FORMATION OF STRENGTH PROPERTIES OF WHEAT GRAINS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.115.1.014
Issue: № 1 (115), 2022
Published:
2022/01/24
PDF

Abstract

The article presents a comparative assessment of the structural and mechanical properties of the parts of the grain in connection with the genotypic characteristics of wheat, its structure, chemical composition of the grain. In the course of the research, the degree of elasticity and stiffness of the grain shells were measured on a device analogous to the Brabender hardness tester. The strength was estimated indirectly based on the breaking force when pressing on the grain. The study evaluates the influence of grain storage conditions, compares normal grain, as well as frozen grain and after drying. The article determines the relationship between the strength qualities of grain characterized by its microhardness and the strength index when grinding wheat of different degrees of hardness during production. For hard and hard-grain wheat varieties, the required compressive force is 2-4 times more than for soft-grain varieties.

ФОРМИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ЗЕРНОВКИ ПШЕНИЦЫ

Научная статья

Федотов В.А.1, *, Берестова А.В.2, Манеева Э.Ш.3

1 ORCID: 0000-0002-3692-9722;

1, 2, 3 Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия

* Корреспондирующий автор (vital_asm[at]mail.ru)

Аннотация

В статье приведена сравнительная оценка структурно-механических свойств частей зерновки в связи с генотипическими признаками пшеницы, ее структурой, химическим составом зерновки. В ходе исследований производили измерения степени упругости и жесткости оболочек зерновок на приборе-аналоге твердомера Брабендера. Прочность оценивалась косвенно по разрушающему усилию при надавливании на зерно. Оценивали влияние условий хранения зерновки, сравнивали нормальное зерно, а также зерно, захваченное морозом и после сушки. Выявлена связь прочностных качеств зерна, характеризующихся его микротвердостью и индексом прочности при помоле пшеницы разной степени твердости на производстве. Для пшениц твердых и твердозерных сортов требуется усилие на сжатие в 2 - 4 раза больше, чем для мягкозерных сортов.

Ключевые слова: структурно-механические свойства, качество зерна, зерно пшеницы, жесткость, твердомер.

FORMATION OF STRENGTH PROPERTIES OF WHEAT GRAINS

Research article

Fedotov V.A.1, *, Berestova A.V.2, Maneeva E.Sh.3

1 ORCID: 0000-0002-3692-9722;

1, 2, 3 Orenburg State University, Orenburg, Russia

* Corresponding author (vital_asm[at]mail.ru)

Abstract

The article presents a comparative assessment of the structural and mechanical properties of the parts of the grain in connection with the genotypic characteristics of wheat, its structure, chemical composition of the grain. In the course of the research, the degree of elasticity and stiffness of the grain shells were measured on a device analogous to the Brabender hardness tester. The strength was estimated indirectly based on the breaking force when pressing on the grain. The study evaluates the influence of grain storage conditions, compares normal grain, as well as frozen grain and after drying. The article determines the relationship between the strength qualities of grain characterized by its microhardness and the strength index when grinding wheat of different degrees of hardness during production. For hard and hard-grain wheat varieties, the required compressive force is 2-4 times more than for soft-grain varieties.

Keywords: structural and mechanical properties, grain quality, wheat grain, stiffness, hardness tester.

Введение

Показатели качества пшеницы можно представить как многокомпонентную систему, зависящую от большого количества биологических и агроэкологических факторов. Отдельные показатели характеризуются высокой степенью изменчивости [1, С. 107]. При подборе наилучших режимов переработки зерна необходима максимально полная информация о всем комплексе таких показателей, что определяет необходимость их учета на всех этапах технологического процесса [2, С. 140]. Весомый вклад при формировании качеств продуктов переработки зерна пшеницы привносят генотипические и климатические факторы [3, С. 152]. Однако, характер их совместного влияния часто трудно оценим и прогнозируем. Методики экспрессного анализа показателей качества зернового сырья часто характеризуются большой трудоемкостью [4, С. 27]. Целью исследования стала сравнительная оценка структурно-механических свойств различных морфологических элементов зерна в зависимости от генотипических (сортовых) особенностей пшеницы, структуры зерновки, влажности.

Материалы и методы исследования

Объектами исследований служили образцы зерна твердой (сорт Харьковская 3) и мягкой (Юго-Восточная 3, Саратовская 42, Оренбургская 13 и Варяг) пшеницы Оренбургской области урожая 5-ти лет.

Проводили исследования упругости и жесткости оболочек зерна в зависимости от его влажности и стекловидности. Испытания проводили на специально сконструированном приборе (аналог твердомера Брабендера). Прибор состоит из следующих основных частей: штатив, на котором закреплен диск с двумя транспорантными дисками; ручка со стрелкой для поворота оси в центре диска; пружинный зажим и стрелка. Испытуемый образец укрепляли между верхним и нижним зажимами. Поворачивая ручку по часовой стрелке, производили изгиб образца оболочки под действием веса стрелки [5, С. 29].

Зерно предварительно выравнивали по крупноте и стекловидности. Для исследования брали сход с сита 2,4х20 мм. Зерно помещали в бюксы с водой. После того как эндосперм размягчался настолько, что его можно было отделить от оболочек, приступали к их снятию. Зерно клали бороздкой вверх, бородкой к себе и разрезали бритвой на две половины. Из бюкса вынимали оболочку, обрезали ее в продольном направлении с двух сторон, затем зажимали концами в пружинных зажимах, один из которых расположен на оси прибора, а другой - на конце грузовой стрелки. После закрепления оболочки в зажимах, ось прибора вставляли в отверстие диска таким образом, что указатель величины угла поворота и стрелка с закрепленной оболочкой устанавливались на нулевом делении. Хотя при увлажнении в зерне происходит некоторое выщелачивание водорастворимых веществ, данный метод обеспечивает получение вполне достоверных и сравнимых результатов [6, С. 77]. Также структурно-механические свойства зерна определяли по показателю микротвердости с помощью микропенетрометра Минилоад, индексу прочности по разрушающему усилию с помощью твердомера. Под «упругостью» понимают свойство тел, подвергнутых деформации, возвращаться в начальное состояние после прекращения действия сил, вызвавших эту деформации [7, С. 427]. Иначе, упругость есть способность тела испытывать обратимые деформации [8, С. 34]. Все измерения производили в 20-кратных повторностях.

Результаты и их обсуждение

Оболочки твердых пшениц при влажности от 11,7 до 12,5 % более жестки, нежели оболочки мягких пшениц; с увеличением влажности сопротивляемость оболочек изменению формы снижается, однако для оболочек твердых пшениц в меньшей степени. Проведенные испытания оболочек на изгиб показали, что с увеличением их влажности модуль упругости уменьшается. Поскольку модуль упругости характеризует упругость вещества, то можно сказать, что с увеличением влажности оболочки становятся менее упругими [9, С. 27]. В таблице 1 приведены данные о жесткости и модуле упругости оболочек зерна, захваченного морозом, после сушки и обработки в обоечных машинах с абразивным цилиндром.

 

Таблица 1 – Жесткость и модуль упругости зерна

Сорт пшеницы Характер зерна Жесткость при изгибе, кг·мм² Модуль упругости, кг/мм²
Саратовская 42 Нормальное 0,145±0,005 21,8±0,1
Захваченное морозом 0,118±0,005 18,7±0,1
После сушки 0,113±0,005 18,5±0,1
После обработки в наждачной обоечной машине 0,101±0,005 10,2±0,1
 

Оболочки зерна, поврежденного (захваченного) в той или иной степени морозом, после сушки или обработки в обоечных машинах с абразивным цилиндром, а также зерна с минусовой температурой по сравнению с оболочками нормального зерна отличаются пониженной сопротивляемостью изгибу и меньшей упругостью [10, С. 28]. Как известно, зерно, захваченное морозом, отличается от нормального обычно тем, что поверхность его сетчатая, а само зерно более или менее деформировано. Оболочки такого зерна легко подвергаются деформированию.

При понижении температуры зерна, особенно при ранних заморозках, когда температура падает до -1 °С и ниже, вода, находящаяся между макромолекулами, расширяется и увеличивает расстояние между ними, ослабляя межмолекулярные силы сцепления. Кроме того, свободная влага, находящаяся в оболочках зерна, превращаясь в лед, увеличивает объем макропор, а это приводит к осложнению напряженного состояния всего зерна. Таким образом, оболочки испытывают нагрузку не только от сил давления увеличивающегося объема эндосперма, но и сил, возникших вследствие замерзания воды в порах или капиллярах зерна. Оба указанных случая могут привести к образованию в оболочках микротрещин и, следовательно, не только к пониженной прочности, но также и к пониженной упругости и жесткости.

Изучали корреляцию структурно-механических свойств зерна различной консистенции с влажностью, температурой и скоростью нагружения. При повышении влажности зерна сорта Харьковская 3 от 12,0 до 16,0 % разрушающее усилие падает на 18,5 %, для пшеницы Юго-Восточная 3 - на 22,7 %, для пшеницы Саратовская 42 - на 27,7 %. Работа по разрушению достигает минимума при влажности зерна пшеницы Харьковская 3 от 15,0 до 16,0 %, для сорта Саратовская 42 от 13,0 до 14,2 %. С увеличением скорости нагружения уменьшается работа по разрушению зерна, так как резко падает доля пластических деформаций.

Представляют практический интерес прочностные свойства основных частей зерновки - оболочек и эндосперма. Сухие оболочки (влажность зерна от 11,7 до 12,5 %) твердой пшеницы (Харьковская 3) отличаются большей жесткостью по сравнению с оболочками мягкой (твердозерной Юго-Восточная 3 и мягкозерной Саратовская 42). Аналогичные соотношения выявлены для показателя упругости оболочек. С повышением влажности жесткость и модуль упругости оболочек снижаются.

При исследовании прочности чистого эндосперма установлено, что для твердых, а также твердозерных сортов мягкой пшеницы усилие на сжатие в 2 - 4 раза больше, чем для мягкозерных (соответственно 23,2; 15,1 и 12,5 кг/мм²). В связи с анизотропным микроскопическим строением и гетерогенным химическим составом эндосперма зерновки необходимо исследование прочностных свойств отдельных его участков.

В процессе исследования определялась жесткость оболочек и подсчитывались разрушающие усилия при изгибе. В рабочей зоне вальцевых станков оболочки деформируются в условиях сложной деформации; при этом определяется потребная мощность или расходуемая энергия на их измельчение. В последнем случае при увеличении влажности оболочек, вследствие увеличения их пластичности, увеличивается и их сопротивляемость измельчению и, соответственно, удельный расход энергии.

Заключение

Модуль упругости с увеличением влажности оболочек снижается. Следовательно, при одинаковых прочих условиях сухие оболочки более упруги, чем влажные. Оболочки зерна, захваченного морозом и подвергнутого сушке после обработки в обоечных машинах с абразивным цилиндром, а также зерна с температурой ниже 0 °С отличаются меньшей упругостью и сопротивляемостью изгибу по сравнению с оболочками нормального зерна. Для твердых и твердозерных сортов пшеницы усилие на сжатие в 2 - 4 раза больше, чем для мягкозерных. Выявлена связь прочностных качеств зерна по индексу шелушения, микротвердости, индексу прочности с данными по­молов зерна разной степени твердости.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Зенкина И.В. Анализ стратегических разрывов как инструмент стратегического анализа и потенциал его применения в стратегическом управлении организацией / И.В. Зенкина // Аудит и финансовый анализ. – 2012. – № 4. – С. 107-112.
  2. Федотов В. А. Информационно-измерительная система определения потребительских свойств пшеницы / В. А. Федотов, П. В. Медведев // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2013. – № 3. – С. 140-145.
  3. Саидов, Д.Т. Резервы повышения рентабельности реализации зерна / Д.Т. Саидов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2010. - №2 (26). – С.152-155.
  4. Doggett H. Sorghum. 2nd edition / H. Doggett // New York, USA: John Wiley and Sons. Inc., NY, 1988. – P. 512.
  5. Жидков, С.А. Приоритетные направления развития рынка зерна в России: монография / С.А. Жидков. – Мичуринск: ООО БИС, 2018. – 313 с.
  6. Медведев, П. В. Комплексная оценка потребительских свойств зерна и продуктов его переработки / П. В. Медведев, В. А. Федотов, И. А. Бочкарева // Международный научно-исследовательский журнал. - 2015. - № 7-1 (38). - С. 77-80.
  7. Hochholdinger F. Towards the molecular basis of heterosis / F. Hochholdinger, N. Hoeckenger // Trends Plant Sci., 2007. – 12. – P. 427-432.
  8. Manley M. Near Infrared Hyperspectral Imaging for the Evaluation of Endosperm Texture in Whole Yellow Maize (Zea maize L.) Kernels / M. Manley, P. Williams, D. Nilsson et al. // Agric. Food Chem, 57 (2009).
  9. Беркутова, Н. С. Микроструктура пшеницы / Н. С. Беркутова, И. А. Швецова. - М.: Колос, 1977. - 122 с.
  10. Шепелев, А. Ф. Товароведение и экспертиза электротоваров: учебное пособие для вузов / А. Ф. Шепелев, И. А. Печенежская. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2002. - 192 с.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Zenkina I. V. Analiz strategicheskikh razry`vov kak instrument strategicheskogo analiza i potentcial ego primeneniia v strategicheskom upravlenii organizatciei` [Analysis of strategic gaps as a tool of strategic analysis and the potential of its application in the strategic management of the organization] / I. V. Zenkina // Audit i finansovy`i` analiz. – 2012. – № 4. – P. 107-112. [in Russian]
  2. Fedotov V. A. Informatcionno-izmeritel`naia sistema opredeleniia potrebitel`skikh svoi`stv pshenitcy` [Information and measurement system for determining the consumer properties of wheat] / V. A. Fedotov, P. V. Medvedev // Vestneyk Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of the Orenburg State University]. – 2013. – № 3. – P. 140-145. [in Russian]
  3. Saidov, D. T. Rezervy` povy`sheniia rentabel`nosti realizatcii zerna [Reserves for increasing the profitability of grain sales] / D. T. Saidov // Izvestiia Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of Orenburg State Agrarian University] – 2010. - №2 (26). – P.152-155. [in Russian]
  4. Doggett H. Sorghum. 2nd edition / H. Doggett // New York, USA: John Wiley and Sons. Inc., NY, 1988. – P. 512.
  5. Zhidkov, S. A. Prioritetny`e napravleniia razvitiia ry`nka zerna v Rossii: monografiia [Priority directions of grain market development in Russia: monograph] / S. A. Zhidkov. – Michurinsk: OOO BIS, 2018. – 313 p. [in Russian]
  6. Medvedev, P. V. Kompleksnaia ocenka potrebitel`skikh svoi`stv zerna i produktov ego pererabotki [Comprehensive assessment of consumer properties of grain and its processed products] / P. V. Medvedev, V. A. Fedotov, I. A. Bochkareva // Mezhdunarodny`i` nauchno-issledovatel`skii` zhurnal [International Research Journal]. - 2015. - № 7-1 (38). - P. 77-80. [in Russian]
  7. Hochholdinger F. Towards the molecular basis of heterosis / F. Hochholdinger, N. Hoeckenger // Trends Plant Sci., 2007. – 12. – P. 427-432.
  8. Manley M. Near Infrared Hyperspectral Imaging for the Evaluation of Endosperm Texture in Whole Yellow Maize (Zea maize L.) Kernels / M. Manley, P. Williams, D. Nilsson et al. // Agric. Food Chem, 57 (2009).
  9. Berkutova, N. S. Mikrostruktura pshenitcy` [Microstructure of wheat] / N. S. Berkutova, I. A. Shvetcova. - M.: Kolos, 1977. - 122 p. [in Russian]
  10. Shepelev, A. F. Tovarovedenie i e`kspertiza e`lektrotovarov: uchebnoe posobie dlia vuzov [Commodity science and expertise of electrical goods: a textbook for universities] / A. F. Shepelev, I. A. Pechenezhskaia. - Rostov-na-Donu: Feniks, 2002. - 192 p. [in Russian]