Bestimmung der in den Hölzern enthaltenen Lignin - und Kohlenhydratzusammensetzung

Die Zellwände des Holzes bestehen aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Gemengezusammensetzungen aus den Hauptbestandteilen Lignin, Hemicellulose und Cellulose. Am größten ist der Anteil der Cellulose, der im Schnitt 40-50% der gesamten Holzmasse ausmacht. Die Cellulose ist ein Polysaccharid, das aus einer Vielzahl von glycosidisch verbundenen Glucose-Molekülen besteht. Lagern sich die langen, unverzweigten Cellulosemoleküle parallel zu größeren Bündeln zusammen, entstehen faserige Gebilde (Fibrillen), die wiederum gleichartige, größere Struktureinheiten ausbilden können. Sie verleihen dem Holz die notwendige Längsstabilität und Zugfestigkeit.

Hemicellulosen machen bei Laubhölzern einen Anteil von 27-40%, bei Nadelhölzern von 25-30% aus. Die Pluralendung deutet schon darauf hin, daß es sich hierbei um eine Gruppe von Polysacchariden handelt, die aus verschiedenen Zuckern bestehen, in erster Linie Xylose und Mannose, daneben Arabinose, Galactose, Glucose und Rhamnose, sowie Uronsäure (4-O-Methylglucoron-Säure → Zuckersäure). Im Gegensatz zur Cellulose bilden sie wesentlich kürzere und leicht verzweigte Makromoleküle aus. Zusammen mit dem Lignin festigen sie das Cellulosegerüst.

Lignin liegt durchschnittlich mit 18-25% in Laubhölzern und 22-35% in Nadelhölzern vor. Das dreidimensional vernetzte, amorphe Biopolymer besteht aus Phenylpropan-Einheiten, die in vielfältiger(chemischer) Form miteinander verknüpft sind. Diese starre Matrix bewirkt die Druckfestigkeit der Zellen. Zudem ist das Lignin im Vergleich zu den Polysacchariden wesentlich resistenter gegenüber chemischen oder biologischen Abbauprozessen.

Als vereinfachtes Bild für das Zusammenspiel dieser drei Bestandteile, kann ein Vergleich mit einem Faserverbundwerkstoff (z.B. GFK) dienen. Bei diesem Komposit sorgt ein Kunstharz für ein starres, druckfestes Gefüge, in dem Fasern/Gewebe eingelegt sind, die für eine Aufnahme von Biege- und Zugkräften sorgen. Beim Holz würden die Cellulosefibrillen den Fasern entsprechen, die in eine feste Matrix aus Lignin und Hemicellulose eingebettet sind.

Erhält sich Holz über archäologisch relevante Zeiträume, ist dies meistens einem anaeroben, wassergesättigten Milieu der Fundstätte zu verdanken. Der Abbau der Holzsubstanz erfolgt unter solchen Umständen meist durch anaerobe Bakterien, die bevorzugt die Polysaccharide (Cellulose, Hemicellulose) enzymatisch aufspalten und hydrolytische Reaktionen. Diese Prozesse vergehen weitaus langsamer als ein Abbau durch Pilze, die sogar in der Lage sind Lignin zu zersetzen, aber nur in aeroben Umgebungen gedeihen können. Inwieweit Holz abgebaut ist, läßt sich daher auch an dem veränderten Mengenverhältnis der zellwandbildenen Hauptbestandteile Lignin, Hemicellulose und Cellulose ablesen. Bauen sich die Polysaccharide ab, steigt der Ligningehalt prozentual zur verbleibenden Menge.

Zur Bestimmung der Mengenverhältnisse wurde eine Kohlenhydratanalyse von der Universität Hamburg, Zentrum für Holzwirtschaft, durchgeführt. Als Probenmaterial bedarf es nur geringer Mengen (1 g Trockenmasse), so daß im Vorfeld aus den Versuchshölzern (mit einem für die jeweilige Versuchsreihe durchschnittlichem Wassergehalt) ein für den Erhaltungszustand repräsentativer, kleiner Riegel geschnitten wurde. Im Labor wurden die Holzproben im Vakuumtrockenschrank bei 40°C getrocknet und danach mit einer Kryomühle unter Flüssigstickstoff zu einem feinen Pulver gemahlen. Nach einer zweistufigen sauren Hydrolyse, in der die Polysaccharide in ihre Monomere aufgespalten werden, wird das Hydrolysat mittels HPLC (hier Borationenaustauschchromatographie) qualitativ und quantitativ auf die typisch im Holz vorkommenden Zucker ausgewertet. Der abfiltrierte Hydrolyserückstand wurde gewogen und kann als Maß für das in der Probe enthaltene Lignin herangezogen werden. Die detaillierten Untersuchungsergebnisse können unter dem Menüpunkt "Versuchsreihe - Unkonservierte Referenzprobe - Cellulose/Ligningehalt" aufgerufen werden. In den Tabellen findet man die Ergebnisse von drei Hydrolysen, die je Probe durchgeführt wurden, den daraus resultierenden Mittelwert, sowie die absolute und relative Abweichung der Einzelergebnisse zum Mittelwert. Unter der Tabelle "Originaldaten" befinden sich die prozentualen Mengenverhältnisse bezüglich der gesamten Probemenge, wobei die fehlende Differenz zu 100% säurelösliche Ligninanteile, Abbauprodukte (die nicht über die Chromatographie erfasst wurden) oder auch Extraktstoffe sein können, die nicht getrennt bestimmt wurden. Unter "Kohlenhydrate auf 100% normiert" werden die Werte ausschließlich auf eine Betrachtung der monomeren Zucker umgerechnet. Die letzte Tabelle "Gesamtanalyse…" entspricht in etwa der "Originaldaten"-Tabelle mit dem Unterschied, daß der nicht analysierbare Rest ignoriert und die Werte auf 100% normiert werden.

Die aus diesen Ergebnissen errechnete Verteilung auf die drei Bestandteile Cellulose, Hemicellulose und Lignin unter Berücksichtigung der abgebauten Holzmasse, findet sich als Grafik im Menüpunkt "Versuchsreihe - Cellulose/Lignin-Gehalt". Als Referenz dienen durchschnittliche Mengenverhältnisse rezenter Hölzer gleicher Holzart.

Die Grafik soll zweierlei Dinge schnell ersichtlich machen : Zum einen den Massenverlust, der gemäß der unterschiedlichen Raumdichten als prozentual verkleinerte Fläche dargestellt wird und zum zweiten die noch im Holz verbliebenen, zellwandbildenden Hauptsubstanzen, deren verändertes Mengenverhältnis durch den unterschiedlich starken Abbau gekennzeichnet ist.

Auffällig an allen Ergebnissen ist der fast schon zu erwartende hohe Wert der Hydrolyserückstände, sprich der Ligninanteile. Durch den Verlust der leichter abbaubaren Kohlenhydrate steigt natürlich der Wert des Ligningehaltes im Verhältnis zu den schwindenden Cellulosewerten.