Мікроскопічне дослідження деревини та целюлозних волокон

Виробництво волокнистих напівфабрикатів у ЦБП та розробка нових технологій комплексної хімічної переробки всієї біомаси дерева неможливі без глибокого вивчення мікроскопічної та субмікроскопічної будови деревини та целюлозних волокон. Під деревиною розуміють головну частину стовбура дерева, звільнену від кори. З біологічної точки зору деревина - продукт діяльності камбію, що складається з певних клітинних елементів. Клітини однакової будови, що виконують ту саму функцію, утворюють тканини. Розрізняють три основні типи тканин: провідні, механічні та запасні. Більшість клітин деревини спрямовано вздовж осі ствола і тільки клітини серцевинних променів розташовані у радіальному напрямку.

Складна анатомічна будова деревини значно відрізняється як у різних деревних порід, так і в межах одного дерева. Будова стовбура дерева та деревини досить докладно описана в ряді монографій та посібників. У цьому навчальному посібнику наведено описи препаратів деревини деяких хвойних та листяних порід, що використовуються у вітчизняній целюлозно-паперовій промисловості, а також основні гістохімічні реакції целюлозних волокон, отриманих з деревини різними методами варіння та відбілювання.

1. Основні методи анатомічного аналізу деревних тканин та целюлозних волокон

Основними методами анатомічного аналізу деревини та целюлозних волокон є: мікроскопічний, гістохімічний та метод мацерації тканин. Всі дослідження проводяться за допомогою мікроскопа при збільшенні 70 X або 120ч і в окремих випадках, особливо при визначенні виду волоконморфологічним ознаками, зі збільшенням 200Х чи 500ч.

Мікроскопічний метод полягає у виготовленні дуже тонких, прозорих зрізів та їх дослідженні в світлі, що проходить, за допомогою оптичного мікроскопа. Цей метод дозволяє вивчити будову деревини та визначити породний склад за діагностичними ознаками.

Гістохімічний метод заснований на здатності деревного волокна давати певне забарвлення при взаємодії специфічних хімічних реагентів з компонентом клітинної стінки. Підбираючи відповідні реагенти, можна розрізняти по фарбуванню волокнисті напівфабрикати, виготовлені різними методами варіння та відбілювання, наприклад сульфатну целюлозу від сульфітної, вибілену від небіленої.

Для виявлення відмінностей у породному складі деревини можливості гістохімічного методу обмежені. З його допомогою можна тільки відрізняти деревину хвойних порід від листяних деревини, для чого найчастіше використовують реакцію Мейле, яку проводять не на волокні, а на дерев'яній трісці.

Метод мацерації тканин полягає в поділі деревної тканини на складові її анатомічні елементи та подальшому визначенні їх розмірів: довжини, товщини та товщини клітинної стінки.

У науково-дослідних лабораторіях для вивчення субмікроскопічної структури стінки деревного волокна, її змін при різних технологічних процесах отримання та переробки целюлози широко використовують різні фізичні методи: мікроскопію в поляризованому світлі, яку застосовують, наприклад, для дослідження волокон з високим ступенем молекулярної орієнтації, що володіють двома променезаломлення; мікроскопію в ультрафіолетовому світлі, що дозволяє вивчати розподіл лігніну в клітинній стінці; електронну мікроскопію. Останній метод найбільш ефективнийу поєднанні з іншими методами дослідження структури, особливо з рентгенографією та електронографією.

За методом дослідження об'єктів електронні мікроскопи можна поділити на такі типи:

просвічують, у яких досліджуваний об'єкт просвічується пучком електронів, що створює потім на екрані або фотопластинці відповідне зображення;

растрові, у яких зображення створюється електронами, відображеними досліджуваною поверхнею, причому пучок електронів сканує поверхню подібно до променя в телевізійному кінескопі;

відбивні, в яких аналогічно відбивному металомікроскоп зображення виходить за рахунок потоку електронів, відбитих від поверхні аналізованого об'єкта;

емісійні, у яких зображення формується електронами, що випускаються поверхнею самого об'єкта, що досліджується.

Для дослідження деревини та целюлозних волокон за допомогою електронного мікроскопа застосовують прямі та непрямі методи. До прямих методів належать метод підготовки об'єктів необхідної товщини диспергуванням та метод ультратонких поперечних та поздовжніх зрізів, до непрямих – отримання реплік з поверхні зразків деревини, целюлозних волокон або їх зрізів.

В даний час поряд з удосконаленням електронних мікроскопів, що просвічують, знаходить все більш широке застосування растрова електронна мікроскопія. Растровий мікроскоп відрізняється великою універсальністю і завдяки високій глибині фокусу дає можливість з достатньою різкістю спостерігати поверхні зразків у трьох вимірах. Для дослідження у растровому мікроскопі об'єкти готують за допомогою заморожування, травлення або безпосередньо вивчають об'єкт без спеціальної підготовки.

2. Мікроскопічне дослідження зрізів деревини

Длямікроскопічного вивчення будови деревини користуються трьома зрізами у трьох взаємно перпендикулярних площинах: поперечним та двома поздовжніми — радіальним та тангенціальним, паралельним дотичному колу дерева.

Деревина як хвойних, і листяних порід на поперечному перерізі складається з концентричних річних шарів. Ці шари можна розрізняти завдяки утворенню ранньої та пізньої деревини. Рання деревина менш щільна і темніша. Річні шари добре помітні в деревині хвойних і кільцесудинних листяних порід і мало помітні у розсіяно-судинних. Ширина річного шару становить від 1 до 10 мм і залежить від породи дерев та умов зростання: чим кращі умови зростання, тим ширший річний шар. На радіальному зрізі також можна помітити річні шари, а на тангенціальному вони відсутні, оскільки розріз може пройти тільки в одній частині річного шару — в ранній або пізній деревині.

Мікроскопічне дослідження зрізів деревини дає змогу вивчати її анатомічні елементи. Окремі анатомічні елементи та їх діагностичні ознаки вивчають також за допомогою методу мацерації деревної тканини.

3. Підготовка препаратів та робота з мікроскопом

Для приготування препаратів до дослідження в мікроскопі необхідні предметні та покривні скла, препарувальні голки, спис, скляні крапельниці, чашки Петрі, кристалізатори, ситечки та фільтрувальний папір. Предметні скла-скляні пластинки прямокутної форми розміром 75х25 мм, товщиною 1,2 мм. Покривне скло - тонкі скляні пластиночки розміром 18X 18, 20ч20 мм. Предметне та покривне скло повинно бути чистим, перед вживанням їх протирають шматочком м'якої тканини, зберігають у спеціальних коробочках.

Підготовка зрізів. Виготовлення зрізів деревинипроводять вручну гостро відточеною бритвою або на спеціальних приладах - мікротомах та ультрамікротомах. Перший метод, хоч і має велику давність, не втратив свого значення до теперішнього часу. Основні його переваги перед роботою на мікротомах – це швидкість та простота у приготуванні зрізу.

Отримання зрізів деревини на мікро- або ультрамікротомі вимагає складних методів фіксації та різання матеріалу. Підготовка зрізів полягає в послідовному проведенні наступних операцій: зневоднення; просочення; полімеризації; заточування блоку; виготовлення ножа; різання; звільнення від полімеризату; фарбування; промивання; фіксації. Цей метод використовують головним чином приготування ультратонких зрізів для електронної мікроскопії. Для виготовлення зрізів деревини вручну застосовують небезпечну бритву, що має одну абсолютно плоску сторону, без виїмки або леза безпечної бритви. Досліджуваний зразок деревини циліндричної або прямокутної форми вирізують зі шматочка стовбура гострим ножем або скальпелем. Перед різкою зразок деревини кип'ятять протягом 30 хв, а іноді й кількох годин у воді з подальшим перенесенням його в холодну воду або остиганням у тій же посудині, в якій проводилося кип'ятіння. Це необхідно для видалення з деревини бульбашок повітря та отримання зразка з певною твердістю. Свіжозрубана деревина в більшості випадків ріжеться без будь-якої підготовки, але при цьому її необхідно тримати у воді. Фіксовані зразки ретельно промивають водою протягом деякого часу, щоб видалити фіксуючий матеріал.

Зразок мокрої деревини поміщають між двома шматочками пробки або бузини та для утворення рівної поверхні зрізають деревину гострим ножем. Потім поверхню деревини змочують водою і обережно з неї знімають бритвою шари разом зпробкою. Бритву також весь час змочують водою або спиртом, тримають навскіс, плоскою стороною вниз, вістрям від себе і простягають через об'єкт ковзним рухом, вільно і легко. Не можна при цьому притискати лікті до тулуба або спиратися на стіл, оскільки це позбавить руки свободи руху. Якщо бритва врізалася в деревину занадто глибоко, краще вийняти її, щоб уникнути поломки. Зрізи повинні бути дуже маленькими і зовсім прозорими. Отримані зрізи знімають із леза дуже обережно м'яким пензликом, переклавши бритву в ліву руку і не випускаючи об'єкт. Для перевірки якості зрізи переносять у заздалегідь підготовлену краплю води на предметному склі та переглядають при малому збільшенні мікроскопа. Якщо зрізи погані, їх викидають і роблять нові.

Слід зазначити, що приготування зрізів вручну вимагає відомої навички та вміння володіння небезпечною бритвою, щоб отримати з її допомогою задовільні зрізи. Необхідно дбайливо поводитися з бритвою, постійно точити та правити її, оберігати від ударів та реактивів, тримати сухою та закритою.