CC BY
56
Ревенко В.Ю.1 Фролов С.С.2
1зав лабораторией агротехнологий, кандидат технических наук, Заместитель директора по научной работе, ФГБНУ "Армавирская опытная станция ВНИИМК"
Физико-механические свойства семян подсолнечника современной селекции
Аннотация.
В статье исследованы физико-механические свойства семян подсолнечника, полученных в 2015 г. на Армавирской опытной станции при одинаковых почвенно-климатических условиях. Дана оценка размерных и массовых параметров, рассмотрена способность семян противостоять внешним силовым нагрузкам, а также их способность к обрушиванию на центробежной лабораторной установке. Приведены количественные и качественные показатели процесса обрушения.
Ключевые слова. сорта, гибриды, площадь поверхности,
эффективность обрушивания.
Keywords: varieties, hybrids, surface area. efficiency of dehulling.
Введение. В настоящее время, при создании новых сортов и гибридов подсолнечника особое внимание уделяют высокой урожайности и масличности семян. Эти комплексные признаки зависят от уборочного индекса, периода вегетации, поглотительной способности, устойчивости к биотическим и абиотическим факторам, способностью к адаптации и т.д. Для кондитерского подсолнечника также важны крупность семянок, лузжистость, однородность и обрушиваемость [1]. Многочисленные исследования процессов плодообразования подсолнечника показали, что
разнокачественность семянок, обусловленная различными условиями температурного, водного и питательного режимов проявляется не только в
морфологических, но и в физических показателях [2]. Выполненность семянок современных сортов и гибридов, соотношение в плодовой оболочке эпидермиса, гиподермы, слоя склерехимных волокон и других структурных составляющих напрямую влияют на прочностные характеристики семян, их способность выдерживать нагрузки при обмолоте и очистке на зерноочистительных комплексах. При этом существенно изменяются их физико-механические свойства, от которых зависят настройки
зерноуборочного комбайна, технологические параметры машин для послеуборочной переработки, очистки и сушки семян.
Именно от физико-механических свойств зависит настройка амплитуды и частоты колебаний решетного стана, выбор размеров и типа решет, скорость воздушного потока в системе аспирации, допустимая скорость перемещения семенной массы в нориях, и др. параметры. Способность семян подсолнечника сопротивляться сжатию и изгибу необходимо учитывать не только при транспортировке и хранении семян на элеваторах, но и при переработке их на масложировых и кондитерских предприятиях. От предела прочности зависит энергоемкость рушильных машин, масляных прессов и прочего технологического оборудования.
Цель работы: определить основные физико-механические показатели современных сортов и гибридов подсолнечника, в том числе размерные, массовые, прочностные характеристики семян и оценить их способность к обрушиванию.
Материалы и методы. Предметом исследований являются физикомеханические свойства семян различных сортов и гибридов подсолнечника, полученных на делянках демонстрационного опыта, заложенного на Армавирской опытной станции ВНИИМК в 2015 году.
Условия вегетации (погодные и почвенные) были одинаковыми для всех вариантов сортов и гибридов, что повышало достоверность исследований. Уборка делянок проводилась селекционным комбайном
"Сампо 2010". С целью снижения травмируемости исходного материала и отделения щуплых семян, полученный ворох очищался на лабораторной воздушной аспирационной установке. Исключение решетной очистки позволило устранить влияние технологических факторов очистки на размерные характеристики семян.
Натуру, удельный вес и другие показатели определяли в соответствии с существующими стандартами и методиками. Для подсчета семян использовали автоматический счетчик ASC, с погрешностью измерения ±0,1%. Масличность определяли на ЯМР-анализаторе АМВ-1006М, с погрешностью измерения ±0,5%. Прочностные характеристики, а именно предел прочности семян при продольном и поперечном сжатии, оценивали с помощью динамометрической установки. Способность к обрушению и механическую прочность плодовой оболочки и ядрышек оценивали на центробежном лабораторном обрушивателе, дополнительно оснащенном аэродинамическим сепаратором, предназначенном для отделения лузги от ядер.
Результаты и обсуждение. К физико-механическим свойствам единичных семян относятся: геометрическая форма и линейные размеры, абсолютная масса, объем, относительная плотность, аэродинамика и т.д. Размерные параметры и их разброс у исследуемых образцов семян приведены в таблице 1.
Как следует из таблицы, размеры семянок варьируют в широких пределах, большие параметры относятся к кондитерским сортам, меньшие -к гибридам. Минимальные значения средней длины семянок отмечены у гибрида Ирэн - 9,39 мм, а максимальные - у кондитерского сорта Джин -14,77 мм.
Площадь проекции семянок на горизонтальную и поперечную плоскости определяли при помощи съемки цифровой фотокамерой, установленной на штативе. Для повышения точности измерения поперечной
площади семян, их устанавливали в гнезда острием вниз, строго по вертикали, в вязкое основание. Растровое изображение семянок при помощи программного обеспечения преобразовывалось в векторный формат. Относительные площади полученных изображений измеряли с использованием CAD-программ. Полученный результат умножался на масштабный коэффициент, определяемый по размерам изображения эталонной фигуры с известной площадью (рисунок 1).
Таблица 1 - Размеры и площади поверхности семян современных сортов и _____________гибридов, мм____________________________________________
Сорт, гибрид Ср. длина семени, мм Ср. ширина семени, мм Ср. толщина семени, мм Площадь проекции на гориз. плоскость, 2 мм Площадь миделя, 2 мм Расчетная площадь поверхности, 2 мм Площадь эквивалентного эллипсоида, мм
Лакомка 14,20 7,74 4,21 76,7 26,1 233,05 236,14
Умник 11,44 6,51 4,00 47,8 17,4 168,98 160,62
Орешек 13,36 7,84 4,63 73,3 27,1 234,39 223,30
Крепыш 11,90 6,65 3,69 60,9 20,2 170,17 164,18
Р453 11,13 6,55 3,89 52,3 18,6 163,69 155,50
Ирэн 9,39 5,93 4,00 40,7 17,2 135,65 126,75
Окси 10,97 6,75 4,02 39,6 16,9 168,02 159,78
Крупняк 13,90 7,79 5,00 73,2 24,5 250,51 237,68
Имидж 9,80 5,49 3,98 39,9 15,9 132,94 124,77
Фотон 11,20 6,61 4,08 45,5 19,0 169,60 160,81
Барс 10,22 5,37 3,63 45,3 15,9 128,85 122,40
Джин 14,77 7,60 4,41 85,4 25,6 242,91 234,57
Рисунок 1 - Определение площади проекции семянок на
горизонтальную поверхность
Форма семян имеет свои характерные особенности для каждого сорта или гибрида и определяется соотношениями длины, ширины и толщины. Семена некоторых гибридов близки к эллипсоиду, некоторые сорта имеют чечевицеобразную, удлиненную, либо конусообразную форму. Для характеристики формы семян известны понятия «коэффициент формы» и «показатель сферичности». Коэффициент формы — это отношение площади поверхности семени к поверхности эквивалентного шара, объем которого равен объему семени. Показатель сферичности — это отношение площади поверхности равновеликого по объему шара (Бш) к площади внешней поверхности семени (Бс). При расчете этих характеристик семян необходимо вычислить площадь их поверхности Fc. Ее можно определить, исходя из следующей зависимости [3]:
Fc=4nR(L+3R), (1)
где L, B, C — линейные размеры семян (соответственно: длина, ширина, толщина), а R - сферичность семянки: R=(5B+6C)/60.
Результаты вычислений приведены в таблице 1.
При проведении оценки геометрических параметров семянок, авторами было подмечено, что форма некоторых гибридов близка к эллипсоиду (рисунок 2). Формулу площади поверхности эллипсоида нельзя выразить при помощи простейших функций. Из математики известна приближенная (с ошибкой 1,06%) формула площади поверхности эллипсоида:
где a, b, c - это полуоси эллипсоида, а коэффициент p=1,6075.
Рисунок 2 - Форма семянки гибрида (а) и форма эллипсоида (б)
Результаты расчета площади поверхности семянок, в случае представления их в виде эквивалентного эллипсоида, имеющего размерные параметры равные половине длины, ширины и толщины семянок -приведены в последней колонке таблицы 1. Сравнение двух расчетных показателей, полученных по формуле 1 и по формуле 2, свидетельствует об их незначительном различии: 3,0-6,5%.
Известен еще один метод расчета площади поверхности семян подсолнечника. Зарубежные исследователи [4] предлагают определять сферичность по формуле:
Ф = Dg/L, (3)
где, L - длина семянки, Dg - средний геометрический диаметр семянки, определяемый по формуле:
Dg = (L^C)0'333 , (4)
Результаты расчета сведены в таблицу 2. Здесь же приведены результаты вычисления площади поверхности и объема эквивалентного эллипсоида. Последний был рассчитан по известной формуле:
V=4/3 L^C, (5).
В последнем столбце приведены измеренные объемы семянок исследуемых образцов, определяемые по объему вытесняемой жидкости 1000 семянками. Как видно из таблицы, соотношения измеренного объема одной семянки и площади её поверхности, рассчитанной по формуле (4) к объему и площади эквивалентного эллипсоида примерно одинаковы, что свидетельствует о большей достоверности формулы (4) при вычислении площади поверхности реальной семянки.
Приведенные выше эмпирические формулы могут использоваться в технологических расчетах для определения физико-механических
характеристик семян — относительной плотности и абсолютной массы, по величине их эквивалентного диаметра или линейным размерам.
Таблица 2 - Расчетные и измеренные показатели площади поверхности и объема семянок
Сорт, гибрид Сферичность Расчетная (по ф-ле 3) площадь поверхности, 2 мм Площадь поверхности эквивалентного эллипсоида, 2 мм Объем эквивалентного эллипсоида, 3 мм Объем семянки, 3 мм
Лакомка 54,46 187,86 236,14 242,27 165,2
Умник 58,37 140,07 160,62 155,98 81,1
Орешек 58,79 193,83 223,3 253,92 190,7
Крепыш 55,74 138,22 164,18 152,89 89,9
Р453 59,02 135,55 155,5 148,48 81,0
Ирэн 64,54 115,39 126,75 116,62 80,1
Окси 60,85 140,00 159,78 155,86 90,3
Крупняк 58,62 208,59 237,68 283,47 172,1
Имидж 61,04 112,40 124,77 112,12 71,0
Фотон 59,90 141,37 160,81 158,15 70,7
Барс 57,14 107,12 122,4 104,31 79,0
Джин 53,55 196,51 234,57 259,19 165,8
Как правило, размеры семян того или иного сорта влияют и на их
технологические качества. К технологическим особенностям семян подсолнечника относят: масличность, механическую прочность оболочки, плотность семян, натура, скорость витания и др. Результаты определения названных показателей у семян различных сортов и гибридов приведены в таблицах 3,4,5.
Таблица 3 - Массовые, объемные и технологические показатели семян _____________подсолнечника урожая 2015 года___________________________
Сорт, гибрид Влажность, % Масса 1000 семян, г Натура, г/дм3 Объем 1000 семян г/см3 Масличность, % Лузжис-тость, %
Орешек 7,0 107,85 376 190,7 42,83 27,5
Крупняк 7,0 109,19 349 172,1 42,61 35,0
Лакомка 7,0 111,75 348 165,3 42,11 31,5
Джин 6,8 98,46 341 165,8 40,58 32,9
Крепыш 7,0 64,87 426 89,9 42,37 29,0
Фотон 6,9 75,95 408 70,7 43,72 34,2
Умник 6,8 64,58 405 81,1 48,11 28,6
Р-453 6,9 65,92 406 81,0 48,09 28,5
Окси 7,1 72.64 473 90,3 40,5 31,0
Имидж 7,1 54,56 420 71,0 41,71 31,0
Барс 6,9 67,17 463 79,0 41,72 29,8
Ирэн 6,8 59,26 452 80,1 40,68 24,6
Прочностные характеристики семян. В молотильных аппаратах зерноуборочных комбайнов, в шнеках и нориях зерноочистительных машин в процессе работы происходит дробление и микроповреждение семян подсолнечника. Это приводит к резкому уменьшению всхожести семенного материала и снижению качества продовольственного сырья. Поэтому важно знать предельные нагрузки, при которых семена современных сортов и гибридов не теряют своих свойств. Величина разрушающей нагрузки зависит от направления действия силы. В нашем случае вектор силы прилагался вдоль осевой линии семянки и поперек её по ширине семени.
На прочность зерен значительное влияние оказывает их влажность. Чем она больше, тем меньше значение прочности. Поэтому исследования проводили на образцах с влажностью 6,9-7,1%. Результаты измерения сил, разрушающих оболочку в продольном и поперечном направлениях, приведены в таблице 4. Предельная вертикальная нагрузка была обусловлена в большей степени наличием или отсутствием воздушной полости между плодовой оболочкой и ядром, и в меньшей степени - прочностью перикарпия. Об этом косвенно свидетельствует и разница в пределе прочности семянки по длине и ширине. Наиболее прочные в поперечнике гибриды Окси и Имидж. Минимально устойчивые к восприятию продольной нагрузки сорта Умник и Фотон.
Эффективность процесса обрушивания семян в настоящее время оценивают различными показателям [5]: это и Кобр- коэффициент обрушивания семян и Кця. коэффициент целостности ядра, определяемые по следующим формулам:
Кобр = (m2 - mi) / m2 • 100, ( 6)
где m1 - масса целых и необрушенных семян, г; m2 - масса рушанки, г.
Кця = m3 / m4 • 100, (7)
где m3 - масса целого ядра, г; m4 - масса всего ядра, включая целое, сечку и масличную пыль, г.
Таблица 4 - Результаты оценки разрушающих усилий
Сорт, гибрид Направление вектора силы Среднее значение, Н Нижняя граница 95% доверит. интервала Верхняя граница 95% доверит. интервала Относительная ошибка средней, %
Джин продольное 32,5 28,0 36,0 5,9
поперечное 33,6 30,3 37,0 4,8
Ирэн продольное 28,2 24,9 31,5 5,6
поперечное 34,0 30,5 37,5 5,0
Умник продольное 21,1 18,5 23,7 5,9
поперечное 37,9 33,3 42,5 5,9
Имидж продольное 22,3 19,7 24,8 5,6
поперечное 43,3 39,6 47,0 4,1
Орешек продольное 33,7 29,6 37,8 5,7
поперечное 34,7 30,9 38,5 5,4
Р453 продольное 29,2 27,0 31,4 3,6
поперечное 42,3 38,0 46,6 4,9
Крепыш продольное 30,1 25,9 34,2 5,8
поперечное 40,1 35,6 44,7 5,5
Лакомка продольное 33,4 29,8 37,0 5,1
поперечное 41,5 37,5 45,6 4,7
Окси продольное 28,4 26,3 30,5 3,6
поперечное 54,4 50,0 58,8 3,9
Барс продольное 31,5 28,4 34,6 4,7
поперечное 37,9 34,2 41,6 4,7
Крупняк продольное 25,7 22,3 29,1 5,9
поперечное 45,0 39,9 50,0 5,4
Фотон продольное 22,5 20,4 24,6 4,5
поперечное 43,3 38,8 47,8 5,0
Показатели обрушивания приведены в таблице 5. Измерения проводили при температуре семян 16-18 °С. Частота вращения ротора семяочистительной установки была единой для всех обрушиваемых образцов и составляла 2950 об/мин.
По результатам оценки полученной рушанки выявлено, что отсутствие воздушной полости между ядром и оболочкой у гибридов: Окси, Барс, Ирэн, Имидж, отрицательно влияет на их способность к обрушению. Наилучшие показатели обрушивания наблюдались у крупноплодных сортов Орешек, Крупняк, Лакомка, Джин. Низкая прочность ядрышек сортов Орешек и
Умник отразилась на величине коэффициента целостности ядра, не превышающего для данного сорта подсолнечника 17%. Наиболее плотные и прочные ядра - у сортов Имидж и Крепыш, при обрушении которых Кця составил 42,5 и 36,7% соответственно.
Таблица 5 - Показатели эффективности обрушивания семян подсолнечника
Сорт, гибрид Масса рушанки, г Целые ядра, % Недорушен-ные семена, % Коэф. обрушивания, % Коэф целост- ности ядер,% Лузжис-тость, %
Орешек 32,02 12,05 4,72 95,28 15,45 28,98
Крупняк 31,54 17,69 7,48 92,52 28,91 30,75
Лакомка 31,83 14,95 4,40 95,60 22,75 29,56
Джин 31,44 16,16 2,29 97,71 24,19 32,06
Крепыш 32,1 19,56 18,44 81,56 36,68 28,13
Фотон 31,44 11,13 11,13 88,87 28,97 27,42
Умник 31,34 7,72 7,72 92,28 17,26 28,84
Р-453 32,16 11,38 11,38 88,62 22,48 24,25
Окси 32,01 18,18 18,18 81,82 29,33 31,93
Имидж 32,02 24,61 24,61 75,39 42,46 34,07
Барс 32,06 14,91 14,91 85,09 26,56 33,13
Ирэн 31,34 16,98 16,98 83,02 28,48 34,11
Заключение. Приведенные в статье физико-механические свойства семян подсолнечника современной селекции, могут быть использованы на практике, а именно: для эффективной настройки зерноуборочных комбайнов, машин для послеуборочной подработки, очистки и сушки семян, для выбора способа и параметров наиболее эффективной технологии переработки семян на масложировых и кондитерских предприятиях. Данные по прочностным характеристикам могут быть учтены при расчете объема зернохранилищ и элеваторов, на транспотно-логистических предприятиях, на предприятиях пищевой промышленности (масложировых, кондитерских), занимающихся хранением и переработкой масличного сырья.
Предложенные авторами методики измерения площади проекции семянки на плоскость, а также уточненный способ расчета всей площади
поверхности семени способствуют более точному определению физикомеханических свойств семян масличных культур.
Литература.
1. Skoric, D. Sunflower genetics and breeding: international monograph / D. SkoriC, G.J. Seiler, Z. Liu, C.C. Jan, J.F. Miller, L.D. Charlet. - Novi Sad: Serbian Academy of Sciences and Arts. Branch., 2012. - 520 р.
2. Подсолнечник (Монография). Под общ. Ред. Акад. В.С. Пустовойта, М., Колос. 1975, 592 с.
3. Щербаков, В.Г. Биохимия и товароведение масличного сырья: [учебник] / В.Г. Лобанов, В.Г. Щербаков .— 6-е изд., перераб. и доп. — М.: КолосС, 2012. 233 c.
4. Ayoub Bagvand. Determination of Physical Properties and Mechanical Behavior of Sunflower seeds // International Journal of Agriculture and Crop Sciences. Vol. 5(11), 2013, p. 1255-1259
5. Лисицын А.Н Особенности технологических свойств отечественных сортов и гибридов семян подсолнечника современной селекции / А.Н. Лисицын, С.Ф.Быкова и др. // Масложировая промышленность. - 2006. -№4. - С. 34-37.
