Анализ влияния фракционного состава зёрен пшеницы на спектры комбинационного рассеяния света

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 543.424.2                                     

Пшеница является одной из основных зерновых культур в мире и служит ключевым источником белка, углеводов и микроэлементов в рационе человека [1-3].

Качество зерна напрямую влияет на его питательную ценность, технологические свойства и пригодность для производства муки, хлеба и других продуктов. Кроме того, мониторинг химического состава и выявление возможных загрязнений (например, пестицидов, микотоксинов или тяжёлых металлов) имеют решающее значение для охраны здоровья потребителей и соответствия международным стандартам качества. В условиях изменения климата и интенсификации земледелия своевременная и точная оценка качества пшеницы позволяет оптимизировать методы хранения, переработки и селекции, что делает исследования в этой области особенно актуальными. В настоящее время для анализа состава и качества сельскохозяйственной продукции широко применяются различные физикохимические и спектроскопические методы [4-7].

Среди них — инфракрасная (ИК) и ближняя ИК-спектроскопия, ультрафиолетовая и видимая спектроскопия (UV-Vis), флуоресцентный анализ, хроматографические методы (газовая и жидкостная хроматография), а также масс-спектрометрия. Эти методы позволяют определять содержание основных питательных веществ, пестицидов, токсинов, влаги и других параметров, характеризующих качество и безопасность сельскохозяйственной продукции. Наряду с вышеперечисленными методами можно выделить спектроскопию комбинационного рассеяния (КР) света, которая всё чаще рассматривается как перспективная альтернатива благодаря сочетанию скорости, универсальности и отсутствия необходимости в сложной пробоподготовке.

Спектроскопия КР представляет собой высокоинформативный, быстрый и неразрушающий метод анализа структуры различных веществ и материалов. Этот подход обладает уникальными возможностями для проведения количественных исследований как молекулярной, так и надмолекулярной структуры вещества. Количество и положение линий в спектрах КР дают ценную информацию о строении рассеивающих молекул, а привлечение количественных характеристик линий КР, таких как частота, интенсивность и полуширина, позволяет значительно расширить интерпретационные возможности метода и повысить точность анализа.

Среди несомненных достоинств спектроскопии КР по сравнению с другими традиционными методами исследования сельскохозяйственной продукции (например, ИК или флуоресцентной спектроскопией) можно выделить возможность изучения образцов без предварительной подготовки, в малом объёме и с высоким пространственным разрешением — до единиц микрон как по поверхности, так и по глубине образца. Ещё одним важным преимуществом является высокая скорость анализа: исследование одного образца может занимать менее минуты.

Кроме того, этот метод отличается высокой селективностью, что позволяет различать химически сходные соединения, а также стойкостью к влиянию влаги и флуоресценции, которая часто мешает другим оптическим методам. Современные системы на основе КР спектроскопии могут быть совмещены с микроскопией или волоконно-оптическими зондами, что делает возможным встраивание метода в производственные линии и проведение in situ мониторинга качества продукции.

Материалы и методы исследования

В данной работе методом спектроскопии КР было проведено исследование состава зёрен пшеницы разного размера и массы. В качестве образцов для исследования были взяты зёрна пшеницы сорта «Тимирязевка 150». Этот сорт озимый, среднепоздний, высокоурожайный, короткостебельный с вегетационным периодом 214-306 дней. Сорт устойчив к полеганию. Оригинатор сорта: КНИИСХ им. П. П. Лукьяненко (г. Краснодар), производитель зёрен: АгроМир-Сидс (Краснодарский край). Сорт устойчив к бурой ржавчине, жёлтой ржавчине, стеблевой ржавчине, мучнистой росе; средне восприимчив к фузариозу и септориозу. Восприимчив к твёрдой головне и вирусным болезням. Для исследования были отобраны и очищены зёрна различной фракции (т.е. массы 1000 семян) от 32 до 47 г.

Для проведения спектрального анализа 20 г зёрен каждой фракции измельчались до состояния муки в одинаковых условиях. Получившаяся мука помещалась на алюминиевую подложку, на которой проводилась регистрация спектров. Спектры КР регистрировались с помощью спектрометра Senterra II (Bruker, США), оснащённого диодным лазером с длиной волны возбуждающего излучения λ = 785 нм и с выходной мощностью 100 мВт, ПЗС-матричным детектором, охлаждаемого элементами Пельтье и объективом Olympus с 20-кратным увеличением (NA = 0.4).

Для подавления рэлеевского рассеяния применялись краевые светофильтры. Спектры регистрировались при комнатной температуре врежиме рассеяния на 180° со спектральным разрешением 4 см-1. Время регистрации каждого спектра не превышало 3 мин.

Перед тем как перейти к обсуждению результатов, стоит отметить некоторые особенности процесса получения спектров КР. Во-первых, для каждого образца спектры регистрировались в 5 разных точках. Полученные спектры были схожи друг с другом, что позволяет сделать вывод о том, что образцы были пространственно однородными по составу. Во-вторых, в каждой точке регистрировалось несколько спектров подряд (от 10 до 20). Эти серии спектров также не отличались друг от друга, что говорит о том, что во время работы лазера образцы не деградировали.

Спектры, представленные в разделе «Результаты и обсуждение», являются суммой всех спектров, полученных для каждого образца во всех его точках. Во время математической обработки из зарегистрированных спектров вычитался фон флюоресценции, который был аппроксимирован полиномом второго порядка.

Результаты и обсуждение

Зарегистрированные спектры измельчённых зёрен пшеницы разной фракции представлены на Рисунке 1. Все спектры нормированы на пиковую интенсивность линии с максимумом около 480 см-1, которая относится к валентным колебаниям C–H связей. Видно, что с увеличением фракции зерна растёт интенсивность отдельных областей спектров. Наиболее заметные изменения наблюдаются для области колебаний фенильных колец (850 – 950 см-1), а также ароматических колец и C–C и C–N связей (1000-1150 см-1) [8-11].

Предположительно это может быть связано с двумя факторами. Во-первых, в более крупных зёрнах может содержаться бо́льшая концентрация различных свободных аминокислот и пептидов, нежели в зёрнах меньшего размера.

Во-вторых, необходимо учитывать состав образца. При измельчении зёрен в получившейся муке содержатся частицы как внутренней части зерна, так и оболочки. Объёмная доля частиц оболочки в зёрнах фракции >45 значительно меньше, чем в зёрнах фракции 32-33, поскольку площадь поверхности зерна с увеличением фракции растёт медленнее, чем его объём, а масса всех образцов одинакова. При этом твёрдая оболочка сама по себе не имеет выраженного спектра КР, при её анализе был обнаружен только фон флюоресценции.

Таким образом, спектры КР муки, полученной из зёрен малой фракции, содержат большую фоновую долю, а в случае крупной фракции спектр внутренней части зерна имеет намного бо́льшую интенсивность, чем фон. Стоит отметить, что внутренняя часть также даёт свой дополнительный фоновый вклад в общий спектр, но при этом её полезный сигнал (т.е. интенсивность линий КР по отношению к интенсивности фона) значительно выше.

Рисунок 1. Обработанные спектры КР образцов измельчённых зёрен пшеницы разных фракций

Помимо роста интенсивности отдельных областей в обработанных спектрах стоит отметить наблюдение, сделанное при анализе необработанных спектров КР. Было обнаружено, что фон флюоресценции, который присущ спектрам сложных органических соединений, также растёт с увеличением фракции зерна. Это связано с ростом фонового сигнала и от оболочки зёрен, и от их внутренней части, чей вклад при этом становится больше.

2. Необработанные спектры КР образцов измельчённых зёрен пшеницы разных

Рисунок фракций

Несмотря на то, что анализ фоновой компоненты — это сложный процесс, который связан с большим количеством сложностей, статистика, полученная в случае зёрен, исследованных в данной работе, даёт увидеть тенденцию, объединяющую фон флюоресценции и размер зерна. Это позволяет проводить более быстрый оценочный анализ фракционного состава зерновых продуктов, так как не требует последующей обработки спектральных данных.

Заключение

Проведённые исследования подтвердили возможность применения спектроскопии комбинационного рассеяния для анализа структурных особенностей зёрен пшеницы. Метод продемонстрировал высокую чувствительность к изменению фракционного состава зерна и позволил выявить корреляцию между размером зёрен и интенсивностью характерных спектральных линий, связанных с белковыми и углеводными компонентами. Повышение интенсивности спектров для крупных зёрен указывает на более высокое содержание органических соединений, что может использоваться при сортировке и оценке качества зерна.