В рецептах комбикормов, производимых по традиционной технологии, доля зерновых компонентов составляет 60 – 80 %.
Проблема повышения эффективности использования зерновых кормов состоит в том, что в необработанном зерне питательные вещества находятся в труднодоступном для пищеварительных ферментов виде. Так, переваримость сухого вещества зерна даже в оптимально измельченном состоянии не превышает 70 – 80 % [2]. В нативной форме крахмал, которого в зерне до 70 %, имеет кристаллическую структуру и для животных, особенно для молодняка, у которого невысокая секреция амилолитических ферментов, является труднопереваримым веществом. Кроме того, крахмал в зерне окружен жировыми и белковыми прослойками, клетчаткой [2].
Под влиянием воздействующих факторов желудочно-кишечного тракта зерно (коллоидное капиллярно-пористое тело) изменяет свое физическое состояние и химические свойства, в результате чего питательные вещества его деструктируются и становятся более доступными для ферментации в пищеварительном тракте животных.
Однако временной промежуток нахождения зерна в желудочно-кишечном тракте животных недостаточен для его переваривания. Необработанное зерно проходит транзитом через пищеварительный тракт животных, так как для изменения физико-химических свойств белка, крахмала, клетчатки помимо времени недостаточно высока температура тела животных.
Цель работы: Моделирование процессов происходящих в зерне пшеницы при смачивании его водой и бишофитом.
Материалы и методы исследования
Воду в фуражном зерне подразделяют на внешнюю (поверхностную) и внутреннюю. Внутренняя вода делится на две формы – внутриклеточную и внеклеточную (межклеточную) [1].
Натуральная влажность зерна пшеницы на момент исследований составляла 10,3 %, которую определяли с использованием БИК-анализатора ФТ10 (разработчик ООО ЛЮМЭКС).
Зерно пшеницы (15 порций массой по 100 г) смачивали дистиллированной водой (120 мл) от 1 до 15 часов, затем не поглощенную зерном воду сливали. С зерна пшеницы фильтровальной бумагой удаляли поверхностную воду. Далее смоченную порцию зерна взвешивали на лабораторных весах.
За первые два часа смачивания зерна пшеницы дистиллированной водой зерно впитывает 22,7 г воды (температура смеси вода – зерно 22 °С).
За последующие 13 часов смачивания, при тех же условиях, зерно пшеницы впитывает 22,02 г воды (температура смеси вода – зерно 22 °С). После смачивания зерна пшеницы дистиллированной водой течение 15 часов появляются первые проросшие корешки зародыша пшеницы.
Известно, что добавка электролитов NaCl, KСl, даже при малых концентрациях (1 миллимоль/литр) резко влияет на эффект набухания крахмала. Электролиты адсорбируются на поверхности зерен и тем самым разрушают их структуру, вследствие чего вода значительно быстрее проникает в толщу зерна [3].
Работами Ребиндера на разных объектах было показано положительное действие электролитов, способствующих ослаблению структуры вещества [4-7].
Поэтому следующий этап работы состоял в смачивании зерна пшеницы раствором бишофита. В бишофите массовая доля растворенного вещества хлорида магния составляет 96 % . Волгоградская область богата залежами этого минерала, добываемого в виде рассола. Поэтому естественен интерес ученых Волгоградского ГАУ к всестороннему исследованию свойств бишофита.
Зерно пшеницы (15 порций массой по 100 г) смачивали раствором бишофита (2 %) от 1 до 15 часов (температура смеси бишофит – зерно 22°С), затем не поглощенный зерном раствор бишофита сливали. С поверхности зерна пшеницы фильтровальной бумагой удаляли раствор бишофита. Далее смоченную порцию зерна взвешивали на лабораторных весах.
За первые 2 часа смачивания раствором бишофита зерно пшеницы впитало 21,4 г раствора бишофита. За последующие 13 часов зерно пшеницы впитало 18,01 г раствора.
После смачивания зерна пшеницы в течение 15 часов раствором бишофита корешки зародыша пшеницы не появляются (не прорастают).
Картина процессов почти такая же, как и при смачивании зерна пшеницы, водой, только количество поглощенной воды за первые 2 часа, и последующие 13 часов немного меньше. Наглядно это видно на рис. 1.
Рис. 1. Изменение массы зерна пшеницы при его смачивании дистиллированной водой и раствором бишофита (ω=2 %)
Зерно пшеницы содержит до 70 % крахмала, 15 % белка, 3 % клетчатки. Как распределяется вода в структурных биополимерах зерна пшеницы (крахмала, белка, клетчатки) при его смачивании?
Наиболее интенсивный процесс впитывания жидкости (воды и раствора бишофита) зерном происходит за первые два часа смачивания (рисунок 1), поэтому для моделирования и описания процессов, происходящих в зерне пшеницы за первые 2 часа смачивания, были смочены в течение 2 часов целлюлоза порошковая, крахмал картофельный и желатин пищевой (объёмом по 20 см³).
При смачивании дистиллированной водой (80 мл) в течение 2 часов объем желатина составил 90 см3 (температура смеси вода – желатин 22°С). При этом каждая гранула желатина не смешивалась с другими гранулами при набухании, образовывалась мягкая зернистая масса.
Крахмал при смачивании его дистиллированной водой (20 мл) за 2 часа (температура смеси крахмал – вода 22°С) уменьшился в объеме на 20 %, при этом после смачивания вещество крахмала стало плотным.
За 2 часа смачивания целлюлозы дистиллированной водой (20 мл) объём целлюлозы увеличился на 20 %. (температура смеси вода – целлюлоза 22°С), при этом плотность целлюлозы увеличилась незначительно. Плотность (желатина, крахмала, целлюлозы) оценивалась органолептически.
Далее, целлюлозу, желатин, крахмал, объемом по 20 см³, смачивали раствором бишофита (2 %) в течение 2 часов.
Объем желатина через 2 часа смачивания раствором бишофита (80 мл) увеличился до 70см3, при этом 10 см3 раствора бишофита желатин не впитал. Каждая гранула желатина не смешивалась с другими гранулами при набухании, образовывалась мягкая зернистая масса.
Крахмал при смачивании его раствором бишофита (температура смеси крахмал – бишофит 22°С) уменьшился в объеме на 20 %, при этом после смачивания вещество крахмала стало плотным.
За 2 часа смачивания целлюлозы раствором бишофита объём ее не изменился (температура смеси бишофит – целлюлоза 22°С), при этом плотность целлюлозы увеличилась незначительно. Плотность (желатина, крахмала, целлюлозы) оценивалась органолептически.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты исследований наглядно отображены в виде диаграммы на рис. 2.
Выводы
Предположительно за первые два часа смачивания зерна пшеницы (водой, бишофитом) увеличивается количество внутренней межклеточной воды. Её называют свободной, капиллярной, водой способной заполнять всевозможные пространства, канальца, капилляры в зерне. Предположительно происходит, простое поглощение воды пористым веществом зерна пшеницы.
Начиная с третьего часа смачивания зерна пшеницы (водой, бишофитом), увеличение количества влаги в нем происходит намного медленнее, чем за первые 2 часа смачивания. Предположительно, начиная с третьего часа смачивания зерна пшеницы, происходит увеличение внутриклеточной воды в зерне пшеницы, набухание биополимеров (протеина, крахмала, целлюлозы).
Рис. 2. Изменение объёма биополимеров при их смачивании дистиллированной водой и раствором бишофита (ω=2 %)
Внутриклеточная вода состоит из двух форм. К первой форме относится свободная вода, находящаяся в межмолекулярных пространствах. Ко второй форме относится связанная вода.[1]
Увеличение внутриклеточной воды в зерне процесс более сложный, поэтому более длительный. Предположительно за следующие 13 часов смачивания зерна пшеницы (водой, бишофитом) увеличивается количество внутриклеточной воды. Увеличение количества внутриклеточной воды в зерне ведет к изменению физико-химических свойств биополимеров (протеина, крахмала, целлюлозы), прорастанию зерна.
При наличии водорастворимых веществ в растворе уменьшается осмотическое всасывание воды в пористые структуры зерна [6], поэтому количество впитавшейся влаги при использовании раствора бишофита несколько меньше, чем при использовании воды.
При смачивании зерна пшеницы в течение 15 часов раствором бишофита корешки зародыша пшеницы не появляются (не прорастают).
Набуханием, как известно, называется процесс увеличения первоначального объема твердого высокополимерного соединения.
Отличие набухания от простого поглощения воды пористым веществом заключается в том, что набухание сопровождается выделением определенного количества тепла, т.е. процесс протекает большей частью экзотермический.
При смачивании зерна пшеницы (водой, бишофитом) температура смеси (зерно – вода, зерно – бишофит) на протяжении всего опыта не изменялась. При смачивании целлюлозы, крахмала, желатина (водой, бишофитом) в течение 2 часов температура смеси также не изменялась.
Предположительно увеличение количества внутренней межклеточной воды за первые 2 часа смачивания зерна пшеницы (водой, бишофитом) приводит к незначительному увеличению объема целлюлозы (в основном аморфной ее части), уплотнению (уменьшению объема) крахмала зерна и значительному увеличению, по сравнению с целлюлозой и крахмалом, в объеме белковой части зерна пшеницы.
Дальнейшее смачивание зерна пшеницы с 3 до 15 часов (водой, бишофитом) приводит к набуханию биополимеров зерна, значительному изменению их физико-химических свойств.