IV. Application de l’imagerie par spectrométrie de masse aux substances
IV.1.7. Composition chimique du bois
Il est connu que les végétaux requièrent de l’eau et des sels minéraux pour croître correctement. Ensuite, à l’aide de la photosynthèse, ces végétaux synthétisent eux-mêmes leurs sucres par des voies métaboliques permettant la biosynthèse d’autres molécules comme les polymères de structure des cellules. Ces polymères de structures sont la cellulose, l’hémicellulose, la pectine et les lignines. L’amidon est utilisé pour stocker l’énergie. D’autres composés sont utilisés en tant que régulateurs de croissance, ou pour la stratégie de défense contre les nuisibles.
La cellulose
La cellulose est un polymère de type polysaccharide, dont le motif est un glucose lié par des liaisons -1,4. Cet élément représente 40 à 50 % en masse de la matière sèche du bois. Le degré de polymérisation de ce composé est déterminé par diffraction de la lumière et est compris entre 9000 et 10000. Une chaine de 10000 unités représente une fibre de 5 µm de largeur [16]. Sa structure, organisée en microfibrilles, est illustrée en Figure 9 :
97 L’hémicellulose
L’hémicellulose représente 25 à 35 % de la masse sèche du bois. C’est un polymère constitué d’unités de glucose, mannose, galactose, xylose, arabinose, d’acide 4-O-méthylglucuronique et d’acide galacturonique [16]. Contrairement à la cellulose qui est constituée de plusieurs milliers d’unités l’hémicellulose est composé de seulement une centaine de sucres. L’hémicellulose est la matrice de la cellule présente entre les microfibrilles et la lignine. Celle-ci a pour rôle d’apporter de la rigidité dans les cellules.
La lignine
La lignine est une substance polyphénolique ayant pour précurseurs biosynthétiques les alcools paracoumarylique, coniférylique, et sinapylique. L’oxydation de la lignine à l’aide du nitrobenzène a permis de mesurer les abondances relatives des monomères, entre du bois hétéroxylé ou homoxylé. L’alcool paracoumarylique est le précurseur mineur de la lignine provenant du bois hétéroxylé et homoxylé. Dans le bois homoxylé, l’alcool coniférylique est majoritaire alors que dans le bois hétéroxylé, le rapport entre alcool coniférylique et sinapylique est variable [17]. La structure des monomères de la lignine et un modèle de structure de la lignine des bois homoxylés sont représentés en Figure 10 [18].
Figure 10 : a) structure des trois monomères de la lignine b) Modèle de la structure de la lignine de l’épinette proposé par Feudenberg [18].
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Les régulateurs de croissance
Afin d’assurer la différenciation cellulaire, les plantes emploient des hormones. Par exemple, l’auxine, la gibbérelline et l’éthylène sont des hormones responsables de la différenciation de cellules présentes dans le xylème secondaire, comme les fibres ou les vaisseaux. Les plantes utilisent aussi les peptides comme hormones de croissance [19].
L’amidon
En automne, l’amidon synthétisé pendant le printemps et l’été est hydrolysé en raffinose et stachyose. Une basse température induit la conversion de l’amidon en sucres, lesquels vont être mobilisés pour l’adaptation de l’arbre lors de l’hiver, lorsque la photosynthèse chute [8,20]. L’amidon est composé de deux types de biopolymères. Il est majoritairement composé d’amylose, un polymère de D-glucose lié par des liaisons -1,4 et d’amylopectine, qui présente des ramifications ponctuelles entre les glucoses par des liaisons -1,6. Un schéma de ces deux structures est disponible en Figure 11.
Figure 11 : Gauche : la structure de l'amylose ; Droite : la structure de l'amylopectine.
La pectine
La pectine est un des composés constituant les lamelles mitoyennes. C’est un polymère d’acide uronique lié en 1,4. Ce polymère permet de retenir une grande quantité d’eau et a un pouvoir chélateur. Sa structure peut être acétylée et/ou méthylée (Figure 12) [21].
99 Les lipides
Les acides gras, tels que l’acide palmitique, l’acide stéarique, l’acide oléique, les esters produits par combinaison entre acides gras et alcools (avec le glycérol par exemple), et les stérols, comme le sitostérol et le sitostanol, sont généralement plus présents dans l’aubier que dans le duramen. Les résines acides libres, telles que l’acide abiétique, sont majoritairement localisées dans le duramen [22].
Les polyphénols
Les composés phénoliques sont des produits naturels d’une grande diversité, dont la synthèse implique un grand nombre de composés et de cascades enzymatiques. Ce sont des métabolites secondaires, sécrétés par des cellules spécialisées, peu impliquées dans la respiration ou la photosynthèse. Ces métabolites peuvent être employés par le végétal pour se défendre contre les nuisibles ou les rayonnements ultra-violets. Les composés phénoliques peuvent être des polyphénols, comme les tanins ou les flavonoïdes.
À titre d’exemple, un des polyphénols les plus importants du pin est la pinosylvine (illustrée en Figure 13), une substance très toxique contenue dans le duramen [23].
Figure 13 : Structure de la pinosylvine.
Dans de la sciure de Diospyros burmanica, les burmanines A à C ont été isolées : ce sont des dérivés des naphthols qui ont montré une activité contre le parasite
Leishmania spp. [24].
Il existe trois types de tanins, les gallotanins (tanins hydrolysables), les ellagitanins (tanins hydrolysables) et les tanins condensés. Les gallotanins sont des esters polymériques d’unité d’acide gallique souvent associés avec des sucres. Les ellagitanins sont dus à la polymérisation d’unités d’acide gallique liées par des liaisons C-C autour d’un sucre. Les tanins condensés sont des polymères de flavanes[25].
Les composés terpéniques
Les composés terpéniques sont des hydrocarbures constitués d’une succession de motif isoprène rencontrés dans le domaine végétal. L’espèce Pinus ponderosa, communément appelée pin jaune, a une composition riche en composés volatiles, tels que des monoterpènes (-pinène, -pinène, 3-carène, myrcène, limonène, -phellandrène et terpinolène),, des sesquiterpènes (-longipinène, longifolène et germacrène), des diterpènes acides (acide abiétique, acide levopimarique, l’acide néoabiétique et acide palustrique), ainsi qu’un composé phénolique, l’estragol [26].
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Les tropolones sont responsables de la durabilité du cèdre. Cette famille chimique inclue l’alpha, béta et gamma-thujaplicine. On peut les classer dans la famille des monoterpénoïdes, la forme bêta est connue sous le nom d’hinokitiol ici illustré en Figure 14 [27].
Figure 14 : Structure de l'hinokitiol.
Les lactones
Deux lactones, appelées « rubrynolide » et « rubrénolide » (Figure 15) ont été extraites dans le xylème secondaire de l’espèce Sextonia rubra, un arbre de Guyane française [28].
Figure 15 : De gauche à droite, les structures du rubrynolide et du rubrénolide.
Composition inorganique du bois
Les composés inorganiques présents dans le bois ont été peu étudiés. Ils sont puisés dans le sol par les racines et transportés par la sève brute. Les éléments les plus présents sont généralement le calcium, le magnésium et le potassium. Ces éléments sont probablement sous forme d’oxalate, de carbonate, de sulfate ou chélatés par les groupements carbonyles de la pectine [4].