Analýza hemicelulóz vybraných listnatých dřevin pomocí metody kapalinové chromatografie (HPLC)

Bc. Monika Nováková

Master's thesis

Analysis of hemicelluloses of selected hardwoods using liquid chromatography (HPLC)

Abstract:

Tato diplomová práce se zabývá analýzou hemicelulóz vybraných listnatých dřevin pomocí metody kapalinové chromatografie (HPLC). Chemickou analýzou dřeva se rozumí analýza polysacharidů, jejich zastoupení, složení a chemická struktura a kvalitativní i kvantitativní analýza polyaromatických složek ligninu a doprovodných extraktivních látek organického či anorganického původu. Tento výzkum hodnotí, zda je dřevo kanadského javoru (Acer saccharum) nahraditelné lokálním zdrojem dřeva z chemického hlediska či nikoli. Metoda HPLC, která byla použita, je využívána při zjišťování jednotlivých chemických složek hemicelulóz obsažených ve dřevě na základě rozdílného času průchodu detektorem. Zároveň tato metoda stanovila obsah ligninu ve vzorcích vybraných dřevin. Experimentálně bylo dále provedeno stanovení holocelulózy, Seifertovy celulózy a alfa celulózy. Měření probíhalo na vzorcích buku lesního (Fagus sylvatica), jasanu ztepilého (Fraxinus excelsior), jilmu horského (Ulmus glabra), břízy bělokoré (Betula pendula) a javoru klenu (Acer pseudoplatanus). Z výsledků experimentu je patrné, že javor klen se téměř ve všech hlavních složkách velmi podobá kanadskému javoru (má jen o přibližně 19,4 % vyšší obsah arabinóz a o 80 % vyšší obsah extraktivních látek). Lze tedy předpokládat, že by z hlediska svého složení a struktury, za předpokladu podobné hustoty při dané vlhkosti, mohl dosáhnout obdobných mechanických vlastností jako kanadský javor. Oba javory mají oproti ostatním dřevinám vyšší zastoupení celulózy a naopak nižší zastoupení hemicelulóz, tudíž se dá předpokládat i vyšší podíl odolnějších a z mechanického hlediska pevnějších krystalických oblastí ve dřevě. Možnou variantou s potenciálem náhrady kanadského javoru ve skateboardových deskách by případně mohl být z hlediska chemického složení ještě jasan ztepilý, který se s vybraných dřevin nejvíce ve sledovaných parametrech blíží javorům a obsahem žádné složky (až na zvýšené množství extraktiv) se od nich zásadně neodchyluje. Ve hře by mohl být případně i buk, ten se ovšem výrazně od kanadského javoru liší v obsahu glukózy. Břízu bělokorou nelze doporučit z důvodu vysokého podílu hemicelulóz vnášející do dřeva méně pevné a nestabilní amorfní oblasti a nízkého obsahu ligninu oproti kanadskému javoru. Jilm horský se svým složením liší od kanadského javoru z testovaných vzorků dřeva nejvíce – obsahuje nejnižší množství extraktivních látek a celulózy (resp. holocelulózy i alfa-celulózy) a naopak nejvyšší množství ligninu.

Abstract:

This thesis deals with the analysis of hemicelluloses of selected hardwoods using liquid chromatography (HPLC). The chemical analysis of wood means the analysis of polysaccharides, their representation, composition and chemical structure, as well as the qualitative and quantitative analysis of the polyaromatic components of lignin and accompanying extractive substances of organic or inorganic origin. This research evaluates whether or not Canadian Maple (Acer saccharum) wood is chemically replaceable as a local wood source. The HPLC method that was used is used in the detection of individual chemical components of hemicelluloses contained in wood based on the different passage time through the detector. At the same time, this method determined the lignin content in samples of selected wood species. The determination of holocellulose, Seifert cellulose and alpha cellulose was also carried out experimentally. Measurements were carried out on samples of beech (Fagus sylvatica), ash (Fraxinus excelsior), mountain elm (Ulmus glabra), birch (Betula pendula) and maple (Acer pseudoplatanus). From the results of the experiment, it can be seen that the maple maple is very similar to the Canadian maple in almost all the main components (it only has an approximately 19.4% higher content of arabinose and an 80% higher content of extractive substances). It can therefore be assumed that in terms of its composition and structure, assuming a similar density at a given humidity, it could achieve similar mechanical properties to Canadian maple. Compared to other types of wood, both maples have a higher percentage of cellulose and, conversely, a lower percentage of hemicelluloses, so a higher proportion of more resistant and mechanically stronger crystalline areas in the wood can be assumed. A possible variant with the potential to replace Canadian maple in skateboard boards could possibly be ash in terms of chemical composition, which of the selected wood species is closest to maples in terms of the monitored parameters, and the content of no component (except for the increased amount of extractives) does not fundamentally deviate from them. Beech could possibly be in the game, but it differs significantly from Canadian maple in terms of content. Birch with white bark cannot be recommended due to the high proportion of hemicelluloses that introduce less solid and unstable amorphous areas into the wood and the low lignin content compared to Canadian maple. Mountain elm with its composition differs the most from Canadian maple among the tested wood samples – it contains the lowest amount of extractive substances and cellulose (or holocellulose and alpha-cellulose) and, conversely, the highest amount of lignin.

Keywords

kapalinová chromatografie, kanadský javor, Celulóza, sacharidy, listnaté dřeviny

Keywords

Cellulose, carbohydrates, liquid chromatography, deciduous trees, Canadian maple

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 27. 5. 2024
• Supervisor: Ing. Tereza Jurczyková, PhD.
• Reader: Iveta Čabalová, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Forestry and Wood Sciences

Master programme:
Wood Engineering