Использование метода спектрофотометрии для идентификации высокоалкалоидных семян белого люпина

УДК 636.085.6

Использование метода спектрофотометрии для идентификации высокоалкалоидных семян белого люпина

Зверев С. В.1

Косолапов В. М.2, доктор сельскохозяйственных наук

Зайцев В. Б.3, кандидат физико-математических наук

Ставцев А. Э.4

Цыгуткин А. С.4,5, кандидат биологических наук

1ФГБНУ «ВНИИ зерна и продуктов его переработки»

127434, Россия, г. Москва, Дмитровское ш., д. 11

2ФГБНУ ФНЦ «ВИК им. В. Р. Вильямса»

141055, Россия, Московская обл., г. Лобня, Научный городок, корп. 1

3ГБОУ «МГУ им. М. В. Ломоносова»

19991, Россия, г. Москва, Ленинские горы, д. 1

4ООО «НПО «Агро-Матик»

607061, Россия, Нижегородская обл., г. Выкса, Досчатинское ш., д. 30/2

5ФГБНУ «Белгородский ФАНЦ РАН»

308001, Россия, г. Белгород, ул. Октябрьская, д. 58

E-mail: zverevsv@yandex.ru

На кормовые цели используют только люпин, отвечающий требованиям ГОСТ 11321-89. Люпин кормовой. Требования при заготовках и поставках. Предельно допустимая концентрация алкалоидов люпина в продуктах и кормах в РФ не нормирована, но очевидно, что чем меньше алкалоидов, тем лучше. Принято разделять люпин на низкоалкалоидный (содержание алкалоидов — 0,1–0,025%) и безалкалоидный, или сладкий (менее 0,025%). Ручная разборка зёрен на белые с сероватым оттенком и зёрна с розовым оттенком с последующей оценкой содержания алкалоидов показала, что «белые» содержали 0,10%, а «розовые» — 0,65%. Определение алкалоидов проводилось по Терехову. Представляется возможным удалять высокоалкалоидные зёрна, что приведёт к снижению содержания алкалоидов в партии зерна, и, учитывая различие в цвете, использовать для этого спектрофотометрические методы Проведённый сравнительный анализ отраженного излучения от слоёв «белого» и «розового» зерна белого люпина сорта Дега (урожай 2015 и 2017 годов) в различных областях видимого спектра показал возможность их выделения. Наибольшее различие между средними значениями наблюдали в области спектра λ = 350–700 нм. Это позволяет выделить на фотоэлектронных сепараторах семена, в которых содержится большее количество алкалоидов по сравнению с типичными семенами. При этом возможно выделение алкалоидных семян в большом потоке при переработке семян в промышленных условиях. Для проверки такого метода использовали фотоэлектронный сепаратор «Зоркий» с привлечением сотрудников ООО «СиСорт». Полученные две навески с «белым» и «розовым» зерном были различимы при их визуальном анализе. Химический анализ зерна показал, что «белые» зёрна содержали 0,07% алкалоидов, а «розовые» — 0,13%. Различия в отражательной способности высокоалкалоидных («розовых») и низкоалкалоидных («белых») зёрен белого люпина в «зелёно-красной» (λ =500–700 нм) области видимого спектра позволяют проводить их идентификацию и разделение на фотоэлектронных сепараторах.

Ключевые слова: белый люпин, алкалоиды, спектрофотометрия.

Благодаря работе учёных и специалистов, в начале ХХI века белый люпин превратился из научной разработки в сегмент экономики России (Цыгуткин и др., 2014; Гатаулина и др., 2014; Зверев и др., 2015). Были выведены сорта, разработаны технологии его возделывания в чистых и смешанных посевах, вычислены и испытаны в производстве алгоритмы работы рабочих органов зерноуборочных комбайнов (Алдошин и др., 2016а; 2016б; Перов и др., 2014; Зверев и др., 2014а; 2014б; Zverev et al., 2019). Определены нормативы использования белого люпина в кормлении сельскохозяйственных животных, птицы, рыбы (Фисинин, 2019). При этом первичная переработка зерна направлена как на скармливание белого люпина в нативном виде или измельчённом с различной тониной помола, так и на его глубокую переработку, необходимую для производства белковых концентратов, и должна включать процесс определения в партии зерна алкалоидов, которые относятся к группе хинолизидиновых, являющихся в люпине основными антипитательными веществами (Андрианова и др., 2019; Егоров и др., 2017; Зверев и др., 2019).

Алкалоиды хорошо растворимы в воде и спирте, термостабильны, обладают токсическим действием, связанным с поражением центральной нервной системы и печени (печёночные яды), и снижают переваримость питательных веществ корма. По степени токсичности алкалоиды располагаются в последовательности от большей к меньшей: люпанин – люпинин – спартеин – гидроксилюпанин (Ленкова и др., 2012).

У белого люпина преобладают алкалоиды люпанин и гидроксилюпанин. Принято разделять люпин на низкоалкалоидный (содержание алкалоидов — 0,1–0,025%) и безалкалоидный, или сладкий (менее 0,025%). Предельно допустимая концентрация алкалоидов люпина в продуктах и кормах в РФ не нормирована, но очевидно, что чем меньше алкалоидов, тем лучше. На кормовые цели используют только люпин, отвечающий требованиям ГОСТ 11321-89. Люпин кормовой. Требования при заготовках и поставках. В ГОСТе оговаривается не содержание алкалоидов, а ограничивается количество алкалоидных семян люпина (не более 0,3%). Определение алкалоидных семян люпина ведут по ГОСТ 12043-88. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения подлинности. Для определения содержания алкалоидов в зерне существуют и более точные методы, основанные, например, на химических реакциях (Антипитательные вещества зернобобовых, зерновых, масличных капустных культур и методы их определения, 2007). Однако эти методы являются аналитическими, трудоёмкими и не позволяют сортировать зерно в реальном масштабе времени.

Для снижения содержания алкалоидов в люпине предлагались различные методы, например термообработка или вымачивание в воде (Трунова, 2005). К сожалению, предлагаемые методы нетехнологичны, ресурсозатратны и поэтому в настоящее время экономически неэффективны. Кроме того, оба подхода не устраивают селекционеров и семеноводов, поскольку травмируют зерно.

Наиболее эффективными методами, позволяющими снизить содержание алкалоидов в семенах белого люпина, являются использование симбиотической азотфиксации и совершенствование технологий возделывания белого люпина (Чандраабал Зулцэцэг, 2015; Гатаулина и др., 2014).

В процессе работы с зерном белого люпина было отмечено, что содержание алкалоидов распределено между зернами неравномерно: в одних больше, в других меньше. Нормативно-техническая документация на кормовой люпин (ГОСТ Р 54632-2011. Люпин кормовой. Требования при заготовках и поставках) ограничивает содержание высокоалкалоидных семян на уровне 3%. При этом содержание алкалоидов оценивается химическими методами (ГОСТ 12043-88. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения подлинности). Более того, если внимательно приглядеться к массе зёрен, то можно обнаружить, что некоторые из них имеют слабый розоватый оттенок, и именно эти зёрна имеют повышенное содержание алкалоидов.

Ручная разборка зёрен на белые с сероватым оттенком и зёрна с розовым оттенком с последующей оценкой содержания алкалоидов показала, что «белые» содержали 0,10%, а «розовые» — 0,65%. Определение алкалоидов проводилось по Терехову (Антипитательные вещества зернобобовых, зерновых, масличных капустных культур и методы их определения, 2007).

Представляется возможным удалять высокоалкалоидные зёрна, что приведёт к снижению содержания алкалоидов в партии зерна, и, учитывая различие в цвете, использовать для этого спектрофотометрические методы (Способ разделения зерна белого люпина по содержанию алкалоидов, 2019).

Методика исследований. Для исследования использовались семена белого люпина сорта Дега урожая 2015 и 2017 годов (Цыгуткин и др., 2011).

Обучающие выборки формировались путём визуального отбора.

Съемка диффузных спектров отражения отдельных зерновок производилась в МГУ им. М. В. Ломоносова с использованием оригинальной измерительной методики, на спектрофлуориметре Perkin Elmer LS55, работающем в диапазоне длин волн от 200 до 800 нм с дискретностью 0,5 нм.

Статистическая обработка результатов измерений проводилась с использованием алгоритма дисперсионного анализа, разработанного В. Н. Перегудовым, включающего дополнительный фактор схемы опыта (Цыгуткин, 2002а; 2002б).

Результаты исследований. Сравнительный анализ отражённого излучения от слоёв «белого» и «розового» зерна белого люпина сорта Дега в различных областях видимого спектра показал возможность их идентификации. Полученные результаты приведены на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Отражательная способность зерна белого люпина сорта Дега урожая 2015 г.:

1 — высокоалкалоидных зёрен («розовых»); 2 — низкоалкалоидных зёрен («белых»)

Рис. 2. Отражательная способность зерна белого люпина сорта Дега урожая 2017 г.:

1 — высокоалкалоидных зёрен («розовых»); 2 — низкоалкалоидных зёрен («белых»)

Как видно, наибольшее различие между средними значениями имеет место в области спектра λ = 350–700 нм. Это делает возможным выделить высокоалкалоидные зёрна на фотоэлектронных сепараторах. При этом есть техническая возможность проведения этого процесса в большом потоке зёрен.

На рис. 3 и 4 представлены зависимости коэффициента вариации диагностического признака (разности сигнала прибора для алкалоидных и безалкалоидных зёрен) в зависимости от рассматриваемой длины волны. Как видно, диапазон длин волн с низким коэффициентом вариации можно оценить в λ = 500–700 нм.

Рис. 3. Коэффициент вариации разности диагностических признаков зерна белого люпина сорта Дега урожая 2015 г.

С целью промышленной проверки такой возможности на фотоэлектронном сепараторе «Зоркий» при поддержке технических сотрудников ООО «СиСорт» была рассортирована навеска зерна белого люпина сорта Дега (урожая 2015 года) массой около 4 кг.

Полученные две навески по 50% «белого» и 50% «розового» зерна при визуальной оценке явно отличались по цвету. Последующий химический анализ показал, что «белые» зёрна содержали 0,07% алкалоидов, «розовые» — 0,13% (Трунова, 2005).

Рис. 4. Коэффициент вариации разности диагностических признаков зерна белого люпина сорта Дега урожая 2017 г.

Заключение. Таким образом, различия отражательной способности высокоалкалоидных («розовых») и низкоалкалоидных («белых») зёрен белого люпина в «зелёно-красной» (λ = 500–700 нм) области видимого спектра позволяет наиболее эффективно проводить их идентификацию и разделение на фотоэлектронных сепараторах.

Литература

  1. Уборка смешанных посевов зерновых культур методом очёса / Н. В. Алдошин и др. // Вестник ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина». — 2016. — № 1. — С.7–13.
  2. Уборка бинарных посевов зерновых культур / Н. В. Алдошин и др. // Вестник ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина». — 2016. — № 3. — С.11–17.
  3. Люпин в кормлении сельскохозяйственной птицы / Е. Н. Андрианова и др. // Птицеводство. — 2019. — № 11–12. — С.31–36.
  4. Антипитательные вещества зернобобовых, зерновых, масличных капустных культур и методы их определения: методические указания. — М.: ВНИИ кормов им. В. Р. Вильямса, 2007. — 62 с.
  5. Гатаулина Г. Г. Основа белковой независимости России / Г. Г. Гатаулина, А. С. Цыгуткин // Белый люпин. — 2014. — № 2. — С.2–6.
  6. Гатаулина Г. Г. Формирование урожая семян белого люпина в условиях Центрального Черноземья / Г. Г. Гатаулина, Н. В. Медведева, А. С. Цыгуткин // Белый люпин. — 2014. — № 1. — С.7–11.
  7. Использование белкового концентрата на основе белого люпина в рационах цыплят-бройлеров / И. А. Егоров и др. // Птица и птицепродукты. — 2017. — № 1. — С.33–36.
  8. Зверев С. В. Первичная переработка зерна белого люпина / С. В. Зверев, А. С. Цыгуткин // Современный фермер. — 2014. — № 6–7. — С.28–30.
  9. Зверев С. В. Подготовка зерна белого люпина к глубокой переработке // С. В. Зверев, А. С. Цыгуткин // Инновационные технологии производства и хранения материальных ценностей для государственных нужд: международный научный сборник. Вып. II. Открытое приложение к информационному сборнику «Теория и практика длительного хранения». — М.: ФГБУ «Научно-исследовательский институт проблем хранения», 2014. — С.115–121.
  10. Проблемы развития импортозамещения в сельском хозяйстве России / С. В. Зверев и др. // Бухучёт в сельском хозяйстве. — 2015. — № 9. — С.7–12.
  11. Зверев С. В. Белый люпин: обрушение и термообработка зерна / С. В. Зверев, А. Э. Ставцев, А. С. Цыгуткин. — М.: ООО «Сам Полиграфист», 2019. — 128 с.
  12. Ленкова Т. Питательная ценность и антипитательные факторы семян люпина / Т. Ленкова, В. Зевакова // Птицеводство. — 2012. — № 1. — С.21–23.
  13. Перов А. А. Белый люпин: дробление, шелушение и сепарация /А.А. Перов // Комбикорма. — 2014. — № 6. — С.41–46.
  14. Способ разделения зерна белого люпина по содержанию алкалоидов. Зверев С. В., Цыгуткин А. С. Патент № 2726389 С1, 13.07.2020. Заявка № 2019101344 от 17.01.2019.
  15. Трунова Л. А. Разработка технологии, обеспечивающей повышение кормовой ценности зерна бобовых культур для производства комбикормов: автореф. дис. … канд. техн. наук. — М.: МГУПП, 2005. — 24 с.
  16. Фисинин В. И. Мировое и российское птицеводство: реалии и вызовы будущего / В. И. Фисинин. — М.: Хлебпродинформ. 2019. — 470 с.
  17. Цыгуткин А. С. Методология статистической обработки многолетних данных опыта / А. С. Цыгуткин. — М.: Россельхозакадемия, 2002. — 27 с.
  18. Цыгуткин А. С. О возможности трансформации повторения во времени в дополнительный фактор схемы опыта / А. С. Цыгуткин // Агрохимия. — 2002. — № 2. — С.77–85.
  19. Аминокислотный состав зерна белого люпина сортов Гамма и Дега / А. С. Цыгуткин и др. // Достижения науки и техники АПК. — 2011. — № 9. — С.41–43.
  20. Цыгуткин А. С. Белый люпин как сельскохозяйственная культура / А. С. Цыгуткин, С. В. Зверев // Хранение и переработка зерна. — 2014. — № 4. — С.20–23.
  21. Чандраабал Зулцэцэг. Влияние новых изолятов клубеньковых бактерий на рост и развитие белого люпина сорта Детер 1 / Зулцэцэг Чандраабал и др. // Достижения науки и техники АПК. — 2015. — № 11. — С.78–80.
  22. Peeling of white lupine grain in roller mills / S. V. Zverev et al. // Vestnik of Moscow Goryachkin Agroengineering University. — 2019. — No. 4 (92). — P.18–23.

Identification of high-alkaloid lupine seeds by spectrophotometry

Zverev S. V.1

Kosolapov V. M.2, Dr. Agr. Sc.

Zaytsev V. B.3, PhD Phys. and Math. Sc.

Stavtsev A. E.4

Tsygutkin A. S.4,5, PhD Biol. Sc.

1The All-Russian Research Institute of Grain and Grain Products

127434, Russia, Moscow, Dmitrovskoe highway (shosse), 11

2Federal Williams Research Center of Fodder Production and Agroecology

141055, Russia, the Moscow region, Lobnya, Science Town, 1

3Lomonosov Moscow State University

19991, Russia, Moscow, Leninskie gory, 1

4OOO Research and Production Association “Agro-Matik”, a limited liability company under the laws of Russian Federation

607061, Russia, the Nizhny Novgorod region, Vyksa, Doschatinskoe highway (shosse), 30/2

5Belgorod Federal Agrarian Research Center of the Russian Academy of Science

308001, Russia, Belgorod, Oktyabrskaya str., 58

E-mail: zverevsv@yandex.ru

Lupine for forage has to meet the requirements of “GOST 11321-89. Lyupin kormovoy. Trebovaniya pri zagotovkakh i postavkakh”. Alkaloid concentration is not standardized but should be the lowest possible. Low-alkaloid genotypes contains 0.1–0.025% of alkaloids, alkaloid-free or sweet genotypes — below 0.025%. White-grey grains contained 0.10% of alkaloids, the pink ones — 0.65%. Alkaloid quantification was carried out according to Terekhov. Spectrophotometry is a promising method to distinguish high-alkaloid seeds based on their color variation. It was possible to measure effectively the light reflected from white and pink grain of “Dega” variety from 2015 and 2017. The highest difference of means was observed for λ = 350–700 nm. Photoelectric seed separators can be used to discard grains with high alkaloid concentration under large-scale production. “Zorkiy”, photoelectric separator was used to test this method at OOO “SiSort”. Two fractions of white and pink seeds obtained could be distinguished visually. White grains contained 0.07% of alkaloids, the pink ones — 0.13%. As a result high-alkaloid and low-alkaloid lupine grains could be effectively separated by photoelectric separators.

Keywords: white lupine, alkaloid, spectrophotometry.

References

1. Uborka smeshannykh posevov zernovykh kultur metodom ochesa / N. V. Aldoshin i dr. // Vestnik FGOU VPO “Moskovskiy gosudarstvennyy agroinzhenernyy universitet im. V. P. Goryachkina”. — 2016. — No. 1. — P.7–13.

2. Uborka binarnykh posevov zernovykh kultur / N. V. Aldoshin et al. // Vestnik FGOU VPO “Moskovskiy gosudarstvennyy agroinzhenernyy universitet im. V. P. Goryachkina”. — 2016. — No. 3. — P.11–17.

3. Lyupin v kormlenii selskokhozyaystvennoy ptitsy / E. N. Andrianova et al. // Ptitsevodstvo. — 2019. — No. 11–12. — P.31–36.

4. Antipitatelnye veshchestva zernobobovykh, zernovykh, maslichnykh kapustnykh kultur i metody ikh opredeleniya: metodicheskie ukazaniya. — Moscow: VNII kormov im. V. R. Wilyamsa, 2007. — 62 p.

5. Gataulina G. G. Osnova belkovoy nezavisimosti Rossii / G. G. Gataulina, A. S. Tsygutkin // Belyy lyupin. — 2014. — No. 2. — P.2–6.

6. Gataulina G. G. Formirovanie urozhaya semyan belogo lyupina v usloviyakh Tsentralnogo Chernozemya / G. G. Gataulina, N. V. Medvedeva, A. S. Tsygutkin // Belyy lyupin. — 2014. — No. 1. — P.7–11.

7. Ispolzovanie belkovogo kontsentrata na osnove belogo lyupina v ratsionakh tsyplyat-broylerov / I. A. Egorov et al. // Ptitsa i ptitseprodukty. — 2017. — No. 1. — P.33–36.

8. Zverev S. V. Pervichnaya pererabotka zerna belogo lyupina / S. V. Zverev, A. S. Tsygutkin // Sovremennyy fermer. — 2014. — No. 6–7. — P.28–30.

9. Zverev S. V. Podgotovka zerna belogo lyupina k glubokoy pererabotke // S. V. Zverev, A. S. Tsygutkin // Innovatsionnye tekhnologii proizvodstva i khraneniya materialnykh tsennostey dlya gosudarstvennykh nuzhd: mezhdunarodnyy nauchnyy sbornik. Is. II. Otkrytoe prilozhenie k informatsionnomu sborniku “Teoriya i praktika dlitelnogo khraneniya” — Moscow: FGBU “Nauchno-issledovatelskiy institut problem khraneniya”, 2014. — P.115–121.

10. Problemy razvitiya importozameshcheniya v selskom khozyaystve Rossii / S. V. Zverev et al. // Bukhuchet v selskom khozyaystve. — 2015. — No. 9. — P.7–12.

11. Zverev S. V. Belyy lyupin: obrushenie i termoobrabotka zerna / S. V. Zverev, A. E. Stavtsev, A. S. Tsygutkin. — Moscow: OOO “Sam Poligrafist”, 2019. — 128 p.

12. Lenkova T. Pitatelnaya tsennost i antipitatelnye faktory semyan lyupina / T. Lenkova, V. Zevakova // Ptitsevodstvo. — 2012. — No. 1. — P.21–23.

13. Perov A. A. Belyy lyupin: droblenie, shelushenie i separatsiya / A. A. Perov // Kombikorma. — 2014. — No. 6. — P.41–46.

14. Sposob razdeleniya zerna belogo lyupina po soderzhaniyu alkaloidov. Zverev S. V., Tsygutkin A. S. Patent No. 2726389 S1, 13.07.2020. Zayavka No. 2019101344 of 17.01.2019.

15. Trunova L. A. Razrabotka tekhnologii, obespechivayushchey povyshenie kormovoy tsennosti zerna bobovykh kultur dlya proizvodstva kombikormov: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk. — Moscow: MGUPP, 2005. — 24 p.

16. Fisinin V. I. Mirovoe i rossiyskoe ptitsevodstvo: realii i vyzovy budushchego / V. I. Fisinin. — Moscow: Khlebprodinform. 2019. — 470 p.

17. Tsygutkin A. S. Metodologiya statisticheskoy obrabotki mnogoletnikh dannykh opyta / A. S. Tsygutkin. — Moscow: Rosselkhozakademiya, 2002. — 27 p.

18. Tsygutkin A. S. O vozmozhnosti transformatsii povtoreniya vo vremeni v dopolnitelnyy faktor skhemy opyta / A. S. Tsygutkin // Agrokhimiya. — 2002. — No. 2. — P.77–85.

19. Aminokislotnyy sostav zerna belogo lyupina sortov Gamma i Dega / A. S. Tsygutkin et al. // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. — 2011. — No. 9. — P.41–43.

20. Tsygutkin A. S. Belyy lyupin kak selskokhozyaystvennaya kultura / A. S. Tsygutkin, S. V. Zverev // Khranenie i pererabotka zerna. — 2014. — No. 4. — P.20–23.

21. Chandraabal Zultsetseg. Vliyanie novykh izolyatov klubenkovykh bakteriy na rost i razvitie belogo lyupina sorta Deter 1 / Zultsetseg Chandraabal et al. // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. — 2015. — No. 11. — P.78–80.

22. Peeling of white lupine grain in roller mills / S. V. Zverev et al. // Vestnik of Moscow Goryachkin Agroengineering University. — 2019. — No. 4 (92). — P.18–23.

Обсуждение закрыто.