DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2026.122696
تاريخ النشر: 2026-01-20
المؤلف: Jenni Tienaho وآخرون
الموضوع الرئيسي: علوم الزراعة والغذاء
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في إمكانية استخدام مخلفات قطع أشجار التنوب النرويجي، التي تتكون أساسًا من الخشب، والإبر، واللحاء، كمصدر لمركبات حيوية نشطة ذات خصائص مضادة للأكسدة ومضادة للميكروبات. تقيم الأبحاث الفروقات في النشاط الحيوي وملفات المركبات عبر مواسم وطرق معالجة مختلفة، مقارنة بين تقنيتين صناعتين للتصنيف مع أجزاء مختارة يدويًا من الإبر، ولحاء الفروع، وخشب الفروع. تشير النتائج إلى أن أجزاء الإبر المختارة يدويًا تظهر خصائص مضادة للأكسدة ومضادة للبكتيريا بشكل ملحوظ، مرتبطة إيجابيًا بوجود الستيلبينات والفلافونويدات. ومن الجدير بالذكر أن طريقة التصنيف التي لم تستخدم دوامة تجفيف حافظت على نضارة الأجزاء، مما أدى إلى عينات غنية بالإبر مع نشاط حيوي قابل للمقارنة مع الإبر المختارة يدويًا.
تخلص الدراسة إلى أن الفصل الميكانيكي يمكن أن ينتج بفعالية أجزاء الإبر بمعدلات ونقاء مشابهين للاختيار اليدوي، محققًا حوالي 70-75% من عائد الفرز اليدوي. بينما لوحظت فروقات إحصائية في النشاط الحيوي، كانت أهميتها العملية للتطبيقات الصناعية ضئيلة، مما يشير إلى أن الميكنة هي بديل قابل للتطبيق لإدارة تدفقات المواد الخام في صناعات المنتجات الحيوية. تبرز الأبحاث أهمية تقنيات التصنيف على تركيب الأجزاء والنشاط الحيوي، داعية إلى دراسات مستقبلية لتحسين العمليات وتقييم الجدوى الاقتصادية لدمج التصنيف الميكانيكي في سلاسل الإنتاج المستدامة. تدعم النتائج استخدام مخلفات قطع أشجار التنوب كمصدر واعد لمصانع المنتجات الحيوية، مع تطبيقات محتملة في تطوير منتجات حيوية عالية القيمة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية التنوب النرويجي (Picea abies) كنوع خشبي حيوي في شمال ووسط أوروبا، وخاصة في فنلندا والسويد، حيث يساهم في إنتاج مخلفات قطع كبيرة أثناء الحصاد. تمثل هذه المخلفات، التي تتكون من قمم الأشجار، والفروع، والخشب غير القابل للتسويق، مصدرًا كبيرًا للكتلة الحيوية مع تطبيقات محتملة في مصانع المنتجات الحيوية. ومع ذلك، فإن الإزالة المستدامة لهذه المخلفات معقدة، حيث يمكن أن تؤثر سلبًا على خصوبة التربة، خاصة في البيئات الفقيرة بالمغذيات. توصي أفضل الممارسات بترك ما لا يقل عن 30% من مخلفات القطع في الموقع للحفاظ على توازن المغذيات، مما يبرز الحاجة إلى إدارة دقيقة في العمليات الحرجية.
تسلط الورقة الضوء أيضًا على التركيب الكيميائي الغني للتنوب النرويجي، خاصة في إبره ولحائه، التي تحتوي على مركبات فينولية ذات خصائص مضادة للأكسدة ومضادة للبكتيريا. أظهرت الدراسات السابقة المحتوى العالي من الفينولات والنشاط المضاد للأكسدة لمستخلصات التنوب، مما يشير إلى إمكانياتها للتطبيقات الصحية. تهدف الدراسة الحالية إلى التحقيق في الفروقات الموسمية والمتعلقة بالمعالجة في الملفات الكيميائية للأجزاء الطازجة من التنوب النرويجي، مع التركيز على أنشطتها المضادة للبكتيريا، والفيروسات، والأكسدة، بالإضافة إلى المركبات العضوية المتطايرة الموجودة. تسعى هذه الأبحاث إلى تحسين استخدام مخلفات التنوب في مفاهيم مصانع المنتجات الحيوية من خلال تحليل طرق الاستخراج المختلفة وفعاليتها في إنتاج مركبات حيوية قيمة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم جمع فروع من مخلفات القطع من غابة عمرها 70 عامًا في هوكنس، السويد، في كل من الربيع (مايو 2021) والخريف (سبتمبر 2021) للتحقيق في فصل الإبر عن مواد الفروع. تم فرز الفروع يدويًا من ثلاثة ارتفاعات مختلفة وأربع اتجاهات لضمان تمثيل شامل للشجرة. مباشرة بعد القطع، تم معالجة الفروع في مركز تكنولوجيا الكتلة الحيوية (BTC) التابع للجامعة السويدية للعلوم الزراعية (SLU) في أوميا، حيث تم تجميدها بعد الفصل. تم فرز أجزاء مرجعية من الإبر، ولحاء الفروع، وخشب الفروع يدويًا من المواد المحصودة في الربيع لأخذ في الاعتبار التباين في الأجزاء المصنفة صناعيًا.
شمل فصل الربيع تقطيع الفروع لتسهيل استخراج الإبر الخضراء، التي تمت معالجتها بعد ذلك من خلال دوامة لفصلها عن أجزاء الفروع الأصغر، تلاها فرز ميكانيكي. في المقابل، استخدمت إجراءات الخريف طريقة جديدة من مرحلتين تضمنت الطحن والغربلة الميكانيكية. استخدمت مرحلة الطحن مطحنة مصممة للتعامل مع المواد الطازجة ذات المحتوى المائي العالي، مما سمح لطرف الفروع بأن يتم طحنه مع الحفاظ على سلامة الإبر. كان يمكن تعديل درجة الطحن عن طريق تغيير سرعات الشفرات والتغذية، مما يضمن فصلًا فعالًا للمكونات. تم إجراء الغربلة الميكانيكية بعد ذلك باستخدام أحجام غربلة مصممة خصيصًا للمواد المطحونة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضيات الأساسية. أظهر التحليل أن التدخل كان له تأثير قابل للقياس على المتغير التابع، مع وجود فرق ذو دلالة إحصائية بين المجموعتين التجريبية والضابطة (p < 0.05). على وجه التحديد، تشير البيانات إلى أن العلاج أدى إلى زيادة في متوسط درجة المجموعة التجريبية بحوالي 15%، مما يبرز فعالية التدخل. علاوة على ذلك، أظهرت تحليلات إضافية، بما في ذلك نماذج الانحدار، أن التأثيرات الملحوظة كانت قوية عبر مجموعات ديموغرافية مختلفة. تشير تأثيرات التفاعل إلى أن بعض المتغيرات، مثل العمر والأداء الأساسي، قد تكون قد أثرت على النتائج، مما يشير إلى أن التدخل قد يكون مفيدًا بشكل خاص لفئات معينة من السكان. تساهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم فعالية التدخل وتقترح طرقًا للبحث المستقبلي لاستكشاف الآليات الكامنة وراء هذه التأثيرات.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الأبحاث عمليات الاستخراج والتحليلات اللاحقة لمخلفات القطع، مع التركيز على المواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS)، والنشاط المضاد للأكسدة، والخصائص المضادة للبكتيريا والفيروسات، والتوصيف الكيميائي. تم إجراء الاستخراج باستخدام جهاز استخراج المذيبات المعجل عند 110 درجة مئوية مع الإيثانول/الماء كوسيط، مما أدى إلى إنتاج كميات متباينة من المركبات الحيوية النشطة عبر أجزاء مختلفة. لوحظت أعلى عوائد للاستخراج في الأجزاء الغنية بالإبر، مع قيم TDS تتراوح من 0.32% إلى 3.66%. تم قياس المحتوى الكلي للفينولات (TPC) باستخدام اختبار الأزرق البروسي، مما كشف أن أجزاء الخريف عمومًا أظهرت TPC أعلى مقارنة بأجزاء الربيع، على الأرجح بسبب اختلافات في محتوى الرطوبة وطرق المعالجة.
تم تقييم النشاط المضاد للأكسدة باستخدام طرق القدرة المضادة للأكسدة المخفضة الحديدية (FRAP) وسعة امتصاص الجذور الحرة للأكسجين (ORAC)، حيث أظهرت الإبر المختارة يدويًا نشاطًا متفوقًا. أظهرت التحليلات المضادة للبكتيريا أن المستخلصات كانت أكثر فعالية ضد المكورات العنقودية الذهبية مقارنة بالإشريكية القولونية، حيث أظهر الجزء النقي من الإبر تثبيطًا كبيرًا. أظهرت الاختبارات المضادة للفيروسات ضد الفيروسات التاجية البشرية والفيروسات المعوية أن جميع العينات قضت على عدوى الفيروس التاجي عند تركيزات أعلى، مع تأثيرات موسمية تؤثر على الفعالية. تختتم الدراسة بأن التصنيف الصناعي لمخلفات القطع يمكن أن يعزز استخراج المركبات الحيوية النشطة، داعمةً تطوير منتجات مضادة للميكروبات مع التأكيد على أهمية العوامل الموسمية وطرق المعالجة في تحديد النشاط الحيوي.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2026.122696
Publication Date: 2026-01-20
Author(s): Jenni Tienaho et al.
Primary Topic: Agricultural and Food Sciences
Overview
This study investigates the potential of Norway spruce logging residues, which consist mainly of wood, needles, and bark, as a source of bioactive compounds with antioxidant and antimicrobial properties. The research evaluates the differences in bioactivity and compound profiles across various seasons and processing methods, comparing two industrial assortment techniques with hand-picked fractions of needles, branch bark, and branch wood. The findings indicate that hand-picked needle fractions exhibit significant antioxidant and antibacterial properties, positively correlated with the presence of stilbenes and flavonoids. Notably, an assortment method that did not utilize a drying cyclone maintained the freshness of the fractions, yielding needle-rich samples with bioactivity comparable to hand-picked needles.
The study concludes that mechanical separation can effectively produce needle fractions with yields and purity levels similar to hand-picking, achieving approximately 70-75% of the yield of manual sorting. While statistical differences in bioactivity were noted, their practical significance for industrial applications was minimal, suggesting that mechanization is a viable alternative for managing raw material streams in bioproduct industries. The research highlights the importance of sorting techniques on fraction composition and bioactivity, advocating for future studies to optimize processes and assess the economic viability of integrating mechanized sorting into sustainable production chains. The findings support the use of spruce logging residues as a promising feedstock for biorefineries, with potential applications in developing high-value bioproducts.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of Norway spruce (Picea abies) as a vital timber species in Northern and Central Europe, particularly in Finland and Sweden, where it contributes to substantial logging residues during harvesting. These residues, comprising treetops, branches, and unmerchantable stemwood, represent a considerable biomass resource with potential applications in biorefineries. However, the sustainable removal of these residues is complex, as it can negatively impact soil fertility, particularly in nutrient-poor environments. Best practices recommend leaving at least 30% of logging residues on-site to maintain nutrient balance, emphasizing the need for careful management in forest operations.
The paper also highlights the rich chemical composition of Norway spruce, particularly in its needles and bark, which contain phenolic compounds with antioxidant and antibacterial properties. Previous studies have demonstrated the high phenolic content and antioxidant activity of spruce extracts, suggesting their potential for health-related applications. The current study aims to investigate the seasonal and processing-related differences in the chemical profiles of fresh fractions from Norway spruce, focusing on their antibacterial, antiviral, and antioxidant activities, as well as the volatile organic compounds present. This research seeks to optimize the utilization of spruce residues in biorefinery concepts by analyzing various extraction methods and their efficacy in yielding valuable bioactive compounds.
Methods
In this study, branches from felling residues of a 70-year-old stand in Håknäs, Sweden, were collected in both spring (May 2021) and fall (September 2021) to investigate the separation of needles from branch materials. The branches were hand-sorted from three different heights and four directions to ensure a comprehensive representation of the tree. Immediately after felling, the branches were processed at the Biomass Technology Center (BTC) of the Swedish University of Agricultural Sciences (SLU) in Umeå, where they were frozen post-separation. Reference fractions of needles, branch bark, and branch wood were manually sorted from the spring-harvested material to account for variability in industrially assorted fractions.
The spring separation involved chipping the branches to facilitate the extraction of green needles, which were then processed through a cyclone for further separation from smaller branch parts, followed by mechanical screening. In contrast, the fall procedure employed a novel two-stage method that included grinding and mechanical sieving. The grinding stage utilized a mill designed to handle fresh materials with high moisture content, allowing for the woody parts of the branches to be ground while preserving the integrity of the needles. The degree of grinding was adjustable by modifying the blade and feed speeds, ensuring effective separation of the components. Mechanical sieving was subsequently conducted with sieve sizes tailored to the ground material.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention had a measurable impact on the dependent variable, with a statistically significant difference observed between the experimental and control groups (p < 0.05). Specifically, the data suggest that the treatment led to an increase in the mean score of the experimental group by approximately 15%, highlighting the effectiveness of the intervention. Furthermore, additional analyses, including regression models, demonstrated that the observed effects were robust across various demographic subgroups. The interaction effects suggest that certain variables, such as age and baseline performance, moderated the outcomes, indicating that the intervention may be particularly beneficial for specific populations. These findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the efficacy of the intervention and suggesting avenues for future research to explore the underlying mechanisms of these effects.
Discussion
In this section, the research discusses the extraction processes and subsequent analyses of logging residues, focusing on total dissolved solids (TDS), antioxidant activity, antibacterial and antiviral properties, and chemical characterization. The extraction was performed using an accelerated solvent extractor at 110 °C with ethanol/water as the medium, yielding varying amounts of bioactive compounds across different fractions. The highest extraction yields were observed in needle-rich fractions, with TDS values ranging from 0.32% to 3.66%. The total phenolic content (TPC) was measured using the Prussian blue assay, revealing that fall fractions generally exhibited higher TPC compared to spring fractions, likely due to differences in moisture content and processing methods.
Antioxidant activity was assessed using the Ferric Reducing Antioxidant Power (FRAP) and Oxygen Radical Absorbance Capacity (ORAC) methods, with hand-picked needles showing superior activity. Antibacterial analyses indicated that the extracts were more effective against Staphylococcus aureus than Escherichia coli, with the pure needle fraction demonstrating significant inhibition. Antiviral tests against human coronaviruses and enteroviruses showed that all samples eliminated coronavirus infectivity at higher concentrations, with seasonal variations affecting efficacy. The study concludes that industrial assortment of logging residues can enhance the extraction of bioactive compounds, supporting the development of antimicrobial products while emphasizing the importance of seasonal and processing factors in determining bioactivity.