Männyn sydänpuun
uuteaineiden nopea mittaus
BioKokkola-seminaari
28.10.2015
Kokkola Material Week
Anni Harju ja Susanna Pulkka
Luonnonvarakeskus, Punkaharju
©©Luonnonvarakeskus
Luonnonvarakeskus
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
© Luonnonvarakeskus
1. Mitä männyn sydänpuu on?
Kuvat: M. Venäläinen
− Sydänpuu on rungon ytimessä olevaa kuollutta solukkoa
3
© Luonnonvarakeskus
2. Miksi männyn sydänpuu on tärkeä?
Kuva: M. Venäläinen
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
© Luonnonvarakeskus
3. Sydänpuun luontainen lahonkestävyys ja sen mittaaminen
Kuva: M. Venäläinen
5
© Luonnonvarakeskus
Puu on biohajoava materiaali ja se
on hyvä asia…
…kunhan puurakenteen hajoaminen
ei tapahdu liian nopeasti!
6
© Luonnonvarakeskus
Kuvat: M. Venäläinen
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
© Luonnonvarakeskus
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/cm3)
Kuvat: M. Venäläinen
© Luonnonvarakeskus
Lahonkestävyys: Puun sisällä on vaihtelua
Kuvat M. Venäläinen
Painohäviö, %
35
30
25
20
15
10
5
6 vk.
koe28.10.2015
172 v.
0
Pintapuu
Sapwood
9
Ulompi
sydänpuu Sisempi
sydänpuu
Outer heartwood
Inner heartwood
© Luonnonvarakeskus
Näytteenoton kanssa on oltava
tarkkana!
Lahonkestävyys: Puiden välillä on vaihtelua
Kuva M. Venäläinen
Puita (lukumäärä) .
90
80
70
60
50
Perinnöllinen vaihtelu
h2 = 0,32
CVA = 27 %
N = 413
ka = 33 %
40
30
20
10
0
5
28.10.2015
8 vk.
lahotuskoe
10
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Painohäviö (%)
© Luonnonvarakeskus
35 v.
jälkeläiskoe.
4. Lahonkestävyyttä selittävät uuteaineet
Observations (no.) .
Stilbeenit
Kokonaisfenolit (Folin-Ciocalteu testi)
Hartsihapot
Asetoniin liukenevat uuteaineet
90
80
Kestävät puut
Herkät
N = 413puut
ka = 33 %
70
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 (%)
© Luonnonvarakeskus
Stilbeenit
Pinosylviini
Kuvat: M. Venäläinen
Pinosylviinin
monometyyli
eetteri
− Stilbeenit ovat männyn sydänpuulle tyypillisiä fenolisia yhdisteitä
− Stilbeenejä syntyy myös eläviin solukoihin esim.
mekaanisen vaurioituksen seurauksena
12
© Luonnonvarakeskus
Männyn sydänpuun luontainen stilbeenipitoisuus selittää
sen lahonkestävyyttä
painohäviö lahotuskokeessa, %
.
60
N = 40
50
r = - 0.85
40
p < 0.001
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
PS+PSM, mg/g
28.10.2015
Koe: Leppävirta, 309/2, tulokset julkaisusta Leinonen
& al. 2008)
© Luonnonvarakeskus
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)
Kuvat: M. Venäläinen, T. Tapanila
14
© Luonnonvarakeskus14
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
© Luonnonvarakeskus
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
© Luonnonvarakeskus
5. Kehitys- ja tutkimustarpeita
 tarvitaan liukuhihnanopeudella toimiva, luotettava
stilbeenipitoisuuden mittari
 tutkimuksen apuvälineeksi
 teollisiin sovelluksiin
 metsänjalostuksen apuvälineeksi
Kuvat M. Venäläinen
17
© Luonnonvarakeskus
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
© Luonnonvarakeskus
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
19
© Luonnonvarakeskus
Kuva: Kean-Jin Lim
Mittauslaitteiston kaaviokuva
virtalähde säädin
DC
UV-LED
kuva
reflektori
spektri
spektrometri
PC
kamera
kuitu
fluoresenssi
näyte
mittauskammio
Mittauslaitteiston rakennustyö toteutetaan yhteistyössä
Kuva: Kean-Jin Lim
Savonlinnassa sijaitsevan Elektroniikan 3K tehtaan
(MAMK) kanssa
20
© Luonnonvarakeskus
Männyn sydänpuun stilbeenien spektrit
500
400
Stilbeenipitoisuus
~10
STB
concentration ~10 mg/g
mg/g
Stilbeenipitoisuus
~15
STB
concentration ~15 mg/g
mg/g
STB
concentration ~20 mg/g
Stilbeenipitoisuus
~20
mg/g
STB
concentration ~25 mg/g
Stilbeenipitoisuus
~25
mg/g
Scope, counts
300
200
100
0
350
370
390
410
430
450
470
490
Kuva: Kean-Jin Lim
-100
21
Aallonpituus, nm
© Luonnonvarakeskus
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 (GCMS)
− Seuraavaksi sydänpuunäytteiden ja painekyllästettyjen lastujen testimittaus
22
© Luonnonvarakeskus
Mittausmenetelmän kehitystyön
haasteet
− Kalibrointi
− Edustavan väliaineen
valinta
− Kalibrointinäytteiden
säilyvyys
− Mittauspisteiden lukumäärä
− UV-valolähteen stabiilisuus
− Stilbeenien herkkyys UVvalolle
 Mittauksen toistettavuus
23
Kuva: E. Matikainen
© Luonnonvarakeskus
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
© Luonnonvarakeskus
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: [email protected], puh. 0295325116
email: [email protected], puh. 0295322422
25
Teppo Tutkija
28.10.2015
email: [email protected],
puh. 0295324238
©©Luonnonvarakeskus
Luonnonvarakeskus