2.2. 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. 2).

Рис. 2. 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 составил 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 (В, 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 находящихся в нем жиров и, как следствие, неустойчивость в хранении. С этими особенностями приходится считаться при очистке, сушке и хранении семян зерновых культур.

Рассмотрим строение 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. 3). 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. 4).

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.

Рис. 3. 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. 4. Строение зерновки пшеницы: 1-5 − покровы семени: эпикарпий, мезокарпий, эндокарпий, пигментный слой, гиалиновый слой; 6 − алейроновый слой; 7 − мучнистое ядро эндосперма; 8 − щиток; 9 − зачаточная почка; 10 − корешок

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. 5). 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.

а б в г

Рис. 5. Форма зерна ржи: а − широкое длинное; б − узкое длинное; в − широкое короткое; г − узкое короткое

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. 6, 7). В сечении колос имеет вид четырехгранника.

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.

Рис. 6. Форма зерен ячменя: а − удлиненное; б − ромбическое; г − эллиптическое

Рис. 7. Зерна многорядного ячменя: а − симметричное; б − несимметричное

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. 8).

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 - более 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.

Рис. 8. Поперечный разрез зерна ячменя:

а − цветковая пленка; б − плодовая оболочка; в − семенная оболочка; г − алейроновый слой; д − эндосперм

Просо. Зерновка проса, плотно окруженная цветочными пленками, имеет округлую или овальную форму.

Форма зерновки обусловлена сортовой принадлежностью и условиями произрастания. 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% шелушеного 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, а 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. 9). Остряк в больших количествах образуется в неблагоприятные для вегетации проса годы и при очистке уходит в отходы.

Рис. 9. Зерно проса: а − выполненное; б − щуплое

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. 10, 11).

Рис. 10. Поперечный разрез зерновки проса: а − цветочные пленки; б – плодовая и семенная оболочки; в − алейроновый слой; г − эндосперм		Рис. 11. Поперечный разрез ядра проса: а − оболочка; б − алейроновый слой; в − зародыш; г − корневой чехлик; д − эндосперм; е − первичный корешок

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 вида, строения зерна и пленчатости у кукурузы выделяют 8 ботанических подвидов, но производственное значение имеет только зубовидная, кремнистая, крахмалистая, сахарная и лопающаяся кукуруза (рис. 12).

а б в г

Рис. 12. Схема строения зерна различных групп

(подвидов) кукурузы (тангентальный разрез):

а − зубовидная; б − кремнистая; в − восковидная; г − крахмалистая; 1 − оболочка зерна; 2 − роговидный слой эндосперма; 3 − крахмалистая часть эндосперма; 4 − зародыш; 5 − щиток; 6 − конус нарастания; 7 − первичный корень; 8 − зачатки проводящих тканей; 9 − цветоножка

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. 1).

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.

Таблица 1. Фракционный состав семян кукурузы

Фракция	Наименование фракций	Размеры семян, мм
		ширина	толщина
1	Большие плоские	9-10,5	3,75-5,50
2	Средние плоские	8-9	3,75-5,25
3	Тонкие плоские	7-8	3,75-5,00
4	Мелкие плоские	6,5-7	3,75-4,75
5	Большие круглые	8-10,5	5,75-6,20
6	Средние круглые	6,5-8	4,75-6,50

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. 13).

Цветочные пленки овса плотно облегают зерновку, но не прирастают к ней и не удаляются при обмолоте. Этих пленок две − наружная и внутренняя (рис. 14). 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, так как при этом на пленках образуются трещины, через которые может попадать влага воздуха и проникать микроорганизмы.

Рис. 13. Типы зерновок овса по форме:

а − толстоплодная; б − переходная от толстоплодной к среднеплодной; в − среднеплодная (игольчатая)

Из-за высокой пленчатости у овса на долю эндосперма приходится 61 % (рис. 15).

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.

Рис. 14. Поперечный разрез овса:

а − цветочная пленка; б − плодовая оболочка; в − семенная оболочка; г − алейроновый слой; д − эндосперм

Рис. 15. Соотношение анатомических частей зерна овса

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. 16). Сверху он покрыт не цветковой пленкой, как у злаков, а плодовой оболочкой, плотно облегающей семя, но не сросшейся с ним. 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%.

Гречиха имеет высокую пленчатость, колеблющуюся от 20 до 46%. По показателю пленчатости у нее установлены следующие градации: высокопленчатая − от 22% и выше; среднепленчатая − от 20 до 22%; низкопленчатая − ниже 20%.

На содержание плодовых оболочек заметное влияние оказывает величина зерна. Крупные фракции имеют несколько большую пленчатость.

Рис. 16. Разновидность гречихи:

а − крылатая; б − бескрылая

Размеры зерна у гречихи колеблются в довольно широких пределах: длина от 5 до 7,6 мм, ширина от 2,8 до 4 мм, толщина от 2,9 до 5,2 мм. Ее размеры в практике работы с зерном принято выражать сходом с сита с круглыми отверстиями: крупной – Ø3,9-4,2 мм, средней – Ø3,6-3,7 мм и мелкой – Ø2,2 мм.

Повышенную пленчатость имеет так называемая «крылатая гречиха» с удлиненными гранями плодовых оболочек (рис. 16). Эти пленки предохраняют ядро от воздействия микроорганизмов, но они достаточно хрупки, способны к растрескиванию по месту соединения (граням). При нарушении целостности пленок создаются предпосылки как для механического повреждения ядра, имеющего мучнистый эндосперм и рыхлое строение клеток, так и для микробиологической порчи. Поэтому гречиха, особенно свежеубранная, нестойка при хранении.

Невызревшие и имеющие повышенную влажность зерна гречихи обладают низкими товарно-технологическими показателями - в свежеубранной партии зерна гречихи количество таких зерен обычно составляет 20-25%. При подработке зернового вороха неполноценные зерна проходом через сито с отверстиями 03,0-3,4 мм уходят в отходы.

В процессе обмолота и послеуборочной подработки жесткая плодовая оболочка гречихи, неплотно прилегающая к ядру, легко отделяется. Ядра без плодовой оболочки плохо хранятся, их удаляют в процессе послеуборочной подработки гречихи.

Наиболее часто встречающиеся виды механических повреждений семян гречихи:

- повреждение плодовой оболочки;

- раскрытие «замка» - расхождение до 0,5 мм лепестков оболочки по граням в верхней части зерна;

- шелушенное зерно - ядро без плодовой оболочки;

- трещины в оболочке - трещины на лепестках оболочки;

- срывы оболочек - частичная утрата лепестков оболочек;

- повреждение ядра;

- битое ядро;

- частично расколотое ядро - кусочки ядра не менее 1/2 и не более 2/3 ядра;

- трещины в ядре - форма ядра сохраняется, но видны неглубокие трещины в эндосперме.

По данным В.Б. Лебедева, от общего количества повреждений до 75 % приходится на плодовые оболочки в основном от раскрытия «замка», а также на образование трещин в плодовой оболочке и ее срыв. Обнаженное частично или полностью ядро в процессе хранения подвергается воздействию микрофлоры и вредителей.

Подсолнечник имеет плод семянку, состоящую из околоплодника (плодовой оболочки, кожуры, лузги) и заключенного в нем семени (ядра) (рис. 17).

Рис. 17. Строение семянки подсолнечника:

А − общий вид семянки сбоку и сверху; Б − продольный разрез: а − плодовая оболочка; б − ядро; в − место прикрепления семени; В − поперечный разрез: а − плодовая оболочка; б − семенная оболочка; в − семядоли

Околоплодник состоит из эпидермиса (кожицы), пробковой ткани и нескольких слоев одревесневших клеток склеренхимы. В верхних клетках склеренхимы может содержаться вещество черного цвета - фитомелан. Состоя на 76% из углерода, фитомелан образует между пробковым слоем и склеренхимой панцирный слой, предохраняющий семянки от опасного для подсолнечника вредителя - подсолнечной моли (рис. 18). Семенная оболочка представлена тонкой пленкой, состоящей из внешней (бахромчатой) и внутренней (эпидермиса) тканей.

Семядоли подсолнечника толстые, мясистые, в них сконцентрированы все запасные липиды и белки.

Лузжистость семянок масленичного подсолнечника колеблется в пределах 35-45%.

Из-за повышенного содержания в семянках жира (27% и более) подсолнечник не стоек в хранении и требует к себе особого внимания.

Рис. 18. Разрез плодовой оболочки семянки подсолнечника (слева − беспанцирного, справа − панцирного): а − эпидермис; б − пробковая ткань; в − панцирный слой; г − склеренхима