raziskave in razvoj UDK: 676.15:543.544 Pregledni znanstveni ~lanek (A Rewiew) Analiza ekstraktivnih spojin v bukovih sekancih Determination of extractive compounds in beech chips avtorja mag. Janja ZULE, dr. Adolf MO@E In{titut za celulozo in papir, Bogi{i~eva 8, 1000 Ljubljana Izvleček/Abstract Predstavljena je plinsko kromato-grafska analiza kemijske sestave ekstraktivnih komponent v bukovih se-kancih, namenjenih proizvodnji papirja. Identificirane in kvantitativno ovrednotene so posamezne skupine lesnih lipidov, in sicer proste ma{~obne kisline in steroli ter sterolni estri in tri-gliceridi. Okaraktirizirani so posamezni predstavniki teh skupin, med njimi tudi spojine, katerih delujejo mote~e pri proizvodnji papirja. Gas chromatographic analysis of extractive compounds from beech wood chips, meant for paper production, is presented. The most important groups of wood lipids like free fatty acids and sterols, as well as steryl esters and trig-lycerides have been identified and quantitatively evaluated. Individual representatives of these groups have been characterized, among them also substances, causing detrimental effects in paper production. Klju~ne besede: bukovi sekanci, ekstraktivne spojine, kemijska sestava, plinska kromatografija Keywords: beech chips, extractive compounds, chemical structure, gas chromatography Uvod Les listavcev pridobiva ~edalje ve~ji pomen v celulozno papirni industriji zaradi specifi~nih karakteristik celuloznih vlaken. Tako je mo‘no predelovati ve~ zvrsti, med katerimi so naj-pomembnej{e breza, evkaliptus in bukev. Vlakna razli~nih listavcev se razlikujejo med seboj po morfolo{-kih in kemi~nih lastnostih. Za bukev, ki je pri nas najbolj raz{irjeno gozdno drevo, je zna~ilno, da ima te‘ak les, v katerem zavzemajo vlakna okrog 44 % lesnega volumna. V povpre~ju so dolga od 0,4 do1,7 mm in imajo sorazmerno debele celi~ne stene. Medtem ko je funkcija dolgovlaknate celuloze iglavcev, da podeli papirni strukturi ustrezno mehansko jakost, pa bukova vlakna izbolj{ujejo lastnosti papirja, kot so voluminoznost, opaciteta, poroznost in povr{inska struktura (1,2). Sve‘ bukov les vsebuje v primerjavi s smrekovim relativno malo hidro-fobnih ekstraktivnih spojin, in sicer v povpre~ju od 0,5 do 1 %, vendar pa so med njimi tudi komponente, ki povzro~ajo nastajanje lepljivih oblog na papirni{ki strojni opremi, made‘e na izdelkih in druge tehnolo{ke te-‘ave. Pri skladi{~enju oziroma staranju lesa v obliki sekancev, nalo‘enih v visoke kupe, se koli~ina ekstrak-tivne snovi nekoliko zni‘a, hkrati pa se spremeni njena kemi~na sestava zaradi razli~nih degradacijskih procesov, vendar pa je ~as staranja bistveno kraj{i kot pri smrekovem lesu, saj gre nemalokrat v proizvodnjo prakti~no sve‘ les. Da bi ugotovili, kako in v kak{ni meri ekstraktivne komponente vplivajo na proces izdelave papirja, jih moramo najprej kemijsko okarakterizirati ‘e na za-~etku proizvodnje, to je v lesu, nato pa spremljati skozi ves tehnolo{ki postopek, saj je od njihovih lastnosti in obna{anja marsikdaj odvisna nemotenost proizvodnje pa tudi izbira najustreznej{ih ukrepov za omilitev njihovega {kodljivega delovanja (3, 4, 5). Eksperimentalni del Analizirali smo bukove sekance po relativno kratkem ~asu skladi{~enja, tik pred vstopom v proizvodnjo celuloze po magnefitnem postopku. Do-lo~ili smo koli~ino in kemi~no sestavo ekstraktivnih komponent v hek-sanskem in acetonskem ekstraktu ter hidrolizatu heksanskega ekstrakta. Priprava vzorca 1000 g naklju~no izbranih sekancev smo narezali na drobne trske, jih 24 Les 53(2001) 9 raziskave in razvoj ur su{ili z zmrzovanjem, nato pa zmleli v lesno moko. 10 g homogenizirane lesne moke smo 8 ur ekstra-hirali s heksanom v Soxhlet ekstrak-torju. Ekstrakt smo vakuumsko posu{ili pri 40 °C in stehtali. Neto-pen preostanek lesne moke smo na enak na~in ekstrahirali {e z acetonom. Vse ekstrakcije smo izvedli v petih ponovitvah. Heksanski ekstrakt smo hidrolizirali v alkalnem z dodatkom 0,5 M raztopine KOH v etanolu. Zmes smo segrevali pri temperaturi 70 °C pribli‘no 3 ure. Po kon~ani hidrolizi smo dodali destilirano vodo in nakisali z 0,5 M H2SO4 do pH 3,5. Nastalo sus-penzijo smo 2-krat ekstrahirali s heksanom. Analiza vzorca Dolo~ili smo vsebnost heksanskega in acetonskega ekstrakta. Po dodatku standardnih spojin, to je heneikoza-nojske kisline (S1), betulinola (S2), holesteril heptadekanoata (S3) in 1,3-dipalmitil-2-oleil glicerola (S4) za umeritev kromatografskih kolon, smo ekstrakta silanizirali z dodatkom ustreznih reagentov, in sicer 80 /jll BSTFA (bis-trimetilsilil-triflu-oro-acetamid) in 40 jA TMCS (tri-metilklorosilan). Reakcijske zmesi smo segrevali 1 uro pri 70 °C. Po kon~ani derivatizaciji smo naposled oba ekstrakta in hidrolizat {e kro-matografsko ovrednotili. Pogoji plinske kromatografije Kromatograme ekstraktov smo posneli na kratki (1) in dolgi (2) kapilarni koloni. Prvi (1) so bili posneti na aparatu VARIAN 3400 in naslednjih eksperimentalnih pogojih: • SPI-injektor: 80 °C (0,5 min); 200 °C/min; 340 °C (18 min.) • Kolona HP-1 (5 m x 0.53 mm): 100 °C (1,5min) ; 12 °C/min; 340 °C (5 min.) • Nosilni plin H2: 20 ml/min • Detektor FID: 340 °C Drugi (2) so bili posneti na aparatu Perkin Elmer Autosystem XL in eksperimentalnih pogojih: • Injektor 250 °C • Kolona HP-1 (25 m x 0.20 mm): 150 °C (0,5 min); 7 °C/min; 230 °C; 10 °C/min; 290 °C (10 min.) • Nosilni plin H2: 1,5 ml/ min • Detektor FID: 340 °C Kvantitativne dolo~itve smol-nih komponent so povpre~ne vrednosti petih kromatografskih meritev. Rezultati L Bukovi sekanci so vsebovali 1 mg/g heksanskega in 7 mg/g acetonskega ekstrakta. V hek-sanskem ekstraktu smo analizirali posamezne skupine lesnih lipidov, v acetonskem pa druge, bolj polarne komponente (slika 1, slika 2, preglednica 1). Kromatogram na sliki 1 je najpopolnej{i prikaz strukture bukovih lipidov, saj so vidne vse komponente hkrati. Prostih ma{~obnih kislin (MA) je izredno malo, saj je bil les staran le kratek ~as, zato {e ni potekla obse‘nej{a hidroliza vi{je molekularnih, za papirni~arje zelo neugodnih sestavin, kot so trigliceridi (TG) in sterolni estri (SE). To dokazujeta tudi intenzivna kromatograf-ska vrhova teh spojin, ki sta ob standardih S3 in S4. Presene~a visoka koncentracija prostih sterolov (ST), kar ka‘e na to, da imajo ti tudi v bukovem lesu pomembno fiziolo{ko funkcijo. Razli~no od smrekovega lesa tu smolnih kislin ni opaziti. Slika 1. Plinski kromatogram heksanskega ekstrakta, posnet na kratki koloni Slika 2. Plinski kromatogram acetonskega ekstrakta, posnet na kratki koloni Preglednica 1. Vsebnost posameznih skupin lesnih ekstraktivo v bukovih sekancih t nih Vrsta spojine Vsebnost (mg/g) MA - ma{~obne kisline 0,1 2 ST - steroli 0,28 SE - sterolni estri 0,37 TG - trigliceridi 0,17 Kromatogram na sliki 2 je posnetek acetonskega ekstrakta. Opazimo pre-cej{nje {tevilo komponent, med katerimi so lignani le v sledovih. Navedene spojine visokih koncentracij sicer niso sestavine lepljivih oblog, so pa tipi~ne za bukov les. Lipidne sestavine heksanskega ekstrakta in mno‘ico polarnej{ih spojin v acetonskem ekstraktu smo nato podrobneje okarakterizirali, in sicer ijaLes 53(2001) 9 raziskave in razvoj po posameznih komponentah. V ta namen smo uporabili kromatografije na dolgi kapilarni koloni visoke lo~-ljivosti. Tako smo lahko definirali ma{~obne kisline (MA) in sterole (ST) ter del ni‘je molekularnih spojin iz acetonskega ekstrakta, saj vi{ja molekularna frakcija pri teh eksperimentalnih pogojih ni zaznavna (slika 3, slika 4, preglednica 2). Vsebnost in sestava ma{~obnih kislin ne presene~ata, medtem ko sta bolj zanimivi visoka koncentracija enostavnih sladkorjev v acetonskem ekstraktu in pa odsotnost lignanov. Tipi~no za listavce namre~ je, da vsebujejo precej ve~ ogljikovih hidratov kot iglavci in manj lignina in ligninu sorodnih komponent. Prav to dokazujejo na{e analize, saj v acetonskem ekstraktu smrekovih sekancev ni bilo opaziti sladkornih enot, ampak le karakteristi~ne lignane, ki pa jih v bukovem lesu prakti~no ni. Sladkorne komponente s tehnolo{kega sta-li{~a niso tako zanimive, ker ne pov-zro~ajo nastanka lepljivih oblog, so pa zaradi dobre topnosti pomembni onesna‘evalci procesne vode. Posamezne sladkorje smo identificirali z masno selektivnim detektorjem. Zaradi relativno visoke koncentracije sterolnih estrov (SE) in trigli-ceridov (TG) v heksanskem ekstraktu smo le-tega hidrolizirali, da bi ugotovili, katere vi{je ma{~obne kisline jih sestavljajo. Hidrolizat smo nato kromatografsko ovrednotili in je prikazan na sliki 5. 1. Oblak-Rainer, M.: Papir 19 (1991)4, 14 6 - 15 0 2. Zule, J.; Mo‘e, A.: Papir 28 (2000) 3/4, 93 - 97 3. Britt, K. W. : Handbook of pulp and paper technology, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1970 4. Hillis, W. E.: Wood extractives and their significance to the pulp and paper industries, Academic Press, New York-London, 1962 5. Sjöström, E.; Alén, R.: Analytical methods in wood chemistry, pulping and papermaking, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 1999 ^e primerjamo sliko 1 in sliko 5, vidimo, da so se po hidrolizi res po-ve~ale koncentracije ma{~obnih kislin (MA) in ß-sitosterola (ST), medtem ko so sterolni estri (SE) in trigliceridne enote (TG), ki jih ponazarjajo komponente ob standardih S3 in S4, popolnoma izginile. S kromatografiranjem na dolgi kapilarni koloni smo ugotovili, da je porasla predvsem koncentracija nena-si~ene linolne kisline, ki je v papir-ni{kih sistemih zaradi svoje reaktivnosti ena najbolj neza‘elenih spojin. Sklep Analiza kemijske sestave ekstrakti-vov v bukovih sekancih je pokazala nizko vsebnost prostih ma{~obnih kislin na eni strani in dokaj visoke koncentracije ß -sitosterola ter vi{jih li-pidov, to je sterolnih estrov in trigli-ceridov na drugi, kar pomeni, da je bil proces staranja {ele na za~etku. Ker omenjene vi{je komponente sestavljajo prete‘no nenasi~ene ma-{~obne kisline, kar smo dokazali s hidrolizo, lahko upravi~eno trdimo, da bukova “smola” zaradi svoje hidro-fobnosti, lepljivosti in reaktivnosti deluje mote~e v proizvodnji papirja. Nenavadna sestava acetonskega ekstrakta pomeni, da se med proizvodnjo iz bukovih vlaken spro{~ajo lesni sladkorji, ki obremenjujejo procesne vode in so hkrati izvrstna hrana mikroorganizmom v okolju. Zahvala Analizo sekancev smo izvedli na finski univerzi Abo Akademi University, in sicer na oddelku “Department of Forest Products Chemistry”, ki ga vodi prof. Bjarne Holmbom. Njemu in sodelavcem se za sodelovanje in pomo~ pri delu iskreno zahvaljujemo. Preglednica 2. Identificirane spojine na sliki 3 in sliki 4 Oznaka Spojina 1 palmitinska kislina 2 linolna kislina 3 oleinska kislina 4 stearinska kislina 5 ß-sitosterol 6 glicerol 8 ksilitol 7 9-16 enostavni lesni sladkorji 17 katehin ijaLeS 53(2001) 9