ΣΥΣΤΑΣΗ ΞΥΛΟΥ. (Γρηγορίου 2008)

Transcript

1 ΣΥΣΤΑΣΗ ΞΥΛΟΥ Από χημικής άποψης, το ξύλο ως υλικό είναι ένα τρισδιάστατο βιολογικό πολυμερές αποτελούμενο από ένα διασυνδεδεμένο δίκτυο κυτταρίνης, ημικυτταρινών, λιγνίνης και μικροποσοτήτων εκχυλισμάτων οργανικών και ανόργανων χημικών ενώσεων (Roswell 2005). Η σύστασή του ποικίλει από είδος σε είδος και από άτομο σε άτομο. Οι παράγοντες που επιδρούν στη σύσταση του ξύλου μπορούννα συνοψιστούν σε τρεις κατηγορίες: Α) διαφορετικότητα γενών/ειδών/υποειδών Β) γεωγραφική/υψομετρική προέλευση/επίδραση περιβαλλοντικών παραμέτρων/σύσταση εδάφους/κλίμα Γ) γενετικοί παράγοντες-ηλικία-ανάπτυξη φυτού. Η χημική σύνθεση του ξύλου επηρεάζει τις ιδιότητές του, το χρώμα, την οσμή, την υγροσκοπικότητα, την ευφλεξιμότητα, τη μηχανική του αντοχή, τις αντοχές σε προσβολές από διάφορους οργανισμούς κ.τ.λ. ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΣΕ ΔΟΜΙΚΑ ΚΑΙ ΜΗ ΔΟΜΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ 1. ΔΟΜΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ Συνθέτουν τα κυτταρικά τοιχώματα, ευθύνονται για τη μορφή των κυττάρων και για τις ιδιότητες του ξύλου. Περιλαμβάνουν την κυτταρίνη (40-60%), τις ημικυτταρίνες (20-30%) και τη λιγνίνη (16-35%). 2. ΜΗ ΔΟΜΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ή συνοδές ενώσεις ή εκχυλίσματα ή εκχυλισματικές ουσίες (0-10%). Περιέχονται εντός των κυττάρων ή στα κενά μεταξύ των κυττάρων. Περιλαμβάνουν άμυλο, σάκχαρο, δεξτρίνη, λιπαρά έλαια, αιθέρια έλαια, λεύκωμα, δεψικές ουσίες, ανόργανες ενώσεις του Si, του Ca, του μαγνήσιο Mn, του κάλιο κ.ά. Απομακρύνονται από το ξύλο με διαλύτες. ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΣΕ ΧΗΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 1. C 48-51% 2. O % 3. H 5-7% 4. N 0,1-1% 5. Τέφρα (Ίχνη ανόργανων στοιχείων όπως Si, Ca, μαγνήσιο Mn, κάλιο κ.ά.) 0,2-1% (Γρηγορίου 2008, Παυλογεωργάτος 2011) ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΣΕ ΧΗΜΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ Τα χημικά συστατικά του ξύλου διακρίνονται όπως σε μακρομοριακές 1 χημικές ενώσεις: κυτταρίνη, ημικυτταρίνες (πολυόζες), λιγνίνη, και σε μικρομοριακές ενώσεις: εκχυλίσματα, ανόργανες ενώσεις. (Γρηγορίου 2008) 1 Μακρομοριακές χημικές ενώσεις: χημικές ενώσεις μεγάλου μοριακού βάρους 1

2 1. ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑΚΕΣ ΧΗΜΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ Αποτελούν τα δομικά συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων του ξύλου υπάρχουν σε όλα τα ξυλώδη φυτά. ξύλο φυτών εύκρατης ζώνης: 97-99% μακρομοριακές ενώσεις ξύλο φυτών τροπικής ζώνης: 90% μακρομοριακές ενώσεις. Τρεις κύριες μακρομοριακές ενώσεις: κυταρρίνη, ημικυτταρίνες, λιγνίνη: δομούν τα ξυλώδη κυτταρικά τοιχώματα κυτταρίνη+ημικυτταρίνες= οι κύριοι πολυσακχαρίτες του ξύλου. Και οι δύο μαζί χαρακτηρίζονται ως η ολοκυτταρίνη του ξύλου. Άλλες μακρομοριακές ενώσεις: άμυλο, πηκτινικές ουσίες. Μη δομικές ουσίες κυτταρίνη (C 6 H 10 O 5 ) n Η πλέον διαδεδομένη φυτική ένωση. Αποτελεί το βασικό δομικό συστατικό των φυτικών κυττάρων. Δομεί περίπου τα 50% της ξυλώδους μάζας κωνοφόρων/ πλατύφυλλων. Έχει σε όλα τα είδη την ίδια χημική σύσταση: το ευθύγραμμο μακρομόριό της δομείται από ένα μεγάλο αριθμό του μονοσάκχαρου β-d- Γλυκόζη. Κυτταρίνη (Γρηγορίου 2008) Υδατάνθρακας, φυσικό πολυμερές 2, γραμμικός πολυσακχαρίτης μακρομοριακής δομής αποτελούμενος από μεγάλη αλυσίδα μορίων β-d γλυκόζης 3 τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με β(1-4)γλυκοζιτικούς δεσμούς. Το μόριο της κυτταρίνης αποτελείται από μια μακριά αλυσίδα από 7-15 χιλιάδες μονάδες άνυδρης γλυκόζης (η γλυκόζη χάνει το νερό της κατά τον πολυμερισμό 4 ). Εξαιρετικά πολική ουσία λόγω της ύπαρξης τριών ομάδων (-ΟΗ) σε κάθε δομική ομάδα της, που της δίνουν τη δυνατότητα απορρόφησης μορίων Η 2 Ο, τα οποία συνδέονται στην κυτταρίνη με δεσμούς Η κατά μήκος της αλυσίδας της. Η διαδικασία απορρόφησης Η 2 Ο είναι αντιστρεπτή. Οι αλληλεπιδράσεις μορίων Η 2 Ο κυτταρίνης δεν είναι τόσο ισχυρές όσο οι ομοιοπολικοί δεσμοί με τους οποίους συνδέονται μεταξύ τους οι δομικές μονάδες του μορίου της κυτταρίνης=>το Η 2 Ο δεν μπορεί να διαλύσει το μόριο της κυτταρίνης. 2 Πολυμερές: χημική ένωση πολλών χημικών μορίων, με επαναλαμβανόμενες χημικές οντότητες μέσα στο μόριο. 3 Γλυκόζη (C 6 H 12 O 6 ): μονοσάκχαρο που παράγεται από τη φωτοσύνθεση. 4 Πολυμερισμός: διαδικασία κατά την οποία ένας αριθμός χημικών μορίων ενώνονται σε μια πιο πολύπλοκη χημική ένωση. 2

3 1.2. Ημικυτταρίνες Οι ημικυτταρίνες (πολυόζες) συνδέονται χημικά με την κυτταρίνη στα κυτταρικά τοιχώματα. Το μακρομόριό τους δεν είναι ευθύγραμμο αλλά φέρει πλευρικές ομάδες (διακλαδίζεται). Τα μόρια των ημικυτταρινών αποτελούνται από περίπου 200 δομικές μονάδες, και έχουν μικρότερο μοριακό βάρος από το μόριο της κυτταρίνης. Το μακρομόριό τους δομείται από διαφόρων τύπων μονοσάκχαρα αναλόγως του είδους ξυλείας. Ημικυτταρίνη κωνοφόρου (4-Ο-μεθυλογλουκουρονοξυλάνη)(Γρηγορίου 2008) Δομικό συστατικό του ξύλου. Υδατάνθρακες, φυσικά πολυμερή, μη κυτταρινούχοι πολυσακχαρίτες (τα μόριά τους αποτελούνται από μονοσάκχαρα), άμορφες ετεροπολυμερείς ενώσεις (ενώσεις διαφορετικής χημικής σύστασης και μοριακής δομής) που οικοδομούνται από 2-3 μονομερή και έχουν ανομοιόμορφη μοριακή σύνθεση (Παυλογεωργάτος 2011). Τα κύρια είδη σακχάρων που είναι παρόντα στα μόριά τους είναι: ξυλόζη, μαννόζη, γαλακτόζη, ραμνόζη, αραβινόζη κ.ά. (Παυλογεωργάτος 2011). Η μαλακή ξυλεία περιέχει περισσότερη μαννόζη και λιγότερη ξυλόζη ενώ η σκληρή ξυλεία λιγότερη μαννόζη και περισσότερη ξυλόζη (Παυλογεωργάτος 2011) Ξυλόζη (C 5 H 10 O 5 ) Οργανική ετεροκυκλική ένωση. Ανήκει στις αλδοπεντόζες (μονοσακχαρίτες με 5 άτομα C στο μόριό τους). Είναι η βασική μονάδα των ξυλανίων (πολυσακχαρίτες που είναι βασικά συστατικά του ξύλου) (Παυλογεωργάτος 2011) Μαννόζη (C 6 H 12 O 6 ) Ανήκει στις εξόζες (μονοσακχαρίτες με 5 άτομα C στο μόριό τους). Στερεοϊσομερής μορφή της γλυκόζης γαλακτοσάκχαρο, μανοσάκχαρο, άμυλο, πηκτικές ουσίες: πολυσακχαρίτες που απαντώνται σε ποσοστά <1%. 3

4 1.3. Λιγνίνη Η τρίτη μακρομοριακή ένωση που δομεί τα ξυλώδη κυτταρικά τοιχώματα είναι η λιγνίνη, η οποία ανήκει στις αρωματικές χημικές ενώσεις και δομείται από μονάδες φαινυλοπροπανίου. Τα Κωνοφόρα περιέχουν περισσότερη λιγνίνη και διαφορετικής χημικής σύνθεσης απ ότι τα Πλατύφυλλα. Λιγνίνη κωνοφόρου (Γρηγορίου 2008) Φαινολική ουσία. Δομικό συστατικό του ξύλου: αποτελεί το 25-30% των κυτταρικών τοιχωμάτων (Bulian & Gratstone 2009) και συνδέει τα μόρια της κυτταρίνης και των ημικυτταρινών, ενισχύοντας τη μηχανική αντοχή του ξύλου. Φυσικό αρωματικό πολυμερές της οικογένειας των πολυμερών των πολυφαινολών τριών διαστάσεων, με βασική μονάδα το φαινυλοπροπάνιο, με μία ή περισσότερες μεθοξυομάδες ενωμένες στον αρωματικό δακτύλιο, οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους με δεσμούς C ή αιθερικούς ομοιοπολικούς δεσμούς (C-O-C). Λιγότερο υδρόφιλη και αρκετά ανθεκτική ουσία σε σχέση με την κυτταρίνη και τις ημικυτταρίνες. Είναι αδυάλυτη στους διαλύτες, δεν υδρολύεται, φωτοδιασπάται με τη UV αρχικά με το σχηματισμό χαμηλού μοριακού βάρους πολυφαινολών (οι ξύλινες επιφάνειες αποκτούν σκούρο χρώμα) και στη συνέχεια, παρουσία H 2 O, με τη διαλυτοποίηση και απομάκρυνση των διλυτών πολυφαινολών από την επιφάνεια του ξύλου (οι ξύλινες επιφάνειες αποχρωματίζονται αποκτώντας ανοιχτό γκρίζο χρώμα λόγω της αποκλειστικής παρουσίας κυτταρίνης) Άλλες μακρομοριακές ενώσεις Στις μακρομοριακές ενώσεις ανήκουν επίσης: άμυλο, πηκτινικές ουσίες. Έχουν σημαντικά μικρότερο μοριακό βάρος απ ότι οι προαναφερθείσες και υπάρχουν σε πολύ μικρά ποσοστά στο ξύλο. 4

5 2. ΜΙΚΡΟΜΟΡΙΑΚΕΣ ΧΗΜΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ δεν αποτελούν συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων χαρακτηρίζονται ως συνοδές ουσίες του ξύλου διακρίνονται στις οργανικες ουσίες που συνήθως ονομάζονται εκχυλίσματα και τις ανόργανες ενώσεις (τέφρα) Οργανικές ουσίες/εκχυλίσματα Είναι οργανικές ουσίες μεσαίου και χαμηλού μοριακού βάρους. Δεν αποτελούν δομικά συστατικά του ξύλου. Μπορούν να εκχυλιστούν από αυτό με χρήση διαλυτών (νερό, αλκοόλη, ακετόνη, αιθέρας, βενζόλιο κ.ά.). Τα περισσότερα εκχυλίσματα είναι δευτερογενείς μεταβολίτες που βρίσκονται στα τοιχώματα ή στις κοιλότητες των κυττάρων του ξύλου. Ευθύνονται για το χρώμα, την οσμή και τη γεύση του ξύλου και επίσης σε αισθητικές ατέλειες και στη δυσκολία κατεργασίας του. Στις οργανικές ενώσεις ανήκουν: φαινολικές ουσίες, τερπένια, αλιφατικά οξέα, αλκοόλες. Ανιχνεύονται υδρογονάνθρακες, ρητίνες, λιπαρές ενώσεις, αιθέρια έλαια, δεψικές ουσίες, πρωτεΐνες, φαινολικές ενώσεις (ταννίνες), σάκχαρα, άμυλο κ.ά. Η ποσότητα και χημική σύσταση των εκχυλισμάτων διαφέρουν σημαντικά στο κάθε είδος ξύλου ανάλογα με το είδος ξυλείας (η σκληρή ξυλεία περιέχει περισσότερα εκχυλίσματα), το είδος του δέντρου, τον τύπο του ξύλου (σομφό ή εγκάρδιο), τις συνθήκες στις οποίες μεγάλωσε το δέντρο (πχ γεωγραφική θέση, κλίμα κτλ). Η ποσότητά τους (ξηρό ξύλο) κυμαίνεται μεταξύ 1% (π.χ. λεύκη) έως 10% (π.χ. σεκόια), αλλά σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να ξεπεράσει το 15% κυρίως για τα τροπικά ξύλα (πχ. ιρόκο) Βάσει της σύστασής τους χωρίζονται σε 3 μεγάλες κατηγορίες: αρωματικές φαινολικές ενώσεις, αλειφατικές ενώσεις, τερπένια/τερπενοειδή. Πιο αναλυτικά: Α) αρωματικές φαινολικές ενώσεις: ανιχνεύονται κυρίως στο εγκάρδιο. Σε αυτές οφείλεται το σκούρο χρώμα του εγκάρδιου και η αυξημένη ανθεκτικότητά του σε βιολογικές προσβολές (Παυλογεωργάτος 2011) Β) αλειφατικές ενώσεις: Πρόκειται για λίπη και κηρώδεις ουσίες. Η πλειονότητά τους είναι λιπαρά οξέα και εστέρες λιπαρών οξέων. Πιο συγκεκριμένα τα τριγλυκερίδια κορεσμένων και ακόρεστων οξέων όπως το λινολεϊκό οξύ, το ελαϊδικό οξύ, το λινολενικό οξύ κ.ά. (Παυλογεωργάτος 2011) Γ) τερπένια/τερπενοειδή: υδρογονάνθρακες με μητρική ένωση το ισοπρένιο CH 3 =C(CH 3 )CH=CH 2. Ανιχνεύονται κυρίως στα κωνοφόρα. Για παράδειγμα, η χαρακτηριστική οσμή του πεύκου οφείλεται στο πινένιο 5. Πρόκειται για πτητικές ενώσεις (π.χ. τερεβινθέλαιο). Στο ξύλο απαντώνται οξέα και αλκοόλες. Οξέα: Το ξύλο είναι γενικά όξινο. Στα περισσότερα η οξύτητα κυμαίνεται σε επίπεδα ph 4,5-5,5 αλλά σε κάποιες περιπτώσεις έχει προσδιοριστεί έως και 3. Η οξύτητά του οφείλεται στο ελεύθερο οξικό οξύ CH 3 COOH. To CH 3 COOH προκαλεί τη διάβρωση των μεταλλικών επιφανειών που έρχονται σε επαφή με το ξύλο (Παυλογεωργάτος 2011). Στο ξύλο απαντώνται κορεσμένα λιπαρά οξέα, ακόρεστα λιπαρά οξέα και μη λιπαρά οξέα (π.χ. οξικό οξύ) Αλκοόλες: Στο ξύλο απαντώνται αρωματικές αλκοόλες και αλειφατικές αλκοόλες προσοχή κατά το χειρισμό ξύλινων αντικειμένων: κάποια εκχυλίσματα ενδέχεται να είναι επικίνδυνα για την ανθώπινη υγεία: Τερπένια και ορισμένες φαινολικές ενώσεις: αλλεργιογόνα. Ταννίνες: ύποπτες για καρκινογένεση. Ορισμένα αλκαλοειδή όπως η κωνείνη 6 : έως και θάνατο. Ρητίνη Άμορφο, διαυγές, πυκνόρρευστο, κολλώδες φυσικό υγρό που παρέχει αντιπαρασιτική προστασία, έχει επουλωτική δράση, περιορίζει την εξάτμιση νερού από τους ιστούς του δέντρου κτλ. Αποτελείται από τερπενοειδή, λιπαρά οξέα, εστέρες οξέων, λιπαρές αλκοόλες, αλδεΰδες κ.ά. 5 Πινένιο: τυπικό δικυκλικό τερπένιο, υγρό με χαρακτηριστική οσμή, αδυάλυτο στο Η 2 Ο. Κύριο συστατικό του τερεβινθέλαιου και πλήθους αιθέριων ελαίων. 6 Κωνειίνη: βασικό συστατικό του κώνειου, του δηλητηρίου με το οποίο αυτοκτόνησε ο Σωκράτης. 5

6 2.3. Ανόργανες ενώσεις/τέφρα Οι ανόργανες χημικές ενώσεις αποτελούνται κυρίως από άλατα του Κ, Ca και Mg και σε μικρότερα ποσοστά του S, P, Si κ.ά. Ο προσδιορισμός της τέφρας γίνεται με καύση (οξείδωση) του ξύλου στους ο C: τέφρα είναι η κοινή ονομασία για όλα τα στερεά που απομένουν μετά από μία καύση. Από χημικής πλευράς, μία καύση είναι το ίδιο με μια χημική αντίδραση με οξυγόνο. Με την καύση του ξύλου, οι οργανικές ενώσεις μετατρέπονται σε αέρια Η 2 Ο και CO 2. Η στάχτη που παραμένει αποτελείται από τα στερεά προϊόντα της καύσης: μια σειρά αλάτων, όπως ανθρακικά, πυριτικά και φωσφορικά καθώς και μεταλλικά οξείδια. Η χημική σύσταση της στάχτης, και συνεπώς και το χρώμα της, σχετίζεται με το υλικό που κάηκε. Η στάχτη ξύλου περιέχει κυρίως ανθρακικά άλατα καλίου και ασβεστίου καθώς και θειικό μονοξείδιο του μαγνησίου -όλα λευκά. ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΕΣ ΤΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΤΟΥ ΞΥΛΟΥ Εκχυλίσματα διαλυτά σε νερό (Θ=23±2 ο C): ταννίνες, κόμμεα, σάκχαρα, χρωστικές ουσίες. Εκχυλίσματα διαλυτά σε νερό (Θ=100 ο C): ταννίνες, κόμμεα, σάκχαρα, χρωστικές ουσίες και άμυλο. Εκχυλίσματα διαλυτά σε μίγμα αιθανόλης τολουολίου: κηροί, λίπη, ρητίνες, έλαια, ταννίνες κι άλλες ενώσεις του ξύλου αδιάλυτες στον αιθέρα. Εκχυλίσματα διαλυτά στο διχλωρομεθάνιο: κηροί, λίπη, ρητίνες, φυτοστερόλες και μη πτητικοί υδρογονάνθρακες. Υδρόλυση του ξύλου με ανόργανα οξέα οδηγεί στον αποπολυμερισμό και απομάκρυνση των ευδιάλυτων παραγώγων τους ενώ η λιγνίνη παραμένει αδιάλυτος Επίδραση ανόργανων οξέων: τα οξέα δρουν ως καταλύτες και με τη συνεπίδραση του νερού αρχικά διασπώνται οι χημικοί δεσμοί (κυρίως οι γλυκοζιτικοί δεσμοί) των δομικών μονάδων (μακρομορίων των πολυσακχαριτών). Συνεχιζομένης της επίδρασης των οξέων στο ξύλο διασπώνται διάφορες μονομερείς ενώσεις, που προέκυψαν κατά την αρχική επίδραση, σε απλούστερες ενώσεις. Επίδραση χλωρίου: Με επίδραση του χλωρίου στο ξύλο η λιγνίνη οξειδώνεται και διασπάται σε ευδιάλυτα παράγωγά της (Γρηγορίου 2008) ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Γρηγορίου Α.Η. (2008) Εργαστηριακές Σημειώσεις Χημεία και Χημικά Προϊόντα του Ξύλου, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Τμήμα Δασολογίας & Φυσικού Περιβάλλοντος, Τομέας Συγκομιδής & Τεχνολογίας Δασικών Προϊόντων, Εργαστήριο Δασικής Τεχνολογίας Παυλογεωργάτος Γ. (2011) Ξύλο-Είδη ξύλου, χρήσεις, δομή, ιδιότητες, απειλές, προστασία. Εκδ. Προπομπός, Αθήνα 6