Wood Extractive Compounds - Extraction, Chemical composition, Biological activity, Native durability

Ing. Ing. Pavel Sablík

Doctoral thesis

Extraktivní látky dřeva: Extrakce, Chemické složení, Biotická aktivita, Přirozená trvanlivost

Abstract:

Výzkum zaměřený na chemické složení dřeva je zásadní nejen pro využití tohoto materiálu k získávání látek pro dřevozpracující, potravinářský nebo farmaceutický průmysl. Nespočet vědeckých prací bylo motivováno poznatkem, že dřevo některých druhů dřevin vykazuje výrazně vyžší odolnost vůči působení biotických činitelů degradujících dřevní hmotu, a tudíž je jeho využití výrazně vhodnější pro náročnější aplikace, například zabudování v kontaktu se zemí nebo vodou. Tato významná vlastnost dřeva je připisována především obsahu extraktivních látek, které jsou produkovány při tvorbě jádrového dřeva.Tato disertační práce si proto klade za cíl zjistit možnosti využití extraktivních látek dřeva akátu (Robinia pseudoacacia L.) jako impregnačního prostředku pro zvýšení odolnosti dřeva s menší přirozenou odolností.Experimentální část práce byla provedena v prostorách a za použití vybavení Mendelovy university v Brně a to především v v laboratořích výzkumného centra v Útěchově.Článek 01 se zabývá ustanovením metodiky práce s extrakčním přístrojem fexIKA. Popisuje především kvantitativní možnosti zisku extraktivních látek při použití rozličných organických rozpouštědel. V rámci výzkumu prezentovaného v tomto článku bylo jako zdrojového materiálu využito dřeva (jádro a běl) a kůry akátu (Robinia pseudoacacia L.), jakožto zásadního zdroje pro další výzkum, a to především pro extrémně vysokou odolnost tohoto dřeva, přirozeně rostoucího ve střední Evropě. Výsledkem bylo stanovení metodiky práce pro základní rozpouštědla (aceton, benzen, cyklohexan, etanol a destilovanou vodu).Vliv jednotlivých extračních vstupů (velikost částic extrahovaného materiálu, typ rozpouštědla, teplota) na kvalitativní a kvantitativní výsledek extračního procesu byl předmětem zájmu výzkumného projektu prezentovaném v Článku 02. Ten prokázal srovnatelné výsledky extrakce s literárními zdroji. Zároveň byl popsán vliv výše zmíněných parametrů a metodou HPLC-HRMS identifikován obsah získaných extraktů.Přímé využití látek, získaných pomocí metodiky popsané v Článku 01 a extrahovaných s cílem vysokého podílu fenolických sloučenin podle výsledků Článku 02, bylo námětem Článku 03. Zde byla přímo prokázána fungicidní aktivita extraktivních látek akátu (Robinia pseudoacacia L.) a afrického padouku (Pterocarpus soyauxii Taub.) po tlakové impregnaci do bělového dřeva buku (Fagus sylvatica L.), které je hodnoceno třídou 5 jako netrvanlivé a v rámci experimentu ukázalo průměrné hmotnostní úbytky neošetřeného dřeva 43.6%. Po aplikaci extraktivních látek došlo ke zvýšení jeho odolnosti proti působení dřevokazné houby Trametes versicolor a to až na úrověň třídy 3 s průměrnou hmotnostní ztrátou 12.7%.Článek 04 pokračuje s výzkumem fixace extraktivních látek ve dřevě po impregnaci a testu vyluhovatelnosti. S cílem zvýšit fixaci impregnovaných látek ve dřevě bylo použito tepelného ošetření vzorků. Výsledky experimentu potvrdily významnou závyslost mezi fixací látek ve dřevě a tepelným ošetřením.

Abstract:

Wood chemical composition research is of significant importance for various fields like wood-manufacturing, food and pharmaceutical industries. Much research work has been motivated by the fundamental knowledge that wood of some tree species demonstrate significantly higher native durability against biological degradation and therefore is much convenient to use in more demanding applications, e.g. in contact with soil or water. This important wood property was assign mainly to presence of extractive chemical compounds or secondary metabolites, produced by wood when heartwood is formed.The presented doctoral thesis aims to find the possibilities of how to utilize extractive chemical compounds found in Black locust (Robinia pseudoacacia L.) as treatment solutions. These can be used to increase the durability of low durable wood species.The experimental part of the presented thesis was carried out using the laboraties and equipment of the Mendel University in Brno, and their external laboratories of research centre in Útěchov.Paper 01 aims to establish methodology for extraction apparatus fexIKA. Describes mainly possibilities for quantitative gains of extractives when using various organic solvents. Within this papers research scope heartwood, sapwood and bark of Black locust were used as the source material. Black locust was choosen mainly due to its extremely high native durability, together with oak considered highest in Central Europe, and for longer term experimental plans and reason. The established methodology for primal solvents (acetone, benzene, cyclohexane, ethanol and distilled water) was the result of this paper.The influence of extraction inputs (particles size, solvent type and temperature) on quantitative and qualitative result of extraction process was the topic for research design presented in Paper 02. In the paper comparable results with literature and established fexIKA methodology were proven. Also the effect of the above mentioned inputs are described and extracted chemical content was identified using HPLC-HRMS technique.The possibility of utilizing chemical compounds obtained, based on Paper 01 extractive methodology, aimed for higher content of phenolic compounds according to Paper 02 results, were the topic of Paper 03. This research paper proves antifungal activity of Black locust (Robinia pseudoacacia L.) and African padauk (Pterocarpus soyauxii Taub.) extracts after impregnation into European beech (Fagus sylvatica L.) sapwood. This wood species is assessed as class 5 (not durable), with an average mass loss result after the durability test of untreated samples 43.6 %. Native durability of European beech wood was significantly improved after impregnation with extractives, mass loss resulted in average 12.7 %. This revalued treated beech sapwood into durability class 3.Paper 04 continues with a study of extractives retention in wood matrix after impregnation whilst introducing adjusted leaching tests. Despite standard EN 84, this research employed miniaturized Bravery wood blocks for impregnation and leaching tests, which were at the end shortened to 144 hours. In order to increase the biologicaly active chemical compounds retention in the specimens, heat treatment was used. The results of the experiment proved the significance between heat treatment and retention.

Keywords

impregnace, odolnost, vyluhovatelnost, fenolické látky, HPLC–HRMS, tepelné ošetření, Extraktiva, Robinia pseudoacacia L., Fagus sylvatica L., fexIKA metodika

Keywords

durability, leaching, Fagus sylvatica L., fexIKA method, impregnation, thermal treatment, Robinia pseudoacacia L., phenolic compounds, HPLC–HRMS, Extractive content

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 9. 2018

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Vladimír Gryc, Ph.D.
• Reader: Hanuš Vavrčík, Ph.D., doc. Ing., Iveta Čabalová, externi, František HApla, externi

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

Doctoral programme / field:
Wood-Working Engineering / Wood Processing and Timber Technology