|
Monitoring jednorodności ziarna zbóż - propozycje rozwiązań aparaturowych dla celów hodowlanych i przemysłowych*
Zagadnienie jednorodności ziarna zbóż
"Zboże należy traktować tak jak każdy inny towar przemysłowy" te słowa wypowiedział australijski technolog zbożowy George Sutton w 1954 roku [4]. Po blisko połowie wieku stwierdzenie to jest nadal aktualne i wymaga urzeczywistnienia w obecnych warunkach przemysłowego wykorzystania tego cennego surowca.
W praktyce, zarówno cechy jakościowe wewnątrz jak i na zewnątrz ziarna zbóż są zróżnicowane. Zróżnicowanie cech jakościowych ziarna wynika z uwarunkowań wewnętrznych (genetycznych) i zewnętrznych (środowiskowych i technicznych). Mamy więc do czynienia z różnymi odmianami, różnymi typami gleb i ich zasobnością, zróżnicowanymi warunkami pogodowymi (słońce, deszcz, temperatura), a także z różnym położeniem ziarna w kłosku i kłosie oraz szeregiem innych nie mniej ważnych czynników kształtujących cechy użytkowe surowca. Ujednolicenie cech fizycznych ziarna zbóż, na przykład pod względem; rozmiarów, masy 1000. ziarniaków, uszkodzeń fizycznych i enzymatycznych bielma może mieć istotny wpływ na efektywność technologicznych procesów wytwarzania produktów spożywczych.
Jak wynika z materiałów konferencji zbożowej [7], która odbyła się w Wiedniu, w dniach 06-08 marca br., potrzeba pozyskiwania ujednoliconego materiału ziarnowego pod względem wymaganych cech użytkowych będzie ważnym imperatywem dalszego postępu technologicznego w przetwórstwie zbóż.
Podczas sympozjum AACC (Amerykańskiego Stowarzyszenia Nauki o Zbożu i Technologii), które odbyło się w 2001 roku w USA, kluczową kwestią jaką postawił prof. Walter Bushuk - laureat tego sympozjum, [9] było: Jaki przełom w badaniach naukowych można przewidzieć w nauce o zbożu i technologii w nadchodzących latach? W tej kwestii Laureat powiedział, że szybkie i niedestrukcyjne metody oceny jakościowej ziarna, jako surowca zapewniającego zachowanie walorów zdrowotnych i funkcjonalnych artykułów spożywczych, będą eliminować dotychczasowe potrzeby identyfikacji odmian i ich klasyfikacji. W świetle przewidywanego rozwoju w badaniach genetycznych ta prognoza wydaje się być wysoce prawdopodobna i można przyjąć, że dalszy postęp technologiczny będzie ściśle związany z tymi badaniami.
Przemysł zbożowy w świecie, obejmujący obecnie swoim patronatem cały łańcuch technologiczny (od "ziarenka" do "bochenka"), wspiera coraz skuteczniej badania zmierzające do opracowania metod szybkiej i obiektywnej oceny jednorodności surowca na każdym etapie tego łańcucha. Stąd też zainteresowanie przemysłu zbożowego zagadnieniem monitoringu cech fizycznych ziarna zbóż będzie miało również priorytetowe znaczenie w pakiecie grantowym Europejskiej Przestrzeni Badawczej (ERA), w latach 2003-2006.
Monitoring fizycznych właściwości ziarna zbóż
Ziarno zbóż jest poddawane w procesach technologicznych: zbioru, transportu, przechowywania i przetwarzania, działaniu czynników o charakterze destrukcyjnym. Najczęściej są to obciążenia zewnętrzne pochodzące od elementów roboczych maszyn i urządzeń biorących udział w danym procesie technologicznym, względnie naprężenia wewnętrzne, pochodzące od gradientu wilgotności. Oddziaływania te w istotny sposób determinują stan struktury wewnętrznej tych surowców oraz ich wartość konsumpcyjną [3,6]. Aby przewidzieć skutki oddziaływania tych czynników należy poznać mechanizmy przebiegu zjawisk fizycznych, i często również chemicznych, które towarzyszą określonym procesom technologicznym. Skutki tych oddziaływań są zdeterminowane również cechami wewnętrznymi (genetycznymi) tego surowca. Monitoring fizycznych właściwości ziarna zbóż powinien więc obejmować nie tylko ocenę jednorodności masy ziarna jako surowca przeznaczonego na cele przetwórcze, ale również jako ocenę wyrównania cech fizycznych ziarniaków w kłosach badanych gatunków zbóż pod kątem wykorzystania informacji dla celów oceny postępu biologicznego w pracach hodowlanych.
Preferowane metody oceny jednorodności ziarna zbóż
W ostatnich 10 latach, do oceny jednorodności próbek ziarna pszenicy, najczęściej stosowany jest komputerowy system charakterystyki pojedynczych ziarniaków pod nazwą Single Kernel Charakteryzation System (SKCS) model 4100, produkcji amerykańskiej firmy Perten Instruments. Taki zestaw aparaturowy jest w posiadaniu Pracowni Fizycznych Podstaw Oceny Jakościowej Ziarna IA PAN w Lublinie. Aparat ten w ciągu około 4 minut umożliwia przetestowanie, pod względem masy, twardości, średnicy i wilgotności, 300 pojedynczych ziarniaków pszenicy. Jednakże, jak dowiodły własne badania porównawcze, z uwagi na skomplikowany kształt ziarniaka parametr "średnicy" określony na aparacie SKCS jest niedokładny.
Dla dokładniejszego oszacowania wielkości ziarniaków proponujemy zastosowanie metody rentgenowskiej. Metoda ta umożliwia zdecydowanie bardziej precyzyjne określenie wymiarów zewnętrznych ziarniaka niż ma to miejsce w przypadku pomiarów na aparacie SKCS. Stosując metodę rentgenowską można określić nie tylko rozmiary zewnętrzne ziarniaka, ale określić również wielkość zarodka, kształt bruzdki, wykryć obecność larw wołka zbożowego czy też określić stan struktury bielma w postaci jego pęknięć poprzecznych. Dodatkowo, stosując prosty algorytm można wyznaczyć objętość pojedynczych ziarniaków, co w połączeniu z masą ziarniaka oznaczoną na aparacie SKCS pozwoliłoby określić również jego gęstość. Wykorzystanie obu tych technik (metody rentgenowskiej z systemem SKCS) umożliwia pozyskanie informacji o zróżnicowaniu badanych cech fizycznych w obrębie testowanej próbki ziarna .
Przykładowe charakterystyki pojedynczych ziarniaków pszenicy przy zastosowaniu techniki entgenowskiej i aparatu SKCS.
Na rysunku 1 przedstawiono naturalne procesy dojrzewania ziarna pszenicy w warunkach polowych na przykładzie pszenicy ozimej - odmiany ALMARI i jarej - odmiany SIGMA. Proces dojrzewania ziarna można obserwować na przykładzie stopniowego spadku jego wilgotności, który może być czasami spowolniony wskutek intensywnych opadów deszczu, szczególnie w okresie od dojrzałości woskowej do pełnej.
Rys.1. Naturalny proces dojrzewania ziarna pszenicy i destrukcyjny wpływ wzrostu wilgotności ziarna w warunkach polowych, przed zbiorem.
Po osiągnięciu przez ziarniak krytycznego poziomu wilgotności wynoszącego według badań własnych [1] około 13-14% narażony jest on na działanie naturalnych czynników o charakterze destrukcyjnym. Są to najczęściej, występujące w okresie przedzbiorowym w naszym klimacie, deszcz lub rosa. Oba te czynniki w warunkach polowych mogą przemiennie towarzyszyć dojrzałemu już ziarnu, aż do czasu jego zbioru. Wówczas po ponownym zwykle intensywnym nawilżeniu, względnie intensywnym wysychaniu wilgotnego ziarna, powstają w nim naprężenia wewnętrzne, które skutkują pojawianiem się pęknięć poprzecznych bielma.
Na rysunku 2 przedstawiono przykładowo cztery rentgenogramy ziarniaków pszenicy, które poddane były w warunkach laboratoryjnych procesowi intensywnego nawilżania, po uprzednim osiągnięciu przez nie wilgotności na poziomie 13%. Jak łatwo zauważyć technika rentgenograficzna umożliwia precyzyjne wyróżnienie zarówno pęknięć poprzecznych bielma jak i obszaru bruzdki i zarodka. Opracowany w naszej Pracowni komputerowy program cyfrowej analizy obrazów rentgenowskich pojedynczych ziarniaków [5] umożliwia bardzo łatwe i szybkie wyznaczenie szeregu innych cech geometrycznych ziarniaka, takich jak np. obwodu, szerokości i długości ziarniaka, liczby pęknięć lub wyznaczenie na bazie określonego algorytmu wskaźnika sumarycznego (WS) uszkodzeń wewnętrznych (patrz Rys. 1).
Rys.2. Obrazy rentgenowskie ziarniaków pszenicy z charakterystycznymi pęknięciami poprzecznymi bielma.
Konsekwencja tego typu uszkodzeń wewnętrznych może być gwałtowny wzrost liczby rozdrobnionych ziarniaków w trakcie kombajnowego zbioru. Zjawisko tak zwanego "połówkowania" ziarna ma swoje głównie przyczyny w naruszeniu ciągłości struktury bielma, spowodowanej naturalnym procesem intensywnego wzrostu wilgotności ziarna dojrzałego i suchego w okresie przedzbiorowym.
Ewidentnym przykładem występowania tego typu pęknięć w ziarnie znajdującym się w kłosie są rezultaty badań przeprowadzonych w naszej Pracowni [2]. Na rysunku 3 przedstawiono rozkład masy ziarniaków (3a) i rozkład ich twardości (3b) w kolejnych częściach kłosa (dolnym, środkowym i górnym) u pszenicy ozimej odmiany Begra. Faktem jest, że w środkowej części kłosa ziarniaki są najbardziej dorodne i najszybciej osiągają pełną dojrzałość. Można byłoby z tego wyciągnąć oczywisty wniosek, że i twardość technologiczna takich ziarniaków będzie najwyższa. Badania przeprowadzone na aparacie SKCS dowiodły jednak, że ziarniaki pochodzące ze środkowej części kłosa były zdecydowanie bardziej miękkie w porównaniu do ziarniaków z części dolnej kłosa (Rys. 3b).
Rys. 3. Rozkład masy ziarniaków z uszkodzeniami wewnętrznymi (a) i ich twardości (b) w poszczególnych częściach kłosa pszenicy ozimej odmiany Begra
O nowych możliwościach poznawczych w badaniach postępu biologicznego pojedynczych ziarniaków zbóż można przekonać się już na przykładzie początkowych pomiarów masy ziarniaków w kłoskach żyta jarego udostępnionych przez prof. Bolesława Styka z Akademii Rolniczej w Lublinie (Rys.4).
Rys. 4. Rozkład średnich wartości masy ziarniaków w poszczególnych kłoskach na standardowej długości kłosa żyta jarego.
Zaproponowana charakterystyka masy ziarniaków w kolejnych kłoskach na długości kłosa znakomicie ułatwia śledzenie postępu biologicznego pod względem kształtowania się tej cechy. Istnieje możliwość monitorowania zmian również innych cech użytkowych ziarniaków zbóż na długości kłosa.
Aktualnie, w Pracowni Fizycznych Podstaw Oceny Jakościowej Ziarna realizowany jest w ramach grantu KBN nr P06F 004 20 program badawczy pt. "Monitoring cech fizycznych pojedynczych ziarniaków w kłosach wybranych odmian pszenicy". Program przewiduje ocenę użytkowych cech fizycznych pojedynczych ziarniaków przy wykorzystaniu metody cyfrowej analizy obrazów rentgenowskich (CAOR) oraz aparatury SKCS. Efektem końcowym tego projektu będzie propozycja modelu fizycznego cech użytkowych ziarna na długości kłosów badanych odmian pszenicy.
Podsumowanie
Propozycja rozwinięcia badań rentgenograficznych dla celów diagnostyki stanu fizycznego ziarna zbóż, jak i szkodników w nim żerujących, zasługuje na szczególna uwagę w świetle trendów współczesnej nauki o zbożu i technologii. Metoda CAOR pojedynczych ziarniaków może być z łatwością włączona do kompleksowych systemów oceny wartości użytkowej surowca z uwagi na jej niedestrukcyjny charakter. Może być również stosowana w badaniach entomologicznych nad wzrostem i rozwojem owadów żerujących w nasionach roślin uprawnych.
Monitoring jednorodności ziarna zbóż dla celów przemysłowych i hodowlanych może znaleźć szerokie zastosowanie przy budowie systemów oceny jakościowej tego cennego surowca.
Propozycja ta jest jednocześnie efektem współpracy międzynarodowej naszego Instytutu z takimi placówkami naukowymi jak: Instytut Agrofizyki Rosyjskiej Akademii Nauk Rolniczych w St. Perersburgu (Rosja) i Uniwersytet Rolniczy w Pradze (Czeska Rep.). Autor, od roku 1992, jest przewodniczącym Grupy Studyjnej ICC pn. "Uszkodzenia mechaniczne ziarna pszenicy", w ramach której na konferencji zbożowej w Wiedniu prezentował obszerne fragmenty niniejszej pracy jako wstępną propozycję projektu zbożowego pod kątem udziału w VI Pakiecie Unii Europejskiej poświęconej tematyce Obszarów Badawczych Europy (ERA) na lata 2003-2006.
Stanisław Grundas
Prof. dr hab. Stanisław Grundas jest kierownikiem Pracowni Fizycznych Podstaw Oceny Jakościowej Ziarna Instytutu Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego PAN w Lublinie.<
Literatura
- Geodecki M. (1999) Uszkodzenia wewnętrzne ziarna pszenicy powstające w okresie przedzbiorowym. Praca doktorska. Instytut Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego PAN w Lublinie.
- Geodecki M., Grundas S. (1999) Ocena cech technologicznych pojedynczych ziarniaków pszenicy w zależności od ich położenia w kłosie. Biuletyn Zakładu Fizycznych Podstaw Oceny i Ulepszania Materiałów Roślinnych Instytutu Agrofizyki PAN w Lublinie. Dodatek do "Przeglądu Zbożowo-Młynarskiego", 2, rok II, s. 25-26.
- Grundas S. (1997) Advantage of physical properties of single kernels of wheat to evaluation of its utility values. AACC European News, July, s.6-7.
- Jurga R. (1989) Poradnik Młynarza. Przegląd Zbożowo-Młynarski, 9.
- Niewczas J., Woźniak W., Grundas S., Strumiłło P. (1998) X-ray imaging for grain diagnostics. Abstracts of the International Conference on "Structure and Functionality of Food Products". Mrągowo, 18-20.05.1998, s.42.
- Pecen J., Grundas S., Velikanov L. On the need of studies on mechanical damage to wheat grain. Proceedings of the International Scientific Conference on "Trends in Agriculture Engineering" - TAE'92. Prague (Czechoslovakia), vol.I, s.398-405.
- (2002) Book of abstracts of the EU/ICC Cereal Conference on Implementation of the European Research Area. Vienna/Austria, March 6-8, 2002.
- Wrigley C. (2002) The rapid next breakthrough in cereal chemistry- rapid quality testing. Cereal Food World, vol. 47, No. 3, s.116-118.
* Obszerne fragmenty pracy były prezentowane:
- w formie referatowej, na zebraniu Komisji Rolnictwa Oddziału PAN w Lublinie 17 stycznia 2002r. Tytuł referatu: Zagadnienie jednorodności płodów rolnych jako przedmiot badań agrofizycznych,
- a także w formie referatowej i posterowej, na posiedzeniu Grupy Roboczej Nr 8 "Analytical Tools and Techniques" podczas konferencji zbożowej zorganizowanej przez Unię Europejską i Międzynarodowe Stowarzyszenie Nauki o Zbożu i Technologii (EU/ICC Cereal Conference) w Wiedniu w dniach 6-8 marca 2002r. Tytuł prezentacji: Advantage of X-ray method to monitoring of physical properties uniformity of cereal grain for industry purposes.
powrót do wydawnictwa 
|
