INFLUENCE OF GENOTYPIC WHEAT GRAIN FACTORS ON STRUCTURAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF ITS MILLING PRODUCTS

ВЛИЯНИЕ ГЕНОТИПИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ НА СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОДУКТОВ ЕГО РАЗМОЛА

Научная статья

Медведев П.В.¹, Федотов В.А.^2, *, Владимиров Н.П.³

² ORCID: 0000-0002-3692-9722;

^{1, 2, 3} Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия

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

Аннотация

В статье дана сравнительная характеристика оценки структурно-механических свойств зерна пшеницы на основе гранулометрического анализа продуктов размола зерна. Наиболее распространенный показатель этих свойств – показатель твердозерности, который оценивался: по проходу определенного сита, а также расширенным гранулометрическим – фрактографическим методом, позволяющим с помощью «компьютерного зрения» учитывать не только размеры частиц, но и их форму. Проведено исследование влияния способа размола на точность оценки твердозерности зерна.

Ключевые слова: твердозерность, зерно пшеницы, вальцовые установки, размол зерна, гранулометрический анализ.

INFLUENCE OF GENOTYPIC WHEAT GRAIN FACTORS ON STRUCTURAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF ITS MILLING PRODUCTS

Research article

Medvedev P.V.¹, Fedotov V.A.^2, *, Vladimirov N. P.³

² 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 description of the structural and mechanical properties of wheat grain based on particle size analysis of grain grinding products. The most common indicator of these properties is the hardness index, which was evaluated: by the passage of a certain sieve, as well as by the advanced particle size distribution – fractographic method, which allows using “computer vision” to take into account not only the particle size, but also their shape. A study was made of the influence of the grinding method on the accuracy of assessing grain hardness.

Keywords: hardness, wheat grain, roller plants, grain grinding, particle size analysis.

Введение

Биологические системы, частным случаем которых является зерно пшеницы, представляют собой сложные многокомпонентные структуры, в которых показатели качества характеризуются высокой лабильностью, зависимостью от генотипических и агроэкологических факторов, что определяет необходимость их контроля и учета при выборе оптимальных технологических режимов на каждом этапе процесса переработки зерна.

Как известно, основной вклад в формирование качества зерна и продуктов его переработки вносят генотипические и агроэкологические факторы. Однако, сведения об их совместном влиянии разрозненны, что связано с несовершенством методик их определения, сложностями в интерпретации степени влияния факторов на качество сырья, полуфабрикатов и готовой продукции.

Показатель твердозерности зерна является в большей степени генетически закрепленной характеристикой пшеницы, наиболее устойчивым к влиянию агроэкологических факторов, предположительно, может быть использован в качестве объективного критерия оценки физико-химических показателей пшеницы [1], [2], [3].

Твердозерность как показатель структурно-механических свойств зерна проявляется и может быть измерена в процессе измельчения. Измельчение зерна и зернопродуктов на мукомольных заводах – одна из ведущих технологических операций в процессе производства муки и крупы. От эффективности процесса измельчения зависят качество и выход готовой продукции, энергоемкость технологического процесса и основные экономические показатели предприятия. Главная измельчающая машина на современном мукомольном заводе – вальцовый станок. Устройство основных узлов различных вальцовых станков в основном одинаково, отличаются только конструкции отдельных узлов. Перспективным является разработка методов экспрессного анализа показателя твердозерности зерна на начальных стадиях его переработки [4].

Материалы и методы исследования

Материалом исследований служило зерно 13-ти сортов пшеницы Оренбургской области урожая трех природно-климатических зон (восточная, центральная, западная) за 10 лет испытаний (2009 – 2018 гг.). Изучали твердую пшеницу шести сортов: Оренбургская 10, Безенчукская 200, Оренбургская 21, Безенчукская янтарь, Харьковская 3, Степь 3 и мягкую пшеницу семи сортов: Саратовская 42, Учитель, Оренбургская 13, Юго‑восточная 3, Варяг, Прохоровка, Л-503. Исследованные сорта – в настоящее время лидеры посевов в Оренбургской области, на их долю приходится до 80 % площади сельскохозяйственных угодий, отведённых под посев пшеницы в этом регионе.

При переработке зерна пользовались различными методами измельчения. Помолы проводили в соответствии с «Правилами организации и ведения технологического процесса на мукомольных заводах». Перед размолом зерно было увлажнено до рекомендуемых значений влажности, в зависимости от начальной влажности сырья [5].

Методы определения твердозерности зерна включали в себя различные методики ситового анализа продуктов его размола, косвенно характеризующие степень твердозерности зерна. Кроме того, для сравнения, использовали прямой метод оценки твердозерности по усредненным значениям микротвердости зерновки [6].

Твердозерность оценивали следующими методами:

– по показателю степени измельчения (ПСИ) согласно методики ВНИИЗ (проход через сито № 008, в %);

– по показателю индекса размера частиц (ИРЧ) согласно методики, предложенной Н.С. Беркутовой (проход через сито №0071, в %);

– по показателю микротвердости (по способности зерна сопротивляться вдавливанию на микротвердомере ПМТ-3, в  кг/мм²).

Диапазон значений микротвердости: для низкотвердозерного – менее 10 кг/мм², среднетвердозерного – от 10 до 15 кг/мм², высокотвердозерного – от 15 до 20 кг/мм², сверхвысокотвердозерного – больше 20 кг/мм².

Кроме того, для оценки твердозерности использовали алгоритмы современных информационных технологий. На сегодняшний день перспективным является повышение информативности гранулометрического анализа за счет использования современных интеллектуальных систем при цифровизации зерноперерабатывающей отрасли. Для исследования продуктов размола зерна пшеницы использовали расширенный гранулометрический – т.н. фрактографический анализ размола зерна, позволяющий учитывать не только линейные размеры частиц размола, но и их форму. Применение информационных технологий – технического (компьютерного) зрения для классификации частиц по форме и размеру позволило существенно снизить временные и трудозатраты, а также погрешность оценки [7].

Фрактографический анализ проводили на лабораторной установке, состоящей из цифровой камеры Sony IMX219 Exmor RS 8MP (CMOS) с восьмимегапиксельным сенсором, оснащенной для точного позиционирования относительно измельченного материала сервоприводами в синхронном исполнении. Обработку изображений микроснимков осуществляли миниатюрным одноплатным компьютером Raspberry Pi 3 Model B+ под управлением операционной системы Raspbian stretch (GNU/Linux 9.1). Для анализа изображений продуктов размола зерна было разработано программное обеспечение на основе OpenCV – библиотеки алгоритмов технического зрения. На первом этапе анализа частицы размолотого зерна определяют как отдельные объекты за счет программной обрисовки каждой замкнутым контуром. На выходе образуется массив проекций контуров частиц (фигур), у которых определяются их геометрические характеристики. Выделены наиболее значимые характеристики фигур. Из центров тяжести фигур алгоритмами технического зрения выделяется достаточное количество отрезков во все стороны, вычисляются средние значения длин (Х) и коэффициенты их вариации (К) у каждой фигуры. При анализе выборки из большого количества частиц средние значения Х и К в наибольшей степени характеризуют размер частиц и форму. [8]

Результаты и их обсуждение

Для установления влияния характера измельчения зерна на результаты определения твердозерности ситовым, фрактографическим и другими методами проводили помолы зерна пшеницы тремя разными мельничными установками.  [9]

Первый вариант измельчения зерна представлял собой помол на лабораторной мельнице Nagema 812,  производительностью от 350 до 900 кг/час. Данные баланса помола на данной установке свидетельствуют о ее высокой технологической эффективности.

Второй вариант измельчения зерна представлял собой помол на лабораторной вальцовой мельнице «Labor muszeripari muvek» венгерского производства.

Третий вариант измельчения зерна представлял собой упрощенный помол на миниатюрной лабораторной мельнице (например, мини-мельнице Novita), удовлетворяющей требованиям ГОСТ ISO 21415-2:2015 «Пшеничная и пшеничная мука. Содержание клейковины». Согласно требованиям ГОСТ процесс размола должен длиться от 30 до 40 секунд. При производстве муки таким способом получали 72 % первого сорта (или 60 % высшего сорта) муки и 28 % отрубей.

Поскольку интенсивность размола зерна на зерновой мини-мельнице определяется, в основном, лишь длительностью процесса, параллельно изучали влияние варьирования длительности размола в диапазоне от 20 до 80 секунд. Сравнительный анализ измерений твердозерности размалываемого зерна показал, что размол дольше 40 секунд не приводил к существенному расширению диапазона значений твердозерности. Поэтому продолжительность размола приняли за постоянную величину в 40 секунд.

Технологический процесс на вальцовых станках построен на использовании драных, шлифовочных и размольных систем. Вместе с постепенным измельчением зерна, на каждой системе отсеивают некоторое количество муки, выделяют промежуточные потоки, группирование и размол которых позволяет получить муку различную по качеству. Эти потоки можно объединить в один сорт или разделить на несколько сортов определенного качества. Промежуточные продукты разделяют по крупности на отдельные потоки на просеивающих машинах.

Отбор муки вели на рассевах (рассев лабораторный типа У1-ЕРЛ с частотой колебаний не менее 180 в мин) на ситах с различными размерами ячеек в течении 5 минут.

Опытным путем установили, что для одновременного достижения максимально высокого выхода муки и обеспечения получения требуемого сорта необходимо:

– для получения муки высшего сорта из продуктов размола зерна оптимально использовать сито №49/52 ПА;

– для получения муки первого сорта – сито № 45/50 ПА;

– для получения муки второго сорта – сито № 41/43 ПА.

Сортность полученных образцов муки была оценена по показателю белизны и крупности помола. Общепринят при оценке качества муки способ определе­ния крупности помола по остатку и проходу через одно-два сита соот­ветствующих размеров. Крупность помола устанавливали в соответствии с ГОСТ 27560-87 «Мука и отруби. Метод определения крупности».

Согласно ГОСТ 26574-2017 «Мука пшеничная хлебопекарная» мука первого сорта должна соответствовать проходу через сито из шелковой ткани № 43 не менее 80 %, проходу через сито из полиамидной ткани № 45/50 не менее 80 %. Мука второго сорта должна соответствовать проходу через сито из шелковой ткани № 38 не менее 65 %, проходу через сито из полиамидной ткани № 41/43 не менее 65 %. [10], [11], [12] Сравнивали результаты определения твердозерности по данным ситового и фрактографического анализа продуктов размола зерна, полученных измельчением тремя описанными методами. В качестве референтной методики определения твердозерности, использовали показатель микротвердости зерна (как прямой метод оценки твердозерности). Сравнение со значениями, полученными референтной методикой позволило оценить точность определения твердозерности (таблица 1).

Таблица 1 – Корреляционная матрица показателя твердозерности зерна, определенного гранулометрическими методами в сравнении с данными микротвердомера

Установили наличие статистически значимых связей между результатами изучаемых способов оценки твердозерности вне зависимости от метода помола зерна (лабораторными мельницами Nagema, Labor muszeripari muvek, Novital). В большей степени эти связи проявляются при измельчении зерна вальцовыми установками, чуть хуже – при помолах зерновой мини-мельницей. [13] В результате обработки большого количества экспериментальных данных получены регрессионные уравнения связи показателей фрактографического анализа продуктов размола зерна с твердозерностью этого зерна. Установлена предельная относительная погрешность определения твердозерности (по сравнению со значениями твердозерности, измеренной по микротвердости зерна) (таблица 2).

Таблица 2 – Связь твердозерности с данными гранулометрических анализов

Полученные уравнения послужили основой фрактографического метода определения твердозерности зерна пшеницы (патент РФ № 2442132, свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ № 2011610605). Погрешность определения твердозерности при измельчении мельницей Nagema не превышает 2,4 %, мельницей Labor muszeripari muvek – 2,6 %, зерновой мини-мельницей Novital – 2,9 %.

Кроме того, данные фрактографического анализа также использовали для прогнозирования хлебопекарных качеств зерна пшеницы в процессе его помола (патент РФ № 2433398, свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ № 2018660558). В качестве референтной методики оценки хлебопекарных свойств зерна и муки пользовались пробной лабораторной выпечкой, производимой двумя методами, характеризующимися существенными технологическими различиями – трехфазной по методике НИИХП и однофазной по методике ВНИИЗ.

Установлены статистически значимые зависимости объемного выхода хлеба, его формоустойчивости и балльной оценки качества от твердозерности вне зависимости от метода измельчения зерна (таблица 3).

Заключение

Таким образом, в ходе проведенных исследований изучены возможности использования гранулометрического (фрактографического) анализа продуктов размола зерна для оценки структурно-механических свойств зерна пшеницы (ее твердозерности). На основе сравнительного анализа экспериментальных данных показано, что твердозерность – достоверный и информативный показатель для прогнозирования хлебопекарных свойств зерна и муки вне зависимости от метода измельчения зерна.

Разработаны экспрессные способы определения физико-химических показателей качества продуктов размола зерна пшеницы на основе фрактографического анализа: определение твердозерности зерна с погрешностью не более 3 %, объемного выхода хлеба – не более 8 %, балльной оценки качества хлеба – не более 15 %, в сравнении с традиционными методами определения.

Таблица 3 – Предельная относительная погрешность оценки хлебопекарных свойств продуктов размола зерна по твердозерности, определенной фрактографическим анализом, %