1) Отбор растительной пробы

Отбор растительной пробы - ответственный этап работы, требует определённых навыков и опыта. Ошибки при отборе пробы и подготовке к анализу не компенсируются качественной аналитической обработкой собранного материала. Основа в отборе проб растений в агро- и биоценозах метод средней пробы. Чтобы средняя проба отражала статус всей совокупности растений, учитывают макро- и микрорельеф, гидротермические условия, равномерность и густоту стояния растений, их биологические особенности.

Растительные пробы отбираются в сухую погоду, в утренние часы, после высыхания росы. При изучении процессов обмена веществ в растениях в динамике эти часы соблюдаются в течение всего вегетационного периода.

Различают культуры сплошного сева: пшеница, овёс, ячмень, злаковые культуры, травы и др. и пропашные: картофель, кукуруза, свекла и т.п.

Для культур сплошного сева на опытном участке выделяются равномерно 5-6 площадок размером 0.25-1.00 м², растения с площадки скашиваются на высоте 3-5 см. Общий объём взятого материала составляет объединенную пробу. После тщательного усреднения этой пробы отбирают средний образец массой 1 кг. Проводят взвешивание средней пробы, а затем разбор по ботаническому составу, учёт сорняков, больных растений, которые исключают из состава пробы.

Проводят разделение растений на органы с весовым учётом в пробе листьев, стеблей, початков, цветов, колосьев. Молодые растения не дифференцируют по органам и фиксируют целиком. Для культур пропашных, особенно высокостебельных, таких как кукуруза, подсолнечник и т.д. объединенную пробу составляют из 10-20 растений средней величины, взятых по диагонали делянки или поочерёдно в несмежных рядах.

При отборе корнеплодов выкапывают 10-20 растений средней величины, очищают от почвы, подсушивают, взвешивают, отделяют надземные органы и взвешивают корнеплоды.

Среднюю пробу составляют с учетом размера клубней, початков, корзинок и т.п. Для этого материал сортируют визуально на большие, средние, малые и соответственно долевому участию фракции составляют средний образец. У высокостебельных культур проба может усредняться за счет продольного расчленения всего растения от верхушки до основания.

Критерием оценки правильного отбора пробы является сходимость результатов химического анализа при параллельных определениях. Скорость химических реакций в растительных образцах, взятых в период активной вегетации, намного выше, чем во многих анализируемых объектах. За счёт работы ферментов продолжаются биохимические процессы, в результате которых происходит разложение таких веществ, как крахмал, белки, органические кислоты и особенно витамины. Задачи исследователя - сократить до минимума срок от взятия пробы до проведения анализа или фиксации растительного материала. Снижения скорости реакций можно добиваться работой со свежими растениями на холоде в климатокамере (+4°С), а также кратким хранением в бытовом холодильнике. В свежем растительном материале при естественной влажности проводят определение водорастворимых форм белков, углеводов, ферментов, калия, фосфора, определяют содержание нитратов и нитритов. С небольшой погрешностью эти определения можно выполнять в образцах растений после лиофильной сушки.

В фиксированных воздушно-сухих образцах определяют все макроэлементы, т.е. зольный состав растений, общее содержание белков, углеводов, жиров, клетчатки, пектиновых веществ. Высушивание растительных образцов до абсолютно- сухого веса для проведения анализа недопустимо, так как нарушается растворимость и физико-химические свойства многих органических соединений, происходит необратимая денатурация белков. При анализе технологических свойств любых объектов, допускается сушка при температуре не более 30°С. Повышенные температуры изменяют свойства белково-углеводных комплексов в растениях и искажают результаты определения.

2) Фиксация растительного материала

Сохранение органических и зольных веществ в растительных пробах в количествах, близких к их естественному состоянию, осуществляется за счёт фиксации. Применяется температурная фиксация и лиофильная сушка. В первом случае стабилизация состава растений осуществляется за счёт инактивации ферментов, во-втором - за счёт сублимации, при этом растительные ферменты сохраняются в активном состоянии, белки не денатурируют. Температурная фиксация растительного материала проводится в сушильном шкафу. Растительный материал помещают в пакеты из плотной бумаги типа «крафт» и загружают в сушильный шкаф, предварительно нагретый до 105-110°С. После загрузки выдерживают температуру 90-95°С в течении 10-20 минут в зависимости от свойств растительного материала. При такой температурной обработке за счёт паров воды происходит инактивация растительных ферментов. По окончании фиксации растительный материал должен быть влажным и вялым при этом он должен сохранить свою окраску. Дальнейшее высушивание пробы проводят при доступе воздуха в открытых пакетах при температуре 50-60°С в течение 3-4 ч. Превышать указанные интервалы температуры и времени не следует. Длительное нагревание при высокой температуре приводит к термическому разложению многих азотсодержащих веществ и карамелизации углеводов растительной массы. Растительные образцы с большим содержанием воды- корнеплоды, фрукты, ягоды и т.п. разделяют на сегменты так, чтобы в анализ попали периферийные и центральная части плода. Набор сегментов для пробы составляют из сегментов больших, средних и маленьких плодов или клубней в соответствующем соотношении их в урожае. Сегменты средней пробы измельчают и фиксируют в эмалированных кюветах. Если образцы объёмны, то надземную часть растений непосредственно перед фиксацией измельчают и быстро закрывают в пакеты. Если в образцах предполагается определение только набора химических элементов, их можно не фиксировать, а высушить при комнатной температуре. Высушивание растительного материала лучше провести в термостате при температуре 40-60⁰С так как при комнатной температуре возможно загнивание массы и загрязнения пылевыми частицами из атмосферы. Не подвергают температурной фиксации образцы зерна и семян, но высушивают их при температуре не выше 30°С. Лиофилизация растительного материала (высушивание путём возгонки) основана на испарении льда минуя жидкую фазу. Высушивание материала при лиофилизации проводится следующим образом: отобранный растительный материал замораживают до твёрдого состояния, заливая образец жидким азотом. Затем образец помещают в лиофилизатор, где при низкой температуре и в условиях вакуума происходит высушивание. При этом влага поглощается специальным осушителем (реактивом) в качестве которого используется силикагель, хлористый кальций и т.д. Лиофильная сушка подавляет ферментативные процессы, но сами ферменты сохраняются.

3) Размол растительных образцов и их хранение

Размол растений проводят в воздушно-сухом состоянии. Скорость размола увеличивается, если образцы предварительно подсушиваются в термостате. Отсутствие в них гигроскопической влаги определяется визуально: хрупкие, легко разламывающиеся в руках стебли и листья - наиболее пригодный материал для размола

Для размола объёмных образцов, весом более 30 г, используют лабораторные мельницы, для размола небольших проб используют бытовые кофемолки. При очень малых количествах растительные пробы измельчают в фарфоровой ступке с последующим пропусканием материала через сито. Измельчённый материал просеивается через сито. Диаметр отверстий зависит от специфики анализа: от 1 мм до 0.25 мм. Часть материала, не прошедшая через сито, повторно измельчается на мельнице или в ступке. "Отброс" растительного материала не допускается, так как это изменяет состав средней пробы. При большом объёме размолотых образцов можно снизить объём, перейдя от средней лабораторной пробы к средней аналитической, вес последней составляет 10-50 г, а для зерна не менее 100 г. Отбор производится методом квартования. Лабораторная проба равномерно распределяется на бумаге или стекле в виде круга или квадрата. Шпателем делится на мелкие квадратики (1-3 см) или сегменты. Материал из несмежных квадратиков отбирается в аналитическую пробу.

4) Определение различных веществ в растительном материале

Определение водорастворимых форм углеводов

Содержание углеводов и их разнообразие определяются видом растения, фазой развития и абиотическими факторами среды и изменяются в широких пределах. Существуют количественные методы определения моносахаридов: химические, поляриметрические. Определение полисахаридов в растениях осуществляется теми же методами, но, прежде кислородная связь (-О-) этих соединений разрушается в процессе кислотного гидролиза. Один из основных методов определения - метод Бертрана основан на извлечении растворимых углеводов из растительного материала горячей дистиллированной водой. В одной части фильтрата определяют моносахариды, в другой - после гидролиза соляной кислотой - ди- и трисахариды, которые распадаются при этом до глюкозы

Определение калия, фосфора, азота основывается на реакциях гидролиза и окисления органических веществ растений сильными окислителями (смесь серной и хлорной к-т). Основным окислителем является хлорная кислота (НСlO₄). Безазотистые органические вещества окисляются до воды и углекислоты, высвобождая зольные элементы в виде оксидов. Азотсодержащие органические соединения гидролизуются и окисляются до воды и углекислоты, освобождают азот в виде аммиака, который немедленно связывается серной кислотой. Таким образом, в растворе находятся зольные элементы в виде оксидов и азот в форме сернокислого аммония и аммонийной соли хлорной кислоты. Метод исключает потери азота, фосфора и калия в виде их оксидов, так как растительное вещество оголяется при температуре 332°С. Это температура кипения серной кислоты, у хлорной кислоты значительно меньшая температура кипения - 121°С.

Определение содержание нитратов и нитритов. Растения накапливают нитраты и нитриты в больших количествах. Эти соединения токсичны для человека и животных, особенно опасны нитриты, токсичность которых в 10 раз выше, чем нитратов. Нитриты в организме человека и животных переводят двухвалентное железо гемоглобина в трехвалентное. Образующийся при этом метагемоглобин не способен переносить кислород. Необходим строгий контроль за содержанием нитратов и нитритов в растениеводческой продукции. Для определения содержания нитратов в растениях разработан ряд методов. Наибольшее распространение получил ионометрический экспресс-метод. Нитраты извлекают раствором алюмокалиевых квасцов с последующим измерением концентрации нитратов в растворе с помощью ионселективного электрода. Чувствительность метода 6 мг/дм³. Предел определения нитратов в сухом образце - 300 мл^-1, в сыром - 24 -30 мл-¹. Несколько более подробно остановимся на анализе общего азота в растениях.