Das Fasermaterial (siehe Kapitel 4.1.1) wird nach den in Kapitel 4.2.6 beschriebenden Methoden in seiner chemischen Zusammensetzung analysiert. Die Untersuchungen der Holzfasern erfolgen vor und nach der Behandlung mit Laccase bzw. Laccase und Mediator, um eventuelle chemische Veränderungen durch die Inkubation deutlich zu machen. Die Fasern werden bei der mit „Lac.“ bezeichneten Probe mit 200 U/ml Laccase inkubiert, die Proben „Lac. + HBA“ mit 200 U/ml Laccase und 10 mM Mediator HBA. Als Kontrollprobe (Bezeichnung „Kontrolle“) dienen Holzfasern, die in reinem McIlvaine Puffer (pH 6,0) behandelt wurden. Die Inkubationszeit beträgt 2 Stunden im 45 °C warmen Schüttelwasserbad. Die Ergebnisse der chemischen Untersuchung der nativen Holzfasern werden als „Ausgangsmaterial“ bezeichnet.
5.5.1 Bestimmung des Hemicellulosegehaltes
Die aus den analytisch bestimmten Pentosanwerten abgeleiteten Durchschnittswerte für den jeweiligen Anteil der Hemicellulosen in den verwendeten Holzfasern sind in Abbildung 32 dargestellt. Zur Ermittlung des Hemicellulosengehalts wird der Pentosangehalt bei der Holzart Kiefer nach HÄGGLUND (1939) mit 56 % am Gesamtanteil einberechnet (vgl. Kapitel 4.2.6.).
Abb. 32: Prozentualer Anteil der Hemicellulosen in verschieden behandelten Holzfasern
Bei der Betrachtung der Hemicellulosenwerte für die unbehandelten Holzfasern (Ausgangsmaterial) und die mit Puffer behandelten Fasern (Kontrolle) werden mit etwa 23 % gleich hohe Gehalte errechnet, worin der Pentosangehalt mit jeweils 12,9 % enthalten ist. Nach der Inkubation mit 200 U/ml Laccase beträgt der Hemicellulosengehalt 20,5 %. Bei der zusätlichen Verwendung des Mediators HBA sinkt der Gehalt gegenüber der Laccase inkubierten Probe geringfügig und liegt bei 18 %. Eine Diskussion der Ergebnisse befindet sich in Kapitel 5.5.4 (siehe dazu Abbildung 35).
5.5.2 Bestimmung des Ligningehaltes
Abbildung 33 zeigt die Ligningehalte der nativen Holzfasern (Ausgangsmaterial), der Kontrollproben und der mit Laccase bzw. mit Laccase und Mediator behandelten Holzfasern.
0 5 10 15 20 25 30
Ausgangsmaterial
Kont
rolle Lac.
Lac. + HBA
Hemicellulosengehalt [%]
Abb. 33: Ligningehalt verschieden behandelter Holzfasern
Die Ligningehalte des Ausgangsmaterials und der Kontrollprobe liegen gleichauf bei 31 %.
Bei der 2-stündigen Inkubation der Holzfasern mit Laccase reduziert sich der Ligningehalt auf etwa 27,5 %, der bei der Zugabe des Mediators HBA mit 26 % nochmals abnimmt (siehe Kapitel 5.5.4, Abbildung 35).
5.5.3 Bestimmung der Extraktstoffgehalte
In der folgenden Darstellung (Abbildung 34) sind die Extraktstoffgehalte der nativen und der verschieden behandelten Holzfasern aufgeführt.
Abb. 34: Extraktstoffgehalte verschieden behandelter Holzfasern 0
2 4 6 8
Ausgangsmaterial
Kontrolle Lac.
Lac. + HBA
Extraktstoffgehalt [%]
0 10 20 30 40 50
Ausgangs material
Kontrolle Lac.
Lac. + HBA
Ligningehalt [%]
Die Extraktstoffgehalte des Ausgangsmaterials und der Kontrolle sind, wie auch schon jeweils die Hemicellulosen- und Ligningehalte (siehe Abbildungen 32 und 33), gleich hoch. Sie betragen 4,6 %. Bei den Laccase und Laccase-Mediator behandelten Holzfasern werden leicht höhere Extraktstoffgehalte ermittelt, nämlich 4,8 % und 5,4 % (siehe Kapitel 5.5.4).
5.5.4 Zusammenfassung der chemischen Analysen
Wie im Kapitel 4.2.6 beschrieben, werden analytisch drei chemische Komponenten des Holzes quantifiziert: das Lignin, die Pentosane zur Berechnung der Hemicellulosen und die Extraktstoffe. Aus den dabei gewonnenen Ergebnissen lässt sich folglich die noch ausstehende Komponente – Cellulose – rechnerisch bestimmen. Die bisher beschriebenen Ergebnisse sind in der folgenden Abbildung (35) unter Einbeziehung des Cellulosegehaltes zusammengefasst.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Kontrolle Lac. Lac. + HBA
Extraktstoffe Hemicellulose Cellulose Lignin
Ausgangsm.
Abb. 35: Kumulative Darstellung der Holzbestandteile für die Baumart Kiefer
Da bei der Ermittlung der Hemicellulosen-, Lignin- und Extraktstoffgehalte der nativen Holzfasern (Ausgangsmaterial) und der in McIlvaine Puffer behandelten Holzfasern (Kontrolle) bei jeder chemischen Komponente identische Werte vorliegen, ergibt sich aus der Berechnung des Cellulosegehaltes ein Anteil von 41,4 %, um eine Zusammensetzung der Holzbestandteile von insgesamt 100 % zu erhalten. Dieser Wert deckt sich mit den Cellulosegehalten für Nadelvollhölzer, die von 40 % bis 50 % reichen (Fengel & Wegener, 1984). Zu beachten ist, dass es sich in diesem Fall um Holzfasern handelt, die durch den thermo-mechanischen Aufschluss gewonnen und dabei chemischen Veränderungen
ausgesetzt waren (vgl. Kapitel 3.5.2). Abweichungen in der prozentualen chemischen Holzzusammensetzung sind daher zu berücksichtigen.
Da die Hemicellulosen- und Ligningehalte der Holzfasern nach der Inkubation mit Laccase und Laccase-Mediator abnehmen und die Extrakstoffgehalte nur leicht zunehmen, steigen rechnerisch die Cellulosegehalte auf über 50 % an, was von natürlichem Standpunkt aus als unmöglich erscheint. Um diesen rechnerischen Fehler zu umgehen, hätte der Cellulosegehalt separat chemisch bestimmt werden müssen. Eine Aussage über den Cellulosegehalt nach einer Inkubation von Laccase bzw. Laccase und Mediator zu treffen, ist somit unter diesen Bedingungen nicht möglich.
Da die Analyseergebnisse der nativen Holzfasern (Ausgangsmaterial) und der in McIlvaine Puffer behandelten Holzfasern (Kontrollen) bei jeder chemischen Untersuchung identisch sind, kann festgehalten werden, dass eine Aufbewahrung der Holzfasern im Puffer unter Schütteln im 45 °C warmen Wasserbad keine Auswirkungen auf die chemische Zusammensetzung der Holzfasern hat.
Die Abnahme der Ligninwerte nach der Behandlung mit Laccase bzw. Laccase und Mediator (vgl. Abbildung 32) sind auf die ligninoxidierende Wirkung der Laccase zurückzuführen.
Dabei katalysiert die Laccase das Lignin zu Ligninradikalen. Das hauptsächlich auf der Oberfläche der TMP-Holzfasern befindliche Mittellamellenlignin wird dabei aktiviert und aufgerauht (BERGMANN, 1998). Durch die Behandlung der Fasern mittels Nassinkubation in einer 150 ml Inkubationslösung und die spätere Waschung der Fasern mit bidestilliertem Wasser (vgl. Kapitel 4.2.6) können diese Ligninradikale sich von der Holzfaser gelöst haben und mit der Suspension bzw. dem Wasser entfernt worden sein, was sich durch einen sinkenden Ligningehalt bemerkbar macht. Durch den niedrigeren Wert bei der Inkubation mit Laccase und dem Mediator HBA kann darauf geschlossen werden, dass das Laccase-Mediator-System eine effektivere Aktivierung des Holzfaserlignins hervorrufen muss, als eine alleinige Inkubation mit Laccase. Dass bereits ein Ligninabbau während der 2 Stunden Inkubationszeit stattgefunden haben kann, wodurch ebenfalls sinkende Ligninwerte zu erklären wären, ist mit großer Sicherheit auszuschließen, da ein Ligninabbau durch Weißfäuleenzyme in der Regel erst nach mehreren Stunden und Tagen einsetzt (KIRK, 1980;
SCHINDEL, 1999).
Die gegenüber dem Ausgangmaterial und der Kontrollprobe leicht steigenden Extraktstoffgehalte bei den Laccase und Laccase-Mediator inkubierten Holzfasern können darin begründet liegen, dass durch die Aktivierung und Radikalisierung des Mittellamellenlignins auf der Holzfaseroberfläche bestimmte Ligninmoleküle chemisch so verändert werden, dass sie später bei der Extraktstoffbestimmung aus den Holzfasern gelöst werden und in den Extraktstoffgehalt mit einberechnet werden (RUTIAGA-QUIÑONES, 2001).
Letztlich bleibt die Betrachtung der Hemicellulosen in den Holzfasern, die durch die Behandlung mit Laccase und Laccase-Mediator prozentual abnehmen. Die Unterschiede
zwischen den Werten des Ausgangsmaterials bzw. der Kontrollprobe und den Laccase bzw.
Laccase-Mediator behandelten Proben liegen bei 3 % bis 4 %. Eine Abnahme des Hemicellulosegehaltes kann daran liegen, dass durch die Aufrauhung der Faseroberfläche durch das Einwirken der Laccase bzw. Laccase und Mediator kurzkettigen Hemicellulosemoleküle mit gelöst werden, die in die Fasersuspension geleitet werden und beim Trennen der Holzfasern und der Suspension mit ausgespült oder spätestens beim Auswaschen der Holzfasern von der Holzfaser entfernt werden. Ein Abbau der Hemicellulose kommt hierbei nicht in Frage, da zwar die Enzyme einiger Weißfäulepilzen auch die Polysaccharide angreifen (SCHMIDT, 1994), aber die 2-stündige Inkubationszeit wie bei dem Lignin für eine Abbaureaktion noch zu kurz ist (KIRK, 1980).