The role of fatty acids in the mechanical properties of beeswax

Abstract

Beeswax is a mixture of many organic compounds, including hydrocarbons, wax esters, and fatty acids. Because fatty acids in beeswax also serve as social signals, we explored the functional significance of the fatty acids. The removal of the fatty acids from beeswax results in diminished yield stress, resilience, stiffness, and proportional limit stress of beeswax samples. Addition of stearic acid to beeswax enhances all of these properties except resilience. Artificial wax mixtures show a positive correlation between the amount of stearic acid in the wax mixture and yield stress. Unsaturated fatty acids found in beeswax behave similarly, with respect to their effects on the mechanical properties of artificial wax mixtures. Fatty acid concentration showed significant variation among colonies, particularly among the unsat-urated fatty acids. We interpret these findings with respect to the mechanical properties of beeswax and the role of fatty acids in communication among bees.

Zusammenfassung

Bienenwachs stellt eine Mischung vieler organischer Verbindungen dar, darunter Kohlenwasserstoffe, Wachsester und Fettsäuren. Obwohl die Zusammensetzung von Bienenwachs bekannt ist, wissen wir wenig über die Funktion der einzelnen Komponenten. Da die Fettsäuren des Bienenwachses auch an der sozialen Kommunikation beteiligt sind, untersuchten wir die Bedeutung dieser Substanzgruppe für die mechanischen Eigenschaften des Bienenwachses und verwendeten dazu Standardmethoden aus der Materialprüfung.

Konkret überprüften wir dabei, welche Rolle diejenigen Fettsäuren, die für die Erkennung der stockeigenen Bienen verwendet werden, für die mechanischen Eigenschaften des Bienenwachses spielen. Wir verglichen dabei unabhängig von der Architektur oder Geometrie des Wachses drei unterschiedliche Bienenwachsproben: Wachs, von dem die Fettsäuren entfernt wurden, Wachs mit zusätzlich zugesetzten Fettsäuren sowie unbehandeltes Bienenwachs. Danach produzierten wir künstliche Wachsmischungen aus Komponenten des ursprünglichen Bienenwachses und veränderten dabei entweder die relativen Anteile oder die Zusammensetzung der Fettsäuren. Schließlich analysierten wir die Zusammensetzung der Fettsäure-Fraktion im natürlichen Bienenwachs mit GC-MS-Methoden.

Die Entfernung der Fettsäuren aus dem Bienenwachs führte zu einer geringeren Streckspannung, Elastizität, Stabilität und Steifigkeit sowie zu einer Abnahme der Proportionalitätsgrenze in der Spannungs-Dehnungs-Kurve. Die Zugabe von Stearinsäure zum Bienenwachs verbesserte all diese Parameter mit Ausnahme der Elastizität. Künstliche Wachsmischungen zeigten eine positive Korrelation zwischen der Menge an Stearinsäure in der Wachsmischung und deren Streckspannung. Weitere Versuche mit künstlichen Wachsmischungen zeigten, dass sich die ungesättigten Fettsäuren im Bienenwachs bzgl. der mechanischen Eigenschaften ähnlich verhalten.

Die chemischen Analysen der kutikulären Kohlenwasserstoffe auf der Oberfläche von Bienenarbeiterinnen ergaben signifikante Unterschiede zwischen Bienenvölkern für die folgenden 4 Fettsäuren: Hexadecansäure, z, z-9, 12 Octadecadiensäure, z, z, z-9, 12, 15 Octadecatriensäure und Tetracosansäure. Unsere Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass Fettsäuren wichtig sind für die mechanischen Eigenschaften des Bienenwachses. Wir wissen zwar nicht, welche mechanischen Eigenschaften des Wachses für den Wabenbau der Bienen am wichtigsten sind. Doch sollte Bienenwachs zum einen eine ausreichende Dehnbarkeit und Elastizität haben, um in eine Wabenform gebracht zu werden, trotzdem aber die Festigkeit aufweisen, um als Honigwabe große Gewichte auszuhalten. Vermutlich hat die natürliche Selektion mindestens eine, wenn nicht mehrere dieser Eigenschaften beeinflusst. Da nicht modifiziertes Bienenwachs elastischer ist als Wachs, aus dem die Fettsäuren entfernt wurden, wurde durch Selektion möglicherweise der Fettsäuregehalt des Bienenwachses in Hinblick auf dessen Elastizität optimiert.