caractÉrisation physico-chimique de bois et d’Écorces …
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FRANÇOIS ST-PIERRE
CARACTÉRISATION PHYSICO-CHIMIQUE DE
BOIS ET D’ÉCORCES DE BETULA
ALLEGHANIENSIS ET ACER SACCHARUM DE
DIFFÉRENTES VIGUEURS
Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l’Université Laval
dans le cadre du programme de maîtrise en Sciences du Bois pour l’obtention du grade de Maître ès sciences (M.Sc.)
DÉPARTEMENT DES SCIENCES DU BOIS ET DE LA FORÊT FACULTÉ DE FORESTERIE, DE GÉOGRAPHIE ET DE GÉOMATIQUE
UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC
2012
© François St-Pierre, 2012
i
Résumé court
Les forêts du sud-ouest du Québec, Canada, sont riches en essences feuillues telles que le
bouleau jaune (Betula alleghaniensis) et l’érable à sucre (Acer saccharum). Leur
exploitation antérieure a diminué la vigueur des arbres sur pied et la réglementation actuelle
priorise la récolte de ces arbres pour rétablir la qualité des forêts. Ces arbres possèdent
souvent une faible valeur économique et l’extraction à l’éthanol de leurs tissus (bois et
écorce) a été explorée comme avenue de valorisation.
Malgré une variation entre les arbres, il a été déterminé que l’extraction n’affecte pas les
propriétés de combustion des tissus étudiés, tout en permettant la valorisation des
polyphénols, des triterpènes et des stérols possédant un potentiel économique dans les
domaines nutraceutique, pharmaceutique ou cosméceutique et ce, peu importe la vigueur
des arbres à la source des fibres. L’extraction du bois et de l’écorce de bouleaux jaunes et
d’érables à sucre de faible vigueur peut donc être considérée comme un ajout de valeur à la
biomasse.
ii
Résumé long
Les forêts du sud-ouest de la province de Québec, Canada, sont riches en essences feuillues
dites nobles telles que le bouleau jaune (Betula alleghaniensis) et l’érable à sucre (Acer
saccharum). Leur exploitation antérieure a généralement été basée sur une coupe à
diamètre limite visant la récupération des billes de grande valeur. Une telle pratique, avec le
temps, a amené une diminution générale de la vigueur des arbres sur pied en forêt. La
réglementation actuelle oblige les exploitants forestiers à récolter préférentiellement les
arbres de faible vigueur de manière à rétablir la qualité des forêts. Ces arbres de faible
vigueur, souvent de faible qualité, possèdent généralement une faible valeur économique.
La pertinence de l’ajout d’une étape d’extraction chimique à l’éthanol des tissus de bois et
de l’écorce dans les procédés de transformation de la matière déjà existants a été étudiée
dans ce mémoire. Plus spécifiquement, les travaux visaient à évaluer le potentiel d’une telle
stratégie appliquée à la transformation des arbres de faible vigueur.
Du bois et de l’écorce provenant d’arbres vigoureux (références) et non-vigoureux
mourants (infectés par des champignons ou séchant du houppier) ont été extraits à l’éthanol
à l’aide de deux méthodes différentes : par macération et par extraction assistée aux
ultrasons. D’une part, les extraits ont été étudiés pour leur contenu en polyphénols (phénols
totaux, taux de proanthocyanidines, de flavonoïdes et d’acides hydroxycinnamiques) et en
triterpènes et phytostérols. D’autre part, les tissus ont été étudiés avant et après extraction
pour leur pouvoir calorifique supérieur, leur composition chimique organique, leur contenu
en cendres, ainsi que la composition chimique des cendres.
Bien qu’une variation soit observée entre les différents arbres, les extractions n’affectent
pas les capacités de combustion des tissus. Elles peuvent en outre constituer un apport
notable de polyphénols, de triterpènes et de stérols possédant un potentiel économique dans
les domaines nutraceutique, pharmaceutique ou cosméceutique, et ce, peu importe la
vigueur des arbres à la source des tissus ou la méthode d’extraction utilisée. L’extraction du
bois et de l’écorce de bouleaux jaunes et d’érables à sucre de faible vigueur peut donc être
envisagée dans une stratégie de transformation à valeur ajoutée de la ressource.
iii
Short abstract
Forests of South-West Québec, Canada, are rich in yellow birch (Betula alleghaniensis)
and sugar maple (Acer saccharum). Past forest practices reduced the general vigor of the
trees left standing and current regulations prioritize the harvesting of these trees in order to
restore the quality of the forests. These often possess a low economic value and ethanolic
extraction of their wood and bark tissues was explored as a mean of valorization.
While variation was observed between trees, it was determined that the extraction does not
affect the combustion properties of the tissues, while leaving the potential for the
valorization of polyphenols, triterpenes and phytosterols - all molecules having potential
applications in nutraceutics, pharmaceutics or cosmeceutics - no matter the vigor of the tree
at the source of the fibers. The ethanolic extraction of wood and bark fibers coming from
low vigor yellow birch and sugar maple can be considered as a mean to add value to the
resource.
iv
Long abstract
Forests of South-West Québec, Canada, are rich in yellow birch (Betula alleghaniensis)
and sugar maple (Acer saccharum). Past forest practices were aiming to harvest the
superior quality and higher value logs via selective cuttings, which resulted in a decrease of
the general vigor of the trees left standing in the forests. Current regulations require the
foresters to harvest preferentially low vigor trees in order to restore the quality of the
forests. These low vigor trees, which are often less suitable for value-added products such
as flooring or furniture, are also generally of a low economic value.
The addition of an ethanolic extraction of the wood and bark tissues to a currently applied
processing approach was studied in order to assess its feasibility with trees of different
vigor.
Wood and bark tissues were collected from vigorous (references) and non-vigorous dying
trees (fungus infected or with very poor foliage) and were extracted with ethanol using two
different methods: maceration assisted and an ultrasound assisted extraction. The extracts
were characterized for their total phenols, proanthocyanidins, flavonoids, hydroxycinnamic
acids, triterpenes and phytosterols content. Tissues were characterized before and after
extraction for their calorific value, organic composition, ash content and ash mineral
composition.
While much variation was observed between trees, the ethanolic extractions did not affect
the combustion properties of the tissues, while bringing a significant contribution in
polyphenols, triterpenes and phytosterols - all molecules having potential applications in
nutraceutics, pharmaceutics or cosmeceutics - no matter the vigor of the tree at the source
of the tissues or the extraction method employed. The ethanolic extraction of wood and
bark coming from low vigor yellow birch and sugar maple can be considered as a mean to
add value to the resource.
v
Avant-Propos
Je tiens tout d’abord à remercier ma directrice, Tatjana Stevanovic et mon co-directeur,
Alexis Achim, qui m’ont fait confiance pour me confier ce projet de maîtrise. Les deux ont
été d’excellents accompagnateurs, faisant preuve d’un dosage équilibré entre l’autonomie et
la direction, tout en étant toujours très disponibles pour faire profiter leur expérience et leur
savoir à mes nombreuses interrogations. La participation de Filip Havreljuk a permis
l’identification et la caractérisation des arbres utilisés dans le projet. Je tiens aussi à
remercier MM. Yves Bédard, David Lagueux, Luc Germain et Daniel Bourgault pour leur
aide technique. Dr. Mariana Royer a été d’une grande aide en laboratoire, ce qui m’a
permis de me familiariser rapidement avec les analyses en laboratoire, et le partage de ses
connaissances de phytochimie a grandement facilité mon passage de la chimie à la
phytochimie. Je remercie Dr. David Auty et Nicolas Mariotti, qui m’ont été d’une grande
aide au niveau des analyses statistiques, ce qui m’a permis d’organiser les multiples
données et de publier les résultats accumulés au cours de cette étude.
Ce mémoire comprend deux articles : le premier été accepté pour publication dans un
journal scientifique avec comité de révision alors que le deuxième a été soumis pour
publication dans un journal du même genre. Chaque article traite d’un aspect particulier de
la recherche.
Le premier article, qui est le chapitre 2 du présent mémoire, soumis au journal Industrial
Crops and Products, comprend la recherche portant sur les molécules extractibles elles-
mêmes en relation avec la vigueur de l’arbre à la source des extractibles. L’article a été
accepté par le journal avec modifications mineures. Sa notice bibliographique est la
suivante :
St-Pierre, F., Achim, A., Stevanovic, T., 2013. Composition of ethanolic extracts of wood
and bark from Acer saccharum and Betula alleghaniensis trees of different vigor
classes. Industrial Crops and Products. 41, 179-187.
Le deuxième article comprend plutôt les résultats en lien avec les effets de l’extraction sur
une utilisation classique réservée au bois de faible qualité et à l’écorce en général : la
vi
production d’énergie par combustion. Cet article est le chapitre 3 du présent mémoire. Il est
présentement soumis au journal Biomass and Bioenergy. Son titre est le suivant :
St-Pierre, F., Achim, A., Auty, D., Stevanovic, T. Calorific value, ash content and ash
composition of ethanol extracted wood and bark of Acer saccharum and Betula
alleghaniensis of different vigor.
Les co-auteurs de ces articles ont participé de la manière suivante à leur élaboration : mon
rôle en tant que candidat au poste de M.Sc. est celui d’auteur principal puisque les
premières versions des manuscrits sont un travail original de ma part. Je suis aussi à la
source de la presque totalité des manipulations expérimentales qui ont mené aux résultats
présentés dans ces articles. Les Professeurs Tatjana Stevanovic et Alexis Achim, en tant
que directrice et co-directeur, ont proposé de multiples corrections et propositions
pertinentes qui ont grandement amélioré l’approche scientifique et la présentation des
documents, autant du côté du fond que de la forme. Le Dr. David Auty a amené de
nombreuses corrections au niveau de l’anglais, tout en réalisant de nombreuses analyses
statistiques et en générant les figures, qui permettent la comparaison des résultats entre eux
qui facilitent la compréhension des résultats.
vii
Table des matières
Résumé court............................................................................................................................ i Résumé long............................................................................................................................ ii
Short abstract.......................................................................................................................... iii Long abstract.......................................................................................................................... iv
Avant-Propos .......................................................................................................................... v Table des matières................................................................................................................. vii Liste des figures ..................................................................................................................... ix
Liste des tableaux.................................................................................................................... x Introduction et revue de littérature..........................................................................................1
Hypothèse............................................................................................................................4 Objectifs spécifiques ...........................................................................................................5
Chapitre 1 Matériel et méthodes ..........................................................................................6
1.1 Matériel .........................................................................................................................7 1.1.1 Échantillonnage......................................................................................................7
1.1.2 Préparation des échantillons pour analyses............................................................8 1.2 Extractions ..................................................................................................................10
1.2.1 Macération ...........................................................................................................10
1.2.2 Extraction assistée aux ultrasons. ........................................................................12 1.3 Analyses colorimétrique des polyphénols ..................................................................13
1.3.1 Phénols totaux ......................................................................................................13 1.3.2 Flavonoïdes ..........................................................................................................14 1.3.3 Acides hydroxycinnamiques ................................................................................15
1.3.3 Proanthocyanidines ..............................................................................................16 1.4 Analyses chromatographiques des triterpènes et phytostérols....................................17 1.5 Cendres........................................................................................................................18
1.5.1 Contenu en cendres ..............................................................................................18 1.5.2 Composition chimique des cendres .....................................................................19
1.6 Valeurs calorifiques ....................................................................................................20 1.7 Composition élémentaire des échantillons de bois et d’écorce ..................................21 1.8 Analyses statistiques ...................................................................................................22
Chapitre 2 Composition of ethanolic extracts of wood and bark from Acer saccharum and Betula alleghaniensis trees of different vigor classes ...........................................................23
Résumé..................................................................................................................................24 Abstract .................................................................................................................................25
2.1 Introduction .................................................................................................................26
2.2 Material and Methods .................................................................................................28 2.2.1 Chemicals.............................................................................................................28
2.2.2 Plant material .......................................................................................................28 2.2.3 Extractions ...........................................................................................................29 2.2.4 Determination of polyphenols content .................................................................29
2.2.5 Triterpenes and sterols characterization...............................................................31 2.2.6 Statistical analyses ...............................................................................................31
2.3 Results and discussion ................................................................................................32 2.3.1 Extract yields and phenol content ........................................................................32
viii
2.3.2 GC-MS lipophilic compounds characterization...................................................39 2.4 Conclusion ..................................................................................................................43 2.5. Acknowledgments......................................................................................................44
Chapitre 3 Calorific value, ash content and ash composition of ethanol extracted wood and bark of Acer saccharum and Betula alleghaniensis of different vigor classes ..............45
Résumé..................................................................................................................................46 Abstract .................................................................................................................................47
3.1 Introduction .................................................................................................................48
3.2 Material and Methods .................................................................................................50 3.2.1 Plant material .......................................................................................................50
3.2.2 Ethanol extraction ................................................................................................51 3.2.3 Ash content ..........................................................................................................51 3.2.4 Elemental analysis................................................................................................52
3.2.5 Calorific values ....................................................................................................52 3.2.6 Statistical analysis ................................................................................................53
3.3 Results and discussion ................................................................................................53 3.3.1 Calorific values ....................................................................................................53 3.3.2 Extraction yields ..................................................................................................54
3.3.3 Ash content ..........................................................................................................55 3.3.4 Ash composition ..................................................................................................56
3.3.5 Elementary content of wood and bark fibers .......................................................57 3.3.6 Linear regression..................................................................................................62
3.4 Conclusion ..................................................................................................................63
3.5 Acknowledgments.......................................................................................................64 Conclusions ...........................................................................................................................65
Limitations ........................................................................................................................68
Recommandations .............................................................................................................69 Bibliographie.........................................................................................................................70
Annexe 1 Caractéristiques principales, incluant les défauts, des arbres utilisés dans le cadre de l’étude .....................................................................................................................75
ix
Liste des figures
Figure 1.1 : Exemple d’une tige d’un arbre vigoureux ...........................................................8 Figure 1.2 : Exemple d’une tige d’un arbre peu vigoureux (mourant, classe M) ...................8
Figure 1.3 : Exemple de billot récolté.....................................................................................9 Figure 1.4 : Disque typique récupéré sur un b illot avant d’en séparer l’écorce .....................9
Figure 1.5 : Exemple d’écorce pré-broyée et prête à être séchée .........................................10 Figure 1.6 : Exemple de bandelettes de bois découpées à la scie à ruban ............................10 Figure 1.7 : Mélange 1:10 de fibres de bois de bouleau jaune .............................................11
Figure 1.8 : Extraits bruts de coloration typique d’écorces de bouleau jaune (gauche) et de bois de bouleau jaune (droite) .......................................................................................11
Figure 1.9 : Dispositif ayant été utilisé pour l’extraction assistée aux ultrasons ..................13 Figure 1.10 : Acide gallique..................................................................................................14 Figure 1.11 : Quercetine........................................................................................................14
Figure 1.12 : Acide chlorogénique........................................................................................16 Figure 1.13 : Chlorure de cyanidine .....................................................................................16
Figure 2.1: Average total phenol concentration with standard errors of the extracts of
yellow birch wood and bark from different vigor classes.............................................33
Figure 2.2: Average total phenol concentration with standard errors of the extracts of sugar maple wood and bark from different vigor classes .......................................................34
Figure 2.3: Structures of the molecules identified by GC-MS from the wood and bark of sugar maple and yellow birch ethanolic extracts ..........................................................42
Figure 3.1 Calcium, potassium, magnesium, manganese and phosphorus content of ash from reference (R, non-extracted), maceration extracted (M) and ultrasound extracted (U) wood and bark from yellow birch and sugar maple of different vigor classes ......59
x
Liste des tableaux
Table 2.1: Average extraction yields and phenolics concentrations of the extracts of yellow birch wood from vigorous, fungi attacked and poor foliage trees ................................36
Table 2.2: Average extraction yields and phenolics concentrations of the extracts of yellow birch bark from vigorous, fungi attacked and poor foliage trees ..................................36
Table 2.3: Average extraction yields and phenolics concentrations of the extracts of sugar maple wood from vigorous, fungi attacked and poor foliage trees...............................36
Table 2.4: Average extraction yields and phenolics concentrations of the extracts of sugar
maple bark from vigorous, fungi attacked and poor foliage trees ................................37 Table 2.5: Average contents of compounds identified by GC-MS in yellow birch wood
extracts ..........................................................................................................................37 Table 2.6: Average contents of compounds identified by GC-MS in yellow birch bark
extracts ..........................................................................................................................37
Table 2.7: Average contents of compounds identified by GC-MS in sugar maple wood extracts ..........................................................................................................................38
Table 2.8: Average contents of compounds identified by GC-MS in sugar maple bark extracts ..........................................................................................................................38
Table 3.1: Average organic composition, ash content and calorific values of extracted and non-extracted wood and bark from vigorous, poor foliage and fungi attacked yellow
birch trees ......................................................................................................................59 Table 3.2: Average organic composition, ash content and calorific values of extracted and
non-extracted wood and bark from vigorous, poor foliage and fungi attacked sugar
maple trees ....................................................................................................................61
1
Introduction et revue de littérature
Les forêts du Québec sont une source inestimable de biomasse forestière. On y retrouve des
arbres nobles tels que le bouleau jaune (Betula alleghaniensis) ou l’érable à sucre (Acer
saccharum) en grande quantité. Ces arbres sont considérés nobles de par la grande densité
de leur bois, qui leur confère une grande dureté et une bonne solidité; par la couleur riche
de leur bois, qui leur donne une apparence distinctive recherchée et par leur grande
résistance aux éléments, qui en font des matériaux durables.
Le contexte forestier actuel, plus particulièrement dans les Hautes-Laurentides, n’est pas
des plus favorables en ce qui a trait à la récolte commerciale des bouleaux jaunes et érables
à sucres. Le modèle de coupe en place dans le passé était presque exclusivement basé sur la
recherche des billes possédant la plus grande valeur marchande possible, c’est-à-dire les
billes de fort diamètre, très droites et exemptes de défauts (Nyland, 1992). La récolte
successive des plus beaux spécimens a amené une diminution générale de la qualité des
arbres demeurant sur pied (Majcen et al., 2006; Robitaille and Roberge, 1981). Maintenant,
ces arbres de plus faible vigueur forment une grande proportion des populations en place et
il convient de les récolter préférentiellement de manière à rétablir le plus rapidement
possible la qualité des peuplements forestiers à un niveau convenable.
La réglementation actuelle va dans ce sens et les exploitants de la forêt doivent prioriser la
récolte des arbres les moins vigoureux. Or, ces arbres moins vigoureux sont souvent de
moins grande qualité et possèdent souvent une moins grande valeur marchande. Les billes
de ces arbres de bouleau jaune et d’érable à sucre sont la plupart du temps parsemées de
défauts plus ou moins importants et sont fréquemment mises de côté dans la chaîne de
production traditionnelle puisqu’elles ne possèdent souvent pas les qualités nécessaires à
des applications régulières telles que le bois dit « d’apparence » utilisé pour la fabrication
de lames de planchers et de meubles, par exemple. Elles sont alors dirigées, tout comme
l’écorce, vers des applications de moindre valeur ajoutée comme les panneaux composites,
les pâtes et papiers, la litière animale ou la production d’énergie (Harkin and Rowe, 1971).
Ces applications sont moins rentables économiquement et, lorsque combinées à un coût de
carburant élevé et un secteur forestier en difficulté, ne suffisent pas à compenser le coût
2
d’exploitation des arbres en forêt. Il existe plusieurs avenues possibles pour remédier au
problème et celle qui a été choisie dans le cadre du présent projet est d’ajouter une étape de
valorisation par extraction chimique qui s’insèrerait dans le processus régulier de
transformation de la biomasse en fibres dédiées aux panneaux, aux pâtes ou à la production
d’énergie.
Le bouleau jaune et l’érable à sucre ne sont pas considérés comme nobles que pour leurs
propriétés en tant que matériaux. En effet, on retrouve une multitude de molécules
extractibles se trouvant à l’extérieur des parois cellulaires et libres de se déplacer dans la
surface poreuse du bois et de l’écorce des arbres qui ont des applications intéressantes.
D’ailleurs, ces molécules jouent un rôle de défense de la plante contre les envahisseurs tels
que les bactéries, levures ou autres microorganismes. Elles ont aussi des applications dans
le domaine nutraceutique comme compléments alimentaires, ou en cosméceutique
(Alakurtti et al., 2006; Cichewicz and Kouzi, 2004; Goundalkar et al., 2010; Habiyaremye
et al., 2002; Krasutsky, 2006; Miller et al., 1990; Šarek et al., 2003; Tattar and Rich, 1973;
Yogeeswari and Sriram, 2005; Yoshikawa et al.,2011).
Les extraits de bouleaux jaunes, riches en triterpènes, sont plutôt bien connus et ont déjà été
étudiés, entre autre par le laboratoire du Pr. Tatjana Stevanovic (Diouf et al., 2009; García-
Pérez et al., 2008; Lavoie and Stevanovic, 2005; Lavoie and Stevanovic, 2006; Lavoie and
Stevanovic, 2007). Les extraits d’érable à sucre ont été moins étudiés puisque les efforts de
recherche sur cet essence ont été plutôt concentrés sur le sirop d’érable, sucre comestible
issu de la sève de l’érable (Filipic and Underwood, 1964; Leaf and Watterston, 1964; Jones
and Alli, 1987; Potter and Fagerson, 1992; Kermasha et al., 1995; Thériault et al., 2006).
Par contre, on retrouve tout de même des polyphénols en bonne quantité dans les extraits de
cet essence (Goundalkar et al., 2010; Miller et al., 1990; St-Pierre et al., 2013; Tattar and
Rich, 1973; Yoshikawa et al., 2011).
L’étude présentée dans ce mémoire a comme but de caractériser ces molécules extractibles
que l’on retrouve dans le bois et l’écore du bouleau jaune et de l’érable à sucre. Ce n’est
certainement pas la première fois qu’une telle caractérisation est réalisée, mais c’est la
première fois que sont comparés des extraits provenant d’arbres de classes de vigueurs
différentes à l’intérieur d’une même essence. La première publication présentée dans ce
3
mémoire (chapitre 2) fait état de ces résultats de caractérisation et de comparaison entre les
extraits.
Puisque l’extraction n’altère pas la structure de base de la fibre lignocellulosique, il est
naturel de réutiliser les fibres extraites pour des utilisations traditionnelles telles que la
production d’énergie, leur utilisation en pâtes et papier ou leur incorporation dans des
panneaux composites. Pour des raisons de temps et de moyens, seulement une
caractérisation des fibres dans une optique d’utilisation comme source d’énergie a été
considérée. Cette caractérisation est d’ailleurs consignée dans la deuxième publication de
ce mémoire (chapitre 3).
Les arbres à la source des fibres proviennent de la région de Mont-Laurier, dans les Hautes-
Laurentides, et sont répartis selon leur vigueur dans deux catégories principales, soit les
arbres vigoureux, utilisés comme référence, et les arbres mourant non-vigoureux, répartis
en deux sous-catégories : les arbres fortement atteints par les champignons et ceux
possédant un feuillage très pauvre. Les fibres de bois et d’écorce ont été étudiées
séparément puisque leur fonction biologique respective est très différente l’une de l’autre et
que chaque tissu contient son propre mélange de molécules extractibles.
Les extractions ont été faites dans un solvant vert, accessible et universel : l’éthanol. Bien
qu’étant un solvant organique, il possède une grande polarité qui lui permet d’extraire
autant les molécules polaires, comme les polyphénols, que non-polaires, comme les
triterpènes ou les phytostérols. Sa polarité est de 1,69 Debye (en comparaison l’eau a une
polarité de 1,854 Debye) et il se retrouve sous forme liquide entre -114,1 et 78,2°C, ce qui
permet son utilisation dans une grande variété de conditions (Lide and Frederikse, 1997). Il
est préparé à grand volume à partir de biomasse agricole par un procédé de fermentation
peu polluant et peu coûteux, ce qui est important pour une mise à l’échelle éventuelle des
procédés d’extraction.
Deux méthodes d’extractions en solvant ont été privilégiées : l’extraction par macération et
une extraction assistée aux ultrasons. La macération en solvant est un procédé utilisé depuis
de nombreuses années, qui s’apparente à une infusion, et qui a largement fait ses preuves.
Elle a donc été utilisée comme méthode de référence. La méthode assistée aux ultrasons a
4
été développée plus récemment dans les laboratoires du Pr. Stevanovic et a l’avantage
d’être beaucoup plus rapide. Son efficacité d’extraction a été confirmée tout au long de
l’étude par la comparaison des résultats avec ceux de l’extraction par macération.
Les extractions ont permis de mesurer les rendements en extractibles, les contenus en
polyphénols totaux, en flavonoïdes, en acides hydroxycinnamiques et en
proanthocyanidines, en plus de la teneur de certains triterpènes et phytostérols spécifiques;
le tout selon la vigueur de l’arbre à la source des fibres. Des méthodes
spectrophotométriques se basant sur l’application de la loi de Beer-Lambert ont été utilisées
pour mesurer les contenus en polyphénols alors qu’une analyse impliquant une
chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse a permis d’évaluer
la quantité de certains phénols, triterpènes et phytostérols spécifiques.
La capacité des fibres à produire de l’énergie a été évaluée par une caractérisation de leurs
propriétés de combustion dans l’oxygène. Le pouvoir calorifique, la quantité de cendres
produites, la composition chimique des cendres ainsi que la composition organique des
fibres ont été les critères choisis pour évaluer les propriétés de combustion. Les effets sur
les propriétés de combustion de la vigueur des arbres à la source des fibres ainsi que les
effets d’une extraction sur les fibres lignocellulosiques ont pu ainsi être évalués. La
caractérisation de la composition organique a aussi permis de relier le contenu en carbone
des fibres au pouvoir calorifique supérieur.
Hypothèse
L’hypothèse de base est que les molécules extraites des tissus ligno-cellulosiques provenant
d’arbres vigoureux ou peu vigoureux ne varient pas significativement en qualité et en
quantité. De plus, les tissus extraits devraient posséder des caractéristiques de combustion
similaires aux tissus non extraits. La méthode d’extraction employée n’aurait pas d’impact
sur les rendements d’extraction. L’extraction de molécules à haute valeur ajoutée des tissus
d’individus de faible vigueur serait donc une manière viable d’ajouter de la valeur aux
arbres de faible vigueur et ainsi de rentabiliser leur exploitation.
5
Objectifs spécifiques
Les objectifs spécifiques, ou la manière déterminée pour en arriver à des conclusions claires
sur l’hypothèse émise ci-haut, sont, sans ordre d’importance, les suivants :
1. Comparer la quantité et la qualité des extraits provenant des tissus d’arbres
vigoureux et non-vigoureux.
a. Quantifier les extraits bruts récoltés.
b. Quantifier les phénols totaux, les proanthocyanidines, les acides
hydroxynammiques et les flavonoïdes.
c. Identifier et quantifier les triterpènes et les phytosterols les plus abondants.
2. Comparer les propriétés de combustion entre les tissus extraits, les tissus non-
extraits et les tissus provenant d’arbres vigoureux et non-vigoureux
a. Quantifier le pouvoir calorifique
b. Caractériser la composition chimique organique des tissus avant et après
extraction
c. Quantifier les cendres résiduelles à la combustion
d. Caractériser la composition chimique des cendres
3. Étudier la viabilité de l’éthanol comme solvant par rapport à sa capacité d’extraction
des polyphénols, des triterpènes et des phytostérols.
4. Comparer deux méthodes d’extraction, soit la macération dans l’éthanol et
l’extraction assistée aux ultrasons dans l’éthanol.
6
Chapitre 1
Matériel et méthodes
7
1.1 Matériel
1.1.1 Échantillonnage
Le choix de l’utilisation du bouleau jaune et de l’érable à sucre a été basé sur l’importance
volumétrique et économique de ces deux essences feuillues au Québec. Aussi, la grande
proportion d’arbres de faible vigueur et le faible taux de renouvellement (croissance lente)
de ces deux essences a motivé leur étude. Une collaboration avec la Coopérative Forestière
des Hautes-Laurentides a permis la récolte des arbres sur son territoire de coupe, situé sur
un territoire rapproché de la ville de Mont-Laurier, dans les Hautes-Laurentides. Deux sites
situés approximativement aux coordonnées géographiques 46°39’40” N, 75°36’30” O et
46°39’5” N, 75°36’25” O ont été choisis pour la récolte des arbres.
Neuf arbres de chaque essence répartis en trois catégories différentes de trois arbres
chacune ont été récoltés. La première catégorie était constituée d’arbres vigoureux faisant
office de réserve forestière (R), et qui ont été utilisés tout au long de la recherche comme
références. La deuxième catégorie d’arbres était constituée d’arbres mourants, peu
vigoureux et fortement attaqués par des champignons sprorophores (SP). La troisième
catégorie était constituée d’arbres aussi mourants et peu vigoureux, mais dont la cause
apparente de la faible vigueur était le très faible feuillage observé au houppier (HP). La
figure 1.1 montre une tige d’érable à sucre d’un arbre sain vigoureux. En comparaison, la
figure 1.2 montre une tige d’érable à sucre avec un défaut majeur caractéristique d’un arbre
de faible vigueur. Les défauts principaux des 18 arbres ont été caractérisés selon les
indications du guide utilisé actuellement par les autorités gouvernementales afin de
déterminer les arbres aptes à être récoltés (Boulet, 2007). L’annexe 1 contient le tableau de
caractérisation complet des 18 arbres.
8
Figure 1.1 : Exemple d’une tige d’un
arbre vigoureux
Figure 1.2 : Exemple d’une tige d’un
arbre peu vigoureux (mourant, classe M)
La récolte proprement dite a eu lieu en juillet 2010. Un court billot tel qu’illustré à la figure
1.3 a été recueilli à hauteur de poitrine sur chaque arbre et a été placé immédiatement dans
un sac de plastique pour éviter toute contamination par l’eau ou la poussière. Les billots ont
été portés hors de la forêt pour éviter toute contamination de l’écorce par leur friction sur le
sol. Les arbres situés en bordure de route ont été exclus pour éviter la contamination
excessive de l’écorce par la poussière soulevée par le passage des véhicules. La récolte
s’est effectuée en trois jours et les billots ont ensuite été transportés à l’université Laval où
ils ont été entreposés au congélateur à -5°.
1.1.2 Préparation des échantillons pour analyses
Un court disque similaire à celui de la figure 1.4 a été coupé sur chaque billot. Les sections
des billots présentant une présence évidente de champignons ont été mises de côté pour la
sélection des disques. La composition chimique des champignons est différente de celle du
bois et la présence de ces premiers aurait pu fausser les analyses élémentaires des tissus.
9
L’ordre de sélection des billots était aléatoire, mais les 9 billots de bouleau jaune ont été
traités en premier. L’écorce a été séparée du disque de bois et de l’écorce additionnelle a
été recueillie directement sur le billot pour assurer une quantité d’écorce suffisante pour
toutes les analyses. Le bois et l’écorce ont par la suite toujours été travaillés et étudiés
séparément. Le disque de bois a ensuite été coupé en fines bandes à l’aide d’une scie à
ruban et les bandes ont été cassées manuellement en petits morceaux de manière à faciliter
le broyage. On peut observer l’apparence des bandelettes à la figure 1.6. Le duramen et
l’aubier n’ont pas été séparés de manière à imiter les procédés industriels conventionnels de
broyage où le tronc est broyé entièrement suite à un écorçage. L’écorce étant plus friable,
un simple cassage des plus gros morceaux, tels qu’illustrés à la figure 1.5, a été suffisant
comme pré-broyage. Les fibres séparées et réduites en diamètre ont ensuite été placées à
l’étuve à 30°C jusqu’à ce qu’elles soient considérées assez sèches pour le broyage.
Figure 1.3 : Exemple de billot récolté
Figure 1.4 : Disque typique récupéré sur un billot avant d’en séparer l’écorce
Le broyage des fibres a été fait par un broyeur Pulverisette 19 (Fritsch). Un broyage
grossier (grille de 6 mm) suivie d’un broyage plus fin (grille de 1 mm) a réduit
suffisamment la grosseur des fibres. Un tamisage de 5 minutes a par la suite permis de
récolter la fraction des particules plus petites que 420 μm (40 mesh). Cette fraction a été
conservée pour toutes les analyses subséquentes et séchée à l’étuve à 100°C. En plus
d’éliminer l’eau, le séchage permet l’élimination des molécules volatiles, qui ne sont pas le
10
sujet de cette étude. Le chauffage a été limité au minimum de temps pour limiter la
dégradation des molécules extractibles plus lourdes demeurant dans les fibres.
Figure 1.5 : Exemple d’écorce pré-broyée
et prête à être séchée
Figure 1.6 : Exemple de bandelettes de
bois découpées à la scie à ruban
1.2 Extractions
De l’éthanol 95% (Greenfield Ethanol Inc.) a été utilisé pour toutes les extractions. Les
méthodes ont été calquées de méthodes déjà développées au laboratoire (Diouf et al.,
2009). Chaque extraction a été faite en triplicata de manière à diminuer le risque d’erreurs
expérimentales. Pour 18 arbres dont l’écorce et le bois sont extraits séparément, en utilisant
deux méthodes d’extraction différentes à trois répétitions pour chaque extraction, on
retrouve un total de 216 extractions.
1.2.1 Macération
Les fibres ont été placées dans un ratio 1:10 (10 g de fibres sèches dans 100 mL d’éthanol
95%) dans un erlenmeyer de verre de 250 mL fermé par un bouchon de caoutchouc
recouvert d’un papier d’aluminium. L’aluminium évite à l’éthanol d’entrer en contact avec
le caoutchouc, ce qui éviter les contaminations possibles provenant du caoutchouc. On peut
observer l’aspect d’un tel mélange à la figure 1.7. Les erlenmeyers ont aussi été entièrement
recouverts de papier d’aluminium pour éviter la dégradation de molécules photosensibles
par la lumière. Les mélanges ont par la suite été placés sous agitation sur un agitateur
11
orbital Barnstead 4633 pendant 24 heures à 200 rotations par minute. Après 24 heures, les
mélanges ont été séparés par filtration sous vide par un filtre Whatman no4 dans un
entonnoir de type Büchner et les fibres ont été rincées par 100 mL supplémentaire d’éthanol
95% de manière à s’assurer que tous les extraits se retrouvent dans le filtrat plutôt
qu’adsorbés à la surface des fibres. Les extraits ont par la suite été évaporés dans un ballon
pré-pesé à l’évaporateur rotatif dans un bain de 40°C jusqu’à évaporation complète et ont
ensuite été placés dans un four sous vide à 40°C pendant environ 36 heures ou jusqu’à ce
qu’une masse constante soit mesurée. Une pesée à ce stade permit un calcul du rendement
en extraits. Les extraits secs ont été re-dissous dans de l’éthanol 100% (Greenfield Ethanol
Inc.) à hauteur de 10mg/mL, filtrés à l’aide de seringues sur des filtres d’acétate de
cellulose 0,45 μm (VWR Inc.) et entreposés à -20°C dans des bouteilles de verre ambrées.
L’apparence des extraits de bois et d’écorce de bouleau jaune est visible à la figure 1.8. Il
est à noter qu’une grande variation de couleur est observable entre les individus et que la
figure 1.8 est un cas typique.
Figure 1.7 : Mélange 1:10 de fibres de
bois de bouleau jaune
Figure 1.8 : Extraits bruts de coloration typique d’écorces de bouleau jaune
(gauche) et de bois de bouleau jaune (droite)
12
1.2.2 Extraction assistée aux ultrasons.
Le ratio fibres : éthanol pour l’extraction assistée aux ultrasons est le même que pour la
macération, de manière à faciliter la comparaison entre les deux méthodes. Les fibres ont
été ici placées dans un bécher de 250 mL, lui-même placé dans un bain thermostaté à 20°C
pour compenser les hausses de températures engendrées par la haute agitation moléculaire
générée par les ultrasons. Un générateur d’ultrasons Cole-Parmer de 750 W et 20 000 Hz
fonctionnant à une intensité de 70% et couplé à une sonde en titane plongée dans le
mélange éthanol-fibres ont été utilisés pour générer les ultrasons pendant 30 min en
alternance de 0,2 seconde en mode actif et 0,1 seconde en mode inactif (45 min de temps
total). La figure 1.9 illustre le montage expérimental ayant été utilisé pour l’extraction
assistée aux ultrasons. Le mélange fibres-extraits-solvant résultant a par la suite été traité
exactement de la même manière que le mélange obtenu par macération (section 1.2.1) pour
arriver au final à une solution d’extraits de 10 mg/mL dans l’éthanol 100%.
13
Figure 1.9 : Dispositif ayant été utilisé pour l’extraction assistée aux ultrasons
1.3 Analyses colorimétrique des polyphénols
1.3.1 Phénols totaux
Les phénols totaux ont été caractérisés par la méthode de Folin-Ciocalteu, une méthode
colorimétrique qui évalue le potentiel réducteur d’une solution organique, modifiée par
P.N. Diouf (Diouf et al., 2009). Il s’agit d’une évaluation de la quantité totale des
polyphénols présents dans les extraits par une comparaison à des solutions de
concentrations connues d’acide gallique, un triphénol très répandu dans de nombreuses
plantes (Bate-Smith, 1962). On peut voir la molécule d’acide gallique à la figure 1.10. Une
14
solution de 200 μg/mL de chaque extrait brut a été préparée par dilution dans le méthanol et
0,5 mL de cette solution a été prélevé dans une éprouvette en verre fermée. À cette solution
a été ajouté 2,5 mL du réactif de Folin- Ciocalteu dilué dix fois dans l’eau distillée (0,2N)
et 2 mL d’une solution de Na2CO3 à 75 mg/mL. Après agitation, les éprouvettes ont été
chauffées à 50°C pendant 10 minutes puis placées dans un bain d’eau et de glace pour
arrêter le changement de couleur. Après refroidissement, les solutions ont été transvidées
dans des cellules en acrylique transparentes de parcours optique de 1 cm et leur absorbance
a été mesurée à 760 nm sur un appareil UV-Vis Varian Cary 50 après avoir fait un blanc sur
l’appareil avec une solution contenant tous les réactifs mais aucun phénol. La même
procédure a été suivie pour des solutions d’acide gallique de concentrations connues situées
entre 10 et 80 μg/mL. Ces dernières solutions ont été utilisées comme courbe d’étalonnage
et les résultats sont exprimés en équivalents d’acide gallique par gramme d’extrait sec.
Figure 1.10 : Acide gallique
Figure 1.11 : Quercetine
1.3.2 Flavonoïdes
Les flavonoïdes sont une classe de polyphénols et tout comme le test des phénols totaux, on
évalue leur concentration dans les extraits par une évaluation de leur capacité réductrice,
mais en utilisant un acide de Lewis : le chlorure d’aluminium III (AlCl3). La méthode
utilisée a été décrite précédemment par P.N. Diouf (Diouf et al., 2009) et a été élaborée au
départ par Brighente et al. (2007). Les extraits bruts ont été dilués à 1 mg/mL dans le
méthanol et 2 mL de cette solution a été placée dans une éprouvette de verre fermée
auxquels ont été ajouté 2 mL d’une solution de AlCl3 à 2% dilué aussi dans du méthanol.
15
Après agitation, le mélange a été laissé à température ambiante pendant 1 heure. La
coloration du mélange a par la suite été mesurée par spectrométrie UV-VIS dans les mêmes
conditions que les phénols totaux, mais à une longueur d’onde de 415 nm. L’évaluation de
la quantité de flavonoïdes s’est faite par une comparaison avec des solutions de
concentrations connues de quercétine, un flavonole répandu dans le domaine végétal,
illustrée à la figure 1.11 (Nutrient Data Laboratory et al., 2003). La courbe d’étalonnage
consistait de solutions de quercétine dans le méthanol de 10 à 50 μg/mL et les résultats sont
exprimés en équivalent de quercétine par gramme d’extrait sec.
1.3.3 Acides hydroxycinnamiques
La concentration des acides hydroxycinnamiques, de petits polyphénols issus de la
biosynthèse de la lignine, a été évaluée par la méthode d’Arnow (1937). 0,5 mL d’une
solution de l’extrait brut à 1mg/mL dans le méthanol a été placé dans une éprouvette auquel
a été ajouté dans l’ordre : 1 mL de HCl 0,5 M, 1 mL du réactif d’Arnow (nitrate de sodium
10% m/v + molybdate de sodium 10% m/v dans l’eau), 1 mL de NaOH 2,125 M et 1,5 mL
d’eau distillée. Les solutions ont été agitées puis leur absorbance a été lue à 525 nm.
Contrairement aux autres phénols, un simple blanc contenant seulement les réactifs n’est
pas suffisant pour annuler les effets colorimétriques de la matrice puisque certains
constituants de la solution d’extraits peuvent absorber à cette longueur d’onde même après
que la réaction ait eu lieu. Il a donc fallu faire un blanc de chaque solution d’extrait qui
contenait tous les réactifs sauf le réactif d’Arnow, ce dernier ayant été remplacé par de
l’eau distillée. Une soustraction entre l’absorbance de la solution contenant le réactif
d’Arnow et son blanc a permis d’approximer l’absorbance réelle de la solution. L’acide
chlorogénique, qui est un dérivé de l’acide cafféique, un acide hydrocinnamique à la base
de la synthèse de la lignine, a été choisi comme molécule de comparaison puisqu’il est très
répandu comme métabolite secondaire des plantes (Clifford, 1999). La molécule est
illustrée à la figure 1.12. Une courbe d’étalonnage située entre 10 et 300 μg/mL de cette
molécule a permis d’évaluer la concentration des acides hydroxycinnamiques en
équivalents d’acide chlorogénique par gramme d’extraits secs.
16
1.3.3 Proanthocyanidines
Les proanthocyanidines sont des phénols plus ou moins réticulés aussi appelés tannins
condensés qui sont constitués principalement d’un assemblage plus ou moins complexe de
catéchine et d’épicatéchine. La méthode utilisée pour évaluer leur concentration est basée
sur celle de Porter et al. (Porter et al., 1986). Le principe permettant la détermination des
concentrations en proanthocyanidines est basé sur une conversion des tannins polymérisés
en composés plus simples de cyanidines par le biais d’un acide et d’un catalyseur à base de
fer. Le cyanidine a une absorbance marquée dans le domaine visible du spectre
électromagnétique, ce qui permet sa quantification par spectrophotométrie.
À 1 mL d’une solution de l’extrait brute diluée dans le méthanol à 1 mg/mL placé dans une
éprouvette fermée, on a ajouté 6 mL d’une solution de n-butanol:HCl en proportion 19:1 et
0,2 mL d’une solution de FeNH4(SO4)2 dilué à hauteur de 2% m/v dans du HCl 2 M. Après
agitation, les éprouvettes ont été placées dans un bain thermostaté à 95°C pendant 50 min,
puis 10 min dans un bain d’eau glacée et finalement elles ont été laissées 5 min à la
température de la pièce. L’absorbance des solutions a été lue à 550 nm et un blanc
contenant les réactifs a été fait sur l’appareil préalablement. Le chlorure de cyanidine
(Figure 1.13) a été choisi comme molécule de comparaison et les résultats de concentration
en proanthocyanidines sont exprimés en équivalents de chlorure de cyanidine par gramme
d’extrait sec. Une courbe d’étalonnage s’étendant de 20 à 100 μg/mL de chlorure de
cyanidine a été générée pour évaluer les concentrations en proanthocyanidines des extraits.
Figure 1.12 : Acide chlorogénique
Figure 1.13 : Chlorure de cyanidine
17
1.4 Analyses chromatographiques des triterpènes et phytostérols
L’éthanol comme solvant est idéal pour extraire les polyphénols de par sa capacité à former
des ponts hydrogène, par contre sa polarité relativement faible lui permet aussi d’extraire
des molécules non-polaires comme des triterpènes cycliques ou des phytostérols, bien que
l’extraction soit très probablement partielle (Diouf et al., 2009, St-Pierre et al., 2013). Les
triterpènes sont des molécules composées à la base de six unités d’isoprène, souvent
arrangés de manière cyclique (souvent pentacycliques) que l’on retrouve entre autre dans le
bouleau jaune (Habiyaremye et al., 2002). Les stérols et les triterpènes sont des molécules
ayant des propriétés biologiques dans la plante et par analogie, on pourrait supposer
qu’elles en ont aussi chez l’humain.
Ces molécules ont été caractérisées par chromatographie gazeuse couplée à un spectromètre
de masse (CG-SM). La chromatographie permet la séparation des molécules selon leur
polarité alors que le spectromètre de masse est le détecteur qui génère le signal provenant
des molécules, mais aussi qui permet d’identifier, dans une certaine mesure, les molécules
en présence par une comparaison du profil massique des molécules inconnues avec celui de
molécules connues et enregistrées dans une base de données. La quantification absolue des
molécules lipophiles n’a pas été faite. La méthodologie utilisée pour quantifier les
molécules lipophiles ne convient pas très bien à la quantification absolue. Un trop grand
nombre d’analyses (courbes d’étalonnage) nécessitant plusieurs molécules de références,
molécules rares et dispendieuses pour la plupart, auraient été nécessaires pour effectuer une
quantification acceptable. Une quantification relative de molécules choisies entre les
différents tissus et les différents arbres a donc été préconisée de manière à faire ressortir des
tendances plutôt que des variations absolues.
Le but de l’étude n’était pas d’identifier le plus de molécules possibles, mais plutôt de se
concentrer sur quelques molécules abondantes et de potentiellement grande valeur. De plus,
le nombre d’échantillons était grand et il fallait les comparer entre eux. Pour pouvoir les
comparer, il était nécessaire de retrouver les mêmes molécules dans chacun des
échantillons analysés. C’est pourquoi le nombre de molécules identifiées est faible par
rapport à d’autres études. Seulement les molécules les plus concentrées, les plus facilement
18
identifiables et qui ont été retrouvées dans tous les échantillons d’un même tissu (bois ou
écorce) et d’une même essence (bouleau jaune ou érable à sucre) ont été retenues.
L’appareillage utilisé consiste en un chromatographe fonctionnant en phase gazeuse Varian
CP-3800 couplé à un spectromètre de masse Saturn 2200. Un aliquot de 1 μL de la solution
d’extrait à 10 mg/mL dans l’éthanol pur a été injecté directement dans le chromatographe
dans un insert de type « goose neck » dont la température était de 280°C. Le gaz porteur,
l’hélium, a été ajusté à un débit constant de 1 mL/min dans une colonne capillaire Varian
FactorFour (VF-5ms 30m x 0.25mm). Le coefficient de répartition a été fixé à 10. Le
gradient de température débutait à 100°C pour augmenter à 280°C à raison de 25°C/min.
La température était ensuite augmentée à 325°C à 5°C /min pour ensuite demeurer à cette
température pendant 13.8 min. Le spectromètre de masse était réglé en mode ionisation
électronique à une énergie de 70 eV. La température de la ligne de transfert était à 300°C,
celle du collecteur à 120°C et celle de la trappe ionique à 250°C. Le signal récupéré par le
spectromètre consiste en un compte total des ions (TIC, ou Total Ion Count) pour tous les
fragments situés entre les ratios m/z de 50 et de 480. L’identification des molécules a été
possible par comparaison de bases de données existantes (NIST 02, Adams et Essentia).
Quelques molécules de référence ont aussi pu être injectées pour confirmer les
identifications faites par les bases de données (voir les résultats dans la section 2.3.2).
1.5 Cendres
1.5.1 Contenu en cendres
Le contenu en cendres est important à connaître dans une optique d’utilisation commerciale
des fibres de bois et d’écorce pour des applications en combustion. Certaines fournaises
nécessitent des arrêts périodiques pour enlever les cendres accumulées, il est donc
important de s’assurer que l’extraction des fibres à l’éthanol n’augmente pas la proportion
de cendres résiduelles à la combustion.
La méthode employée pour mesurer le contenu en cendres est une méthode dérivée de la
méthode ASTM D1102-84 (2001). Des fibres séchées et broyées ont été pesées dans un
creuset de porcelaine pré-pesé et séché à 100°C, puis placées dans un four à moufle à la
19
température de la pièce où la température a été augmentée graduellement jusqu’à 600°C.
Cette température a été conservée pendant 6 heures, suivi par une baisse graduelle de la
température à 100°C. À une température de 600°C, la chaleur ambiante est suffisante pour
initier la conversion du carbone fixé en gaz carbonique sans toutefois trop affecter les
composés minéraux plus volatils. À la sortie du four, les creusets ont été placés dans un
dessiccateur pour les laisser refroidir à l’abri de l’humidité puis ils ont été repesés. Le
différentiel de masse divisé par la masse anhydre des fibres de départ fournit un
pourcentage de matière minérale incombustible qui s’apparente au contenu en minéraux à
l’intérieur des fibres de départ. Seulement 1,5 g de fibres a été utilisé pour chaque essai au
lieu du 2 g recommandé puisque la quantité de fibres extraites était limitée. Chaque mesure
du contenu en cendres est le résultat d’une moyenne de trois mesures distinctes.
1.5.2 Composition chimique des cendres
La composition chimique des cendres est elle aussi importante dans le contexte d’une
utilisation à grande échelle des fibres pour la production d’énergie. Certains minéraux que
l’on retrouve dans les cendres, comme le potassium, le calcium, le sodium et le phosphore
ont des points de fusion bas et ils peuvent causer des agrégats de cendres qui peuvent
devancer les entretiens des fournaises. Ils peuvent aussi être corrosifs pour les parois
métalliques des fournaises (Van Loo et Koppejan, 2008). Il est donc important de vérifier
que les extractions n’augmentent pas la proportion de ces éléments dans les cendres
produites par la combustion des fibres.
Les minéraux qui ont été caractérisés sont le magnésium, l’aluminium, le fer, le potassium,
le sodium, le zinc, le calcium, le manganèse et le phosphore. La méthode employée pour
déterminer leur concentration dans la cendre a été une digestion complète assistée aux
micro-ondes des cendres dans une bombe de téflon à l’aide d’une solution acide (nitrique,
chlorhydrique et fluorhydrique), suivi par une analyse élémentaire. La méthode
d’atomisation choisie était le chauffage dans un plasma à couplage inductif (ICP) et la
méthode de détection était la spectroscopie par émission atomique (AES). Le tout s’est fait
sur un appareil Optima 4300DV (PerkinElmer) équipé d’un nébuliseur de type Scott.
20
La quantité de cendres produites par les fibres étant très faible, il a fallu combiner les
cendres provenant du même type de fibres (bois ou écorce) et provenant de la même
catégorie de vigueur (R, HP ou SP) pour obtenir une quantité de cendres suffisante pour les
analyses élémentaires.
1.6 Valeurs calorifiques
L’extraction du bois et de l’écorce à l’éthanol enlève des molécules organiques carbonées
comme des triterpènes qui apportent sans doute une contribution au pouvoir calorifique
global des fibres. De manière à s’assurer que la contribution des extractibles au pouvoir
calorifique n’est pas majeure, les énergies dégagées par combustion de fibres extraites et
non extraites ont été mesurées.
Les valeurs calorifiques ont été mesurées par combustion dans un milieu oxygéné dans une
bombe calorimétrique automatisée Parr 6400. De 0,4 à 0,7g de tissus anhydres ont été
pressés manuellement sous forme de pastilles puis pesées. Après introduction de
l’échantillon dans la bombe calorimétrique, 3100 kPa d’oxygène de qualité médicale a été
comprimé dans la bombe et la combustion a été enclenchée par le chauffage d’un filament.
La quantité d’énergie dégagée a été mesurée par un différentiel de la température d’une
masse d’eau connue circulant autour de la bombe calorimétrique. La température initiale de
l’eau était de 30°C et toutes les analyses ont été faites en triplicata. Le pouvoir calorifique
supérieur (gross calorific value) a été utilisé pour les comparaisons entre les échantillons.
Le pouvoir calorifique supérieur consiste en l’énergie dégagée par combustion en
considérant que la vapeur d’eau produite par la combustion est condensée sous forme d’eau
liquide. La condensation de l’eau dégage de la chaleur et cette chaleur est incluse dans le
calcul du pouvoir calorifique. C’est le cas des présentes analyses puisqu’une masse d’eau
aux environs de 30°C entoure la bombe calorifique, ce qui force la condensation de l’eau à
l’intérieur de la bombe. On considère pour faire le calcul que la vapeur d’eau résiduelle
demeurant dans la bombe à 30°C est négligeable.
21
Par contraste, le pouvoir calorifique inférieur ne prend pas en compte la condensation de la
vapeur d’eau et se rapproche plus de ce que l’on observe dans la réalité. Dans une
combustion qu’on pourrait qualifier de normale dans une fournaise industrielle, les
températures dans l’environnement immédiat du milieu de combustion demeurent bien au-
dessus de 100°C, ce qui prévient la condensation de la vapeur d’eau. La quantité réelle
d’énergie récupérée est donc inférieure à celle calculée par le pouvoir calorifique
supérieure. Or, la détermination du pouvoir calorifique inférieur en laboratoire implique
une approximation nécessitant la connaissance du pourcentage massique de l’hydrogène
contenu dans la biomasse brûlée. Bien que ce pourcentage soit connu dans le cadre de cette
étude, le calcul du pouvoir calorifique inférieur apporte une incertitude plus importante que
celui du pouvoir calorifique supérieur puisqu’il comporte plus d’analyses et plus d’étapes
de calcul. De plus, la littérature scientifique est abondante sur le pouvoir calorifique
supérieur alors qu’elle est plus pauvre pour le pouvoir calorifique inférieur, ce qui facilite
les comparaisons pour le pouvoir calorifique supérieur. Le pouvoir calorifique supérieur a
donc été retenu pour comparer les échantillons entre eux.
1.7 Composition élémentaire des échantillons de bois et d’écorce
La caractérisation des échantillons de bois et d’écorce selon leur composition en éléments
organiques a aussi été faite. Un analyseur élémentaire PerkinElmer 2400 étalonné à
l’acétanilide a permis de mesurer les concentrations de carbone, d’hydrogène et d’azote des
fibres de bois et d’écorce. L’appareil, en mettant en conditions réactionnelles de la matière
organique et en quantifiant certains composés issus de réactions spécifiques, donne une
concentration directement en pourcentage massique des éléments carbone (C), hydrogène
(H) et azote (N). En combinant ces données avec la quantité de cendre préalablement
mesurée et en supposant que tous les constituants des fibres sont composés soit de carbone,
d’hydrogène, d’azote, d’oxygène ou de minéraux, il est possible de calculer
approximativement le pourcentage massique d’oxygène des échantillons de bois et
d’écorce. Ce pourcentage est obtenu par l’équation suivante :
O% = 100% - C% - H% - N% - Cendres%.
22
Les compositions organiques des fibres ont été déterminées par une moyenne de duplicatas.
1.8 Analyses statistiques
Les comparaisons des résultats entre eux nécessitent l’utilisation d’outils statistiques. Le
programme SAS 9.2 a donc été utilisé pour faire les analyses de variance (ANOVA) et les
comparaisons multiples (ici les tests comparatifs de Tukey). Les comparaisons ont été faites
sur toutes les fibres (bois et écorce) d’une même essence de manière à comparer l’effet de
la vigueur sur tous les paramètres étudiés et qui sont mentionnés précédemment. Les
comparaisons statistiques ont aussi permis de comparer les effets de l’extraction à l’éthanol
sur la composition des extraits et sur les paramètres de combustion des tissus. Les deux
méthodes d’extraction ont aussi été comparées entre elles de manière similaire. Une analyse
de régression combinant les données du bois et de l’écorce des deux essences a été réalisée
afin de prédire le pouvoir calorifique supérieur à partir de sa composition chimique
organique.
Chapitre 2
Composition of ethanolic extracts of wood and bark from
Acer saccharum and Betula alleghaniensis trees of
different vigor classes
24
Résumé
Les populations forestières d’Acer saccharum Marsh et de Betula alleghaniensis Britton du
sud-ouest du Québec contiennent une proportion importante d’individus de faible vigueur
et leur récolte est priorisée dans le cadre d’un plan de restauration de la forêt. L’extraction à
l’éthanol de bois et d’écorce récoltés sur des échantillons de troncs d’arbres vigoureux et
non-vigoureux a été effectuée de manière à comparer leur composition chimique et du
même coup évaluer le potentiel d’ajout de valeur à la transformation des arbres de faible
vigueur. Deux méthodes d’extractions ont été utilisées : la macération en solvant et une
extraction en solvant assistée aux ultrasons. Les contenus en phénols totaux ainsi qu’en
flavonoïdes, en acides hydroxycinnamiques et en proanthocyanidines des extraits ont été
déterminés par spectrophotométrie. La concentration de triterpènes et stérols sélectionnés a
été évaluée par CG-SM. Alors qu’une variabilité a été observée entre les rendements
d’extraction et les concentrations en polyphénols et en composés lipophiliques des arbres
vigoureux et non-vigoureux, la composition des extraits demeure similaire entre les
différentes classes de vigueur. Les deux méthodes d’extraction ont amené des résultats très
similaires alors que la méthode employant des ultrasons est plus rapide. L’extraction de
molécules de grande valeur potentielle par une méthode d’extraction en solvant assistée aux
ultrasons pourrait être considérée comme une option viable pour ajouter de la valeur à la
transformation d’arbres d’A. saccharum et de B. alleghaniensis de faible vigueur.
Mots clé : Betula alleghaniensis, Acer saccharum, arbres de faible vigueur, ultrasons,
extraction éthanolique, polyphénols.
Cet article a été écrit par François St-pierre, Pr. Tatjana Stevanovic et Pr. Alexis Achim et a été accepté pour
publication dans le journal Industrial crops and products
25
Abstract
The forest populations of Acer saccharum Marsh and Betula alleghaniensis Britton of
south west Québec contain a significant proportion of low vigor trees, which are prioritized
for harvesting as part of a forest restoration plan. Ethanol extractions of bark and wood
collected from vigorous and non-vigorous trees were performed in order to compare their
chemical compositions and thus evaluate the potential of adding value to the processing of
low-vigor trees. Two methods - maceration and ultrasound assisted solvent extractions -
were applied. Total content of phenols, proanthocyanidins, hydroxycinnamic acids and
flavonoids were determined in the extracts by spectrophotometric methods. Concentrations
of selected triterpenes and sterols were evaluated by GC-MS. While some variation in
extract yields, polyphenol and lipophilic content was detected between vigorous and non-
vigorous trees, the overall composition of extracts remained similar across vigor classes.
The two extraction methods yielded very similar results while the advantage of the
ultrasound assisted method was a much shorter extraction time. Ultrasound assisted
ethanolic extraction of potentially valuable compounds could therefore be considered as an
option to add value to the processing of low vigor A. saccharum and B. alleghaniensis
trees.
Key words: Betula alleghaniensis, Acer saccharum, low vigor trees, ultrasound-assisted,
ethanol extraction, polyphenols.
26
2.1 Introduction
The southwest part of Québec province, Canada, is rich in hardwood species such as yellow
birch (Betula alleghaniensis, Britton) and sugar maple (Acer saccharum, Marsh). Past
forest management practices in these forests often took the form of ‘selective cuttings’ that
targeted the individual trees most likely to yield a high proportion of saw logs (Nyland,
1992). Over time, such practices had a negative impact on the overall quality of the sugar
maple (SM) and yellow birch (YB) resource (Majcen et al., 2006; Robitaille and Roberge,
1981). In an effort to restore the forests, new stem selection rules were applied that now
prioritize the selection of low vigor trees. Under these rules, trees are designated as low
vigor when they are expected to die before next scheduled cut (typically 20 years). The
evaluation is based on the occurrence and severity of visible defects such as fungi, cankers,
cambial necrosis, trunk fissures or foliage loss (Boulet, 2007).
The implementation of these rules resulted in a decrease in the proportion of high value
sawlogs being harvested, which in turn affected the financial viability of the whole forest
value chain. This is because traditional wood alternative applications, such as pulp,
paneling or combustion (firewood or pellets) yield insufficient economic returns to
compensate for their manufacturing costs. In order to stimulate forest restoration, it has
therefore become important to identify ways to add value to the processing of low vigor
trees. In the context of the complete utilization of the forest biomass, the introduction of an
extraction step could be anticipated as the first technological operation in the future forest
biorefinery. According to these circumstances, we explored the ethanol extraction of
potentially valuable molecules from the wood and bark of low vigor YB and SM trees.
The extracts of YB and birch species have already been shown to contain bioactive
molecules with potential commercial uses in the pharmaceutics, cosmetics and nutraceutics
sectors (Krasutsky, 2006). For example, it was found that YB bark extracts are rich in
triterpenoids of the lupane type (Habiyaremye et al., 2002). This is an important finding
because triterpenoids, such as betulin or betulinic acid, are recognized for their potential
anticancer and anti-HIV properties (Alakurtti et al., 2006; Cichewicz and Kouzi, 2004;
Šarek et al., 2003; Yogeeswari and Sriram, 2005) while lupeol and lupenone are recognised
27
for a myriad of biological properties, such as antiinflamatory (Gallo and Sarachine, 2009;
Wal et al., 2011). Extraction of YB tissues has been explored using various methods,
including maceration assisted solvent extraction (MAE) and ultrasound assisted solvent
extraction (UAE), and different solvents like dichloromethane (Lavoie and Stevanovic,
2006, 2007) or ethanol (Diouf et al., 2009). UAE offers proven time savings and is more
energy efficient than MAE, while providing similar extractive yields (Diouf et al., 2009).
Sugar maple extracts are much less studied since most of the work on this species has been
dedicated to the production and characterization of maple syrup. However, some
polyphenols have been isolated from hot water extracts, of which vanillin and
syringaldehyde were identified as important molecules in a biorefinery context (Goundalkar
et al., 2010). Yoshikawa et al. (2011) identified three aromatic compounds in ethanol
extracts of sugar maple wood which demonstrated better antioxidant activity than vitamin
C. Gallic acid, which has the capacity to inhibit the growth of some fungi species, was also
found to be a major constituent of the water extracts of red maple and SM woods (Tattar
and Rich, 1973). Sterols, such as stigmasterol and sitosterol were found in acetone-water
SM wood extracts along with palmitic and linoleic fatty acids (Miller et al., 1990).
Forest trees are rich in polyphenols, which are known for their strong antioxidant activities
(Stevanovic et al., 2009). Therefore, we have chosen to quantify the total phenols,
flavonoids, hydroxycinnamic acids and proanthocyanidins in addition to the extraction
yields. Major lipophilic constituents from the ethanolic extracts obtained by MAE and UAE
methods were also identified and quantified by gaseous chromatography coupled to mass
spectroscopy (GC-MS). Ethanol was chosen for the extraction solvent because of its
capacity to extract large proportions of both polyphenols and lipophilic molecules (Diouf et
al., 2009). Ethanol is available for a reasonable price, which is important for scalability, and
produced by fermentation, which limits the environmental footprint. This is the first report
on the composition of the extracts trees of different vigor classes from two industrially
important Canadian hardwoods – yellow birch and sugar maple – obtained by MAE and
UAE. Extract yields and the chemical composition were used as the parameters to compare
the quality of the extracts.
28
2.2 Material and Methods
2.2.1 Chemicals
Ethanol (95% and 100%) was purchased from Greenfield Ethanol Inc. The Folin-Ciocalteu
reagent (2N), gallic acid (97%), quercetin (>98%), chlorogenic acid (95%) and cyanidin
chloride (>95%) were purchased from Sigma-Aldrich Co. LLC. The sodium carbonate
(>99%), hydrochloric acid (36.5-38% m/v), sodium nitrate (99%), sodium molybdate
(>99%), sodium hydroxide (>97%) and n-butanol (99.9%) were purchased from Fisher
Scientific. Aluminum chloride (98.5%) was purchased from Acros Organics, ferric
ammonium sulphate dodecahydrate (>99%) from Laboratoires MAT Inc. and helium (ultra
high purity) from Praxair Technology Inc. All references (sinapaldehyde (98%), coniferyl
alcohol (98%), homovanillic acid , xanthene-9-carboxilic acid (98%), stigmasterol (95%),
syringic acid (>95%), palmitic acid (99%), stigmastanol (95%) and syringaldehyde (98%))
used for the GC-MS identification were purchased form Sigma-Aldrich Co. LLC except for
the β-sitosterol (from Herbstandard Inc.).
2.2.2 Plant material
2.2.2.1 Sampling
Nine trees each of SM and YB were harvested in July 2010 from two sites in Mont-Laurier,
south-western Québec, Canada (46°39’40” N, 75°36’30” W and 46°39’5” N,75°36’25” W).
For each species, 3 vigorous trees were selected to be used for reference purposes. The
remaining 6 trees of each species were non-vigorous and classified into two categories: 3
trees suffering from major foliage loss and 3 trees suffering from a major fungal attack. All
defect classes and tree vigor assessments were made using the previously described
protocol commonlyused in Québec to prioritize forest harvesting (Boulet, 2007). A short
log was collected at breast height (between 1 and 1.6 m) and immediately enclosed in a
plastic bag to avoid the deposition of dust, exposition to water or any other contamination.
The samples were carried by hand from the forest to avoid ground towing, and transported
to Laval University’s Wood Research Centre, where they were stored in a freezer at -5 ºC.
29
2.2.2.2 Tissue preparation
A disk approximately 4 cm in length was cut from each log from which the wood and bark
were separated. The material was dried in air or under light heating (30 ºC) prior to
grinding with a Fritsch Pulverisette 19 grinder (Fritsch, Germany). The sawdust was sieved
and only the fraction smaller than 420 μm (40 mesh) was retained. It was then oven dried at
100 ºC to remove light volatile compounds and kept in a desiccator under vacuum pressure
prior to the extraction procedures.
2.2.3 Extractions
95% ethanol was used as the extraction solvent. Two extraction techniques were used:
MAE and UAE, both applied on wood and bark separately following previously developed
procedures (Diouf et al., 2009). The fibers were rinsed during the filtration stage using 100
mL of 95% ethanol instead of the recommended 50 mL to ensure that all extractives were
removed from the fibers. After the filtration, the extracts were evaporated in a rotary
evaporator at 40 ºC, then dried in a vacuum oven at -1 atm. and 40 ºC to constant mass and
finally weighed to determine the extract yields. The crude extracts were then dissolved in
pure ethanol at 10 mg/mL and filtered on 0.45 μm cellulose acetate syringe filters (VWR
International LLC) and conserved in Teflon cap amber glass vials at -20 ºC. Both extraction
methods were carried out in triplicate for each tissue type (wood and bark) from each tree
to obtain average extraction yields.
2.2.4 Determination of polyphenols content
2.2.4.1 Total phenols content
The total phenol content was measured spectrophotometrically according to the Folin-
Ciocalteu method described in a previous study (Diouf et al., 2009). The extract samples
were diluted in methanol to 200 μg/mL, and 0.5 mL of that solution was added to 2.5 mL of
the Folin-Ciocalteu reagent (diluted by 10 in distilled water) and 2 mL of 75 g/L Na2CO3.
They were shaken and heated at 50 °C for 10 minutes in a water bath and placed in icy
water to stop the reaction. The absorbance was read at 760 nm against a blank in a Varian
30
Cary 50 spectrometer. Gallic acid was used for the calibration curve and results are
expressed in gallic acid equivalents (mg GAE/g dry extract).
2.2.4.2 Flavonoids content
The flavonoids content was determined spectrophotometrically by the Brighente et al.
AlCl3 method described in a previous study (Diouf et al., 2009). Two milliliters of the
extract diluted to 1 mg/mL in methanol was added to 2 mL of 2% AlCl3 in methanol,
shaken and left at 20 °C for 1 hour. The absorbance was then read at 415 nm against a
blank. Quercetin was used for the calibration curve and results are expressed as quercetin
equivalent (mg QE/g dry extract).
2.2.4.3 Hydroxycinnamic acids content
Hydroxycinnamic acids content was determined according to a method developed by
Arnow (1937). 0.5 mL of the extract diluted in methanol to 1 mg/mL was added to 1 mL of
0.5M HCl, 1 mL of the Arnow’s reagent (10% m/v sodium nitrate + 10% m/v sodium
molybdate in distilled water), 1mL of 2.125M NaOH and 1.5 mL of distilled water. The
mixture was thoroughly shaken and the absorbance was read at 525 nm. Each solution was
compared to a blank containing all but the Arnow reagent (replaced by distilled water).
Chlorogenic acid was used for the calibration curve and results are expressed as
chlorogenic acid equivalents (mg CAE/g dry extract).
2.2.4.4 Proanthocyanidins content
The content of proanthocyanidins was measured following the method developed by Porter
et al. (1986). To 1 mL of 1mg/mL extract in methanol, 6 mL of 19:1 n-butanol:HCl and 0,2
mL of 2% ferrous ammonium sulphate (FeNH4(SO4)2) in 2M HCl were added. The
mixtures were shaken by a vortex mixer and heated to 95°C in closed glass tubes in a water
bath for 50 min. They were then put in icy water for 10 min and left for 5 min on the bench
top to bring them to room temperature. Their absorbance was read at 550 nm against a
blank. Cyanidin chloride was used for the calibration curve and results are expressed as
cyanidin chloride equivalents (mg CCE/g dry extract).
31
2.2.5 Triterpenes and sterols characterization
The identification and concentration estimates of the lipophilic compounds were performed
by the use of gaseous chromatography coupled to mass spectroscopy. The analyses were
done on a Varian system combining a CP-3800 GC and a Saturn 2200 MS/MS. One μL of
the 10 mg/mL ethanolic solution was injected directly in the GC in a goose-neck type insert
at a temperature of 280 °C, with the split ratio set to 10. The carrying gas (helium) was set
at 1mL/min. The column used was a Varian FactorFour Capillary column (VF-5ms 30m x
0.25mm). The temperature gradient started at 100 °C, increased to 280°C at 25°C /min,
then increased to 325°C at 5 °C /min and remained at that temperature for 13.8 min. The
MS operated in electronic ionization mode at 70 eV. Ion trap temperature was 250 °C,
transfer line temperature was 300°C and the manifold temperature was 120°C. The MS
signal acquired was the total ion count (TIC) for all the m/z included between 50 and 480.
The identification of lipophilic molecules was made possible by comparing the mass
spectrum to those of existing databases (NIST 02, Adams and Essentia) and also by
comparing retention times and mass spectra to those of some commercially available
molecules. The TICs of the peak area alone were used to compare the concentrations of the
major constituents of different extracts. No standards were used for quantification since the
only objective of the present study in relation to lipophilic molecules was to compare their
relative concentrations between the wood and bark ethanol extracts from different vigor
trees. The TICs were sufficient to fulfill this purpose.
2.2.6 Statistical analyses
Statistical comparisons were made between the different tree categories for all studied
parameters. An overall ANOVA test was performed on all the data. Then, Tukey’s multiple
comparison tests were performed to identify differences between the vigor classes. Tukey’s
tests were used because of their close correspondence with the ANOVA results. The first
test was carried out over all the data for wood and bark and YB and SM and it showed
significant differences at the 95% confidence level for all the studied parameters.
Therefore, all the statistical comparisons between trees from different vigor classes are
reported by tissue type (wood or bark) and species (YB or SM).
32
2.3 Results and discussion
The experimental results on the extraction yields, total phenols, flavonoids,
hydroxycinnamic acids and proanthocyanidins contents are presented in tables 2.1-2.4. The
results for the concentrations of the compounds identified in the ethanolic extracts are
presented in tables 2.5-2.8 and their structures in Figure 2.3. Each concentration value is an
average of the results for the bark or wood extracts obtained from three trees belonging to
each vigor category for each extraction technique. The high absolute standard deviations,
presented for each average, could be explained by the variation between trees within the
same vigor category or by the relatively low number of trees chosen within each category.
2.3.1 Extract yields and phenol content
The results from Table 2.1 demonstrate that the highest YB wood extractive yields were
obtained from the wood from low vigor trees, specifically that from the fungus infected
trees. The exact opposite result is obtained for the bark of YB, with both low vigor
categories containing significantly less extracts than their high vigor counterparts (Table
2.2). Since the total volume of bark relative to the volume of wood is low, the difference in
biomass volume could compensate for the lower amount of extracts obtained from the bark.
The samples of SM contained comparable quantities of extractives (2%) in both the wood
and the bark (Tables 2.3 and 2.4). In contrast to YB, extractives were less concentrated in
the wood of low vigor trees than in the wood from vigorous trees. The opposite tendency
was observed for the bark, with the SM vigorous trees containing the lowest quantity of
extracts. Even when significant differences were observed, the differences in concentration
determined between the SM tree categories were much narrower than for YB. The
extraction technique used did not influence the quantity of extracts recovered from the
tissues of the studied species. Comparable yields were obtained from the same tissue and
vigor type by MAE and UAE.
Comparable total phenol concentrations were determined in the extracts from all categories
of YB wood samples (Table 2.1, Figure 2.1) although there was a slight decrease of the
phenol concentration in the extracts from the bark of low vigor trees (Table 2.2, Figure
33
2.1). Again, the results for the extracts obtained by MAE and UAE techniques were
comparable. The total phenols represented approximately 20% (gallic acid equivalent) of
the total mass of ethanolic extracts for both bark and wood samples.
Figure 2.1: Average total phenol concentration with standard errors of the extracts of yellow birch wood and bark from different vigor classes
Higher variation in the concentration of phenols was determined for the SM samples. The
wood extracts from the low vigor trees contained lower quantities of phenols than those
from vigorous trees (Table 2.3, Figure 2.2). Lower concentrations of phenols were found in
the wood extracts obtained using the UAE technique than by MAE. Higher concentrations
of phenols were measured in the bark extracts from low vigor SM than from their vigorous
counterparts, the highest concentration being found in the extracts of the poor foliage trees
(Table 2.4, Figure 2.2). Overall, the extracts from sugar maple contained higher
concentrations of phenols than YB extracts.
The flavonoids concentrations in the extracts from the YB wood samples were similar
across the three tree categories, as was the case for the total phenol content (Table 2.1). The
highest YB bark flavonoids concentration was measured in the fungi attacked trees (Table
34
2.2). The flavonoids content in the yellow birch wood samples was not influenced by the
extraction technique used.
Figure 2.2: Average total phenol concentration with standard errors of the extracts of sugar maple wood and bark from different vigor classes
Higher concentrations of flavonoids were determined in the SM samples than in the YB.
The highest concentration of flavonoids was found in the wood extracts from the SM
vigorous trees. Comparable concentration of flavonoids was observed in the wood extracts
from the SM poor foliage trees (Table 2.3). The bark extracts from the non-vigorous trees
contained more flavonoids than those from the vigorous trees (Table 2.4). The flavonoid
concentrations in the extracts from the samples of the SM wood and bark follow the same
concentration trend determined for the total phenols (Tables 2.3 and 2.4). There were no
significant differences between the results obtained by MAE or UAE.
Comparable concentrations of hydroxycinnamic acids were determined in the YB wood
extracts from the vigorous and poor foliage trees, while lower concentrations were
determined in the wood extracts from the fungus attacked trees (Table 2.1). The YB bark
extracts from the vigorous trees were richer in hydroxycinnamic acids than those from non-
35
vigorous trees, the overall pattern again following the total phenols concentrations (Table
2.2).
Hydroxycinnamic acids contents of the SM bark and wood extracts were comparable to the
overall concentration of YB extracts. The SM wood extracts from the vigorous trees
contained the highest concentrations of hydroxycinnamic acids; more than the wood
extracts from the fungus attacked trees and almost twice as much as the poor foliage trees
(Table 2.3). Higher hydroxycinnamic acids concentrations were determined in the SM bark
extracts from the non-vigorous trees, like it was determined for the total phenols (Table
2.4). For both species, comparable concentrations of hydroxycinnamic acids were obtained
with the two extraction techniques.
Proanthocyanidins content of the YB wood extractives was highest in the poor foliage
trees, while comparable concentrations were observed for the vigorous trees extracts. The
fungus attacked YB wood extracts contained less proanthocyanidins (Table 2.1). For the
YB bark samples, the highest concentration of proanthocyanidins was found in the samples
from vigorous trees (Table 2.2). Again, the samples from the poor foliage trees contained
the next-highest, and the fungus attacked samples the lowest concentration of
proanthocyanidins. Comparable proanthocyanidins concentrations were obtained from the
two extraction procedures.
Proanthocyanidins concentrations were comparable between the two species. The ethanol
extracts from the wood of the vigorous SM trees contained more proanthocyanidins than
the low vigor ones, and the poor foliage trees contained the lowest concentration of
proanthocyanidins (Table 2.3). The opposite trend was observed for the SM bark extracts:
samples from fungus attacked and poor foliage trees were significantly higher in
proanthocyanidins than those from the vigorous trees. This followed the same pattern as the
total phenols, flavonoids and hydroxycinnamic acids content. In this case, higher
concentrations of proanthocyanidins were measured in the extracts obtained by UAE than
in SM extracts obtained by MAE.
36
Table 2.1: Average extraction yields and phenolics concentrations of the extracts of yellow birch wood from vigorous, fungi attacked and poor foliage trees
Parameter Vigorous Fungi attacked Poor foliage
Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound
Extraction yield1 2.0
± 0.2
a 2.0 ± 0.2
a 2.5 ± 0.3
b 2.6 ± 0.3
b 2.2 ± 0.4
c 2.3 ± 0.4
c
Total phenols2
203 ± 25a
199 ± 19a
209 ± 21a
208 ± 26a
219 ± 33a
211 ± 30a
Flavonoids3
6.5 ± 0.9a
6.4 ± 0.8a
6.2 ± 0.9a
6.4 ± 0.9a
7 ± 2a
6 ± 2a
Cinn. acids4
61 ± 16a
62 ± 10a
52 ± 13b
49 ± 14b
69 ± 10a
67 ± 12a
Proanthocy.5
17 ± 13ab
17 ± 11ab
11 ± 6a
10 ± 5a
22 ± 6b
21 ± 6b
Different letters indicate significantly different results according to Tukey’s tests at 95% confidence level. 1Extraction yields are in weight % of OD material
2Total phenolics are expressed in mg of gallic acid equivalent per g of dry extracts
3Flavonoids are expressed in mg of quercetin equivalent per g of dry extracts
4Hydroxicinnamic acids are expressed in mg of chlorogenic acid equivalent per g of dry extracts
5 Proanthocyanidins are expressed in mg of cyanidin chloride equivalent per g of dry extracts
Table 2.2: Average extraction yields and phenolics concentrations of the extracts of yellow
birch bark from vigorous, fungi attacked and poor foliage trees
Parameter Vigorous Fungi attacked Poor foliage
Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound
Extraction yield1 11 ± 3
a 10.2 ± 2.7
a 6.6 ± 1.7
b 6.3 ± 1.5
b 8.1 ± 2.2
b 7.5 ± 2.3
b
Total phenols2
223 ± 30a 235 ± 37
a 180 ± 26
b 177 ± 27
b 195 ± 54
ab 200 ± 63
ab
Flavonoids3
3.7 ± 0.6a
4.1 ± 1.5a
6.0 ± 1.7b
6.3 ± 2.0b
4 ± 1a
4 ± 1a
Cinn. acids4
91 ± 60a
100 ± 67a
54 ± 17b
60 ± 17b
73 ± 43ab
77 ± 45ab
Proanthocy.5
65 ± 48a
71 ± 53a
25 ± 11b
26 ± 7b
46 ± 34ab
52 ± 38ab
Different letters indicate significantly different results according to Tukey’s tests at 95% confidence level. 1Extraction yields are in weight % of OD material
2Total phenolics are expressed in mg of gallic acid equivalent per g of dry extracts
3Flavonoids are expressed in mg of quercetin equivalent per g of dry extracts
4Hydroxicinnamic acids are expressed in mg of chlorogenic acid equivalent per g of dry extracts
5 Proanthocyanidins are expressed in mg of cyanidin chloride equivalent per g of dry extracts
Table 2.3: Average extraction yields and phenolics concentrations of the extracts of sugar maple wood from vigorous, fungi attacked and poor foliage trees
Parameter Vigorous Fungi attacked Poor foliage
Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound
Extraction yield1 2.2 ± 0.2
a 2.3 ± 0.2
a 2.0 ± 0.1
b 2.0 ± 0.1
b 1.8 ± 0.5
b 1.8 ± 0.5
b
Total phenols2
296 ± 27a*
286 ± 21a*
241 ± 13b*
226 ± 14b*
268 ± 17c*
251 ± 9c*
Flavonoids3
22 ± 8a
21 ± 7a
17 ± 2b
16 ± 2b
20 ± 2ab
19 ± 2ab
Cinn. acids4
117 ± 10a
114 ± 6a
94 ± 9b
84 ± 7b
66 ± 15c
65 ± 14c
Proanthocy.5
52 ± 10a
45 ± 10a
35 ± 6b
29 ± 19b
22 ± 7c
21 ± 6c
Different letters indicate significantly different results according to Tukey’s tests at 95% confidence level and
a star indicates a significant difference between the MAE and UAE results. 1Extraction yields are in weight % of OD material
2Total phenolics are expressed in mg of gallic acid equivalent per g of dry extracts
3Flavonoids are expressed in mg of quercetin equivalent per g of dry extracts
4Hydroxicinnamic acids are expressed in mg of chlorogenic acid equivalent per g of dry extracts
5Proanthocyanidins are expressed in mg of cyanidin chloride equivalent per g of dry extracts
37
Table 2.4: Average extraction yields and phenolics concentrations of the extracts of sugar maple bark from vigorous, fungi attacked and poor foliage trees
Parameter Vigorous Fungi attacked Poor foliage
Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound
Extraction yield1 1.8 ± 0.5
a 1.8 ± 0.6
a 2.6 ± 0.7
b 2.5 ± 0.8
b 2.2 ± 0.5
ab 2.1 ± 0.5
ab
Total phenols2
170 ± 10a
169 ± 7a
243 ± 46b
272 ± 50b
265 ± 30c
288 ± 23c
Flavonoids3
17.3 ± 0.2a
17 ± 1a
21 ± 7b
22 ± 7b
23 ± 2b
25 ± 2b
Cinn. acids4
75 ± 10a
73 ± 4a
129 ± 26b
158 ± 35b
121 ± 29b
142 ± 28b
Proanthocy.5
35 ± 4a*
39 ± 2a*
57 ± 22b*
80 ± 26b*
66 ± 6b*
86 ± 6b*
Different letters indicate significantly different results according to Tukey’s tests at 95% confidence level and
a star indicates a significant difference between the MAE and UAE results. 1Extraction yields are in weight % of OD material
2Total phenolics are expressed in mg of gallic acid equivalent per g of dry extracts
3Flavonoids are expressed in mg of quercetin equivalent per g of dry extracts
4Hydroxicinnamic acids are expressed in mg of chlorogenic acid equivalent per g of dry extracts
5 Proanthocyanidins are expressed in mg of cyanidin chloride equivalent per g of dry extracts
Table 2.5: Average contents of compounds identified by GC-MS in yellow birch wood extracts
Parameter Vigorous Fungi attacked Poor foliage
Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound
β-Sitosterol 1.0 ± 0.2a
1.0 ± 0.1a
0.93 ± 0.06a
0.88 ± 0.05a
1.4 ± 0.3b
1.6 ± 0.6b
Stigmasta-3,5-
dien-7-one 2.7 ± 0.7
a 2.9 ± 0.4
a 1.8 ± 0.5
b 2.0 ± 0.6
b 2.3 ± 0.6
ab 2.0 ± 0.4
ab
Me-3β-
acetoxylupenoate 9 ± 3
a 9 ± 3
a 9 ± 4
a 9 ± 3
a 15 ± 7
a 14 ± 7
a
Concentrations are the peak areas of the total ion chromatogram/106.
Different letters indicate significantly different results according to Tukey’s tests at 95% confidence level.
Table 2.6: Average contents of compounds identified by GC-MS in yellow birch bark extracts
Parameter Vigorous Fungi attacked Poor foliage
Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound
β-Sitosterol 0.9 ± 0.3a
1.0 ± 0.3a
1.6 ± 0.6b
1.6 ± 0.6b
0.9 ± 0.2a
1.0 ± 0.2a
Lupenone 12 ± 9a
13 ± 9a
16 ± 10a
17 ± 12a
5.5 ± 0.7a
5.8 ± 0.7a
Stigmasta-3,5-
dien-7-one 1.2 ± 0.4
a 1.2 ± 0.5
a 2 ± 1
b 3 ± 1
b 1.8 ± 0.4
ab 2.1 ± 0.6
ab
Lupeol 9 ± 4ab
10 ± 5ab
11 ± 2a
11 ± 2a
6 ± 2b
7 ± 2b
Concentrations are the peak areas of the total ion chromatogram/106.
Different letters indicate significantly different results according to Tukey’s tests at 95% confidence level.
38
Table 2.7: Average contents of compounds identified by GC-MS in sugar maple wood extracts
Parameter Vigorous Fungi attacked Poor foliage
Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound
Syringaldehyde 7 ± 4a
6 ± 4a
5 ± 1a
4 ± 3a
7 ± 2a
8 ± 3a
Coniferyl alcohol 10 ± 4a
10 ± 2a
8 ± 4a
7 ± 2a
12 ± 3a
10 ± 2a
Syringic acid 8 ± 8a
6 ± 4a
4 ± 2a
6 ± 2a
7 ± 5a
7 ± 5a
Xanthene-9-
carboxylic acid 2 ± 1
a 1.0 ± 0.5
a 0.9 ± 0.4
a 0.9 ± 0.2
a 1.6 ± 0.8
a 1.4 ± 0.6
a
Stigmasterol 2 ± 1a
2 ± 2a
1.8 ± 0.6a
2.0 ± 0.5a
2.0 ± 0.8a
2.0 ± 0.9a
β-sitosterol 4 ± 2a
4 ± 3a
3 ± 1a
3 ± 1a
2.9 ± 0.6a
3 ± 1a
Stigmastanol 3.3 ± 0.4a
4 ± 1a
3.4 ± 0.9a
3.7 ± 0.4a
4.3 ± 0.5a
4.4 ± 0.5a
Concentrations are the peak areas of the total ion chromatogram/105.
Different letters indicate significantly different results according to Tukey’s tests at 95% confidence level.
Table 2.8: Average contents of compounds identified by GC-MS in sugar maple bark extracts
Parameter Vigorous Fungi attacked Poor foliage
Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound Maceration Ultrasound
Homovanillic
acid 3 ± 1
a 2.7 ± 0.1
a 2.8 ± 0.4
a 2.7 ± 0.7
a 3.6 ± 0.2
a 3.1 ± 0.4
a
Syringaldehyde 2.4 ± 0.8a
3 ± 2a
3 ± 1a
2 ± 1a
3.2 ± 0.8a
2.5 ± 0.6a
Coniferyl alcohol 4 ± 1a*
2.7 ± 0.7a*
2.3 ± 0.8b*
1.6 ± 0.4b*
2 ± 1b*
1.8 ± 0.6b*
Syringic acid 1.3 ± 0.8a
0.8 ± 0.3a
1.0 ± 0.5a
0.7 ± 0.2a
1 ± 1a
0.9 ± 0.6a
Palmitic acid 3 ± 2a
3 ± 2a
1.5 ± 0.5ab
1.7 ± 0.9ab
1.1 ± 0.6b
0.8 ± 0.5b
Stigmasterol 2 ± 1a
2.1 ± 0.8a
1.1 ± 0.3a
1.2 ± 0.6a
2 ± 2a
2 ± 2a
β-sitosterol 8 ± 5a
7 ± 3a
5 ± 2a
5 ± 2a
7 ± 7a
7 ± 7a
Stigmastanol 6 ± 2a
6.3 ± 0.3a
3.6 ± 0.7a
4 ± 1a
4 ± 2a
4 ± 3a
Stigmasta-3,5-
dien-7-one 8 ± 3
a 8 ± 1
a 4 ± 2
b 4 ± 2
b 3.8 ± 0.9
b 4 ± 1
b
Concentrations are the peak areas of the total ion chromatogram/105.
Different letters indicate significantly different results according to Tukey’s tests at 95% confidence level and
a star indicates a significant difference between the MAE and UAE results.
39
2.3.2 GC-MS lipophilic compounds characterization
As the main purpose of this study was to compare the composition of extracts from
different tree categories, we have limited the identification efforts to a few selected major
constituents with well documented bioactivities. The presence of the same compound in all
the extracts of the same species and tissue type was crucial to allow the comparisons to be
made, so only those peaks identified in the NIST 02 database as the same molecule with the
same retention time were considered. This criterion allowed the comparison of
concentrations of the same molecules between trees of different classes and between the
different extraction procedures.
Three compounds were identified in this study as important constituents (by volume) of the
wood extracts of YB: β-sitosterol, methyl-3β-acetoxylupenoate and stigmasta-3,5-dien-7-
one, and their concentrations are shown in Table 2.5. Previous studies have identified β-
sitosterol and methyl-3β-acetoxylupenoate (or acetyl methyl betulinate) as important
constituents of YB extractives (Diouf, 2009; Lavoie and Stevanovic, 2006, 2007; Rowe and
Conner, 1979). The retention time and mass spectrum of the β-sitosterol were confirmed in
this study by comparison with a commercial reference. Stigmasta-3,5-dien-7-one, to the
best of our knowledge, has not been previously identified in YB extracts, but has been
identified in other plants (Conforti et al., 2011; Gautam et al., 2005). The extracts from the
poor foliage trees were determined to contain the highest concentration of β-Sitosterol,
while comparable concentrations were determined in the extracts from the vigorous and the
fungus attacked trees. β-Sitosterol has been reported to help reduce cholesterol absorption
in the intestines, which may have important implications for the treatment of diseases
associated with high cholesterol in humans (Matsuoka et al., 2008). In this study, the
concentration of the methyl-3β-acetoxylupenoate did not vary significantly between vigor
classes. The extracts from the low vigor trees contained less stigmasta-3,5-dien-7-one than
the extracts from their vigorous counterparts. The extraction technique had little effect on
the concentration of the identified compounds in the YB wood extracts.
The results of the identification of the specific constituents of the YB bark extracts are
presented in Table 2.6. β-Sitosterol and stigmasta-3,5-dien-7-one were also found in the
40
bark of the YB extracts along with the major bark extracts constituents: lupeol and
lupenone. Lupeol and lupenone are well known triterpenes based on a lupane skeleton that
are present in birch extracts (Krasutsky, 2006). They have been reported to possess anti-
cancer, anti-protozoal, anti-inflammatory, anti-arthritic, pro-coronary, pro-hepatic and
cosmeceutical properties (Gallo and Sarachine, 2009; Wal et al., 2011). In this study, the
highest concentration of β-sitosterol was detected in YB bark extracts from the fungus
attacked trees, while both fungus attacked and poor foliage bark extracts were found to
contain more stigmasta-3,5-dien-7-one than the bark of vigorous trees. The lupenone
concentration varied between individual trees, a fact which explains why no significant
difference was observed between the different tree categories. However, lupenone
concentration appeared to be higher in the fungus attacked trees. Lupeol concentration is
lowest for the YB bark extracts from poor foliage trees. The concentrations of the studied
molecules in the extracts were not significantly influenced by the extraction technique
employed.
The characterization of specific compounds in the SM samples is of great interest because
there is a lack of general information about the composition of ethanolic extractives from
sugar maple. For this reason, more molecules are identified and some phenols were
included in the extract characterization. Of the numerous peaks observed, syringaldehyde,
coniferyl alcohol, syringic acid, xanthene-9-carboxylic acid, stigmasterol, β-sitosterol and
stigmastanol were identified as resolute peaks in all of the SM wood extracts. Their relative
concentrations are presented in Table 2.7. Sinapaldehyde was identified in every SM wood
and bark extract, but co-elution with other compounds made its quantification impossible.
The retention time and mass spectra of the compounds were confirmed by comparison with
commercially available molecules. All compounds except stigmastanol and xanthene-9-
carboxylic acid had already been identified in extracts of SM (Goundalkar et al., 2010;
Rowe and Conner, 1979). The concentration of each identified compound showed large
between-tree variation. The high standard deviation made the comparisons difficult, with
Tukey’s tests revealing no significant differences between vigor classes. The extraction
technique used did not significantly influence the concentrations of the identified
molecules.
41
Homovanillic acid, palmitic acid and stigmasta-3,5-dien-7-one were identified in the bark
extracts from SM trees in addition to the compounds identified in the wood extracts, with
the exception of xanthene-9-carboxylic acid (Table 2.8). Palmitic acid has been previously
observed in SM extractives (Goundalkar et al., 2010; Miller et al.., 1990). Sinapaldehyde
was also found in the SM bark extracts, but like in the wood extracts, quantification was
not possible because of poor peak separation. Homovanillic acid was not previously
observed in SM extracts, but was found in its sap (Kermasha et al., 1995).
Variation of molecular content was also large between vigor classes, thus making the
comparisons difficult. Tukey’s tests showed, however, that bark extracts from the low vigor
SM trees contained significantly less coniferyl alcohol, palmitic acid, and stigmasta-3,5-
dien-7-one, than those from the high vigor trees. A lower content of coniferyl alcohol was
also determined in the extracts obtained by the UAE.
Homovanillic acid, sinapaldehyde, syringaldehyde, coniferyl alcohol and syringic acid are
small, hydrophilic molecules related to biosynthesis of lignins. Some of them are common
constituents of dietary fibers (sinapaldehyde) and they all present interesting antioxidant
properties (Stevanovic et al., 2009). For instance, syringic acid has been determined to have
hepato-protective effects (Raja et al., 2010). Palmitic acid is a low value molecule, but can
be incorporated in the manufacture of soaps, whereas xanthene-9-carboxylic acid can be
used as a building block for pharmaceutical applications (Vieira et al., 2009). Stigmasterol
and stigmastanol are closely related phytosterols which have the capacity, like β-sitosterol,
to reduce the level of cholesterol absorption in the intestines (Batta et al., 2006; Ikeda et al.,
1981).
42
Figure 2.3: Structures of the molecules identified by GC-MS from the wood and bark of sugar maple and yellow birch ethanolic extracts
43
2.4 Conclusion
The ethanolic extracts of the wood and bark from different vigor trees of yellow birch and
sugar maple were studied to examine their potential to add value to the processing of low
vigor trees currently being prioritized for harvesting as part of a forest restoration strategy
in Quebec. This is the first study of the composition of the extracts of different vigor trees
of the same hardwood species.
Little variation in phenol content between the extracts from high and low vigor trees has
been observed in this study. One exception was the higher phenol content measured in SM
bark extracts from low vigor trees, which could be beneficial for future commercial
extractions. The variation in concentrations of different phenol categories studied
(flavonoids, hydroxycinnamic acids and proanthocyanidins) usually followed the same
trend as the total phenol concentrations. This opens the possibility of reducing the number
of time-consuming analyses in future, when a detailed phenolic profile is not needed for the
characterization of a SM or YB extract. Generally, the concentrations of the molecules
identified by GC-MS in SM and YB wood and bark extracts did not vary significantly
between different vigor categories. Stigmastanol and xanthene-9-carboxylic acid were
identified for the first time in the extracts of SM and stigmasta-3,5-dien-7-one was found in
the extracts of both species. For all the studied parameters, the UAE technique yielded very
similar results to the MAE, in terms of both extract concentrations and composition.
Overall, the yields and composition of the extracts were comparable regardless of the tree
vigor, which means that there is the potential for low vigor YB and SM trees to be used for
commercial extractions in the future. It is possible, though, that the large variation
associated with ecological systems, coupled with the limited number of trees included in
this study, attenuated somewhat the differences which were identified. In future work, more
trees of the same vigor class could be sampled in order to validate these findings.
Nevertheless, regardless of the variation in extractives concentrations, the valuable
molecules were present in trees extracts from all vigor classes. This would justify the
extraction of the wood and bark prior to their further processing into fiber-based
composites or for the production of bio-energy for which these materials remain suitable
44
after extraction, thus adding value to the processing of low vigor yellow birch and sugar
maple trees.
2.5. Acknowledgments
The authors wish to thank the Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies
(FQRNT) and the Coopérative forestière des Hautes-Laurentides for the financial support,
Yves Bédard and David Lagueux for their technical help, Mariana Royer and Nicolas
Mariotti for their laboratory and statistical support, Filip Havreljuk for the trees
characterizations and David Auty for reviewing an earlier version of the manuscript and for
visual work.
Chapitre 3
Calorific value, ash content and ash composition of ethanol extracted wood and bark of Acer saccharum and
Betula alleghaniensis of different vigor classes
46
Résumé
Les essences Betula alleghaniensis Britton et Acer saccharum Marsh sont deux feuillus
d’importance commerciale de la province de Québec, au Canada. Les règlements
d’exploitation forestière en place actuellement priorisent la récolte des individus de
moindre vigueur dans le but de réaménager les forêts du sud de la province. Les tiges de ces
arbres de faible vigueur sont aussi souvent de mauvaise qualité et sont dirigées vers des
applications de moindre valeur ajoutée comme les pâtes et papiers, les panneaux
composites ou la production d’énergie. L’extraction à l’éthanol du bois et de l’écorce des
arbres peu vigoureux a été investiguée comme une méthode d’ajout de valeur à la
transformation de ces arbres et cette étude vérifie que l’extraction n’affecte pas les
propriétés de combustion des tissus. Des arbres vigoureux et non-vigoureux d’Acer
saccharum et de Betula alleghaniensis ont été récoltés et leur bois et leur écorce furent
extraits par deux méthodes différentes soit une macération en solvant et une extraction en
solvant assistée aux ultrasons. Le pouvoir calorifique, le contenu en cendre et la
composition chimique des cendres des tissus extraits et non-extraits ont été mesurés de
manière à évaluer les effets des extractions et aussi pour comparer l’effet de la vigueur de
l’arbre à la source des tissus. Alors qu’une certaine variation a été observée entre les arbres
de différentes vigueurs, les extractions en solvant n’ont eu que peu d’effets sur tous les
paramètres étudiés. L’analyse des constituants organiques des tissus a été faite, ce qui a
permis de mesurer les contenus en carbone, en hydrogène, en azote et en oxygène des
tissus. Ces analyses ont permis l’élaboration d’une nouvelle relation entre le contenu en
carbone (C) et le pouvoir calorifique supérieur (PCS) des tissus pour laquelle une erreur
moyenne absolue de 1.27% a été calculée.
Mots clé : Betula alleghaniensis, Acer saccharum, pouvoir calorifique, arbres de faible
vigueur, extractions éthanoliques, cendres.
Cet article a été écrit par François St-Pierre, Pr. Alexis Achim, Pr. Tatjana Stevanovic et Dr. David Auty. Il a
été soumis pour publication au journal Biomass and Bioenergy.
47
Abstract
Betula alleghaniensis Britton and Acer saccharum Marsh are two commercially important
hardwood species harvested in Québec province, Canada. The regulations currently in place
at the moment prioritize the harvesting of low vigor specimens in order to restore the
hardwood forests in the South of the province. These low vigor trees are often of low
quality and are directed towards alternative but less commercially valued uses than solid
wood products such as pulp, paneling or energy production. This study tested the
hypothesis that ethanolic extraction can be used to add value to the processing of low vigor
trees without altering the combustion properties of the fibers. Vigorous and non-vigorous
trees of A. saccharum and B. alleghaniensis were collected and their wood and bark were
ethanol extracted using a maceration assisted ethanol extraction and an ultrasound assisted
ethanol extraction. Calorific value, ash content and ash chemical composition of extracted
and non-extracted fibers were measured. While some variation was observed between tree
vigor categories, the extraction had very little effect on any of the parameters, which
suggests that extracted wood and bark can be used for energy production just as the non-
extracted fibers. Ultimate analysis was carried out and carbon, hydrogen and oxygen
content of the samples were measured. A new simple linear regression linking gross
calorific value (GCV) to carbon % content with a mean absolute percentage error of 1.30%
was calculated.
Key words: Betula alleghaniensis, Acer saccharum, calorific value, low vigor trees,
ethanolic extraction, ash.
48
3.1 Introduction
Yellow birch (Betula Alleghaniensis, Britton) and sugar maple (Acer saccharum, Marsh)
are among the most commercially important hardwood species in the southwest part of the
province of Québec, Canada. Between 2009 and 2013, the annual allowable cut amounts to
more than 800,000 m3 in the public forests of the province (Bureau du Forestier en Chef,
2010). For many years, yellow birch and sugar maple were harvested by selection cuttings,
with the aim of maximizing the quality and volume of sawlogs production (Nyland, 1992).
Over time, the removal of the most vigorous and healthy trees under such a regime has
resulted in a reduction of the overall quality of the current sugar maple and yellow birch
resource (Majcen et al., 2006; Robitaille and Roberge, 198). Under recently implemented
forest restoration plans, it is hoped to reverse this trend by preferentially selecting non-
vigorous trees for harvest (Boulet, 2007). Trees are designated as non-vigorous when they
are expected to die before the next scheduled cut (typically within 20 to 30 years). The
evaluation is based on the occurrence and severity of visible defects such as fungus,
cankers, cambial necrosis, trunk fissures or foliage loss (Boulet, 2007). However, the
harvest of a majority of low vigor trees has negative implications on the wood processing
industry because these trees, which often provide lower quality logs, are generally not
suitable for conversion into solid wood products. This implies that a higher proportion of
harvested trees are now dependent on lower value products such as composite panels and
pulp and paper or as feedstock for bioenergy for their commercialization. Hence, it will be
necessary to add value at the processing stage in order to justify the harvesting,
transportation and processing costs. A promising technique to achieve this is the ethanolic
extraction of wood and bark combined with bioenergy production.
Extractives of yellow birch have been widely studied and their composition and properties,
particularly of bark extracts, are well known (Diouf et al., 2009; García-Pérez et al., 2008;
Lavoie and Stevanovic, 2005; Lavoie and Stevanovic, 2006; Lavoie and Stevanovic, 2007;
St-Pierre et al., 2013). The extraction of the tissues of this species may be justified
commercially since many birch extractives are known to be bioactive and to possess many
beneficial biological properties (Alakurtti et al., 2006; Cichewicz and Kouzi, 2004; Gallo
and Sarachine, 2009; García-Pérez et al., 2008; Krasutsky, 2006; Mshvildadze et al., 2007;
49
Wal et al., 2011; Webster et al., 2008; Yogeeswari and Sriram, 2005). Conversely, sugar
maple extractives are less widely studied, since the main research interest has traditionally
been focused on the syrup processsed from the sap (Filipic and Underwood, 1964; Leaf and
Watterston, 1964; Jones and Alli, 1987; Potter and Fagerson, 1992; Kermasha et al., 1995;
Thériault et al., 2006). Sugar maple extracts are rich in polyphenols but contain also
lipophilic compounds (Goundalkar et al., 2010; Miller et al., 1990; St-Pierre et al., 2013;
Tattar and Rich, 1973; Yoshikawa et al., 2011). These include stigmasterol, which is a
phytosterol that has the potential to be used to reduce the absorption of cholesterol in the
body (Batta et al., 2006).
An advantage of any extraction process is its softness and thus it does not alter the main
structure of the lignocellulosic material, leaving the extracted biomass material for other
uses such as a source of fibers or as fuel. However, because the extractive molecules are
composed mainly of carbon, hydrogen and oxygen, they are themselves combustible.
Previous studies have confirmed that wood extractives possess a high calorific value
(Howard, 1973; Telmo and Lousada, 2011; Wang and Huffman, 1982), in particular the
lipophilic compounds, which are richer in carbon. These lipophilic extracts easily dissolve
in non-polar solvents, such as hexanes, toluene, dichloromethane or benzene. However,
ethanol, while a good polyphenol solvent, also dissolves some lipophilic extractives such as
triterpenes (Diouf et al., 2009; St-Pierre et al., 2013). Nevertheless, the total calorific
content loss related to the extraction process with ethanol should be low due to generally
low extraction yields with this solvent.
Besides calorific value, ash content and ash chemical composition are also important
factors in the combustion of wood and bark at the industrial scale. The production of ash in
large quantities during the combustion process may force the shutdown of a furnace for
maintenance. Ash chemical composition also plays a major role in the energy production
from biomass since some ash-forming elements can be problematic. Reactive elements
often found in woody biomass, such as sodium, potassium and chlorine, can cause
corrosion to furnace parts, and their deposition on the inner surfaces may reduce the heat
transfer rate (Biedermann and Obernberger, 2005). Low melting point compounds such as
alkaline (sodium, potassium), alkaline earth (calcium, magnesium) or phosphorus may
50
contribute to ash melting and slagging (Van Loo and Koppejan, 2008). Slagging is an
aggregation of the ashes into small or large plates that occurs during the combustion
process and that is caused by the partial melting of low temperature elements or compounds
(Van Loo and Koppejan, 2008). These conditions often require a manual cleaning of the
furnace and proper disposal, therefore, the study of ash content and its chemical
composition is important.
The aim of this study was to compare extracted and non-extracted wood and bark
originating from yellow birch and sugar maple trees of different vigor classes. Calorific
value, ash content, ash chemical composition and organic elemental composition of the
biomass were the parameters studied. Specific objectives were i) to assess the impact of
tree vigor on the biomass potential to produce energy, ii) to predict the effect of the
ethanolic extraction on combustion properties and iii) to predict experimental calorific
values as a function of the elemental composition of the biomass.
3.2 Material and Methods
3.2.1 Plant material
3.2.1.1 Sampling
The sample material used in this study was harvested in July 2010 near Mont Laurier,
Québec (Canada). Nine trees each of sugar maple and yellow birch were randomly selected
from two sites located at 46°39’40” N, 75°36’30” W and 46°39’5” N, 75°36’25” W. Each
sampled tree was characterized and classified according to the current tree vigor
classification system used in Québec (Boulet, 2007). Three trees of each species were
designated as vigorous and used as reference trees. Six non-vigorous trees per species were
also selected: three that were dying due to poor foliage, and three that were dying due to
significant fungal infection. In all cases these non-vigorous trees would have been
prioritized for harvesting under current forest management rules. Trees located close to
roads were avoided to eliminate excessive dust contamination of the bark. A short length
log was cut at breast height (1.3m) of each tree and immediately placed inside a plastic bag
51
to avoid sap evaporation, dust contamination and exposure to moisture. The logs were
extracted from the forest avoiding contact with the ground and transported to Laval
University’s Wood Research Center where they were stored in a freezer at -5°C.
3.2.1.2 Tissue preparation
A 2-3 cm thick transverse disk was cut from each log close to breast height. Each disc was
selected in a part of the log clear of fungal infection. This verification allowed making sure
that subsequent chemical analysis results would not be biased by fungal contamination.
First, the bark was separated manually from the disk and the disk was grossly cut with a
band saw. The materials were then dried under low heat (30°C). Once dried, the wood and
bark samples were ground in a Fritsch Pulverisette 19 grinder. The resulting sawdust was
then sieved to discard any particles larger than 420 μm. The powders were placed in an
oven at 100 ºC until completely dry. The dried sawdust was the base material for all the
experiments and was stored in a desiccator under vacuum until all the experiments were
completed.
3.2.2 Ethanol extraction
Wood and bark were extracted with 95% ethanol using two well-established techniques -
maceration assisted ethanol extraction (MAE) and ultrasound assisted ethanol extraction
(UAE) -according to a previously elaborated protocol (Diouf et al., 2009). Extra care was
brought at the rinsing step to ensure that all extractives were removed from the fibers so as
not to influence the calorific values. The extracted fibers were oven dried to evaporate all
traces of ethanol. All extractions were carried out in triplicate.
3.2.3 Ash content
The ash content of the wood and bark samples was measured on both extracted and non-
extracted fibers. The fibers were weighed in porcelain crucibles and placed in an oven at
600 ºC for 6 hours according to the method described in ASTM D1102-84 (2001). Only
1.5g of material was used because of the limited supply of extracted fibers. The analyses
were performed in triplicate.
52
3.2.4 Elemental analysis
3.2.4.1 Organic composition
The carbon, hydrogen and nitrogen content of the extracted and non-extracted wood and
bark fibers were determined using a CHNS/O 2400 analyzer (PerkinElmer Inc.). Oxygen
content was calculated by mass% difference according to equation 3.1:
100O C H N Ash
(3.1)
where O, C, H, N and Ash are the percentage concentrations of oxygen, carbon, hydrogen,
nitrogen and ash, respectively. Sulfur content was not measured since it’s concentration in
woody biomass is recognized to be very low. Acetanilide was used as the K-factor. A
duplicate of each analysis was carried out to confirm the measurements.
3.2.4.2 Ash composition
Ash elemental composition was determined by atomization in an inductively coupled
plasma paired to an atomic emission spectroscopy detector (ICP-AES) on a PerkinElmer
Optima4300DV atomic analyzer equipped with a Scott-type nebulizer. The ashes were first
digested in a mixture of nitric, hydrochloric and hydrofluoric acid in a Teflon bomb. The
digestion was accelerated by microwaves exposure and the resulting solution was diluted to
100 mL. This analysis allowed the quantification of magnesium, aluminum, iron,
potassium, sodium, zinc, calcium, manganese, silicon and phosphorus.
3.2.5 Calorific values
The samples were analyzed for their gross calorific value (GCV) using a Parr 6400
automated calorimeter. Oven dried extracted and non-extracted powdered fibers were
manually pressed into pellets weighing between 0.4 and 0.7 g. Next, 3100 kPa of medical-
grade oxygen was compressed into the bomb prior to combustion. The initial temperature
was 30ºC and benzoic acid pellets were used as the calibration compound. Measurements
were carried out in triplicate.
53
3.2.6 Statistical analysis
Analysis of variance (ANOVA) and Tukey multiple comparison tests were used to compare
calorific values, ash content and composition, and organic composition of the studied
samples between vigor classes and between extracted and non-extracted fibers. Tukey tests
were used because of their close correspondence with the ANOVA results. Linear
regression analysis was then used to model the GCV as a function of the elemental
composition of the samples. First, models were fitted using carbon, hydrogen, nitrogen and
ash content of the samples. Non-significant variables at 95% confidence were removed.
Oxygen was not included because it was calculated as a function of the mass proportion of
the other elements (Eq.3.1).
Model performance was evaluated using mean absolute percentage error (E %) to compare
fitted and observed values (Parresol, 1999). This was calculated as follows:
ˆ100%
ˆ
i i
i
y yE
n y
(3.2)
where iy is the observed value, ˆiy the predicted value, and n the number of observations.
The coefficient of determination (R2) was also calculated for each model. ANOVA and
Tukey tests were carried out using functions contained in the PROC GLM procedure in
SAS, while the linear regression was performed using the REG procedure (Littell et al.,
1996).
3.3 Results and discussion
3.3.1 Calorific values
Average GCVs for the wood and bark of yellow birch are presented in Table 1. The
calorific values of the yellow birch bark were slightly higher than their wood counterparts.
In all cases, the MAE and UAE samples yielded very similar calorific values when
compared to their non-extracted counterparts. In addition, Tukey tests revealed no
54
significant differences between calorific values of extracted and non-extracted fibers,
regardless of the extraction technique used. The vigor of the tree influenced the calorific
value since lower calorific values were measured from the poor foliage trees samples.
Variation, expressed as standard deviation, was low in the yellow birch samples (less than
2%, see Table 3.1).
Table 3.2 shows the GCV determined for the sugar maple samples. Similarly to yellow
birch, the extraction of the sugar maple fibers did not influence the calorific value the
biomass. The sugar maple calorific values remained constant across the vigor classes and
between wood and bark samples. Variation, while somewhat higher than for yellow birch,
was still low and generally within 2%. The calorific values of sugar maple and yellow birch
samples were of the same order of magnitude. In all cases, very similar calorific values
were measured for MAE and UAE samples.
3.3.2 Extraction yields
Yellow birch extraction yields varied widely across the vigor classes and the extract yields
were radically different between the wood and the bark (Table 3.1). The extractive content
from the bark was 3 to 5 times higher than from the wood samples. The use of MAE or
UAE did not affect the extractives yields, but significant differences were found between
the different vigor classes. The lowest extraction yields were obtained from wood samples
from vigorous trees and the highest from vigorous trees bark samples. The large observed
variation in extracts yields contrasted markedly with the low variability of calorific values
between extracted and non-extracted fibers, which suggests that the calorific values and the
extractive content were unrelated (Table 3.1). Moreover, the differences identified by
Tukey tests when calorific values, extraction yields and vigor classes were compared did
not follow the same trend (Table 3.1), which further confirms that the calorific values of the
samples were poorly related to the extractions yields.
The extraction yields of the sugar maple samples were lower but more consistent across
vigor classes and tissue types than those of the yellow birch samples (Table 3.2). The
highest extraction yields were determined for wood samples from vigorous trees and the
lowest from the bark samples from vigorous trees, while the opposite was found for yellow
55
birch. In all cases, the extraction method used did not influence the total quantity of
extractives collected. Similarly to the yellow birch samples, the observed variation in the
sugar maple extract content contrasted with the very high resemblance in calorific values
between the extracted and non-extracted samples as well as between vigor classes (Table
3.2).
3.3.3 Ash content
Ash content of yellow birch wood samples was lowest for the vigorous and poor foliage
trees (Table 3.1). Wood samples from the fungus-infected trees contained approximately
twice as much ash as either the vigorous or poor foliage samples. The same tendency was
found in the yellow birch bark samples, although in the latter case the ash content of the
bark was approximately 6.5 times greater than that of the wood samples. Most importantly,
no significant difference between the extracted and non-extracted samples was detected.
Ash content of the extracted wood and bark samples were not higher than those determined
for their non-extracted counterparts.
The ash content of sugar maple samples was approximately two times higher than those of
yellow birch samples (Table 3.2). Similarly to yellow birch, a higher ash content was
measured for the fungus-infected samples than both the vigorous and poor foliage trees
samples. In this species the average ash content of the bark was approximately 8 times
greater than that from the wood. Ultrasound-extracted sugar maple fibers were determined
to contain significantly higher ash content than both the maceration-extracted and the non-
extracted fibers. This trend was particularly noticeable in the sugar maple bark samples.
One hypothesis to explain this result could be that the high molecular agitation caused by
the ultrasound waves detached silica particles from the beaker containing the samples that
added to the ashes. The wear of the titanium ultrasound probe could also add non-
flammable material to the fibers during the extraction process, which could have added to
the mineral content already present in the biomass. However, this could not be confirmed
because the ash content of the yellow birch samples, according to Tukey tests, was similar
for both extraction methods. In any case, such contamination would involve minimal
56
quantities of titanium and silica and was therefore not considered significant in the
circumstances of our study.
3.3.4 Ash composition
Mineral content was measured on ash samples from wood and bark of different vigor
classes as well as for non-extracted, maceration-extracted and ultrasound-extracted
samples. Because of the limited quantities of extracted fibers and low ash yield, the ash
obtained from the same material (wood or bark), species and vigor class, which underwent
the same extraction treatment, were combined before analysis. Measurable contents of
aluminum, iron, sodium and zinc were detected in all samples, but they were all of low
concentration and were therefore considered as negligible constituents of the ashes. While
silica is normally observed in woody biomass, contamination from the glassware used for
the extractions was observed and therefore we eliminated the element silicon from
comparisons.
Figure 3.1 presents the calcium (Ca), potassium (K), magnesium (Mg), manganese (Mn)
and phosphorus (P) concentrations in the ash of non-extracted (reference, R), maceration-
extracted (M) and ultrasound-extracted (U) fibers. All minerals except Mn are low melting
point (below 900°C) elements that can potentially cause slagging of the ash during the
combustion process and are therefore not desirable. For both species, calcium was the most
common constituent, especially in the bark samples, followed by potassium, which was
mostly present in the wood ash. The high concentration of these two elements was expected
since they are known to play key roles in the general growth and development of plants
(Hepler, 2005; Leigh and Wyn Jones, 1984).
In both species and both wood and bark, the concentration of calcium was significantly
lower in the ash from fungus-infected tissues, while the opposite trend was observed for
potassium (Figure 3.1). Manganese and phosphorus were significantly more concentrated
in ashes from vigorous trees and lowest for fungus-infected trees. The magnesium content
in the ashes was not affected by vigor class. All the mineral concentrations were
significantly different between the species and tissue types within each species. However,
the concentrations of all the studied minerals in the ashes were not significantly influenced
57
by the extraction method, thus slagging of the ash is not expected for extracted material
when compared to non-extracted biomass, which means that the extracted material ash
composition remains suitable for heat generation.
3.3.5 Elementary composition of wood and bark fibers
The carbon, hydrogen, nitrogen and oxygen content of the wood and bark fibers are
presented in Tables 3.1 and 3. 2. The overall concentration of carbon was similar in both
the yellow birch and sugar maple wood samples, but differed in the bark samples. The
highest carbon content was measured in the bark of the yellow birch, which could explain
the higher calorific values measured for this material. The extraction of the fibers slightly
decreased the carbon content, which was highlighted by the results of Tukey tests (see
Tables 3.1 and 3.2). Tree vigor did not influence the carbon content in the case of sugar
maple, but the poor foliage yellow birch samples had lower carbon content when compared
to both vigorous and fungus-infected yellow birch trees samples. Absolute carbon content
(Tables 3.1 and 3.2) showed little variation between extracted and non-extracted samples,
which is a desirable result since the oxidation of fixed carbon to carbon dioxide during
combustion is the main mechanism for heat production (Van Loo and Koppejan, 2008).
As was the case for carbon, hydrogen content was slightly lower in the extracted wood and
bark of both species. Oxygen content followed the opposite trend with higher
concentrations in the extracted fibers. A separate study conducted on the same experimental
material has shown that approximately 20% of the extractives (gallic acid equivalent) were
composed of phenols (St-Pierre et al., 2012). The remaining 80% was presumed to be
composed of sugars, phytosterols and triterpenes. The latter two categories are molecule
based on polycyclic hydrocarbon systems and their removal could perhaps explain in part
the observed variation in carbon, hydrogen and oxygen content.
In yellow birch, hydrogen content differed only slightly between the different tissues and
vigor classes, with lower concentrations found only in the fungus-infected samples. In the
case of sugar maple, the poor foliage trees yielded the lowest hydrogen content. For both
species, the bark samples contained less hydrogen than the wood samples.
58
In both species, oxygen content was higher in the wood compared to the bark samples. This
could be explained partly by a higher ash content in the bark since the oxygen content was
calculated by % difference (Eq. 3.1). Samples from vigorous yellow birch trees contained
the most oxygen, followed by samples from the low vigor trees, which had generally lower
oxygen content. Sugar maple fibers from vigorous and poor foliage trees were richer in
oxygen when compared to fungus-infected fibers. Since oxygen content does not contribute
significantly to the calorific value of a biomass, lower oxygen content should generally lead
to higher calorific value. However, in this study, this was not the case, since the low
variability in calorific values did not reflect the degree of variation in the oxygen content of
the samples highlighted by the results of Tukey tests (Tables 3.1 and 3.2). Linear
regression analysis showed a very weak correlation between GCV and oxygen content
(R2=0.138). This further justified the omission of oxygen as a predictor variable in the final
model.
Nitrogen content was below 1% in the wood and bark of both species. Its content was
higher in the bark, which was expected since the phloem was very probably detached with
the bark. The phloem contains living cells, which are also those producing and transporting
nitrogenous compounds (Lalonde et al., 2004). The extraction process did not influence the
nitrogen content, which was also not influenced by tree vigor. The one exception to this
finding was the fungus-infected yellow birch wood and bark samples which contained
slightly more nitrogen than their poor foliage and vigorous counterparts (Table 3.1), which
could be due to the presence of fungus.
59
Figure 3.1 Calcium, potassium, magnesium, manganese and phosphorus content of ash from reference (R, non-extracted), maceration extracted (M) and ultrasound extracted (U) wood and bark from yellow birch and sugar maple of different vigor classes
60
Table 3.1: Average organic composition, ash content and calorific values of extracted and non-extracted wood and bark from vigorous,
poor foliage and fungi attacked yellow birch trees
Tree type
Treatment Ultimate analysis (wt %) Ash content
(wt %) Extraction yield (wt
%) Gross cal. val.
(MJ/kg) %C %H %N %O
Wood
Vigorous
None 48.9 ± 0.3a 6.16 ± 0.08a 0.10 ± 0.01a 44.6 ± 0.3a 0.25 ± 0.02a N/A 18.6 ± 0.3a
Mac1 48.7 ± 0.2b 6.18 ± 0.03ab 0.097 ± 0.005a 44.8 ± 0.2b 0.24 ± 0.02a 2.0 ± 0.2a 18.9 ± 0.3a
Ult2 48.6 ± 0.2b 6.2 ± 0.1b 0.093 ± 0.008a 44.9 ± 0.2b 0.25 ± 0.04a 2.0 ± 0.2a 19.1 ± 0.2a
Poor
foliage
None 49.2 ± 0.2c 6.21 ± 0.07a 0.11 ± 0.02a 44.2 ± 0.3c 0.30 ± 0.09a N/A 18.7 ± 0.2b
Mac 48.6 ± 0.1d 6.12 ± 0.06ab 0.11 ± 0.02a 44.84 ± 0.09d 0.3 ± 0.1a 2.2 ± 0.4b 18.9 ± 0.3b
Ult 48.8 ± 0.1d 6.19 ± 0.08b 0.10 ± 0.01a 44.7 ± 0.2d 0.30 ± 0.08a 2.3 ± 0.4b 19.0 ± 0.2b
Fungi attacked
None 49.8 ± 0.4a 6.14 ± 0.05c 0.13 ± 0.02b 43.3 ± 0.7e 0.6 ± 0.3b N/A 18.9 ± 0.4a
Mac 49.1 ± 0.2b 6.12 ± 0.09cd 0.13 ± 0.01b 44.1 ± 0.4f 0.6 ± 0.3b 2.5 ± 0.3b 19.2 ± 0.2a
Ult 49.2 ± 0.2b 6.08 ± 0.06d 0.13 ± 0.02b 44.0 ± 0.4f 0.6 ± 0.3b 2.6 ± 0.3b 19.2 ± 0.2a
Bar
k
Vigorous
None 52.1 ± 0.5e 6.18 ± 0.08e 0.67 ± 0.04c 39.2 ± 0.5g 1.9 ± 0.2c N/A 20.4 ± 0.3c
Mac 50.9 ± 0.8f 6.1 ± 0.1ef 0.74 ± 0.02c 39.9 ± 0.6h 2.3 ± 0.4c 11 ± 3d 19.8 ± 0.2c
Ult 50.7 ± 0.5f 5.98 ± 0.09f 0.70 ± 0.06c 40.4 ± 0.5h 2.2 ± 0.1c 10.2 ± 2.7d 19.9 ± 0.1c
Poor
foliage
None 50.4 ± 0.7g 6.1 ± 0.1e 0.66 ± 0.06c 40.9 ± 0.6i 2.0 ± 0.2c N/A 19.8 ± 0.1d
Mac 50.1 ± 0.7h 6.0 ± 0.1ef 0.73 ± 0.05c 40.9 ± 0.7j 2.3 ± 0.3c 8.1 ± 2.2e 19.5 ± 0.2d
Ult 50.1 ± 0.4h 6.03 ± 0.07f 0.69 ± 0.08c 40.8 ± 0.3j 2.4 ± 0.4c 7.5 ± 2.3e 19.39 ± 0.09d
Fungi
attacked
None 51.5 ± 0.7e 6.0 ± 0.1g 0.8 ± 0.1d 39 ± 1k 2.9 ± 0.9d N/A 19.9 ± 0.2c
Mac 50.4 ± 0.2f 5.9 ± 0.1gh 0.8 ± 0.1d 39.7 ± 0.9l 3.1 ± 0.8d 6.6 ± 1.7e 19.7 ± 0.2c
Ult 50.7 ± 0.4f 5.94 ± 0.08h 0.8 ± 0.1d 39.3 ± 1.0l 3.3 ± 0.8d 6.3 ± 1.5e 19.8 ± 0.1c
Different letters in a same column indicate significantly different results according to Tukey’s test at 95% confidence level.
1Maceration extracted material
2Ultrasound extracted material
61
Table 3.2: Average organic composition, ash content and calorific values of extracted and non-extracted wood and bark from vigorous,
poor foliage and fungi attacked sugar maple trees
Tree type
Treatment Ultimate analysis (wt %) Ash content
(wt %) Extraction yield (wt %)
Gross cal. val. (MJ/kg) %C %H %N %O
Wood
Vigorous
None 49.4 ± 0.3a 6.14 ± 0.05a 0.11 ± 0.01a 43.9 ± 0.3a 0.40 ± 0.04a N/A 18.8 ± 0.2a
Mac1 49.1 ± 0.3b 6.0 ± 0.1b 0.10 ± 0.01a 44.4 ± 0.3b 0.37 ± 0.03a 2.2 ± 0.2a 19.4 ± 0.1a
Ult2 48.9 ± 0.4b 6.02 ± 0.06b 0.10 ± 0.01a 44.6 ± 0.4b 0.39 ± 0.03b 2.3 ± 0.2a 19.0 ± 0.3a
Poor
foliage
None 49.4 ± 0.5a 6.10 ± 0.07c 0.12 ± 0.02a 43.7 ± 0.5a 0.7 ± 0.1a N/A 19.2 ± 0.2a
Mac 49.1 ± 0.2b 6.05 ± 0.07d 0.10 ± 0.02a 44.0 ± 0.2b 0.7 ± 0.1a 1.8 ± 0.5b 19.3 ± 0.2a
Ult 49.3 ± 0.3b 6.00 ± 0.08d 0.12 ± 0.04a 44.0 ± 0.4b 0.7 ± 0.1b 1.8 ± 0.5b 19.2 ± 0.2a
Fungi
attacked
None 49.4 ± 0.2a 6.04 ± 0.09a 0.15 ± 0.02a 43.3 ± 0.5c 1.1 ± 0.4c N/A 19.2 ± 0.2a
Mac 49.1 ± 0.4b 5.99 ± 0.09b 0.14 ± 0.01a 43.7 ± 0.6d 1.1 ± 0.4c 2.0 ± 0.1b 19.3 ± 0.2a
Ult 49.1 ± 0.2b 6.06 ± 0.08b 0.15 ± 0.02a 43.6 ± 0.6d 1.1 ± 0.5d 2.0 ± 0.1b 19.2 ± 0.2a
Bar
k
Vigorous
None 49 ± 1a 5.9 ± 0.1e 0.6 ± 0.1b 38.7 ± 0.5e 6 ± 2e N/A 19.3 ± 0.5a
Mac 49 ± 1b 5.8 ± 0.1f 0.7 ± 0.3b 39 ± 1f 5 ± 1e 1.8 ± 0.5a 19.2 ± 0.7a
Ult 49 ± 1b 5.8 ± 0.1f 0.7 ± 0.3b 38 ± 1f 6 ± 2f 1.8 ± 0.6a 19.4 ± 0.6a
Poor
foliage
None 49.5 ± 0.7a 5.6 ± 0.1g 0.7 ± 0.2b 38.5 ± 0.6e 5.7 ± 0.7e N/A 19.1 ± 0.2a
Mac 48.8 ± 0.5b 5.6 ± 0.2h 0.7 ± 0.3b 39.4 ± 0.8f 5.4 ± 0.3e 2.2 ± 0.5ab 19.0 ± 0.1a
Ult 48.9 ± 0.4b 5.6 ± 0.2h 0.6 ± 0.3b 38.7 ± 0.5f 6.2 ± 0.4f 2.1 ± 0.5ab 19.1 ± 0.2a
Fungi
attacked
None 49.8 ± 0.8a 5.8 ± 0.1e 0.6 ± 0.2b 39 ± 1g 5.0 ± 0.7g N/A 19.3 ± 0.3a
Mac 49.1 ± 0.8b 5.72 ± 0.04f 0.6 ± 0.1b 39 ± 1h 6 ± 1g 2.6 ± 0.7b 19.1 ± 0.3a
Ult 49.2 ± 0.5b 5.72 ± 0.04f 0.6 ± 0.1b 38.0 ± 0.7h 6.6 ± 0.9h 2.5 ± 0.8b 19.1 ± 0.3a
Different letters in a same column indicate significantly different results according to Tukey test at 95% confidence level.
1Maceration extracted material
2Ultrasound extracted material
62
3.3.6 Linear regression
The possible factors that explain GCV are the carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen and ash
content. Oxygen content was removed from the equation since its value was calculated
from the other constituents of the fibers and hence collinearity was highly likely and
because its concentration is very poorly correlated to the variation in calorific value
(R2=0.138, as explained in section 3.5). A first linear regression indicated that carbon
content alone could explain most of the variation in GCV. A model using an intercept was
preferred because there is no probability of finding a biomass containing zero carbon. This
yielded a simple linear model given by the following equation:
5.406 0.279GCV C (3.3)
where GCV is gross calorific value and C is the % carbon content. The adjusted R2 of Eq.
(3.3) was 0.377. This fairly low correlation may be explained by the very low variation in
the calorific values observed for the sugar maple samples. We were not able to determine
any trend in the calorific values of this species, which suggests that the variation was
caused by external factors such as measurements or manipulation errors, or more likely by
the natural variation observed between trees. Despite the low correlation value, a low E%
of 1.30 was calculated, which means that the predicted values from the model were similar
to the measured values.
The predictive capability of Eq. (3.3) was tested on a dataset presented in a previous study
(Chun-Yang, 2011). The validation dataset consisted of calorific values and ultimate
analysis information from a very wide variety of biomass types ranging from peanut shells
to coffee husks. In order to compare more easily the results of the present study with those
from Chun-Yang (2011), a new model was fitted to the data from Chun-Yang (2011),
although unlike in the previous study, an intercept was added to the model, which leaded to
this relation:
0.421 0.307 0.652GCV C H (3.4)
where GCV is the gross calorific value and C, H are the percentage concentrations of
carbon and hydrogen, respectively.
63
The adjusted R2 of Eq. (3.4) was 0.67 and the E% of the fitted model was 3.9. When Eq.
(3.3) was fitted to the dataset from Chun-Yang (2011), the R2 was 0.65 and the E% of 4.6,
which was close of the R2 of 0.67 and the E% of 3.9 calculated using Eq. (3.4). The close
correspondence between the error statistics and fit indices of Eq. (3.3) and Eq. (3.4)
suggests that Eq. (3.3), despite being calculated only from a small variety of material
(yellow birch and sugar maple), can be applied successfully to the prediction of the GCV of
a much wider range of biomass material.
Eq. (3.3) has the advantage of being simpler than Eq. (3.4) since the prediction of GCV
depends only on the carbon content of a given biomass material. Eq. (3.3) gives similar
results to those published by Tillman (1978), who developed a model using just an intercept
and the carbon content to predict GCV. While Tillman used a wide variety of materials for
the development of his linear regression analysis (with carbon contents ranging from 14.2
to 77.9 %), the model performed equally well when fitted to the dataset presented by Chun-
Yang (2011) (E% = 4.10). Considering that the regression developed in this study (Eq. 3.3)
used data based only on a very small range of carbon content (48.6 to 52.1%) and that very
similar calorific value can be predicted from either equation, the hypothesis can be made
that the calorific value of a biomass is almost entirely dependent on its carbon content, no
matter what the remaining constituents are.
3.4 Conclusion
It was clearly demonstrated in this study that the ethanolic extractions using MAE or UAE
of wood and bark samples from yellow birch and sugar maple did not affect negatively
their calorific value. The bark of the yellow birch conserved its high calorific value after
extraction even if its extractable content was the highest of all the studied samples. The
elementary composition in carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen of the fibers was not
greatly affected by the extractions despite a small decrease in carbon and hydrogen content,
which could be possibly attributable to the extraction of hydrocarbon-like molecules by the
ethanol. Nevertheless, that shift in chemical composition was not large enough to affect
importantly the overall calorific values. The ash content and chemical composition were
64
affected by the tree vigor class at the source of the samples, but insignificantly by the
extraction processes. Ashes and slagging prompt elements proportions in the biomass were
thus not influenced by the ethanolic extractions. The calorific value of the studied biomass
could be linked to its carbon content by the following simple relation: GCV = 5.406 +
0.279*C, which relates to Tillman’s findings in which only the carbon content is used the
predictor of the GCV. Thus, the ethanolic extraction can be added to the processing of low
vigor trees prior to a combustion step, thus adding value to the transformation process
through the collection and commercialization of high value extracted molecules.
3.5 Acknowledgments
The authors wish to thank the Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies
(FQRNT) and the Coopérative forestière des Hautes-Laurentides for the financial support,
Yves Bédard, Filip Havreljuk and David Lagueux for their technical help and Alain
Brousseau for the ash composition analysis.
65
Conclusions
Alors que la majorité des études visant la caractérisation des extraits provenant de plantes
est réalisée sur des individus vigoureux, l’étude présentée dans ce mémoire se distingue par
la comparaison des caractéristiques d’extraits de bois et d’écorces provenant d’individus de
bouleau jaune et d’érable à sucre de vigueurs différentes, soit d’individus vigoureux,
d’individus non-vigoureux mourants fortement infectés par les champignons et d’individus
non-vigoureux mourants possédant un faible feuillage. Plus que la comparaison des
extraits, l’étude a aussi comparé le comportement des tissus de bois et d’écorce extraits
dans un contexte de combustion pour des fins de production d’énergie.
Les principales conclusions tirées de cette étude, en lien avec les objectifs de départ, sont
les suivantes :
1. La quantité et la qualité des extraits ont pu être caractérisées des manières
suivantes :
a. Bien qu’une variation importante a été observée, une quantité appréciable
d’extraits a été récoltée de chaque tissu de chaque individu. Une tendance
inverse a été observée entre les tissus d’un même individu, soit qu’une
diminution de la concentration des extraits dans le bois correspond à une
augmentation de la concentration des extraits dans l’écorce d’un même
individu et vice versa. Les variations dans les quantités d’extraits récoltés
entre les individus de différentes vigueurs étaient plus importantes pour le
bouleau jaune que pour l’érable à sucre. Par contre, les quantités d’extraits
récoltés dans les tissus de bouleau jaune sont plus importantes.
b. Les multiples comparaisons effectuées permettent d’affirmer que la
composition des extraits par rapport aux phénols qu’ils contiennent est
similaire entre les individus étudiés à l’intérieur d’une même essence pour
un même tissu étudié, et ce peu importe la vigueur de l’arbre à la source de
l’échantillon. Certes, certaines variations mesurables sont observées entre
66
les classes de vigueur, mais en général les concentrations d’une classe de
phénol se situent dans un même ordre de grandeur.
Un constat inattendu a été découvert par l’étude des phénols des extraits, soit
que les concentrations en flavonoïdes, en acides hydroxycinnamiques et en
proanthocyanidines suivent la plupart du temps la concentration en phénols
totaux dans un extrait donné. Cette découverte ouvre la porte à une
caractérisation plus simple des extraits à l’avenir, puisqu’il serait possible de
limiter seulement la caractérisation à la concentration en phénols totaux pour
avoir une bonne idée de la quantité de chaque catégorie de phénol que
contient un extrait provenant d’un échantillon de bois ou d’écorce de
bouleau jaune ou d’érable à sucre. Ce constat a été confirmé peu importe la
vigueur de l’arbre à la source des tissus étudiés.
c. L’utilisation de méthodes de chromatographie gazeuse et de spectrométrie de
masse a permis l’identification et la quantification relative de molécules
spécifiques principalement lipophiles dans les extraits éthanoliques telles
que le β-sitostérol, le stigmasta-3,5-dien-7-one, le me-3β-acetoxylupenoate,
le lupénone et le lupéol pour le bouleau jaune ainsi que le syringaldehyde,
l’alcool coniférilique, l’acide syringique, l’acide xanthene-9-carboxylique, le
stigmasterol, le β-sitostérol, le stigmastanol, l’acide homovanillique, l’acide
palmitique, le stigmastanol et le stigmasta-3,5-dien-7-one pour l’érable à
sucre. Les concentrations relatives de ces molécules étaient du même ordre
de grandeur entre les individus d’une même essence, peu importe la vigueur
de l’individu à la source des échantillons.
2. Les propriétés de combustion des tissus extraits ont été caractérisées de la manière
suivante :
a. L’extraction à l’éthanol des tissus de bois et d’écorce n’a pas eu d’effet sur
leur pouvoir calorifique supérieur dégagé par combustion en milieu
oxygéné. Peu importe la vigueur de l’individu à la source des échantillons
ou le traitement d’extraction subi, le pouvoir calorifique supérieur était situé
67
aux environs de 19 MJ/kg pour chaque combustion. Les tissus extraits
demeurent donc disponibles après extraction pour production d’énergie.
b. La composition organique (contenu en oxygène, hydrogène, azote et
carbone) des fibres n’a pas été altérée de façon majeure par les extractions.
Ce constat a permis d’élaborer une nouvelle équation de prédiction du
pouvoir calorifique supérieur par le contenu en carbone présent dans le tissu
que l’on désire brûler. Cette équation est la suivante :
Pouvoir calorifique supérieur (MJ/kg) = 5.406 + 0.279 % Carbone
c. La quantité de cendres après combustion n’a pas augmentée suite aux
procédés d’extraction. Par contre, une augmentation de la quantité de cendre
a été mesurée pour certains échantillons provenant d’individus moins
vigoureux.
d. La caractérisation chimique des cendres minérales résiduelles à la
combustion a permis de confirmer que ni les extractions ni la vigueur de
l’individu n’influence la concentration d’éléments alcalins ou alcalino-
terreux dans les cendres, qui sont des éléments prompts à former des
agglomérats de cendre et qui sont aussi corrosifs pour les parois métalliques
des fournaises.
3. La présente étude a permis de pousser plus en profondeur la viabilité de l’éthanol
comme solvant d’extraction. Étant un solvant polaire contenant un groupement
hydroxyle, il ne faisait aucun doute que les rendements en phénols dans les extraits
seraient élevés. Les extraits étudiés contiennent effectivement environ 20% de
phénols en équivalents d’acide gallique. Or, l’éthanol s’est révélé être aussi un bon
solvant pour l’extraction de molécules beaucoup moins polaires tels que les stérols
ou les triterpènes. En effet, les triterpénoïdes me-3β-acetoxylupenoate, lupéol et
lupénone ainsi que les phytostérols β-sitostérol et stigmasterol ont été retrouvés
comme composés importants dans les extraits de bouleau jaune et d’érable à sucre,
toutes des molécules bioactives.
68
4. Les deux méthodes d’extraction – la macération en solvant et l’extraction en solvant
assistée aux ultrasons – ont été comparées tout au long de l’étude, chaque méthode
ayant été testée en parallèle sur chaque échantillon de bois ou d’écorce. Chaque
méthode a amené des rendements en extraits, en phénols et en molécules lipophiles
semblables, tout en ne modifiant pas significativement les propriétés de combustion
des échantillons de bois et d’écorce. L’extraction assistée aux ultrasons a l’avantage
d’être beaucoup plus rapide que la macération, ce qui en fait la méthode de
prédilection pour la récupération d’extractibles dans les tissus lignocellulosiques.
L’hypothèse de départ a été rencontrée : l’ajout d’une étape d’extraction qui apporterait une
valeur ajoutée à la transformation de bouleaux jaunes et d’érables à sucre de faible vigueur
est viable. Les polyphénols, triterpènes et phytostérols étudiés lors de cette étude ont des
applications de potentiellement haute valeur dans les domaines nutraceutique,
pharmaceutique ou cosméceutique, ce qui permettrait d’ajouter de la valeur à la chaîne de
transformation déjà existante. Considérant les faits mentionnés précédemment, il ne fait
aucun doute que l’extraction de bois et d’écorces par une méthode assistée aux ultrasons et
employant l’éthanol comme solvant est une voie de valorisation prometteuse, sans altérer
les propriétés de combustion des tissus, qui pourraient être dirigés vers la production
d’énergie suite à l’extraction.
Limitations
La grande variabilité entre les résultats de chaque individus étudié est limitant quant à la
confiance que l’on peut inclure dans les comparaisons entre les arbres vigoureux et ceux
moins vigoureux. De plus, il y a un faible nombre d’arbres (3) inclus dans chaque catégorie
de vigueur. Cette limitation est justifiée puisque chaque arbre amène un grand nombre
d’extractions et d’analyses en laboratoire. Les moyens en place ainsi que le temps
disponible ne permettaient pas un échantillonnage plus large pour cette étude.
Les extraits récoltés ont été analysés pour leur composition chimique en tant qu’extraits
bruts. Les concentrations des différents phénols énoncées dans ce mémoire ne représentent
69
donc pas des concentrations réalistes isolables. Un futur travail pourrait se pencher sur
l’isolation des molécules de plus grand intérêt.
Recommandations
Deux conclusions tirées de cette étude permettraient de réduire le temps de laboratoire
consacré à chaque échantillon, ce qui pourrait libérer du temps pour analyser plus
d’échantillons, réduisant du coup l’effet de la variabilité entre individu, diminuant donc les
disparités amenés par la grande variabilité intrinsèque à la matière première étudiée. Il a été
démontré que la caractérisation des sous-catégories des phénols (proanthocyanidines,
acides hydroxycinnamiques et flavonoïdes) n’apporte pas beaucoup d’information
supplémentaire à la concentration totale en phénols. Leur analyse pourrait donc être mise de
côté, ce qui réduirait le temps passé en laboratoire ainsi que les coûts d’analyse. Il a aussi
été démontré que l’extraction par macération apporte des résultats semblables à l’extraction
assistée aux ultrasons. Dans une prochaine étude, la macération pourrait être mise de côté
pour se concentrer sur la méthode employant les ultrasons, ce qui diminuerait de moitié le
nombre d’extractions, ainsi que toutes les autres analyses subséquentes, qu’elles soient
reliées aux extraits eux même ou bien aux tissus.
Les fibres demeurent, après extraction, disponibles pour d’autres utilisations, comme
démontré dans cette étude par rapport à la production d’énergie. Or, les pâtes et papiers et
les panneaux composites à base de fibres lignocellulosiques pourraient aussi être preneurs
de tissus de bois et d’écorce extraits. Une future étude pourrait évaluer le potentiel des
fibres extraites pour de telles applications.
70
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Annexe 1
Caractéristiques principales, incluant les défauts, des
arbres utilisés dans le cadre de l’étude
76
Arbre Ess DHP MSCR Type Défaut 1Hauteur
(cm)
Largeur
(cm)Défaut 2 LAT LONG Y_PROJ X_PROJ Date Altitude
B214 BOJ 368 M HP HP07X NA . . 46.6619 -75.6077 5169527.592 373088.261 27-JUN-10 13:10:54 413.00
B215 BOJ 308 M HP HP07X NA . EN03X 46.6620 -75.6071 5169540.192 373127.891 27-JUN-10 13:04:37 408.00
B216 BOJ 437 M HP HP04X NA . PR01X 46.6628 -75.6092 5169631.216 372967.253 27-JUN-10 13:37:39 396.00
B203 BOJ 335 R R FE02X 300 . . 46.6527 -75.6405 5168477.181 370586.629 22-JUN-10 11:47 476.00
B204 BOJ 271 R R AR01X . . . 46.6525 -75.6412 5168452.584 370532.936 22-JUN-10 13:07 485.00
B233 BOJ 318 R R AR01X NA . . 46.6618 -75.6090 5169518.190 372985.339 06-JUL-10 17:38:28 415.00
B211 BOJ 337 M SP SP10A 160 60 FE02X; EN03X 46.6626 -75.6101 5169602.791 372899.978 27-JUN-10 8:45:56 397.00
B232 BOJ 400 M SP NC07A 250 . SP17X; DB10X; HP12X 46.6619 -75.6082 5169532.808 373045.322 06-JUL-10 17:33:45 413.00
B235 BOJ 314 M SP SP15X 110 . SP15X 46.6625 -75.6109 5169598.427 372842.735 06-JUL-10 17:59:35 407.00
E208 ERS 395 M HP HP07X NA . FE06X; VP01X (2); FE02X (2) 46.6504 -75.6372 5168231.965 370843.121 23-JUN-10 10:06:49 494.00
E212 ERS 313 M HP HP04X NA . NC07X; VP01X (2) 46.6521 -75.6418 5168407.722 370483.622 06-JUL-10 15:23:07 487.00
E234 ERS 363 M HP HP04X NA . FE06A 46.6619 -75.6099 5169530.324 372914.635 06-JUL-10 17:47:41 416.00
E210 ERS 300 R R HP02X NA . . 46.6508 -75.6370 5168269.853 370858.670 23-JUN-10 10:31:02 498.00
E230 ERS 293 R R AR01X . . . 46.6512 -75.6404 5168313.007 370596.485 06-JUL-10 16:19:42 477.00
E231 ERS 350 R R AR01X . . . 46.6512 -75.6402 5168308.494 370610.657 06-JUL-10 16:24:03 478.00
E209 ERS 379 M SP SP16X 60 . SP14A à 240 cm; NC07A à 220 cm 46.6504 -75.6371 5168228.822 370849.674 23-JUN-10 10:19:14 496.00
E211 ERS 272 M SP NC07A 160 . EN01X; NC01X 46.6528 -75.6399 5168491.409 370630.944 06-JUL-10 14:52:49 479.00
E213 ERS 313 M SP NC07A 169 . FE06X 46.6512 -75.6411 5168314.840 370543.229 06-JUL-10 15:40:55 477.00
Identifier la zone du dhp (1,30 m); Choisir des tiges M (ou S si nécessaire); Avoir le moins possible du sciage dans la région du dhp.