Страница:
1.2. Морфологические и анатомические особенности строения зерновок различных культур
У хлебных злаков зерновка – плод с тонкими кожистыми околоплодниками, сросшимися с семенными оболочками, которые, в свою очередь, срастаются с зародышем и эндоспермом семени. Зерновка может быть заключена в цветковые чешуи (пленки), и в таких случаях ее называют пленчатой.
Зерновка злаков состоит из оболочек, эндосперма и зародыша. Определенный интерес в хранении представляют оболочки зерновок, которые защищают эндосперм и зародыш от механических повреждений, высыхания, проникновения влаги и микроорганизмов, вызывающих порчу зерна. Они содержат практически неусвояемые для организма человека вещества, причем в плодовой оболочке содержится больше клетчатки и гемицеллюлоз, в семенной оболочке – пентазанов. Под семенной оболочкой зерновки пшеницы находится алейроновый слой, составляющий 9 % массы зерновки. Он состоит из толстостенных клеток, содержащих белки, липиды, биологически активные вещества (витамины, ферменты). Алейроновый слой также выполняет защитную роль по отношению к эндосперму. Доля эндосперма, состоящего из крупных клеток разной формы, наполненных крахмальными зернами и белками, без алейронового слоя составляет 80 %. Именно ради эндосперма, с концентрированными в нем запасными веществами, выращивают и хранят зерновки злаков до переработки в продукты питания. Сохранение питательных веществ эндосперма, без излишних потерь сухих веществ на дыхание и тем более изменения биохимического состава, повреждения микрофлорой и т. д., и входит в основную задачу хранения.
В жизнедеятельности зерновки активную роль играет зародыш. Он занимает у пшеницы в среднем 2 % массы зерновки (рис. 5).
Рис. 5. Соотношение анатомических частей зерна пшеницы
Масса зародыша находится в прямой коррелятивной зависимости от массы зерновки. Например, у кукурузы при массе зерна 200 мг зародыш имел массу 20 мг, а у зерна массой 495 мг он имел массу уже 59 мг. Зародыш состоит из 2 частей, выполняющих различные функции: щитка зародыша – органа накопления питательных веществ и второй части зародыша – зародышевой оси, состоящей из зачатков, корешка и ростка. Зародыш содержит белки, липиды с высокой степенью ненасыщенности, сахара и биологически активные вещества. Щиток зародыша, как и зародыш, характеризуется повышенным содержанием питательных веществ, прежде всего жира. В нем синтезируются ферменты (каталаза, амилаза, липаза, протеиназа), физиологически активные вещества (гетероуксин и др.), а также витамины (В1, В2, В6, РР, Е, Н и др.).
Зародыш при высоком уровне развития и достаточно высокой физиологической активности за счет наличия физиологически активных веществ, однако, несет в себе и вещества, подавляющую эту активность, – ингибиторы. Таким ингибитором, например, является триптофан, обнаруженный в щитке зародыша кукурузы.
Отличительные особенности зародыша зерновки – низкая механическая прочность, особенно у зерна твердой пшеницы, что должно учитываться при перемещении и очистке зерновых масс; высокая интенсивность физиологических процессов; легкость окисления находящихся в нем жиров и, как следствие, неустойчивость в хранении. С этими особенностями приходится считаться при очистке, сушке и хранении семян зерновых культур.
Рассмотрим строения зерновок различных зерновых культур, обратив внимание на строение оболочек.
Пшеница имеет плод зерновку, состоящую из трех основных частей: зародыша, эндосперма и двух оболочек – плодовой и семенной (рис. 6). Плодовая оболочка (перикарпий) образуется из стенок завязи. Состоит из продольного слоя (эпикарпия), имеет несколько рядов удлиненных клеток, расположенных вдоль зерна, верхний ряд которого называется эпидермисом; поперечного слоя (мезокарпия), состоящего из тонкостенных удлиненных клеток, лежащих поперек зерна; трубчатого слоя (эндокарпия), состоящего из удлиненных трубчатых клеток, расположенных вдоль зерна (рис. 7).
Рис. 6. Продольный разрез зерновки пшеницы: а – хохолок (бородка); б, в, г – плодовая и семенная оболочки; д – алейроновый слой; е – эндосперм; ж – щиток; и – почечка; к – зародыш; л – зачаточный корешок
Рис. 7. Строение зерновки пшеницы: 1–5 – покровы семени: эпикарпий, мезокарпий, эндокарпий, пигментный слой, гиалиновый слой; 6 – элейроновый слой; 7 – мучнистое ядро эндосперма; 8 – щиток; 9 – зачаточная почка; 10 – корешок
Семенная оболочка (перисперм) образуется из оболочек семяпочки и состоит из трех слоев. Первый и второй слои плотно срастаются и образованы удлиненными клетками с тонкими стенками. Первый слой прозрачный, содержит пигменты и поэтому называется пигментным. Третий слой называется набухающим, или гиалиновым.
К семенной оболочке прилегает алейроновый слой, состоящий из одного слоя клеток с сильно утолщенными стенками. Алейроновый слой содержит алейроновые зерна – особые белковые образования, представленные у некоторых видов и сортов пшеницы в виде кристаллов с вкрапленными между ними мельчайшими капельками жира. Толщина плодовой и семенной оболочек составляет 0,03-0,07 мм. Толщина алейронового слоя, состоящего всего из одного ряда клеток, приближается к толщине оболочек – 0,03-0,06 мм.
Так как оболочки зерновки образованы из плотных одревесневших клеточных стенок, то они надежно защищают зародыш и эндосперм от внешних механических и химических воздействий.
В структурном составе зерновки пшеницы плодовая и семенная оболочки занимают 4,5–6,5 %, алейроновый слой 6,5–9,5 %, зародыш 1,5–3,0 % и эндосперм 83,0-85,0 %.
Исследования толщины оболочек зерновок мягкой и твердой пшеницы, проведенные Гальтером еще в 1877 г., показали, что у твердой она тоньше (0,0467 мм), у мягкой толще (0,0550 мм).
В процессе обмолота валков в поле и при послеуборочной обработке на зерноочистительных машинах оболочки зерновки пшеницы и сам эндосперм получают различные механические повреждения, нередко с нарушением целостности зерна. Как правило, механические повреждения представляют собой:
трещины или срывы оболочек – на спинке в области зародыша или бороздки, на зародыше со стороны бороздки;
повреждение эндосперма – расколот или оторвана его часть;
повреждение зародыша.
Такие повреждения оболочек или всей зерновки негативно сказываются на семенных свойствах, увеличивают интенсивность дыхания семян, влияют на сохранность и служат очагами развития микроорганизмов в процессе хранения.
Зерновка ржи по внешнему виду и строению несколько сходна с зерновкой пшеницы. Но у ржи зерновка более удлиненной формы, чем у пшеницы, и если у пшеницы отношение длины к ширине составляет 2: 1, то у ржи 3,0 – 3,5: 1. В зависимости от сорта и условий произрастания зерно ржи по линейным размерам сильно варьирует. С учетом формы и размеров различают зерна: узкие длинные; узкие короткие; широкие длинные; широкие короткие (рис. 8). По длине зерновки можно выделить следующие категории: длинное зерно – от 8 мм и выше, среднее – 7,0–7,9 мм, короткое – меньше 7,0 мм.
Рис. 8. Форма зерна ржи: а – широкое длинное; б – узкое длинное; в – широкое короткое; г – узкое короткое
Соотношение анатомических частей зерна ржи также сильно варьируется и в среднем составляет: эндосперм – 73–77 %, зародыш – 3,5–3,7 %, алейроновый слой – 11–12 %, семенные оболочки – 1,9–6,0 %, плодовые – 5–7 % массы всего зерна.
Цвет зерновки вызван сочетанием зелено-синей окраски алейронового слоя с коричневой окраской семенных оболочек и соломенно-желтой – плодовой. По цвету рожь можно разбить на пять групп: зеленая, желтая, коричневая, красная, фиолетовая. Цвет зерна и его размеры находятся в коррелятивной связи. Наиболее крупные, хорошо выполненные зерна имеют зеленый цвет. Зерно ржи более гигроскопично, чем зерно пшеницы.
В России основные площади посевов ржи заняты селекционными сортами озимой ржи, уборка урожая, как правило, проходит в сухую, ясную погоду, и принципы хранения зерна этой культуры практически ничем не отличаются от принципов хранения зерна пшеницы.
Ячмень выращивается двух подвидов: много– и двухрядный. Основное место в посевах занимает четырехгранный, или неправильный шестирядный ячмень, у которого средние два колоска в колосе развиты более сильно и теснят боковые, плотно к ним прилегающие (рис. 9, 10). В сечении колос имеет вид четырехгранника.
Рис. 9. Форма зерен ячменя:
а – удлиненное; б – ромбическое; г – эллиптическое
Рис. 10. Зерна многорядного ячменя: а – симметричное; б – несимметричное
Двухрядный ячмень образует на каждом уступе колосового стержня по одному плодовому колоску с нормально развитым зерном. По форме различают зерновки удлиненные, ромбические и эллиптические. На форму зерна оказывает влияние характер расположения колосков на колосе. У двухрядного ячменя зерна свободно развиваются и имеют правильную симметричную форму. У четырехгранного ячменя сильное развитие средних колосков вызывает искривление плотно прижатых к ним развивающихся зерен боковых колосков, вследствие этого они имеют несимметричную форму и высокую пленчатость. В строении зерновки ячмень от других хлебных злаков отличается тем, что алейроновый слой у него состоит из 3–4 слоев клеток (рис. 11).
Цветочные пленки, состоящие из крупных толстостенных одревесневших клеток, плотно облегают зерновку, обычно сращиваются с ней, поэтому ячмень – пленчатая культура. По показателю пленчатости ячмень обычно разбивают на четыре группы: низкая пленчатость – до 10 %; средняя пленчатость – до 11 %; выше средней – до 12 %; высокая – выше 12 %.
У цветочной пленки ячменя различают большую спинную оболочку, имеющую у верхнего конца гладкую или зазубренную длинную ость и у основания своего рода площадку, с помощью которой зерно крепится на колосовом стержне. Меньшая брюшинная оболочка более тонкая и морщинистая. У основания зерновки ячменя находится небольшой стерженек, называемый щетинкой.
Плодовые и семенные оболочки относительно тонкие и составляют не более 6 % массы зерновки. Плодовые оболочки полупрозрачные, семенные содержат пигменты светло-желтого или сине-зеленого цвета. Алейроновый слой у ячменя многослойный (от 3 до 4 рядов), на его долю приходится 12–14 % массы зерновки. Зерна ячменя неоднородны по крупности, длине, ширине. Если длина зерна превышает 10 мм, то оно считается длинным, коротким – менее 7 мм, широким – боле 3 мм, узким – менее 2 мм, толстым – более 3 мм и тонким – менее 2 мм. Эти размеры учитываются при проведении очистки партий зерна ячменя. Эндосперм у ячменя занимает 63–69 % массы зерна.
Просо. Зерновка проса, плотно окруженная цветочными пленками, имеет округлую или овальную форму.
Рис. 12. Зерно проса: а – выполненное; б – щуплое
Форма зерновки обусловлена сортовой принадлежностью и условиями про израстания. В неблагоприятных условиях выращивания образуется зерно менее выполненное, следовательно, и более удлиненной формы.
Цветковые пленки у зерновки проса облегают ядро, но срастаются с ним не по всей поверхности, а только у рубчика, расположенного у зародыша. Состоят цветковые пленки из 3–4 слоев клеток, представлены в основном клетчаткой, пентозанами и минеральными веществами. Пленчатость изменяется в широких пределах от 10 до 20 %.
Пленки проса под действием ударов и перепада температур сравнительно легко растрескиваются, ядро оголяется, частично раскалывается и дробится. Свежеобмолоченная насыпь проса содержит от 5 до 16 % шелушенного зерна.
Отмечено, что белое, кремовое и красное зерно проса легче шелушится, чем желтое, серое, коричневое и черное.
Отсутствие цветочных пленок у проса резко снижает его стойкость при хранении. Такое зерно быстрее подвергается плесневению, быстро прогоркает жир, пшено, выработанное из такого проса, получается низкого качества.
В результате неодновременного созревания зерен в метелке у проса всегда имеет место образование щуплого зерна – остряка, продолговатой формы с заостренными концами и пленчатостью до 65 % (рис. 12). Остряк в больших количествах образуется в неблагоприятные для вегетации проса годы и при очистке уходит в отходы.
Покрывающие ядро проса плодовые и семенные оболочки бесцветные, тонкие и составляют примерно 3 % массы зерна. Тонкий, состоящий из одного ряда клеток алейроновый слой занимает около 6 % массы ядра (рис. 13, 14).
Отличительная особенность анатомического строения зерновки– сильное развитие зародыша, он занимает около 8 % массы зерна (без пленок).
От других хлебных злаков просо отличается и химическим составом, в нем много жира (3,8–4,2 %), при хранении он легко прогоркает.
Такие негативные для партий зерна проса факторы, как высокие различия в степени зрелости, наличие обрушенных и поврежденных зерен, способность находящегося в зерновках жира прогоркать, отрицательно влияют на стойкость хранящихся партий проса и требуют повышенного внимания к их состоянию в процессе хранения.
Рис. 13. Поперечный разрез зерновки проса: а – цветочные пленки; б – плодовая и семенная оболочка; в – алейроновый слой; г – эндосперм
Кукуруза – раздельнополое растение, женское соцветие – початок длиной от 10 до 45 см. В каждом початке формируется от 300 до 1000 зерновок с неодинаковыми формой и размерами в разных частях початка. Масса 1000 зерен колеблется от 50 до 1100 г.
В зависимости от формы внешнего строения зерна, пленчатости у кукурузы выделяют 8 ботанических подвидов, но производственное значение имеет только зубовидная, кремнистая, крахмалистая, сахарная и лопающая кукуруза (рис. 15).
Различия в размерах и форме зерновки вызывают необходимость проводить в послеуборочный период калибрование зерна, предназначенного как для переработки в пищевой промышленности, так и используемого в качестве посевного материала. Как правило, семена кукурузы калибруют на шесть фракций (табл. 3).
Особенностями анатомического строения зерновки кукурузы является то, что у нее мощно развиты плодовые оболочки, состоящие из 12–14 рядов пленок, и имеется крупный зародыш, глубоко вдающийся внутрь зерна, составляющий от 8 до 14 % массы всей зерновки и содержащий до 36 % жира.
Анатомическое строение зародыша кукурузы и его биохимический состав определяют высокую гигроскопичность зерна.
У кукурузы по всей длине зародыша отсутствует алейроновый слой, затрудняющий испарение воды. Место алейронового слоя занимает находящаяся непосредственно под плодовой и семенной оболочками прослойка ткани, состоящая из рыхлых клеток. Эти клетки обладают высокой гигроскопичностью и при повышенной влажности воздуха интенсивно поглощают влагу.
Овес имеет соцветие метелку, на ветвях которой расположены двух– или многоцветковые колоски.
Местоположение зерна в колоске оказывает значительное влияние на крупность. У двухцветкового колоса верхнее зерно значительно мельче нижнего, что ведет к невыровненности зерновой массы по размерам. Зерновки овса различаются по форме и их разделяют на четыре типа: 1 – толстоплодная; 2 – переходная от толстоплодной к среднеплодной; 3 – среднеплодная; 4 – тонкоплодная (игольчатая) (рис. 16).
Рис. 14. Поперечный разрез ядра проса: а – оболочки; б – алейроновый слой; в – зародыш; г – корневой чехлик; д – эндосперм; е – первичный корешок
Цветочные пленки овса плотно облегают зерновку, но не прирастают к ней и не удаляются при обмолоте. Этих пленок две – наружная и внутренняя (рис. 17). Наружная цветочная пленка выпуклая, длиннее внутренней, может нести ость, выходящую из середины пленки. Наличие ости и вытянутых концов пленок препятствует плотной укладке зерна в насыпи, зерновой ворох овса образуется рыхлый, с высокой скважистостью. Существуют способы удаления концов пленок и остей, что повышает натуру, но отрицательно сказывается на стойкости овса при хранении, т. к. при этом на пленках образуются трещины, через которые может попадать влага воздуха и проникать микроорганизмы.
Из-за высокой пленчатости у овса на долю эндосперма приходится 61 % (рис. 18).
У зерновки гигроскопичность выше, чем у пленок, на 0,8–1 %. Разность влажности, даже в тех случаях, когда вся зерновка находится в гигроскопическом равновесии с окружающей средой – воздухом, создает предпосылки для обмена влагой между сухими пленками и более влажным ядром. У зерновки овса в капиллярных полостях между пленками и ядром создается атмосфера с повышенной влажностью, со своим «микроклиматом». Вследствие этого у овса наблюдается повышенная, по сравнению с другими культурами, интенсивность дыхания, он скорее поражается плесенями хранения.
Таблица 3
Фракционный состав семян кукурузы
Рис. 16. Типы зерновок овса по форме: а – толстоплодная; б – переходная от толстоплодной к среднеплодной; в – среднеплодная; г – тонкоплодная (игольчатая)
Рис. 17. Поперечный разрез овса:
а – цветочная пленка; б – плодовая оболочка; в – семенная оболочка; г – алейроновый слой; д – эндосперм
Рис. 18. Соотношение анатомических частей зерна овса
Семена бобовых культур. Строение семян бобовых культур в отличие от злаковых характеризуется отсутствием эндосперма. Запасные питательные вещества, необходимые для прорастания, отложены в зародыше и семядолях, содержащих крахмал, белки, жир, который в виде тонкой эмульсии прочно соединен с алейроновыми зернами.
Рис. 19. Строение семенной оболочки зерна гороха: а – кутикула; б – палисадные клетки; в, г, д – слои семенной оболочки; е, ж – ткань семядоли; з – алейроновые зерна;
и – зерна крахмала
Характерная особенность семян бобовых культур, играющая немаловажную роль при хране нии, – наличие плотной кожуры (семенной оболочки), снаружи покрытой кутикулой – сплошной тонкой пленкой, состоящей из кутина, не пропускающей ни воду, ни газы (рис. 19). В незрелом семени бобовых культур между кожурой и семядолями находится тонкий слой эндосперма. Под кожурой находится зародыш семени, состоящий из двух семядолей (первые листья), прикрепленных к укороченному стеблю. Верхняя часть стебля переходит в почечку, состоящую из зачаточных листьев, а нижняя заканчивается зачаточным корнем (рис. 20).
Рис. 20. Схема строения семени бобовых растений: а – семя в оболочке; б – семя без оболочки; в – одна семядоля; 1 – семенной рубчик; 2 – рубчиковый след; 3 – микропиле; 4 – халаза; 5 – очертания корешка; 6 – семядоли; 7 – корешок; 8 – почечка
У семян посевного гороха преобладающей формой является шаровидная с сгладкой поверхностью, но семена порой обнаруживают значительную изменчивость в форме и размерах (рис. 21). Окраска семян гороха зависит от цвета семядолей, просвечивающих через бесцветную семенную оболочку. Цвет семян может быть белым, желтым, зеленым, коричневым, бурым.
Диаметр семян колеблется от 3,5 до 10,5 мм, эти вариации можно уложить в три группы: мелкие семена – от 3,5 до 5 мм; средние семена – от 5 до 7 мм; крупные семена – от 7 мм.
Соотношение основных частей семени гороха, чечевицы и фасоли, %: семенная оболочка, или кожура, – 8,4 (6,4-11,0); семядоли – 90,0 (87,2-92,5); корень, стебель и почечка – 1,6 (1,1–2,8).
На сохранность гороха большое влияние оказывает травмирование семян при уборке урожая и послеуборочной подработке. Наиболее характерны следующие повреждения: выбита часть зародыша; трещина оболочки семени в области зародыша; отбита часть оболочки; отбита часть семени и оболочки; сеть трещин на оболочке; зародыш выбит полностью; раздавлено семя (треснута оболочка, зародыш не поврежден); раздавлено семя (треснута оболочка, зародыш поврежден).
Травмирование зерна гороха негативно сказывается на посевных качествах семян, снижает урожай. Семя гороха (без семенной оболочки) представляет собой зародыш, состоящий из развитых семядолей, зародышевого корешка и почечки, и любая травма, причиненная семени, фактически является травмой зародыша и отрицательно сказывается на всхожести семян и урожае зерна (табл. 4).
Наиболее опасны для семян гороха травмы с одновременным повреждением зародыша и семядоли. Травмы же оболочки семени хотя и ведут к снижению всхожести и урожая, но в меньшей степени.
Высокая степень травмирования наблюдается у семян гороха после многократного пропуска через норию, и их поврежденность после пятикратного пропуска через норию достигает 3,5 %.
Другая бобовая культура – чечевица – имеет характерные плоские, дискообразные, двояковыпуклые семена (рис. 22).
Крупносемянную (тарелочную) чечевицу с диаметром семян 6–9 мм используют в пищу, а мелкосемянная с диаметром семян 3–6 мм идет на корм скоту.
Рис. 21. Типы семян гороха: а – округлые гладкие; б – округлые угловатые;
в – округлые с мелкой ячеистостью; г – округлые с мелкими вдавлениями;
д – переходные; е – мозговой
Таблица 4
Влияние травмирования семян гороха на всхожесть и урожай
Рис. 22. Семена тарелочной (1) и мелкосеменной (2) чечевицы
У чечевицы наблюдается значительная изменчивость в окраске семенной оболочки: розовая, светло-красная, зеленая, серо-зеленая, серая, красновато-коричневая, темно-коричневая и черная.
Лучшими считаются семена чечевицы зеленой окраски. Первоначальная окраска семян при хранении может изменяться, и зеленые семена постепенно из-за разрушения хлорофилла семенной оболочки становятся темно-бурыми.
Чтобы не понизить товарные качества чечевицы вследствие изменения ее окраски, сушку необходимо проводить при «мягких» режимах, не допуская на поверхности зерен морщин и потемнения. При хранении насыпи чечевицы на токах следует укрывать ее от света брезентом. В зернохранилищах чечевицу содержат в защищенных от света закромах, занавешивая окна и не открывая без необходимости двери и ворота.
У чечевицы семенная оболочка тоньше, чем у гороха, и составляет 5-10 % массы зерна.
Ценной бобовой культурой, в семенах которой содержится до 50 % белка и до 25 % жира, является соя. Семена у нее весьма разнообразны по форме, размерам и окраске. Форма бывает шарообразной и овальной, цвет – желтым, зеленым, коричневым, черным. Семена могут иметь гладкую или слегка морщинистую поверхность. Длина семян колеблется от 5 до 13 мм, ширина от 4,0 до 8,8 мм. На долю семенной оболочки у сои приходится около 8 % массы всего семени, она тонкая и плотно прилегает к семядолям.
Из-за высокого содержания белка семена сои обладают способностью быстро и в значительных количествах поглощать влагу из окружающего воздуха, т. е. они очень гигроскопичны. Поврежденные механически семена интенсивно поражаются плесневыми грибами, поэтому сою характеризуют как малоустойчивую культуру при хранении.
Из-за наличия тонкой, легко повреждаемой оболочки, а также высокого количества жира семена сои при хранении быстро теряют всхожесть.
Гречиха относится к семейству гречишные. Обладая исключительно высокой потенциальной урожайностью, эта культура дает нестабильные по годам урожаи. Опыление гречихи перекрестное, и урожаи зависят от погодных условий в период цветения: каждый цветок раскрыт в течение одного дня, при плохой погоде и отсутствии насекомых, опыляющих гречиху пчел плодоносят только 10–12 % общего количества цветков.
Зерно гречихи представляет собой ядро, заключенное в кожистые оболочки (пленки), которые, свободно охватывая все ядро, срастаются с ними в одной точке. Поэтому между ядром гречихи и плодовой оболочкой имеется воздушная прослойка. При надавливании на зерно плодовая оболочка распадается на 3 пластинки треугольной формы.
У гречихи плод – орешек трехгранной формы (рис. 23). Сверху он покрыт не цветковой пленкой, как у злаков, а плодовой оболочкой, плотно облегающей семя, но не сросшейся с ним (рис. 24). При неправильном режиме работы молотильного аппарата комбайна плодовая оболочка довольно легко удаляется. Соотношение анатомических частей гречихи: плодовая оболочка – 22–27 %, семенная – 2 %, алейроновый слой – 3–5 %, зародыш, расположенный внутри эндосперма – 15–16 %, на долю эндосперма приходится всего лишь 60–65 %.
Рис. 23. Плод гречихи: а – верхушка; б – грань; в – ребро; г – основание
Зерновка злаков состоит из оболочек, эндосперма и зародыша. Определенный интерес в хранении представляют оболочки зерновок, которые защищают эндосперм и зародыш от механических повреждений, высыхания, проникновения влаги и микроорганизмов, вызывающих порчу зерна. Они содержат практически неусвояемые для организма человека вещества, причем в плодовой оболочке содержится больше клетчатки и гемицеллюлоз, в семенной оболочке – пентазанов. Под семенной оболочкой зерновки пшеницы находится алейроновый слой, составляющий 9 % массы зерновки. Он состоит из толстостенных клеток, содержащих белки, липиды, биологически активные вещества (витамины, ферменты). Алейроновый слой также выполняет защитную роль по отношению к эндосперму. Доля эндосперма, состоящего из крупных клеток разной формы, наполненных крахмальными зернами и белками, без алейронового слоя составляет 80 %. Именно ради эндосперма, с концентрированными в нем запасными веществами, выращивают и хранят зерновки злаков до переработки в продукты питания. Сохранение питательных веществ эндосперма, без излишних потерь сухих веществ на дыхание и тем более изменения биохимического состава, повреждения микрофлорой и т. д., и входит в основную задачу хранения.
В жизнедеятельности зерновки активную роль играет зародыш. Он занимает у пшеницы в среднем 2 % массы зерновки (рис. 5).
Масса зародыша находится в прямой коррелятивной зависимости от массы зерновки. Например, у кукурузы при массе зерна 200 мг зародыш имел массу 20 мг, а у зерна массой 495 мг он имел массу уже 59 мг. Зародыш состоит из 2 частей, выполняющих различные функции: щитка зародыша – органа накопления питательных веществ и второй части зародыша – зародышевой оси, состоящей из зачатков, корешка и ростка. Зародыш содержит белки, липиды с высокой степенью ненасыщенности, сахара и биологически активные вещества. Щиток зародыша, как и зародыш, характеризуется повышенным содержанием питательных веществ, прежде всего жира. В нем синтезируются ферменты (каталаза, амилаза, липаза, протеиназа), физиологически активные вещества (гетероуксин и др.), а также витамины (В1, В2, В6, РР, Е, Н и др.).
Зародыш при высоком уровне развития и достаточно высокой физиологической активности за счет наличия физиологически активных веществ, однако, несет в себе и вещества, подавляющую эту активность, – ингибиторы. Таким ингибитором, например, является триптофан, обнаруженный в щитке зародыша кукурузы.
Отличительные особенности зародыша зерновки – низкая механическая прочность, особенно у зерна твердой пшеницы, что должно учитываться при перемещении и очистке зерновых масс; высокая интенсивность физиологических процессов; легкость окисления находящихся в нем жиров и, как следствие, неустойчивость в хранении. С этими особенностями приходится считаться при очистке, сушке и хранении семян зерновых культур.
Рассмотрим строения зерновок различных зерновых культур, обратив внимание на строение оболочек.
Пшеница имеет плод зерновку, состоящую из трех основных частей: зародыша, эндосперма и двух оболочек – плодовой и семенной (рис. 6). Плодовая оболочка (перикарпий) образуется из стенок завязи. Состоит из продольного слоя (эпикарпия), имеет несколько рядов удлиненных клеток, расположенных вдоль зерна, верхний ряд которого называется эпидермисом; поперечного слоя (мезокарпия), состоящего из тонкостенных удлиненных клеток, лежащих поперек зерна; трубчатого слоя (эндокарпия), состоящего из удлиненных трубчатых клеток, расположенных вдоль зерна (рис. 7).
Рис. 7. Строение зерновки пшеницы: 1–5 – покровы семени: эпикарпий, мезокарпий, эндокарпий, пигментный слой, гиалиновый слой; 6 – элейроновый слой; 7 – мучнистое ядро эндосперма; 8 – щиток; 9 – зачаточная почка; 10 – корешок
Семенная оболочка (перисперм) образуется из оболочек семяпочки и состоит из трех слоев. Первый и второй слои плотно срастаются и образованы удлиненными клетками с тонкими стенками. Первый слой прозрачный, содержит пигменты и поэтому называется пигментным. Третий слой называется набухающим, или гиалиновым.
К семенной оболочке прилегает алейроновый слой, состоящий из одного слоя клеток с сильно утолщенными стенками. Алейроновый слой содержит алейроновые зерна – особые белковые образования, представленные у некоторых видов и сортов пшеницы в виде кристаллов с вкрапленными между ними мельчайшими капельками жира. Толщина плодовой и семенной оболочек составляет 0,03-0,07 мм. Толщина алейронового слоя, состоящего всего из одного ряда клеток, приближается к толщине оболочек – 0,03-0,06 мм.
Так как оболочки зерновки образованы из плотных одревесневших клеточных стенок, то они надежно защищают зародыш и эндосперм от внешних механических и химических воздействий.
В структурном составе зерновки пшеницы плодовая и семенная оболочки занимают 4,5–6,5 %, алейроновый слой 6,5–9,5 %, зародыш 1,5–3,0 % и эндосперм 83,0-85,0 %.
Исследования толщины оболочек зерновок мягкой и твердой пшеницы, проведенные Гальтером еще в 1877 г., показали, что у твердой она тоньше (0,0467 мм), у мягкой толще (0,0550 мм).
В процессе обмолота валков в поле и при послеуборочной обработке на зерноочистительных машинах оболочки зерновки пшеницы и сам эндосперм получают различные механические повреждения, нередко с нарушением целостности зерна. Как правило, механические повреждения представляют собой:
трещины или срывы оболочек – на спинке в области зародыша или бороздки, на зародыше со стороны бороздки;
повреждение эндосперма – расколот или оторвана его часть;
повреждение зародыша.
Такие повреждения оболочек или всей зерновки негативно сказываются на семенных свойствах, увеличивают интенсивность дыхания семян, влияют на сохранность и служат очагами развития микроорганизмов в процессе хранения.
Зерновка ржи по внешнему виду и строению несколько сходна с зерновкой пшеницы. Но у ржи зерновка более удлиненной формы, чем у пшеницы, и если у пшеницы отношение длины к ширине составляет 2: 1, то у ржи 3,0 – 3,5: 1. В зависимости от сорта и условий произрастания зерно ржи по линейным размерам сильно варьирует. С учетом формы и размеров различают зерна: узкие длинные; узкие короткие; широкие длинные; широкие короткие (рис. 8). По длине зерновки можно выделить следующие категории: длинное зерно – от 8 мм и выше, среднее – 7,0–7,9 мм, короткое – меньше 7,0 мм.
Соотношение анатомических частей зерна ржи также сильно варьируется и в среднем составляет: эндосперм – 73–77 %, зародыш – 3,5–3,7 %, алейроновый слой – 11–12 %, семенные оболочки – 1,9–6,0 %, плодовые – 5–7 % массы всего зерна.
Цвет зерновки вызван сочетанием зелено-синей окраски алейронового слоя с коричневой окраской семенных оболочек и соломенно-желтой – плодовой. По цвету рожь можно разбить на пять групп: зеленая, желтая, коричневая, красная, фиолетовая. Цвет зерна и его размеры находятся в коррелятивной связи. Наиболее крупные, хорошо выполненные зерна имеют зеленый цвет. Зерно ржи более гигроскопично, чем зерно пшеницы.
В России основные площади посевов ржи заняты селекционными сортами озимой ржи, уборка урожая, как правило, проходит в сухую, ясную погоду, и принципы хранения зерна этой культуры практически ничем не отличаются от принципов хранения зерна пшеницы.
Ячмень выращивается двух подвидов: много– и двухрядный. Основное место в посевах занимает четырехгранный, или неправильный шестирядный ячмень, у которого средние два колоска в колосе развиты более сильно и теснят боковые, плотно к ним прилегающие (рис. 9, 10). В сечении колос имеет вид четырехгранника.
а – удлиненное; б – ромбическое; г – эллиптическое
Рис. 10. Зерна многорядного ячменя: а – симметричное; б – несимметричное
Двухрядный ячмень образует на каждом уступе колосового стержня по одному плодовому колоску с нормально развитым зерном. По форме различают зерновки удлиненные, ромбические и эллиптические. На форму зерна оказывает влияние характер расположения колосков на колосе. У двухрядного ячменя зерна свободно развиваются и имеют правильную симметричную форму. У четырехгранного ячменя сильное развитие средних колосков вызывает искривление плотно прижатых к ним развивающихся зерен боковых колосков, вследствие этого они имеют несимметричную форму и высокую пленчатость. В строении зерновки ячмень от других хлебных злаков отличается тем, что алейроновый слой у него состоит из 3–4 слоев клеток (рис. 11).
У цветочной пленки ячменя различают большую спинную оболочку, имеющую у верхнего конца гладкую или зазубренную длинную ость и у основания своего рода площадку, с помощью которой зерно крепится на колосовом стержне. Меньшая брюшинная оболочка более тонкая и морщинистая. У основания зерновки ячменя находится небольшой стерженек, называемый щетинкой.
Плодовые и семенные оболочки относительно тонкие и составляют не более 6 % массы зерновки. Плодовые оболочки полупрозрачные, семенные содержат пигменты светло-желтого или сине-зеленого цвета. Алейроновый слой у ячменя многослойный (от 3 до 4 рядов), на его долю приходится 12–14 % массы зерновки. Зерна ячменя неоднородны по крупности, длине, ширине. Если длина зерна превышает 10 мм, то оно считается длинным, коротким – менее 7 мм, широким – боле 3 мм, узким – менее 2 мм, толстым – более 3 мм и тонким – менее 2 мм. Эти размеры учитываются при проведении очистки партий зерна ячменя. Эндосперм у ячменя занимает 63–69 % массы зерна.
Форма зерновки обусловлена сортовой принадлежностью и условиями про израстания. В неблагоприятных условиях выращивания образуется зерно менее выполненное, следовательно, и более удлиненной формы.
Цветковые пленки у зерновки проса облегают ядро, но срастаются с ним не по всей поверхности, а только у рубчика, расположенного у зародыша. Состоят цветковые пленки из 3–4 слоев клеток, представлены в основном клетчаткой, пентозанами и минеральными веществами. Пленчатость изменяется в широких пределах от 10 до 20 %.
Пленки проса под действием ударов и перепада температур сравнительно легко растрескиваются, ядро оголяется, частично раскалывается и дробится. Свежеобмолоченная насыпь проса содержит от 5 до 16 % шелушенного зерна.
Отмечено, что белое, кремовое и красное зерно проса легче шелушится, чем желтое, серое, коричневое и черное.
Отсутствие цветочных пленок у проса резко снижает его стойкость при хранении. Такое зерно быстрее подвергается плесневению, быстро прогоркает жир, пшено, выработанное из такого проса, получается низкого качества.
В результате неодновременного созревания зерен в метелке у проса всегда имеет место образование щуплого зерна – остряка, продолговатой формы с заостренными концами и пленчатостью до 65 % (рис. 12). Остряк в больших количествах образуется в неблагоприятные для вегетации проса годы и при очистке уходит в отходы.
Покрывающие ядро проса плодовые и семенные оболочки бесцветные, тонкие и составляют примерно 3 % массы зерна. Тонкий, состоящий из одного ряда клеток алейроновый слой занимает около 6 % массы ядра (рис. 13, 14).
Отличительная особенность анатомического строения зерновки– сильное развитие зародыша, он занимает около 8 % массы зерна (без пленок).
От других хлебных злаков просо отличается и химическим составом, в нем много жира (3,8–4,2 %), при хранении он легко прогоркает.
Такие негативные для партий зерна проса факторы, как высокие различия в степени зрелости, наличие обрушенных и поврежденных зерен, способность находящегося в зерновках жира прогоркать, отрицательно влияют на стойкость хранящихся партий проса и требуют повышенного внимания к их состоянию в процессе хранения.
Кукуруза – раздельнополое растение, женское соцветие – початок длиной от 10 до 45 см. В каждом початке формируется от 300 до 1000 зерновок с неодинаковыми формой и размерами в разных частях початка. Масса 1000 зерен колеблется от 50 до 1100 г.
В зависимости от формы внешнего строения зерна, пленчатости у кукурузы выделяют 8 ботанических подвидов, но производственное значение имеет только зубовидная, кремнистая, крахмалистая, сахарная и лопающая кукуруза (рис. 15).
Различия в размерах и форме зерновки вызывают необходимость проводить в послеуборочный период калибрование зерна, предназначенного как для переработки в пищевой промышленности, так и используемого в качестве посевного материала. Как правило, семена кукурузы калибруют на шесть фракций (табл. 3).
Особенностями анатомического строения зерновки кукурузы является то, что у нее мощно развиты плодовые оболочки, состоящие из 12–14 рядов пленок, и имеется крупный зародыш, глубоко вдающийся внутрь зерна, составляющий от 8 до 14 % массы всей зерновки и содержащий до 36 % жира.
Анатомическое строение зародыша кукурузы и его биохимический состав определяют высокую гигроскопичность зерна.
У кукурузы по всей длине зародыша отсутствует алейроновый слой, затрудняющий испарение воды. Место алейронового слоя занимает находящаяся непосредственно под плодовой и семенной оболочками прослойка ткани, состоящая из рыхлых клеток. Эти клетки обладают высокой гигроскопичностью и при повышенной влажности воздуха интенсивно поглощают влагу.
Овес имеет соцветие метелку, на ветвях которой расположены двух– или многоцветковые колоски.
Местоположение зерна в колоске оказывает значительное влияние на крупность. У двухцветкового колоса верхнее зерно значительно мельче нижнего, что ведет к невыровненности зерновой массы по размерам. Зерновки овса различаются по форме и их разделяют на четыре типа: 1 – толстоплодная; 2 – переходная от толстоплодной к среднеплодной; 3 – среднеплодная; 4 – тонкоплодная (игольчатая) (рис. 16).
Цветочные пленки овса плотно облегают зерновку, но не прирастают к ней и не удаляются при обмолоте. Этих пленок две – наружная и внутренняя (рис. 17). Наружная цветочная пленка выпуклая, длиннее внутренней, может нести ость, выходящую из середины пленки. Наличие ости и вытянутых концов пленок препятствует плотной укладке зерна в насыпи, зерновой ворох овса образуется рыхлый, с высокой скважистостью. Существуют способы удаления концов пленок и остей, что повышает натуру, но отрицательно сказывается на стойкости овса при хранении, т. к. при этом на пленках образуются трещины, через которые может попадать влага воздуха и проникать микроорганизмы.
Из-за высокой пленчатости у овса на долю эндосперма приходится 61 % (рис. 18).
У зерновки гигроскопичность выше, чем у пленок, на 0,8–1 %. Разность влажности, даже в тех случаях, когда вся зерновка находится в гигроскопическом равновесии с окружающей средой – воздухом, создает предпосылки для обмена влагой между сухими пленками и более влажным ядром. У зерновки овса в капиллярных полостях между пленками и ядром создается атмосфера с повышенной влажностью, со своим «микроклиматом». Вследствие этого у овса наблюдается повышенная, по сравнению с другими культурами, интенсивность дыхания, он скорее поражается плесенями хранения.
Таблица 3
Фракционный состав семян кукурузы
а – цветочная пленка; б – плодовая оболочка; в – семенная оболочка; г – алейроновый слой; д – эндосперм
Семена бобовых культур. Строение семян бобовых культур в отличие от злаковых характеризуется отсутствием эндосперма. Запасные питательные вещества, необходимые для прорастания, отложены в зародыше и семядолях, содержащих крахмал, белки, жир, который в виде тонкой эмульсии прочно соединен с алейроновыми зернами.
и – зерна крахмала
Характерная особенность семян бобовых культур, играющая немаловажную роль при хране нии, – наличие плотной кожуры (семенной оболочки), снаружи покрытой кутикулой – сплошной тонкой пленкой, состоящей из кутина, не пропускающей ни воду, ни газы (рис. 19). В незрелом семени бобовых культур между кожурой и семядолями находится тонкий слой эндосперма. Под кожурой находится зародыш семени, состоящий из двух семядолей (первые листья), прикрепленных к укороченному стеблю. Верхняя часть стебля переходит в почечку, состоящую из зачаточных листьев, а нижняя заканчивается зачаточным корнем (рис. 20).
У семян посевного гороха преобладающей формой является шаровидная с сгладкой поверхностью, но семена порой обнаруживают значительную изменчивость в форме и размерах (рис. 21). Окраска семян гороха зависит от цвета семядолей, просвечивающих через бесцветную семенную оболочку. Цвет семян может быть белым, желтым, зеленым, коричневым, бурым.
Диаметр семян колеблется от 3,5 до 10,5 мм, эти вариации можно уложить в три группы: мелкие семена – от 3,5 до 5 мм; средние семена – от 5 до 7 мм; крупные семена – от 7 мм.
Соотношение основных частей семени гороха, чечевицы и фасоли, %: семенная оболочка, или кожура, – 8,4 (6,4-11,0); семядоли – 90,0 (87,2-92,5); корень, стебель и почечка – 1,6 (1,1–2,8).
На сохранность гороха большое влияние оказывает травмирование семян при уборке урожая и послеуборочной подработке. Наиболее характерны следующие повреждения: выбита часть зародыша; трещина оболочки семени в области зародыша; отбита часть оболочки; отбита часть семени и оболочки; сеть трещин на оболочке; зародыш выбит полностью; раздавлено семя (треснута оболочка, зародыш не поврежден); раздавлено семя (треснута оболочка, зародыш поврежден).
Травмирование зерна гороха негативно сказывается на посевных качествах семян, снижает урожай. Семя гороха (без семенной оболочки) представляет собой зародыш, состоящий из развитых семядолей, зародышевого корешка и почечки, и любая травма, причиненная семени, фактически является травмой зародыша и отрицательно сказывается на всхожести семян и урожае зерна (табл. 4).
Наиболее опасны для семян гороха травмы с одновременным повреждением зародыша и семядоли. Травмы же оболочки семени хотя и ведут к снижению всхожести и урожая, но в меньшей степени.
Высокая степень травмирования наблюдается у семян гороха после многократного пропуска через норию, и их поврежденность после пятикратного пропуска через норию достигает 3,5 %.
Другая бобовая культура – чечевица – имеет характерные плоские, дискообразные, двояковыпуклые семена (рис. 22).
Крупносемянную (тарелочную) чечевицу с диаметром семян 6–9 мм используют в пищу, а мелкосемянная с диаметром семян 3–6 мм идет на корм скоту.
в – округлые с мелкой ячеистостью; г – округлые с мелкими вдавлениями;
д – переходные; е – мозговой
Таблица 4
Влияние травмирования семян гороха на всхожесть и урожай
У чечевицы наблюдается значительная изменчивость в окраске семенной оболочки: розовая, светло-красная, зеленая, серо-зеленая, серая, красновато-коричневая, темно-коричневая и черная.
Лучшими считаются семена чечевицы зеленой окраски. Первоначальная окраска семян при хранении может изменяться, и зеленые семена постепенно из-за разрушения хлорофилла семенной оболочки становятся темно-бурыми.
Чтобы не понизить товарные качества чечевицы вследствие изменения ее окраски, сушку необходимо проводить при «мягких» режимах, не допуская на поверхности зерен морщин и потемнения. При хранении насыпи чечевицы на токах следует укрывать ее от света брезентом. В зернохранилищах чечевицу содержат в защищенных от света закромах, занавешивая окна и не открывая без необходимости двери и ворота.
У чечевицы семенная оболочка тоньше, чем у гороха, и составляет 5-10 % массы зерна.
Ценной бобовой культурой, в семенах которой содержится до 50 % белка и до 25 % жира, является соя. Семена у нее весьма разнообразны по форме, размерам и окраске. Форма бывает шарообразной и овальной, цвет – желтым, зеленым, коричневым, черным. Семена могут иметь гладкую или слегка морщинистую поверхность. Длина семян колеблется от 5 до 13 мм, ширина от 4,0 до 8,8 мм. На долю семенной оболочки у сои приходится около 8 % массы всего семени, она тонкая и плотно прилегает к семядолям.
Из-за высокого содержания белка семена сои обладают способностью быстро и в значительных количествах поглощать влагу из окружающего воздуха, т. е. они очень гигроскопичны. Поврежденные механически семена интенсивно поражаются плесневыми грибами, поэтому сою характеризуют как малоустойчивую культуру при хранении.
Из-за наличия тонкой, легко повреждаемой оболочки, а также высокого количества жира семена сои при хранении быстро теряют всхожесть.
Гречиха относится к семейству гречишные. Обладая исключительно высокой потенциальной урожайностью, эта культура дает нестабильные по годам урожаи. Опыление гречихи перекрестное, и урожаи зависят от погодных условий в период цветения: каждый цветок раскрыт в течение одного дня, при плохой погоде и отсутствии насекомых, опыляющих гречиху пчел плодоносят только 10–12 % общего количества цветков.
Зерно гречихи представляет собой ядро, заключенное в кожистые оболочки (пленки), которые, свободно охватывая все ядро, срастаются с ними в одной точке. Поэтому между ядром гречихи и плодовой оболочкой имеется воздушная прослойка. При надавливании на зерно плодовая оболочка распадается на 3 пластинки треугольной формы.
У гречихи плод – орешек трехгранной формы (рис. 23). Сверху он покрыт не цветковой пленкой, как у злаков, а плодовой оболочкой, плотно облегающей семя, но не сросшейся с ним (рис. 24). При неправильном режиме работы молотильного аппарата комбайна плодовая оболочка довольно легко удаляется. Соотношение анатомических частей гречихи: плодовая оболочка – 22–27 %, семенная – 2 %, алейроновый слой – 3–5 %, зародыш, расположенный внутри эндосперма – 15–16 %, на долю эндосперма приходится всего лишь 60–65 %.