Chemische Analyse der Holzfasern

Die quantitative Bestimmung des Hemicellulose-, Extraktstoff- und Ligningehaltes erfolgt an nativen Holzfasern und an Holzfasern, die als Kontrollproben im reinen McIlvaine Puffer (pH 6,0) behandelt wurden, sowie an Holzfasern, die mit Laccase und dem Laccase-Mediator-System inkubiert wurden. Der Cellulosegehalt der Fasern wird mittels der gewonnenen Analyseergebnisse rechnerisch ermittelt, indem die Analyseergebnisse von 100 % an Gesamtbestandteilen im Holz abgezogen werden. Die Laccase behandelten Holzfasern werden mit einer Laccasekonzentration von 200 U/ml und die Laccase-Mediator behandelten Fasern mit 200 U/ml Laccase und 10 mM Mediator HBA im McIlvaine Puffer (pH 6,0)

inkubiert. Die 2-stündige Inkubation erfolgt mit jeweils 5 g Holzfasern in 150 ml Gesamtpufferlösung (ohne oder mit Laccase bzw. Laccase und Mediator) im Schüttelwasserbad bei 45 °C. Nach der Inkubation werden die Holzfasern von der Inkubationslösung getrennt, mit bidestilliertem Wasser ausgewaschen und für die chemischen Untersuchungen bei 103 °C im Vakuumtrockenschrank getrocknet. Die Weiterbehandlung der Holzfasern ist den im Folgenden beschrieben chemischen Analysemethoden zu entnehmen.

4.2.6.1 Hemicellulosegehalt mittels Pentosanbestimmung

Zur Quantifizierung der Hemicellulose bedient man sich der Reaktion, dass beim Erhitzen und der anschließenden Dehydration von Pentosan und pentosanhaltigen Materialien mit Säuren Furfurol entsteht. Das Furfurol wird anschließend quantitativ mit dem Spectrophotometer Beckmann Coulter DU 800 bestimmt und deren Konzentration mit Hilfe einer Eichreihe festgelegt. Mit den Werten der Furfurol-Konzentration werden mit entsprechender Formel (Formel 5) die Pentosanwerte ausgerechnet. Ausgehend davon, dass die Pentosangehalte anteilig an der Hemicellulose bei Kiefer 56 % ausmachen, gelangt man zu den Hemicellulosegehalten (HÄGGLUND 1939). Zur Bestimmung wurde die Apparatur nach JAYME

und NEUHOF (JAYME und BÜTTEL 1968) verwendet. Der Versuch zur Pentosanbestimmung läuft wie folgt ab:

Nach dem Einwiegen von 2 g atro Fasermaterial (unbehandelt oder behandelt) in einen 500 ml fassenden Rundkolben werden 200 ml 3,2 N Bromwasserstoffsäure hinzu gegeben.

Der Rundkolben wird in einen Heizpilz gestellt. Ein Tropftrichter wird auf den Kolben gesetzt.

Der Tropftrichter ist über eine Glasröhre mit einem Kugelkühler verbunden, welcher nach unten geöffnet das Destillat entlässt. Das Kühlwasser wird noch vor dem Beheizen des Kolbens angestellt. Wenn 90 ml der Flüssigkeit abdestilliert sind, werden über den Tropftrichter 90 ml bidestilliertes Wasser in den Rundkolben geleitet. Sind im weiteren Verlauf 180 ml Flüssigkeit abdestilliert, werden in den Kolben 60 ml bidestilliertes Wasser eingelassen. Sind insgesamt 240 ml Destillat vorhanden ist der Vorgang beendet.

Anschließend wird das Destillat mit bidestilliertem Wasser in einem geeichten Messkolben auf 250 ml aufgefüllt. Aus diesem Kolben werden je 5 ml in 100 ml fassende Messkolben pipettiert, die mit bidestilliertem Wasser auf ein Gesamtvolumen von 100 ml aufgefüllt werden, was einer Verdünnung von 1:20 entspricht.

100

* * 878 ,

* 0 03438 ,

0 m

x = c

Mit Hilfe des Beckmann Coulter Spectrophotometers (siehe Kapitel 4.1.8) wird aus diesen Verdünnungen der Pentosangehalt bei einer Wellenlänge von 280 nm gemessen. Eine zuvor erstellte Eichkurve dient dazu, aus der Extinktion direkt auf die Pentosankonzentration zu schließen (Formel 5).

Formel 5: Berechnung des Pentosangehaltes

x = Pentosangehalt [%]

c = Furfurolkonzentration des Destillates [mg/l]

m = Masse der Probe [g atro]

4.2.6.2 Bestimmung des Ligningehalts

Die quantitative Bestimmung des Ligningehalts wird nach Verfahren von DENCE (1992) durchgeführt, welches von EURING und MÜLLER (unveröffentlicht) modifiziert wurde. Die nativen sowie die zuvor unterschiedlich inkubierten Holzfasern (vgl. Kapitel 4.2.6) werden zunächst separat in einer Kugelmühle der Firma Retsch zermahlen. Die Holzmehle werden in einer Soxhletapparatur mit Cyclohexan und Ethanol (2:1, [V/V]) extrahiert und anschließend mindestens einen halben Tag lang bei 60 °C im Vakuumschrank getrocknet. Nach dem Abwiegen von jeweils 5 mg bis 10 mg Holzmehl in verschließbare Erlenmeyerkolben (Größe 100 ml) werden 4,8 ml Acetylbromid (25 % [v/v] in Essigsäure), sowie 0,2 ml Perchlorsäure (70 %) zugegeben und die Kolben leicht verschlossen. Die Lösungen werden für 30 Minuten bei 70 °C aufbewahrt und währenddessen alle 5 Minuten leicht geschüttelt. Anschließend werden die Kolben 3 Minuten auf Eis gekühlt. Innerhalb der nächsten 10 Minuten müssen 10 ml 2 molare NaOH-Lösung hinzugegeben werden. Nach weiteren 10 Minuten werden 25 ml Eisessig zugefüllt und die Kolben für 20 Minuten in ein 20° C warmes Wasserbad gestellt. Es folgt die Entnahme von je 2 ml Lösung in Probenröhrchen und die zweiminütige Zentrifugation bei 10000 rpm und 20 °C in einer Eppendorf Zentrifuge 5415 R. Der Überstand der Lösungen wird abpipettiert und in dem Beckmann Coulter Spectrophotometer (siehe Kapitel 4.1.8) bei einer Wellenlänge von 280 nm gemessen. Letztlich können die Ligningehalte durch Einbeziehen der photometrischen Messergebnisse mittels einer Berechnungsformel von DENCE (1992) ermittelt werden (Formel 6).

Formel 6: Berechnung des Ligningehalts nach DENCE (1992)

Lignin [%] = 100 * (As – Ab) * V/a * W

A_s, A_b = Absorption Probe, Absorption Blindprobe V = Volumen Lösung [l]

a = Standardabsortionsvermögen von Lignin (nach IIJAMA und WALLIS, 1988 für Weich- und Hartholz 20,09 g^-1 cm^-1)

W = Einwaage Probe [g]

4.2.6.3 Bestimmung des Extraktstoffgehalts

Die Extraktstoffbestimmung wird nach dem Tappi Standard T 204 om 88 (1988) durchgeführt. Bevor die Extraktgehalte der unterschiedlich behandelten Holzfasern bestimmt werden können, werden sie in der Retsch Kugelmühle zermahlen. Die Extraktion erfolgt zweistufig in einer Soxhlet-Extraktionsapparatur:

a) Extraktion mit Cyclohexan (C6H12, zur Analyse) + Ethanol (C2H5OH, vergällt, 97%)

In den Soxhlet-Extraktor werden etwa 2 g lutro Holzmehl, welches sich in einer Extraktionshülse (Cellulosehülle) befindet, gegeben. In einen konstant gewogenen Kolben werden 150 ml Lösungsmittelgemisch aus Cyclohexan und Ethanol in einem Mischungsverhältnis von 2:1 (V:V) gefüllt, mit welchem sechs Stunden extrahiert wird (FENGEL & PRZYKLENK, 1983 sowie TAPPI Test Methods T 204 om 88, 1988). Anschließend wird der aus dem Holzmehl gelöste Extraktstoff im Kolben am Rotationsverdampfer bis zur Trockne eingedampft. Der Kolben wird nach einer 24-stündigen Trocknung in einem Vakuumexsikkator konstant gewogen.

Die Extraktstoffgehalte werden wie folgt berechnet (Formel 7):

Formel 7: Berechnung des Extraktgehalts

Extraktgehalt [%] = Extrakt-Auswaage [g] / atro-Einwaage [g] * 100

b) Extraktion mit Ethanol (C2H5OH, vergällt, 97%)

Das bereits mit Cyclohexan/Ethanol extrahierte Holzmehl wird zusätzlich 4 Stunden mit etwa 150 ml Ethanol weiter extrahiert, um möglichst viele Extraktstoffe aus dem Holz zu lösen.

Nach diesem Vorgang wird der im Lösungsmittel befindliche Extraktstoff in den Kolben gegeben, in denen sich bereits die Extraktstoffe aus der Cyclohexan und Ethanol-Extraktion befinden. Nach der Destillation am Rotationsverdampfer wird der Kolben erneut konstant gewogen. Es folgt erneut die Berechnung der Extraktgehalte (siehe Formel 7), indem die Ausbeute beider Extraktionsstufen gravimetrisch bestimmt und aufaddiert den Extraktstoffgehalt bezogen auf die Einwaage Holzmehl ergibt.