Содержание к диссертации
Введение
1. Кормовые качества зерна озимой ржи и приемы их повышения (обзор литературы) 11
1.1 Кормовые свойства зерна озимой ржи 11
1.1.1 Кормовая ценность и антипитательные вещества в зерне 13
1.1.2 Содержание пентозанов в зерне 15
1.2 Влияние почвенно-климатических условий на качество зерна 16
1.3 Селекция низкопентозанных сортов озимой ржи 19
1.4 Электромагнитные излучения сверхвысокой частоты и их влияние на качество зерна озимой ржи 20
1.4.1 Природа электромагнитного излучения 20
1.4.2 Влияние электромагнитных волн СВЧ-диапазона на биологические объекты 22
1.4.3 Влияние обработки электромагнитным полем сверхвысокой частоты на качество семян и зерна 23
1.5 Влияние экструдирования на кормовые качества зерна озимой ржи 26
2 Объект и методика исследований 31
2.1 Объект исследования 31
2.2 Почвенно-климатические и агрометеорологические условия в годы проведения исследований 32
2.3 Методика проведения полевого опыта 39
2.4 Методика проведения лабораторного опыта 40
2.5 Методика лабораторных анализов 43
3 Результаты исследования 48
3.1 Изменчивость кормовых свойств зерна озимой ржи в зависимости от природных условий 48
3.2. Урожайность и кормовые качества зерна сортов озимой ржи 50
3.2.1 Урожайность зерна сортов озимой ржи 50
3.2.2 Кормовые качества зерна сортов озимой ржи 52
3.3 Качество зерна озимой ржи после обработки электромагнитным полем СВЧ 55
3.3.1 Температура зерна после обработки электромагнитным полем сверхвысокой частоты 55
3.3.2 Влажность зерна при обработке электромагнитным полем СВЧ 61
3.3.3 Число падения 69
3.3.4 Кинематической вязкость водного экстракта зерна 77
3.3.5 Содержание водорастворимых пентозанов в зерне озимой ржи 83
3.3.6 Содержание азота, белка и крахмала в зерне после обработки ЭМП СВЧ 90
3.3.7 Содержание минеральных веществ в зерне 96
3.4 Изменение качества зерна ржи после экструдирования 102
3.4.1 Коэффициент взорванности экструдированного зерна 102
3.4.2 Содержание водорастворимых пентозанов в экструдированном зерне 103
3.4.3 Кинематическая вязкость водного экстракта экструдированого зерна 104
3.4.4 Содержание крахмала и растворимых углеводов в зерне 106
3.4.5 Содержание белка в зерне 109
3.4.6 Содержание азота, золы, фосфора и кальция в зерне 111
3.5 Экономическая эффективность приемов повышения кормовых свойств зерна озимой ржи 113
3.5.1 Экономическая эффективность обработки зерна озимой ржи ЭМП СВЧ 113
3.5.2 Экономическая эффективность экструдированого зерна озимой ржи 115
Заключение 117
Предложения производству 119
Библиографический список 120
Приложения 144
- Влияние экструдирования на кормовые качества зерна озимой ржи
- Влажность зерна при обработке электромагнитным полем СВЧ
- Содержание минеральных веществ в зерне
- Содержание белка в зерне
Введение к работе
Актуальность темы. Озимая рожь важная зерновая культура в Российской Федерации, в том числе и в Республике Башкортостан. Ежегодно в республике она возделывается на площади 300-350 тыс. га. Её высокая адаптивная способность, стабильно давать высокие урожаи зерна на почвах различного уровня плодородия, агротехническая значимость в севообороте и в сырьевом конвейере, характеризуют озимую рожь как культуру низкого экономического риска (Жученко А.А., 2009; Сысуев В.А., 2011). Несмотря на это в последние годы происходит сокращение посевных площадей и соответственно объема производства зерна озимой ржи в Российской Федерации, что вызвано снижением спроса на зерно данной культуры. Одним из основных резервов увеличения спроса на зерно ржи является увеличение его доли в рационе кормления сельскохозяйственных животных. По зоотехническим нормам в рационе кормления животных доля зерна ржи ограничена. В составе комбикормов зерна ржи для жвачных животных, свиней и птицы допускается всего, соответственно, 20-30%, 20% и 5-7 %, фактически использование зерна ржи комбикормовой промышленностью в концентрированных кормах еще меньше (3-5%) (Фицев А.И., Ко-солапов В.М., 2007). Зерно ржи по содержанию питательных веществ и энергоемкости практически не отличается от других зерновых злаковых культур, а содержание незаменимой аминокислоты лизина больше. Основной причиной ограниченного применения зерна ржи в качестве корма является содержание в нем антипитательных веществ, в частности пентозанов. Ржаное зерно содержит намного больше, чем другие зерновые пентозанов и в том числе водорастворимых, соответственно 7-10% и 1,5-3,1% (Miller D.F., 1958; Кретович В.Л., 1980).
Известен ряд способов повышения кормовых свойств зерна. В тоже время практически отсутствуют результаты исследований влияния агрометеорологических условий произрастания растений, экструдирования и обработки электромагнитным полем сверхвысокой частоты (далее в автореферате ЭМП СВЧ) на содержания в зерне озимой ржи антипитательных веществ, что не позволяет разработать приемы повышения его кормовых свойств. В связи с этим, исследования кормовых качеств зерна озимой ржи и разработка приемов их повышения направлены на решение актуальной проблемы экономики страны.
Исследования проводились в рамках научно-исследовательской темы Башкирского ГАУ «Научные основы и технологии производства продукции
растениеводства для разного целевого использования» (государственный регистрационный №01201058939).
Степень разработанности темы. Исследования качества и использования зерна озимой ржи для кормовых целей проводили С.Н. Хохрин (2003), В.М. Ко-солапов (2004), А.А. Гончаренко (2005, 2007, 2008), В.М. Фицев (2007), В.А. Сысуев (2004, 2007, 2011, 2014), А.Ф. Кайдалов (2006, 2008), В.А. Кавардаков (2006) Исмагилов Р.Р. (2005, 2012). Селекционную работу по повышению кормовых качеств зерна озимой ржи проводят В.Д. Кобылянский и О.В. Солодухи-на (2009), С.Н. Пономарев (2013, 2014), М.Л. Пономарева и Г.С. Маннапова (2016), К.А. Галимов и Г.Н. Потапова (2017). Повышение питательности зерна ржи путем экструдирования исследовали А.И. Зверев (1988, 2008), М.А. Янова (2011), Л.И. Кедрова и В.Г. Косолапов (2003). А.В. Лыков (1963). Установлено изменение содержания белка и крахмала в зерне, повышение питательности и усвояемости экструдированного зерна. В.Д. Каун (2009) изучал применение ЭМП СВЧ в целях сушки зерна, В.И. Пахомовым (1988) был определен механизм влагопереноса в зерне при сушке ЭМП СВЧ. В тоже время в научной литературе отсутствуют результаты исследований влияния агрометеорологических условий произрастания растений, экструдирования и обработки электромагнитным полем сверхвысокой частоты на содержания в зерне озимой ржи антипитательных веществ.
Цель исследований состояла в разработке эффективных приемов повышения кормовых качеств зерна озимой ржи за счет снижения содержания в нем антипитательных веществ.
Задачи исследований:
выявить характер влияния природных условий на кормовые свойства зерна озимой ржи;
определить кормовые качества зерна сортов разного экологического происхождения;
изучить изменение содержания водорастворимых пентозанов и кинематической вязкости водного экстракта под воздействием ЭМП СВЧ;
определить содержание белка, крахмала и минеральных веществ в зерне озимой ржи после обработки ЭМП СВЧ;
изучить изменение содержания водорастворимых пентозанов и кинематической вязкости водного экстракта зерна при экструдировании;
- определить изменение числа падения, содержания крахмала и раствори-
4
мых углеводов в зерне озимой ржи при экструдировании;
определить содержание белка и минеральных веществ в экструдате зерна озимой ржи;
провести экономическую оценку эффективности использования фуража с введением обработанного ЭМП СВЧ и экструдированного зерна ржи и пшеницы
Научная новизна. В результате проведенных исследований впервые определен характер влияния почвенно-климатических условий на содержание водорастворимых пентозанов и вязкость водного экстракта зерна озимой ржи, показано отличие кормовых качеств зерна сортов озимой ржи разного экологического происхождения. Установлен характер снижение содержания антипитательных веществ – водорастворимых пентозанов и кинематической вязкости водного экстракта зерна озимой ржи при обработке зерна в зависимости от мощности и продолжительности воздействия ЭМП СВЧ. Установлено значительное снижение содержания водорастворимых пентозанов и кинематической вязкости водного экстракта, некоторое уменьшение содержания крахмала и повышение растворимых углеводов, незначительное изменение содержания минеральных веществ в зерне озимой ржи в результате экструдирования. Показано повышение экономической эффективности ввода в состав рациона кормления крупного рогатого скота обработанного ЭМП СВЧ и экструдированного зерна озимой ржи.
Практическая значимость работы. Практическое значение результатов исследований заключается в рекомендации размещения посевов озимой ржи для кормовых целей преимущественно в лесостепном агроландшафте. Предложено повышение кормовых качеств зерна озимой ржи путем обработки ЭМП СВЧ и экструдированием за счет снижения содержания антипитательных веществ (водорастворимых пентозанов). Экструдирование зерна ржи внедрено в ООО Племзавод «Россия» Дюртюлинского района Республики Башкортостан (акт внедрения от 17 апреля 2017). Введение экструдированного зерна озимой ржи в рацион кормления позволило удешевить стоимость зернофуража на 8,3%.
Результаты исследования используются в учебном процессе при преподавании дисциплин «Растениеводство» и «Управление качеством продукции растениеводства» в ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Содержание водорастворимых пентозанов и вязкость водного экстрак-5
та зерна озимой ржи повышается при продвижении с лесостепного к степному агроландшафту.
-
Кормовые свойства зерна сортов разного экологического происхождения (сорт Чулпан 7 и Графиня) по ряду показателей отличаются между собой.
-
Содержание антипитательных веществ в зерне и кинематическая вязкость водного экстракта зерна озимой ржи снижаются по мере повышения мощности и экспозиции воздействия ЭМП СВЧ.
-
Число падения зерна закономерно повышается по мере увеличения продолжительности и мощности обработки ЭМП СВЧ. Существенного изменения содержания минеральных веществ в зерне при обработке ЭМП СВЧ не происходит.
-
Содержание водорастворимых пентозанов и кинематическая вязкость водного экстракта зерна ржи в результате экструдирования значительно снижаются.
7. В результате экструдирования происходит сравнительно небольшое уменьшение содержания крахмала, значительное повышение содержания растворимых углеводов и числа падения зерна, незначительное изменение содержания минеральных веществ (фосфора, кальция и в целом золы) в зерне озимой ржи.
8. Введение в состав зернофуража для крупного рогатого скота зерна озимой ржи, обработанного ЭМП СВЧ и экструдированного снижает его стоимость и повышает рентабельность.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные положения и выводы исходят из результатов трехлетних экспериментальных исследований, проведенных надежными методами, а также практические рекомендации обоснованы экономической оценкой.
Результаты исследований доложены на научно-практических конференциях: «Молодежная наука и АПК: проблемы и перспективы», Уфа, 2014 г; «Аграрная наука в инновационном развитии АПК», Уфа, 2015 г.; Международная научно-практической конференция в рамках XXVI международной специализированной выставки «Агрокомплекс – 2016», Уфа, 2016 г.; Региональный образовательный форум «Смарт-Тау», Уфа, 2016 г.; Международный конгресс организаций стран «Greentech», Тамбов, 2016 г., Региональный тур трека AGROBIOTECH&FOOD федерального акселератора GENERATIONS, Уфа 2016; Молодежный форум iВолга, федеральная площадка смены «Инновации и
техническое творчество», Самара, 2016 г.; Международная научно-практическая конференция в рамках XXVII международной специализированной выставки «Агрокомплекс – 2017», Уфа, 2017 г.; Региональный образовательный форум «Смарт-Тау», Уфа, 2017 г.; Молодежный форум iВолга, федеральная площадка смены «Инновации и экология», Самара, 2017 г.; II тур Всероссийского молодежного научного конгресса «Россия. Экология. Энергосбережение», Самара, 2017 г.; Федеральная площадка «Молодые аграрии: Агроэкология», Ростов-на-Дону, 2017 г.; Современное состояние, традиции и инновационные технологии в развитии АПК в рамках XXVIII международной специализированной выставки «Агрокомплекс – 2018». Уфа, 2018 г.; Удостоена призовых мест во Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Мин-сельхоза России, 2016 г. (Уфа, Ижевск, Кинель). Работа доложена на инновационной площадке Правительства РБ. Практические разработки прошли апробацию в рамках акселерационной программы «Путеводитель по инновациям 2.0».
По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в базе данных Scopus.
Личный вклад автора. Автором самостоятельно разработана рабочая программа исследований, проведены полевые и лабораторные опыты, полевые наблюдения и лабораторные анализы, статистическая обработка и обобщение полученных экспериментальных данных.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 143 страницах в компьютерном исполнении, состоит из введения, 3 глав, заключения и рекомендаций производству. Содержит 53 таблицы, 33 рисунка. Библиографический список включает 224 наименования, из них 21 иностранных авторов.
Влияние экструдирования на кормовые качества зерна озимой ржи
В направлении подготовки зерна к скармливанию вели научные исследования А.П. Калашников [69], Б. Д. Кальницкий [70], А. Ф. Кайдалов с соавторами [81], И. А. Бойко [16], П. А. Науменко с соавторами [128], В.Я. Ка-вардаков с соавторами [77], О.Е. Привало с соавторами [149, 150, 151], Л. Г. Боярский [19]. Показали, что эффективным способом подготовки зерна к скармливанию животным является экструдирование. Экструдированное зерно незаменимо в составе стартерных и предстартерных кормов. Таким образом, процесс экструдирования способствует интенсификации производственных процессов, энергозатраты снижаются, и расширяется ассортимент комбикормов [49, 97, 133, 156]. Экструдирование позволяет использовать зерно озимой ржи в кормлении [120, 125, 137].
Экструдирование – это процесс, протекающий под механических воздействием. Особенностью этого физико-химического процесса является то, что он должен происходить при наличии влаги в зерне и при высоких температурах, где механическая энергия превращается в тепловую [165].
При экструдировании происходит перемешивание, измельчение и гидротермическая обработка зерновой массы с давлением до 40 атмосфер и температуре до 200С в течение короткого времени (5- 6 секунд). Такое кратковременное воздействие высоких температур не вызывает окисления, витамины не теряют своих свойств. После такого процесса повышается содержание сахаров, скорость гидролиза крахмала [132, 187]. Продукт приобретает мелкопористую, легкоусвояемую для пищеварительной системы структуру [190-197]. В ходе процесса экструдирования изменяется структура питательных веществ. Крахмал – полисахарид, представляющий собой основную составляющую зерна подвергается гидролизу, в процессе которого переходит в моносахариды и декстрины. Увеличивается в 5-8 раз содержание растворимых веществ [60]. Питательность белкового комплекса не изменяется, однако становится более доступным за счет разрушения в молекулах белка вторичных связей, аминокислоты переходят в более доступную форму. При выходе из экструдера температура продукта резко снижается, стенки жировых клеток разрываются. За счет этого разрушается фермент липаза из-за которого масла, содержащиеся в продукте прогоркают, природные стабилизаторы, такие как лецитин и токоферолы сохраняют свою активность. Клетчатка в процессе экструдирования измельчается за счет трения – это повышает её переваримость. Перевариваемость корма животными, а также его органолептические свойства становятся лучше [161, 164, 217].
Лишь 20-25 % энергии корма организм животного может переработать в продукцию. Около 30-35 % энергии тратится на физиологические нужды, а остальная часть – не усваивается и выделяется с отходами [15]. Из-за того, что в ЖКТ животных белки корма расщепляются до пептидов, аминокислот, а далее часть до аммиака. Симбиотные микроорганизмы используют этот азот на построение своего организма. Часть аммиака всасывается в кровь, а далее выводится из организма в виде мочевой кислоты и мочевины. Потеря азота приводит к таким заболеваниям жвачных животных как ацидоз, руми-нит, паракератоз. Установлено, что при кормлении животных бобовыми культурами после экструдирования белок не распадается в рубце до аммиака, распад до аминокислот происходит в сычуге, где они всасываются в кровь [167].
Экспериментально установлено, что усвоение экструдированного корма в некоторых вариантах достигает 90%. Так в рационе кормления молодняка свиней переваримость сухого вещества увеличивалась на 2,1 %, на 1,9 % было зафиксировано увеличение органического вещества, усвоение сырого протеина возросло на 4,5 %, сырого жира – на 3,8 % [17].
Положительный эффект применения экструдированных комбикормов особенно хорошо заметен в первые 2 месяца жизни поросят [84]. При кормлении экструдированным кормом 50 % переработки корма проходит уже в экструдере, а не в пищеварительной системе животного, таким образом, энергетическая ценность корма идет на построение организма животного. Замечено, что эффективность кормления повышается до 50% и более. За короткое время обработки сырья белок не успевает коагулировать [19, 76].
Происходит санация корма за счет высоких температур и давления, что позволяет увеличить срок хранения. Так как воздействие высоких температур кратковременно витамины не инактивируются, а остаются неизменной форме. Экструдированный корм обладает абсорбирующим эффектом, поэтому применение его является хорошей профилактикой в борьбе с заболеваниями сельскохозяйственных животных [187, 188].
По мнению ряда исследователей [153, 162, 163], при экструдировании на продукт оказывается комбинированное воздействие давлением, деформацией сдвига, температурой и влажностью, в результате чего происходит изменение структуры его составных частей.
В своих исследованиях В.И Фисин [182] установил, что после приема экструдирования крахмал полностью клейстеризуется, содержание декстри 29 нов увеличивается. По данным полученным в ходе исследований переваримость крахмала увеличивается более чем в 2 раза.
Э.Ш. Манеева и С.А. Мирошников [120] в своих исследованиях сравнивали трансформацию крахмала при экструдировании и гидролизе. Так при экструдировании зерна количество декстринов увеличилось (содержание крахмала снизилось на 21 %), а содержание сахара снизилось на 0,8 %. В опытах, проведенных в БНИИСХ И.Л. Аллабердиным [2], зерно ржи гранулировали на агрегате ОГМ-1,5 при температуре 120-130 С и давлении 3,5-4 атмосферы в прессующей камере. В процессе гранулирования в смесь добавляли 2-3 % патоки. Скармливание гранулированных комбикормов с содержанием 70-80 % зерна озимой ржи бычкам способствовало увеличению среднесуточных привесов на 13,2-15,6 %.
М.А. Янова [202] исследовала, как влияет процесс экструдирования зерна на биологическую и пищевую ценность зерна овса, ячменя и пшеницы. По результатам исследования было выявлено, что содержание сырого протеина практически не изменялось, сократилось количество патогенной микрофлоры, у зерна пшеница микробное число снизилось более чем в 100 раз. До начала обработки в зерне содержались споры грибов, после их обнаружено не было. Содержание влаги снизилось более чем 2 раза
По исследованиям сотрудников Красноярского ГАУ анализ зерновых культур показал увеличение количества обменной энергии после экструди-рования на 8-11 %. Обменная энергия экструдированного зерна пшеницы увеличилась на 1,34 мДж/кг, ячменя – на 1,33 мДж/кг, овса – 1,03 мДж/кг. В полученных экструдатах отмечено изменение в содержании основных питательных веществ. Так, количество сырой клетчатки в экструдатах, как и содержание сырого жира уменьшалось на 10-20 %, при одновременном увеличении содержания сахаров на 15-22 %. На основании расчета эколого-энергетического показателя качества экструдированного корма, можно сделать вывод – это экологичный, безопасный корм, с высокой питательной ценностью [122].
В литературных источниках представлена информация о влиянии па 30 раметров экструзионной обработки (давление, скорость сдвига, время) на содержание свободной глюкозы. Установлено, что содержание свободной глюкозы увеличивается при повышении давления и увеличении времени прохода зерна через шнек [140].
Таким образом, в литературных источниках представлены данные об изменении структуры белков, крахмала, жиров, о положительном влиянии экструдированного корма на продуктивность скота. Однако отсутствуют данные исследований о влиянии экструдирования на снижения антипитательных веществ в зерне озимой ржи.
Влажность зерна при обработке электромагнитным полем СВЧ
A.В. Лыковым, Г.А. Максимовым [108] было установлено, что перенос влаги при воздействии ЭМП СВЧ проистекает не за счет диффузии, а за счет движения молекул по типу фильтрации газа. Давление водяных паров внутри зерновки увеличивается за счет нагрева. Интенсификация влагосъема в зерновке происходит за счет возникновения градиента температуры и влажности направленных в одну сторону.
Механизм удаления влаги из зерна при воздействии ЭМП СВЧ может быть представлен следующим образом (рисунок 11).
Внутри зерновки зерна возникает излишнее давление пара Рп из-за диэлектрического нагрева высокой интенсивности. Возникающий градиент давления выступает движущей силой и переносит влагу из внутренних слоев на поверхность. Параметры ЭМП СВЧ определяют величину этого градиента давления и от параметров зависит скорость влагопереноса. Однако если превысить оптимальные значения избыточное давление сильно возрастает, это может стать причиной нарушения структуры зерна, а в некоторых случаях может привести к его разрушению. Таким образом, существует определенный критический предел, до которого можно увеличивать параметры ЭМП СВЧ и воздействовать на зерно. При оптимальных значениях можно интенсифицировать процесс внутреннего влагопереноса, эти значения ограничиваются условием сохранности структуры зерна и его качественных показателей [130, 135, 136, 137].
Влага, которая поступила к поверхности зерна, испаряется в окружающую среду. Скорость испарения уже не зависит от параметров ЭМП СВЧ, а определяется параметрами окружающей среды. Для того, чтобы удалить влагу с поверхности зерна необходимо условие: разность между парциальным давлением пара у его поверхности Рз и в окружающей среде Рв(Р Рв).
Таким образом, удаление влаги из зерна посредством энергии ЭМП СВЧ зависит от внутреннего и внешнего влагопереноса. Сушка зерновой массы зависит от внешнего влагопереноса, скорость которого определяют параметрами окружающей среды.
До обработки влажность зерна сорта Чулпан 7 в наших опытах составляла 10,8 % (2014 г.). После обработки ЭМП СВЧ влажность зерна несколько повышалась в вариантах с продолжительностью обработки зерна в течение 1минуты и 1 минуты 30 секунд. Это объясняется тем, что нагрев зерна и удаление из него влаги происходит изнутри наружу и за такое непродолжительное время влага не успевает испариться из пространства между зернами. Так как принцип действия влагомера Wile-65 основан на диэлькометрическом методе измерения влажности, а именно – на корреляционной зависимости диэлектрической проницаемости материала от содержания в нем влаги, значения влажности зерна несколько повышаются.
В вариантах с продолжительностью обработки 2 минуты при мощности ЭМП СВЧ 280 Вт и 420 Вт также наблюдается повышение влажности, в этих вариантах влажность зерна составляла 11,5 % и 11,4 % соответственно. В вариантах с продолжительностью обработки зерна ЭМП СВЧ 2 минуты 30 секунд при мощностях 280 Вт и 420 Вт влажность зерна была выше контрольного варианта на 1,7 и 0,9 % соответственно и составляла 11,7 и 10,9 %. Затем при мощностях 560 Вт и 700 Вт влажность зерна начинала снижаться и составила 10,0 и 8,5 % при мощности 560 Вт и продолжительности обработки 2 минуты и 2 минуты 30 секунд соответственно, при мощности 700 Вт и экспозициях 2 минуты и 2 минуты 30 секунд влажность составила 9,6 и 8,0 %, соответственно. В варианте 10 с мощностью 420 Вт и экспозицией 3 минуты влажность зерна снизилась лишь на 0,1 %. Максимальное снижение влажности было зафиксировано в вариантах 19 и 20 с мощностью 700 Вт и экспозицией 2 минуты 30 секунд и 3 минуты. Влажность зерна в этих вариантах снизилась на 2,8 и составила 8 % (таблица 15, рисунок 12).
В 2015 г. был проведен аналогичный опыт. Влажность при 280 Вт повышалась с 13,5 при обработке в течение 1 минуты до 14,4 % при обработке в течение 3 минут. Обработка зерна ЭМП СВЧ в течение 2 минут 30 секунд и 3 минут, при режимах мощности 560 Вт и 700 Вт достигается определенная константа влажности. При этом нагрев зерна составляет свыше 100 C и начинается переход из жидкого состояния в газообразное. Из-за этого в капиллярах увеличивается объем, который занимает жидкость и пар. Образуются микротрещины, которые снижают и ведут к потерям их посевных и товарных качеств, однако отрицательное влияние на кормовые качества при этом не происходит. При повышении мощности от 420 Вт наблюдается снижение влажности зерна. Минимальная влажность (8,8 %) была в варианте при мощности 700 Вт и времени обработки 3 минуты. Влажность зерна контрольного варианта составила 12,6 % (таблица 16, рисунок 13).
Влажность контрольного варианта в 2016 г составляла 13,0 %. Максимальное снижение влажности было зафиксировано в варианте 20, мощность – 700 Вт, экспозиция – 3 минуты влажность зерна снизилась на 4,1 % и составила 8,9 %. В вариантах 1 (мощность – 280 Вт, экспозиция – 1 минута) и 6 (мощность – 420 Вт, экспозиция – 1 минута) влажность снизилась на 1 % и составила 12 %.(таблица 17, рисунок 14).
В таблицах 18, 19 и 20 представлена разность влажности зерна после нагрева и исходного зерна.
В 2014 г. максимальное снижение влажности составило 2,8 % при мощности 700 Вт и продолжительности нагрева 3 минуты. При мощности 280 Вт наблюдается незначительное повышение влажности. При режимах мощности 560 Вт и 700 Вт в течение одной и полутора минутах, при мощности 420 Вт, за исключением варианта 10, в котором также наблюдается увеличение влажности, это объясняется тепловлагопроводностью зерна и данной методикой измерения. Минимальное снижение влажности зафиксировано в варианте 13 (мощность 560 Вт, продолжительность обработки 2 минуты) и составило 0,8 % (таблица 18).
В 2015 г. при алогичных условиях наблюдается также максимальное снижение влажности на 3,8 % в варианте 20. И незначительное увеличение влажности при режиме обработки 280 Вт, 420 Вт в течение одной и полутора минут, при 560 Вт и 700 Вт в течение 1 минуты (таблица 19).
Дело в том, что распределение тепла при электромагнитном поле СВЧ происходит неравномерно. Поэтому, расход мощности идет не нагрев зерна, а на удаление влаги [3], что объясняет увеличение влажности.
В 2016 г. влажность снижалась во всех вариантах. Минимальное снижение влажности зафиксировано в вариантах 1 и 6 при режиме мощности 280 Вт и 420 Вт в течение 1 минуты и составило 1 %. Максимальное изменение влажности произошло в варианте 20, она снизилась на 3,8 % (таблица 20).
Нами было определено среднее за 3 года изменение влажности в зависимости от различной мощности и экспозиции.
В варианте 5, при обработке зерна в течение 3 минут при мощности ЭМП СВЧ среднее значение изменения влажности равняется нулю. Нагрев зерна при мощности 280 Вт характеризуется незначительным увеличением влажности. Это происходит из-за того, что влага нижних слоев зерна при данной мощности не успевает испариться. Аналогичную картину мы видим при нагреве зерна в течение 1 минуты при мощностях 280 Вт, 420 Вт, 560 Вт и в варианте 7 при мощности 420 Вт и продолжительности нагрева 1 минута 30 секунд. При этих условиях влага не успевает испариться из зерна. Снижение влажности происходит, когда вода, вытесненная из зерна испаряется с его поверхности (таблица 21, рисунок 15)
Таким образом, изменение температуры и влажности зерна после обработки электромагнитным полем СВЧ объясняется явлением как термовлаго-проводность зерна. Термовлагопроводность – это перемещение влаги в зерновой массе вместе с потоком тепла, обусловленное градиентом температуры. Плохая теплопроводность ведет к тому, что возникает большой температурный перепад между различными участками зерновой массы. В зависимости от направления потока тепла влага распределяется в виде конденсата на поверхности зерна. От исходной влажности зерна будет зависеть количество образующейся капельножидкой влаги, которая может активизировать процесс набухания и прорастания зерна и семян. Однако перемещение влаги по направлению к источнику тепла будет происходить в зерновой массе любой влажности (в том числе и ниже критической). Влага в зерновой насыпи перемещается в направлении теплового потока – от слоев более нагретых к менее нагретым за счет термовлагопроводности. Интенсивность термовлагопро-водности определяется термоградиентным коэффициентом, который показывает какой градиент влажности создается при температурном градиенте, который равен единице. Таким образом, препятствующим фактором удаления влаги из материала (зерновой массы) является термовлагопроводность. При ЭМП СВЧ нагреве температура внутренних слоев выше внешних за счет этого происходит активное испарение влаги зерна. Из-за того, что испарение влаги в зерне происходит быстрее чем перенос пара внутри пористого материала при температуре ниже 60 С возникает градиент общего давления, этому процессу способствует диффузия скольжения в макрокапиллярах [160].
Содержание минеральных веществ в зерне
Наличие минеральных веществ в зерне влияет на их кормовую ценность и определяет технологические свойства зерна. Количество минеральных веществ в зерне изменяется в широких пределах и зависит от почвы, климата, вносимых удобрений, сорта и вида растения [74].
Фосфор является одним из основных элементов минерального питания животных. Недостаточное количество кальция и фосфора в рационе кормления и неправильное их приводит к остеопорозу и остеофиброзу [111].
В среднем зерно ржи содержит 2,8 г/кг фосфора [74]. В наших опытах содержание фосфора в среднем за 3 года было 2,5 г/кг. Содержание фосфора в зерне озимой ржи отличалось между собой по годам и варьировало в пределах от 2,15 до 3,14 г/кг. На накопление фосфора в зерне ржи оказывало влияние погодных условий.
В 2014 г содержание фосфора в зерне озимой ржи в контрольном варианте составляло 0,314 %. Изменение содержания фосфора варьировало в пределах от 0,205 до 0,367 %.
В 2015 г содержание фосфора в зерне озимой ржи в контрольном варианте составляло 0,223 %. Изменение содержания фосфора варьировало в пределах от 0,190 до 0,223 %.
В 2016 г содержание фосфора в зерне озимой ржи в контрольном варианте составляло 0,215%. Изменение содержания фосфора варьировало в пределах от 0,205 до 0,221 % (таблица 43).
В среднем за 3 года содержание фосфора в зерне озимой ржи после обработки ЭМП СВЧ варьировало в пределах от 0,211 до 0,255 %. Максималь 97 ная разница между вариантами составляла 0,044 %, минимальная – 0,001 %.
Исследования показали, что ЭМП СВЧ практически не повлияло на со 98 держание фосфора в зерне озимой ржи.
Кальций – неотъемлемый элемент построения костной ткани. В составе всех клеток организма присутствует кальций, он участвует в регулировании реакции крови, возбудимости мышечной и нервной тканей, свертывания крови. Недостаток кальция в рационе ведет к хрупкости и ломкости костей. По содержанию кальция в зерне рожь превосходит пшеницу. Содержание кальция в зерне ржи в среднем составляет 0,9 г/кг зерна[74]. В наших опытах содержание кальция в зерне изменялось в зависимости от погодных условий по годам от 0,6 до 0,8 г/кг. В среднем за три года содержание кальция в контрольных образцах зерна ржи составляла 0,7 г/кг.
В 2014 г содержание кальция в зерне озимой ржи в контрольном варианте составляло 0,056 %. Содержания кальция в зерне после обработки его ЭМП СВЧ изменялось от 0,048 до 0,068 %. Максимальное отклонение от контрольного варианта было отмечено в варианте 2 и составляло 0,012 %, минимальное – 0,002 %. Максимальная разница между вариантами составляла 0,02 %, минимальная – 0,002 %.
В 2015 г содержание кальция в зерне озимой ржи в контрольном варианте составляло 0,076 %. После обработки оно изменялось от 0,070 до 0,076 %. Максимальное отклонение от контроля, как и между вариантами, составило 0,006 %, минимальное – 0,001 %.
В 2016 г содержание кальция в зерне озимой ржи в контрольном варианте составляло 0,081 %. Как и в предыдущие годы, содержание кальция изменялось незначительно. Содержание кальция в вариантах после обработки варьировало в пределах от 0,082 до 0,089 %. Максимальное отклонение от контрольного варианта составило 0,008 %, минимальное – 0,001 %. Максимальная разница между явариантами составляла 0,007 %, минимальная – 0,001 %
В среднем за 3 года содержание кальция в зерне озимой ржи после обработки ЭМП СВЧ варьировало в пределах от 0,069 до 0,075 %. Среднее содержание кальция контрольных вариантов за 3 года составляло 0,071 %. Максимальная разница между вариантами составляла 0,006 %, минимальная – 0,001 % (таблица 44).
Таким образом, обработка зерна ЭМП СВЧ повышает его питательную ценность за счет перевода сложных высокомолекулярных веществ в простые.
Для молодняка животных, у которых слабо развита активность амилолитиче-ских ферментов, целесообразно преобразовывать крахмал в легкоусвояемые углеводы – декстрины, мальтозу, тем самым улучшая его переваримость. Предварительная тепловая обработка зерна, при которой перевод части сложных веществ в простые проходит вне желудка животного, является, несомненно, необходимой [6].
Наши исследования показали, что обработка зерна ЭМП СВЧ не оказывает существенного влияния в целом на содержание золы (таблица 45).
Содержание золы контрольного варианта в 2014 г. составляло 1,56 %. Содержание золы в зерне после обработки ЭМП СВЧ варьировало в пределах от 1,59 до 1,68 %. Максимальное отклонение от контрольного варианта составляло 0,12 %, минимальное – 0,01 %. Максимальная разница между вариантами составляла 0,09 %, минимальная – 0,01 %.
В 2015 г. содержание золы контрольного варианта составило 1,67 %. Изменение содержания золы по вариантам опыта варьировало в пределах от 1.63 до 1,73 %. Наибольшее отклонение от контроля составляло 0,06 %, наи меньшее – 0,01 %. Максимальная разница по вариантам составляла 0,10 %, минимальная – 0,01 %.
В 2016 г. содержание золы контрольного варианта составило 1,69 %. Изменение содержания золы после обработки зерна ЭМП СВЧ было незначительным и варьировало в пределах от 1,61 до 1,70 % . Наибольшее отклонение от контрольного варианта составляло 0,08 %, наименьшее, как и в предыдущие годы – 0,01 %. Максимальная разница по вариантам составляла 0,09 %, минимальная также – 0,01 %.
Среднее содержание золы контрольных вариантов за 3 года составляло 1.64 %. В обработанном ЭМП СВЧ зерне ржи содержание золы было в пре делах от 1,61 до 1,68 %. Максимальная разница между контрольным вариантом и обработанным зерном составляла 0,04 %, минимальная – 0,01 %. Максимальная разница по вариантам составляла 0,07 %, минимальная – 0,01 %.
Таким образом, содержание фосфора, кальция и в целом золы в обработанном зерне ржи практически не изменилось ни от мощности излучения ЭМП СВЧ, ни от экспозиции.
Содержание белка в зерне
Процесс экструдирования ведет к повышению перевариваемости белков. Воздействие на белки физическими или химическими методами ведет их денатурации. Этот процесс проходит на молекулярном уровне, происходит перегруппировка внутренних связей. Это ведет к изменению физико-химических свойств белков из-за нарушения упорядоченности внутреннего строения молекулы. Таким образом, процесс денатурации может влиять на растворимость, изменять вязкости растворов, устойчивость к действию ферментов. Денатурация происходит с сохранением его первичной структуры при нарушении его вторичной, третичной, четвертичной структур.
Экструдирование зерна приводит к его денатурации одновременно по ряду факторов: нагрев, механические напряжения сдвига и сжатия. Во время денатурации белок переходит в гидрофобное состояние. Меняется оптическая активности белков, реактивность химических групп увеличивается. После денатурации глобулярные белки более легче образуют фермент-субстратный комплекс.
Наличие влаги в зерне одно из основных условий процесса экструди-рования. Наличие воды позволяет развернуть цепи нативного белка.
В годы исследований белковость несколько повышалась по сравнению с контрольным вариантом, хотя эти изменения были незначительными (таблица 50).
В 2014 г. содержание белка контрольного варианта составляло 8,74 %, после экструдирования концентрация белка увеличилась на 1,74 % и составила 9,00 %.
В 2015 г. содержание белка контрольного варианта составляло 10,53 %, в экструдированном зерне оно увеличилось на 0,52 % и составило 11,05 %.
В 2016 г. в неэкструдированном зерне содержалось 11,53 %, в экстру-дированном на 0,08 % больше и составляло 11,61 %.
В среднем за 3 года содержание белка в неэкструдированном зерне составляло 10,27 %, в экструдированном 10,55 %, что на 0,26 % больше.
В процессе экструзии меняется объем продукта, что ведет к увеличению концентрации белка. Таким образом, незначительные изменения белка и ряда органических веществ объясняется изменением концентрации веществ в единице объема.