Zbornik gozdarstva in lesarstva, 49, 1996, s. 205 - 218 GDK863 IZOLACIJA IN HIDROLIZA KSILANOV LESA KOSTANJEVEGA IZLUŽENCA Vesna TIŠLER• Majda KANOP•• Izvleček Prispevek obravnava kislinsko hidrolizo kostanjevega izluženca in pridobivanje monosaharidov, predvsem ksiloze. Analizo sladkorjev smo opravili z metodo ionske izmenjalne kromatografije. S predhodno hidrotermično obdelavo izluženca smo bisveno izboljšali izkoristek ksiloze. Ta je pretežno v vlakneni vodi oziroma liofilizatu, ostanek - lesna vlakna, v katerih je bilo zaslediti zanemarljivo količino ksiloze, pa je mogoče uporabiti za druge namene. Ključne besede: hidroliza, ksi/oza, monosaharidi ISOLATION ANO HYDROL YSIS OF XYLANS FROM HOT-WATER PREEXTRACTED CHESTNUT WOOD Abstract The paper discusses acidic hydrolysis of hot-water preextracted chestnut wood and the production of monosaccharides, especially xylose. Sugar analysis was carried out with ion exchange chromatography. The chestnut wood was hydrothermally treated prior to hydrolysis, which considerably increased the yield of xylose. This is found mainly in fiber water or a lyophilizate, while the residue, that is wood fibre, in which an insignificant amount of xylose was to be found, may be used for other purposes. Key words: hydrolysis, xy/ose, monosaccharides * dr., mag., dipl. inž. kemije, profesorica, Biotehniška fakulteta, oddelek za lesarstvo, Rožna dolina, c.Vlll/34, 1000 Ljubljana, SLO •• mag., dipl. inž. lesarstva, Srednja lesarska šola Ljubljana, Aškerčeva 1, 1000 Ljubljana, SLO 206 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 49 VSEBINA 1 UVOD .............................................................................. 207 2 METODE DELA ............................................................... 207 2.1 Sejalna analiza kostanjevega izluženca ......................... 208 2.2 Določanje pepela v lesu kostanjevega izluženca ............ 208 2.3 Ekstrakcija z organskimi topili ......................................... 208 2.4 Defibriranje ...................................................................... 209 2.5 Liofilizacija ....................................................................... 209 2.6 Kislinska hidroliza ............................................................ 21 O 2.7 Tekočinska kromatografija ............................................... 211 3 REZULTATI ..................................................................... 213 4 SKLEP ............................................................................. 216 SUMMARY ...................................................................... 217 VIRl .................................................................................. 218 1 UVOD 207 Tišler, V/Kanop,M: Izolacija in hidroliza ksilanov lesa ... : Sladkor je pomemben sestavni del prehrane in je potreben za normalno delovanje organizma, vendar zaradi nekaterih negativnih učinkov, kot: povzročanje zobne gnilobe in negativni vplivi pri sladkornih bolnikih, prihaja do večje porabe drugih sladil. Takšno sladilo je tudi poliol ksilitol, ki vse bolj pridobiva na veljavi v farmacevtski in živilski industriji. Izhodna surovina za proizvodnjo ksilitola so ksilani, ki jih je v lesovih listavcev od 15-30 %, zato smo se odločili raziskati postopke pridobivanja l'esnih polioz iz lesa kostanjevega izluženca. Do sedaj še nismo našli pravih odgovorov, kako koristno izrabiti ta ostanek, ki nastaja v velikih količinah pri proizvodnji tanina. Analiza je pokazala, da ta kemično in mehansko spremenjen les tudi po vodni ekstrakciji vsebuje še približno 20 % pentozanov, zato smo v njem s kislinsko hidrolizo nadalje razgradili lesne polioze na disaharidne oziroma monosaharidne enote. Predvsem nas je zanimal monosaharid ksiloza, hidrogeniranje ksiloze namreč vodi do ksilitola. S postopki ekstrahiranja, defibriranja, hidroliziranja in liofiliziranja smo poskušali doseči najboljši kvantitativni in kvalitativni izkoristek ksiloze iz lesa kostanjevega izluženca, izkoristek te razgradnje pa smo ugotavljali z metodo tekočinske kromatografije. 2 METODE DELA Literatura navaja naslednjo kemično sestavo lesa Castanea sativa Mill. (GORNIK 1991): Lignin Celuloza Pentozani Pepel Vodotopne snovi Alkalni ekstrakt Tanin 28,8 ... 34,7 % 42,0 ... 52,6 % 16,7 ... 19,7 % okrog 0,4 % okrog 5,4 % okrog 20,1 % 7,0 ... 16 % Pri industrijski predelavi kostanja ekstrahiramo les v obliki sekancev. Sekance izdelujemo na sekirostroju, do katerega prihaja les v obliki cepanic. V ekstraktorju po ekstrakciji tanina z mehčano vodo v baterijskem avtoklavu ostane mehansko in kemično spremenjen les-kostanjev izluženec. Pri vodni 208 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 49 ekstrakciji kostanja se raztopi 10% pentoza nov v suhi lesni masi kostanjevih sekancev, torej pred vstopom v nadaljnje kemične postopke vsebuje še približno 20% pentozanov. 2.1 Sejalna analiza kostanjevega izluženca Kadar kemijsko analiziramo les, moramo vedno izhajati iz vzorca, ki vsebuje enako velike delce znane velikosti. Rezultati se namreč bistveno razlikujejo med seboj, če primerjamo kemijsko analizo iveri s kemijsko analizo prahu istega vzorca. Zato moramo s sejalno analizo oddvojiti določeno frakcijo vzorca, ki jo navajamo poleg drugih rezultatov. Za sejalno analizo kostanjevega izluženca po ekstrakciji tanina smo uporabili stresalnik VEB THyR1 z šestimi siti z različno velikostjo odprtin. 2.2 Določanje pepela v lesu kostanjevega izluženca Med komponente lesa spadajo tudi anorganske snovi. Najdemo jih v drevesnem soku, pa tudi vezane na pektin in druge lesne sestavine (FENGEL, 1989). Njihovo količino določamo kot žarilni preostanek. Sežig v žarilni peči smo izvedli previdno, da smo preprečiti izgubo pepela zaradi prehitrega zgorevanja ali izparevanja mineralnih sestavin pri visoki temperaturi. Dobljen pepel smo ohladili v eksikatorju, stehtali in izračunali njegov delež v skupni sestavi lesa. 2.3 Ekstrakcija z organskimi topili Les poleg glavnih komponent celične stene vsebuje tudi dodatne snovi, to so akcesorne sestavine lesa. Ekstrakcija je reakcija, pri kateri ločujemo spojine iz raztopin ali trdih snovi s topili. Topila so pri sobni temperaturi tekoče in hlapne spojine, ki raztapljajo druge snovi, ne da bi jih kemično spreminjale, topljenec prehaja le v stanje večje disperzije. Iz lesa kostanjevega izluženca smo spojine (tanine, glukozide, enostavne polifenole ... ) ekstrahirali z metanolom in acetonom. Za ekstrakcijo, ki je trajala 24 ur, smo uporabili Soxhletov aparat. Ekstrahirane snovi, ki so se nabirale v bučki ekstraktorja, smo od topil ločili z 209 Tišler, V/Kanop,M: Izolacija in hidroliza ksilanov lesa ... : rotavaporjem, vzorec lesa kostanjevega izluženca pa smo po obeh ekstrakcijah hidrolizirali. 2.4 Defibriranje Zmlet les kostanjevega izluženca smo transportirali s polžnim transporterjem v defibrator (tip D, Defibrator AB Stockholm, švedska), v predgrelec, kjer smo ga obdelovali z vodno paro pod visokim tlakom. Zaradi prisotnosti nasičene pare in visoke temperature so potekale med predgrevanjem kemične spremembe lesa, les se je omehčal, najbolj pa se je omehčala srednja lamela, ki povezuje posamezne anatomske elemente. Plastificiran les smo nato razvlaknili v defibratorju z mehaničnim mletjem med dvema jeklenima diskoma. Da bi ugotovili, kako različni pogoji vplivajo na izkoristek ksiloze, smo defibriranje izvedli po dveh postopkih: 1 . postopek: tlak 1 O barov, temperatura 1 so0c, čas 1 O minut, 2. postopek: tlak 16 barov, temperatura 200°c, čas 10 minut. Po defibriranju (tlak se je spustil na atmosferskega), smo vlakna izpirali z vodo in jih kasneje na stiskalnici izželi. Vlakna smo na drobno razdrobili in postavili v klimatiziran prostor za 2 do 3 dni, kjer so dosegla vlažnost okrog 10 %. Poleg enakomerne vlažnosti so se v tem času v vlaknih izenačile tudi notranje napetosti, ki jih je povzročila poprejšnja termična obdelava. Po klimatiziranju smo odtehtano količino vlaken hidrolizirali s standardnim postopkom hidrolize. Prav tako smo hidrolizirali odmerjeno količino vlaknene vode. 2.5 Liofilizacija Liofilizacija je postopek sušenja, pri katerem se materialu odvzame vlaga pri temperaturi pod lediščem na način, da sam proizvod ne preide v tekoče agregatno stanje. Pri tem voda neposredno prehaja iz trdega, (led) v plinasto stanje. Da se ta prehod doseže, je nad materialom potrebno ustvariti ustrezen vakuum. Liofilizacija je potekala v treh fazah: 210 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 49 faza 1 : zmrzovanje, faza 2: sublimacija zmrznjene vode iz materiala pod vplivom visokega vakuuma, faza 3: odstranjevanje absorbirane vode iz materiala. Določeno količino vlaknene vode smo prefiltrirali skozi filtrirni papir v dve bučki in ju nato postavili v metanolno kopel. Proces rotiranja bučk v metanolni kopeli oziroma zmrzovanje vlaknene vode je potekal približno eno uro, oziroma tako dolgo, da v bučkah ni bilo več tekočega stanja. Zatem smo bučki prenesli v liofilizator in kasneje del liofilizata hidrolizirali. 2.6 Kislinska hidroliza S hidrolizo razgradimo polisaharide na osnovne monomerne enote. Hidroliza v kislem mediju je najvažnejša razkrojna reakcija glikozidno vezanih disaharidov, oligosaharidov in polisaharidov. Hidroliza s koncentrirano kislino poteka v dveh stopnjah. Najprej predhidroliza, nato pa še glavna hidroliza. S predhidrolizo se razcepijo rahlejše vezi, s čimer dobimo boljši izkoristek končnega produkta. 2.6.1 HIDROLIZA EKSTRAHIRANEGA LESA IN VLAKEN PO DEFIBRIRANJU V epruvete smo zatehtali 200 mg zmletega absolutno suhega lesa in prelili vzorec z 2 ml 72 % H2SO4. Epruvete smo postavili za eno uro v vodno kopel pri temperaturi 30°C. Vzorec smo vmes enkrat premešali in s tem zagotovili enakomerno delovanje kisline. Po končani predhidrolizi smo v epruvete odpipetirali najprej še 6 ml destilirane vode, nato pa vse skupaj spirali s 50 ml destilirane vode v 100 ml bučko. Pokrite bučke smo postavili v avtoklav za 40 minut pri temperaturi 120°c, kjer je potekala hidroliza. Po ohladitvi smo dopolnili bučke z destilirano vodo do oznake za 100 ml, vse skupaj pretresli in filtrirali prek filtrirnih lončkov G3. 211 Tišler, V./Kanop, M: Izolacija in hidroliza ksilanov /asa ... : Filtrat smo razredčili z mikrolobom v razmerju 1 3 250 ml vzorca 750 ml destilirane vode S tehtanjem filtrirnih lončkov pred hidrolizo in po njej smo kvantitativno določili delež oborine. 2.6.2 HIDROLIZA VLAKNENE VODE V 25 ml bučko smo odmerili 1 O ml vlaknene vode in odpipetirali 1 ml 5n H2SO4. Bučko, prekrito s steklenim zamaškom, smo prenesli v avtoklav za 40 minut, kjer je ob visoki temperaturi (120°C) potekala hidroliza. Po ohladitvi smo bučko dopolnili do oznake za 25 ml z destilirano vodo, vse skupaj pretresli in filtrirali. Uporabljali smo f!ltrirne lončke z ozako G4, ki smo jih prej posušili in stehtali. Hidrolizat smo razredčili z destilirano vodo s pomočjo mikroloba v razmerju : 1 15 60 µI vzorca 900 µI destilirane vode 2.6.3 HIDROLIZA LIOFILIZATA V 25 ml bučko smo odtehtali 100 mg absolutno suhe snovi in k temu odpipetirali še 1 O ml 1 % H2SO4. Bučko smo pokrili, pretresli in postavili v avtoklav za 40 minut pri 120°c. Po hidrolizi smo ohlajene bučke dopolnili z destilirano vodo do oznake za 25 ml, vse skupaj premešali in filtrirali prek filtrirnih lončkov G4. Dobljen hidrolizat smo razredčili z destilirano vodo v enakem razmerju kot hidrolizat vlaknene vode. 2.7 Tekočinska kromatografija Kromatografija je separacijski proces in predstavlja skupno ime za fizikalnokemijske metode razdvajanja komponent iz zmesi oziroma raztopin. Kromatografska analiza je postopek, kjer najprej ločimo posamezne komponente vzorca in jih nato zaznamo z ustrezno detekcijo za kvantitativne in kvalitativne določitve (ŽORŽ, 1991). Hidrolizate ekstrahiranega lesa, vlaken, vlaknene vode in liofilizata, smo analizirali na tekočinskem kromatografu (Biotronic 212 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 49 Carbonhydrate analytical system), ki deluje na principu ionsko izmenjalne kromatografije s pokolonsko derivatizacijo. Karakteristike sistema za analizo ogljikovih hidratov so naslednje : - mobilna faza : - kalijev tetraboratni pufer - Boraxpuffer, pH:9, 18 - molarnost: 0,49, pretok: 40 ml/h - predkolona: - dimenzije: 1 O x 0,6 cm, tip smole: DOWEX 1 - X4 - kolona : dimenzije: 30 x 32 cm, temperatura=60°C - tip smole: DURRUM DA-X4, maks. velikost por: 20 µm - pokolona: dimenzije 30 m x 0,5 mm, temperatura 11 o0c - reagent: bakrov bicinkonat (BCA), pretok:20 ml/h - detektor: fotometer, valovna dolžina 546 nm Analizo sladkorjev, ki je v bistvu razdeljena na separacijo vzorca in detekcijo ločenih komponent, lahko poenostavljeno prikažemo takole: Slika 1: Fig.1: ' - - - - - -no2a manou arabl.noza galaktoza kslloza ntn1