Содержание к диссертации
Введение
1. Общая характеристика работы 3
1.1. Актуальность проблемы 3
1.2. Цель и задачи работы 5
1.3. Научная концепция 6
1.4. Научная новизна 6
1.5. Практическая значимость 9
1.6. Апробация работы 10
1.7. Публикации результатов исследования 11
1.8. Структура научного доклада 11
2. Основные результаты исследования 11
2.1. Липидный комплекс семян подсолнечника 12
2.1.1. Локализация запасных липидов в семенах 12
2.1.2. Изменение функциональной активности митохондрий в период отложения в запас липидов 16
2.1.3. Видовой состав и структура триацилглицеринов запасных липидов 17
2.1.4. Гликолипидный комплекс семян 18
2.1.5. Защитная функция липидов покровных тканей семян 20
2.1.6. Влияние грибной микрофлоры на хранящиеся семена 24
2.2. Белковый комплекс семян 27
2.3. Разработка способов прогнозирования качества семян при хранении и получаемого из них растительного масла 31
2.3.1. Разработка научно обоснованных параметров хранилищ для масличных семян с хрупкими покровными тканями 32
2.3.2. Прогнозирование качества подсолнечного масла 32
2.3.2.1. Математическое моделирование процесса обрушивания семян 34
2.3.2.2. Математическое моделирование измельчения ядра семян 40
2.3.2.3. Прогнозирование качества масла при обезжиривании семян 43
3. Заключение 45
4. Список основных работ, опубликованных по материалам диссертации 47
4.1. Монография 47
4.2. Учебники и учебные пособия для ВУЗов 47
4.3. Научные статьи, тезисы докладов, отчеты 47
4.4. Авторские свидетельства и патенты, программы для ЭВМ 58
5. Summary 59
- Локализация запасных липидов в семенах
- Белковый комплекс семян
- Математическое моделирование процесса обрушивания семян
- Математическое моделирование измельчения ядра семян
Локализация запасных липидов в семенах
Анализ литературных источников показывает, что до наших исследований представление о локализации запасных липидов в масличных семенах базировалось на данных, полученных световой и несовершенной электронной микроскопией, разрешающая способность которой была недостаточной для выяснения реального состояния липидов в семенах.
Автором было впервые выдвинуто и экспериментально обосновано методами электронной просвечивающей и электронной сканирующей микрокопии принципиально новое представление об отложении и локализации запасных липидов в клетках созревающих и дозревающих подсолнечных семян в виде липидных сфе-росом [1, 2, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 18], позже подтвержденное другими исследователями в России, ближнем и дальнем зарубежье, (рис. 1-2).
На представленных фотографиях видны липидные сферосомы, плотно заполняющие весь свободный объем клетки зародыша физиологически зрелых сухих семян подсолнечника. На сканирующих фотографиях, кроме объемного изображения липидных сферосом, просматриваются обрывки семенной оболочки, волнистое строение которой обусловлено структурой внешней поверхности клеток эндосперма семян.
Выявлено широкое варьирование формы и размеров липидных сферосом при созревании на растении, при дозревании в поле, а также под влиянием послеуборочной обработки. При созревании и дозревании и, особенно, при нагревании семян в ходе тепловой сушки, липидные сферосомы увеличиваются в размерах, (рис. 3-6). По мере роста температуры семян однослойная мембрана липидных сферосом становится рыхлой и пористой. Повышение интенсивности теплового воздействия на семена коррелирует с возрастанием пористости мембран сферосом, увеличением глубины извлечения липидов при последующем обезжиривании семян механическим отжимом и экстракцией растворителями, а также с повышением содержания в извлекаемом масле структурных липидов. [11, 12, 13, 15, 19, 20,21,25,27,104,105].
Разработанный в ходе исследования оптико-структурный машинный анализ электронномикроскопических фотографий клеток семян показал, что воздействие на свежесобранные семена повреждающих факторов, в первую очередь повышенной температуры, сопровождается не только высвобождением структурных липи-дов, но и приводит к изменению массовой доли структурных компонентов клетки (табл. 1).
Локализация липидов в клетке способна изменяться не только при тепловом воздействии на семена. Показано различие в локализации липидов в семенах, высушенных при низких температурах. Низкотемпературная сублимационная сушка практически не изменяет форму и размеры сферосом (рис. 7), хотя и глубина извлечения масла из таких семян ниже, чем у высушенных при высокой температуре. Было обнаружено, что, как и высокотемпературная сушка, обработка влажных семян пропионовой кислотой при их консервировании сопровождается укрупнением липидных сферосом вплоть до разрыва их оболочек (рис. 8), что характерно для семян, потерявших всхожесть в результате самосогревания или других повреждающих семена воздействий [17, 33, 40]. Во всех случаях укрупнение липидных сферосом и особенно разрушение их оболочек (однослойных мембран) способствует повышению выхода суммарных липидов при обезжиривании семян.
Белковый комплекс семян
В созревающих семенах подсолнечника существует биологическая конкуренция за ассимиляцию между синтезами запасных липидов и запасных белков, массовая доля последних в семенах подсолнечника почти вдвое превышает массовую долю белка в зерне злаковых растений. Подсолнечный белок имеет высокую биологическую ценность. Поэтому углубленное изучение белкового комплекса семян подсолнечника и создание на этой основе отечественного производства пищевых подсолнечных белков является актуальным. В ходе исследований экспериментально установлена многокомпонент-ность белкового комплекса подсолнечника и его изменения в период созревания семян на растении и при послеуборочном дозревании, включая однофазную и двухфазную уборку (рис. 15) по электрофоретическому и аминокислотному составу [5, 27, 30, 35].
Впервые методами электронной микроскопии выявлено изменение анатомического строения белковых тел созревающих и дозревающих подсолнечных семян, определены молекулярные массы белков их фракций [42]. Предложены математические модели, позволяющие оценить глубину изменений фракций белков семян подсолнечника при тепловой обработке (рис. 16). Установлены и теоретически объяснены три периода в изменении анатомического строения и структуры белковых тел подсолнечных семян при послеуборочной обработке и хранении: первый период - разрыхление белковых глобул, второй - промежуточный период и третий - период уплотнения белковых глобул, сопровождающийся снижением функциональных (технологических) характеристик белков подсолнечных семян [46, 48, 50, 101]. Показано различие физико-химических характеристик белков в каждом из периодов, предложено объяснение снижения функциональных свойств белков, в первую очередь из-за уменьшения их гидрофильности во втором и в третьем периоде, коррелирующей с величиной атакуемости их протеолитически-ми ферментами (рис. 17). [62].
На основании этих исследований был сформулирован комплекс технологических рекомендаций по использованию белков подсолнечных семян для обогащения пищевых продуктов [64, 65, 66, 103, 104, 105].
Серьезной проблемой при получении пищевых подсолнечных белков и продуктов из них оказалось повышенное содержание в высокомасличном подсолнечнике фенольных соединений, в первую очередь, хлорогеновой кислоты и ее изомеров.
Впервые определен количественный и групповой состав фенольных соединений семян высокомасличного подсолнечника, установлена их локализация в тканях зародыша и эндосперма семян, а также изменение группового состава и локализации фенольных соединений в созревающих и дозревающих семенах. Предложена последовательность их взаимопревращений в послеуборочный период, а также под влиянием технологической переработки семян [49, 50]. Теоретически и экспериментально объяснено изменение группового состава фенольных соединений подсолнечника под влиянием окислительных и термических воздействий, количественно оценены взаимодействия фенольных соединений с белками, аминокислотами и фосфолипидами [28, 31]. Изучение комплекса фенольных соединений подсолнечника позволило предложить один из первых методов выведения из белковых изолятов подсолнечника хлорогеновой кислоты, ответственной за изменение цвета (потемнение) пищевых продуктов с добавками белковых изоля-тов [51, 52, 62, 80].
Предложены способы модификации белковых изолятов янтарным ангидридом, исключающие потемнение белковых продуктов при последующей тепловой обработке и повышающие биологическую ценность обогащаемых продуктов [84, 86, 88, 90, 95].
Математическое моделирование процесса обрушивания семян
Для выбора и обоснования рациональной технологии и режимов обрушивания — разрушения плодовой оболочки семян подсолнечника новых типов - от гибридного подсолнечника с относительно тонкой, плотно прилегающей к ядру плодовой оболочки, до подсолнечника кондитерского типа, с легко раскалывающейся оболочкой и сравнительно большой воздухоносной плоскостью между ядром и оболочкой, нами выполнено математическое моделирование процесса разрушения плодовой оболочки, исходя из оценки состояния ее тканей как напряженно-деформированного. Для оценки условий обрушивания и механической прочности основных и покровных тканей семян определяли тензоры напряженности, деформации, а также другие характеристики, влияющие на состояние тканей плода семянки подсолнечника, используя теоретические положения механики сплошных сред. Возможность и достоверность применения механики сплошных сред к конкретному материалу - семенам подсолнечника - оценивали на основе экспериментальных данных, приведенных в предшествующих разделах работы [81, 82, 84, 87,106].
Изучение состояния единичной семянки подсолнечника в рабочей зоне типовой семенорушки МНР позволило выявить граничные условия перехода от режима, разрушающего только плодовую оболочку - режима оптимального обрушивания, к режиму измельчения ядра в зависимости от толщины стенки лузги и линейных размеров семян. На основании экспериментально-теоретического исследования предложены уравнения для определения величины максимального внедрения рабочих органов - бичей семенорушки МНР в покровные ткани семянки Wmax
В качестве феноменологического критерия разрушения лузги семян подсолнечника при известном пределе их прочности Yi было принято условие достижения величины 3Y} максимальным давлением Рщах Условие (3) и соотношения (1)-(2) позволяют определить параметры разрушения лузги при обрушивании семян.
При возрастании механических воздействий на обрушиваемые семена, неизбежных при возрастании прочности и упругости лузги, происходит интенсивное дробление ядра. Поэтому переработка таких семян целесообразна без обрушивания, и следовательно, без отделения лузги.
Оптимальные условия обрушивания семян подсолнечника, исключающие разрушение структуры ядра, рассчитывали с помощью компоненты тензора напряжений, равной максимальному касательному напряжению ттах- В поле Герца (при упругих напряжениях) выражение для хтах имеет вид
Разрушение ядра происходит при условии, когда тюах из (4) или (5) достигает величины Хщ, предела прочности ядра.
Как известно, при обрушивании гибридных семян подсолнечника, а также сортов - популяций, имеющих мелкие семена, часть обрушиваемых семян, получивших повреждение внешних тканей, продолжает сохранять так называемую «связанную лузгу» [85]. Для определения массовой доли таких групп семян использовали феноменологический критерий разрушения лузги.
Функция - индикатор, характеризующая процесс удаления лузги, связанной с поверхностью ядра семян, имеет вид
Функция F-1(x), "обратная" к полученной выше функции ), показыва ет область значений вектора показателей качества семян, при которых лузга на поверхности ядра семян остается "связанной" и не удаляется в процессе обрушивания.
Для расчета прогнозируемой лузжистости ядра, которое может быть получено из семян с заданными параметрами, было проведено определение функции распределения f\X,Y) показателей, характеризующих технологическое качество масличных семян X и вектор 7 внешних параметров, характеризующих конструктивные особенности обрушивающих машин и режимы обрушивания, включая, например, для рушки МНР радиус кривизны деки, линейную скорость бичей и т.д.
Для исследования устойчивости плодовой оболочки и ядра при различных параметрах обрушивания был применен тензометрический комплекс. Исследование динамики напряженно-деформированного состояния покровных тканей семянки подсолнечника - лузги и основных тканей - ядра (семени) было выполнено на двенадцати современных сортах и гибридах подсолнечника. Как следует из полученных данных (рис. 20, 21), плодовая оболочка разрушается в широком диапазоне деформаций - от 130 до 520 мкм, причем уровень вариабельности этой характеристики составляет более 250 %. В более узких пределах изменялась величина разрушающего напряжения, уровень вариабельности которого не превышал 20 %.
Анализ динамики разрушения семян подсолнечника подтвердил, что разрушение плодовой оболочки происходит в области упругопластических деформаций, которой предшествует область упругих деформаций в пределах от 4 до 10 мкм.
Проведенные расчеты показали, что наиболее устойчивым к разрушению является сорт Березанский. Аналогичные исследования прочностных характеристик основных тканей - ядра подсолнечных семян показало, что прочность ядра исследуемых семян к разрушению значительно ниже по показателю устойчивости к разрушающим деформациям. В то же время устойчивость к разрушающим напряжениям сохраняется, варьируя в узком диапазоне.
Математическое моделирование измельчения ядра семян
Прогнозирование оптимальной степени измельчения ядра подсолнечных семян проводили на основании установленной нами формы локализации запасных липидов в виде липидных сферосом - в клетках основных тканей подсолнечных семян.
Как было выявлено нами методами электронной сканирующей и электронной микроскопии, липидные сферосомы [10,16] окружены однослойной белково-липидной мембраной и поэтому измельчение семян должно предусматривать разрушение не только клеточной структуры основных тканей подсолнечных семян, но и разрушение белково-липидных мембран сферосом (рис.22) [12].
При моделировании процесса измельчения ядра подсолнечных семян учитывали, что полное разрушение оболочек липидных сферосом практически невозможно [12, 13] и поэтому для оценки эффективности их разрушения был введен показатель Е, характеризующий степень разрушения оболочек сферосом. В результате экспериментально теоретического исследования получено выражение показателя эффективности измельчения подсолнечного ядра после первого прохода вальцевого стан- где F(X,Y,r) - функция - "индикатор" разрушения сферосом, определяемая по выражению: где сф - предел прочности белково-липидной оболочки липидных сферосом; X - вектор- показателей качества ядра подсолнечника (модуль Юнга Е2, коэффициент Пуассона v2, радиус кривизны фрагмента ядра); Y вектор внешних параметров, характеризующих нарезку валков вальцевого станка ВС-5 (уклон рифлей, количество рифлей на погонный сантиметр), отношение скоростей вращения соседней пары валков Д, рабочий зазор В, радиус валков Яз и т.д.; г- радиус-вектор фрагмента ядра, находящегося в рабочей зоне валков при измельчении ядра; О- область заполнения рабочей зоны валков при измельчении ядра; радиус зоны контакта ядра с валком; а тшЕ2 F - сила взаимодействия фрагмента ядра с валком, которая определяется из соотношения приведенный радиус кривизны; R4 - фрагмента ядра; R5 валков; х - координата на оси вглубь ядра; Z - расстояние до оси х.
При экспериментальной проверке оказалось, что степень разрушения (вскрытия) липидных сферосом была больше расчетной, по-видимому, вследствие действия термоупругих составляющих напряженного состояния ядра, температура которого возрастала в процессе измельчения. Поэтому в тензор напряжений, кроме составляющих стх и ау была включена составляющая ат: 1С4Е2 учитывая выделение тепла от трения (при контакте скольжения) в области соприкосновения изначально плоских поверхностей со скоростью (на единицу площади):
q = jalVp,
где ju - коэффициент трения;
V - скорость скольжения;
р - давление. Здесь С4 - теплоемкость ядра.
Т - распределение температуры в фрагменте ядра
где Т0 - температура ядра до измельчения;
л4- коэффициент теплопроводности ядра;
Х4 - коэффициент температуропроводности ядра;
г = х +у - расстояние от зоны контакта валка с ядром.