Ann. For. Sci. 66 (2009) 110
DOI: 10.1051/forest/2008078

Effect of severe thermal treatment on spruce and beech wood lignins

Patrick Rousset¹, Catherine Lapierre², Brigitte Pollet², Waldir Quirino³ and Patrick Perre<sup>4

1</sup>  UPR42 – Biomass Energy Unit, CIRAD/LPF-SFB, Brasilia DF, 708 18-900, Brazil
²  UMR – Chimie Biologique AgroParisTech/INRA, AgroParisTech Centre de Grignon, 78850 Thiverval-Grignon, France
³  Biomass Energy Research Unit, LPF-SFB, Brasilia DF, 708 18-900, Brazil
⁴  LERMAB, UMR1093, INRA, ENGREF, 14 rue Girardet, 54042 Nancy cedex, France

Received 23 April 2008; accepted 4 October 2008; published online 31 January 2009

Abstract - • The structure, proportion and mode of assembly of lignin, celluloses and hemicelluloses have marked effects on the reaction mechanisms during thermal treatment and therefore have a strong influence on the quality of the final product. The effect of treatment conditions, including severe conditions (up to 553 K) and treatment duration (up to 8 h) on the structure of native spruce and beech lignins was studied. • Lignin content was determined by the Klason method and lignin structure was evaluated by thioacidolysis. • The results highlighted the strong reactivity of the native spruce and beech lignins towards severe heat treatments. The distinct susceptibility of syringyl (S) and guaiacyl (G) units towards thermal treatment is confirmed by comparing the data for beech and spruce samples. The most severe treatment of spruce wood (280 °C) induced a dramatic enrichment in lignin content together with the almost complete disappearance of G lignin units, whereas a more moderate treatment substantially changed lignin structure by degradation reactions that affect the p-hydroxyphenyl (H) and G lignin units similarly. • Thioacidolysis revealed that the thermal treatment induces the appearance of vinyl ether structures in spruce lignins. The decreased yield of the G and S thioacidolysis monomers reflects the progressive disappearance of G and S lignin units only involved in -O-4 bonds and the formation of condensed linkages in proportions related to treatment severity. In severe conditions, -O-4 linked S units are more degraded than their G homologues.

Résumé - Effet d'un traitement thermique sévère sur les lignines du bois d'épicéa et de hêtre. • La structure, la proportion et le mode de montage de la lignine, des celluloses et des hémicelluloses ont eu des effets marqués sur les mécanismes de la réaction au cours du traitement thermique et, par conséquent, ont eu une forte influence sur la qualité du produit final. L'effet des conditions de traitement, y compris des conditions sévères (jusqu'à 553 K) et la durée du traitement (jusqu'à 8 h) sur la structure de lignines de l'épicéa et du hêtre ont été étudiés. • La teneur en lignine a été déterminée par la méthode Klason et la structure de la lignine a été évaluée par thioacidolyse. • Les résultats ont mis en évidence la forte réactivité des lignines de l'épicéa et du hêtre vis-à-vis des traitements thermiques sévères. La sensibilité des différentes unités syringyl (S) et guaiacyl (G) vis-à-vis du traitement thermique est confirmée par comparaison des données obtenues avec les échantillons du hêtre et de l'épicéa. Le traitement le plus sévère (280 °C) du bois d'épicéa a induit un enrichissement spectaculaire en lignine ainsi que la quasi-disparition des unités de la lignine G, alors qu'un traitement plus modéré a sensiblement modifié la structure de la lignine par des réactions de dégradation qui affectent les p-hydroxyphényl (H ) et les unités de lignine G. • La thioacidolyse a révélé que le traitement thermique induit l'apparition de structures de vinyl éthers dans la lignine de l'épicéa. La diminution de production de la G et S thioacidolyses monomères reflète la disparition progressive des unités de lignine G et S impliquées seulement dans des liaisons -O-4 et la formation de linkages de condensation en proportions de la sévérité du traitement. Dans des conditions difficiles, les unités S liées -O-4 sont plus dégradées que leurs homologues G.

Key words: lignin / thermal treatment / thioacidolysis / spruce / beech

Mots clés : lignine / traitement thermique / thioacidolyse / épicéa / hêtre

Corresponding author: Patrick.rousset@cirad.fr

© INRA, EDP Sciences 2009