Biysk, Barkaul, Russian Federation
Biysk, Barkaul, Russian Federation
Biysk, Barkaul, Russian Federation
As quality requirements get lower and lower, the quality of buckwheat grain meant for buckwheat groats is deteriorating. The most typical example is winter buckwheat grain. Buckwheat grain has to be sorted according to various fractions before scouring. Thus, the mechanical properties of these fractions remain a relevant field of study. The research features the dynamic pattern in the mechanical properties of the main fractions of winter buckwheat grain according to fraction before and after storage. The research subject is fractions of buckwheat sorted according to grain size before scouring. The buckwheat grain was harvested in the foothills of the Altai Territory in May 2015; it meets the necessary standards. There were twelve samples: six samples were harvested and sent for recycling (May 2015); other six samples were stored for eight months up to March 2016. The buckwheat did not pass the temperature treatment stage. The smaller fractions revealed a greater deformation before and after storage. That can lead to a higher deformation rate during scouring. Thus, the changes in the mechanical properties of winter buckwheat grain occur differently for each fraction.
Buckwheat grain stored under snow, fraction, mechanical properties, peeling, size, storage, strength, change
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. Gimenez-Bastida JA, Zielinski H. Buckwheat as a Functional Food and Its Effects on Health. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2015;63(36):7896-7913. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jafc.5b02498.
2. Benkovic ET, Kreft S. Fagopyrins and Protofagopyrins: Detection, Analysis, and Potential Phototoxicity in Buckwheat. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2015;63(24):5715-5724. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jafc.5b01163.
3. Suzuki T, Kim SJ, Mohamed ZIS, Mukasa Y, Takigawa S, Matsuura-Endo C, et al. Structural identification of anthocya- nins and analysis of concentrations during growth and flowering in buckwheat (Fagopyrum esculentum moench) petals. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2007;55(23):9571-9575. DOI: https://doi.org/10.1021/jf071474l.
4. Watanabe M, Ayugase J. Chiral Separation of Catechins in Buckwheat Groats and the Effects of Phenolic Compounds in Mice Subjected to Restraint Stress. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2009;57(14):6438-6442. DOI: https://doi. org/10.1021/jf901281j.
5. Liu CL, Chen YS, Yang JH, Chiang BH, Hsu CK. Trace element water improves the antioxidant activity of buckwheat (Fagopyrum esculentum moench) sprouts. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2007;55(22):8934-8940. DOI: https://doi. org/10.1021/jf0716275.
6. Verardo V, Arraez-Roman D, Segura-Carretero A, Marconi E, Fernandez-Gutierrez A, Caboni MF. Determination of Free and Bound Phenolic Compounds in Buckwheat Spaghetti by RP-HPLC-ESI-TOF-MS: Effect of Thermal Processing from Farm to Fork. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2011;59(14):7700-7707. DOI: https://doi.org/10.1021/jf201069k.
7. Zielinski H, Michalska A, Amigo-Benavent M, del Castillo MD, Piskula MK. Changes in Protein Quality and An- tioxidant Properties of Buckwheat Seeds and Groats Induced by Roasting. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2009;57(11):4771-4776. DOI: https://doi.org/10.1021/jf900313e.
8. Oomah BD, Mazza G. Flavonoids and antioxidative activities in buckwheat. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1996;44(7):1746-1750. DOI: https://doi.org/10.1021/jf9508357
9. Suzuki T, Honda Y, Mukasa Y, Kim S. Effects of lipase, lipoxygenase, peroxidase, and rutin on quality deteriorations in buckwheat flour. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2005;53(21):8400-8405. DOI: https://doi.org/10.1021/jf0512499.
10. Vazhov VM, Kozil VN, Bakhtin RF, Yaskov MI. Regional aspect of cultivating buckwheat in Altai. Advances in cur- rent natural sciences. 2018;(8):40-45. (In Russ.).
11. Meleshkina EP. Modern Aspects of Wheat Grain Quality. Agrarian Reporter of South-East. 2009; 3(3):4-7. (In Russ.).
12. “Rostselʹmash” nazval tri osnovnykh prichiny poterʹ zerna pri uborke [Rostselmash named three main causes of grain losses during harvesting]. Agroinvestor [Agroinvestor]. 2017. [cited 2018 Dec 25]. Available from: http://agriculture.by/news/ mirovye-novosti/rostselmash-nazval-tri-osnovnyh-prichiny-poter-zerna-pri-uborke.
13. Novoselov SV, Bolkhivitina EN, Ugarova YuG. Osnovy modelirovaniya innovatsionnogo razvitiya zernopererabaty- vayushchikh predpriyatiy v usloviyakh Altayskogo kraya [Basic modeling of the innovative development of grain processing en- terprises in the conditions of the Altai Territory]. Polzunovsky vestnik. 2012;(2-2):65-73. (In Russ.).
14. Mar’in VA, Vereshchagin AL, Bychin NV. Mechanical properties of buckwheat grain stored under snow. Food Process- ing: Techniques and Technology. 2017;44(1):65-72. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.21179/2074-9414-2017-1-65-72.
15. Konstantinov MM, Rumyantsev AA, Borzov NA. Methods of determining the evenness of hydrothermic treatment of groats grain. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2012;35(3):79-82. (In Russ.).
16. Rumyantsev AA. Matematicheskaya modelʹ kinetiki uvlazhneniya zernokrupyanykh kulʹtur pri gidrotermicheskoy obrabotke [The mathematic model for the wet grain kinetics during hydrothermal processing]. Polzunovsky vestnik. 2018;(2):56-59. (In Russ.).
17. Bryngelsson S, Dimberg LH, Kamal-Eldin A. Effects of commercial processing on levels of antioxidants in oats (Avena sativa L.). Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2002;50(7):1890-1896. DOI: https://doi.org/10.1021/jf011222z.
18. Saravacos G, Kostaropoulos AE. Mechanical Separation Equipment. In: Saravacos GD, Kostaropoulos AE, edi- tors. Handbook of Food Processing Equipment, 2nd Edition. Food Engineering Series. New York: Springer; 2016. p. 233-292. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-25020-5.
19. Vazhov VM, Kozil VN, Vazhov SV. Agroecological growing business Fagopyrum esculentum moench. In Altai. Ad- vances in current natural sciences. 2016;(1);56-60. (In Russ.).
20. Marin VA, Vereshchagin AL, Bychin NV. Physico-mechanical Properties of the Buckwheat Kernels in Different Sizes. Storage and Processing of Farm Products. 2017;(3):14-17. (In Russ.).
21. Deng Y, Padilla-Zakour O, Zhao YY, Tao SS. Influences of High Hydrostatic Pressure, Microwave Heating, and Boil- ing on Chemical Compositions, Antinutritional Factors, Fatty Acids, In Vitro Protein Digestibility, and Microstructure of Buck- wheat. Food and Bioprocess Technology. 2015;8(11):2235-2245. DOI: https://doi.org/10.1007/s11947-015-1578-9.
