СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ЗЕРНА БЕЛОГО ЛЮПИНА Российский патент 2014 года по МПК G01N33/00 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к кормопроизводству и оценке энергетической ценности кормов, для животных (сельскохозяйственных и домашних), содержащих зерно белого люпина.

Современная система нормированного сбалансированного кормления животных основана на оценке питательности/переваримости кормов по расчету обменной энергии (ОЭ) при использовании экспериментальных данных балансовых опытов или по данным химического состава корма из справочной и научной литературы. Обменную энергию рассчитывают по химическому составу корма с учетом содержания сырого протеина, сырого жира и углеводов в виде безазотистых экстрактивных веществ (БЭВ) и с учетом коэффициентов их переваримости и энергетической ценности (содержания энергии в джоулях). Однако достоверность рассчитанных данных об обменной энергии корма зависит от точности химического анализа всех компонентов питательных веществ.

Изучение химического состава и энергетической ценности зерна белого люпина на примере семи сортов белого люпина селекции РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева и производственных посевов в учхозе имени И.В.Мичурина Тамбовской области проведено в 2008-2012 гг. по образцам, полученным в течение 2-3 смежных лет (Штеле А.Л., Цыгуткин А.С., Терехов В.А. Биологическая и кормовая ценность зерна белого люпина как источника корма для сельскохозяйственной птицы // Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Т. 1. - Белгород: Издательство «Отчий край», 2012. - С. 339-344).

Расчет энергетической ценности люпина (табл.1) проводили по химическому составу и коэффициентам усвояемости питательных веществ по формуле:

ОЭккал/100г=4.20СП×74%СП×%С+9,20СЖ×86%СЖ×%СЖ+4,13БЭВ×57%БЭВ×%БЭВ

Таблица 1 Химический состав (%) и энергетическая ценность белого люпина (по смежным урожаям 2008-2009 гг.) Показатель Старт Мановицкий Гамма Дельта Дега Детер Деснянский В среднем Влага 9,92 10,01 8,86 8,66 8,93 8,92 8,78 9,15 Сухое вещество 91,08 89,99 91,14 91,34 91,07 91,08 91,22 90,95 ОЭ, ккал 100 г 261 261 269 269 267 268 274 267 ОЭ, МДж/кг 10,93 10,93 11,26 11,26 11,18 11,22 11,47 11,18 Сырой протеин 33,62 34,25 34,97 33,09 33,37 34,69 31,97 33,71 Сырой жир 10,41 9,57 10,70 11,06 10,67 10,35 11,58 10,62 Сырая клетчатка 10,04 9,98 10,01 10,19 10,48 9,58 9,52 9,97 БЭВ 33,42 33,12 32,07 33,52 33,04 33,18 35,01 33,30 Сырая зола 3,59 3,07 3,39 3,48 3,51 3,28 3,14 3,35

Дополнительно в 2012 г. проведены исследования химического состава трех образцов корма из белого люпина: цельное зерно, обрушенное зерно (ядро) и внешняя оболочка (таблица 2).

Таблица 2 Химический состав (%) и энергетическая ценность кормовых продуктов зерна белого люпина Показатель Цельное зерно Обрушенное зерно Оболочка Влага 12,08 10,57 10,66 Сухое вещество 87,92 89,43 89,34 Обменная энергия: ккал/100 г 264 305 252 МДж/кг 11,09 12,80 10,58 Сырой протеин 35,19 42,06 4,31 Сырой жир 9,64 11,03 1,28 Сырая клетчатка 9,40 1,74 37,90 БЭВ 33,69 34,60 45,85 Сырая зола 3,32 3,62 2,09 Кальций 0,30 0,14 0,72 Фосфор 0,40 0,49 0,03

Исследования химического состава зерна белого люпина проведены в Испытательном центре ВНИТИП РАСХН, расчеты энергетической ценности корма выполнены в лаборатории белого люпина РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева.

Известен способ определения обменной энергии корма из белого люпина, основанный на определении содержания сырого протеина, сырого жира, крахмала и сахара. Сырой протеин определяют по Къельдалю, сырой жир в аппарате Сокслета. Определение сахара и крахмала основано на экстракции из корма растворимых углеводов (сахаров) дистиллированной водой при температуре 70-80°С и последующем гидролизе крахмала в концентрированной соляной кислоте. В расчетах энергетической ценности кормов клетчатку не учитывают (Оценка качества кормов, органов, тканей, яиц и мяса птицы: Методическое руководство для зоотехнических лабораторий. ВНИТИП: Сергиев-Посад.-2009. - 112 с. Прототип).

Расчет обменной энергии (ОЭ) в кДж/100г корма из зерна люпина рассчитывают по уравнению регрессии:

ОЭ=4,184(53+38 × % сырого протеина+2,25 × % сырого жира+1,1×%БЭВ) (1)

Недостатком данного способа определения энергетической ценности зерна белого люпина является длительность анализа при определении химического состава образцов зерна, большие энерго- и трудозатраты, связанные с применением большого количества дорогостоящих химических реактивов.

Задача изобретения - снизить энерго- и трудозатраты на определение энергетической ценности зерна белого люпина, при одновременном повышении точности.

Поставленная задача достигается тем, что энергетическую ценность определяют на основе расчета энергий активации химических компонентов как сумму энергий активации оболочки и ядра зерна белого люпина, умноженную на массовую долю оболочки и ядра в зерне соответственно. Для расчета энергии активации используют данные термогравиметрического и дифференциально-термического анализа, полученные при непрерывном нагревании образцов со скоростью 20 град/мин до термического разложения компонентов оболочки и ядра зерна.

Образцы веществ имеют индивидуальную термическую характеристику, которая отражает его поведение при нагревании и зависит от состава, свойств его структуры, механизма и кинетики реакций термического превращения. После обработки кривых дифференциально-термического анализа получают качественную характеристику состава исследуемых образцов, а по площади и высоте пиков - количественную характеристику состава вещества. Расчет термодинамических характеристик проводят, исходя из предположения, что реакции относятся к реакциям разложения -мономолекулярным и для них справедливо кинетическое уравнение:

$$-\frac{dC}{dt}=\frac{k_0}{b}\cdot e^{-E/RT}\cdot C,(2)$$

где C - доля вещества (A), принимающая участие в реакции и остающаяся в какой-нибудь ее стадии; k - константа скорости реакции из уравнения k=k₀·e^-E/RT; k₀ - предэкспоненциальный множитель; n - порядок реакции; E - энергия активации, ккал/моль; R - 1,987 кал/моль·град; T - абсолютная температура в градусах Кельвина, $$b=\frac{dT}{dt}.$$

Для последующих расчетов термодинамических характеристик и параметров кинетического уравнения, оценки химического состава образцов зерна белого люпина используют компьютерное программное обеспечение.

Для определения химического состава зерна белого люпина образец помещают в термоаналитический комплекс на базе дериватографа, где нагревают образец в атмосфере воздуха со скоростью 20 град/мин, в качестве стандарта применяют каолин. Нагрев осуществляют до температуры 450°C в течение 20 мин. Проводят отдельно анализ оболочки зерна и ядра белого люпина с учетом массовой доли оболочки и ядра в зерне люпина.

Пример 1 (по прототипу). Определяют в ядре зерна белого люпина (массовая доля ядра в зерне 0,83) сорта Дега методом химического анализа содержание сырого протеина, сырого жира, сахара и крахмала и проводят расчет обменной энергии по уравнению (1). Результаты расчета обменной энергии представлены в таблице 3.

Пример 2 (по прототипу). Определяют в оболочке зерна (массовая доля оболочки в зерне 0,17) белого люпина сорта Дега методом химического анализа содержание сырого протеина, сырого жира, сахара и крахмала и проводят расчет обменной энергии по уравнению (1). Результаты расчета обменной энергии представлены в таблице 3.

Пример 3. Образец оболочки зерна белого люпина сорта Дега помещают в термоаналитический комплекс и нагревают со скоростью 20 град/мин до температуры 950°C. Образец сравнения - каолин. Контролируют одновременно потерю массы образца в ходе анализа (кривая ТГ), тепловые эффекты (кривая ДТА) и максимумы пиков при термическом разложении (кривая ДТГ). Проводят расчет массовой доли каждого из компонентов в образце по данным потери массы и температурам максимумов пика, энергий активации по уравнению (2). Затем рассчитывают энергетическую ценность образца по уравнению:

E=m₁×E_a1+m₂×E_a2+… +m_n×E_an (3),

где Е - энергетическая ценность образца, m_n - массовая доля n-го компонента в образце, Е_an - энергия активации n-го компонента.

Результаты расчета энергетической ценности приведены в таблице 3. Из результатов термоанализа следует, что основная потеря массы образцов - разложение органических компонентов - происходит до температуры 400°C. Также отмечено, что до температуры 150-180°C происходит выделение из образцов гигроскопической или внутрисвязанной воды. Поэтому в последующих расчетах энергетической ценности принимаются компоненты, которые разлагаются в интервале 180-400°C.

Пример 4. Аналогичен примеру 3. Отличие состоит в том, что в качестве образца для анализа используют ядро зерна белого люпина сорта Дега. Результаты расчета энергетической ценности приведены в таблице 3.

Пример 5. Аналогичен примеру 4. Отличие состоит в том, что нагрев осуществляют со скоростью 10 град/мин. Результаты расчета энергетической ценности приведены в таблице 3.

Пример 6. Аналогичен примеру 4. Отличие состоит в том, что нагрев осуществляют со скоростью 10 град/мин до температуры 650°C. Результаты расчета энергетической ценности приведены в таблице 3.

Пример 7. Аналогичен примеру 4. Отличие состоит в том, что нагрев осуществляют до температуры 650°C. Результаты расчета энергетической ценности приведены в таблице 3.

Пример 8. Аналогичен примеру 7. Отличие состоит в том, что нагрев осуществляют до температуры 450°C, скорость нагрева составляет 20 град/мин. Результаты расчета энергетической ценности приведены в таблице 3.

Энергетическую ценность зерна рассчитывают с учетом массовой доли оболочки зерна и ядра белого люпина и суммарных энергий активации, рассчитанных по уравнению (3) следующим образом:

Е_зерна=m_обол×E_обол+m_ядро×E_ядро (4).

Таблица 3 Результаты расчета энергетической ценности (кДж/100г) Пример E_ядро E_обол E_зерна Примечание 1 1045       2   108 1153 По формуле (4) из примера 1 и 2 3   110     4 1049   1159 По формуле (4) из примера 3 и 4 5 1053   1163 По формуле (4) из примера 3 и 5 6 1048   1158 По формуле (4) из примера 3 и 6 7 1050   1160 По формуле (4) из примера 3 и 7 8 1047   1157 По формуле (4) из примера 3 и 8

По данным термического анализа можно сделать вывод о том, что увеличение температуры нагрева образцов более 450°C не приводит к изменению расчетных значений энергетических характеристик, а только увеличивает время эксперимента и энерго- и трудозатраты. Снижение скорости нагрева с 20 град/мин до 10 град/мин также не приводит к изменению расчетных значений энергетических характеристик, однако при этом возрастает в два раза время эксперимента.

Использование предложенного способа позволит снизить энерго- и трудозатраты на определение энергетической ценности зерна белого люпина, при одновременном повышении точности.

(57) Заявленное изобретение относится к области кормопроизводства и предназначено для определения энергетической ценности зерна белого люпина. Энергетическую ценность определяют на основе расчета энергий активации химических компонентов как сумму энергий активации оболочки и ядра зерна белого люпина, умноженную на массовую долю оболочки и ядра в зерне соответственно. Для расчета энергии активации используют данные термогравиметрического и дифференциально-термического анализа, полученные при непрерывном нагревании образцов со скоростью 20 град/мин до термического разложения компонентов оболочки и ядра зерна. Изобретение позволяет быстро и точно оценить энергетическую ценность кормов из зерна белого люпина для кормления сельскохозяйственных животных. 3 табл., 8 пр.

Способ определения энергетической ценности зерна белого люпина на основе расчета энергий его химических компонентов, отличающийся тем, что энергетическую ценность определяют как сумму энергий активации оболочки и ядра зерна белого люпина, умноженную на их массовую долю в зерне, а энергии активации рассчитывают по данным термогравиметрического и дифференциально-термического анализа, полученным при непрерывном нагревании образцов со скоростью 20 град/мин до температуры термического разложения органических компонентов оболочки и ядра зерна.