Новые представления о неоднородности структуры масличных семян и ее влиянии на технологические свойства

665.1

НОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О НЕОДНОРОДНОСТИ СТРУКТУРЫ МАСЛИЧНЫХ СЕМЯН И ЕЕ ВЛИЯНИИ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

В.В. ЮПОЧКИН, С.Ф. БЫКОВА

Северо-Кавказский филиал Всероссийского научно-исследовательского института жиров

Теоретическое обобщение результатов экспериментальных исследований, выполняемых нами и под нашим научным руководством [1-3] позволило расширить существующие представления о механизме извлечения масла из семян промышленных масличных растений.

Хотя выдвигаемые нами новые теоретические представления распространяются в основном на процесс подготовки масло содержащего материала к извлечению масла, они затрагивают вопросы теории отжимания и экстрагирования масла из капиллярно-пористой структуры интактных тканей масличных семян и продуктов их переработки.

Разработка новых теоретических представлений была начата нами, как и у А.М. Голдовского [4], с изучения клеточной и внутриклеточной структуры основных тканей масличных семян.

Изучение улыраструкгуры проводилось методами сканирующей и подсвечивающей (в проходящем потоке электронов) электронной микроскопии, а также методом ртутной порометрии. Особенно эффективным оказалось применение способа стереологической реконструкции, целью которого являлосьточноевоспроизведение пространственной структуры образца, а затем нахождение ее количественных параметров. Эго было достигнуто в результате изучения множества последовательно-параллельных сечений образца с малым шагом и прямым стереоскопическим наблюдением. Способ, получивший название непосредственной реконструкции исследуемых материалов, интенсивно развивается в последнее время для количественного описания технологических характеристик - непрерывности и связности элементов структуры. На конечном результате стереологической реконструкции пространственной структуры материала непосредственно сказывается представительность исследуемого образца. Результаты наблюдения должны как можно точнее и полнее отображать структурные особенности исследуемого пористого тела.

Из-за значительной неоднородности структуры плоскости сечения одной направленности бывает недостаточно, и представительную выборку можно осу-

ществить, лишь получив сечения пористого тела по нескольким различно ориентированным плоскостям.

Широкие возможности для порометрического структурного анализа появляются при его сочетании со сканирующей электронной микроскопией.

Известны попытки определить свойства нативных капиллярно-пористых структур семян хлопчатника [5] с использованием классического сорбционного метода - по десорбционной ветви изотермы, основанного на известных представлениях о механизме связывания влаги в порах и капиллярах. Но отсутствие учета их неоднородности по размерам и коллоидных свойств компонентов структуры не позволило получить полную информацию о распределении объема пор и капилляров по размерам. Это также привело к слишком завы-шеннойвеличине удельной поверхности пористой системы семян хлопчатника, почти приравненной к удельной поверхности таких известных пористых адсорбентов, как активированные уши [5].

Метод ртутной порометрии расширяет интервалы измеряемых характеристик пористости и дает более полное представление о пористой структуре изучаемых объектов. Метод основан на том, что жидкость (ртуть), не смачивающая твердое тело, лишь при воздействии внешнего давления проникает в его поры. Объем жидкости, заполняющей поры, является функцией внешнего давления, что позволяет получить информацию о распределении пор по размерам. Большим преимуществом применения этого метода для исследуемых нами объектов является абсолютная инертность ртути по отношению к компонентам масличных семян, что позволяет получить более реальные характеристики пористой структуры.

В дополнение к информации, изложенной в работах [4,6,7], путем сочетания новейших методов сканирующей электронной микроскопии и ртутной порометрии нами была получена новая информация о различиях улыраструкгуры в пространственном изображении морфологических тканей перерабатываемых масложировой промышленностью масличных семян подсолнечника, сои, клещевины, рапса, хлопчатника и кориандра. Эго позволило провести системную оценку неоднородности их улыраструкгуры. Оценивали форму и размеры клеток, белковых глобул и липидных сферо-сом, а также общую пористость капиллярно-пористой структуры.

Рис. 1

На рис. 1 представлены микрофотографии сколов ядра масличных семян (х 1500 раз) сои (а), рапса (б), клещевины (в), кориандра (г), подсолнечника (<Э): 1 - липидные сферосомы, 2 - цитоплазменная матрица, 3 - клеточная стенка.

Установлено, что форма клеток у всех изучаемых семян одинаковая - цилиндрическая, вытянутая, за исключением клеток ядра семян кориандра, которые имеют неправильную форму. Размеры и объемы клеток различны. Клетки подсолнечника, сои, клещевины крупнее и объемнее, чем клетки рапса и кориандра. В клетках белковые глобулы объединяются между собой цитоплазменной матрицей, имеющей ячеистую структуру (рис. 1). В ячейках матрицы помещаются липидные сферосомы, имеющие размеры значительно меньшие по сравнению с размерами белковых глобул. Липидные сферосомы неоднородны по размеру и окружены оболочками, изолирующими их друг от друга.

Цитоплазменная матрица более развита у семян подсолнечника, клещевины, сои, тогда как у семян кориандра она развита очень слабо. Цитоплазменная матрица не срастается со стенками клетки, образуя воздушные полости, и отличается высокой пористостью, напоминая по внешнему виду сеть с крутыми отверстиями разного диаметра. У семян рапса ячеистая структура цитоплазменной матрицы просматривается

только при большом увеличении (> 1500 раз). Из-за небольшого размера липидные сферосомы едва заметны. Связь липидных сферосом с цитоплазменной матрицей непрочна, о чем свидетельствуют отпечатки в матрице сферосом, выпавших при приготовлении сколов ядра семян для микроскопирования.

Ядро семян хлопчатника отличается от других ядер масличных семян более сложной клеточной структурой [8], в состав которой входит уникальный компонент госсипол, отрицательно влияющий на качество получаемых масла и шрота и имеющий самостоятельное применение в народном хозяйстве.

Семядоли семян хлопчатника свернуты в несколько несрастающихся слоев, в результате чего имеют складки и большую развитую общую поверхность.

Структурные элементы клетки семян хлопчатника, как и у других видов семян, объединяются цитоплазменной матрицей, в ячейках которой размещаются липидные сферосомы, но объем и размеры клеток, размеры липидных сферосом значительно меньше по сравнению с семенами подсолнечника, сои и клещевины. По всему объему в клеточной структуре семядолей расположены шссиполовые железки эллипсоидальной формы. Их размеры больше размеров других структурных элементов клеток. Размещаются госсиполовые железки в специальных углублениях, их стенки имеют

Клещевина

Подсолнечник

Соя

Рапс

Кориандр

Для подсолнечника и хлопчатника установлено влияние сортовых особенностей на размер и объем клеток основных тканей семян.

Таблица 1

Сорт, гибрид

Масличность

семян,

Размер клеток, 1  1(Г5м

Средний объем кле-

% на а. с. в. Длина Ширина ток, мкм3

Передовик 48-50 65-85 20-30 33800

Солдор-220 42-44 50-70 15-25 19000

Санбред-254 42-44 60-75 10-20 13400

Почин 46-68 50-70 20-30 24500

Первенец 44,5-46,5 50-60 12-18 11000

Сорт Длина клеток, 1 • ИГ5 м Размер гос-сиполовой железки, 1 • 10“5 м Количество пор на поверхности госсиполовой / 2 железки, шт./см Средний размер пор, 1 • ИГ8м

Аргентин -ский 15,7 10,8 30 30

Термез-7 11,4 12,8 35 75

Ташке нт-1 14,4 8,2 41 60

С 4727 14,2 8,4 40 50

153-Ф 12,1 10,4 50 65

175-Ф 15,1 7,6 30 55

Для семян подсолнечника (табл. 1) размер и объем клеток основных тканей семян (ядра) у бывает в ряду:

Передовик

Для семян хлопчатника (табл. 2) размер и объем клеток основных тканей (ядра), а также размер госси-половых железок убывают в ряду:

Термез-7 Аргентинский 108- Ф 153-Ф

Рис. 2

пористую ячеистую структуру, аналогичную структуре клеточных стенок.

На рис. 2 представлена ультрастру кгура госсиполо-войжелезки(х 1500 раз): 1 - воздушная полость. Каждая госсиполовая железка свободно лежит в углублении Ее содержимое локализовано в виде мелких и крупных образований сферической и неправильной формы, покрытых и объединенных в одно целое полупрозрачной пленкой. Между пленкой и железкой имеется небольшая воздушная полость.

На основании проведенных исследований определено, что по размеру и объему клеток изучаемые культуры располагаются следующим образом:

Прослеживаются различия сортов по размерам и количеству пор на оболочке железок. Количество пор, подсчитанных в 1 см2 площади поверхности оболочки в одном и том же для всех микрофотографий сечении располагается следующим образом:

153-Ф 108-Ф

Ташкент-1

С 4727

Термез-7 —» Аргентинский 175-Ф

Толщина клеточных стенок исследуемых семян возрастает в ряду:

Рапс —» Клещевина —» Соя —» Подсолнечник —» Хлопчатник —> Кориандр

Общим для семян всех изученных масличных растений является наличие в клеточной стенке пор, обусловливающих ее ситообразную поверхность, а также наличие межклеточных пространств, пор, капилляров и воздушных пустот.

Анализ внутриклеточного содержимого показывает, что наиболее крупные белковые глобулы у сои, они плотно упакованы и располагаются по периферии клетки. У рапса и кориандра глобулы меньше, они расположены в центральной части клетки. В клетках семян подсолнечника и клещевины белковые глобулы расположены диффузно по всему объему клетки. Липидные сферосомы наиболее крупные у семян подсолнечника и клещевины и содержится их больше, чем в клетках остальных изученных видов семян. У семян сои, кориандра и хлопчатника липидные сферосомы очень мелкие.

По содержанию и размерам липидных сферосом изученные культуры располагаются в убывающем ряду:

Подсолнечник

Клещевина

Соя

Кориандр

Таблица 2

Анализ распределения пор по размерам и объемам в исследуемых семенах (рис. 3.1- соя, 2 - подсолнечник (сорт), 3 - хлопчатник, 4 - подсолнечник (гибрид), 5- клещевина, 6- кориандр) выявил следующее: наиболее крупнопористым является ядро кориандра - объем пор 0,212 см3/г, наименее пористым - ядро сои, объем пор 0,0298 см3/г;

в ядре сои преобладают мезопоры и мелкие поры (до 80%);

пористая система ядра подсолнечника, хлопчатника и клещевины по содержанию мезопор занимает промежуточное положение;

Рис. 3

ядро клещевины отличается от других наибольшим содержанием групп макропор;

в ядре кориандра объем группы переходных пор и мезопор составляет всего 2%, супермакропор - около 50%. '

Таким образом, размеры пор в капиллярно-пористой структуре ядра исследуемых семян располагаются в порядке убывания:

Подсолнечник

Хлопчатник Кориандр —» т/.

1 1 Клещевина

Рапс

Пористость образца 8, представляющую собой отношение объема пор кобъему всего образца, рассчитывали по формуле

8 = -

Известно, что в маслосодержащем материале, поступающем на переработку, всегда присутствуют плодовая или семенная оболочки, содержание которых колеблется от 8 до 100% (необрушенные семена). Их наличие оказывает значимое влияние на процесс адсорбции масла при технологической обработке и потери масла со жмыхом и шротом.

Различие структуры оболочки масличных семян различных видовпо общей пористости определяет различия капиллярного эффекта при контакте оболочки с водой и маслом и поглощения оболочкой масла.

По величине общей пористости, определяемой ртутной порометрией, оболочки семян располагаются по возрастанию в ряду:

Подсолнечник —» Клещевина —» Кориандр —» Соя —» Хлопчатник

Для определения достоверностирезультатов, полученных ртутной порометрией, сравнивали их с результатами, полученными методом Б.В. Дерягина [9] - общепризнанным методом определения пористости и удельной поверхности маслосодержащих материалов, который основан на измерении коэффициента фильтрации инертного газа или сильно разреженного воздуха через испытуемый порошкообразный образец в специальном приборе, разработанном Б.В. Дерягиным. Методы определения пористости целых ядер или других интактных морфологических частей масличных семян в литературе отсутствуют.

Сравнение проводили на примере подсолнечной мятки, полученной в производственных условиях при измельчении ядра семян на вальцевом станке ВС-5, так как в [9] приводится показатель пористости только для этого материала.

где 1?2- объем пористого образца (толщина слоя А:.: материала, насыпанного в кювету-цилиндр после уплотнения, умноженная на площадь £внутреннего сечения цилиндрического сосуда), см3; \'| объем того же образца при отсутствии пор, вычисленный исходя из веса образца Р и его удельного веса с/, =Р/с1, см3.

Вес и толщина образца Ат измеряются точно.

Подготовку образца к анализу методом ртутной по-рометрии осуществляли следующим образом. Взвешенный материал помещали в специальную ячейку -дилатометр, содержащий стеклянную капиллярную трубку для создания давления. Вакуумированием удаляли воздух из дилатометра и пор образца, под вакуумом дилатометр с образцом заполняли ртутью и после этого помещали в порозиметр модели 200 фирмы СЕБ (Италия) для интрузии ртути в поры образца. Порозиметр соединялся через устройство интерфейса с микро-ЭВМ и устройством вывода - графопостроителем. Замеры производили при изменении давления от 0,2 до 1,0 кг/см2 вручную, от 1,0 до 2000 кг/см2 автоматически.

Подставив в формулу результаты ртутной поромет-рии (объем пор), навеску образца и размеры слоя в дилатометре прибора, определили, что пористость 8 = 0,367 тогда как пористость подсолнечной мятки, определенная по методу Б.В. Дерягина, 8 = 0,324 [9]. Сравнение двух методов определения пористости подтверждает достоверность результатов, полученных методом ртутной порометрии.

Выполненный комплекс исследований позволил выявить различия в строении интактных тканей масличных семян и их влияние на технологические свойства масличного сырья. Известно, что степень вскрытия клеточной структуры в основном зависит от размера клеток и толщины стенок Более крупные и объемные клетки семян подсолнечника, сои и клещевины при одних и тех же условиях должны разрушаться легче, чем мелкие клетки семян рапса и кориандра. В то же время тонкие стенки клеток семян рапса обусловливают их легкое разрушение, а очень толстые клеточные стенки семян кориандра, наоборот, их трудное разрушение.

Трудность извлечения масла возрастает в такой последовательности:

Соя —» Подсолнечник —» Клещевина —» Рапс —» Кориандр

Эго подтверждается величиной выхода масла при экстракции и величиной остаточной масличности шрота при промышленной переработке (табл. 3).

Различия капиллярно-пористой структуры исследуемых видов масличных семян приводят к тому, что при технологической переработке в ходе разрушения сферосом маслом заполняются группы пор, специфические для каждой масличной культуры. Перемещение масла внутри пористой системы вызывается общим ре-

2

V

2

Таблица 3

Культура Маслич -ность, % на а. с. в. Массовая доля протеина (К • 6,25), % на а. с. в. Выход масла из семян при переработке, % Маслич-ность шрота, % на а. с. в.

Соя 18-20 38-40 92,0-97,0 0,5-1,5

Подсолнечник 48-52 16-19 97,0-97,5 1,5

Клещевина 48-52 18-20 95,8-96,6 2,0

Рапс 38-45 25-30 92,0-93,4 3,0

Кориандр 20-25 12-15 5,0-84,0 5,12

зультатом действия различных сил- капиллярных, давления паров, давления стенок пор и капилляров - и является наиболее существенным фактором при извлечении масла.

Последующие технологические операции также связаны по существу с воздействием на различные группы пор. Интенсивность воздействия капиллярных сил зависит от радиуса пор и капилляров. Поэтому должны быть выбраны различные технологические приемы, позволяющие целесообразно воздействовать на необходимые группы пор.

Капиллярно-пористая система тканей масличных семян до статочно сложна, и помимо тех пор и капилляров, которые обнаруживаются ртутной порометрией и фиксируются сканирующей электронной микроскопией, имеются и другие капилляры, по которым может двигаться жидкость (вода).

В литературе различают две основные модели пористых тел - капиллярные и глобулярные [10]. Простейшей капиллярной моделью является совокупность сквозных, не сообщающихся между собой цилиндрических капилляров одного радиуса. Простейшей моделью пористого тела глобулярной структуры является пористое тело, образованное одинаковыми сферическими частицами. Известны и другие модели капиллярных пористых тел [10].

Интактные ткани масличных семян и плодов и ряд продуктов их переработки следует отнести к телам капиллярной модели. Однако в случае агрегирования частиц в жаровне и в ряде других процессов пористое тело может быть образовано за счет контакта близких к сферической форме тел, т. е. может быть близким к глобулярной модели.

В одной модели невозможно отразить многообразие свойств капиллярно-пористого тела, поэтому изложенные нами представления развиты с определенными упрощениями и могутиспользоваться для описания одного свойства, например, движения жидкости в порах и капиллярах.

Нами сделана попытка определить интервал радиусов пор, в котором сосредоточивается масло. Сравнением результатов распределения объемов пор по ра-

диусам в необезжиренных и обезжиренных образцах было определено, что масло содержится в порах промежуточного размера - г = 0,3... 3 мкм, тогда как для системы параллельных каналов оно оказалось лишь в крупных порах с размером г = 10... 80 мкм.

Полученные новые сведения об ультраструктуре масличных семян позволяют коренным образом изменить взгляды на основные технологические процессы производства растительных масел.

Различия плотности упаковки клеток, размеров липидных сферосом предопределяют при технологической обработке вытекание масла и перераспределение его в поры и капилляры разных размеров под действием капиллярных сил.

Размеры и расположение белковых глобул в семенах при последующей их обработке обусловливают прочность получаемых формоизмененных частиц. Для сои получается стойкий к разрушению лепесток, а для клещевины лепесток получить вообще не удается. Остальные семена и плоды занимают промежуточные положения.

Полученные нами сведения представляют интерес не только для технологии производства растительных масел, но и при анализе процессов хранения, послеу бо-рочного дозревания, сушки семян, а также хранения продуктов переработки масличного сырья.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ключкин В.В., Быкова С.Ф., Майрамян С.М., Ксан-допуло Л.Н. Микроструктура масличных семян // Масложировая пром-сть. - 1987. - № 1. - С. 12-15.

2. Ксандопуло Л.Н., Быкова С.Ф., Ключкин В.К Влияние влаготепловой обработки мятки гибридов подсолнечника на белковый комплекс // Масложировая пром-сть. - 1987. - № 2. -

С. 10-12.

3. Ключкин В.В., Быкова С.Ф., Ксандопуло Л.Н. Размеры пор семян с ортов популяций и гибридов подсолнечника //Масложировая пром-сть. - 1988. - № 8. - С. 8-10.

4. Голдовский А.М. Теоретические основы производства растительных масел. - М.: Пищепромиздат, 1958. -446 с.

5. Ган А.И. Исследование процесса увлажнения хлопковых семян: Дис. ... канд. техн. наук. - Ташкент, 1961.-272 с.

6. Щербаков В.Г., Лобанов В.Г., Прудникова Т.Н., Федорова С.А. Биохимия растительного сырья. - М.: Колос, 1999. -375 с.

7. Лобанов В.Г., Шаззо А.Ю., Щербаков В.Г. Теоретические основы хранения и переработки семян подсолнечника. - М.: Колос, 2002. - 592 с.

8. Ржехин В.П., Фальк Е.Ю. К изучению строения изолированных госсиполовых железок семян хлопчатника // Тр. ВНИИЖ. - 1965. - Вып. 25. - С. 79-84.

9. Руководство по методам исследования, технологическому контролю и учету производства в масложировой промышленно -сти. Т. II. - Л., 1965. - С. 372-376.

10. Акеельруд Г.А., Альтшуллер М.А. Введение в капиллярно-химическую технологию. - М.: Химия, 1983.-264 с.

Поступила 23.01.08 г.