CC BY
17
УДК 620:631.365.22
ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ УБОРКИ ЗЕРНА НА РЕЖИМЫ ЕГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ В ПОЛЕ СВЧ
Д.А. Будников, А.Н. Васильев, А.А. Васильев
Статья посвящена влиянию особенностей уборки и обработки зерна на последующее распределение свободной воды в зерновке пшеницы. Учет распределения влаги внутри зерновки позволит лучше подбирать режимы обработки при обеззараживании зерна микроволновым полем.
Ключевые слова: обеззараживание зерна, электротехнологии, микотоксины, микроволны.
В связи с увеличением количества партий поступающего на элеваторы зараженного инфекцией зерна пшеницы [1], становится актуальной задача его обеззараживания, прежде чем зерно поступит на дальнейшую переработку или хранение. Одним из перспективных методов обработки зерна для его термического обеззараживания является воздействие полем сверхвысокой частоты. При данном воздействии повышение температуры происходит за счет диэлектрического нагрева воды, содержащейся в зерне в жидкой фазе. Таким образом, большое значение имеет распределение воды в зерновке при его обработке.
Анатомически зерно разделяется на три главные части: эндосперм, зародыш и окружающие их оболочки, которые резко различаются между собой по структуре и свойствам. Более детально строение наружных покровов зерновки показано на рис. 1 [3]. Здесь хорошо видно, что плодовая оболочка Р образована несколькими рядами пустотелых клеток. Ниже расположена семенная оболочка ЫЕ, далее следует эндосперм, крайний слой которого - алейроновый А1 -значительно отличается от остальной его части - крахмалистого или мучнистого эндосперма Е. Алейроновый слой совместно с плодовой оболочкой представляют собой пористую структуру, которая легко впитывает влагу и отдает ее.
Рис. 1. Поперечный срез зерновки пшеницы
Вода в капиллярах, образованных стенками молекул этого слоя, находится в жидкой фазе и может хорошо поглощать СВЧ излучение. Диэлектрическая проницаемость свободной воды равняется 80, для связанной воды ее значение падает до двух. Отсюда влага поступает в эндосперм через клеточные мембраны, где может находиться как в связанном, так и в жидком состоянии. Скорость этого процесса зависит от состояния клеточных мембран и содержания влаги внутри зерновки, то есть ее влажности.
Сложная форма зерновки, особенности структуры и химического состава оболочек, зародыша и эндосперма определяют развитие процессов внешнего тепло- и массообмена и внутреннего переноса влаги, тепла и биологически важных веществ. Зародыш пшеницы менее гидрофилен, чем эндосперм. Однако при более высокой влажности атмосферы его влагосодержание изменяется намного быстрее, чем остальных анатомических частей. В условиях повышенной влажности атмосферы зародыш хорошо поглощает влагу из воздуха, что отвечает физиологическим потребностям семян. Из этого следует гетерогенный характер распределения воды и разное ее состояние в различных частях семян в результате их набухания. В зерновке, несмотря на общее низкое содержание воды, уже на ранних этапах появляется вода в жидкой фазе. При этом объемная жидкая вода содержится преимущественно лишь в части объема семени и алейроновом слое, а ее поступление в другие части объема зерновки ограничены мембранными структурами, в разной степени проницаемыми для воды в процессе набухания.
Распределение влаги в зерновке при его послеуборочной обработке зависит от таких факторов, как сроки уборки и погодные условия при уборке. Существенное влияние на процесс водоотдачи и поглощения воды семенами пшеницы в ходе созревания оказывает состояние клеточных мембран, которое по разному проявляется на разных стадиях созревания. Одним из показателей состояния мембран служит оцениваемая по замедленной люминесценции фотохимическая активность хлорофилла «а» [4]. Как мы можем видеть на рисунке 2, зерно сохраняет способность удерживать влагу через 21 и 28 дней после цветения.
фотохимическая активность, отн.ед.
количество воды
ио ПТ1ИП г>1311п МГ
Рис. 2. Изменение фотохимической активности хролофилла «а» семян пшеницы сорта «зернофуражная -125» на
разных стадиях созревания: 1 - первый день сбора, 2 - через сутки подсушивания на воздухе, 3 - через двое суток, 4 - общее содержание воды на одно семя
14
21
28
после цветения
Journal of VNHMZH №1(13)-2014
83
Отличие по устойчивости и проницаемости мембран в свежесобранных семенах на различных стадиях созревания было показано и в Ижевском институте компьютерных исследований. С использованием метода спинового эха ЯМР и ЭПР-томографии были проведены эксперименты, отражающие распределение влаги в зерновке пшеницы на разных этапах созревания при повторном увлажнении [2]. На рисунке 3 видно как влажность зерна меняется в объеме зерновки на разных сроках уборки. Области, малодоступные для воды в жидкой фазе на ранних этапах созревания, становятся, наоборот, доступными после
Рис. 3. Двухмерное изображение распределения спинового зонда в семенах пшеницы сорта
«Зернофуражная-125», собранных и высушенных на разных стадиях созревания: 1 - через 14 дней после цветения, 2 - через 19 дней, 3 - через 27 дней, 4 - через 32 дня, 5 - через 36 дней,
6 - через 39 дней (после дождя). Время фиксации семян в растворе
10 ч. Цифры на рисунке соответствуют концентрации зонда по отношению к его концентрации в зародыше, принятой за 7 единиц
В семенах, собранных после сильного дождя, несмотря на более позднюю стадию созревания, вода способна проникнуть в большую часть объема эндосперма, что, вероятно, обусловлено нарушением структуры мембран в некоторой части этого объема из-за повторного увлажнения и дополнительного высушивания уже созревших семян.
Существуют способы СВЧ обеззараживания зерна, в которых обработка энергией поля сверхвысокой частоты происходит после увлажнения зерна в течение 2 мин. раствором микроэлементов [5]. При таком методе большую часть влаги абсорбирует поверхность зерновки благодаря своей пористой структуре. Но значительную часть влаги поглощает область зародыша. На рисунке 4 видно распределение воды в жидкой фазе на поперечном срезе семени пшеницы после высушивания и повторного увлажнения.
Цифры соответствуют концентрации влаги. При обеззараживании такого зерна полем СВЧ необходимо учитывать, что наиболее высокое поглощение энергии будет в центре зерновки, и нужно использовать такую технологию обработки, чтобы нанести как можно меньший вред зародышу и вывести влагу на поверхность для температурного воздействия непосредственно на фитопато-генную микрофлору.
окончательного созревания зерновки.
Рис. 4. Двумерное изображение распределения влаги на поперечном срезе семени пшеницы после увлажнения
Таким образом, при обработке зерна полями сверхвысокой частоты необходимо учитывать неоднородность структуры зерна, степень его созревания при уборке, влажность и было ли оно предварительно увлажнено. Все эти факторы определяют распределение свободной воды в зерновке и могут оказать существенное влияние на распределение температуры в зерновке. Также необходимо разделять зерновку на несколько зон и рассчитывать теплораспределе-ние в каждой зоне и теплопередачу между ними и между семенем и окружающей средой.
1. Юсупова Г.Г. Теоретическое и экспериментальное обоснование комплексной системы обеззараживания зерна и продуктов его переработки: дис. канд. с.-х. наук. М., 2005.
2. Аксенов С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. М., 2004. 212 с.
3. Егоров Г.А. Технологические свойства зерна. М.: Агропромиздат, 1985. 334 с.
4. Грунина Т.Ю. Исследования состояния воды в семенах озимой пшеницы в процессе их созревания: автореф. дис. канд. биол. наук. М., 1989. 22 с.
5. А.с. 950214. Способ предпосевной обработки семян / Н.В.Цугленок // БИ. 1982. №30.
Будников Дмитрий Александрович, кандидат технических наук, научный сотрудник E-mail: dimm13@inbox.ru
Васильев Алексей Николаевич, доктор техн. наук, профессор, заместитель директора E-mail: vasilev-viesh@inbox.ru
Васильев Алексей Алексеевич, инженер, зав. сектором ТиПО научных исследований ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии Тел. +7(499)1710659 E-mail: lex.of@mail.ru
The article is devoted to the influence of features of harvesting and processing of grain on the subsequent distribution offree water in the caryopsis of wheat. Accounting for the distribution of moisture inside the weevil would better select treatment regimens for disinfection of grain microwave field.
Keywords: disinfection of grain, electrotechnology, mycotoxins, microwaves.
Литература:
Journal of VNIIMZH №1(13)-2014
85
