Определение перспективности сортов мягкой пшеницы Казахстана методом микроскопирования

Имея сбалансированный белково-протеиназный и углеводно-амилазный состав, пшеница представляет собой основное сырье для производства продукта первой необходимости – хлеба, а также сухой клейковины, крахмала и его производных и т. д. При этом, если ежегодные объемы производства зерна пшеницы составляют 10–14 млн. тонн, то, например, в одной из основных зерносеющих областей Казахстана – Костанайской, за период с 2013 по 2015 годы

Вестник ВГУИТ/Proceedings of VSUET, Т. 79, № 3, 201 7 наблюдалось значительное снижение количества зерна пшеницы 3 класса: с 89,9% в 2013 году до 53,9% в 2015 году при увеличении количества зерна 4 – 5 классов: с 9,4% в 2013 году до 36,5% в 2014 и 41,2% в 2015 году. И такая тенденция наблюдалась во всех зерносеющих областях страны (8).

В то же время, для повышения качества производимого зерна селекционерами удалось включить в селекционные достижения около 40 казахстанских сортов мягкой пшеницы (3).

Предлагаемые к производству сорта мягкой пшеницы должны обеспечивать высокий ТП, что предопределяется биологическими особенностями зерна и его микроструктурой.

Проведенные ранее учеными исследования микроструктуры зерна позволили установить, что структурные элементы клеточных тканей анатомических частей зерна пшеницы, различная мозаика микроструктуры клеток, их связь представляют картину, предопределяющую качество и, в целом, перспективность сорта зерна в его целевом использовании (9,11).

Но все они недостаточно полно отражают особенности создаваемых сортов пшеницы во взаимосвязи с технологическим потенциалом.

В связи с этим определение перспективности сортов мягкой пшеницы, производимых в Казахстане, было проведено новейшими методами, с применением современного микроскопирования, и путем дальнейшего выявления взаимосвязи между строением зерна и ТП.

Материалы и методы

Объектом исследований были 7 наиболее распространенных сортов мягкой яровой и озимой пшеницы, производимых в разных регионах Казахстана: Северо-Казахстанской (СКО), Западно-Казахстанской (ЗКО) и ЮжноКазахстанской (ЮКО) областях.

Микроструктура зерна мягкой пшеницы определялась в Таразском государственном университете им. М.Х. Дулати в научно-исследовательской лаборатории инженерного профиля «Наноинженерные методы исследования» на аналитическом сканирующем электронном микроскопе JSM-7500 F (Япония). Получено более 70 снимков, позволяющих изучить строение плодовой оболочки, периферийной и центральной частей эндосперма зерна каждого сорта с увеличением от 500 до 2000 раз и определением размерных характеристик ячеистой поверхности и толщины эпидермиса, алейроновых зерен, стенок клеток эндосперма и других структур зерновки.

Показатели ТД определялись общепринятыми методами, описанными в нормативнометодических документах (ГОСТах (межгосударственных стандартах), СТ РК (стандартах Республики Казахстан).

Результаты и их обсуждение

Показатели качества рассматриваемых сортов яровой и озимой мягкой пшеницы позволили характеризовать их как ценные и сильные сорта (таблица 1) .

Таблица 1.

Показатели ТД и ТР зерна яровой и озимой мягкой пшеницы Казахстана

Table 1.

Indicators of TD and ТР of grain of spring and winter soft wheat of Kazakhstan

Сорт, регион Variety, region	Число падения, сек. Falling number, sec	Натура, г/л Hectolitre weight	Качество клейковины, ед. ИДК Quality of gluten, IDK units	Массовая доля крахмала, % Quantity of srarch, %	Выход муки, % Flour output, %	Массовая доля клейковины, % Quantity of gluten, %	ТП TP	Твердозер-ность, %/ Стекло-видность, % Hardness, %/ Vitreousness, %
Саратовская-29 (СКО) Saratov-29 (SKO)	321	710	65	53	70,2	26,5	1,73	75 / 80
Альбидум-31 (ЗКО) Albidum-31 (WKO)	275	765	60	51	74,5	35,3	2,0	80 / 90
Степная-50 (ЗКО) Steppe-50 (WKO)	267	783	60	51	75,0	34,2	1,94	76 / 91
Актобе-39 (ЗКО) Aktobe-39 (WKO)	248	796	55	52	74,5	40,5	2,01	78 / 92
Безостая 1 (ЮКО) Bezostaya 1 (SKO)	342	705	55	56	70,2	25,2	1,27	79 / 80
Жетысу 1 (ЮКО) Zhetysu 1 (YUKO)	212	700	45	60	70,2	23,8	0,79	81 / 74
Богарная 56 (ЮКО) Bogarnaya 56 (YUKO)	267	725	70	54	72,4	29,5	1,85	78 / 82

Из данных таблицы видно, что все сорта пшеницы имеют показатель ТП, соответствующий показателям качества зерна пшеницы 3-его класса по стандарту РК на пшеницу (5), из показателей ТД высокое содержание клейковины было характерно для пшеницы сортов Альбидум-31,

Степная-50 и Актобе-39 при меньшем содержании крахмала.

Так как при целевом использовании зерна пшеницы для производства муки на сегодняшний день в Казахстане руководствуются «Правилами организации и ведения технологического процесса на мукомольных заводах» по показателю стекло-видности (4), было проведено определение данного показателя в зерне. Все исследованные сорта пшеницы имели высокую стекловидность (от 74% до 92%). Однако, стекловидность является неустойчивым признаком и зависит от особенностей зерна, условий его послеуборочной обработки, снижается при увлажнении и последующем высушивании (10). Особым же показателем структурно-механических свойств зерна, связанным со структурой и прочностью эндосперма, является показатель твердозер-ность, комплексно отражающий особенности микроструктуры эндосперма (6). По показателю твердозерности все изученные сорта пшеницы можно отнести к твердозерным.

Рисунок 1. Сорт Саратовская 29 – плодовая оболочка

Figure 1. Variety Saratovskaya 29 – pericarp

Проведенный анализ микроструктуры зерна изученных сортов мягкой пшеницы по его анатомическим частям во взаимосвязи с показателями ТД и ТП позволил установить следующее.

На снимках (рисунки 1–7) представлена плодовая оболочка зерна исследованных сортов мягкой пшеницы с четкой волнистой поверхностью, с наличием углублений и ребристостью для всех изученных сортов. Установ- ленные на электронном микроскопе размеры углублений и ширина между ребрами волн позволили установить, что у сортов пшеницы Саратовская-29, Богарная-56, Жетысу 1, Безостая 1 они выше, чем у сортов Степная-50, Актобе-39, Альбидум-31.

Рисунок 5. Сорт Безостая 1 – плодовая оболочка

Figure 5. Variety Bezostaya 1 – pericarp

Рисунок 2. Сорт Альбидум – плодовая оболочка

Figure 2. Variety Albidum – pericarp

Рисунок 6. Сорт Жетысу 1 – плодовая оболочка

Figure 6. Variety Zhetysu 1 – pericarp

Рисунок 3. Сорт Степная-50 – плодовая оболочка

Figure 3. Variety Steppe – 50 – pericarp

Рисунок 7. Сорт Богарная 56 – плодовая оболочка Figure 7. Variety Bogaturnaya 56 – pericarp.

Рисунок 4. Сорт Актюбе-39 – плодовая оболочка

Figure 4. Variety Aktobe – 39 – pericarp

Анализ литературы показал, что углубления волн на поверхности плодовой оболочки увеличивают удельную поверхность зерна и способствуют лучшему захвату воды при обработке зерна с ускорением процесса набухания (11).

Данные показывают, что толщина плодовых оболочек и алейронового слоя у изученных сортов различная и составляет от 7,5 до 22,5 мкм. Наименьшей суммарной толщиной алейронового

слоя и оболочек характеризуются сорта с большей стекловидной консистенцией (Атобе-39, Альби-дум-31, Степная-50). Согласно исследованиям многих ученых, пшеница с менее развитыми оболочками и алейроновым слоем отличается высокими мукомольными свойствами (1,2).

Клетки алейронового слоя (рисунки 8 –14) в поперечном сечении имеют практически во всех изученных сортах зерна пшеницы почти правильную прямоугольно-зубовидную форму

Рисунок 8. Сорт Саратовская 29 – алейроновый слой

Figure 8. Variety Saratovskaya 29 – аlеurоnе layer

Рисунок 12. Сорт Безостая 1 – алейроновый слой

Figure 12. Variety Bezostaya 1 – аlеurоnе layer

Рисунок 9. Сорт Альбидум 31 – алейроновый слой Figure 9. Variety Albidum – аlеurоnе layer.

Рисунок 13. Сорт Жетысу 1 – алейроновый слой

Figure 13. Variety Zhetysu 1 – аlеurоnе layer

Рисунок 10. Сорт Степная 50 – алейроновый слой. 1 – плодовая оболочка; 2 – семенная оболочка; 3 – открытая клетка алейронового слоя; 4 – зернистое содержимое (алейроновые зерна); 5 – стенка клетки эндосперма; 6 - пустая клетка алейронового слоя.

Figure 10. Variety Steppe – 50 – аlеurоnе layer. 1 – pericarp; 2 – the seminal membrane; 3 – open cell of the aleuron layer; 4 – granular contents (aleurone grains); 5 – endosperm cell wall;

• 6 – the empty cell of the aleuron layer.

Рисунок 11. Сорт Актобе 39 – алейроновый слой Figure 11. Variety Aktobe – 39 – аlеurоnе layer.

Рисунок 14. Сорт Богарная 56 – алейроновый слой

Figure 14. Variety Bogaturnaya 56 – аlеurоnе layer

На отдельных участках они закрыты клеточными стенками или заполнены зернистыми белковыми образованиями, а на других – открытые (пустые) с выкрошенными белковыми частицами при получении среза зерна. При сортовых помолах пшеницы внутреннюю часть эндосперма стараются отделить от алейронового слоя, на что влияет конфигурация клеток алейронового слоя. Установлено, что при одинаковых размерах и форме этих клеток зерно хорошо вымалывается. У сортов Степная-50, Актобе-39, Альбидум-31 толщина клеток колебалась незначительно и была в пределах от 16 до 18 мкм, тогда, как у сортов Саратовская-29, Богарная-56, Жетысу 1, Безостая 1 колебалась в больших пределах: 20–32 мкм. По нашим исследованиям, ровная граница между клетками алейронового и субалейронового слоев у пшеницы сортов Степная-50, Актобе-39, Альбидум-31 с вышеопределенными данными позволила получить выход муки 74,5–75,0%, в то время, как значительное различие в форме и размерах клеток алейронового слоя, внедрение отдельных клеток этого слоя в субалейроновый слой, характерное для пшеницы сортов Саратовская-29,

Рисунок 15. Сорт Саратовская 29 – эндосперм. 1 – зерно крахмала крупных размеров, 2 – зерно крахмала средних размеров, 3 – зерно крахмала мелких размеров, 4 – белковая матрица, 5 – пустоты в белковой матрице, 6 – углубления в белковой матрице от выпавших зерен крахмала

Figure 15. Variety Saratovskaya 29. 1 – large-sized starch grain, 2 – medium-sized starch granule, 3 – small-sized starch grain, 4 – protein matrix, 5 – voids in the protein matrix, 6 – grooves in the protein matrix from the fallen starch grains

Рисунок 16. Сорт Альбидум-31 – эндосперм

Figure 16. Variety Albidum – 31 – endosperm

Богарная-56, Жетысу1, Безостая 1, показала более низкий выход муки: 70,2–72,4%.

Особенно важное технологическое значение при определении перспективности сортов пшеницы имеет микроструктура такой анатомической части зерна, как эндосперм. На рисунках 15 –21 приведены микрофотографии центральной части эндосперма зерна

Рисунок 17. Сорт Степная 50 – эндосперм

Figure 17. Variety Steppe 50 – еndоsреrm

Рисунок 20. Сорт Жетысу 1 – эндосперм

Figure 20. Variety Zhetysu 1 – endosperm

Рисунок 18. Сорт Актобе 39 – эндосперм. 1 – зерно крахмала крупных размеров; 2 – зерно крахмала средних размеров; 3 – зерно крахмала мелких размеров; 4 – белковая матрица; 5 – пустоты в белковой матрице; 6 – углубления в белковой матрице от выпавших зерен крахмала

Figure 18. Variety Aktobe – 39 – endosperm. 1 – largesized starch grain, 2 – medium-sized starch granule, 3 – small-sized starch grain, 4 – protein matrix, 5 – voids in the protein matrix, 6 – grooves in the protein matrix from the fallen starch grains

Рисунок 19. Сорт Безостая 1 – эндосперм

Figure 19. Variety Bezostaya 1 – endosperm

Рисунок 21. Сорт Богарная 56 – эндосперм

Figure 21. Variety Bogatnaya 56 – endosperm

Внутренность клеток заполнена крахмальными гранулами и белковыми прослойками. У пшеницы белковые прослойки хорошо развиты, особенно для сортов Степная-50, Актобе-39, Альбидум-31, что повлияло на высокий ТП.

Полученные результаты исследований позволили оценить в количественной форме особенности микроструктуры эндосперма пшеницы и увязать их с показателями ТП и ТД зерна.

Показатель ТП, комплексно оценивающий изученные показатели ТД (7), у сортов Степная-50, Актобе-39, Альбидум-31, находился на уровне 1,94 - 2,01, что соответствует значениям показателей ТД в пределах нормированных значений.

Гранулы крахмала можно разделить на три фракции: мелкая диаметром до 9 мкм, средняя от 9 до 18 мкм, крупная свыше 18 мкм.