度降低。a*、b*值变化趋势不一致，使得受3种真菌感染的木材变色不相同。其中，链格孢霉组试样红化明显，绿色木霉组试样黄化明显，桔青霉组向偏蓝方向发展，3组试样色差值都在12.00以上，说明肉眼观察就能看到木材发生非常明显的颜色变化[9-10]。

表1 感染真菌试样与正常材的色度学参数Table 1 Colorimetric values of Picea sitchensis wood infected with three kinds of fungi

2.2 真菌对西加云杉木材的感染途径

2.2.1 链格孢霉的感染途径

链格孢霉的感染途径见图1。受链格孢霉侵染4周后，链格孢霉连续5张切片的轴向管胞均观察到菌丝，并且菌丝在西加云杉轴向管胞之间的延伸是通过纹孔进行的， 在前3层的射线薄壁细胞中观察到菌丝。图1a2和1c2中，菌丝在射线内沿射线薄壁细胞生长；图1b2中的菌丝穿过了射线薄壁细胞的水平壁纹孔，说明链格孢霉变色菌可以深入西加云杉木材内部。木材感染变色菌后，细胞壁和细胞膜上会出现小孔洞，这致使木材更容易发生腐朽[11]。吕文华等[12]在观察蓝变西南桦木材纤维构造时发现了类似现象，蓝变菌的菌丝较粗，从一个细胞到另一细胞的穿越几乎全部经过细胞壁的纹孔。当西南桦中的菌丝直接穿过细胞壁时，细胞壁上被溶蚀出的孔非常小，比菌丝的正常宽度要小几倍。链格孢霉侵染西加云杉木材时，菌丝并没有直接穿透细胞壁，而是通过纹孔进行传播，细胞壁未发生溶蚀现象，未出现孔洞。

a1～a2)受链格孢霉菌感染试样的第1层切片; b1～b2)受链格孢霉菌感染试样的第2层切片; c1～c2)受链格孢霉菌感染试样的第3层切片; d1～d2)受链格孢霉菌感染试样的第4层切片; e1～e2)受链格孢霉菌感染试样的第5层切片。图1 西加云杉木材中链格孢霉菌丝的分布与感染途径Fig. 1 Distribution and infection pathway of A. alternate in Picea sitchensis wood

2.2.2 桔青霉的感染途径

桔青霉感染试样4周后，通过观察，仅第1层和第2层轴向管胞观察到桔青霉菌丝，结果见图2。图2a1、2b1中，菌丝通过纹孔穿过轴向管孢；图2a2、2b2、2c2中，菌丝分布在射线薄壁细胞中，图2c2中可观察到菌丝穿过射线薄壁细胞端壁上的纹孔。与链格孢霉不同，桔青霉无法侵入西加云杉内部。桔青霉侵染西加云杉木材后，菌丝在轴向管孢和射线薄壁细胞内均有分布。分析菌丝在射线薄壁细胞广泛存在的原因，是因为大部分射线由射线薄壁细胞构成，边材部分的薄壁细胞起贮藏营养物质的作用[13]，而淀粉粒是木射线薄壁细胞的储藏物质，也是糖代谢活动的起点，特别适于变色菌及霉菌的繁殖，因此菌丝主要侵染射线薄壁细胞[14]。

a1～a2)受桔青霉菌感染试样的第1层切片; b1～b2)受桔青霉菌感染试样的第2层切片; c1～c2)受桔青霉菌感染试样的第3层切片; d1～d2)受桔青霉菌感染试样的第4层切片; e1～e2)受桔青霉菌感染试样的第5层切片。图2 西加云杉木材中桔青霉菌丝的分布与感染途径Fig. 2 Distribution and infection pathways of P. citrinum in Picea sitchensis wood

2.2.3 绿色木霉的感染途径

绿色木霉感染西加云杉试样4周后，通过观察，仅第1层、第2层轴向管胞和射线薄壁细胞观察到绿色木霉菌丝，结果见图3。图3a1、3b1中，菌丝通过纹孔穿过轴向管孢；图3a2、3b2中，菌丝分布在射线薄壁细胞中，且菌丝数量较少；图3c1、3c2、3d1、3d2、3e1和3e2中未见绿色木霉菌丝分布。

与链格孢霉相比，绿色木霉菌丝较细，且菌丝数量较少。与链格孢霉和桔青霉相同，并未观察到真菌对木材细胞壁产生破坏。

a1～a2)受绿色木霉菌感染试样的第1层切片; b1～b2)受绿色木霉菌感染试样的第2层切片; c1～c2)受绿色木霉菌感染试样的第3层切片; d1～d2)受绿色木霉菌感染试样的第4层切片; e1～e2)受绿色木霉菌感染试样的第5层切片。图3 西加云杉木材中绿色木霉菌丝的分布与感染途径Fig. 3 Distribution and infection pathways of T. atroviride in Picea sitchensis wood

2.3 真菌对木材化学成分的影响

2.3.1 真菌对西加云杉木材三大素含量的影响

采用美国国家可再生能源实验室(NREL法)提供的生物质主要化学成分分析的方法分析，结果见表2。表2中空白对照试样的半纤维素相对含量为25.53%，而真菌侵染后，链格孢霉侵染木材(T1)、桔青霉侵染木材(T2)、绿色木霉侵染木材(T3)试样半纤维素的相对含量分别下降至23.73%，24.27%和24.09%，分别降低了1.80%，1.26% 和1.44%;3种真菌对于半纤维素的降解能力相似，且降解程度有限。与半纤维素不同的，空白对照试样纤维素相对含量为46.48%，木质素相对含量为26.33%，真菌侵染后，T1、T2、T3试样的纤维素相对含量分别为45.79%，47.96%和48.10%，木质素的相对含量分别为26.13%，26.95% 和27.30%，均呈现上升趋势。这是由于试样中半纤维素的相对含量减少，使纤维素与木质素的相对含量有一定的提高。这表明3种真菌主要降解西加云杉中的半纤维素。研究一般认为变色菌侵蚀的主要是细胞的内含物[15]，而不会破坏木材细胞壁结构，但根据NREL法测定的各项抽提物的含量来看，变色菌在适宜的条件下，也会溶蚀木材细胞壁，造成半纤维素含量降低。针叶材中，半纤维素含量25.00%～35.00%，主要分布在木材细胞壁的初生壁和次生壁[16]。3个试验组半纤维素相对含量降低1.50%左右，结合菌丝在细胞中的分布和渗透，表明3种真菌仅破坏了木材细胞壁的次生壁内表层部分。

表2 真菌侵染西加云杉木材的化学成分测定结果Table 2 Experiment results of chemical compositions of the wood infected by fungus and noninfected wood %

2.3.2 红外光谱分析真菌对西加云杉木材成分的影响

木材的FT-IR分析制样简单，广泛用于分析物质的官能团[17]。测得西加云杉正常材与变色材的红外光谱归属见表3，对变色材和正常材红外光谱分析中官能团吸收峰的归属进行了总结。

表3 真菌感染试样与空白试样红外光谱特征吸收峰及官能团归属Table 3 Chemical groups and their FT-IR spectrum features of fungi wood and noninfected wood

图4 变色材与正常材的红外光谱图Fig. 4 The FT-IR spectrum of stained wood and noninfected wood

3 结 论

1)西加云杉木材分别感染链格孢霉、桔青霉和绿色木霉4周后，ΔE*分别为32.33，17.94和22.97，均大于12.00，变色非常明显。3种真菌造成的变色不一致，其中，链格孢霉组试样红化明显，桔青霉组试样蓝化明显，绿色木霉组试样黄化明显。

2)3种真菌侵染深度不同，链格孢霉变色菌可以侵染木材内部，桔青霉和绿色木霉无法侵入木材内部，同时3种真菌感染木材的途径一致：轴向管胞内有菌丝，射线薄壁细胞中有菌丝，射线管胞中则不存在；菌丝在西加云杉轴向管胞之间的延伸是通过纹孔进行的，菌丝在射线内沿射线薄壁细胞生长，穿过射线薄壁细胞的水平壁纹孔进行感染。

3)西加云杉木材经链格孢霉、绿色木霉和桔青霉感染后，1 737 cm-1处羰基吸收峰强度减弱，半纤维素相对含量降低。1 318和896 cm-1附近的纤维素特征吸收谱峰和1 607和1 511 cm-1附近的木质素特征吸收谱峰比较稳定。