1.1.5. Исследование срезов древесины лиственных пород
Древесина лиственных пород по сравнению с древесиной хвойных имеет наиболее сложное строение (рис. 1.5). Механиче- скую функцию выполняют волокна либриформа и волокнистые трахеиды. Водопроводящие ткани состоят из сосудов и сосу- дистых трахеид. Паренхимные клетки образуют сердцевинные лучи и вертикальную (тяжевую) паренхиму. В древесине лист-
венных пород (умеренной климатической зоны) отсутствуют смоляные ходы.
Волокна либриформа представляют собой мертвые, сильно вытянутые по длине прозенхимные клетки с заострен- ными концами и толстыми одревесневшими стенками (см. рис. 1.2, г}. Длина волокон либриформа колеблется от 0,3 до 2,6 мм. Поры на стенках немногочисленные, узкие, щелевидные. Наличие большего или меньшего числа волокон либриформа в древесине определяет ее твердость и плотность.
Сосуды представляют собой трубки длиной около 2 см, а в отдельных породах до 10 см и более. Сосуды состоят из эле- ментарных сосудов (члеников), разделенных между собой
перфорационными пластинками. Тип перфорационных пла- стинок (простая или лестничная) является постоянным и характерным для каждой породы и может служить для их рас- познавания (см. рис. 1.2, в, д).
У отдельных видов (липы, дуба, ясеня) крупные сосуды (d = 0,2...0,5 мкм) расположены в ранней древесине в один, два, три ряда кольцом вдоль границы годичного слоя. Поэтому их древесину называют кольцесосудистой или кольцепоровой. У березы, осины, ольхи, ивы крупных сосудов нет, а мелкие (d = 0,0I6...0,2 мкм) располагаются равномерно по всему годичному слою радиальными группами по два-три и больше. Древесину этих пород относят к типу рассеянно-сосудистой. Диагностическое значение имеют также форма и размеры пор в стенках сосудов.
Волокнистые и сосудистые трахеиды листвен- ных пород, в отличие от трахеид хвойных пород, имеют меньшую длину, редко превышающую 0,5 мм. От волокон либри- форма они отличаются более заметной полостью, меньшей толщиной оболочки, а также наличием мелких окаймленных пор. Сосудистые трахеиды имеют большую полость и большее число пор, чем волокнистые, и выполняют водопроводя- щую роль.
Паренхимные клетки в древесине лиственных пород образуют, кроме сердцевинных лучей, вертикальную (тяжевую) паренхиму, располагающуюся обычно около крупных сосудов и являющуюся запасающей тканью. Клетки паренхимы имеют форму удлиненных четырехгранных призм. Обычно эти клетки соединяются вместе и образуют продолговатые паренхимные тяжи, разделенные поперечными перегородками. Верхняя и нижняя клетки имеют по одному заостренному концу (см. рис. 1.2, е).
Анатомическое строение древесины лиственных пород рас- смотрим на примере древесины березы бородавчатой (Betula verrucosa) (рис. 1.5).
Поперечный срез. Рассматривая поперечный срез, следует прежде всего определить границу годичного слоя по двум-трем рядам сплюснутых в тангенциальном направлении волокон либриформа. Основную часть годичного слоя представ- ляют собой волокна либриформа. В поперечном разрезе — это мелкоклетная ткань с заметно утолщенными стенками и уз- кими полостями.
Далее необходимо найти сосуды, хорошо заметные среди либриформа своими более крупными отверстиями. Они примерно одинакового диаметра (некрупные) располагаются более или менее равномерно по всему годичному слою радиальными
группами по два-три. Однако встречается как одиночные сосуды, так и группы по шесть-восемь сосудов. Очертание одиночных сосудов овальное, а в группах — многоугольное.
Следует обратить внимание на сердцевинные лучи — узкие полоски, пересекающие поперек годичные слои древесины. Они видны на срезе в виде одного-двух или реже трех-четырех рядов клеток. Клетки вертикальной паренхимы и трахеиды очень небольшие и найти их на поперечном срезе без дополни- тельного окрашивания почти невозможно.
Радиальный срез. На срезе как при малом, так и при большом увеличении хорошо наблюдается граница годичного слоя в виде двух-трех рядов сплюснутых клеток либриформа. Волокна либриформа на радиальном срезе — длинные клетки с заостренными концами, равномерно утолщенными стенками и довольно узкими полостями. Наряду с волокнами либриформа встречаются волокнистые трахеиды с едва заметными окаймлен- ными порами. Обратить внимание, что у сосудов отчетливо видны лестничные перфорации между отдельными члениками. На тонких стенках некоторых сосудов можно наблюдать очень мелкие окаймленные поры.
На радиальном срезе нужно попытаться обнаружить и клет- ки вертикальной паренхимы в виде удлиненных тяжей. Затем следует рассмотреть сердцевинные лучи, вытянутые перпендику- лярно волокнам либриформа и сосудам. Если срез прошел строго вертикально и рассек весь луч по его высоте, нужно сосчитать число слоев (от 1 до 50). В местах полей перекреста между сосудами и сердцевинными лучами находятся полу- окаймленные поры, форма которых подобна форме окаймленных пор сосудов.
Тангенциальный срез. На этом срезе граница го- дичного слоя не наблюдается. Волокна либриформа видны, как и на радиальном срезе, в виде узких толстостенных клеток с за- остренными концами. В их стенках можно найти щелевидные поры. У сосудов необходимо найти остатки лестничной перфо- рации и хорошо просматриваемые многочисленные мелкие, сомкнутые, реже сближенные окаймленные поры. По ширине сосуда насчитывается до 12 ... 18 рядов пор.
При рассмотрении среза обратить внимание на веретено- образную форму поперечного разреза сердцевинных лучей. Высота их различна и может быть очень большой, ширина же невелика. Лучи часто однорядные, но встречаются трехрядные и редко четырехрядные.
Анатомическое строение осины и дуба. По строению древе- сина осины близка к древесине березы. Основная масса дре- весины осины также состоит из толстостенных волокон либри-
форма, в стенках которых имеются мелкие щелевидные косо расположенные поры. Граница годичного слоя выражена неясно. Обе породы имеют сосуды диаметром 0,06...0,1 мм. Однако у осины они более многочисленные, образуют радиаль- ные группы, состоящие из двух — пяти сосудов. Одиночные сосу- ды встречаются редко.
Основным диагностическим признаком, позволяющим раз- личать древесину осины и березы, является строение сосудов (см. рис. 1.2). У осины сосуды имеют простые перфорационные пластинки с одним округлым отверстием, а у березы, как уже отмечалось, перфорационные пластинки лестничные. На стенках сосудов осины наблюдаются крупные, округлые супротивные или очередные поры. По ширине сосуда насчитывается до шести — восьми рядов пор. Сердцевинные лучи у осины в большинстве случаев однорядные, узкие; по высоте насчитывается до 30 кле- ток. Волокнистые и сосудистые трахеиды в древесине осины отсутствуют.
Древесина дуба является примером древесины лиственных пород кольцесосудистого типа. В ранней древесине имеются крупные сосуды, располагаемые кольцом вдоль границы годично- го слоя. В некоторых сосудах видны обрывки тилл. Тилла — вырост протопласта паренхимной клетки, проникший через пару пор в полость смежного сосуда. Мелкие сосуды находятся в поздней древесине, имеют радиальное расположение, т. е. группы этих сосудов вытянуты параллельно сердцевинным лучам. Водо- проводящую функцию в древесине дуба, кроме сосудов, вы- полняют сосудистые трахеиды, располагающиеся как в поздней, так и ранней древесине. Волокна либриформа с сильно утол- щенными оболочками и небольшими полостями. В поперечном разрезе они многогранные и плотно сомкнутые. Большинство сердцевинных лучей древесины однорядные, но имеются не- многочисленные многорядные. Они могут содержать до 30 рядов клеток. Клетки вертикальной паренхимы нередко окружают со- суды и образуют прослойки среди либриформа. Они отличают- ся тонкими оболочками и относительно большими полостями.
1.1.6. Микроскопическое и гистохимическое исследование целлюлозных волокон
Микроскопическое исследование целлюлозных волокон давно уже вошло в практику не только научно-исследовательских институтов, но и заводских лабораторий целлюлозно-бумажной промышленности. Эти исследования позволяют достаточно глубоко изучить вид волокнистых полуфабрикатов, особенности их структуры, изменения размеров волокон и содержания отдельных химических веществ в клеточных стенках при раз- личных химических воздействиях в процессах как получения, так и переработки технических целлюлоз и других полуфабри- катов в бумагу, картон, искусственные волокна, пленки и т. д.
При микроскопическом анализе волокнистых полуфабрикатов используют гистохимический метод, основанный, как уже отме- чалось, на получении специфических окрасок древесных и цел- люлозных волокон. Для окраски применяют некоторые неорга- нические и органические красители — малахитовый зеленый (дигидроксокарбонат меди — Cu2(OH)2CO3), конго красный, саф- ранин, фуксин и др., а также перманганат калия и специальные реактивы — хлор-цинк-иод, смесь нитрата кальция и иода и др.
Приготовление препаратов окрашенных волокон. Из тех- нической целлюлозы и других волокнистых полуфабрикатов готовят только временные препараты с заключением в растворы реагентов, дающих специфическую окраску, или в воду.
На предметное стекло из капельницы наносят одну-две капли дистиллированной воды, в которую помещают очень небольшое количество исследуемого образца. При помощи препаровальных игл целлюлозные волокна тщательно разделяют и равномерно распределяют на предметном стекле. После этого целлюлозные волокна осушают фильтровальной бумагой и на слегка влажные волокна наносят две-три капли красителя или другого реагента. Волокна хорошо перемешивают и накрывают покровным стек- лом. Покровное стекло прикладывают к предметному под острым углом так, чтобы оно касалось края капли жидкости и после этого его осторожно опускают (см. с. 14). Капли жидкости, выступающие по краям покровного стекла, удаляют слегка смоченной фильтровальной бумагой, подводя ее к одному краю покровного стекла. Приготовленный препарат закрепляют на предметном столике микроскопа и приступают к его изуче- нию.
Идентификация целлюлозных волокон из различных расти- тельных тканей. Одним из наиболее распространенных реак- тивов для качественной идентификации целлюлозных волокон является хлор-цинк-иод. Он относится к такому типу реагентов, которые образуют с основным компонентом (целлюлозой) волокон окрашенные соединения, цвет которых зависит не от цвета реактива, а от свойства волокна. По окраске можно различить волокна хлопковой и древесной целлюлозы разного выхода, а также волокна древесной массы. К недостаткам раствора хлор-цинк-иода можно отнести получение различной окраски (синяя или фиолетовая) в зависимости от рецепта его лриготовления и ее неустойчивость на волокнах вследствие быстрого улетучивания иода из раствора. Поэтому препараты
целлюлозных волокон следует готовить и рассматривать под микроскопом за сравнительно короткое время.
Небольшой образец увлажненной целлюлозы помещают на предметное стекло, тщательно раздергивают препаровальными иглами и осушают фильтровальной бумагой. На слегка влаж- ные волокна наносят две-три капли хлор-цинк-иода, хорошо перемешивают и покрывают покровным стеклом. Для получения насыщенной окраски волокон хлор-цинк-иод дают в избытке, который затем удаляют слегка увлажненной фильтровальной бумагой, подводя ее к одному краю покровного стекла.
Препараты непосредственно после их изготовления рассмат- ривают в хорошо освещенном поле зрения микроскопа, получил достаточно резкое изображение волокон. При окраске хлор- цинк-иодом волокна принимают следующие цвета: хлопковые — винно-красный; волокна технической древесной целлюлозы — сине-фиолетовый; волокна древесной массы — золотисто-зе- леный. По истечении некоторого времени волокна изменяют окраску, причем древесная целлюлоза принимает темно-синюю окраску, хлопковые волокна синеют, а древесная масса ста- новится бледной, почти бесцветной.
Приготовление раствора хлор-цинк-иода в соответствии с ГОСТ 7500—85. Для получения раствора хлор-цинк-иода (реактива Хернберга) сначала готовят два раствора: 50 г хлорида цинка растворяют в 25 см3 дистиллированной воды при нагревании, затем раствор охлаждают (плотность полученного раствора 1,75...1,82 г/см3); 5,25 г иодида калия и 0,25 г вода металлического растворяют в 12,5 см3 дистиллированной воды. Далее растворы смешивают, для этого к 40 см3 первого раствора при непрерывном перемешивании по каплям добавляют 14 см3 второго раствора. Полученную смесь переливают в сухой высокий цилиндр, на поверхность раствора опускают небольшой кристаллик иода и цилиндр закрывают стеклянной притертой пробкой. Раствор оставляют на 24 ч в защищенном от света месте и после отстаивания осадка сливают в бутыль из темного стекла с притертой пробкой. Готовый раствор хлор-цинк-иода хранят не более 6 мес в темном месте.
Идентификация целлюлозных волокон, полученных разными методами варки. Гистохимические реакции позволяют также идентифицировать волокнистые полуфабрикаты, изготовленные из древесины хвойных и лиственных пород разными методами варки (сульфатными или сульфитными). Это обусловлено тем, что в различных процессах варки химический состав волокон в результате частичной их делигнификации, а также некоторого удаления гемицеллюлоз и экстрактивных веществ, изменяется неодинаково. Подбирая соответствующие реактивы, окраши- вающие тот или другой компонент волокна, становится возмож- ным различать волокнистые полуфабрикаты под микроскопом
по внешнему виду, окраске и диагностическим (морфологиче- ским) признакам. Для этих целей в настоящее время разработан ряд методик [4], отдельные из них приведены ниже. Следует отметить, что большинство методик не дает однозначной идентификации волокна и требует обязательной проверки результатов на заведомо известных образцах целлюлозных волокон. Особенно затруднительна идентификация целлюлоз по породному составу, так как окраски, возникающие при обработке тем или иным реагентом, являются очень близкими по оттенку. Поэтому для четкого разделения волокон из разной древесины необходимо учитывать диагностические признаки. Очень трудно различать по методу варки и беленые целлю- лозные волокна.
Идентификация небеленых целлюлоз из древесины хвойных и лиственных пород. Для идентификации небеленых сульфит- ных и сульфатных целлюлозных волокон, полученных как из древесины хвойных, так и лиственных пород, используют раз- личные методики. В основе ряда методик лежит окрашивание волокон растворами малахитового зеленого и основного фук- сина, приготовленных по различным рецептам. Оба красителя взаимодействуют с остаточным лигнином, который в зависимо- сти от метода варки имеет разные строение и состав.
Методика анализа небеленых целлюлоз из древесины хвойных пород (в соответствии с ГОСТ 7500—85). На предметное стекло помещают небольшой образец целлюлозы и обрабатывают двумя-тремя каплями смеси растворов малахитового зеленого, основного фуксина и соляной кислоты. Волокна тщательно раздергивают и перемешивают. Обработку производят в течение 1 мин. Окрашенные волок- на переносят на ситечко и промывают водой до бесцветных промывных вод. Готовят препарат по методике, указанной на с. 26, и исследуют его под микроскопом. Волокна небеленой сульфитной целлюлозы окрашиваются в темно-малиновый или фиолетовый цвет, хорошо выделяются ярко окрашенные «глаз- ки»— замыкающие мембраны окаймленных пор. Волокна не- беленой сульфатной целлюлозы окрашиваются в сине-зеленый цвет, «глазки» отсутствуют.
Приготовление растворов. Для приготовления раствора мала- хитового зеленого 2 г Си2(ОН)2СО3 растворяют в смеси, состоящей из 80 см3 дистиллированной воды и 20 см3 96%-ного этанола. Для приготовления раствора фуксина 1 г основного фуксина растворяют в смеси 80 см3 дистиллированной воды и 20 см3 96%-ного этанола. Перед анализом растворы малахитового зеленого и фуксина смешивают в отношении 1:2 и в смесь добавляют I часть 0,1%-ного раствора HCl.
Методика анализа небеленых целлюлоз из дре- весины лиственных пород (4). На предметное стекло помещают небольшой образец целлюлозы, смачивают водой, раздергивают препаровальными иглами на отдельные волокна, затем осушают их фильтровальной бумагой. На волокна после- довательно наносят равные объемы (по две-три капли) растворов основного фуксина и малахитового зеленого и волокна и тщательно перемешивают. Окрашивание производят в течение 2 мин. Волокна переносят на ситечко и промывают водой от избытка красителя до бесцветных промывных вод. На чистом предметном стекле готовят препарат из окрашенных волокон по методике, указанной на с. 26, и просматривают его под микроскопом. Волокна небеленой сульфитной целлюлозы окрашиваются в красновато-фиолетовый цвет, волокна небеленой сульфатной — в голубой.
Приготовление растворов. Для получения раствора фуксина 0,25г основного фуксина и 15 см3 концентрированной уксусной кислоты раство- ряют в 100 см3 дистиллированной воды; для приготовления раствора малахито- вого зеленого 0,25 г Сu2(ОН)2СО3 и 15 см3 концентрированной уксусной кислоты растворяют в 100 см3 дистиллированной воды.
Определение равномерности провара технических целлюлоз. Одной из разновидностей гистохимического анализа целлюлоз- ных волокон является определение равномерности провара целлюлозы. Метод основан на микроскопическом исследовании препаратов волокон целлюлозы, окрашенных специфическими химическими реагентами, взаимодействующими с лигнином: 2%-ным видным раствором малахитового зеленого, подкислен- ным несколькими каплями концентрированной уксусной кислоты, и 2%-ным водным раствором конго красного, Эта методика наиболее пригодна для целлюлозы средней жесткости. Равно- мерность провара мягкой целлюлозы определяют по интенсив- ности красного цвета, образующегося при окраске волокон азо- иметиланилином, Данный метод менее точен и редко при- меняется.
Небольшой образец целлюлозы помещают на предметное стекло, смачивают водой, расщепляют препаровальными иглами на волокна и осушают фильтровальной бумагой. Затем волокна в течение 2 мин окрашивают несколькими каплями раствора малахитового зеленого (число капель раствора красителя надо брать такое, чтобы волокна были погружены в него полностью). Окрашенные волокна переносят на ситечко, промывают водой от избытка красителя до бесцветных промывных вод, отжи- мают препаровальными иглами и вновь переносят на предмет-
ное стекло, где снова осушают фильтровальной бумагой. После этого на целлюлозу наносят несколько капель раствора конго красного. Окраску производят в течение 2 мин, снова волокна переносят на ситечко, промывают и отжимают. Из окрашенных волокон готовят препараты и исследуют их под микроскопом. О равномерности провара судят по окраске волокон. В не- равномерно проваренной целлюлозе волокна имеют розовую и зеленую окраску. В равномерно проваренной целлюлозе окраска волокон промежуточная: розовые волокна местами окрашены в зеленоватый цвет, зеленые волокна — в розоватый. Чем одно- роднее и мягче проварена целлюлоза, тем бледнее окраска розовых и зеленых волокон.
Подсчитывают в пяти препаратах волокна, имеющие ро- зовую, зеленую и промежуточную окраску. Однородность провара выражают в процентах от общего числа волокон (не менее 300).
Определение равномерности отбелки целлюлозы. Метод основан на микроскопическом исследовании препаратов во- локон беленой целлюлозы, окрашенных 2%-ным водным раство- ром малахитового зеленого, подкисленного несколькими каплями концентрированной уксусной кислоты, и 1%-ным водным раствором основного фуксина. Небольшой образец используемой целлюлозы помещают на предметное стекло, с помощью пре- паровальных игл расщепляют на отдельные волокна в несколь- ких каплях дистиллированной воды. Волокна осушают фильтро- вальной бумагой и наносят на них несколько капель раствора малахитового зеленого. Для закрепления красителя препарат осторожно подсушивают над электрической плиткой. Затем волокна переносят на ситечко, промывают водой до бесцвет- ных промывных вод, отжимают препаровальными иглами и по- мещают на предметное стекло, где осушают фильтровальной бумагой. На промытый и высушенный образец целлюлозы наносят несколько капель раствора основного фуксина. Окрас- ку проводят в течение 1 мин. Окрашенные волокна переносят на ситечко и промывают слабым раствором соляной кислоты (1 см3 концентрированной соляной кислоты растворяют в 1 дм3 дистиллированной воды) до бесцветных промывных вод. Затем целлюлозу тщательно промывают водой (для удаления соляной кислоты) и отжимают. Из волокон приготавливают препараты по методике, указанной на с. 26, и исследуют их под микроскопом. Волокна хорошо отбеленной целлюлозы — бес- цветны; волокна полубеленой целлюлозы — бледно-розового цвета; волокна небеленой целлюлозы — красного цвета. Не- равномерно отбеленная целлюлоза состоит из волокон, окрашен- ных в различные указанные выше цвета.