Результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности применения уф облучения, СВЧ обработки и искусственного освещения при проращивании зерна пшеницы и ячменя на витаминный корм

Введение. В условиях промышленного содержания животных одним из условий получения высоких показателей продуктивности является сбалансированное кормление. На современных комплексах свиней содержат безвыгульно и выдают им только комбикорма, поэтому потребность животных в естественных белках, витаминах возрастает [1]. Недостаток в этих веществах у свиней ведёт к снижению темпов роста, также могут наблюдаться отклонения в развитии. У животных репродуктивного возраста снижается качество воспроизводства.

Эффективное современное свиноводство связано с использованием высокопродуктивных животных и обеспечением их полноценными кормами, содержащими необходимые вещества и особенно витамины.

Как показывает практика, одним из простых, доступных и недорогих способов повышения витаминной полноценности рационов животных может быть использование пророщенного зерна ячменя. Проращивание зерна ячменя до длины ростков полтора–два сантиметра способствует увеличению количества витаминов. Это благотворно влияет на физическое состояние организма животного, животные более полно поедают корма.

Обзор технологий и оборудования для проращивания зерна. Согласно принятым технологиям, перед проращиванием зерна на витаминный корм не- обходимо провести его обеззараживание с целью удаления микрофлоры, которая приводит к его загниванию и порче во время проращивания. Обеззараживание зерна может быть выполнено различными способами: химический (в 0,05% растворе перманганата калия), физический (УФ-облучение), СВЧ-обработка [2]. Последний вид обработки позволяет наряду с обеззараживанием проводить стимуляцию зерна, что увеличивает дружность проращивания и повышает энергию роста зерна.

Пророщенное зерно используется в качестве витаминной кормовой добавки к кормовым смесям, что может быть реализовано либо на основе единой технологической линии, либо с использованием отдельных машин и оборудования. Предложенная в работах [3, 4] технологическая линия состоит из последовательно соединенного между собой различного оборудования: бункеров, загрузочного шнека, конвейера для проращивания зерна, конвейерной сушилки, воздуховодов, вентиляторов, наклонного трубопровода, дробилки, шнекового дозатора, бункера-накопителя, спирального транспортера, тросово-шайбового конвейера, электродвигателя с редуктором, окон, смесителя-раздатчика, кормушки.

Кроме предпосевной обработки семян на эффективность развития ростков влияют различные факторы, одним из которых является освещённость ростков при проращивании.

Известно, что свет играет большую роль в жизни растений [2]. При помощи света и зеленого вещества листа растения (хлорофилла) происходит процесс фотосинтеза – накопления углеводов из углекислоты воздуха в виде зеленой массы растений и плодов. В зимний период, когда солнце не дает достаточного по интенсивности и продолжительности освещения, в остекленных теплицах и оранжереях естественное освещение можно заменить искусственным.

Искусственное освещение может быть реализовано двумя способами: дополнять естественное освещение (досвечивание) или устанавливать, как единственный источник света. С точки зрения экономии затрат наиболее предпочтителен первый способ (досве-чивание) [2].

На сегодняшний день в научной литературе нет однозначного подхода относительно выбора интенсивности и длительности освещения при выращивании растений в условиях светокультуры. Выбор режимов освещения зависит как от вида растений, целей их выращивания, так и от ряда других факторов, среди которых большую роль играют оптические свойства растений [2].

Ниже приведены результаты экспериментальных исследований по оценке влияния различных видов воздействия на эффективность проращивания зерна, как при предпосевной обработке, так и в процессе проращивания зерна.

Результаты исследований. Экспериментальные исследования проводились с целью оценки влияния различных видов воздействия на эффективность проращивания зерна как при предпосевной об- работке, так и в процессе проращивания зерна. В качестве объекта исследований были использованы семена пшеницы и ячменя.

Комплекс проводимых исследований включал два этапа: исследование различных видов предпосевной обработки (обеззараживания) и оценку эффективности различных типов источников искусственного освещения при проращивании зерна.

Оценку эффективности различных видов предпосевной обработки и различных типов источников искусственного освещения при проращивании зерна проводили на основе определения длины ростков зерна.

Обобщённая методика проведения экспериментов состояла в проведении ряда опытов.

Опыт 1 (контрольный)

• 1.    Проращивание зерна с применением орошения или замачивания зерна и освещения. Время проращивания пять суток.

• 2.    Ежедневное измерение длины ростков в течение пяти суток.

В первом опыте проводили проращивание зерна без предварительной подготовки, предварительно трое суток влажное зерно выдерживали без света. Затем в течение пяти суток периодически орошали зерно и одновременно освещали. Для освещения использовали светодиодную лампу мощностью 4 Вт, освещенность составляла, 730–750 лк, время освещения в течение суток составляло 14 часов.

Опыт 2

• 1.    Обработка зерна в 0,05% перманганате калия.

• 2.    Проращивание зерна с применением орошения или замачивания зерна и освещения. Время проращивания – пять суток.

• 3.    Ежедневное измерение длины ростков в течение пяти суток.

Во втором опыте зерно замачивали в 0,05% перманганате калия в течение 12 часов, затем трое суток влажное зерно выдерживали без света. Затем периодически орошали и освещали зерно в течение пяти суток. Для освещения использовали светодиодную лампу мощностью 4 Вт, освещенность составляла 730–750 лк, время освещения в течение суток составляло 14 часов.

Опыт 3

• 1.    Обработка зерна с использованием УФ-облучения – 10 минут.

• 2.    Проращивание зерна с применением орошения или замачивания зерна и освещения. Время проращивания – пять суток.

• 3.    Ежедневное измерение длины ростков в течение пяти суток.

При проведении третьего опыта обработку зерна выполняли ультрафиолетовым облучением спектр «С» в течение 15 минут. Затем трое суток влажное зерно выдерживали без света. Проращивали зерно путём проведения периодического орошения и одновременного освещения зерна в течение 14 часов. Время прорастания зерна – пять суток.

Опыт 4

• 1.    Обработка зерна СВЧ-облучением.

• 2.    Проращивание зерна с применением орошения или замачивания зерна и освещения. Время проращивания – пять суток.

• 3.    Ежедневное измерение длины ростков в течение пяти суток.

При проведении четвёртого опыта проводили предварительную СВЧ-обработку зерна, время предварительной обработки составляло от 40 до 60 сек при удельной мощности от 0,83 до 1,7 кВт/кг [9, 10, 11]. В качестве источника электромагнитных излучений использовали магнетрон непрерывного генерирования с частотой 2450 ± 50 МГц. Длина волны λ = 12 см. Об- работка проводилась по методике двухфакторного эксперимента. Изменение удельной мощности получали путём установки под облучатель балласта разной массы.

Во всех опытах влажное зерно в течение трех суток выдерживали без света. Затем проращивали зерно путём проведения периодического замачивания обработанного зерна и одновременного освещения зерна в течение 14 часов. Общее время проращивания зерна во всех четырёх опытах составляло 120 часов.

В качестве критерия оптимизации принимали длину ростков зерна после пяти суток проращивания.

Результаты обработки по опытам № 1, № 2, № 3 приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты обработки по опытам № 1, № 2, № 3

Наименование параметра	№ опыта
	1	2	3
Длина ростков, мм, после ста двадцати часов проращивания	7–9	10–12	12–15

Результаты обработки по опыту 4 приведены в таблицах 2, 3.

На основе результатов двухфакторного эксперимента по опыту 4 с применением предпосевной СВЧ-обработки (таблицы 2, 3) с помощью программы «Microsoft Excel» были определены численные значе- ния коэффициентов уравнения регрессии по влиянию воздействующих факторов на длину ростков зерна lРОСТ после пяти суток проращивания.

Таблица 2 – План проведения эксперимента с семенами пшеницы

№	о s Е 05 3" О	05 1— 05 І е ю о §	ze CD с о Е о	8 ZT со о CD	CL _S 8 о S ° 5 8	І О О S о о	S < 05 О	05 5   " СГ О О О о S	CD g.® 6.0 о ° о	CD О о
1	625	585	40	40 (-)	22,5	48	25,5	0,83	0,64	18
2	417	377	40	40 (-)	22,5	49	26,5	1,17	0,66	9
3	625	585	40	60 (+)	22,5	55	32,5	0,83	0,54	7
4	417	377	40	60 (-)	22,5	58	35,5	1,17	0,59	8
5	500	460	40	50 (0)	22,5	49	26,5	1	0,53	8

Полученное на основе данных таблицы 2 уравнение регрессии влияния параметров СВЧ-воздейст- lРОСТ 1= - 108,62 + 1,87tС+159,19 РУД-0,005tС21,323tС РУД -51,9 РУД2.

Коэффициент корреляции для данного уравнения регрессии составляет R=75,64%.

Коэффициенты уравнения являются значимыми, адекватность модели удовлетворяет критерию Фишера.

Анализ уравнения регрессии (1) показывает, что наибольшая длина ростков пророщенного зерна пше- вия на рост семян пшеницы в натуральных значениях факторов имеет вид:

ницы в области исследуемых факторов составляет 15–18 мм и достигается при t С -экспозиции 55–58 сек., Р УД = 1,1–1,12 кВт/кг.

Полученное на основе данных таблицы 3 уравнение регрессии влияния параметров СВЧ-воздействия на рост семян ячменя в натуральных значениях факторов имеет вид:

l РОСТ 2 = 176,18 – 2,304 t С – 200,63 Р УД + 0,0067t С ² + 1,47t С Р УД + 57,67 Р УД ².

Таблица 3 – План проведения эксперимента с семенами ячменя

№	Е го" 05 S 05 3" О	ГО 1— 05 § Е ю го §	о Е го §	8 о CD	8 о S ° 5 8	S' S в о О S о о	S < 05 О	5 ё ^	го" g.® 6.0 о ° о	s £ £ 0)
1	625	585	40	40 (-)	22,5	43	25,5	0,83	0,51	12
2	417	377	40	40 (-)	22,5	45	22,5	1,17	0,56	9
3	625	585	40	60 (+)	22,5	47	32,5	0,83	0,41	8
4	417	377	40	60 (-)	22,5	55	32,5	1,17	0,54	8
5	500	460	40	50 (0)	22,5	49	26,5	1	0,53	16

Коэффициент корреляции для данного уравнения регрессии составляет R=87,79%.

Коэффициенты уравнения являются значимыми, адекватность модели удовлетворяет критерию Фишера.

Анализ уравнения регрессии (2) показал, что наибольшая длина ростков пророщенного зерна ячменя в области исследуемых факторов составляет 12– 16 мм и достигается при t С -экспозиции 48–50 сек., Р УД = 0,96–1,04 кВт/кг.

Далее была проведена оценка влияния конечной температуры и скорости предпосевного СВЧ-нагрева на развитие ростков пшеницы и ячменя.

l РОСТ 1 = 242,94 – 12,57t З + 228,77 Θ + 0,113t З ² + 0,526t С Θ – 111,11Θ².

Коэффициент корреляции для данного уравнения регрессии составляет R=90,37%.

Коэффициенты уравнения являются значимыми, адекватность модели удовлетворяет критерию Фишера.

Анализ уравнения регрессии (3) показал, что наибольшая длина ростков зерна пшеницы в области lРОСТ2 = -1021,89 + 12,34tЗ + 2822,22Θ – 0,14tЗ2 + 2,38tСΘ – 2777,78Θ.

Коэффициент корреляции для данного уравнения регрессии составляет R=98,61%.

Коэффициенты уравнения являются значимыми, адекватность модели удовлетворяет критерию Фишера.

Анализ уравнения регрессии (4) показал, что наибольшая длина ростков зерна ячменя в области исследуемых факторов составляет 12–16 мм и достигается при Θ =0,52–0,53 ºС/сек; t С = 47–48 ºС.

Для наглядности оценки влияния различных способов предпосевной обработки семян на развитие ростков ниже приведены фото длины ростков зерна в одно и то же время после начала экспериментов.

На рисунке 1 представлены контрольные образцы зерна без обработки. На рисунке 2 представлена обработка зерна в 0,05% растворе перманганата калия.

Из рисунка 1 видно, что в контрольном образце (без предварительной обработки) длина ростков зерна составила около 1,5 см. Наименьшая длина ростков

На основе результатов двухфакторного эксперимента по опыту 4 с применением предпосевной СВЧ-обработки (таблицы 2, 3) с помощью программы Microsoft Excel были определены численные значения коэффициентов уравнения регрессии по влиянию воздействующих факторов конечной температуры нагрева зерна, t З ºС, и скорости нагрева зерна Θ, ºС/сек.

Полученное на основе данных таблицы 2 уравнение регрессии влияния факторов СВЧ-нагрева на рост семян пшеницы в натуральных значениях факторов имеет вид:

(3) исследуемых факторов составляет 15–18 мм и достигается при Θ = 0,63–0,64 ºС/сек; t С = 47–48 ºС.

Полученное на основе данных таблицы 3 уравнение регрессии влияния факторов СВЧ-нагрева на рост семян ячменя в натуральных значениях факторов имеет вид:

около 1 см была зарегистрирована после обработки в 0,05% растворе перманганата калия и УФ-обработки.

На рисунке 3 представлено пророщенное зерно после его обработки УФ-облучением.

Наибольшая длина ростков пшеницы (1,5–2 см) была получена в эксперименте № 1 (таблица 2). На рисунке 4 представлено пророщенное зерно после его обработки СВЧ-облучением в эксперименте № 1.

Наибольшая длина ростков ячменя (до 2 см) отмечена также при стимуляции роста с помощью СВЧ-излучения. При этом удельная мощность СВЧ-воздействия составила 0,83 кВт/кг. В процессе СВЧ-обработки температура зерна возросла на 25,5 ºС и составила 48 ºС. На рисунках 5–7 показана длина ростков зерна через сто двадцать часов после начала экспериментов.

На рисунке 5 представлены контрольные образцы зерна ячменя без обработки.

На рисунке 6 представлено пророщенное зерно ячменя после обработки в 0,05% растворе перманганата калия.

Рисунок 1 – Зерно пшеницы без обработки (контрольный образец)

Рисунок 2 – Зерно пшеницы после обработки в 0,05% растворе перманганата калия

Рисунок 3 – Пророщенное зерно пшеницы после его обработки УФ-облучением

Рисунок 4 – Пророщенное зерно пшеницы после его обработки СВЧ-облучением

Рисунок 5 – Зерно ячменя без обработки (контрольный образец)

Рисунок 6 – Зерно ячменя после обработки в 0,05% растворе перманганата калия

В контрольном образце (без предварительной обработки) длина ростков была самая наименьшая и составила около 1 см. После обработки в 0,05% растворе перманганата калия длина ростков составляла около 1,5 см.

На рисунке 7 представлено пророщенное зерно ячменя после его обработки УФ-облучением. Длина ростков составляет 1,5–2 см.

Наибольшая длина ростков ячменя (1,5–2) см после СВЧ-обработки была получена в эксперименте № 5 (таблица 2). На рисунке 8 представлено пророщенное зерно после его обработки СВЧ-облучением в эксперименте № 5.

Рисунок 7 – Пророщенное зерно после его обработки УФ-облучением

Рисунок 8 – Пророщенное зерно после его обработки СВЧ-облучением

Ниже приведены результаты экспериментальных исследований по влиянию на прорастание зерна ячменя и пшеницы различных типов ламп искусственного освещения [8, 12].

В качестве критерия оптимизации был принят один показатель длина ростков зерна за пять дней у П . Воздействующие факторы варьировали на трех уровнях (таблица 4).

Температура воздуха при проращивании составляла 21–22 ºС. Зерно предварительно обеззараживали в 0,05% растворе перманганата калия в течение 12 часов, после этого замачивали в воде, затем помещали в ёмкость и включали источник искусственного освещения.

Таблица 4 – Уровни варьирования факторов

Наименование фактора	Уровни кодированных и фактических значений воздействующих факторов
	Нижнее значение -1	Нулевое значение 0	Верхнее значение +1
Х 1 (Освещенность, Е min , лк)	500	900	1300
Х 2 (Время освещения в течение суток, ч)	6	11	16

При проращивании зерно помещалось в закрытую емкость, чтобы исключить проникновение солнечного света. В верхней части закрытой ёмкости поочередно размещали лампы: накаливания, люминесцентную, светодиодную. Лампу подключали к сети с возможностью изменения интенсивности освещения. Для измерения освещённости в нижней части закрытой ёмкости устанавливали датчик люксметра. Ёмкость с зерном располагали на дне закрытой ёмкости. В процессе появления ростка из зерна происходит выделение теплоты. Также в процессе освещения зерна внут- ри ёмкости происходит нагрев зерна. Для отведения избыточного тепла изнутри ёмкости в её боковой стенке устанавливали вентилятор, а с противоположной стороны от вентилятора устанавливали жалюзи. С целью исключения проникновения солнечного света жалюзи направляли вниз. В процессе проращивания зерно освещали лампами с различной интенсивностью. Каждые 4 часа зерно орошали водой. Общее время прорастания зерна установили пять суток. Обработанные результаты эксперимента представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Длина ростков зерна при искусственном освещении

Показатели	Виды ламп
	Лампа накаливания	Люминесцентная	Светодиодная
Критерий оптимизации у п – длина ростков зерна, измеренная через пять дней	1,2–1,8	1,2–1,5	3,5–4
Влияющие факторы
Освещенность, лк	635	950	750 лк
Коэффициент пульсации светового потока, %	18,5	9,5	0,5
Время освещения в течение суток, ч	12	12	12

Опыты по определению максимальной длины ростков пророщенного зерна проводили на зернах ячменя и пшеницы.

Для сравнения эффективности различных типов ламп проведено сравнение удельных показателей световой и потребляемой мощности на 1 мм длины ростков (таблица 6).

Таблица 6 – Удельные показатели работы ламп

№	Тип лампы	Удельный рост, мм/сут	Лм×сут/мм	Вт×сут/мм
1	Лампа накаливания	0,26	1500,00	133,33
2	Люминесцентная лампа	0,3	4076,92	69,23
3	Светодиодная лампа	0,74	1216,22	13,51

С позиций эффективности световой энергии от различных источников света наилучшими являются светодиодные лампы (1216,22 Лм·сут/мм), далее следуют лампы накаливания (1500,00 Лм·сут/мм) и менее эффективными являются люминесцентные лампы (4076,92 Лм·сут/мм). Однако с экономических позиций – потребленной электроэнергии – лучшие показатели у светодиодных ламп (13,51 Лм·Вт·сут/мм), среднее электропотребление у люминесцентных ламп (69,23 Лм·Вт·сут/мм) и максимальное электропотребление у ламп накаливания (133,33 Лм·Вт·сут/мм).

Выводы. Оценка различных способов предпосевной обработки перед проращиванием показала, что наибольшая длина ростков до 2 см наблюдается у зерна после СВЧ-обработки, удельная мощность СВЧ-излучения при этом составляла 0,83 кВт/кг.

• 1.    В результате обработки данных двухфакторного эксперимента по СВЧ-обработке зерна установлено, что наибольшая длина ростков пророщенного зерна пшеницы в области исследуемых факторов составляет 15–18 мм и достигается при t С -экспозиции 55–58 сек, Р УД = 1,1–1,12 кВт/кг; наибольшая длина ростков пророщенного зерна ячменя в области исследуемых факторов составляет 12–16 мм и достигается при t С -экспозиции 48–50 сек, Р УД = 0,96–1,04 кВт/кг; наибольшая скорость нагрева зерна пшеницы в области исследуемых факторов, составляет Θ =0,65– 0,66 ºС/сек и достигается при Р УД = 1,17 кВт/кг, наибольшая скорость нагрева зерна ячменя в области исследуемых факторов составляет Θ =0,55–0,56 ºС/сек и достигается при Р УД = 1,17 кВт/кг.

• 2.    При оценке влияния различных источников искусственного освещения установлено, что по истечении пяти суток проращивания зерна при освещении люминесцентной лампой длина ростков зерна составила 1,2–1,5 см, а при освещении зерна лампой накаливания длина ростков зерна составила 1,2–1,8 см. Полученные данные свидетельствуют об их одинако-

• вой эффективности. В то же время потребляемая мощность лампы накаливания составляла 40 Вт, а люминесцентной 18 Вт. Поэтому с точки зрения энергозатрат предпочтительнее использовать люминесцентные лампы. Наибольшая длина ростков у зерна 3,5–4 см была отмечена при освещении светодиодной лампой.

• 3.    Сравнение удельных показателей дает основание полагать, что с позиций эффективности световой энергии наилучшими являются светодиодные лампы (1216,22 Лм·сут/мм), затем лампы накаливания (1500,00 Лм·сут/мм) и менее эффективными являются люминесцентные лампы (4076,92 Лм·сут/мм). Однако с экономических позиций – потребленной электроэнергии – лучшие показатели у светодиодных ламп (13,51 Лм·Вт·сут/мм), среднее электропотребление у люминесцентных ламп (69,23 Лм·Вт·сут/мм) и максимальное электропотребление у ламп накаливания (133,33 Лм·Вт·сут/мм).