CC BY
64
***** ЯЗШСЖИ)Г ***** № 2(18) 2010
ЗООТЕХНИЯ И ВЕТЕРИНАРИЯ
УДК 636.086.1:(631.3:621.3)
ПРИМЕНЕНИЕ СПЕКТРОСКОПИИ В БЛИЖНЕЙ ИК-ОБЛАСТИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЙ КАЧЕСТВА ЗЕРНА, ОБРАБОТАННОГО ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
SPECTROGRAPHY USE IN CLOSE INFRARED AREA FOR GRAIN PROCESSED BY ELECTROPHYSICAL METHODS QUALITY CHANGES ESTIMATION
С.И. Николаев, доктор сельскохозяйственных наук, профессор А.Г. Чешева, кандидат сельскохозяйственных наук В.В. Гамага, кандидат биологических наук И.О. Кулаго, кандидат химических наук С.И. Родионов, соискатель
ФГОУВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия
S.I. Nikolaev, A.G. Tchesheva, V.V. Gamaga, I.O. Kulago, S.I. Rodionov
Volgograd state agricultural academy
Целью настоящих исследований является изучение воздействия электрического тока на зерно пшеницы с использованием сравнительного анализа спектров в ближней ИК-области.
The aim of given researches is to study the electric current influence on wheat grain with the comparative spectrums analysis in close infrared area use.
Ключевые слова: электрообработка, спектр, бишофит, БИК-анализ, корреляция.
Key words: electrotreatment, spectrum, bischofite, BIR-analysis, correlation.
Зерновые продукты часто рассматривают как несовершенный диэлектрик пористой структуры. При повышении влажности зерно может рассматриваться как полупроводник с ионным характером проводимости. На величину проводимости зерна огромное влияние оказывает свободная влага и присутствие в ее составе солей. Влажность зерна переводит его из состояния диэлектрика в состояние полупроводника, что находится в определенной связи с изменением кристаллического строения углеводных полимеров до аморфного состояния, которое обеспечивает повышение переваримости и усвоение трудногидролизуемых полисахаридов.
В связи с этим, актуальным на современном этапе является разработка более совершенных методов, способствующих ускорению биохимических процессов и улучшающих качественные характеристики зерна. Перспективным является применение электрообработки,
эффективность которой повышается при смачивании зерна растворами различных химических реагентов.
Увлажнение зерна, а также использование химических реагентов позволяет значительно повысить его проводимость до необходимой величины в целях осуществления электрофизического воздействия на него.
Так, в своих работах для увеличения электропроводности увлажняющих растворов, которыми обрабатывали растительные образцы, Корко В. С. [2] использовал раствор 1 %-й поваренной соли, 2 %-й раствор карбамида, Баран А.Н. [1] для увлажнения растительных образцов использовал 4 %-й раствор щелочи и 5 %-й раствор карбоната натрия. И в том и другом случае достигался определенный технологический эффект - изменение углеводной части растительных образцов.
В данной статье приводятся результаты измерений пропускания спектров зерна пшеницы, смоченного бишофитом и обработанного электрическими импульсами при разряде конденсатора на материал (10 образцов), а также зерна, смоченного раствором бишофита и обработанного электрическим током промышленной частоты (50 Гц), при напряжении 100 В (22 образца).
Перед электрообработкой зерно пшеницы в цельном виде смачивалось 3 %-м раствором бишофита в течение одного часа. Бишофит - природный минерал, раствор которого состоит из шестиводного хлорида магния, сульфата кальция, хлорида кальция, хлорида натрия, гидрокарбоната кальция. Массовая доля всего комплекса солей составляет 40 % от массы раствора. Хлорид магния составляет 96 % от всех перечисленных выше солей, плотность неразбавленного раствора бишофита 1,3 г/см3.
Для каждого образца использовались различные режимы электрообработки, в которых учитывались сила тока А (ампер), напряжение В (вольт), энергия обработки (Дж/кг), температура зерна до и после обработки.
Исследования качественных показателей образцов проводили на БИК - анализаторе ИнфраЛЮМ ФТ-10.
БИК-метод основан на измерении спектров отражения или пропускания образцов в спектральном интервале, проявления составных частот и обертонов фундаментальных частот колебаний молекул воды, белка, жира, клетчатки, крахмала и других важных компонентов исследуемых проб с последующим расчетом величины показателя по встроенной в анализатор градуировочной модели. Спектральная БИК-область охватывает диапазон длин волн 750-2500 нм (0,75-2,5мкм) или диапазон волновых чисел 13 333-4000 см _1 [4]. Излучение в этой
спектральной области имеет большую проникающую способность и одновременно совершенно безопасно для биологических объектов. Благодаря этому, можно анализировать цельное зерно различных культур без какого-либо ущерба для образца. Главными преимуществами БИК-анализаторов являются: экспрессность
измерений, отсутствие пробоподготовки и реактивов, измерение показателей проб неразрушающим контролем. Сам процесс анализа занимает 2-3 минуты.
БИК-анализатор ИнфраЛЮМ ФТ-10, помимо измерения качественных показателей, определяемых градуировочной моделью прибора, позволяет проводить анализ полученных спектров образцов.
Нами был проведен математический эксперимент, в котором статистическими методами исследовалась корреляция между параметрами электрофизической обработки образцов и спектральными откликами образцов в БИК-обласги. Результаты исследования приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Корреляция между параметрами электрофизической обработки образцов и спектральными откликами образцов в БИК-области
№ Параметры обработки Диапазон в спектре см'1 Расчетный метод Коэффициент корреляции
1 Удельная энергия 10950-12300 РЬБ 0,81
2 Количество энергии 10750-11950 РЬБ 0,91
3 Изменение температуры 10640-12 500 РЬБ 0,93
Наибольшая корреляция спектральных данных и параметров электрофизической обработки обнаружена в области 10 640-12 500 см'1.
Установленная в БИК-анализаторе градуировочная модель, рассчитанная также методом РЬБ (проекции на латентные структуры), определяет для пшеницы: протеин в диапазоне 9600-11 300 см"1, влажность - 10 300-10 800 см'1, клейковину - 8900-10 200 см'1 (или 10 500- 11 100), ИДК - 9400-10 100 см'1.
На следующем этапе эксперимента был проведен сравнительный анализ спектров в БИК-области образцов сухой пшеницы без электрообработки и смоченной раствором бишофита, до и после обработки электрическими импульсами.
Визуально установлено наличие изменений в спектре пропускания в диапазоне 8800-9700 см'1 и 10 200-12 200 см'1. На рисунке 1 приведены примеры спектров пшеницы: 1- сухое
необработанное зерно; 2 - зерно, смоченное бишофитом; 3 - зерно,
смоченное бишофитом и обработанное импульсами электрического тока.
Рисунок 1 - БИК-спектры зерна пшеницы: 1 - сухое необработанное зерно; 2 - зерно, смоченное бишофитом; 3 - зерно, смоченное бишофитом и обработанное импульсами электрического тока
В данных спектральных диапазонах в основном проявляются поглощения второго и третьего обертонов связи №1 в группе № и второго и третьего обертонов связи СН в группах СН, СНг, СНз.
На рисунке 2 приведены спектры зерна пшеницы, обработанного электрическим током промышленной частоты (50 Гц) при напряжении 100 В.
Рисунок 2 - БИК-спектры зерна пшеницы: 1 - необработанное сухое зерно (контроль); 2 - зерно, обработанное бишофитом и электрическим током (50 Гц, 100 В); 3 - зерно, обработанное только бишофитом (контроль)
Обработка зерна пшеницы электрическим током в сочетании с бишофитом приводит к изменениям интенсивности пропускания спектров, смещениям некоторых пиков, которые дают возможность предположить наличие структурных изменений в углеводной и белковой частях зерна пшеницы. Вероятно, причиной этого может быть наличие ионов магния, присутствующих в растворе, что повлияло на взаимную ориентацию участков макромолекул полисахаридов [3] и отразилось изменениями в спектрах.
В настоящий момент, оценивая полученные результаты, мы можем предположить по обертонам связей, поглощающих в данных БИК- диапазонах, в каких макромолекулярных структурах происходят изменения.
Для целенаправленного управления параметрами
электрофизического воздействия на биологическую систему и достижения необходимого результата возникает потребность в осознании процессов, возникающих в биологической системе в результате электровоздействия, то есть необходимо создание модели, позволяющей на основе имеющихся спектральных характеристик количественно описать закономерности
распределения и преобразования энергии, получаемой биологической системой в результате электрофизического воздействия.
Полученные нами результаты позволяют сделать вывод, что для оценки качества зерна при его электрообработке возможно использование БИК-анализатора «Инфралюм ФТ-10», который регистрирует изменения интенсивности пропускания спектров, смещения некоторых пиков, дающие возможность предположить наличие структурных изменений в углеводной и белковой частях зерна пшеницы.
Библиографический список
1. Баран, А.Н. Технологическое действие электрического тока и оптимизация его параметров при обработке соломы в щелочных средах: дис. ...канд. техн. наук: 05.20.02./ Баран Александр Николаевич. - Минск, 1984г. - 285 с.
2. Корко, B.C. Разработка электрогидротермического способа обработки фуражного зерна: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.02. / Корко Виктор Станиславович. - Минск, 1984. - 209 с.
3. Мецлер, Д. Биохимия/Д. Мецлер. - М.: Издательство «Мир», 1980. Т. 1. -407 с.
4. Шептун, B.JL Введение в метод спектроскопии в ближней инфракрасной области: методическое пособие / В.Л. Шептун. - Киев: Центр методов инфракрасной спектроскопии ООО «Аналит-Стандарт»,, 2005 г. - 85 с.
E-mail: Harissa2000@mail.ru
