CC BY
19
БОТ: 10.15587/2312-8372.2018.146600
ДОСЛДЖЕННЯ ГТГРОСКОШЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЗЕРНА СПЕЛЬТИ Станкевич Г. М., Кац А. К., Васильев С. В.
1. Вступ
Одшею з глобальних проблем людства е продовольча. Велику роль у И ви-ршенш вiдiграе зернове господарство, яке е системоутворюючим для iнших секторiв агропромислового виробництва. Стан зернового виробництва i становище на ринку зерна в свгговш практищ приймаються в якост основних показ-никiв продовольчо! безпеки свiту в цiлому i кожно! окремо! кра!ни зокрема.
Спельта, або плiвчаста пшениця, е рiзновидом пшеницi з геномним складом, подiбним до пшеницi м'яко!. Шдвищена увага до спельти в багатьох кра!-нах Свропи та в Укра!ш в останнi десятилiття обумовлена низкою чинниюв. Серед них можна назвати придатнiсть для бiологiчного землеробства, популярного в багатьох розвинених кра!нах, невибагливють до умов вирощування, зда-тнiсть витримувати грунти, збщнеш на елементи живлення. Вона мае високу зимостшюсть, стiйкiсть до надмiрного зволоження у перiод кущiння. Деяк хар-човi i технологiчнi властивост дозволяють !й у рядi випадюв потiснити тради-цiйно домiнуючу м'яку пшеницю [1-3].
Постiйне вживання спельти в !жу сприяе швидкiй нормаизацп рiвня цукру в складi кров^ змiцненню iмунiтету, полiпшенню роботи ендокринно!, серцево-судинно!, травно!, нервово! i репродуктивно! систем [1, 4]. У великш мiрi про-дукти зi спельти знижують ризик розвитку шфекцшних, онкологiчних захво-рювань i анемп. Також слiд вiдзначити користь цього злаку для людей з алергь ею на глютен, що мютиться в зернах пшеницi, ячменю i вiвса [5-7].
Нинi важливими залишаються питання пiслязбирального оброблення зерна недостатньо вивчено! на даний час спельти (насамперед !! активного вентилю-вання та сушшня), яке б могло забезпечити !! надiйне зберiгання та наступну технолопчну переробку у продукти харчування.
Важливий вплив на стан зерново! маси при пiслязбиральному обробленш та зберiганнi мають сорбцiйнi властивосп, тобто здатнiсть до сорбцi! (погли-нання) i десорбцi! (видiлення) парiв вологи i рiзних газiв з навколишнього сере-довища. Це призводить до змши вологостi i запаху зерна, яке обробляеться або збер^аеться. Зволоження зерна в результат сорбцп пiд час зберiгання також створюе умови для тдвищення життедiяльностi насшня, мiкроорганiзмiв та ш-ших живих органiзмiв [8, 9].
Таким чином, у результал взаемодi! з навколишшм середовищем вологiсть зерна безперервно змшюеться до досягнення рiвноважного стану (так звано! рь вноважно! вологостi), переб^ якого у значнiй мiрi визначаеться властивостями зерна, як носять назву пгроскотчних.
Враховуючи, що спельта е мало вивченою культурою, дослщження !! пг-роскопiчних властивостей е актуальним завданням.
2. Об'ект дослщження та його технолопчний аудит
Об'ект дослгдження - пгроскошчш властивостi зерна спельти.
Предмет дослгдження - не обрушене (з квпковими плiвками) та обрушене (зi знятими плiвками) зерно спельти сорту Зоря Укра!ни урожаю 2016 р. Почат-кова вологiсть не обрушено!' спельти 12,20 %, обрушено! 11,5о %.
У характеристицi гiгроскопiчних властивостей зерна основним е поняття рiвноважноl вологост - стану динамiчноl рiвноваги, за якого паршальш тиски водяно! пари в повг^ та над зерном одинаков^ Вологiсть зерна, яка вщповщае цьому стану, називаеться рiвноважною волопстю. Як вiдомо, на рiвноважну во-логiсть зерна впливають такi фактори, як температура i вiдносна волопсть повь тря, вид зерново! культури та и початкова вологiсть [10].
Визначальним фактором, який впливае на величину i швидкiсть досягнен-ня рiвноважноl вологостi, е величина вщносно! вологостi повiтря - чим вона бь льша, тим швидше зерно поглинае вологу i тим бшьша рiвноважна вологiсть. Остання залежить i вiд температури повiтря: за однаково! вщносно! вологостi повiтря та бшьш високiй температурi вiдповiдае бiльш низька рiвноважна воло-гiсть i, навпаки, знижена температура приводить до тдвищення рiвноважноl вологостi зерна. Це слщ враховувати при добових перепадах температури та змшах температури у зерносховищах i зовнiшньому середовищi [9, 10].
Рiзнi зерновi культури за однакових умов поглинають неоднакову кiлькiсть вологи, що пов'язано з будовою та бiохiмiчним складом зерна. Рiвноважна волопсть окремих зернин у зерновш мас також неоднакова. Причинами нерiвно-мiрного розподiлу вологи в зерновш мас можуть бути:
- нерiвномiрний розподiл вологи в кожнiй окремо взятш зернинi;
- рiзна сорбцшна емнiсть зерен рiзноl виповненостi i крупностi;
- вiдносна вологiсть навколишнього повiтря зерново! маси;
- видшення води i тепла всiма живими компонентами зерново! маси;
- стан зерносховищ;
- змiна температури в рiзних дiлянках насипу зерна i пов'язане з цим явище термовологопровщност [9].
Для тако! недостатньо вивчено! культури як спельта, гiгроскопiчнi власти-востi практично не вивченi, що i визначило мету проведено! роботи.
3. Мета та задачi дослщження
Метою дослгдження е встановлення закономiрностей змши рiвноважно! вологостi зерна спельти в залежност вiд температури та вщносно! вологостi зо-внiшнього повпря. Це дозволить пiдвищити ефективнiсть !! пiслязбирального оброблення та зберiгання.
Для досягнення поставлено! мети необхщно виконати таю задача
1. Визначити значення рiвноважноl вологостi спельти за рiзних температур та вiдносно! вологост повiтря.
2. Встановити характер змши рiвноважно! вологостi спельти залежно вщ температури та вiдносно! вологостi повпря.
3. Визначити емшричш коефщенти у piBMHHi i30TepM сорбцiï для прогно-зування значень рiвноважноï вологостi спельти в залежност вiд температури та вщносно1' вологостi повiтря.
4. Дослiдження кнуючих р1шень проблеми
Аналiз лiтературних джерел, присвячених спелкл, дають певне уявлення про цю мало вивчену культуру. У них автори наводять ряд характеристик спельти, переважно агрономiчного спрямування, показують харчову та бюлопчну щншсть продуктiв з неï та 1'х екологiчну чистоту.
Так, в оглядi [1] вказуеться, що зерновi являють найбiльш значну групу культур в структурi рослинництва з економiчноï, агрономiчноï та споживноï то-чок зору. Шдкреслюеться, що спельта - це стародавнш вид пшеницi, який ниш знову вщкритий в Сврош i Пiвнiчнiй Америцi та стае все бшьш популярним за агрономiчними, харчовими та медичними характеристиками. В [11] шдкреслюеться, що ш «стародавш зерна» - дию попередники пшениш - дали можливiсть вщродження органiчного фермерства, завдяки чому у наших рацюнах та госпо-дарствах з'явились полба та спельта.
У робот [3] наведено фiзико-агрономiчнi характеристики спельти, виро-щено!' у оргашчнш фермерськiй системi. Були дослiдженi урожайшсть, пожив-нiсть та бiометричнi характеристики спельти. Автори роботи [4] шдкреслюють, що спельта мае меншу врожайшсть порiвняно з сучасними пшеницями, однак це компенсуеться бiльш якiсними характеристиками зерна, зокрема значно ви-щим вмiстом та якiстю бiлка.
Важливють спельти для ведення екологiчного господарства та виробницт-ва бепечно1' оргашчно1' розглянута в [11, 12]. Автори дослщжень [12] порiв-нювали два сорти спельти, у тому чи^ i за таким технолопчним показником, як маса 1000 зерен. Iншi технологiчнi характеристики не розглядались.
Окремi технологiчнi властивостi зерна спельти, таю як натура, склоподiб-шсть, твердозернiсть, дослiдженi в [13]. Вивчався також бiохiмiчний склад, характеристики клейковини, показаш переваги хлiбних виробiв iз спельти перед виробами з традицшних комерцiйних типiв пшениць. Однак отримаш данi е важливими для зернопереробних та хлiбопекарських пiдприемств, та не дають шформацш, необхiдну для обгрунтування режимiв пiслязбиральноï обробки спельти на зернозагопвельних пiдприемствах.
У [5] також наведена оцшка технологiчноï якост спельти, яка включала дослiдження вмюту сиро1' клейковини, ïï набухання, нестшюсть, ферментативну активнiсть (число падiння), шдекс клейковини. Зазначено, що вживання проду-ктiв на основi спельти може забезпечити збшьшення споживання мiнералiв, вь тамiнiв та клiтковини, що сприятиме зменшенню глiкемiчного iндексу харчо-вих продуклв зi спельтою. У джерелi [2] зазначаеться, що у глютеш спельти вь дсутнi деякi гиадини, наявнi у клейковинi сучасно1' пшениш, що робить щ злаки прийнятними для людей, яю страждають вiд алергп через iндивiдуальну не-переносимiсть сучасних видiв пшеницi. Високу яюсть хлiба зi спельти шдтвер-джують i iншi автори у роботах [4, 14].
Що стосуеться методiв та методик до^дження масообмiнних характеристик зерна, зокрема пгроскотчних властивостей, то найбiльш повно вони опи-санi в [10]. Однак стосовно зерна спельти жодних даних не наведено.
Таким чином, результати анашзу дозволяють зробити висновок про те, що у лiтературi вщсутш даш про гiгроскопiчнi властивост спельти, що i визначило вказану вище мету дано! роботи.
5. Методи дослщження
Дослiдження проводили загально прийнятим тензиметричним методом [10], який полягае в тому, що наважки зерна помiщають у зважуванш скляш бюкси, якi розмiщують у пгростал - ексикаторi з рiдиною, що мае певну пружнють парiв води над поверхнею. Зважуючи бюкси з певною перiодичнiстю, судять про стушнь поглинання вологи зерном.
Дослiди проводили в дiапазонi температур повiтря t=5 .. .25 °С та його вщ-носно! вологост ф=33...70 %, якi моделюють умови активного вентилювання та збер^ання зерна у рiзнi пори року.
Для забезпечення прийнято! у дослiдженнях температури довкшля 5 °С ек-сикатори розмщали у холодильнику, а для температури 25 °С - у термостал.
Для створення певно! вщносно! вологостi повiтря в ексикатори наливали бли-зько 1...2 дм розчину шрчано! кислоти потрiбно! густини, яка забезпечувала вказанi вище значення, вiдносну вологiсть повiтря 33, 45 та 70 %. При цьому, для забезпечення бтьш точних результатiв, концентрацiю розчинiв сiрчано! кислоти ексикато-рi готували з урахуванням залежностi !! густини вiд температури [15]. Густину ср-чано! кислоти та !! розчинiв контролювали за допомогою набору ареометрiв.
У кожен ексикатор було закладено бюкси з наважками зерна близько 5 г. Враховуючи, що дослщи проводили у 2-х паралелях, загальна кiлькiсть бюкс з наважками зерна не обрушено! та обрушено! спельти склала 24 штуки.
Бюкси з наважками перюдично зважували. За отриманими даними змши маси наважок у бюксах у кожний певний момент часу розраховували промiжну вологiсть зерна (%) за формулою:
w, = 100 - m (100 - w1), (1)
m,
де wi - промiжна (поточна) вологiсть зерна в i-тий момент часу, %;
m1 - початкова маса наважки зерна (на початок дослщу), г;
mi - промiжна (поточна) маса наважки зерна в i-тий момент часу, г;
w1 - промiжна (поточна) та початкова волопсть зерна, %.
На основi отриманих даних будували кривi сорбцп або десорбцп (в залеж-ностi вiд початково! вологост зерна). При досягненнi стало! маси наважок дос-лiд припиняли та визначали досягнуту вологiсть зерна, яку i приймали за пгро-скотчну. Початкову та кiнцеву вологiсть зерна визначали за ДСТУ ГОСТ 29144:2009 (ИСО 711-85) [16].
Подальше узагальнення експериментальних даних проводили статистич-ними методами з використанням табличного процесора MS Excel 2007.
6. Результати досл1джень
Проведет експерименти показали, що тривашсть дослiдiв для досягнення рiвноважного стану зерна була в межах 20...40 дiб. По закшченню дослiдiв бу-ла проведена 1х математична обробка. При цьому у паралельних дослiдах роз-раховувати середш значення маси зерна у бюксах у кожний обраний момент часу, як надалi перераховували у поточну волопсть зерна.
Отриманi експериментальнi значення поточно! вологост зерна для усеред-нення апроксимували емпiричними рiвняннями iзотерм сорбцii або десорбцii, у яких коефщенти визначали методом найменших квадралв. За отриманими iзо-термами сорбцп та десорбцii була визначена рiвноважна вологiсть не обрушено! та обрушено! спельти для кожного iз значень температури та вщносно! во-логостi повiтря у ексикаторах.
Отримаш розрахунковi значення рiвноважноi вологостi спельти надаи по-рiвнювали з досягнутою кiнцевою вологiстю зразкiв спельти у кожному з екси-каторiв. Проведена перевiрка показала, що розрахунковi та експериментальш значення рiвноважноi вологостi знаходились в межах похибки дослщв. Отримаш значення рiвноважноi вологостi наедет у табл. 1.
Таблиця 1
Рiвноважна вологiсть спельти Зоря Украши (2016 р.)
Умови дослвдв Значення р1вноважно'1 водогосг1 спельти, %
ф, % г, °С не обрушено'1 обрушено'1
парадедьнi середне паралельш середне
33 5 10,8' 10,79 11,64 11,52
11,40
45 11,36 11,40 11,70 12,06
11,44 12,41
70 13,84 13,78 14,73 14,59
13,72 14,44
33 25 9,51 9,35 10,12 9,98
9,19 9,84
45 10,39 10,52 11,21 11,06
!0 60 10,90
70 12,79 12,66 13,14 13,08
"2,52 13,02
З даних табл. 1 видно, що пгроскошчна волопсть обрушено1' спельти в до-слщженому дiапазонi температур 5.25 °С вища на 0,42.0,74 %, нiж у обрушено^ що можна пояснити нижчою здатнiстю плiвок до поглинання води, шж у зернiвки. Це узгоджуеться з лiтературними даними i означае, що навiть в умо-вах, якщо все зерно перебувае в сташ гiгроскопiчноi рiвноваги з довкшлям, е можливiсть для обмшу вологи мiж бiльш вологим ядром i плiвками [9].
З джерела [10] вiдомо, що iзотерми сорбцп зерна можна достатньо точно описати рiвнянням вигляду:
w = A - B ■ t + (C - D ■ t)
-|0,5
1 -Ф^
(2)
де wp - рiвноважна вологiсть зерна, %;
A, B, C, D - стаи, що залежать вiд форми зв'язку вологи з сухою речови-ною зерна i температури зерна;
Ф - вiдносна вологiсть повiтря, у частках.
Значення сталих A, B, C, D визначають на основi експериментальних даних методом найменших квадралв. Для практично! реалiзацii методу найменших квадратiв зазвичай можна використовувати процедуру «Пошук ршень» табличного процесора MS Excel 2007.
Використовуючи вказану вище залежнiсть (2) на заключному етапi оброб-ки експериментальних даних з пгроскотчних властивостей дослiджених зраз-кiв спельти були визначенi емтричш коефщенти A, B, C, D:
- для не обрушено! спельти A=6,864; B=0,07565; C=9,843; D=-0,0333;
- для обрушено! спельти A=7,324; B=0,05824; C=10,43; D=0,01684.
Середньоквадратичнi вщхилення при розрахунку ршноважно! вологост за отри-
маними емпiричними ршняннями складають для не обрушено! та обрушено! спельти вщповщно 0,045 та 0,055 %, а вщносна похибка знаходиться в межах 0,21... 2,04 %.
За отриманим емтричним рiвнянням (2) для не обрушено! та обрушено! спельти було побудовано iзотерми рiвноважноi вологост за температур 5, 15 та 25 °С (рис. 1). Наведен iзотерми дають наочне уявлення про характер змши рь вноважно! вологост залежно вiд вiдносноi вологостi повпря.
б
Рис. 1. 1зотерми рiвноважноi вологостi: а - не обрушено!; б - обрушено! спельти
1з рис. 1 видно, що у дiапазонi вщносно! вологостi повiтря ф=30.. .70 % рiвно-важна вологiсть wp як не лущено!, так i лущено! спельти зростае практично за прямопропорцшним законом. I лише тсля ф=70 % спостер^аеться бiльш стрiмкi-ше зростання Wp. Це характерно i для iнших злакових культур [10]. Видно також, що рiвноважна вологiсть wp обрушено! спельти дещо вища вiд не обрушено!, що може призвести до попршення якост обрушено! спельти при !! зберганш.
7. SWOT-аналiз результат дослiджень
Strengths. Сильними сторонами результат дослiджень е можливють про-гнозування рiвноважноï вологостi не обрушено!' та обрушено! спельти, що дозволить 3ano6irra негативним явищам ïï зволоження при активному вентилю-ваннi у рiзних клiматичних умовах та наступному збер^анш Це буде сприяти збереженню якостi спельти. Показано також, що рiвноважна вологiсть обрушено! спельти вища за не обрушено! на 0,42.0,74 %, що створюе кращi умови для збер^ання останньо!.
Weaknesses. Слабкими сторонами дослщжених гiгроскопiчних властивос-тей е недостатнш дiапазон отриманих даних щодо сорлв спельти, клiматичних зон ïï вирощування та рокiв урожаю.
Opportunities. Перспективами подальших дослiджень е необхiднiсть залу-чення до дослiджень нових створених та районованих сортiв спельти, вироще-них у рiзнi роки у рiзних агроклiматичних умовах. Це дозволить створити ши-року базу даних з пгроскошчних властивостей спельти як Украши, так i свiту, бшьш точно прогнозувати ïï рiвноважну волопсть та уникати небажаних нас-лщюв при пiслязбиральному обробленнi та збер^анш спельти.
Threats. Загрозами е те, що використання результапв дослiджень для ш-ших сортiв спельти, урожа!^ iнших рокiв та спельти, вирощеноï' у iнших кима-тичних умовах Украши, чисельш значення гiгроскопiчних властивостей будуть дещо вiдмiнними вiд встановлених i будуть потребувати коригування. За де-яких умов довкiлля це може призвести до зволоження спельти при активному вентилюванш чи попршення якост при тривалому зберiганнi.
8. Висновки
1. Визначено чисельнi значення рiвноважноï' вологостi спельти сорту Зоря Украши за температур 5.25 °С та вiдносноï' вологостi повiтря 33.70 %. Показано, що рiвноважна вологiсть не обрушеноï' спельти (в квггкових плiвках) зна-ходиться в межах 9,35.13,78 %, обрушеноï' (без плiвок) - в межах 9,98.14,58 %. Встановлено також, що рiвноважна вологiсть вища на 0,42.0,74 % вщ не обрушено!:, що може призвести до попршення якост обру-шеноï' спельти при ïï збер^анш
2. Встановлено характер змiни рiвноважноï' вологостi спельти залежно вiд температури та вiдносноï' вологостi повiтря. 3i збiльшенням вiдносноï' вологостi та зниженш температури навколишнього повiтря рiвноважна волопсть спельти зрос-тае. У дiапазонi вiдносноï' вологостi повiтря ф=30.70 % рiвноважна вологiсть wp як не лущено^ так i лущеноï' спельти зростае практично за прямопропорцшним законом i лише тсля ф=70 % спостерiгаеться бшьш стрiмкiше зростання wp.
3. Визначено емпiричнi коефщенти та запропоноване рiвняння, яке описуе залежнють рiвноважноï' вологостi спельти вщ параметрiв навколишнього повiтря -температури та вiдносноï' вологостi. Запропоноване рiвняння дозволяе прогнозувати значення рiвноважноï' вологостi не обрушеноï' та обрушеноï' спельти за рiзних температур та вiдносноï' вологостi повiтря. Середньоквадратичне вiдхилення скла-дае для не обрушеноï' та обрушеноï' спельти вiдповiдно 0,045 та 0,055 %.
^irepaTypa
1. Kohajdova Z., Karovicova J. Nutritional value and baking applications of spelt wheat // Acta Scientiarum Polonorum Technologia Alimentaria. 2008. Vol. 5, Issue 3. P. 5-14.
2. Polba i spel'ta: vozvrashchenye k istokam / Zverev S. V. et. al. // Khranenye i pererabotka zerna. 2015. Issue 6-7 (194). P. 48-50.
3. Physio-agronomic performance of spring cultivars T. aestivum and T. spelta grown in organic farming system / Zuk-golaszewska K. et. al. // International Journal of Plant Production. 2015. Vol. 9, Issue 2. P. 211-236.
4. Konvalina P., Moudry J., Capouchova I. Agronomic characteristics and baking quality of Triticum spelta L // Lucrari §tiin|ifice. 2013. Vol. 56, Issue 1. P. 11-14.
5. Lacko-bartosova M., Korczyk-szabo J., Razny R. Triticum spelta - a specialty grain for ecological farming systems // Research Journal of Agricultural Science. 2010. Vol. 42, Issue 1. P. 143-147.
6. Spel'ta i polba v orhanichnomu zemlerobstvi / Tverdokhlib O. V. et. al. // Posibnyk ukrayins'koho khliboroba. 2013. P. 154-155.
7. Lysyuk H. M., Postnova O. M., Bohuslavs'kyy R. L. Perspektyva vykorystannya produktiv pererobky polby u kharchovykh produktakh // Prohresyvni tekhnika ta tekhnolohiyi kharchovykh vyrobnytstv restorannoho hospodarstva i torhovli. Zbirnyk naukovykh prats'KhDUKhT. 2005. Issue 1. P. 224-230.
8. Zberihannya i pererobka produktsiyi roslynnytstva / Podpryatov H. I. et. al. Kyiv: Meta, 2002. 495 p.
9. Puzik L. M., Puzik V. K. Tekhnolohiya zberihannya i pererobky zerna: textbook. Kharkiv: KhNAU, 2013. 312 p.
10. Hynzburh A. S., Savyna Y. S. Massoobmennye kharakterystyky pyshchevykh produktov. Moscow: Legkaia i pishchevaia promyshlennost, 1982. 280 p.
11. Singh A. Ancient grains a wheat by any other name // The Canadian Organic Grower. 2007. P. 16-18.
12. Morphological and productive traits of spelt wheat - Triticum spelta L / Jankovic S. et. al. // Agriculture & Forestry. 2015. Vol. 61, Issue 2. P. 173-182. doi: http://doi.org/10.17707/agricultforest.61.2.15
13. Zielijski H., Ceglijska A., Michalska A. Bioactive compounds in spelt bread // European Food Research and Technology. 2008. Vol. 226, Issue 3. P. 537544. doi: http://doi.org/10.1007/s00217-007-0568-1
14. Bojnanska T., Francakova H. The use of spelt wheat (Triticum spelta L,) for baking applications // Plant, Soil and Environment. 2002. Vol. 48, Issue 4. P. 141-147. doi: http://doi.org/10.17221/4212-pse
15. Postoyannaya otnosytel'naya vlazhnost' nad nasyshchennymy rastvoramy soley v zavysymosty ot temperatury, a takzhe hlytseryna i sernoy kysloty v zavysymosty ot temperatury i kontsentratsyy. URL: https://tehtab.ru/Guide/GuidePhysics/Humidity/SaturatedSaltSolutionsHumidity/
16. DSTU HOST 29144:2009 (ISO 711-85). Zerno i zernoprodukty. Vyznachennya volohosti (bazovyy kontrol'nyy metod) (2009). Kyiv: Derzhavnyy standart Ukrayiny. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200024404
