Männyn sydänpuun uuteaineiden nopea mittaus BioKokkola-seminaari 28.10.2015 Kokkola Material Week Anni Harju ja Susanna Pulkka Luonnonvarakeskus, Punkaharju
Esityksen sisältö 1. Mitä männyn sydänpuu on? 2. Miksi männyn sydänpuu on tärkeä? 3. Sydänpuun luontainen lahonkestävyys ja sen mittaaminen 4. Lahonkestävyyttä selittävät uuteaineet 5. Kehitys- ja tutkimustarpeita 6. Stilbeenipitoisuuden mittaaminen 7. TUIKEPUU-projektin esittely 2
1. Mitä männyn sydänpuu on? Kuvat: M. Venäläinen Sydänpuu on rungon ytimessä olevaa kuollutta solukkoa 3
2. Miksi männyn sydänpuu on tärkeä? Luontaisten ominaisuuksiensa vuoksi männyn sydänpuu on tärkeä luonnonvara/puutavara. Luontainen lahonkestävyys on esimerkki tärkeästä sydänpuun laatuominaisuudesta. Kestävä männyn sydänpuutavara on realistinen vaihtoehto kyllästetylle puutavaralle tietyissä kohteissa. 4 Kuva: M. Venäläinen
3. Sydänpuun luontainen lahonkes- tävyys ja sen mittaaminen Kuva: M. Venäläinen 5
Puu on biohajoava materiaali ja se on hyvä asia kunhan puurakenteen hajoaminen ei tapahdu liian nopeasti! Kuvat: M. Venäläinen 6
Puun hajoaminen Puun ja veden liitto on erottamaton Puun hajoaminen vaatii vettä, happea ja lämpöä esim. kylmässä ja hapettomassa ei lahoamista Kuivumisen ja kostumisen vaihtelu aiheuttaa puutavarassa muodonmuutoksia ja halkeilua puun uuteaineet tai puun modifiointi voivat poistaa/heikentää vedenimemiskykyä Kuiva puu ei lahoa koskaan aurinko kuluttaa kuivaakin puuta 7 Kuva: M. Venäläinen
In vitro lahotuskoe Nopeutettu lahotuskoe (8 16 vk.) laboratoriossa, ruskolahoa aiheuttava kellarisienisieni Coniophora puteana Lahonkestävyyttä mitataan lahotuskokeen aikana puukappaleessa tapahtuvan painohäviön perusteella puukappaleen kuivapaino ennen koetta = alkupaino puukappaleen kuivapaino kokeen jälkeen = loppupaino Painohäviö = alkupaino loppupaino (ilmoitetaan mg/g, paino % tai mg/cm 3 ) Kuvat: M. Venäläinen
Lahonkestävyys: Puun sisällä on vaihtelua Kuvat M. Venäläinen 6 vk. koe 28.10.2015 172 v. 35 30 25 20 15 10 5 0 9 Painohäviö, % Sapwood Pintapuu Ulompi Outer heartwood sydänpuu Sisempi Inner heartwood sydänpuu Näytteenoton kanssa on oltava tarkkana!
Puita (lukumäärä). Lahonkestävyys: Puiden välillä on vaihtelua Kuva M. Venäläinen 28.10.2015 10 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 8 vk. lahotuskoe Perinnöllinen vaihtelu h 2 = 0,32 CVA = 27 % 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Painohäviö (%) N = 413 ka = 33 % 35 v. jälkeläiskoe.
Observations (no.). 4. Lahonkestävyyttä selittävät uuteaineet Stilbeenit Kokonaisfenolit (Folin-Ciocalteu testi) Hartsihapot Asetoniin liukenevat uuteaineet 90 80 70 Kestävät puut Herkät N = 413 puut ka = 33 % 60 50 40 30 20 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 28.10.2015 11 Mass loss (%)
Stilbeenit Pinosylviini 12 Kuvat: M. Venäläinen Pinosylviinin monometyyli eetteri Stilbeenit ovat männyn sydänpuulle tyypillisiä fenolisia yhdisteitä Stilbeenejä syntyy myös eläviin solukoihin esim. mekaanisen vaurioituksen seurauksena
Männyn sydänpuun luontainen stilbeenipitoisuus selittää sen lahonkestävyyttä painohäviö lahotuskokeessa, %. 60 50 40 N = 40 r = - 0.85 p < 0.001 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 PS+PSM, mg/g Koe: Leppävirta, 309/2, tulokset julkaisusta Leinonen & al. 2008) 28.10.2015 13 Kuva: E. Matikainen
Yksittäiset puut poikkeavat toisistaan stilbeenipitoisuuden suhteen Stilbeenien pitoisuus sydänpuun ulkoosassa: 40-vuotias männyn jälkeläiskoe, 520 puuta 53:sta puolisisarperheestä. Mittaus kaasukromatografi-massaspektrometrilla (GC-MS) 14 Kuvat: M. Venäläinen, T. Tapanila 14
Männyn sydänpuu säilyvä puu - lahonkestävyydessä ja uuteainepitoisuudessa on suuri luontainen vaihtelu rungon sisällä ja runkojen välillä - sydänpuun kohtalaisen hyvä lahonkestävyys on uuteaineiden, ensisijaisesti fenolisten stilbeenien, ansiota stilbeenipitoisuudella voidaan ennustaa lahonkestävyyttä mahdollistaa lahonkestävyyden luontaisen vaihtelun hyödyntämisen 15
Männyn sydänpuu säilyvä puu Sydänpuun tarjoamat mahdollisuudet: - hakataan ja jalostetaan se sydänpuutavara (sahatuottoisena), mikä metsistä on saatavilla - tasoitetaan luontaista vaihtelua lajittelulla ja annetaan lajitelmille tuoteseloste - vaikutetaan metsänviljelyaineiston jalostuksen kautta tulevaisuuden mäntymetsien sydänpuun laatuun tasalaatuisempaa sydänpuutavaraa puutavaran arvo nousee 16
5. Kehitys- ja tutkimustarpeita tarvitaan liukuhihnanopeudella toimiva, luotettava stilbeenipitoisuuden mittari tutkimuksen apuvälineeksi teollisiin sovelluksiin metsänjalostuksen apuvälineeksi 17 Kuvat M. Venäläinen
6. Stilbeenipitoisuuden mittaaminen Kemiallinen määritys kaasukromatografialla (GC-MS) Vaatii monenlaista näytteen esivalmistelua, mm. näyte on kuivattava, jauhettava ja uutettava Käytettävissä on standardoituja menetelmiä Nopeita ja ainetta rikkomattomia optisia mittausmenetelmiä 1. UV resonanssi Raman spektroskopia (UVRRS) Stilbeenipitoisuus suhteutetaan ligniinipitoisuuteen Liukuhihnanopeus vielä kaukainen tavoite Yhteistyö: Aalto yliopisto 2. Lähi-infrapunaspektroskopia (NIRS) Tarvitaan hyvälaatuinen referenssiaineisto Mallinnus on olennainen osa analyysejä Yhteistyö: INRA/Ranska, Innventia/Ruotsi 18
7. Männyn sydänpuun uuteaineiden tehokas mittaus ainespuun jalostuksen tueksi, TUIKEPUU projekti 2015-2016 Projektin tavoitteet Kyseessä on kehitys- ja pilotointihanke Optisen teknologian kehittäminen männyn sydänpuun stilbeenien mittaamiseksi kiinteästä puunäytteestä UV fluoresenssispektroskopia, joka hyödyntää stilbeeneille luonteenomaista fluoresenssiominaisuutta Laitteiston testaaminen männyn jalostusaineistolla Kuva: Kean-Jin Lim 19
Mittauslaitteiston kaaviokuva virtalähde säädin DC kamera näyte UV-LED mittauskammio reflektori kuitu fluoresenssi kuva spektrometri PC spektri Mittauslaitteiston rakennustyö toteutetaan yhteistyössä Savonlinnassa sijaitsevan Elektroniikan 3K tehtaan (MAMK) kanssa Kuva: Kean-Jin Lim 20
Scope, counts Männyn sydänpuun stilbeenien spektrit 500 400 300 Stilbeenipitoisuus ~10 mg/g STB concentration ~10 mg/g Stilbeenipitoisuus ~15 mg/g STB concentration ~15 mg/g Stilbeenipitoisuus ~20 mg/g STB concentration ~20 mg/g Stilbeenipitoisuus ~25 mg/g STB concentration ~25 mg/g 200 100-100 0 350 370 390 410 430 450 470 490 Aallonpituus, nm Kuva: Kean-Jin Lim 21
Mittausmenetelmän kehitystyö Laitteiston kalibrointi Toistettavuutta testattu mittaamalla referenssejä UV-valolähteen intensiteettiä mitattu Seuraavaksi ohjelmiston ja automaattisesti liikkuvan näytealustan testaaminen Menetelmän kalibrointi Pintapuulastujen painekyllästystä stilbeeniraakauutteella testattu Referenssimenetelmänä kemiallinen analyysi (GC- MS) Seuraavaksi sydänpuunäytteiden ja painekyllästettyjen lastujen testimittaus 22
Mittausmenetelmän kehitystyön haasteet Kalibrointi Edustavan väliaineen valinta Kalibrointinäytteiden säilyvyys Mittauspisteiden lukumäärä UV-valolähteen stabiilisuus Stilbeenien herkkyys UVvalolle Mittauksen toistettavuus Kuva: E. Matikainen 23
Projektilta odotettavat tulokset Automatisoitu laitteisto puun kemiallisten laatuominaisuuksien mittaamista varten Mittaus on luotettava ja toistettava Mittaus voidaan tehdä kiinteästä puunäytteestä Mittausteknologia toimii selvästi nopeammin kuin kemiallinen määritys Laitteiston käyttäminen on turvallista Laitteistolle on selkeä käyttöohje 24
MÄNNYN SYDÄNPUU Metsiköiden aarteena piilee monenlaista laatua, silti vaihteluun ei tarvitse puurakennelmiesi kaatua. Mittaa, lajittele, valitse, käyttökohteen vaatimukset harkitse ja lopputuloksesta kauan iloitse. LUONNONMUKAISTA KESTÄVYYTTÄ Yhteystiedot: email: anni.harju@luke.fi, puh. 0295325116 email: susanna.pulkka@luke.fi, puh. 0295322422 email: martti.venalainen@luke.fi, puh. 0295324238 25 Teppo Tutkija 28.10.2015