检索项:   检索词:    
  世界林业研究  2011, Vol. 24 Issue (1): 51-55  
0

引用本文  

胡生辉, 徐国祺, 付跃进, 等. 植物源提取物木材防腐剂的研究现状与展望[J]. 世界林业研究, 2011, 24(1): 51-55.
Hu Shenghui, Xu Guoqi, Fu Yuejin, et al. Status and Prospect of Study on Plant Extracts for Wood Protection[J]. World Forestry Research, 2011, 24(1): 51-55.

基金项目

质检行业公益专项室外用人造板标准中重要性能检测方法研究(200810580)

通信作者

刘君良, 男, 中国林业科学研究院研究员、博士生导师

作者简介

胡生辉(1982-), 女, 内蒙古农业大学硕士研究生

文章历史

收稿日期:2011-01-18
植物源提取物木材防腐剂的研究现状与展望
胡生辉1,2 , 徐国祺2 , 付跃进2 , 刘君良2     
1. 内蒙古农业大学, 呼和浩特 010018;
2. 中国林业科学研究院木材工业研究所, 北京 100091
摘要:自然界的许多植物中均含有抑菌性和防虫性物质, 如果将这部分资源开发并用于木材防腐, 来替代和部分替代现有的合成类木材防腐剂, 将会促进人居和生态环境的改善。随着发展绿色、环保型木材保护技术的呼声越来越高, 世界范围内的很多学者广泛开展了植物提取物木材防腐剂的研究。文中对国内外植物源木材防腐剂的研究及其在木材和木制品保护中的利用进行概述, 并对今后的植物源木材防腐剂研究进行展望。
关键词植物源木材防腐剂    提取物    活性成分    
Status and Prospect of Study on Plant Extracts for Wood Protection
Hu Shenghui1,2, Xu Guoqi2, Fu Yuejin2, Liu Junliang2     
1. Inner Mongolia Agriculture University, Hohhot 010018, China;
2. Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China
Abstract: Many plant-derived substances have fungitoxic, pecticidal and insecticidal ability.Natural extractives from plants are an alternative to synthetic or inorganic chemicals as wood preservatives for wood protection.As the demand for environmental and eco-friendly preservative rises, extensive research on various plant extracts has been conducted in this area worldwide.This article reviewed the research on plant extracts for wood protection at home and abroad and their application in preserving timber and timber products, and prospected the future research tendency.
Key words: plant extracts for wood protection    extractives    active components    

木材节约是发展循环经济、建设节约型社会的必然要求。通过防腐处理可以提高木材的耐腐朽、防变色、抗虫蛀能力, 延长木材使用寿命, 从而达到节约木材资源、减少森林采伐量之目的。目前, 市场上普遍使用的ACQ、铜唑以及CCA等木材防腐剂均包含对人体有一定危害的物质[1-2]。由于传统木材防腐剂本身固有的缺点及人们的不合理使用, 在使用过程中产生了一系列公害问题, 例如环境污染、对生物潜在毒性等一些不良影响已引起人们普遍关注。因此, 人们将目光投向了天然源木材防腐剂, 特别是植物源木材防腐剂的研究和开发。近年来, 植物源木材防腐剂因其低毒、低残留、对环境影响小而逐渐成为木材防腐研究的热点。植物是生物活性化合物的天然宝库, 其产生的次生代谢产物超过40万种, 其中大多数化学物质如萜烯类、生物碱、类黄酮、甾体、酚类、独特的氨基酸和多糖等均具有杀虫或抗菌活性[3]。因此, 开发利用植物资源用于木材有害生物防治的前景十分广阔。

1 植物源木材防腐剂研究现状

纵观历史, 人类对植物类木材防腐剂的利用最早起源于中医药和制药业。很早以前, 人类就开始利用天然提取物来保存木材。在古代, 人们用桐油涂刷木材后建造房屋, 经过处理后的木结构建筑能历经千百年而不朽。目前, 国内外已经开展的植物源木材防腐剂研究主要集中在以下几个方面。

1.1 树皮提取物

过去人们常把树皮作为燃料和肥料使用, 直到今天, 人们对其利用依然很少。树皮中的单宁、树脂和树蜡等成分含量很高[4], 如将木材加工过程中的这部分剩余物加以利用, 可产生一定的经济和社会效益。目前, 对树皮进行综合利用的主要方法是热解法, 即在隔绝空气条件下, 将树皮加热降解, 使其分解成小分子化合物的方法。Daniel[5]等对香脂冷杉和白云杉混合树皮经热解产生的木醋液馏出物进行的木材防腐性能研究表明, 以上2种混合树皮的木醋液馏出物能有效抑制木腐菌的生长, 其中的酚类物质发挥主要的抑菌作用。此外, 还利用软木树皮热解焦油制成的酚醛树脂对经过铜硼类防腐剂浸渍的白松和山毛榉试件进行二次浸渍处理, 经过3个菌种16周的腐朽实验后表明, 白松和山毛榉未处理材的平均失重率分别为43%和56%, 而处理材的平均失重率分别为12%和8%, 处理材的失重率明显降低[6]

人们很早就发现单宁具有一定的木材防腐效果, 从19世纪开始, 国外就用热水法提取橡木树皮中的单宁和单宁酸物质用于木材防腐[7]。Mitchell[8]用5%的乙醇单宁酸溶液浸渍处理木材, 随后再用40%的氯化铁溶液进行二次浸渍处理。处理材经海水侵蚀9个月后没有被海生钻孔类生物侵蚀, 而未处理材侵蚀严重。随后, Lotz[7]用不同浓度的单宁和不同浓度的锌、铜、铝、铬、铁复合金属盐处理木材, 经防腐试验后, 处理材的平均失重率为1.8%, 而未处理材的平均失重率为35%, 处理材的失重率明显降低。实验表明, 金属盐对单宁起到了一定的固着作用。

不同树皮所包含的化学成分不尽相同, 其中一部分树皮提取物对木材腐朽菌生长有抑制作用, 而另一些树皮成分则对木腐菌没有抑制作用。Yang[9]等评价了白杨、红枫、黄桦、香脂冷杉、白云杉和白柏的树皮提取物对不同霉菌、蓝变菌和腐朽菌的抑菌性。通过抑菌圈实验表明, 白云杉树皮提取物对腐朽菌的抑制作用最强, 其次是红枫, 白柏和香脂冷杉的树皮提取物仅对部分被试菌种有效, 而黄桦树皮提取物对腐朽菌几乎没有抑制作用。不同溶剂的树皮提取物对目标对象的防治作用也不尽相同。杨冬梅[10]以长白落叶松树皮为原料, 用乙醚、氯仿、丙酮、甲醇和水5种溶剂对其加热回流提取, 采用滤纸片法研究5种溶剂提取物的抑菌性能。结果表明, 树皮水提取物对彩绒革盖菌、密粘褶菌和球毛壳菌有较好的抑制效果, 而树皮乙醚提取物对宛氏拟青霉菌有较好的抑制效果。

1.2 天然耐腐性树种心材提取物

不同树种抗腐朽的能力差别很大。木材天然耐腐力不仅与木材本身组织构造有关, 还与木材中所含的抗菌性化学物质有关。红雪松(Thuja plicata Donn ex D.Don.)、白雪松(T.occidentalis L.)、黄雪松[Chamaecyparis nootkatensis (D.Don) Spach.]、紫杉(Taxus spp.)、红杉(Sequoia spp.)、柚木(Tectona grandis Linn.)等都是很好的天然耐久性树种, 尤其是心材部分的耐腐能力更强。红雪松和白雪松卓越的防腐能力来源于自然生长过程中产生的一种被称为大叶崖柏素的醇类物质, 另外从红雪松中可萃取出一种被称为“Thujic”的酸性物质, 当其浓度为0.1%~ 0.3%时就能确保木材不被昆虫侵蚀, 无需再做人工防腐和压力处理[11-12]。Clausen[13]等研究发现, 将0.5%的大叶崖柏素用于碳基硼酸盐类复方杀菌剂中, 能有效防治木材霉菌、腐朽菌和白蚁。Wan[14]等选用白雪松心材提取物来提高杨木刨花板的耐久性。实验采用热水法提取雪松心材物质, 再将提取物冷冻干燥成粉末, 在刨花搅拌过程、成型后或热压后加入其中。经过耐久性实验发现, 加入白雪松提取物的刨花板其抗霉菌性能得到提高, 但抗木腐菌能力无明显改善。苏文强[15]对山槐心材的甲醇提取物进行了研究, 并与ACC的木材防腐性能进行对比。结果显示, 山槐心材甲醇提取物有较强的防腐活性, 对某些木材腐朽菌的防腐效力与商业防腐剂ACC相当或相近。于文喜[16]对阔叶材中耐腐力强的暴马丁香心材的研究结果显示, 其心材氯仿提取物有较强的抗菌活性, 即使在0.005%的浓度下抑菌作用依然明显。经过对提取物的初步定性分析, 确定其心材提取物中的抗菌成分为酚类物质。

1.3 种子、果皮、草本提取物

从亚麻籽中提取出的亚麻籽油是最早的商用木材保护剂之一, 将它与其他天然提取物, 如桐油和橘皮松节油或硼酸盐等复配后, 涂于木材表面, 能对木材甚至是木质航海设施起到优异的保护作用。

一些果皮中含有活性抗菌物质, 它们的提取物可作为潜在木材防腐剂使用。Macias[17]等提取了不同柑橘皮的精油, 其中的挥发性成分和黄酮类化合物已经被建议作为木材防腐剂和防虫剂使用。

楝树叶和籽具有抗菌防腐功能[18]。Dhyani[19]对印度楝树(Azadirachta indica A.Juss.)叶的几种极性溶剂抽提物进行了抑菌性能研究。抑菌圈试验显示, 甲醇和乙醇提取物的防腐作用最好, 浓度为0.5% (实验用最低浓度)的提取物可对腐朽菌起到98%~ 99%的抑制作用, 1.5%(试验用最高浓度)丙酮抽提物对腐朽菌的抑制作用为50%~60%。经过浓度为4.5%的不同溶剂抽提物处理的白杨木的耐腐性是空白试件的3~4倍。楝树叶甲醇提取物显示了良好的抗白蚁能力。在楝树甲醇提取物中鉴定出橡黄素(quercetin)的抑菌活性物质。初步实验表明, 极低浓度的橡黄素就能阻止木腐菌的生长[20]

在众多草本植物中, 肉桂叶抽提物显示了优良的抗菌和防白蚁性能。Lin[21]对肉桂叶苯—乙醇混合溶剂提取物进行了木材防腐性能评价。室内耐腐实验表明, 经过浓度为5%的提取物处理过的试件, 在被褐腐菌和白腐菌侵害后, 质量损失率分别为0.8%和1.2%, 而未处理试件的质量损失率分别为31.8%和18.7%, 处理材的室内防腐能力大大提高。此外, 木材抗白蚁实验表明, 经浓度为5%的肉桂提取物处理过的试件, 被白蚁侵害后的质量损失率为1.35%, 而未处理试件的质量损失率为7.28%, 表明处理材的抗白蚁能力增强。

一部分中药已被证明具有抗菌性, 并广泛应用于治疗真菌和细菌感染。一种南美传统中药保阿果(pau d’arco)具有广谱杀菌性, 对烟曲霉和黑曲霉2种常见木材霉菌具有毒杀作用[22]。Diahanna[23]研究了6种成品草药的抑菌性能, 发现有3种草药具有中度至强度的抗菌性, 其中辛酸(Caprylic Acid)的抑菌圈测试结果显示出很强的抑菌性。

此外, 许多学者对植物根茎部分也开展了研究。Goktas[24]等对野合欢根茎的乙醇抽提物进行了研究, 经过山毛榉试件耐腐试验发现, 浓度为0.25%和0.75%的乙醇抽提物对腐朽菌有效, 当抽提物浓度适宜时可作为有效的木材防腐剂使用。Sadhna[25]等研究了马缨丹(Lantana camara)根、茎乙醇抽提物的抑菌性能, 通过抑菌圈实验, 对比分析了不同浓度马缨丹提取物培养基上木材腐朽菌的生长情况。结果表明, 经浓度不低于0.1%的马缨丹乙醇抽提物涂抹的培养基没有腐朽菌生长, 浓度为0.005%的培养基上褐腐菌和白腐菌生长面积分别为50%和28%。通过对提取物成分的分析发现, 乙醇抽提物中生物碱和苯酚类物质含量非常高, 萜类物质的含量也很可观。

2 存在的问题

大量科研实验表明, 植物源木材防腐剂对木材生物侵害具有一定的防治效果, 但从整体上看, 还存在许多问题:

1) 研究对象范围广, 筛选工作复杂。世界已知植物约有27万种, 种类十分繁多, 从中筛选出对木材侵害生物具有抑制作用的植物源对象需要一个周期很长的过程。

2) 植物成分复杂, 给提取、分离和纯化工作带来了一定困难。目前进行的植物源木材防腐剂大多停留在粗提物的抑菌性能研究上, 而对提取工艺、活性成分的纯化、分离、鉴定以及利用尚缺乏进一步的研究。有关天然产物的提取工艺很多, 传统方法主要是溶剂萃取法、水蒸气蒸馏法等。近年来又出现了超临界流体萃取法、生物酶解技术、超声提取技术、微波辅助技术等新方法。采用不同提取方法得到的提取物化学成分不同, 对目标对象的防治效果也存在差异。此外, 提取物成分还受产地、采收时间、储藏和加工工艺等因素影响, 成分含量和功效会有较大差异。从目前研究来看, 植物提取物木材防腐剂的提取、纯化、分离和鉴定还有许多技术问题难以解决, 这也给此类木材防腐剂的研究带来了挑战。

3) 植物源木材防腐剂环境稳定性欠佳, 使其应用范围受到限制。植物源木材防腐剂中的活性成分是植物次生代谢物质, 这类物质在使用过程中降解快、低残留, 因此对环境污染小。但这一特点作为优点的同时, 也是一个缺点。活性成分对外界环境因素敏感(如温度、空气湿度、光照、雨淋等), 有些活性成分在特定环境条件下会失活[26], 失活的物质对防治对象起不到毒杀作用, 从而影响对木材的防护效果。例如, 单宁因其易溶于水, 在木材中固着性较差, 使其在自然环境中的防腐效果不能持久。因此, 提高其在木材中固着性成为单宁提取物木材防腐剂研究的关键问题。如何维护植物源木材防腐剂在不同自然环境中的功效, 扩大其应用范围, 还有待进一步研究和探索。

4) 生产成本较高, 制约其应用与推广。植物源木材防腐剂的成本与其提取方法有关, 目前天然植物源提取物采用的提取方法成本较高, 得率较低。目前, 市场上ACQ防腐剂的价格大约为1.5万元/, t而很多天然植物提取物每克的价格都成百上千元。因此, 将其提取物直接用于实践中的可能性不大, 给其应用和推广造成了一定的难度。

3 植物源木材防腐剂发展趋势及展望

目前国内外对植物源木材防腐剂的研究尚处于探索性阶段, 有待研究和探讨的方面还很多。为了更大地发挥植物源木材防腐剂的环境优势, 开发出在实践中具有推广价值的产品, 今后对于植物源木材防腐剂的研究应从以下几个方面去思考:

1) 活性成分提取工艺研究。传统的提取方法存在提取率不高、提取物活性不强等问题, 制约了植物源木材防腐剂开发及其应用的进程。如何快速有效地从植物中提取出高抑菌性的活性成分已成为植物源木材防腐剂研究首先需要解决的问题。

2) 有效成分的分离、鉴定研究。利用现代仪器分析手段对植物提取物有效成分进行分离、鉴定, 解决提取物定性定量检测技术问题。

3) 活性成分的合成研究。提取物的采集需大量植物原料, 过度采伐可能会造成资源枯竭和生态环境的破坏。因此, 从长远发展来看, 植物源木材防腐剂的研究应在弄清活性物质化学结构与活性的基础上进行合成化合物的研究。目前, 人们已经掌握了某些植物提取物活性成分, 如人工紫杉醇、人工樟脑的合成方法已经用于生产实践。

4) 植物源木材防腐剂增效研究。以前的很多研究大多集中在单一药剂对单一目标对象的防治效果上, 虽然有一定效果, 但由于木材病原菌很多, 大多数情况下这些单一药剂往往在野外实验中防治失败。因此, 有必要通过植物提取物功能性复配, 发挥复合药剂的协同作用, 使其获得广谱、持续、有效的防治效果。例如, 单独使用亚麻籽油时很容易遭受霉菌侵蚀, 但将其与其他油类杀菌剂复配后使用能对木材起到良好的保护作用。亚麻籽油和硼酸复配后不仅能显著减少硼流失率, 还能提高产品的防白蚁效果[27]

5) 植物源防腐剂木材处理工艺的研究。针对不同类型植物源木材防腐剂的特点进行木材防腐处理, 例如, 对于精油类木材防腐剂通常采用涂刷的处理方式, 对于水载性植物源木材防腐剂采用常温浸泡、真空加压浸渍处理来获得更好的防腐效果。

总而言之, 植物源木材防腐剂的研究为木材防腐科技的发展开辟了一条新途径。虽然目前国内外对植物提取物作为木材防腐剂的研究尚处于探索性阶段, 有待研究和探讨的方面还有很多, 但随着生物、信息、分离鉴定等技术的发展, 植物源木材防腐剂的研究将不断取得新的突破。

参考文献
[1]
孟水平, 段新芳, 赵昭霞. 环境激素危害与我国木材保护环境安全对策[J]. 世界林业研究, 2006, 19(2): 47-50. DOI:10.3969/j.issn.1001-4241.2006.02.009 (0)
[2]
Frederick Green Ⅲ, Tor P Schultz. New environmentally-benign concepts in wood protection:the combination of organic biocides and non-biocidal additives[J]. American Chemical Society, 2003(23): 378-389. (0)
[3]
操海群, 岳永德, 花日茂, 等. 植物源农药研究进展[J]. 安徽农业大学学报, 2000, 27(1): 40-44. DOI:10.3969/j.issn.1672-352X.2000.01.010 (0)
[4]
Hark in J M, Rowe J W. Bark and its possible uses[R]. Madison: Forest Products Laboratory, 1971. (0)
[5]
Daniel Mourant, Yang Dian-Qing, Lu Xiao, et al. Anti-fungal properties of the pyroligneous liquors from the pyrolysis of soft wood bark[J]. Wood and Fiber Science, 2005, 37(3): 542-548. (0)
[6]
Daniel Mourant, Yang Dian-Qing, Christian Roy. Decay resistance of pf-pyrolyticoil resin-treated wood[J]. Forest Products Journal, 2007, 50(5): 30-35. (0)
[7]
Lotz. Wood preservation: United States, 4732817[P]. 1998. (0)
[8]
Mitchell. Protecting wood from wood degrading organisms: United States, 4220688[P]. Sep2, 1980. (0)
[9]
Yang Dian-Qing, Wang Xiang-Ming, Shen Jun, et al. A rapid methodfor evaluating antifungal properties of various barks[J]. Forest Products Journal, 2004, 54(6): 37-39. (0)
[10]
杨冬梅. 长白落叶松提取物对木材防腐作用的研究[D]. 哈尔滨: 东北林业大学, 2006. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10225-2006111142.htm (0)
[11]
Sowder A M. Toxicity of water-soluble extractives and relative durability of water-treated wood flour of western red cedar[J]. Industrial and Engineering Chemistry, 1929, 21(10): 981-984. DOI:10.1021/ie50238a022 (0)
[12]
Stirling R, Daniels C R, Clark J E, et al. Methods for determining the role of extracts in the natural durability of western red cedar heartwood [C]. The International Research Group on Wood Preservation, Wyoming, USA, 2007. (0)
[13]
Clausen Carol A, Yang Vina. Protecting wood from mould, decay, and termites with multi-component biocide systems[J]. International Biodeterioration and Biodegradation, 2007, 59(1): 20-24. DOI:10.1016/j.ibiod.2005.07.005 (0)
[14]
Wan Hui, Wang Xiang-Ming, Yang Dian-Qing. Utilizing eastern white cedar to improve the resistance of strand boards to mold and decay fungi[J]. Forest Products Journal, 2007, 57(3): 54-59. (0)
[15]
苏文强. 槐树提取物对木材防腐作用研究[D]. 哈尔滨: 东北林业大学, 2006. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10225-2006111145.htm (0)
[16]
于文喜, 康迎昆, 靳春波. 暴马丁香心材提取物中有效抗菌成分的研究[J]. 林业科技, 1996(6): 23-24. (0)
[17]
Macias F A, Torres A, Maya C C, et al. Natural biocides from citrus waste as new wood preservatives[C]. The Fourth World Congress on Allelopathy, NSW, Australia, 2005: 21-26. (0)
[18]
Tewari D N. Monograph on neem:Azadirachta indicaA.Juss[M]. Dehra Dun: International Book Distributors, 1992: 279. (0)
[19]
Dhyani Swati, Tripathi Sadhna, Jain V K. Neem leaves: a potential source for protection of hardwood against wood decaying fungus[C]. The International Research Group on Wood Preservation, Bangalore, India, 2005. (0)
[20]
Dhyani Swati, Tripathi Sadhna. Quercetin-a potential compound of A zadirachta indica A. Juss. (Neem)leaves exhibiting activity against wood decaying fungi and termites[C]. The International Research Group on Wood Preservation, Istanbul, Turkey, 2008. (0)
[21]
Lin Chun-Ya, Wu Chi-Lin, Chang Shang-Tzen. Evaluating the potency of cinnam aldehyde as a natural wood preservative[C]. The International Research Group on Wood Preservation, Wyoming, USA, 2007. (0)
[22]
Aida Portillo, Roser Vila, Blanca Freixa, et al. Antifungal activity of Paraguayan plants used in traditional medicine[J]. Journal of Ethnopharmacology, 2001, 76(1): 93-98. DOI:10.1016/S0378-8741(01)00214-8 (0)
[23]
Diahanna O C'allahan. Investigation in to the antifungal properties of herbal remedies for potential use in the wood preservation industry[C]. The International Research Group on Wood Preservation, Istanbul, Turkey, 2008. (0)
[24]
Goktas Osman, Ramazan Mammadov. Introduction and evaluation of the wood preservative potentials of the poisonous Sternbergia candidum extracts[J]. African Journal of Biotechnology, 2007, 6(8): 982-986. (0)
[25]
Sadhna Tripathi, Kangchan Rawat, Swati Dhyani, et al. Poential of Lantana Camara Linn Weed against wood destorying fungi[J]. Indian Forester, 2009(March): 403-410. (0)
[26]
代光辉. 植物源农药稳定性研究进展[J]. 世界农药, 2002, 24(4): 25. DOI:10.3969/j.issn.1009-6485.2002.04.006 (0)
[27]
Lyon F, M-F Thevenon, Y Imamura, et al. Development of boron/linseed oil combined treatment as a low-toxic wood protection: evaluation of boron fixation and resistance to termites according to Japanese and European standards[C]. The International Research Group on Wood Preservation, Wyoming, USA, 2007. (0)