Die Bestandteile des Holzes - ein Überblick
In diesem Artikel gebe ich einen Überblick über die
verschiedenen Bestandteile des Holzes. Da Holz für den Bau von Fässern
verwendet wird, kommt es direkt mit dem Whisky in Kontakt. Dabei treten die
einzelnen Holzbestandteile in Interaktion mit dem Alkohol und den darin
befindlichen Verbindungen. Grund genug dem Holz mal auf den Zahn zu fühlen.
Holz – ein wunderbarer Werkstoff!
Holz für den Bau von Möbeln, Bodenbelägen oder ganzen
Häusern finden wir tagtäglich in unserem Umfeld. Aus Holz stellen wir Papier
her und wir gewinnen Energie in dem wir es verbrennen. Holz ist vielseitig.
Auch bei der Reifung von Wein und verschiedenen Spirituosen,
z.B. Whisky, wird Holz in Form von Fässern genutzt.
Jeder kennt Holz. Doch aus was besteht Holz eigentlich?
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| Abbildung 1: Stammquerschnitt einer Fichte. (Bildquelle: Thomas B., Pixabay) |
Der Holzaufbau
Holz ist ein natürlicher Verbundwerkstoff. Es besteht aus
unzähligen, miteinander verworrenen Celluloseketten. Diese Ketten bilden die
sogenannten Fibrillen, welche miteinander verklebt sind und auf diese Weise
Schichten, sogenannte Wände, ausbilden. Die einzelnen Schichten sind alle
unterschiedlich orientiert und bilden die einzelnen Holzzellen. Der Bereich
zwischen diesen einzelnen Zellen, nennt sich Mittellamelle und ist mit einem
Füllmaterial aufgefüllt. Schematisch ist der makro- und mikroskopische Aufbau
des Holzes in Abbildung 2 dargestellt.
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| Abbildung 2: Schematische Darstellung des Holzaufbaus. |
Die an diesem Aufbau beteiligten Holzbestandteile kann man
prinzipiell in 3 verschiedene Kategorien einteilen.
1.)
Cellulose
– Ein Polymer aus unzähligen, miteinanderverknüpften Glucose-Einheiten
2.)
Lignin
– ein Polymer aus verschiedenen aromatischen Verbindungen
3.)
Hemicellulose
– ähnlich der Cellulose, besteht allerdings aus unterschiedlichen Monosacchariden
Außerdem sind im Holz noch
nicht-strukturgebende Stoffe enthalten:
4.)
Extraktstoffe
– der geringste Anteil im Holz (aber auch der vielfältigste)
Jede Pflanze, vom Ahorn bis zum Weizen, besteht aus diesen
vier Bestandteilen. Jeder Bestandteil erfüllt seinen eigenen Zweck. In der nachfolgenden Tabelle sind die Anteile der Bestandteile in verschiedenen Holzarten aufgelistet
sowie deren entsprechende Funktionen:
Bestandteil
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Anteil im Nadelholz
[1]
|
Anteil im Laubholz
[1]
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Funktion
|
Cellulose
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42 – 47
|
42 – 57
|
Gerüstsubstanz (Längenstabilität, Zugfestigkeit)
|
Lignin
|
25 - 34
|
18 – 26
|
Gerüstsubstanz (Füllmaterial, Druckfestigkeit), UV-Schutz,
Wasserbarriere
|
Hemicellulose
|
24 - 30
|
27 - 40
|
Verknüpfung zwischen Cellulose und Lignin
|
Extrakte
|
2 – 9
|
1 - 11
|
Dauerhaftigkeit, Fungizid, Fraßschutz, Lockstoffe, …
|
Cellulose
Neben der Nutzung von Holz als Ganzem, werden die
Bestandteile auch einzeln genutzt. Dafür müssen sie durch verschiedene Prozesse
voneinander getrennt werden. Die passiert im großtechnischen Maßstab in
Zellstoff-Fabriken. Hier werden, mit dem Ziel möglichst reine Cellulose zu
gewinnen, Lignin sowie Hemicellulosen gelöst und die einzelnen Cellulosefasern
bleiben als eine Art Faserbrei zurück.
Verwendet wird dieser Brei beispielsweise zur Herstellung
von Druck- und Schreibpapier oder Hygienepapier wie Taschentücher und
Klopapier. Aber auch in zahlreichen anderen Produkten ist Cellulose versteckt.
Die Griffe von Schraubenziehern sind oftmals aus dem Kunststoff Cellulose-Acetat
hergestellt, welches als Derivat der Cellulose schmelz- und formbar ist.
Handydisplays zum Beispiel sind ebenfalls aus Cellulose-Acetat. Aber auch in
zahlreichen Nahrungsmittel finden sich die Derivate der Cellulose.
Carboxymethylcellulose zum Beispiel, wird als Überzugs- und Verdickungsmittel
in der Lebensmittelchemie eingesetzt und findet u.a. in Kokosmilch oder
Speiseeis Anwendung.
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| Abbildung 3: Cellobiose (ein Glucose-Dimer) als Baustein der Cellulose. |
Aufgebaut ist Cellulose aus zahlreichen miteinander
verknüpfen Glucose-Molekülen. (Abbildung 3) – vereinfacht gesagt aus Zucker.
Diese Zuckermoleküle sind über eine glycosidische Bindung (ein Acetal)
miteinander verknüpft. Durch molekulare Wechselwirkungen
(Wasserstoff-Brückenbindungen) hängen einzelne dieser linearen Ketten fest
zusammen. Auf diese Weise können sich die Fibrillen ausbilden. Mehrere dieser Fibrillen bilden die Holzfasern.
Lignin
Lignin, der Füllstoff im Holz, ist verantwortlich für
die Druckfestigkeit und die braune Farbe. Lignin ist im Gegensatz zur Cellulose und
den Hemicellulosen nicht aus Zuckern aufgebaut, sondern aus 3 verschiedenen aromatischen
Grundbausteinen – den Monolignolen. (Abbildung 4 & 5) Diese drei Monomere sind der
Cumarylalkohol (H-Typ), der Coniferylalkohol (G-Typ) und der Sinapylalkohol
(S-Typ).
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|---|---|
| Abbildung 4: Die Bausteine des Lignins. | Abbildung 5: Strukturausschnitt des Lignins. |
Lignin, fällt während der Zellstoffgewinnung (bzw.
Papierherstellung) als Nebenprodukt an und wird zum Großteil verbrannt. Aus der
thermischen Energie stellen wir elektrischen Strom her. Dies führt dazu, dass jedes Zellstoffwerk, durch die
Herstellung von Cellulose und der Verbrennung von Lignin, komplett
Energieautark ist und außerdem noch Strom in das öffentliche Netz einspeist.
Allerdings bietet Lignin auch ein enormes stoffliches
Potenzial. Zahlreiche Forschungsgruppen weltweit erkunden neue Wege um Lignin als
natürliches Plastik, als Quelle von Grundchemikalien oder zur Herstellung von
Carbonfasern zu nutzen. [3] Teils mit großem Erfolg! So ist es heute bereits
möglich ligninhaltige Polymere als Schäume oder Gießharze herzustellen.
Lignin – verantwortlich
für den Rauch im Whisky:
Bei der Pyrolyse von Torf (Rauchmalzherstellung)
kommt es zur Spaltung des im Torf enthaltenen Lignins, wodurch Phenol und eine Vielzahl
davon abgeleiteter Verbindungen entstehen. Diese Phenolderivate sind veratnwortlich für den typischen Rauchgeschmack. [4]
Hemicellulose
Da Lignin und Cellulose nicht gut miteinander verbunden
werden können, fungiert die Hemicellulose als eine Art Linker. Dieser Linker ist
dafür da, Lignin und Cellulose miteinander zu verbinden. Für diese Aufgabe sind
die Ketten der Hemicellulose verzweigt aufgebaut und nicht linear, wie die der Cellulose.
Von der Struktur her sind Hemicellulosen ähnlich der Cellulose. Sie bestehen ebenso aus
Zuckern. Allerdings bestehen sie nicht nur aus Glucose, sondern auch aus vielen
anderen Zuckern wie z.B. Arabinose, Xylose und Galactose.
Hemicellulose-reiche Materialien, können wir z.B. für die
Herstellung von Bioethanol nutzen. Aber auch in der menschlichen Ernährung
spielen sie eine wichtige Rolle als Ballaststoffe. [2]
Extraktstoffe
Extraktstoffe sind all jene Stoffe, welche nicht
strukturgebend sind und mittels Extraktion aus dem Holz gewonnen werden können.
Sie sind ganz verschiedener Art.
Eine kleine Auswahl:
Zum einen gibt es die Terpene, welche eine Lock- und
Abschreckwirkung besitzen und den Baum somit u.a. vor Fraßschäden schützen. Zum
anderen haben wir Fette und Harze, welche von uns Menschen gezielt gewonnen
werden: das wohl bekannteste Produkt aus Baumharz ist das sogenannte Kolophonium. Außerdem gibt es, z.B. in
der Eiche, die Tannine (Abbildung 6). Sie besitzen fungizide Eigenschaften und
sind antioxidativ wirkend. Man nutzt sie als Gerbstoffe und als
Lebensmittelzusatzstoff (z.B. im Wein).
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| Abbildung 6: die Strukturformel von Corilagin - ein Vertreter der Tannine. |
Holz & Whisky – Werkstoff und Stoffquelle zugleich
Aus all diesen Gründen ist Holz nicht nur als
Werkstoff interessant, sondern auch als chemische Rohstoff-Quelle. Genau diesen
Gedanken machen wir uns beim Whisky zu Nutze.
Werkstoff:
Zum einen wird Holz für die Lagerung von Spirituosen genutzt
- als Material für den Fässerbau. Durch seine hohe Verfügbarkeit, der guten
Verarbeitbarkeit sowie der Tatsache, dass die meisten Holzarten Flüssigkeiten
nicht hindurchlassen, ist es eine optimales Material für die traditionelle
Herstellung sowie die Lagerung von Getreide- und Weinbränden. Im Fassbau hat
sich vor allem die Eiche durchgesetzt. Aber auch Fässer aus Maulbeerbaum-,
Kastanien- oder Akazienholz* findet man immer öfters.
Stoffquelle:
Durch die Lagerung von Alkohol in Holz, kommt es auch zur
Extraktion der Extraktstoffe sowie der durch die Auskohlung entstandenen
Abbauprodukte der Holzbestandteile. Diese sind z.B. Vanillin, Quercuslacton,
Furfural und auch Tannine. Je nach Stärke des Fass-Toastings sind diese Bestandteile
mehr oder weniger stark vorhanden und können in den Brand übergehen.
Aber auch der im Alkohol gelösten Verbindungen ist es
möglich in das Holz einzudringen und daran zu adsorbieren. Zum Beispiel werden Phenole,
welche durch Verwendung von Rauchmalz in den Whisky kommen, an der Holzmatrix
adsorbiert. Dieser Effekt trägt dazu bei, dass rauchige Whisky je älter sie
sind, weniger aggressiv rauchig schmecken.
Schlusswort
Zum Schluss ist zu sagen, dass ich sehr froh darüber bin,
dass man in Deutschland nicht ganz so strengen Regeln bei der Whiskyherstellung
unterworfen ist. Wir können hierzulande, anders als bei den Schotten, welche
ausschließlich Eichenholzfässer nutzen dürfen [The Scotch Whisky Regulations, 5],
verschiedene Hölzer für die Lagerung von Whisky nutzen. Dass schafft neue
Möglichkeiten. Durch die Nutzung alternativer Hölzer, ist es möglich ganz neue
Geschmäcker zu kreieren.
Diesen Beitrag beende ich mit einem ehrwürdigen Zitat von
Heinrich Cotta – einem Forstwissenschaftler aus Dresden (Tharandt) – zur Bedeutung
der Forstwissenschaft, zu der auch die Pflanzen- und Holzchemie gehört:
„Wenn die Menschen Deutschland verließen, so würde dieses
nach 100 Jahren ganz mit Holz bewachsen sein. Da nun letzteres niemand
benutzte, so würde es die Erde düngen und die Wälder würden nicht nur größer,
sondern auch fruchtbarer werden. Kehrten aber nachher die Menschen wieder
zurück und machten sie wieder so große Anforderungen an Holz, Waldstreu und
Viehweide, wie gegenwärtig, so würden die Wälder bei der besten Forstwirtschaft
allemals nicht bloß kleiner, sondern auch unfruchtbarer werden. Die Wälder
bilden sich und bestehen also da am besten, wo es gar keine Menschen und
folglich auch gar keine Forstwissenschaft gibt; und diejenigen haben demnach
vollkommen recht, welche sagen: Sonst hatten wir keine Forstwirtschaft und Holz
genug, jetzt haben wir die Wissenschaft, aber kein Holz. Man kann aber auch mit
Recht sagen: Die Menschen sind gesünder, die keinen Arzt brauchen, als die, die
es tun, ohne dass daraus folgte, die Ärzte wären schuld an den Krankheiten. Es
würde keine Ärzte geben, wenn es keine Krankheiten gäbe und keine
Forstwissenschaft ohne Holzmangel. Diese Wissenschaft ist nun ein Kind des
Mangels und diese ist folglich sein gewöhnlicher Begleiter.“ H. Cotta (Vorwort,
Anweisung zum Waldbau (1817).)
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| Abbildung 7: Heinrich Cotta. (Bildquelle: |
Whisky & Molecules
*(Vorsicht! Der hiergenutzte Begriff Akazie steht nicht für
die im tropischen Klima beheimateten Acacieae-Arten sondern für Robinia
pseudoacacia – hierzulande auch als Robinie bekannt.)
Referenzen
[1] Pettersen, R. C. (1984). The chemical
composition of wood.
[2] Anderson, J. W., Baird, P., Davis, R. H.,
Ferreri, S., Knudtson, M., Koraym, A., ... & Williams, C. L. (2009). Health
benefits of dietary fiber. Nutrition reviews, 67(4), 188-205.
[3] Hu, T. Q. (Ed.). (2002). Chemical
modification, properties, and usage of lignin (pp. 81-82). New York: Kluwer
academic/Plenum publishers.
[4] Harrison, B. M., & Priest, F. G.
(2009). Composition of Peats Used in the Preparation of Malt for Scotch Whisky
Production Influence
of Geographical Source and Extraction Depth. Journal of agricultural and
food chemistry, 57(6), 2385-2391.
[5] http://www.legislation.gov.uk/uksi/2009/2890/regulation/3