СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОЗЕРНОСТИ ПШЕНИЦЫ
METHOD FOR MEASURING WHEAT GRAIN HARDNESS

Изобретение относится к мукомольной и хлебопекарной промышленностям, в частности к способам определения твердозерности пшеницы.
Известен способ определения твердозерности пшеницы по соотношению величин набухания мелкой и крупной фракций муки [Н.С.Беркутова. Методы оценки и формирования качества зерна. М.: Росагропромиздат, 1991, с.104-105]. Для этого пробу зерна массой 5-10 г размалывают на вальцовой мельнице («Квадрумат Юниор» и др.). Муку просеивают на сите с размером отверстий 140 мкм и разделяют на две фракции путем просеивания на сите с размером отверстий 100 мкм. Для дезагрегирования муки добавляют 5 г неизмельченного силикагеля. При просеивании мелкая фракция, полученная в результате прохода через сито, обычно составляет 40-50%. Из каждой фракции муки - остатка на сите (крупная фракция) и прохода через сито (мелкая фракция) отбирают пробы по 0,5 г и определяют показатель набухания в 2%-ном растворе уксусной кислоты. Показатель твердозерности характеризуется соотношением величин набухания мелкой и крупной фракций. У твердозерных сортов пшеницы этот показатель, как правило, близок к 1, у мягкозерных - не превышает 0,5-0,7. Расхождение между показателями параллельных определений не должно превышать 2%. Недостатками такого способа являются большая трудоемкость и значительное влияние побочных факторов (качественный состав белков зерна, влажность зерна и др.) на результат определения.
Известен также способ, разработанный Тейлором, в котором твердозерность объективно определяется путем установления «индекса шелушения», обычно выражаемого удельным весом вещества, получившегося после шелушения образца пшеницы определенного веса в лабораторном шелушителе для ячменя, действующем в течение определенного времени [под ред. И.Глинки. Перевод с английского, под ред. Н.П.Козьминой и Л.Н.Любарского. Пшеница и оценка ее качества. М.: Колос, 1968, 496 с.]. Недостатками такого способа являются невысокая точность, поскольку количество оболочек зерна, получившихся после его шелушения, также зависит от множества природно-климатических и агрономических факторов, лишь косвенно свидетельствуя о его твердозерности.
Известен способ определения твердозерности пшеницы на основании измерения удельной поверхности шрота или муки, полученной при размоле зерна пшеницы, на поверхностемере (ПСХ-2, ПСХ-4), позволяющий получить так называемую внешнюю поверхность материала, отнесенную к единице массы или объема [Н.С.Беркутова. Методы оценки и формирования качества зерна. М.: Росагропромиздат, 1991, с.75]. Твердозерные сорта характеризуются меньшими значениями удельной поверхности шрота или муки. При этом предполагается, что все частицы шрота или муки имеют шарообразную форму. Это допущение способа существенного снижает его точность.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения твердозерности пшеницы, предложенный Н.С.Беркутовой, И.А.Швецовой, Г.К.Колкуновым, по индексу размера частиц (ИРЧ) - массе прохода сита №0071 муки 70%-ного выхода, выраженную в процентах к исходной навеске [Н.С.Беркутова, И.А.Швецова. Микроструктуры пшеницы. М.: Колос, 1977, с.52]. Размалывать зерно можно на лабораторных мельничках типа ЛЗМ, Пируэт, а также на установках Квадрумат-Юниор, Квадрумат-Сениор (фирмы «Брабендер»), МЛУ-202 (фирмы «Бюлер»), ЛМ (ВНР). Твердозерные сорта характеризуются меньшими значениями ИРЧ. Диапазон значений этого показателя составляет для сортов твердозерной пшеницы 18-33%, для сортов мягкозерной пшеницы 34-42%. В данном способе размер частиц оценивается только одним параметром - проходимостью через сито с фиксированным размером отверстий, что существенно снижает точность определения твердозерности. Кроме того, способ требует значительных временных затрат на просеивание муки, измерения ее массы.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности определения твердозерности пшеницы, сокращение времени проведения испытаний и снижение трудоемкости.
max
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе определения твердозерности пшеницы производят размол зерна, затем определяют максимальное разрушающее усилие при размоле. Для этого производят микроснимки полученной при размоле муки методом оптического микроскопирования, на которых из центра тяжести фигуры, ограниченной контуром частицы муки, проводят не менее 300 отрезков к контуру частицы во все стороны, определяют среднеарифметическое значение длин получившихся отрезков Х, мкм, и коэффициент вариации длин получившихся отрезков К, %, затем определяют максимальное разрушающее усилие, P, ед. пластографа, по формуле
max
cp.ст.
ср.ст.
P=9,51·X+6,02·К+112,04,
cp.ст.
где X - среднестатистические значения Х при измерении не менее 5000 частиц зерна, мкм,
ср.ст.
К - среднестатистические значения К при измерении не менее 5000 частиц зерна.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Берут пробу зерна пшеницы, например, в количестве 50 г, размалывают ее, например, на вальцовой мельнице «Квадрумат Юниор» для получения муки. Размалывать зерно можно на лабораторных мельничках типа ЛЗМ, Пируэт, а также на установках МЛУ-202, ЛМ.
Выделенную навеску муки тщательно перемешивают, разравнивают в виде прямоугольника, делят на 10 частей и удаляют каждую вторую часть до тех пор, пока масса оставшейся муки не составит примерно 2 г. Из оставшихся 2 г выделяют навеску массой 24-26 мг муки. Выделенную навеску наносят на 2 предметных стекла с помощью набора сит №73, 38, 32. Нанесение препарата начинают при помощи сита, имеющего наименьший размер отверстий для того, чтобы сначала нанести самую тонкую фракцию муки. Оставшийся на первом сите остаток переносят на второе сито, имеющее более крупный размер отверстий. Выбор номера второго сита определен с таким расчетом, чтобы оставшаяся на первом сите мука, практически полностью просеялась через него. Оставшийся небольшой остаток второго сита переносится на третье сито, имеющее наибольший размер отверстий, и полностью наносится на предметные стекла. Нанесение препарата следует проводить при помощи легкого постукивания по обечайке сита. Подготовленный таким образом препарат муки устанавливают на предметном столике микроскопа. Путем перемещения предметного столика микроскопа выбирают соответствующие кадры и делают их микроснимки.
Для обеспечения статистической достоверности результатов измерения частиц муки методом оптического микроскопирования необходимо провести микросъемку не менее 5000 частиц. Получаемые микроснимки анализируются автоматически с помощью соответствующего программного обеспечения персонального компьютера (ПК). Анализ полученных изображений осуществляют с помощью, например, Open Source Computer Vision Library (OpenCV), библиотеки алгоритмов компьютерного зрения, обработки изображений и численных алгоритмов общего назначения с открытым кодом. OpenCV позволяет произвести структурный анализ изображений: выявление контуров предметов, описание их форм, обнаружение объектов и др.
С помощью данной библиотеки осуществляют анализ изображений микроснимков, а также автоматизированный расчет прогнозируемого показателя твердозерности пшеницы - максимального разрушающего усилия при размоле зерна по следующему алгоритму: из центра тяжести фигуры, ограниченной контуром частицы, проводят не менее 300 отрезков к контуру частицы во все стороны; определяют среднеарифметическое значение длин получившихся отрезков Х, мм, и коэффициент вариации длин получившихся отрезков К.
max
Твердозерность пшеницы оценивается по вычисляемому максимальному разрушающему усилию, P, ед. пластографа, по формуле
max
cp.ст.
ср.ст.
P=9,51·X+6,02·К+112,04,
cp.ст.
где X - среднестатистические значения Х при измерении не менее 5000 частиц зерна, мм,
ср.ст.
К - среднестатистические значения К при измерении не менее 5000 частиц зерна.
Чем выше твердозерность пшеницы, тем более высокими значениями максимального разрушающего усилия оно характеризуется. Диапазон значений этого показателя составляет для сортов твердозерной пшеницы 660-890 ед. пластографа, для сортов мягкозерной пшеницы 500-660 ед. пластографа.
Примеры выполнения предлагаемого способа
Пример 1
Образцы зерна яровой и озимой пшеницы 30 разнокачественных сортов (твердой и мягкой - сильной, средней, слабой) урожая 2008 и 2009 годов, выращенные в разных природно-климатических зонах, в количестве 50 г, размалывали на вальцовой мельнице «Квадрумат Юниор» с получением муки 70% выхода.
Полученные навески муки, тщательно перемешав, разравнивали в виде прямоугольника, делили на 10 частей и удаляли каждую вторую часть до тех пор, пока масса оставшейся муки не составляла примерно 2 г. Из оставшихся 2 г выделяли навеску массой 24-26 мг муки, наносили ее равномерно на 2 предметных стекла с помощью набора сит №73, 38, 32, начиная с сита, имеющего наименьший размер отверстий. Остаток первого сита переносили на второе сито, имеющее более крупный размер отверстий, остаток второго сита переносится на третье сито, имеющее наибольший размер отверстий. Подготовленный таким образом препарат муки устанавливали на предметном столике микроскопа, после чего производили микросъемку образцов муки.
Полученные микрофотографии частиц муки анализировали с помощью соответствующего программного обеспечения ПК, используя библиотеки алгоритмов компьютерного зрения, обработки изображений и численных алгоритмов OpenCV. Получение микроснимков, их обработка и анализ изображений осуществляется программным обеспечением ПК автоматически, занимая существенно меньше времени, снижая трудоемкость процесса измерения, в отличие от необходимого в прототипе просеивания и точного измерения массы образцов муки. Микрофотографии программно обрабатывали следующим образом: из центра тяжести фигуры, ограниченной контуром частицы, проводили не менее 300 отрезков к контуру частицы во все стороны, определяли среднеарифметическое значение длин получившихся отрезков Х, мкм, и коэффициент вариации длин получившихся отрезков К, %. Для обеспечения статистической достоверности результатов анализу подвергали не менее 5000 частиц муки каждого образца.
max
Исходя из полученных среднестатистических значений Х и К, твердозерность оценивали по максимальному разрушающему усилию, P, выражаемому в единицах пластографа, определенному с помощью описанного в предлагаемом способе уравнения.
Для сравнительного анализа предлагаемого способа и прототипа параллельно определяли твердозерность пшеницы одних и тех же образцов зерна методикой, описанной в прототипе.
Для определения достоверности результатов, полученных предлагаемым способом и прототипом, анализировали эти же образцы муки из зерна референтным методом. В качестве метода сравнения был использован метод оценки твердозерности пшеницы по максимальному разрушающему усилию на пластографе (экструдере) фирмы Брабендер, поскольку этот показатель напрямую связан с энергией, затрачиваемой на дробление зерна, и потому наиболее информативно ценен для мукомольной промышленности. Результаты измерений выражали в единицах пластографа. Твердозерные сорта характеризуются более высокими значениями максимального разрушающего усилия, что и позволяет по этому показателю судить о их степени твердозерности. Для сортов твердозерной пшеницы значения максимального разрушающего усилия составляют 660-890 ед. пластографа, для сортов мягкозерной пшеницы - 500-660 ед. пластографа.
Результаты корреляционного анализа полученных данных представлены в таблице 1. Сравнив результаты определения твердозерности пшеницы, полученные предлагаемым способом и с помощью пластографа, выявили между ними устойчивую и статистически значимую корреляцию.
Таблица 1
Результаты оценки твердозерности пшеницы по максимальному разрушающему усилию, измеренному на пластографе в сравнении с предлагаемым способом и прототипом
Показатель твердозерности
Тип пшеницы по биологическим признакам
Тип пшеницы по целевому применению
Коэффициент корреляции результатов, полученных с помощью пластографа и
предлагаемым способом
прототипом
Максимальное разрушающее усилие
Твердая
0,98
0,90
Мягкая
Сильная
0,94
0,88
Средняя
0,95
0,85
Слабая
0,92
0,83
В отличие от прототипа, где размер частиц оценивается только одним параметром - проходимостью через сито с фиксированным размером отверстий, в предлагаемом способе учитывается размер каждой частицы, полученной при размоле муки. Кроме того, в расчет принимается также и форма каждой частицы, поскольку этот показатель также непосредственно зависят от консистенции эндосперма зерна и потому тесно коррелирует с его мукомольными качествами. Более твердозерные образцы зерна характеризуются большей неровностью частиц муки, полученной при их размоле, что учитывается в предлагаемом способе в уравнении через коэффициент вариации длин отрезков К, получившихся в процессе определения параметров каждой отдельной частицы муки как мера «неровности» этой частицы.
За счет этого в предлагаемом способе достигается бóльшая точность в определении твердозерности пшеницы, чем в прототипе (в среднем на 8-10%).
Пример 2
По схеме, описанной в примере 1, оценивали твердозерность яровой и озимой пшеницы 30 разнокачественных сортов урожая 2008 и 2009 годов.
max
В отличие от примера 1, оценку проводили по максимальному разрушающему усилию только предлагаемым способом и с помощью пластографа. Кроме того, микрофотографии частиц муки программно обрабатывали следующим образом: из центра тяжести фигуры, ограниченной контуром частицы, проводили в первом случае 100 отрезков, во втором - 300 отрезков и в третьем - 1000 отрезков к контуру частицы во все стороны. Затем, так же ,как и в примере 1, определяли среднеарифметическое значение длин получившихся отрезков Х, мкм, и коэффициент вариации длин получившихся отрезков К, %. Для обеспечения статистической достоверности результатов анализу подвергали не менее 5000 частиц муки каждого образца. Исходя из полученных среднестатистических значений Х и К, определяли твердозерность по максимальному разрушающему усилию, P, найденному с помощью описанного в предлагаемом способе уравнения.
Сравнивали результаты определений твердозерности каждого из трех случаев предлагаемого способа и результаты определений, полученных с помощью пластографа. Итоги проведенных оценок (таблица 2) показали, что наименьшее число отрезков, обеспечивающее максимально возможную точность (согласно коэффициентам корреляции) - не менее 300. Дальнейшее увеличение числа отрезков не приводило к повышению точности определения.
Таблица 2
Коррелятивность результатов оценки твердозерности пшеницы по максимальному разрушающему усилию, измеренному на пластографе в сравнении с предлагаемым способом
Показатель твердозерности
Тип пшеницы по биологическим признакам
Тип пшеницы по целевому применению
Коэффициент корреляции результатов, полученных с помощью пластографа и предлагаемым способом
в первом случае (100 отрезков)
во втором случае (300 отрезков)
в третьем случае (1000 отрезков)
Максимальное разрушающее усилие
Твердая
0,95
0,98
0,98
Мягкая
Сильная
0,91
0,94
0,94
Средняя
0,93
0,95
0,95
Слабая
0,90
0,92
0,92
Пример 3
По схеме, описанной в примере 1, оценивали твердозерность яровой и озимой пшеницы 30 разнокачественных сортов урожая 2008 и 2009 годов.
В отличие от примера 1, оценку проводили по максимальному разрушающему усилию только предлагаемым способом и с помощью пластографа. Микрофотографии частиц муки программно обрабатывали следующим образом: из центра тяжести фигуры, ограниченной контуром частицы, проводили не менее 300 отрезков к контуру частицы во все стороны, определяли среднеарифметическое значение длин получившихся отрезков X, мкм, и коэффициент вариации длин получившихся отрезков К, %.
max
В отличие от примера 1, анализу подвергали в первом случае 500, во втором - 5000, в третьем 50000 частиц муки каждого образца. Исходя из полученных среднестатистических значений Х и К, определяли твердозерность по максимальному разрушающему усилию P, найденному с помощью описанного в предлагаемом способе уравнении.
Таблица 3
Коррелятивность результатов оценки хлебопекарных качеств зерна пшеницы, полученных по известной методике с помощью валориграфа в сравнении с предлагаемым способом
Показатель твердозерности
Тип пшеницы по биологическим признакам
Тип пшеницы по целевому применению
Коэффициент корреляции результатов, полученных с помощью пластографа и предлагаемым способом
в первом случае (500 частиц)
во втором случае (5000 частиц)
в третьем случае (50000 частиц)
Максимальное разрушающее усилие
Твердая
0,97
0,98
0,98
Мягкая
Сильная
0,92
0,94
0,94
Средняя
0,93
0,95
0,95
Слабая
0,90
0,92
0,92
Сравнивали результаты определений твердозерности пшеницы каждого из трех случаев предлагаемого способа и результаты определений, полученных с помощью пластографа. Итоги проведенных оценок (таблица 3) показали, что наименьшее число частиц муки, обеспечивающее максимально возможную точность (согласно коэффициентам корреляции) - не менее 5000. Дальнейшее увеличение числа измеряемых частиц не приводило к повышению точности определения.
Таким образом, результаты сравнительных анализов предлагаемого способа, прототипа и референтного способа демонстрируют достижение технического результата - повышение точности определения твердозерности пшеницы, сокращение времени проведения испытаний и снижение трудоемкости.