CONNECTION OF MORPHOLOGICAL AND ANATOMICAL CHARACTERISTICS OF WHEAT GRAIN WITH TECHNOLOGICAL PROPERTIES

Федотов В. А.

ORCID: 0000-0002-3692-9722, кандидат технических наук,

Оренбургский государственный университет

СВЯЗЬ МОРФОЛОГО-АНАТОМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ С ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Аннотация

В статье рассматриваются вопросы оценки технологических свойств зерна пшеницы на основе морфолого-анатомических характеристиках зерновки. Современные информационные технологии в сфере оптической микроскопии и компьютерного зрения позволяют упростить и автоматизировать получение информации о морфолого-анатомических характеристиках зерна. Анализ микрофотографий, обрабатываемых алгоритмами компьютерного зрения, позволяет получить данные о размерах различных составных частях зерновки, оказывающих определяющее влияние на мукомольные свойства зерна.

Ключевые слова: зерно, пшеница, экспресс-анализ, качество.

Fedotov V. A.

ORCID: 0000-0002-3692-9722, PhD in Engineering,

Orenburg State University

CONNECTION OF MORPHOLOGICAL AND ANATOMICAL CHARACTERISTICS OF WHEAT GRAIN WITH TECHNOLOGICAL PROPERTIES

Abstract

The paper describes the evaluation of technological properties of wheat grain based on its morphological and anatomical characteristics. Modern information technologies in the field of optical microscopy and computer vision make it possible to simplify and automatize obtaining of information on the morphological and anatomical characteristics of a grain. The analysis of microphotographs processed by computer vision algorithms allows obtaining data on the dimensions of various constituent parts of the grain, which have a determining effect on the grain milling properties.

Keywords: grain, wheat, quick analysis, quality.

Размеры зерновок пшеницы колеблются в следующем диапазоне: длина - от 4,2 мм до 8,6 мм, ширина - от 1,6 мм до 4,0 мм, толщина - от 1,5 мм до 3,8 мм. Ширина зерен мягкой пшеницы обычно больше толщины (в среднем 2,81 мм и 2,51 мм), для твердой пшеницы оба измерения практически одинаковы. Длина зерен мягкой пшеницы меньше, чем твердой: 6,23 мм и 6,65 мм соответственно. Толщина зерна в наибольшей степени характеризует его технологические свойства. Между толщиной зерна мягкой пшеницы и содержанием в нем эндосперма существует тесная корреляционная связь (r = 0,990) [1].

Количество крахмалистого ядра эндосперма в зерне, полученном сходом с сита 2,7 х 20 мм, на 10,73 % больше, чем в мелком зерне (сходе с сита 1,7 x 20 мм). Доля алейронового слоя в мелком зерне больше почти в два раза, чем в крупном. Таким образом, соотношение эндосперма и оболочек с уменьшением размера зерновок изменяется в пользу периферийных слоев [2].

Проведен анализ данных о качестве отдельных фракций мягкой пшеницы с зерном стекловидной и мучнистой консистенции в сравнении с нерассортированной. Все три линейных размера зерновок постепенно уменьшаются. Параллельно снижается объемная масса и масса 1000 зерен. Общая стекловидность фракций твердой пшеницы уменьшается с 79 % до 72 %, в то время как у фракций мягкой остается практически постоянной. Содержание эндосперма (по отношению к исходному) снижается соответственно на 3,5 % и 4,5 %, зольность эндосперма возрастает на 0,05 % и 0,10 %. Во фракциях твердой пшеницы, полученных сходом с сит 1,7 х 20 и 1,4 x 20 мм, существенно возрастает содержание белка по сравнению с исходным зерном - на 2,0 % при относительно небольшом увеличении количества сырой клейковины (на 0,9 %) [3, С. 75], [4, С. 27], [5, C. 26].

Современные информационные технологии в сфере оптической микроскопии и технического (или компьютерного) зрения позволяют упростить и автоматизировать получение информации о морфолого-анатомических характеристиках зерна. Анализ микрофотографий, обрабатываемых алгоритмами компьютерного зрения, позволяет получить данные о размерах различных составных частей зерновки.

Проводили анализ микрофотографий по­перечных срезов зерновок мягкой пшеницы Саратовская 42 из восточной, центральной и западной зон районирования Оренбургской области (рис. 1). Петля у зерна восточной зоны узкая, вытянутая вдоль бороздки; петля у зерна западной зоны двуязыкая, растянутая, с широким размахом. У зерна центральной зоны области петля более компактная, сомкнутая, с небольшим размахом. В зависимости от формы петли бороздки меняется расположение пигментного слоя. В нижней части бороздки под центральным тяжем алейроновый слой отходит от гиалинового, и между ними образуются пустоты. Воздушные полости больше у пшениц центральной и западной зон области [6, C. 43], [7, C. 26].

Петли аналогичной формы наблюдаются и у мягкой пшеницы сортов Варяг, Прохоровка, Саратовская 42. Отношение толщины зерна к глубине петли колеблется от 55,2 % до 74,2 %, ширины зерна к ширине петли - от 9,7   % до 24,2 %. Размер бороздки зерна у твердой пшеницы в меньшей степени изменчив, чем у мягкой. Вариации глубины бороздки составляет: для твердых сортов пшеницы – около 170 мкм, для мягких сортов – около 350 мкм.

Рис. 1 – Форма петли бороздки зерновки мягкого сорта пшеницы

 

Среди сортов озимой пшеницы можно различить две группы: первую - с глубокой бороздкой (от 60 % до 75 % толщины зерна) и вторую - с мелкой бороздкой (от 45 % до 55 %). Четких различий по данному показателю зерна твердой и мягкой пшеницы не выявлено.

Глубина и конфигурация бороздки оказывают определяющее влияние на мукомольные свойства зерна. В литературных источниках отмечается наличие связи глубины бороздки с выходом муки в пределах сорта [8, C. 34].

Отношение глубины бороздки к толщине зерна для твердой и мягкой пшеницы колебалось соответственно в диапазоне от 60,5 % до 67,5 % и от 60,5 % до 71,5 %. Выявлена обратно пропорциональная зависимость этого показателя с мукомольными свойствами - выходом муки и ее качеством. Так, при уменьшении показателя отношения глубины бороздки к толщине зерна от 71,5 % до 60,5 % наблюдается увеличение выхода муки первого сорта с 69,2 % до 73,7 %. У муки 70 %-ного выхода наблюдается снижении зольности с 0,78 % до 0,61 %.

Г. А. Егоров, Т. П. Петренко и В. П. Изосимов выделяют следующие четыре основные разновидности конфигурации петли:

- щелевидная петля бороздки, внедряющаяся в центральную часть эндосперма в направлении спинки зерна, воздушная полость отсутствует;

- петля правильной округлой формы с незначительной воздушной полостью;

- сплюснутая двуязычная петля бороздки, внедряющаяся в щечечную часть эндосперма, воздушная полость небольшого размера;

- развитая петля бороздки с большим размахом и высотой петли, т. е. с большой воздушной полостью.

Наиболее выгодным с точки зрения мукомольных свойств отношением глубины петли бороздки к толщине зерна характеризуется пшеница II и IV типа (52,2 % и 53,1 % соответственно) и худшим - I типа (56,0 %) [9, C. 37].

В пределах сортов пшеницы I типа встречаются все разновидности формы петли бороздки. Зерна одного сорта пшеницы разных по стекловидности фракций могут иметь разную форму петли бороздки. Влияет также район произрастания и условия созревания зерна.

Результаты помола девяти образцов пшеницы I типа свидетельствуют о том, что больший выход муки получают из сортов, зерно которых характеризуется третьей группой петли бороздки (Саратовская 42, Прохоровка, Юго-Восточная 3).

Наряду с различиями в весовом соотношении и химическом составе анатомические части зерновки имеют характерные особенности микроскопического строения. Клетки зародыша -  относительно небольшого размера, цилиндрические, тонкостенные, содержат цитоплазму, ядра и капельки жира. Во многих клетках присутствуют мелкие зерна алейрона.

Толщина алейронового слоя твердых и мягких сортов пшеницы изменяется в одинаковых пределах. Суммарная толщина оболочек и алейронового слоя полностью стекловидных зерен составила 70,3 мкм и 65,3 мкм, мучнистых зерен тех же сортов - 82,3 мкм и 75,0 мкм. Толщина плодовой и семенной оболочек твердой и мягкой пшеницы практически одинакова. Толщина алейронового слоя зерновок твердой пшеницы больше (39 мкм) по сравнению с мягкой (34 мкм).

Средняя суммарная толщина алейронового слоя и оболочек независимо от типа и сорта пшеницы составила 67 мкм, толщина алейронового слоя - 33 мкм. Отмечается, что типы и сорта пшеницы различаются по выравненности толщины алейроновых клеток. Так, зерно твердых сортов отличается более правильной формой клеток по сравнению с аналогичными клетками мягкой пшеницы. Профиль алейронового слоя влияет на мукомольные свойства пшеницы: у некоторых сортов его очертания имеют ступенчатую и даже зубчатую форму. Лучшая вымалываемость пшеницы тесно связана с выравненными по толщине клетками [10, C. 37].

Для лучшего использования потенциальных возможностей зерна пшеницы необходимо знание его морфологии, соотношения составных частей, прочности их связи и химического состава. Информационные технологии позволяют с минимальными трудозатратами определять и оперативным образом использовать данные о морфолого-анатомических характеристиках зерна пшеницы.

Список литературы / References

1. Медведев П. В. Управление качеством продуктов переработки зерна и зерномучных товаров / П. В. Медведев, В. А. Федотов, И. А. Бочкарева // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств. - 2016. - № 1. - С. 61 – 69.
2. Калачев М. В. Малые предприятия для производства хлебобулочных и макаронных изделий / М. В. Калачев. - М. : ДеЛи принт, 2008. - 288 с.
3. Официальный Интернет-сайт Росстата. [Электронный ресурс]. – URL: http://www.gks.ru. (дата обращения: 05.03.2017).
4. Беркутова Н. С. Микроструктура пшеницы / Н. С. Беркутова, И. А. Швецова. - М. : Колос, 1977. - 122 с.
5. Федотов В. А. Факторы формирования потребительских свойств зерномучных товаров / В. А. Федотов // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2011. – № 4. – С. 186-190.
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. ГОСТ 27669-88 Мука пшеничная хлебопекарная. Метод пробной лабораторной выпечки хлеба (с Изменениями N 1, 2) – Введ. 1989-07-01. – М. : Стандартинформ, 2007.
8. Гончаренко А. А. Об адаптивности и экологической устойчивости сортов зерновых культур / А. А. Гончаренко // Вестник РАСХН. – 2005. – № 6. – С. 49-53.
9. Харченко М.А. Корреляционный анализ: Учебное пособие для вузов. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 2008. – 31 с.
10. Хангильдин В. В. Гомеостатичность и адаптивность сортов озимой пшеницы / В. В. Хангильдин, Н. А. Литвиненко // Науч.-техн. бюл. – 1981. – № 1. – С.8-14.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Medvedev P. V. Upravlenie kachestvom produktov pererabotki zerna i zernomuchny`kh tovarov [Management of quality of grain processing products and seromycin products] / P. V. Medvedev, V. A. Fedotov, I. A. Bochkareva // Nauchny`i` zhurnal NIU ITMO. Seriia: Protcessy` i apparaty` pishchevy`kh proizvodstv [The scientific journal ITMO. Series Processes and equipment for food production]. - 2016. - № 1. - P. 61 – 69. [in Russian]
2. Kalachev M. V. Maly`e predpriiatiia dlia proizvodstva khlebobulochny`kh i makaronny`kh izdelii` [Small enterprises for the production of bread and pasta] / M. V. Kalachev. - M. : DeLee print, 2008. - 288 p. [in Russian]
3. Oficial’nyj Internet-sajt Rosstata [Official website of Rosstat]. [Electronic resource]. – URL http://www.gks.ru.. (accessed: 05.03.2017) [in Russian]
4. Berkutova N. S. Mikrostruktura pshenitcy` [Wheat`s microstructure] / N. S. Berkutova, I. A. Shvetcova. - M. : Kolos, 1977. - 122 p. [in Russian]
5. Fedotov V. A. Faktory formirovanija potrebitel'skih svojstv zernomuchnyh tovarov [Factors of formation for consumer properties of goods seromycin] / V. A. Fedotov // Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta [Journal of Orenburg state university]. – 2011. – № 4. – P. 186-190. [in Russian]
6. Medvedev P.V. Kompleksnaia ocenka potrebitel`skikh svoi`stv zerna i produktov ego pererabotki [Comprehensive assessment for consumer properties of grain and processing products] / P. V. Medvedev, V. A. Fedotov, I. A. Bochkareva // Mezhdunarodny`i` nauchno-issledovatel`skii` zhurnal [International science-research journal]. - 2015. - № 7-1 (38). - P. 77-80. [in Russian]
7. GOST 27669-88 Muka pshenichnaya hlebopekarnaya. Metod probnoj laboratornoj vypechki hleba (s Izmeneniyami ) [Wheat Flour. Method of test laboratory baking bread (with Amendments No. 1, 2). [in Russian]
8. Goncharenko A. A. About adaptive ability and ecological stability of grain crop varieties/ A. A. Goncharenko // Gazette of RAAS. – 2005. – № 6. – PP. 49-53. [in Russian]
9. Harchenko M.A. Korreljacionnyj analiz [Correlation analysis]: Uchebnoe posobie dlja vuzov [A manual for universities]. – Voronezh: Izd VGU, 2008. – 31 p. [in Russian]
10. Khangildin V. V. Homeostasis and adaptability of winter wheat cultivars / V. V. Khangildin, N. A. Litvinenko // Scintif.-Techn. Bull. VSGI. – 1981. – № 1. – PP. 8-14. [in Russian]