Бийск, Алтайский край, Россия
Бийск, Алтайский край, Россия
Бийск, Алтайский край, Россия
В последнее время качество зерна гречихи, которое поступает на переработку в крупу, ухудшилось. Это связано со снижением требований к его качеству. Наиболее характерным примером является зерно гречихи, убранное из-под снега. Особенностью переработки зерна гречихи является его разделение на фракции по крупности перед шелу- шением. В связи с этим актуальным является исследование механических свойств указанных фракций. Целью настоящей работы является исследование динамики изменений механических свойств зерен гречихи из-под снега основных фрак- ций по крупности до и после хранения. В качестве объектов исследования использовали разделенные перед шелушением в используемой технологии фракции зерна гречихи по крупности. Зерно гречихи убрано в предгорной части Алтайского края в мае 2015 года и соответствует требованиям нормативной документации. Были исследованы двенадцать образцов: шесть образцов собраны и направлены на переработку (май 2015), другие шесть образцов отобранные и хранившиеся во- семь месяцев в складских помещениях по март. Для исследования отбирали образцы не прошедшие этап температурной обработки. В настоящей работе проведено исследование механических свойств зерен гречихи шести фракций по круп- ности до и после хранения. Результаты исследования показали, что мелкие фракции подвержены большей деформации. Это может привести к высокой деформации и разрушению их при шелушении. Проведенные исследования позволяют утверждать, что в процессе хранения зерна, убранного из-под снега, изменение механических свойств во фракциях зерна гречихи разных размеров происходит не равномерно.
Зерно гречихи, хранившееся под снегом, фракция, механические свойства, шелушение, крупность, хранение, прочность, изменение
Гречиха – это безглютеновая псевдозлаковая культура, которая содержит высокоценные пище- вые нутриенты. Они обеспечивают уникальным комплексом полезных свойств человеческий орга- низм. Употребление гречихи приводит к снижению уровня холестерина в плазме, нейропротекции, про- тивоопухолевым, противовоспалительным, про- тиводиабетическим эффектам и профилактике артериальной гипертонии. Кроме того, гречиха об- ладает пребиотической и антиоксидантной активно- стью. Исследования in vitro и на животных показали, что такие биоактивные соединения, как d-хиро-ино- зит, белки гречихи и флавоноиды (главным образом рутин и кверцетин), могут быть частично ответ- ственны за наблюдаемые эффекты [1].
В связи с высокой биологической ценностью ядра гречихи проводятся обширные исследования ингредиентов гречихи: фагопирины и протофаго- пирины [2]; антоцианы – 3-O-глюкозид цианидина, 3-O-рутинозид цианидина, 3-O-рамнозид цианидина и цианидин [3]; фенольные соединения – катехин и эпикатехин [4].
Также было изучено влияние микроэлементного состава на антиоксидантную активность гречихи [5] Однако в процессе переработки значительная часть биологически активных соединений теряется. Так, в гречневой муке было обнаружено 32 свобод- ных и 24 связанных фенольных соединений. В про- цессе переработки их в готовое блюдо (спагетти) общее содержание фенольных соединений умень- шилось на 74,5 %. Причем из общей доли фенольных соединений в сухих спагетти в воде в процессе при-
готовления растворилось 11,6 % [6].
При термообработке крупы гречихи происходят изменения в качестве белков в результате реакции Майяра и одновременно уменьшается антиоксидант- ная активность [7].
Исследования, проведенные в Западной Канаде, показали, что содержание флавоноидов и антиокси- дантная активность гречихи зависит от условий, ме- ста и года культивирования [8].
Во время хранения происходит снижение кон- центрации ферментов липазы, липоксигеназы, пе- роксидазы и рутина, но увеличивается кислотное число жира ядра гречихи [9].
В связи с этим важным фактором выработки ка- чественной продукции является соответствие каче- ства сырья требованиям нормативной документации ГОСТ Р 56105-2014 «Гречиха. Технические условия». По своим природно-климатическим услови-
ям Алтайский край находится в зоне рискованно- го земледелия, но, несмотря на это, располагает огромными возможностями в организации ведения
растениеводческой отрасли [10].
В последнее время качество зерна гречихи, кото- рое поступает на переработку в крупу, ухудшилось. Это связано со снижением требований к его каче- ству [11]. По мнению специалистов, главными при- чинами резкого снижения качества и увеличение его стоимости является нехватка кадров, техники, а так- же низкие цены на продукцию [12,13]. Вместе с этим затраты на его производство ложатся на объемы убранного зерна, что приводит к росту его себестои- мости. Поэтому нередки случаи, когда качественное зерно подсортировано зерном более низкого каче- ства. В связи с этим важным является исследование зерна гречихи, которое не соответствует требовани- ям нормативных документов. Наиболее характер- ным примером является зерно гречихи, убранное из-под снега, так как качество перезимовавшего зерна под снегом значительно отличается от зерна убранного осенью.
В работе [14] авторы исследовали зерно гречихи, убранное весной после схода снега. По показателям качества и безопасности зерно соответствовало тре- бованиям нормативной документации и могло быть использовано для переработки в крупу гречневую ядрица. Проведенные исследования показали, что зерно гречихи, убранное из под снега, по своим фи- зико-механическим, морфологическим и структур- ным свойствам является не однородным, содержит четыре основных дефекта, наличие которых, как показали производственные испытания, приводит к появлению испорченных зерен на этапе гидротер- мической обработке (ГТО), что может затруднить выработку качественной продукции [15,16]. Срав- нительный анализ массовой доли продуктов пере- работки осеннего и хранившегося под снегом зерна гречихи показал снижение выхода массы доли цело- го ядра и увеличение доли дробленого ядра не менее чем в два раза.
В связи с тем, что отличительной особенностью переработки зерна гречихи является разделение его перед шелушением на фракции по крупности, важ- ным является исследование механических свойств указанных фракций [17]. Такой подход к перера- ботке определен тем, что шелушение зерна гречихи является одним из основных этапов определяющих качество, массовую долю готового продукта и эф- фективность работы. Знание механических свойств является важным, так как они определяют способы и режимы шелушения зерна
Все образцы для исследования были отобраны на гречезаводе производительностью 4 т/ч. Так как зерно шелушат, пропуская его между рабочими ор- ганами машины, установленными с определенным зазором, при переработке важно иметь однородную
Марьин В. А. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 1 С. 97–103
Таблица 1 – Размеры круглых отверстий, характеризующих фракции
Table 1 – Sizes of the round holes according to fraction
|
Номер фракции |
Крупность зерна, мм |
|
|
Проход сита |
Сход сита |
|
|
1 |
– |
5,0 |
|
2 |
5,0 |
4,5 |
|
3 |
4,5 |
4,2 |
|
4 |
4,2 |
4,0 |
|
5 |
4,0 |
3,6 |
|
6 |
3,6 |
3,4 |
по крупности зерновую массу [18]. Исходя из ука- занных требований, зерно перед шелушением разде- ляли на шесть фракций по крупности.
Целью настоящей работы является исследование динамики изменений механических свойств зерен гречихи из-под снега основных фракций по крупно- сти до и после хранения.
Объекты и методы исследования
Для испытания были отобраны партии рядового зерна гречихи предгорной части Алтайского края, попавшие под снег осенью 2014 года. Уборка тако- го зерна проводилась весной 2015 года после схода с полей снега. Объектами исследования являются фракции зерна гречихи по крупности, разделенные перед шелушением в используемой технологии. Были исследованы двенадцать образцов: шесть об- разцов собраны и направлены на переработку (май 2015 г.), шесть образцов отобраны и хранившиеся восемь месяцев по март 2016 г. Для исследования от- бирали образцы, которые не прошли этап темпера- турной обработки.
Зерно по фракциям было упаковано в мешки по 10 кг и отправлено в склад на хранение. Такой
способ хранения позволил полностью исключить травмирование зерна при его хранении, а также исключить его контакт с технологическим обору- дованием, которое может привести к деформации зерна при его передвижении на разных машинах. Для исследования производился отбор проб каждой фракции из пяти мешков. Из них отбирали средний образец и направляли на исследования. В экспери- ментальной части приведены средние значения по- казателей.
Контрольные образцы были расположены стоя в один ряд на деревянных решетках. Такой способ расположения мешков с исследуемыми образцами был определен исходя из того, что влажность, распо- ложенных по рядам мешков, имеет свой показатель в процессе хранении для каждого ряда.
Характеристики образцов, размеры круглых от- верстий сит, установленных на сортирующих маши- нах, разделяющих зерно на фракции по крупности, представлены в таблице 1.
Анализ таблицы позволяет утверждать, что для исследования выбраны шесть образцов зерна гре- чихи различных типоразмеров до и после хранения. Зерна гречихи условно можно разделить на крупные (диаметр 5,0–4,5 мм), средние (4,2–4,0 мм) и мелкие (4,0–3,6 мм). Размеры зерен являются сортовыми признаками и могут изменяться в зависимости от ус- ловий выращивания [19].
Чтобы избежать значительных погрешностей все исследования проводились с зерном от одного производителя. Показатели качества исследуемо- го нефракционированного зерна представлены в таблице 2.
Анализ таблицы позволяет утверждать, что ис- пользуемое для исследования зерно, хранившееся под снегом, соответствует показателям качества, ко- торые указаны в нормативных документах.
Таблица 2 – Показатели качества нефракционированного зерна осеннего и весеннего урожая и зерна гречихи по требованиям нормативной документации
Table 2 – Quality indices of unfractionated grain of the autumn and spring harvest and buckwheat grain according to regulatory documents
|
Наименование определяемых показателей |
Значение показателей качества |
||
|
НТ |
Зерно весеннего урожая |
||
|
(май) |
(март) |
||
|
Состояние |
в здоровом негреющем состоянии |
в здоровом негреющем состоянии |
в здоровом негреющем состоянии |
|
Цвет |
свойственный здоровому зерну нормальный цвет |
свойственный здоровому зерну нормальный цвет |
свойственный здоровому зерну нормальный цвет |
|
Запах |
свойственный здоровому зерну |
свойственный здоровому зерну |
свойственный здоровому зерну |
|
Влажность, % |
14,5 |
13,2 |
13,0 |
|
Содержание ядра, |
71 |
76,0 |
75,9 |
|
Сорная примесь, % |
2,0 |
1,5 |
1,5 |
|
В том числе |
|
|
|
|
Испорченные зерна, % |
0,2 |
0,3 |
0,3 |
|
Зерновая примесь, % |
2,0 |
0,4 |
0,5 |
|
Проросшие зерна, % |
1,0 |
0,4 |
0,4 |
|
Зараженность вредителями, экз./в 1 кг |
не допускается |
не обнаружено |
не обнаружено |
|
Загрязненность мертвыми насекомыми вредителями, экз./в 1 кг |
не допускается |
не обнаружено |
не обнаружено |
Marin V.A. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 1, pp. 97–103
|
– 1,73 % – 2,15 %
– 2,32 % – 3,85 %
– 4,32 % |
|
– 7,10 % – 9,21 % |
1
|
ТМА % |
|
LOAD g |
2
3
Рисунок 1 – Схема проведения испытания механических свойств зерна гречихи на термомеханическом анализаторе
«Shimadzu-60», где 1 – индентор, 2 – зерно гречихи,
3 – столик измерительной ячейки
Figure 1 – The scheme of the mechanical properties test of buckwheat grain in the thermomechanical analyzer Shimadzu-60: 1 – indenter,
2 – buckwheat grain, 3 – measuring cell table
Результаты и их обсуждение
Форму ядра гречихи можно представить как трехгранную пирамиду. Исходя из этого, было из- готовлено устройство для проведения механических испытаний ядра гречихи, чертеж которого представ- лен на рисунке 1.
Для исследования были использованы зерна гре- чихи размером 5,0–3,6 мм и влажностью 13,0–13,2 %, так как на используемых для шелушения машинах такая влажность является оптимальной.
Устройство для испытания образцов представ- ляет собой латунный цилиндр, в котором выбрана полость с углом 60° и глубиной 0,5 мм для устойчи- вого расположения ядра.
|
ТМА % |
|
LOAD g |
Для исследований механических свойств зер- на использовали термомеханический анализатор (ТМА-60) «Shimadzu-60» (Япония). На столик изме- рительной ячейки (рис. 1) помещали ядро гречихи.
Time (min)
Рисунок 3 – Механические кривые разных фракций зерна гречихи образцов сразу после хранения, март 2016 г.
Figure 3 – The mechanical curves of various fractions of buckwheat grain samples immediately after storage, March 2016
Time (min)
Рисунок 2 – Механические кривые образцов разных фракций зерна гречихи в мае месяце сразу после уборки зерна
Figure 2 – The mechanical curves of the samples of various fractions of buckwheat grain in May immediately after harvesting
Под углом 90° на одну точку грани ядра направля- ли индентор диаметром 3 мм со скоростью нагру- жения 10 г/мин в течение 40 мин. Максимальная нагрузка (Р) на образец составляла 400 г.
Результаты механических изменений фракций зерен гречихи с 1 по 6 представлены на рисунках 2, 3. По оси Y слева – изменение линейного разме- ра образца в %. По оси Y справа показана нагрузка индентора прибора на образце в граммах. Про- граммное обеспечение анализатора и его свойства позволяет производить нагрузку на образец в грам- мах. Указанные на рисунках 2, 3 отрицательные показатели деформации и нагрузки характеризуют процесс сжатия образца. По оси Х указана продол- жительность эксперимента в минутах.
По результатам измерений построены графики. Результаты механических испытаний образцов зерен гречихи фракций различных размеров, убранных в мае, представлены на рисунке 2
Из представленных данных следует, что с уменьшением размера зерна увеличивается его де- формация. Относительная деформация образцов со- ставила:
- первая фракция – 1,73 %;
- вторая фракции – 2,15 %. Резкое изменение отно- сительной деформации на третьей минуте возможно связано с прогибом плодовой оболочки;
- третья фракция – 2,32 %. Изменение относитель- ной деформации на восемнадцатой минуте возмож- но связано с прогибом плодовой оболочки;
- четвертая фракция – 9,21 %. Резкое изменение от- носительной деформации на третьей минуте воз- можно связано с прогибом плодовой оболочки; на 37 минуте при увеличении нагрузке при деформа- ции 3,85 % произошло разрушение образца. Можно предположить, что при испытании было использова- но дефектное зерно. Такое зерно можно обнаружить только после удаления плодовой оболочки;
- пятая фракция – 4,32 %;
- шестая фракция – 7,10 %. Изменение относитель- ной деформации на пятой минуте возможно связано с деформацией плодовой оболочки.
Марьин В. А. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 1 С. 97–103
ставили 0,49 % и 0,87 %, средних фракций – 0,5 % и 0,78 %, без учета разрушения образца, мелких фракций – 0,57 % и 1,83 %. Можно утверждать, что мелкие фракции до и после хранения подвержены большей деформации. Это может привести к высо- кой деформации и разрушению их при шелушении.
Для сопоставления механических свойств ис- следуемых образцов, характеризующих сопротив- ляемость деформации, был определен модуль в упругости на сжатия при 2 % деформации. Измене- ние модуля упругости фракций зерна гречихи до и после хранения представлены на рисунке 4.
Из представленных данных следует, что:
– для зерна до хранения – с уменьшением размера зерна происходит примерно линейное снижение мо- дуля упругости. Возможно, такое изменение упру- гости зерен разных фракций связано с различной
Рисунок 4 – Динамика модуля упругости фракций зерна гречихи до и после хранения
Figure 4 – The dynamic pattern of the elastic coefficient of buckwheat grain fractions before and after storage
Разброс относительной деформации в образцах разных фракций составил, без учета разрушения четвертой фракции одной партии гречихи, 5,35 %, с учетом разрушения – 7, 46 %.
Результаты механических испытаний образцов фракций зерна гречихи различных размеров после хранения представлены на рисунке 3
Из представленных данных следует, что с умень- шением размера зерна увеличивается его деформа- ция. Относительная деформация образцов составила:
- первая фракция – 2,22 %;
- вторая фракция – 2,97 %. Резкое изменение отно- сительной деформации на третьей минуте возможно связано с прогибом плодовой оболочки;
- третья фракция – 2,82 %. Изменение относитель- ной деформации на девятнадцатой минуте возможно связано с прогибом плодовой оболочки;
- четвертая фракция – 3,08 %. Изменение относи- тельной деформации на третьей минуте возможно связано с прогибом плодовой оболочки;
- пятая фракция – 3,75 %;
- шестая фракция – 5,27 %. Изменение относитель- ной деформации на пятой минуте возможно связано с деформацией плодовой оболочки.
Разброс относительной деформации в образцах разных фракций одной партии гречихи составляет 5,05 %. Разрушение образцов в ходе испытаний не выявлено.
Таким образом, изменение относительной дефор- мации крупных фракций до и после хранения со-
степенью зрелости зерна [20], а также с уменьшени- ем их геометрических размеров при сохранении па- раметров нагружения;
– для зерна после хранения – поведение деформации в образцах значительно различается. Деформация в крупных, средних и мелких зернах при всех равных условиях различается. Возможно, что такой харак- тер изменения деформации для различных фракций зерна гречихи связан с процессом дозревания зерен в процессе хранения [21]. Это приводит к увеличе- нию их прочности, а также то, что фракции гречи- хи по крупности имеют полидисперсный характер содержания ядра, чем меньше размер фракции, тем более выполнено ядро соответственно прочность та- кого ядра выше.
Выводы
Таким образом, проведенные исследования по- зволяют утверждать, что в процессе хранения зерна, убранного из-под снега, изменение механических свойств во фракциях зерна гречихи разных размеров происходит неравномерно, что необходимо учиты- вать при выборе режимов шелушения.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте- ресов.
Благодарности
Благодарю всех уважаемых коллег, которые по- могали при работе над статьей
Финансирование
Работа выполнена в Бийском технологиче- ском институте (филиал) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», руководитель М. А. Ленский.
1. Giménez-Bastida, J. A. Buckwheat as a Functional Food and Its Effects on Health / J. A. Giménez-Bastida, H. Zieliński // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2015. - Vol. 63, № 36. - P. 7896-7913. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jafc.5b02498.
2. Tavčar Benković, E. Fagopyrins and Protofagopyrins: Detection, Analysis, and Potential Phototoxicity in Buckwheat /E. Tavčar Benković, S. Kreft // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2015. - Vol. 63, № 24. - P. 5715-5724. DOI: https:// doi.org/10.1021/acs.jafc.5b01163.
3. Structural Identification of Anthocyanins and Analysis of Concentrations during Growth and Flowering in Buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench) Petals / T. Suzuki, S.-J. Kim, Z. I. S. Mohamed [et al.] // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2007. - Vol. 55, № 23. - P. 9571-9575. DOI: https://doi.org/10.1021/jf071474l.
4. Watanabe, M. Chiral Separation of Catechins in Buckwheat Groats and the Effects of Phenolic Compounds in Mice Subjected to Restraint Stress / M. Watanabe, J. Ayugase // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2009. - Vol. 57, № 14. - P. 6438-6442. DOI: https://doi.org/10.1021/jf901281j.
5. Trace Element Water Improves the Antioxidant Activity of Buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench) Sprouts / C.-L. Liu, Y.-S. Chen, J.-H. Yang [et al.] // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2007. - Vol. 55, № 22. - P. 8934-8940. DOI: https://doi.org/10.1021/jf0716275.
6. Determination of Free and Bound Phenolic Compounds in Buckwheat Spaghetti by RP-HPLC-ESI-TOF-MS: Effect of Thermal Processing from Farm to Fork / V. Verardo, D. Arráez-Román, A. Segura-Carretero [et al.] // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2011. - Vol. 59, № 14. - P. 7700-7707. DOI: https://doi.org/10.1021/jf201069k.
7. Changes in Protein Quality and Antioxidant Properties of Buckwheat Seeds and Groats Induced by Roasting /H. Zielinski, A. Michalska, M. Amigo-Benavent [et al.] // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2009. - Vol. 57, № 11. - P. 4771-4776. DOI: https://doi.org/10.1021/jf900313e.
8. Oomah, B. D. Flavonoids and Antioxidative Activities in Buckwheat / B. D. Oomah, G. Mazza // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 1996. - Vol. 55, № 7. - P. 1746-1750. DOI: https://doi.org/10.1021/jf9508357.
9. Effects of Lipase, Lipoxygenase, Peroxidase, and Rutin on Quality Deteriorations in Buckwheat Flour / T. Suzuki,Y. Honda, Y. Mukasa [et al.] // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2005. - Vol. 53, № 21. - P. 8400-8405. DOI: https:// doi.org/10.1021/jf0512499.
10. Региональный аспект возделывания гречихи на Алтае / В. М. Важов, В. Н. Козил, Р. Ф. Бахтин [и др.] // Успехи современного естествознания. - 2018. - № 8. - С. 40-45.
11. Мелешкина, Е. П. Современные аспекты качества зерна пшеницы / Е. П. Мелешкина // Аграрный вестник Юго-Востока. - 2009. - Т. 3, № 3. - С. 4-7.
12. «Ростсельмаш» назвал три основных причины потерь зерна при уборке // Агроинвестор. - 2017. - Режим досту- па: http://agriculture.by/news/mirovye-novosti/rostselmash-nazval-tri-osnovnyh-prichiny-poter-zerna-pri-uborke. - Дата обраще- ния: 25.12.2018.
13. Новоселов, С. В. Основы моделирования инновационного развития зерноперерабатывающих предприятий в условиях Алтайского края / С. В. Новоселов, Е. Н. Болхивитина, Ю. Г. Угарова // Ползуновский вестник 2012. - № 2-2. - С. 65-73.
14. Марьин, В. А. Механические характеристики зерна гречихи хранившегося под снегом / В. А. Марьин, А. Л. Верещагин, Н. В. Бычин // Техника и технология пищевых производств. - 2017. - Т. 44, № 1. - С. 65-72. DOI: https:// doi.org/10.21179/2074-9414-2017-1-65-72.
15. Константинов, М. М. Способ определения равномерности гидротермической обработки зерна крупяных куль- тур / М. М. Константинов, А. А. Румянцев // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2012.- Т. 35, № 3. - С. 79-82.
16. Румянцев, А. А. Математическая модель кинетики увлажнения зернокрупяных культур при гидротермической обработке / А. А. Румянцев // Ползуновский вестник. - 2018. - № 2. - С. 56-59.
17. Bryngelsson, S. Effects of Commercial Processing on Levels of Antioxidants in Oats (Avena sativa L.) /S. Bryngelsson, L. H. Dimberg, A. Kamal-Eldin / Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2002. - Vol. 50, № 7. - P. 1890- 1896. DOI: https://doi.org/10.1021/jf011222z.
18. Saravacos, G. D. Mechanical Separation Equipment / G. D. Saravacos, A. E. Kostaropoulos // Handbook of Food Processing Equipment. Food Engineering Series / G. D. Saravacos, A. E. Kostaropoulos. - Switzerland : Springer International Publishing, 2016. - P. 233-292. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-25020-5.
19. Важов, В. М. Агроэкологические вопросы выращивания Fagopyrum esculentum moench. на Алтае / В. М. Важов, В. Н. Козил, С. В. Важов // Успехи современного естествознания - 2016. - № 1. - С. 56-60.
20. Марьин, В. А. Физико-механические свойства ядра гречихи различных размеров / В. А. Марьин, А. Л. Вереща- гин, Н. В. Бычин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2017. - № 3. - С 14-17.
21. Influences of High Hydrostatic Pressure, Microwave Heating, and Boiling on Chemical Compositions, Antinutritional Factors, Fatty Acids, In Vitro Protein Digestibility, and Microstructure of Buckwheat / Y. Deng, O. Padilla-Zakour, Y. Zhao [et al.]// Food Bioprocess Technology. - 2015. - Vol. 8, № 11. - P. 2235-2245. DOI: https://doi.org/10.1007/s11947-015-1578-9.
