Введение

Семена подсолнечника играют важную роль в продовольственной сфере благодаря высокой пищевой ценности, разнообразному химическому составу и широте использования. Семена содержат липиды (от 42,1 до 54,3%), более 20% клетчатки, углеводы, а также до 33% белковых веществ. Витаминный комплекс семян подсолнечника представлен витаминами группы A, B, C, D, E и PP [1]. Семена используются как для непосредственного употребления в пищу, так и для производства ряда пищевых продуктов – кондитерских изделий, масложировой продукции; побочные продукты семян после проведения экстракции или прессования также используются в промышленности: лузга, жмыхи, шрот.

Семена подсолнечника подразделяются на классы в соответствии с ГОСТ 22391-2015. Семенами подсолнечника считаются целые и поврежденные семена подсолнечника, по характеру их повреждений, не относящихся к масличной или сорной примеси. Основными органолептическими показателями при оценке семян являются здоровое состояние, свойственные сортам цвет и запах. Инструментальными способами измеряют массовую долю влаги, масла в пересчете на сухое вещество, масличную и сорную примесь.

Исследование содержания масла определяется рефрактометрическим или экстракционным методом, что является наиболее трудоемким и дорогостоящим ввиду значительного количества аппаратуры и материалов, а также потери основного свойства семян после измельчения до состояния муки. С использованием сушильного шкафа, предварительно выдержав семена, определяется массовая доля влаги.

Разрушающие методы не являются в полной мере достаточно эффективными, так как при проведении исследования объект подвергается потери основных свойств вследствие пробоподготовки, а также затрачиваются значительные временные и материальные издержки.

Цвет семян определяется визуально; однако, для объективной оценки цвета семян используют инструментальный метод с определением цветовых характеристик в колориметрической системе CIE . Преимуществом использования данного инструментария станет ускоренное проведение неразрушающей качественной оценки объекта с помощью портативного устройства, высокая точность исследования, а также эффективность в отрасли растениеводства. Использование данной методики было описано в работах [2,3] при определении окраски бобов сои, говядины и других продовольственных товаров, а также в требованиях к оценке цвета продуктов переработки овощей и фруктов.

В настоящее время при оценке семян применяются такие методы неразрушающего контроля, как гиперспектральная визуализация (сортовое деление, химический состав) [4], спектральная люминисценция, спектроколориметрия, UV-VIS-NIR спектроскопия (функциональные группы, категории), рамановская спектроскопия (состав), томография и микрофокусная рентгенография (выявление дефектов). Успешное применение данных методик было описано в работах [5,6,7].

Одной из проблем оценки качества семян подсолнечника является определение значения свойств неразрушающим методом контроля без снятия лузги. Поэтому в этом исследовании проведено измерение спектров диффузного отражения в видимом и ближнем диапазоне семян без снятия лузги. Настоящим исследованием представлены результаты по использованию метода UV-VIS-NIR спектрометрии для оценки цвета и компонент-состава сортов семян подсолнечника по полосам поглощения спектров.

Объект и методы исследования

Для проведения качественного исследования семян подсолнечника были отобраны 24 сорта семян подсолнечника: каждый образец был помещен в крафтовый зип-пакет и пронумерован. Способом выделения среднего объема пробы методом диагонального деления были выделены 50 семян каждого сорта (рисунок 1), взвешены с помощью лабораторных весов “Ohaus”, очищены от крупной сорной примеси.

Рисунок 1 – Образцы исследования: упаковка, выделение навески, очистка от примеси (источник – создано автором)

Массовая доля влаги определялась путем высушивания навески семян в сушильном шкафу с терморегулятором. Процентное содержание влаги рассчитывают по потере массы семени после высушивания.

Массовая доля масла в пересчете на сухое вещество определялась с помощью прибора «FOSS – INFRATEC TM 1245». Принцип работы устройства заключается в измерении отражения инфракрасного излучения от пробы семян по характеру спектра, с использованием калибровочных моделей определяется содержание масла.

Измерение UV-VIS-NIR-спектров поглощения семян подсолнечника было проведено на портативном спектрометре ASD TerraSpec® 4 Hi-Res в диапазоне 350—2500 нм. Использование данного инструмента имеет ряд преимуществ: измерение диффузного отражения можно проводить in situ, без пробоподготовки; при измерении спектров используется проба большого объема и массы, что повышает достоверность и репрезентативность результатов; сочетание видимого  (VIS) и ближнего (NIR) инфракрасного диапазонов позволяет, с одной стороны, определить по VIS-диапазону цветовые характеристики и центры окраски, с другой – идентифицировать NIR-по диапазону функциональные группы компонентов химического состава семян подсолнечника.

Результаты и их обсуждение

Семена всех сортов находились в здоровом состоянии, без повреждений; запах – свойственный здоровым семенам подсолнечника.

На рисунке 2 представлены результаты исследования «Массовой доли влаги» каждого сорта семян: диапазон значений варьируется от 7,23% до 8,87%; сорта, у которых результат значения превышает 8,0% не являются допустимыми для реализации на рынке ЕАЭС, так как доля влаги влияет на срок хранения, порчу, возникновение плесени и заболеваний. По данным рисунка 2 значения показателя влажности сортов под номером 2, 3, 6, 9, 11, 13, 15, 17, 18, 20 и 22 не соответствуют техническим требованиям (45,8% от генеральной выборки из 24 сортов семян).

Рисунок 2 – Массовая доля влага, % в исследуемых образцах
(источник – создано автором)

Рисунок 3 – Массовая доля масла в пересчете на сухое вещество, % в исследуемых образцах (источник – создано автором)

На рисунке 3 представлены результаты исследования «Массовой доли масла в пересчете на сухое вещество» каждого сорта семян. По полученным значениям, представленным на рисунке 3, ни один из образцов не может быть отнесен к первому классу, поскольку значения менее 50%; образцы под номерами с 1 по 4 относятся ко второму классу; с 5 по 19 к третьему классу; с 20 по 24 не могут быть ранжированы по классовому делению ввиду значения менее 40%, вследствие чего образцы не могут быть отнесены ни к какому классу и использованы на территории ЕАЭС для продовольственных целей.

Коэффициенты диффузного отражения (R) были преобразованы коэффициентом поглощения длин волн спектра по функции А= log (1/R). Профили UV-VIS-NIR-спектров поглощения семян подсолнечника разных сортов после предварительной обработки представлены на рисунке 4. Из рисунка видно, что спектры всех семян имеют аналогичный профиль, что свидетельствует об однородности состава по компонентам, но различаются по коэффициенту поглощения, характеризующему различный компонент-состав.

Положение пика 870 нм, а также пики 2275-2339 нм связаны с колебаниями связей, характерных дня C-H-функциональных групп, и характеризуют содержание липидов в образцах, различия в степени масличности подтверждаются профилями; положение пиков 1431 и 1926 нм связано с колебаниями — О-Н и характеризует содержание влаги [7,8]. Существенное расхождение значений на пике 680 нм в видимой области может характеризовать несколько причин: часть образцов не достигло полной зрелости, что указывает на остаточные пигменты, или это фон ввиду ошибки измерения лузги семени. То есть, образцы семян подсолнечника отличаются по составу, что позволяет разработать калибровочную модель для категорирования семян по отдельным показателям, например, степени масличности.

Рисунок 4 – Профили UV—VIS—NIR спектров поглощения в диапазоне 350—2500 нм семян подсолнечника без снятия лузги (источник – создано автором)

По диапазону видимой области рассчитаны цветовые характеристики семян подсолнечника в системе CIE , которые представлены на рисунке 5. Цветовая координата светлоты  имеет значения в диапазоне от 22,51 до 35,17 (среднее значение 27,42); значения координаты  (разница красного/зелёного в цвете) имеет значения в диапазоне от -0,058 до 1,379 (среднее значение 0,56); значения координаты  (жёлтые/синие оттенки) имеет значения в диапазоне от -0,972 до 4,95 (среднее значение 1,6).

Из рисунка 5 видно, что наблюдается прямая линейная зависимость между изменениями координат цвета  и . Вероятно, такое различие цветности (красно-желтая область) свидетельствует о различии по составу семян подсолнечника. В то же время по изменению в плоскостях координат  и ,  и  видно, что светлота снижается без взаимосвязи с показателем цветности. Таким образом, семена подсолнечника обладают низкой светлотой, низкой насыщенностью цвета, что дает основание считать цвет образцов темно-серым и в некоторых случаях даже черным.

Рисунок 5 – Расположение точек, соответствующих семенам подсолнечника различных сортов без снятия лузги, в плоскостях координат колориметрической системы CIE : а)  и ; б)  и ; в)  и  (источник – создано автором)

Вывод

Анализ качества семян подсолнечника по стандартизированным методам, основанным на разрушающем контроле, имеет свои ограничения, связанные с высокой трудоемкостью, временными затратами и потерей основного свойства объекта в виду потери пробы вследствие снятия лузги. Применение неразрушающих методов контроля, отраженное в исследовании, позволило оперативно и эффективно оценить такие качественные и количественные показатели, как масличность, влажность, цвет.

Исследование выявило из части образцов семян значительные отклонения по массовой доле влаги, что свидетельствует о непригодности семян для продовольственных целей. Цветовые параметры семян в координатах системы CIE свидетельствуют о взаимосвязи между цветовой характеристикой и химическим составом семени, что дает основание предложить использование колориметрии в качестве инструмента для сортового деления и категорирования.

Полученные данные свидетельствуют о возможности применения неразрушающих методов контроля в агропромышленной комплексе для создания калибровочных моделей сортов семян, автоматизации сортового деления, эффективного контроля качества на различных этапах товародвижения. В перспективе можно также говорить о создании цифровых профилей сортов семян подсолнечника для решения вопросов стандартизации, классификации и безопасности продовольственных товаров масличной отрасли.