ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 576

Transkrypt

ZESZYTY PROBLEMOWE
POSTĘPÓW
NAUK ROLNICZYCH
ZESZYT
576
ISSN 0084-5477
0084 5477
WARSZAWA 2014
ADVANCES OF AGRICULTURAL
SCIENCES
PROBLEM ISSUES
ISSUE
576
WARSAW 2014
ZESZYTY PROBLEMOWE
POSTĘPÓW
NAUK ROLNICZYCH
Z e s z y t 576
Wydział Nauk o Żywności
Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
2014
© Wydział Nauk o Żywności, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
RADA REDAKCYJNA
Andrzej Lenart – przewodniczący
André Chwalibog (Dania)
Rui Costa (Portugalia)
Marco Dalla Rosa (Włochy)
Frédéric Debeaufort (Francja)
Jesus Frias (Irlandia)
Józef Horabik
Tadeusz Kudra (Kanada)
Jan Łabętowicz
Jan Niemiec
Edward Pierzgalski
KOMITET REDAKCYJNY
Dorota Witrowa-Rajchert – redaktor naczelna
Mirosław Słowiński – zastępca redaktor naczelnej
Ewa Gondek – sekretarz
ADRES REDAKCJI
Wydział Nauk o Żywności SGGW w Warszawie
ul. Nowoursynowska 159c
02-776 Warszawa
Opracowanie redakcyjne – Agata Kropiwiec, Elżbieta Wojnarowska
Czasopismo w postaci wydrukowanej jest wersją pierwotną
ISSN 0084-5477
Wydawnictwo SGGW, ul. Nowoursynowska 166, 02-787 Warszawa
tel. 22 593 55 20 (-22; -25 – sprzedaż), fax 22 593 55 21
e-mail: [email protected]
www.wydawnictwosggw.pl
Druk: Agencja Reklamowo-Wydawnicza A. Grzegorczyk, www.grzeg.com.pl
Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych
nr 576, 2014, 3–12
OCENA ZDOLNOŚCI BIOSYNTEZY TŁUSZCZU
PRZEZ DROŻDŻE RHODOTORULA GRACILIS W PODŁOŻACH
ZAWIERAJĄCYCH ZIEMNIACZANĄ ODPADOWĄ WODĘ
SOKOWĄ WZBOGACONĄ GLICEROLEM
Stanisław Błażejak, Iwona Gientka, Anna Bzducha-Wróbel,
Lidia Stasiak-Różańska, Magdalena Maszewska
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Streszczenie. Celem badań było określenie zdolności wzrostu drożdży Rhodotorula gracilis i biosyntezy przez nie wewnątrzkomórkowego tłuszczu (SCO – Single Cell Oil) podczas
72-godzinnej hodowli wgłębnej w podłożach zawierających ziemniaczaną odpadową wodę
sokową wzbogaconą glicerolem w ilościach 5, 10, 15 i 20% obj. Największy plon biomasy komórkowej (28,65 gs.s.·dm–3) uzyskano w podłożu zawierającym 5% obj. glicerolu,
a najwięcej wewnątrzkomórkowego tłuszczu (25,57 g·100 gs.s.–1) stwierdzono w biomasie
drożdży rosnących w podłożach zawierających 20% obj. glicerolu. Ta ilość tłuszczu była
3 i 5 razy większa w porównaniu z eksperymentami prowadzonymi w podłożu kontrolnym
YPD (8,87 g·100 gs.s.–1) i doświadczalnym bez gliceryny (4,81 g·100 gs.s.–1). W podłożach
wzbogaconych 15 lub 20% obj. dodatkiem glicerolu największa objętościowa produktywność biosyntezy tłuszczu w komórkach stosowanego szczepu drożdży przekraczała
5 g·dm–3. Hodowla wgłębna drożdży Rhodotorula gracilis w podłożu stanowiącym odpadową wodę sokową ziemniaczaną wzbogaconą glicerolem w ilości 15–20% obj. prowadzi
do biosyntezy tłuszczu wewnątrzkomórkowego.
Słowa kluczowe: SCO (Single Cell Oil), Rhodotorula, ziemniaczana odpadowa woda sokowa, glicerol, biosynteza wewnątrzkomórkowego tłuszczu
WSTĘP
Wszystkie mikroorganizmy produkują substancje tłuszczowe niezbędne do tworzenia błon komórkowych. Jedynie w przypadku niektórych drobnoustrojów tłuszcz może
być odkładany w komórkach jako substancja zapasowa. Szczepy, w których tłuszcz
Adres do korespondencji – Corresponding author: Stanisław Błażejak, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Nauk o Żywności, Zakład Biotechnologii i Mikrobiologii
Żywności, ul. Nowoursynowska 159c, 02-776 Warszawa, e-mail: [email protected]
4
S. Błażejak, I. Gientka, A. Bzducha-Wróbel i inni
może stanowić więcej niż 20% suchej substancji biomasy nazywa się „olejogennymi”
(ang. oleaginous) [Ratledge 2002, Ratledge 2004, Karatay i Donmez 2010]. Produkcja
olejów pochodzenia mikrobiologicznego SCO (ang. Single Cell Oil), w porównaniu
do otrzymywanych z tradycyjnych surowców roślinnych lub zwierzęcych, niesie ze
sobą wiele korzyści. Jest niezależna od klimatu, wymaga stosunkowo niewiele pracy
ludzkiej, cykl produkcji jest krótki, a skład kwasów tłuszczowych może być modyfikowany zmianami parametrów środowiska hodowlanego biomasy [Komorowski i Błażejak 2011]. Ze względu na zawartość wielonienasyconych kwasów tłuszczowych, olej
mikrobiologiczny może być stosowany jako dodatek do preparatów w żywieniu ludzi
lub w postaci biomasy komórkowej, jako wysokoenergetyczny dodatek paszowy dla
zwierząt. Spośród poznanych szczepów drożdży olejogennych większość należy do
rodzajów Cryptococcus, Lipomyces, Candida, Yarrowia i Rhodotorula [Li i in. 2008,
Ageitos i in. 2011].
Drożdże z gatunku Rhodotorula gracilis są anamorficzną formą Rhodosporidium
toruloides, zaliczaną do rodziny Sporidiobolaceae, rzędu Sporidiales, klasy Urediniomycetes i gromady podstawczaków (Basidiomycota) w królestwie grzybów (Fungi)
[Fell i in. 1998]. Poza biosyntezą karotenoidów (beta-karoten, torulen, torularodyna),
które nadają koloniom różowo-łososiowe zabarwienie, wykazują szczególną zdolność
wewnątrzkomórkowego gromadzenia tłuszczu jako substancji zapasowej [Buzzini i in.
2007, Saenge i in. 2011]. Biosynteza lipidów w komórkach drożdży olejogennych rozpoczyna się zazwyczaj w obecności dużej zawartości źródła węgla w podłożu oraz
ograniczonego dostępu do źródła azotu. Niedobór azotu prowadzi do zmniejszenia
aktywności dehydrogenazy izocytrynianowej w cyklu Krebsa i zwiększonej produkcji cytrynianu, który poprzez błonę mitochondrialną zostaje przeniesiony do cytozolu
komórkowego. Warto zaznaczyć, iż w komórkach drożdży olejogennych zawartość cytrynianu jest 3–4-krotnie wyższa niż u tych o niewielkiej zdolności do biosyntezy lipidów, a dodatkowo obecne są cytoplazmatyczne liazy cytrynianowe [Evans i in. 1983].
Następnie cytrynian w cytozolu ulega przekształceniu do acetylo-CoA przy udziale
liazy ATP-cytrynianowej. W kolejnym etapie karboksylacja acetylo-CoA (wymaga
witamin z grupy B, zwłaszcza biotyny) prowadzi do powstania malonylo-CoA, który wraz z drugą cząsteczką acetylo-CoA są substratami w syntezie łańcucha kwasów
tłuszczowych. Proces syntezy tłuszczu w postaci trójglicerydów w komórkach drożdży
zachodzi w ciałkach lipidowych, tzw. LB (ang. Lipid Bodies), oraz retikulum endoplazmatycznym [Ageitos i in. 2011].
Pozyskiwanie tłuszczu mikrobiologicznego z olejogennych szczepów drożdży
z wykorzystaniem alternatywnych źródeł przyswajalnych form węgla, azotu, fosforu
i składników mineralnych może być jednym ze sposobów utylizacji odpadów przemysłowych. Rolę podstawowych składników pożywki do hodowli drobnoustrojów mogą
spełniać odpadowa gliceryna z produkcji biodiesla i odpadowa ziemniaczana woda sokowa. Produkcja biodiesla w warunkach krajowych osiągnęła poziom ok. 500 tys. ton,
co wygenerowało ok. 100 tys. ton fazy glicerynowej zawierającej 50–60% gliceryny
[Borychowski 2012]. Jednocześnie w ostatnich latach roczna produkcja skrobi ziemniaczanej kształtuje się na poziomie ok. 100–150 tys. ton, co z kolei wymaga zagospodarowania odpadowej wody sokowej powstającej po termiczno-kwasowej koagulacji
białek z soku ziemniaczanego.
Ocena zdolności biosyntezy tłuszczu przez drożdże Rhodotorula gracilis...
5
Celem badań było określenie zdolności wzrostu drożdży z gatunku Rhodotorula
gracilis i biosyntezy przez nie wewnątrzkomórkowego tłuszczu podczas 72-godzinnej
hodowli wgłębnej w podłożach zawierających ziemniaczaną odpadową wodę sokową
oraz glicerol w ilościach 5, 10, 15 i 20% obj.
MATERIAŁY I METODY
Materiał biologiczny
W badaniach zastosowano gatunek drożdży Rhodotorula gracilis pochodzący z kolekcji czystych kultur Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie. Drożdże przechowywano w temperaturze +4°C na stałym podłożu YPD (skosy) [Robinson i in. 2000].
Podłoża hodowlane
Podłoże kontrolne – płynna pożywka YPD o następującym składzie (% wag.): glukoza (2), pepton (2), ekstrakt drożdżowy (1), pH 5,0 [Robinson i in. 2000].
Podłoża doświadczalne – do ich przygotowania zastosowano ziemniaczaną odpadową wodę sokową z Przedsiębiorstwa Przemysłu Spożywczego PEPEES S.A. w Łomży
oraz zróżnicowany dodatek glicerolu (POCH, Polska) w ilościach 5, 10, 15 lub 20%
obj. jako główne źródło węgla. Odpadowa woda sokowa była pozostałością po produkcji białka paszowego, otrzymywanego w wyniku termiczno-kwasowej koagulacji białek
soku ziemniaczanego. Zawierała ok. 3,5% suchej substancji, w tym: 0,3% cukrów bezpośrednio redukujących oraz związki mineralne, w tym fosfor (jako P2O5 – ok. 0,8%).
Białka ogółem (oznaczone metodą Kiejdahla) stanowiły 1,0% s.s. wody sokowej, z czego
ok. połowę stanowiły białka oznaczone metodą Lowry’ego. Podłoża, po ustaleniu pH na
poziomie 5,0 za pomocą 0,1 M HCl, sterylizowano w autoklawie w temperaturze 121°C
przez 20 minut.
Przygotowanie inokulum
Inokulum przygotowano przez zaszczepienie 90 cm3 płynnego podłoża YPD
48-godzinną czystą kulturą stosowanego gatunku drożdży Rhodotorula gracilis. Hodowlę prowadzono w temperaturze 28°C, przez 24 godziny w kolbach płaskodennych
o obj. 500 cm3, na wytrząsarce posuwisto-zwrotnej (SM-30 Control E.Buchler, Niemcy) o amplitudzie drgań 200 cykli/min. Uzyskany materiał służył do inokulacji podłoży
kontrolnych i doświadczalnych.
Hodowla drożdży w podłożach kontrolnych i doświadczalnych
Podłoża kontrolne i doświadczalne szczepiono 24-godzinnym inokulum, po wcześniejszym odwirowaniu biomasy z 10 cm3 hodowli inokulacyjnej (10 min, 1400 g, 4°C,
Centrifuge 5804R, Niemcy), dwukrotnym płukaniu wodą destylowaną, zawieszeniu
w 10 cm3 podłoża YPD lub jałowej odpadowej wody sokowej i ilościowym przeniesieniu do podłoży hodowlanych. W ten sposób wsiew inokulum wynosił 10% obj. Hodowle w podłożach kontrolnych i doświadczalnych prowadzono przez 72 godziny w takich
samych warunkach jak w hodowli inokulacyjnej. Próbki do oznaczenia plonu biomasy
nr 576, 2014
6
i zawartości gliceryny w podłożach doświadczalnych pobierano bezpośrednio po inokulacji oraz po 24, 48 i 72 godzinach hodowli. Zawartość tłuszczu w suchej substancji
biomasy komórkowej oznaczano po 48 i 72 godzinach.
Oznaczenie plonu biomasy
Plon biomasy komórkowej oznaczano metodą suszenia po odwirowaniu (10 min,
1400 g, 4°C, Centrifuge 5804R, Niemcy) określonej objętości płynu pohodowlanego
w zważonej gilzie. Supernatant zlewano, a osad dwukrotnie przemywano wodą destylowaną i ponownie wirowano. Odwirowaną biomasę suszono w temperaturze 80°C (suszarka SML 32/250, Zelmed, Polska) do uzyskania stałej masy. Wynik plonu biomasy
podawano w g s.s.·dm–3.
Oznaczenie zawartości glicerolu
Oznaczanie zawartość glicerolu prowadzono metodą zaproponowaną przez Milcherta, polegającą na utleniającym działaniu kwasu meta-nadjodowego na grupy hydroksylowe w glicerolu. Wynik zawartości glicerolu w podłożach doświadczalnych podawano
w g·100 cm–3 [Milchert i in. 1995].
Oznaczenie zawartości tłuszczu
Wysuszoną i zważoną biomasę komórkową drożdży Rhodotorula, uzyskaną z określonej objętości płynu pohodowlanego, przenoszono do gilz, ważono i umieszczano
w aparacie Soxhleta w celu ekstrakcji z użyciem eteru naftowego (POCH, Polska) jako
rozpuszczalnika. Po 6 godzinach ekstrakcji gilzy suszono w temperaturze 80°C do uzyskania stałej masy. Z różnicy masy przed i po ekstrakcji obliczano zawartość wewnątrzkomórkowego tłuszczu. Wynik podawano w g·100 g s.s.–1 biomasy komórkowej drożdży.
Analiza statystyczna wyników
Statystyczne opracowanie wyników przeprowadzono za pomocą pakietu statystycznego Statgraphics Centurion XVI.I. Średnie wyniki plonu biomasy, zawartości gliceryny
w podłożach hodowlanych oraz wewnątrzkomórkowego tłuszczu uzyskane z trzech serii
doświadczeń analizowano za pomocą jednoczynnikowej analizy wariancji. Wnioskowanie prowadzono przy zastosowaniu testu Tukeya na poziomie istotności α = 0,05.
WYNIKI I DYSKUSJA
Stosowany gatunek drożdży Rh. gracilis wykazał zdolność asymilacji glicerolu z podłoży doświadczalnych w badanym zakresie stężeń (5–20% obj.). Największy plon biomasy (tab. 1.) uzyskano w podłożu z 5-procentowym dodatkiem glicerolu (28,65 gs.s.·dm–3).
Większe dawki glicerolu (10, 15 i 20% obj.) prowadziły do statystycznie istotnego zmniejszenia plonu biomasy, co mogło świadczyć o zakłóceniu metabolizmu komórkowego spowodowanego wzrostem ciśnienia osmotycznego. Wielu autorów [Galafassi i in. 2012,
Taccari 2012, Yen i in. 2012] wskazywało podobnie, iż duże stężenia glicerolu zmniejszają
plon biomasy drożdży gatunków: Rh. glutinis, Rh. mucilaginosa i Rh. graminis. Z tego
7
Tabela 1. Plon biomasy komórkowej drożdży Rh. gracilis podczas hodowli wgłębnej w podłożach
kontrolnych i doświadczalnych
Table 1. Biomass yield of Rh. gracilis yeast during bath cultivation in control and experimental
media
Rodzaj podłoża hodowlanego
Medium type
Czas hodowli – Time of cultivation [h]
0
24
48
72
Plon biomasy – Biomass yield [g s.s.·dm–3]
Kontrolne YPD
Control YPD
0,98 ±0,02a*
16,29 ±0,65cd
16,95 ±0,83d
17,22 ±0,80d
Woda sokowa
Wastewater
0,96 ±0,03a
12,02 ±0,48b
14,82 ±0,58c
14,91 ±0,48c
Woda sokowa + 5% glicerolu
Wastewater + 5% glycerol
1,23 ±0,05a
17,43 ±0,72d
28,11 ±0,89h
28,65 ±0,95h
1,15 ±0,05a
12,52 ±0,45b
22,45 ±0,84g
22,66 ±0,62g
1,26 ±0,07a
13,12 ±0,60b
22,64 ±0,91g
21,68 ±0,78fg
0,93 ±0,04a
12,35 ±0,38b
19,97 ±0,92e
20,71 ±0,85ef
SD – odchylenie standardowe/standard deviation.
*Ten sam indeks literowy oznacza brak istotnej różnicy/The same letter indices indicate a lack of significant
difference.
powodu rekomendowany dodatek glicerolu jako źródła węgla w produkcji biomasy wynosi na ogół 5–6% obj.
W podłożu z odpadową ziemniaczaną wodą sokową (bez suplementacji glicerolem),
ze względu na niewielką zawartość przyswajalnych źródeł węgla (ok. 0,3% cukrów redukujących), plon biomasy był najmniejszy (14,91 gs.s.·dm–3) i nie różnił się on statystycznie
istotnie od plonu uzyskanego w podłożu YPD po 24 godzinach hodowli (16,29 gs.s.·dm–3).
Świadczyło to, że odpadowa woda sokowa była dobrym źródłem przyswajalnych form
azotu, składników mineralnych (zwłaszcza fosforu) i witamin z grupy B dla badanego
szczepu drożdży. Warto zauważyć, że w kontrolnym podłożu YPD zakończenie fazy
wzrostu logarytmicznego drożdży nastąpiło w pierwszej dobie hodowli, a w przypadku
podłoży doświadczalnych z gliceryną w drugiej dobie hodowli. Prawdopodobnie był to
czas (po zasymilowaniu łatwo przyswajalnych cukrów redukujących zawartych w wodzie sokowej) potrzebny do ukierunkowania metabolizmu badanego szczepu na wykorzystanie glicerolu jako źródła węgla.
Według danych literaturowych, biosynteza wewnątrzkomórkowego tłuszczu w postaci triacylogliceroli zachodzi w późnej fazie wzrostu stacjonarnego drożdży [Ageitos i in.
2011], a rozpoczyna się, gdy w podłożu hodowlanym wyczerpaniu ulega źródło azotu,
przy czym źródło węgla pozostaje w nadmiarze [Ratledge 2004]. Oznaczenia zawartości
tłuszczu w biomasie Rh. gracilis przeprowadzone po 48 i 72 godzinach wykazały zdolność biosyntezy związków lipidowych przez badany szczep (tab. 2) i zróżnicowaną jego
zawartość, gdy dodatek glicerolu wynosił 5 i 10% obj. Przy większym dodatku glicerolu
(15 i 20% obj.) stwierdzone różnice zawartości tłuszczu były statystycznie nieistotne.
nr 576, 2014
8
Najwięcej tłuszczu (25,57 g·100gs.s.–1). zawierały drożdże po 72 godzinach hodowli
w podłożu suplementowanym glicerolem w dawce 20% obj. W tych warunkach spełniały
one kryterium drobnoustrojów olejogennych, a zawartość tłuszczu w komórkach drożdży
z tej hodowli była 3- i 5-krotnie wyższa niż odpowiednio w kontrolnym podłożu YPD
i z wodą sokową o znikomej zawartości przyswajalnych źródeł węgla (tab. 2). Niższa
wartość relacji C : N w kontrolnym podłożu YPD i podłożu doświadczalnym bez dodatku glicerolu powodowała statystycznie istotne zmniejszenie zawartości wewnątrzkomórkowego tłuszczu po 72 godzinach w porównaniu do drożdży z hodowli 48-godzinnej.
Stosunek molowy C : N jest kluczowy dla wydajnej biosyntezy wewnątrzkomórkowych
lipidów i na ogół powinien wynosić powyżej 100 [Rupcic i in. 1996, Ratledge 2002, Papanikolaou i in. 2004, Beopoulos i in. 2009].
O opłacalności biosyntezy tłuszczu mikrobiologicznego decydują zarówno plon biomasy, zawartość w niej tłuszczu, jak i ilość tłuszczu wytworzona w 1 dm3 podłoża hodowlanego. Z tego punktu widzenia największą objętościową produktywność biosyntezy
wewnątrzkomórkowego tłuszczu osiągnięto w podłożach doświadczalnych z 15 i 20%
obj. zawartością glicerolu. W tych warunkach po 72-godzinnej hodowli wgłębnej drożdży uzyskano powyżej 5 g tłuszczu komórkowego z jednego dm3 podłoża doświadczalnego (tab. 2).
Tabela 2. Zawartość tłuszczu w biomasie komórkowej drożdży Rh. gracilis oraz objętościowa
produktywność biosyntezy wewnątrzkomórkowego tłuszczu podczas hodowli wgłębnej
w podłożach kontrolnych i doświadczalnych
Table 2. Fat content in Rh. gracilis yeast cell biomass and volumetric productivity of biosynthesis
intracellular fat during bath cultivation in control and experimental media
Czas hodowli – Time of cultivation [h]
48
Medium type
72
Zawartość tłuszczu
Fat content
[g·100 gs.s.–1]
48
72
Objętościowa produktywność
biosyntezy
Volumetric productivity
of biosynthesis
[g·dm–3]
Kontrolne YPD
Control YPD
9,80 ±0,40d*
8,87 ±0,38c
1,66
1,53
Woda sokowa
Wastewater
5,41 ±0,34b
4,81 ±0,25a
0,80
0,72
5,79 ±0,25b
8,24 ±0,32c
1,63
2,40
8,58 ±0,35c
11,88 ±0,45e
1,93
2,69
13,48 ±0,47f
25,45 ±0,52g
3,05
5,52
13,97 ±0,34f
25,57 ±0,48g
2,78
5,30
*Ten sam indeks literowy oznacza brak istotnej różnicy/The same letter indices indicate a lack of significant
difference.
9
W pozostałych wariantach podłoży objętościowa produktywność biosyntezy tłuszczu w komórkach drożdży Rh. gracilis była kilkakrotnie niższa i w przypadku podłoża
doświadczalnego bez dodatkowego źródła węgla w postaci glicerolu nie przekroczyła
1 g·dm–3. Odpadową wodę sokową powstającą przy produkcji chipsów ziemniaczanych
stosowano jako źródła składników odżywczych także w hodowli grzybów strzępkowych
Aspergillus oryzae [Muniraj i in. 2013]. W wyniku biosyntezy lipidów w biomasie tych
pleśni w 1 dm3 podłoża hodowlanego uzyskiwano ok. 3,5 g tłuszczu.
Ważnym aspektem, który należy brać pod uwagę przy mikrobiologicznych metodach pozyskiwania składników żywności z udziałem drobnoustrojów, jest wykorzystanie
składników podłoży hodowlanych, w tym przypadku glicerolu (tab. 3). Po 72 godzinach
wykorzystanie glicerolu było niepełne. Największe (86%) wystąpiło przy 5% obj. zawartości glicerolu w podłożu hodowlanym, a najmniejsze (59%) przy 20% obj. dodatku tego
źródła węgla.
Tabela 3. Zmiany zawartości glicerolu w podłożach doświadczalnych oraz stopień wykorzystania
tego substratu przez drożdże Rh. gracilis podczas hodowli wgłębnej
Table 3. Changes of glycerol content in experimental media and ratio of using this substrate by Rh.
gracilis yeast during bath cultivation
Czas hodowli– Time of cultivation [h]
0
Medium type
24
48
72
Zawartość glicerolu
Glycerol content [%]
Stopień
wykorzystania
glicerolu
Ratio
of glycerol
using
[%]
5,0
±0,10
3,5
±0,10
1,60
±0,05
0,70
±0,04
86
10,0
±0,10
8,7
±0,10
4,60
±0,10
2,80
±0,10
73
15,0
±0,10
12,6
±0,20
7,10
±0,10
3,70
±0,10
75
20,0
±0,10
18,2
±0,30
14,00
±0,20
8,20
±0,10
59
W warunkach doświadczenia najwięcej tłuszczu w komórkach drożdży (powyżej
25% wag.) uzyskiwano przy dawkach glicerolu 15 i 20% obj., co potwierdziło zdolność gromadzenia tłuszczu przez stosowany gatunek Rh. gracilis przy dużym nadmiarze
źródeł węgla, w czasie logarytmicznej fazy wzrostu. Z tego powodu hodowlę badanego
szczepu drożdży w podłożach z odpadową ziemniaczaną wodą sokową i gliceryną należy
prowadzić dłużej (powyżej 72 h) w celu pełnego zmetabolizowania źródła węgla [Zheng
i in. 2005, Taha i in. 2010].
nr 576, 2014
10
WNIOSKI
1. Badany gatunek drożdży Rhodotorula gracilis wykazał zdolność wzrostu i biosyntezy wewnątrzkomórkowego tłuszczu podczas 72-godzinnej hodowli wgłębnej
w podłożach doświadczalnych z glicerolem i ziemniaczaną odpadową wodą sokową jako
źródłami węgla i azotu.
2. Największy plon biomasy komórkowej (28,65 gs.s.·dm–3) uzyskano w podłożu doświadczalnym z ziemniaczaną wodą sokową i 5% obj. dodatkiem glicerolu.
3. Biosynteza wewnątrzkomórkowego tłuszczu w podłożach doświadczalnych z glicerolem przez drożdże Rhodotorula gracilis zachodziła w fazie wzrostu stacjonarnego.
Najwięcej tłuszczu (powyżej 25,00 g·100 gs.s.–1) i najwyższą produktywność objętościową biosyntezy wewnątrzkomórkowego tłuszczu (powyżej 5 g·dm–3) uzyskano w podłożach doświadczalnych zawierających 15- i 20-procentowy dodatek glicerolu.
4. Wzrastająca zawartość glicerolu w podłożach doświadczalnych (od 5 do 20%
obj.) prowadziła do zmniejszenia stopnia jego wykorzystania (z 86 do 59%) jako źródła
węgla przez stosowane drożdże. Niepełny stopień wykorzystania glicerolu z podłoży doświadczalnych uzasadnia celowość przedłużenia hodowli wgłębnej powyżej 72 godzin.
LITERATURA
Ageitos J.M., Vallejo J.A., Veiga-Crespo P., Villa T.G., 2011. Oily yeast as oleoginous cell factories.
Appl. Microbiol. Biotech. 90, 1219–1227.
Beopoulos A., Cescut J., Haddouche R., Uribelarrea J.L., Molina-Jouve C., Nicaud J.M., 2009. Yarrowia lipolytica as a model for bio-oil production. Progress in Lipid Res. 48, 375–387.
Borychowski M., 2012. Produkcja i zużycie biopaliw płynnych w Polsce i na świecie – szanse,
zagrożenia, kontrowersje. W: Roczniki Ekonomiczne Kujawsko-Pomorskiej Szkoły
Wyższej w Bydgoszczy 5, 39–59.
Buzzini P., Innicenti M., Turchetti B., Libkind D., Broock M., Mulinacci N., 2007. Carotenoid
profiles of yeast belonging to the genera Rhodotorula, Rhodosporidium, Sporobolomyces
and Sporidiobolus. Can. J. Microbiol. 53, 1024–1031.
Evans C.T., Scragg A.H., Ratledge C., 1983. A comparative study of citrate efflux from mitochondria of oleaginous and nonoleaginous yeasts. Europ. J. Biochem. 130, 195–204.
Fell J.W., Statzell-Tallman A., 1998. ”Rhodotorula” Harison. In: The yeast, a taxonomic study, 4th
ed., Ed by Kurtzman & Fell, Elsevier, Amsterdam, 800–827.
Galafassi S., Cucchetti D., Pizza F., Bianchi D., Compagno C., 2012. Lipid production for second
generation biodiesel by the oleaginous yeast Rhodotorula graminis. Biores. Technol. 111,
398–403.
Karatay S., Donmez G., 2010. Improving the lipid accumulation properties of the yeast cell for
biodiesel production using molasses. Biores. Tech. 101, 7988–7990.
Komorowski P., Błażejak St., 2011. Ocena zdolności biosyntezy tłuszczu przez wybrane drożdże.
Przem. Spoż. 65(9), 48–51.
Li Q., Du W., Liu D., 2008. Perspectives of microbiol olis for biodiesel production. Appl. Microbiol. Biotech. 80, 749–756.
Milchert E., Goc W., Lewandowski G., Myszkowski J., 1995. Dehydrochlorination of glicerol
dichlorohydrin to epichlorohydrin. Chem. Papers 49(3), 133–136.
11
Muniraj I.K., Xiao L., Hu Z., Zhan X., Shi J., 2013. Microbial lipid production from potato processing wastewater using oleaginous filamentous fungi Aspergillus oryzae. Water Res. 47,
3477–3483.
Papanikolaou S., Aggelis G., Komaitis M., 2004. Single Cell Oil (SCO) production by Mortierella
asabellina grown on high-suger content media. Biores. Tech. 95, 287–291.
Ratledge C., 2002. Regulation of lipid accumulation in oleaginous microorganisms. Biochem. Soc.
Trans., 30, 1047–1050.
Ratledge C., 2004. Fatty acid biosynthesis in microorganisms being used for Single Cell Oil production. Biochimi. 86, 807–815.
Robinson R.K., Batt C.A., Patel P.D., 2000. Encyclopedia of food microbiology. Academic, New
York, 252–300, 850–854.
Rupcic J., Blagowic B., Maric V., 1996. Cell lipids of the candida lipolytica yeast grown on methanol. J. Chrom. 755, 75–80.
Saenge C., Cheirsilp B., Suksaroge T., Bourtoom T., 2011. Potential use of oleaginous red yeast
Rhodotorula glutinis for the bioconvertion of crude glycerol from biodiesel plant to lipids
and carotenoides. Process Biochem. 46, 210–218.
Taccari M., Canonico L., Comitini F., Mannazzu I., Ciani M., 2012. Screening of yeasts for growth
on crude glycerol and optimization of biomass production. Bioresource Technol. 110,
488–495.
Taha E.M., Omar O., Yousoff W.M., Hamid A.A., 2010. Lipid biosynthesis in Cunnighamella bainieri 2A1 in N-limited and N-excess media. Annuals in Microbiol. 60, 615–622.
Yen W.H., Yang Y., Yu Y.H., 2012. Using crude glycerol and thin stillage for the production of microbial lipids through the cultivation of Rhodotorula glutinis. J. Biosci. Bioeng. 114(4),
453–456.
Zheng S., Yang M., Yang Z., 2005. Biomass production of yeast isolate from salad oil manufacturing wastewater. Biores. Technol. 96, 1183–1187.
EVALUATION OF THE ABILITY OF THE INTRACLELLULAR FAT
BIOSYNTHESIS BY RHODOTORULA GRACILIS YEAST IN MEDIA
CONTAINING POTATO WASTEWATER ENRICHED WITH GYCEROL
Summary. The biosynthesis of intracellular fat by oleaginous yeast strains based on alternative sources of carbon, nitrogen, phosphorus and mineral ingredients can provide the
opportunity for the utilization of the industrial wastes. The culture media for SCO production can include glycerol from biodiesel production as a source of carbon as well as
potato wastewater as a source of nitrogen. Potato wastewater is a waste of the production
of protein feed obtained by proteins thermal-acid coagulation from potato juice. The aim
of the study was to determine the ability of Rhodotorula gracilis yeast to the growth and
intracellular biosynthesis of fat during 72-hour bath cultivation in experimental media containing potato wastewater enriched with glycerol. Experimental media contained potato
wastewater and diverse addition of glycerol in quantities of 5, 10, 15 or 20% vol. Control
medium was YPD. Potato wastewater originated from PEPEES SA Food Industry in Łomża
(Central East Poland). The biomass yield, intracellular fat content as well as glycerol in
cultivation media content were determined during yeast cultivation. Biomass yield was
performed by gravimetric method, while glycerol content by the Milchert’s method. The
intracellular fat content was determined after extraction according to the Soxhlet method
nr 576, 2014
12
with petroleum ether. The highest yield of the cell biomass (28.65 gs.s.·dm–3) was obtained
in the experimental medium with wastewater and 5% of glycerol. Culturing of the yeast of
Rhodotorula gracilis in medium containing potato wastewater media enriched with 15 or
20% glycerol leads to the biosynthesis of intracellular fat. The intracellular biosynthesis of
fat in the experimental media glycerol occurred in the stationary growth phase. The highest intracellular fat (25.57 g·100 gs.s.–1) was found in yeast biomass from the experimental
media containing 20% glycerol. In comparison to the fat content in the biomass from YPD
control medium (8.87 g·100 gs.s.–1) and experimental without glycerol (4.81 g·100 gs.s.–1) the
value was about 3 and 5 times greater respectively. The volumetric productivity of fat in
cells of the yeast strain tested exceeded 5 g·dm–3 in potato wastewater media enriched with
15 or 20% glycerol. Increasing the glycerol content in the experimental media (from 5 to
20% vol) led to a reduction in glycerol utilization by yeast (from 86 to 59%). The fact of
incomplete utilization of glycerol in experimental media should result in an extension of the
submerged culture over 72 hours.
Key words: SCO (Single Cell Oil), Rhodotorula, potato wastewater, glycerol, biosynthesis
of intracellular fat
nr 576, 2014, 13–21
OCENA NIEZAWODNOŚCI USUWANIA
ZWIĄZKÓW BIOGENNYCH W OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW
METODĄ WEIBULLA
Piotr Bugajski
Uniwersytet Rolniczy w Krakowie
Streszczenie. Celem pracy była ocena niezawodności usuwania związków azotu i fosforu z zastosowaniem metody niezawodności Weibulla w zbiorczej oczyszczalni ścieków
w Mszanie Dolnej. Wielkość projektowana oczyszczalni wyrażona RLM wynosi 18000.
Badania prowadzono w latach 2007–2011, w których pobrano i poddano analizie fizyczno-chemicznej 60 próbek ścieków surowych i oczyszczonych. Na podstawie badań stwierdzono, że stężenia azotu ogólnego w ściekach dopływających w 83,3% przypadków odpowiadały charakterystycznym wartościom w ściekach bytowych, z kolei stężenia fosforu
ogólnego były tylko w 30% na poziomie wartości charakterystycznych. Za pomocą tej
metody oceniano poziom niezawodności technologicznej oczyszczalni, który to wynika
z metodycznej analizy uzyskanych wcześniej wyników badań. Analizowana oczyszczalnia
pracuje z obniżoną niezawodnością, która dla azotu ogólnego wynosi 87,1%, a dla fosforu
ogólnego 93,9%. Na skutek obniżonej skuteczności usuwania związków azotu oraz fosforu
w badanym obiekcie w ściekach odprowadzanych do odbiornika pojawiają się stężenia
wyższe od dopuszczalnych określonych w pozwoleniu wodno-prawnym. Według zaproponowanego w pracy dopuszczalnego poziomu niezawodności dla tej wielkości oczyszczalni
opisanego przez Andrakę i Dzienisa [2003], w przedmiotowej oczyszczalni tylko stężenia
azotu są wyższe od przyjętego poziomu niezawodności, a w odniesieniu do stężeń fosforu
poziom niezawodności usuwania tego biogenu zawiera się w dopuszczalnej granicy. Celem zwiększenia skuteczności procesów nitryfikacji i denitryfikacji w bioreaktorze badanej
oczyszczalni należy prowadzić ciągły monitoring (online) i okresowo dawkować dodatkowe źródło węgla organicznego (BZT5) bezpośrednio do bioreaktora w celu zachowania
odpowiednich proporcji związków organicznych wyrażonych jako BZT5 w stosunku do
związków azotu, tak aby prawidłowo zachodziły procesy nitryfikacji i denitryfikacji odpowiedzialne za neutralizację związków azotu.
Słowa kluczowe: ścieki, oczyszczalnia, niezawodność usuwania, metoda Weibulla
Adres do korespondencji – Corresponding author: Piotr Bugajski, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji, Katedra Inżynierii Sanitarnej i Gospodarki Wodnej,
Al. Mickiewicza 24/28, 30-059 Kraków, e-mail: [email protected]
14
P. Bugajski
WSTĘP
Dynamiczny rozwój w ostatnich latach infrastruktury sanitarnej na terenach gmin
wiejskich w Polsce niewątpliwie wpływa na poprawę stanu czystości wód [Błażejewski
2012, Jóźwiakowski i in. 2012]. W miejscowościach, w których do niedawna mieszkańcy korzystali z wybieralnych zbiorników bezodpływowych (szamba), powstają zbiorcze
systemy kanalizacyjne z oczyszczalnią ścieków, a na terenach o rozproszonej zabudowie
instalowane są przydomowe oczyszczalnie [Krzanowski i Wałęga 2007, Heidrich i Stańko 2008, GUS 2012]. Według aktualnych danych GUS [2012], w Polsce funkcjonuje
ponad 110 000 przydomowych oczyszczalni, a docelowo szacuje się, że będzie ich ponad
600 000. W krajach Unii Europejskiej, w tym też w Polsce, przepisy dotyczące wymagań
jakości ścieków oczyszczonych odprowadzanych z oczyszczalni są zróżnicowane w zależności od wielkości obiektu określonej na podstawie równoważnej liczby mieszkańców
[Dz.U. Nr 137, poz. 984 z późn. zm].
Zbiorcze oczyszczalnie ścieków instalowane na terenach wiejskich są obiektami, w których wymagania odnośnie unieszkodliwiania związków biogennych nie są uwzględniane
lub wymogi odnośnie tych związków są bardzo liberalne. W związku z tym technologia
oczyszczania w tych oczyszczalniach jest niedostosowana do usuwania związków azotu
i fosforu. Uwzględniając dużą liczbę powstających tego typu oczyszczalni w Polsce, należy mieć na względzie, iż nadmiar związków azotu i fosforu w odprowadzanych ściekach
będzie skutkował zwiększonymi procesami eutrofizacji wód, zwłaszcza stojących. Aby
uniknąć tego zagrożenia, należy opracować wytyczne odnośnie całego kraju lub regionów szczególnie narażonych na zanieczyszczenia wód dotyczące doboru takiej technologii
oczyszczania, która pozwoli na jak największe usuwanie zanieczyszczeń eutroficznych.
W tego rodzaju działaniach należy oczywiście uwzględnić specyficzne warunki dla terenów wiejskich w Polsce, tj. stężenie zanieczyszczeń w ściekach, ilość powstających ścieków, a także warunki klimatyczne [Bojanowska i Pepliński 2002, Bugajski 2013].
CEL, ZAKRES ORAZ METODYKA BADAŃ
Celem pracy była ocena niezawodności usuwania związków azotu i fosforu z zastosowaniem metody Weibulla w zbiorczej oczyszczalni ścieków.
Badania prowadzono w latach 2007–2011 w zbiorczej oczyszczalni ścieków w Mszanie Dolnej. W okresie badań pobrano i poddano analizie fizyczno-chemicznej 60 próbek
ścieków surowych i oczyszczonych zgodnie z metodami referencyjnymi określonymi
w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z 2006 roku [Dz.U. Nr 137, poz. 984 z późn.
zm.]. Ocenę efektywności usuwania zanieczyszczeń w przedmiotowej oczyszczalni określono z wykorzystaniem elementów teorii niezawodności Weibulla, która, jak wykazały wcześniejsze badania, jest przydatną metodą do oceny funkcjonowania oczyszczalni ścieków [Bugajski i in. 2012]. Rozkład Weibulla charakteryzuje się funkcją gęstości
prawdopodobieństwa (1) z parametrami b, c i θ:
f x
c §x T ·
¨
¸
b © b ¹
c 1
e
§ x T ·
¨
¸
© b ¹
c
(1)
Ocena niezawodności usuwania związków biogennych w oczyszczalni ścieków...
15
gdzie:
x – zmienna określająca stężenie danego wskaźnika zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych,
b – parametr skali,
c – parametr kształtu,
θ – parametr położenia.
Przy założeniach: θ < x, b > 0, c > 0.
Estymację parametrów rozkładu Weibulla wykonano metodą największej wiarygodności. Jakość dopasowania rozkładu Weibulla do danych empirycznych przeprowadzono
testem Hollandera-Proschana [Bugajski i in. 2012]. Analizę wyników badań wykonano
z użyciem programu STATISTICA 8.
CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU BADAŃ
Analizowana oczyszczalnia ścieków w Mszanie Dolnej oddana do użytku w 2004 roku została zaprojektowania dla RLM = 18 000 M. Do obiektu dopływają ścieki systemem
kanalizacji rozdzielczej z gospodarstw domowych z obszaru miasta oraz dowożone są
ścieki taborem asenizacyjnym z obszarów nieskanalizowanych z terenu gminy. Projektowany średni dobowy dopływ ścieków wynosi Qdśr. = 3600 m3·d–1, a dopływ maksymalny
wynosi Qdmax. = 4680 m3·d–1. W okresie 5-letnich badań średni dopływ ścieków był na poziomie 57% zakładanego dopływu, zatem możliwe jest przyjęcie większej ilości ścieków
niż obecnie. Aktualnie przy niedociążeniu hydraulicznym obiektu zwiększony jest koszt
jednostkowy oczyszczania ścieków. Oczyszczalnia ścieków funkcjonuje na podstawie
pozwolenia wodno-prawnego OŚ-622/3/6/0 wydanego przez Starostwo Powiatowe w Limanowej w dniu 8 kwietnia 2004 roku. Pozwolenie ma ważność do 31 grudnia 2018 roku. Odbiornikiem ścieków oczyszczonych jest rzeka Mszanka – prawobrzeżny dopływ
rzeki Raby. W pozwoleniu wodno-prawnym zostały określone dopuszczalne (maksymalne) stężenia badanych wskaźników, czyli azotu ogólnego i fosforu ogólnego w ściekach
oczyszczonych, które wynoszą;
− azot ogólny – 15 mgNog·dm–3,
− fosfor ogólny – 2 mgPog·dm–3.
Ciąg technologiczny przedmiotowej oczyszczalni składa się z dwóch etapów oczyszczania ścieków oraz urządzeń do unieszkodliwiania osadów ściekowych. Etap pierwszy
to oczyszczanie mechaniczne ścieków poprzez zastosowanie kraty gęstej – schodkowej
z automatycznym usuwaniem skratek oraz piaskownika pionowego – wirowego. Z kolei
etap drugi to oczyszczanie biologiczne w czterech bioreaktorach sekwencyjnych typu
SBR, w których zachodzą procesy nitryfikacji i denitryfikacji oraz proces oddzielania
osadów od oczyszczonych ścieków. Przy aktualnym niskim obciążeniu hydraulicznym
użytkowane są tylko 2 bioreaktory, a w razie zwiększonego dopływu możliwe jest uruchomienie dwóch kolejnych. W skład ciągu technologicznego unieszkodliwiającego osady ściekowe wchodzą dwa zbiorniki do tlenowej stabilizacji osadu oraz prasy filtracyjne,
których zadaniem jest zmniejszenie uwodnienia osadów, tak aby zminimalizować ich
objętość.
nr 576, 2014
16
P. Bugajski
ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
W ściekach dopływających do oczyszczalni stężenia azotu ogólnego w większości przypadków plasowały się na poziomie przeciętnych wartości podawanych w literaturze, czyli można je zakwalifikować do ścieków charakterystycznych odprowadzanych z gospodarstw domowych [Heidrich i in. 2008, Bugajski i Bergel 2008, Heidrich
i Kozak 2009]. Jak wynika z wykresu przedstawionego na rysunku 1, w 83,3% przypadków stężenia azotu ogólnego zawierały się w przedziale odpowiadającym ściekom
charakterystycznym odprowadzanym z gospodarstw domowych, czyli w granicach od
30 do 120 mgNog·dm–3. W 5% przypadków stężenia azotu ogólnego były bardzo niskie,
a w 11,7% przypadków były bardzo wysokie. Niskie stężenia azotu ogólnego w ściekach
surowych mogą wynikać z okresowego dopływu wód obcych (infiltracyjnych i przypadkowych), w których ładunek azotu jest bardzo mały, z kolei ponadprzeciętnie wysokie
wartości azotu w ściekach surowych były prawdopodobnie wynikiem dopływu do kanalizacji ścieków przemysłowych [Kaczor 2012, Bugajski i Satora 2011].
Częstość względna
Relative frequency [%]
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0 < x ≤ 30
30 < x ≤ 60
60 < x ≤ 90
90 < x ≤ 120 120 < x ≤ 150
mgNog·dm–3
x > 150
Rys. 1.
Histogram rozkładu stężenia azotu ogólnego w ściekach dopływających do oczyszczalni
Fig. 1.
Histogram of the total nitrogen concentration distribution in sewage flowing into the treatment plant
W odniesieniu do wielkości stężenia fosforu ogólnego stwierdzono małe wartości
tego wskaźnika w ściekach surowych. W badanym okresie w blisko 1/3 badanych próbek ścieków stwierdzono stężenia charakterystyczne dla ścieków bytowych pochodzących z gospodarstw domowych, czyli zawierały się w przedziale od 10 do 20 mgPog·dm–3
(36,7% przypadków). Znaczna ilość analiz (46,7% przypadków) wykazała, iż wartości
stężeń fosforu ogólnego są poniżej 10 mgPog·dm–3. Zdarzyły się również sporadycznie
bardzo wysokie stężenia fosforu ogólnego, powyżej 50 mgPog·dm–3 (1,7% przypadków).
Stężenia fosforu ogólnego w ściekach dopływających do badanego obiektu przedstawiono na rysunku 2.
W dalszej analizie dla oszacowanych parametrów rozkładu dokonano weryfikacji hipotezy o przyjęciu rozkładu Weibulla do aproksymacji danych empirycznych. Wyniki
dopasowania rozkładu testem Hollandera-Proschana wraz z estymowanymi parametrami
przedstawiono w tabeli 1.
Częstość względna
Relative frequency [%]
17
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0 < x ≤ 10
10 < x ≤ 20
20 < x ≤ 30
30 < x ≤ 40
40 < x ≤ 50
x > 50
mgPog·dm–3
Rys. 2.
Histogram rozkładu stężenia fosforu ogólnego w ściekach dopływających do oczyszczalni
Fig. 2.
Histogram of the total phosphorus concentration distribution in sewage flowing into the
treatment plant
Tabela 1. Wyniki estymacji parametrów rozkładu Weibulla wraz z miarami dobroci dopasowania
do danych empirycznych
Table 1. Results of the estimation of the Weibull distribution parameters together with the measures of goodness of fit to empirical data
Wskaźnik
Index
Parametry rozkładu
Distribution parameters
Test Hollandera-Proschana
b
c
θ
Wartość testu
Test value
p*
Azot ogólny
Total nitrogen
8,793
1,284
0,728
0,589
0,555
Fosfor ogólny
Total phosphorus
1,013
1,507
0,149
0,252
0,800
* Prawdopodobieństwo testowe; jeśli p ≤ 0,05 należy odrzucić hipotezę zerową, że dane empiryczne można
opisać rozkładem Weibulla.
* Probability test; if p ≤ 0,05 should be reject the null hypothesis that the empirical data can be described by
Weibull distribution.
Wyniki analizy niezawodnościowej opartej o metodę Weibulla dotyczącą azotu
ogólnego w ściekach oczyszczonych przedstawiono na rysunku 3, a fosforu ogólnego na rysunku 4. Na podstawie dystrybuanty (rys. 3) stwierdza się, że w 13% pobranych próbkach ścieków oczyszczonych było przekroczone dopuszczalne stężenie azotu
ogólnego, które wynosi 15 mgNog·dm–3. Zatem w ściekach odprowadzanych do odbiornika z analizowanej oczyszczalni w około 47 dobach w rocznym okresie znajdują
się ponad dopuszczalne wartości stężeń azotu ogólnego. W przypadku stężeń fosforu
ogólnego w ściekach oczyszczonych wartość dopuszczalna 2 mgPog·dm–3 została przekroczona w 6% przypadków, co obrazuje dystrybuanta na rysunku 4. Zatem w rocznym okresie w około 22 dobach przekroczone są dopuszczalne wartości stężeń fosforu ogólnego. Przyjmując wytyczne zaproponowane przez Andrakę i Dzenisa [2003],
według których tej wielkości oczyszczalnia powinna pracować z niezawodnością co
najmniej 92,3% przy ryzyku producenta na poziomie α = 0,05, dopuszcza się wadliwą
nr 576, 2014
1,0
0,9
0,8
Niezawodność
Reliability R(t)
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
Azot ogólny
Total nitrogen [mgNog·dm–3]
Rys. 3.
Fig. 3.
Wyniki analizy niezawodnościowej Weibulla dla stężeń azotu ogólnego w ściekach
oczyszczonych
Results of the Weibull reliability analysis for the total nitrogen concentrations in treated
sewage
1,0
0,9
0,8
Niezawodność
Reliability R(t)
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0,0
Rys. 4.
Fig. 4.
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Fosfor ogólny
Total phosphorus [mgPog·dm–3]
Wyniki analizy niezawodnościowej Weibulla dla stężeń fosforu ogólnego w ściekach
oczyszczonych
Results of the Weibull reliability analysis for the total phosphorus concentrations in treated sewage
19
pracę oczyszczalni o RLM od 15 000 do 49 999 przez 27 dni w roku. W przypadku
przedmiotowej oczyszczalni zmniejszona jest niezawodność usuwania azotu ogólnego
w 20 dobach, a wartości stężeń fosforu ogólnego są na poziomie spełniającym wymagania dotyczące niezawodności.
WNIOSKI
Metoda, którą zaproponowano do oceny niezawodności funkcjonowania zbiorczej
oczyszczalni ścieków w Mszanie Dolnej, została oparta o rozkład Weibulla i jak wykazały wcześniejsze analizy w odniesieniu do innych tego typu obiektów umożliwia ocenę
ryzyka przekroczenia dopuszczalnych wartości wskaźników zanieczyszczeń w ściekach
oczyszczonych [Bugajski i in. 2012]. Na podstawie tej metody możliwe jest również
określnie czasu pracy oczyszczalni z obniżoną efektywnością usuwania zanieczyszczeń,
co może być przydatne w podjęciu decyzji dotyczącej np. modernizacji ciągu technologicznego lub tylko regulacji procesów oczyszczania zachodzących w bioreaktorze.
Na podstawie przeprowadzonej analizy niezawodnościowej dla zbiorczej oczyszczalni w Mszanie Dolnej można sformułować następujące wnioski i stwierdzenia:
1. Oczyszczalnia ścieków charakteryzuje się okresowo obniżoną efektywnością
usuwania zanieczyszczeń eutroficznych w odniesieniu do wartości granicznych. W odniesieniu do stężenia azotu ogólnego obniżona efektywność pracy wystąpiła w 13%
czasu, a stężenia fosforu ogólnego były przekroczone w 6% czasu w analizowanym
okresie 5 lat.
2. Ocena niezawodności pracy oczyszczalni oparta o model Weibulla w odniesieniu
do wskaźników biogennych wykazała, że w przypadku skuteczności zmniejszenia stężenia azotu ogólnego obiekt ten spełniałby wymogi przez 318 dni, a w przypadku fosforu
ogólnego przez 343 dni średnio w każdym roku.
3. Niezawodność działania według wskazanych wytycznych jest zadowalająca w odniesieniu do stężeń fosforu ogólnego, z kolei stężenia azotu ogólnego są wyższe od dopuszczalnych w 27 dobach w odniesieniu do rocznego okresu.
4. Na podstawie analiz fizyczno-chemicznych stwierdzono, że w ściekach dopływających stężenia azotu ogólnego w 83,3%, a stężenia fosforu ogólnego w 36,7% przypadków były na poziomie wartości stężeń charakterystycznym dla ścieków pochodzących
z gospodarstw domowych.
5. Aby zwiększyć skuteczność usuwania związków azotu należy w okresie, gdy niezachowana jest odpowiednia proporcja związków organicznych (BZT5) do azotu okresowo dawkować dodatkowe źródło węgla organicznego do bioreaktora, tak aby wspomagać
działanie mikroorganizmów biorących udział w procesie nitryfikacji i denitryfikacji.
LITERATURA
Andraka D., Dzienis L., 2003. Wymagany poziom niezawodności oczyszczalni ścieków w świetle
przepisów polskich i europejskich. Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej. Seria
Inżynieria Środowiska, z. 16, Białystok, 24–28.
nr 576, 2014
20
P. Bugajski
Błażejewski R., 2012. Kanalizacja terenów niezurbanizowanych. Wodociągi i Kanalizacja 1(95),
34–37.
Bojanowska I., Pepliński M., 2002. Optymalizacja pracy oczyszczalni ścieków w Tczewie w zakresie usuwania biogenów i związków węgla. Ochrona Środowiska 3, 31–36.
Bugajski P., Bergel T., 2008. Wielkości wybranych stężeń zanieczyszczeń w ściekach bytowych
odpływających z terenów wiejskich. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 9, 28–29.
Bugajski P., Satora S., 2011. Wpływ zanieczyszczeń odprowadzanych z ubojni trzody chlewnej
oraz masarni na jakość ścieków dopływających do oczyszczalni. Acta Sci. Pol., Formatio
Circumiectus 10(2), 3–10.
Bugajski P., Wałęga A., Kaczor G., 2012. Zastosowanie metody Weibulla do analizy niezawodności działania przydomowej oczyszczalni ścieków. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 2,
56–58.
Główny Urząd Statystyczny – Ochrona Środowiska, Warszawa 2013.
Heidrich Z., Kalenik M., Podedworna J., Stańko G., 2008. Sanitacja Wsi. Wydawnictwo Seidel-Przywecki Sp. z o. o., Warszawa.
Heidrich Z., Kozak T., 2009. Jednostkowe ładunki zanieczyszczeń charakteryzujące ścieki miejskie. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 12, 20–22.
Heidrich Z., Stańko G., 2008. Kierunki rozwiązań oczyszczalni ścieków dla wiejskich jednostek
osadniczych. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich 5, 169–177.
Jóźwiakowski K., Pytka A., Marzec M., Gizińska M., Dąbek J., Głaz B., Sławińska A., 2012. Rozwój infrastruktury wodno-ściekowej w województwie lubelskim w latach 2000–2011.
Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich 3(I), 73–86.
Kaczor G., 2012. Wpływ wód infiltracyjnych i przypadkowych na funkcjonowanie małych systemów kanalizacyjnych. Z. 375, Wydawnictwo Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie,
Kraków.
Krzanowski S., Wałęga A., 2007. New technologies of small domestic sewage volume treatment
applied in Poland. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich 3, 69–78.
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 roku w sprawie warunków jakim
powinny odpowiadać ścieki wprowadzane do wód lub do ziemi oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego [Dz.U. Nr 137, poz. 984,
z późn. zm.].
ASSESSMENT OF NUTRIENT REMOVAL RELIABILITY IN A SEWAGE
TREATMENT PLANT USING THE WEIBULL METHOD
Summary. The aim of this study was to assess the reliability of removal of nutrients, such
as total nitrogen and total phosphorus, using the Weibull reliability method. The studies,
conducted during the 5 year period from 2007 to 2011, concerned the collective sewage
treatment plant in Mszana Dolna in the Lesser Poland voivodeship. The designed size of the
treatment plant, expressed in PE is 18000 residents. In addition to sewage flowing into the
treatment plant through the sewer system from the city, sewage is also transported from septic tanks from the commune areas not-covered with the sewerage system. Sixty samples of
raw and treated sewage samples were collected and subjected to physico-chemical analysis
within the study period. Based on the results it was found that in 83.3% cases the concentration of total nitrogen in inflowing sewage corresponded to the typical values for domestic
sewage, while the concentrations of total phosphorus were at the level of the characteristic
values only in 30%. The technological reliability of the treatment plant, which stems from
the methodological analysis of previously obtained results concerning treated sewage, was
evaluated using the Weibull reliability method. Based on this method it was found that the
analyzed treatment plant works with reduced operating reliability in the selected periods,
which for total nitrogen is 87.1%, while for total phosphorus it is 93.9%. As a result of the
decreased removal efficiency of nitrogen and phosphorus compounds in the analyzed facility, the concentrations of those indicators in sewage discharged into the receiver are higher
than the limits specified in the water license. According to the acceptable level of reliability
for this size of the treatment plant, proposed in this paper, i.e. 92.3%, only the nitrogen concentrations are greater than the accepted level of reliability in the subject treatment plant,
while in the case of phosphorus concentrations, the level of removal reliability for this
nutrient falls within the permissible risk limit. The assessment of the treatment plant operation reliability, based on the Weibull model with respect to the nutrients, showed that in the
case of the total nitrogen removal effectiveness, this facility would meet the requirements
for 318 days, while in the case of total phosphorus – on average for 343 days in each of the
study year. A continuous monitoring (online) should be carried out in order to increase the
effectiveness of nitrification and denitrification in the bioreactor of the analyzed sewage
treatment plant. Moreover, additional organic carbon source (BOD5) should be periodically
dosed directly to the bioreactor, so as to maintain the correct proportions of organic compounds, expressed as BOD5 in relation to nitrogen compounds, in order for the nitrification
and denitrification processes, which are responsible for nitrogen compound neutralization,
occur properly.
Key words: sewage, sewage treatment plant, removal reliability, Weibull method
nr 576, 2014
21
nr 576, 2014, 23–32
WARTOŚĆ WYPIEKOWA MĄKI Z ZIARNA
ODMIAN PSZENICY UPRAWIANYCH W EKOLOGICZNYM
SYSTEMIE PRODUKCJI
Grażyna Cacak-Pietrzak1, Alicja Ceglińska2, Krzysztof Jończyk3
1,2
3
Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa – Państwowy Instytut Badawczy
w Puławach
Streszczenie. Celem badań była ocena przydatności do produkcji pieczywa mąki uzyskanej
z ziarna wybranych jarych (Jasna, Koksa, Zebra, Rokicka) oraz ozimych odmian pszenicy
(Korweta, Mewa, Ostka strzelecka, Kujawianka więcławska, Wysokolitewka sztywnosłoma) uprawianych w ekologicznym systemie produkcji. Ziarno pochodziło z trzyletniego
doświadczenia polowego przeprowadzonego w Stacji Doświadczalnej Osiny, należącej
do IUNG-PIB w Puławach. Wartość wypiekową oceniano metodą pośrednią na podstawie ilości i jakości substancji białkowych, aktywności enzymów amylolitycznych i cech
reologicznych ciasta oraz w sposób bezpośredni przeprowadzając wypiek laboratoryjny
i ocenę jakości pieczywa. Mąki z ziarna większości badanych odmian pszenicy cechowały
się dużą, jak na warunki uprawy ekologicznej, zawartością białka ogółem, w tym białek
glutenowych. Gluten z mąki badanych odmian pszenicy, z wyjątkiem „dawnych” odmian
Rokicka i Wysokolitewka sztywnosłoma, wykazywał optymalną do celów wypiekowych
jakość. Na podstawie oceny punktowej do I poziomu jakości zakwalifikowano pieczywo
z mąki z ziarna pszenicy odmian: Koksa, Korweta i Zebra. Pieczywo z mąki z ziarna pozostałych badanych odmian pszenicy, z wyjątkiem „dawnej” odmiany Rokicka, zakwalifikowano do II poziomu jakości. W warunkach uprawy ekologicznej możliwe jest uzyskanie
ziarna pszenicy, z którego mąka nadaje się do produkcji pieczywa nieustępującego jakością
pieczywu z surowców konwencjonalnych.
Słowa kluczowe: uprawa ekologiczna, mąka pszenna, wartość wypiekowa, jakość pieczywa
Adres do korespondencji – Corresponding author: Grażyna Cacak-Pietrzak, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Nauk o Żywności, Katedra Technologii Żywności,
ul. Nowoursynowska 159c, 02-787 Warszawa, e-mail: [email protected]
24
G. Cacak-Pietrzak, A. Ceglińska, K. Jończyk
WSTĘP
Pszenica jest jednym z najważniejszych zbóż zarówno w Polsce, jak i na świecie.
Głównym kierunkiem wykorzystania ziarna pszenicy jest przemiał na mąki, które są surowcem do produkcji pieczywa, wyrobów ciastkarskich, makaronu. Uprawa pszenicy,
nastawiona na produkcję ziarna konsumpcyjnego, powinna być tak prowadzona, aby
uzyskać ziarno o odpowiednich parametrach jakościowych, pożądanych na etapie jego
przerobu i zapewniających dobrą jakość produktu finalnego.
Jakość ziarna pszenicy zależy od czynników genetycznych (odmianowych) oraz siedliskowych (warunki glebowe, klimatyczne, zabiegi agrotechniczne). Spośród zabiegów
agrotechnicznych szczególnie duży wpływ na jakość ziarna pszenicy wywiera nawożenie, zwłaszcza azotem [Cacak-Pietrzak i in. 2010]. W uprawie ekologicznej, ze względu
na zakaz stosowania nawozów mineralnych oraz syntetycznych środków ochrony roślin,
szczególnego znaczenia nabierają uwarunkowania glebowo-klimatyczne oraz dobór odmian pod względem cech rolniczych (plonowania, odporności na wyleganie, choroby
i szkodniki). Ograniczenia w stosowaniu zabiegów agrotechnicznych mogą wpływać niekorzystnie zarówno na plon, jak i cechy jakościowe ziarna [Krauze 1997, Mazurkiewicz
2005, Kuś i Jończyk 2010, Feledyn-Szewczyk 2011].
Celem badań była ocena przydatności do produkcji pieczywa mąki uzyskanej z ziarna
wybranych odmian pszenicy uprawianych w ekologicznym systemie produkcji.
MATERIAŁ I METODY
Materiał badawczy stanowiło ziarno pszenicy odmian jarych: Jasna, Koksa i Zebra
oraz odmian ozimych: Korweta, Mewa i Ostka strzelecka. Ponadto do doświadczenia
włączono ziarno „dawnych” odmian pszenicy ozimej: Kujawianka więcławska i Wysokolitewka sztywnosłoma oraz odmiany jarej Rokicka. Odmiany te cechują się lepszym
przystosowaniem morfologicznym do uprawy w warunkach systemu ekologicznego [Feledyn-Szewczyk 2011]. Ziarno pszenicy pochodziło z trzyletniego doświadczenia polowego prowadzonego w latach 2005–2007 w Stacji Doświadczalnej Osiny, należącej do
Instytutu Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa – Państwowego Instytutu Badawczego
w Puławach. Uprawę prowadzono w systemie ekologicznym, w którym stosowano 5-polowe zmianowanie: ziemniaki – pszenica jara + wsiewka (koniczyna czerwona z trawą)
– koniczyna czerwona z trawą I rok – koniczyna czerwona z trawą II rok – pszenica
ozima + poplon ścierniskowy (mieszanka: łubin, wyka, gorczyca). W omawianym obiekcie doświadczalnym nie stosowano syntetycznych nawozów mineralnych oraz środków
ochrony roślin. Nawożenie ograniczało się do stosowania jesienią pod uprawę ziemniaków kompostu w dawce 30 t·ha–1 oraz mechanicznej pielęgnacji zbóż z wykorzystaniem
brony chwastownika [Kuś i Jończyk 2010].
Przed przemiałem w młynie laboratoryjnym MLU-202 firmy Bühler ziarno poddano
procesowi czyszczenia w granoteście firmy Brabender oraz 2-stopniowemu nawilżaniu
(na 24 godziny przed przemiałem do wilgotności 13,5%, a na 30 minut przed przemiałem
do wilgotności końcowej 14,0%). Mąki otrzymane z poszczególnych pasaży wymieszano i sporządzono mąki o wyciągu 70% [Praca zbiorowa 1983]. W otrzymanych mąkach
Wartość wypiekowa mąki z ziarna odmian pszenicy...
25
oznaczono: zawartość białka ogółem metodą Kjeldahla (N × 5,70) w aparacie Foss Tecator [Praca zbiorowa 1997], ilość i jakość glutenu w aparacie Glutomatic 2200 [PN-A-74042-3/A1:1996], wskaźnik sedymentacyjny Zeleny’ego [PN-EN ISO 5529:2010E],
liczbę opadania w aparacie Falling Number 1400 [PN-EN ISO 3093:2010E]. Właściwości reologiczne ciasta określono przy użyciu farinografu Brabendera [PN-ISO 55301:1999P]. Wypiek laboratoryjny pieczywa przeprowadzono przygotowując ciasto metodą
bezpośrednią. Po 24 godzinach od wypieku przeprowadzono ocenę jakości uzyskanego
pieczywa. Określono: wydajność i objętość pieczywa, porowatość i masę właściwą miękiszu [Praca zbiorowa 1983]. Przeprowadzono również ocenę organoleptyczną pieczywa
metodą punktową [PN-A-74108:1996].
Metody statystyczne
Wyniki opracowano statystycznie, korzystając z programu komputerowego Statgraphics Plus Version 4.1 firmy Statgraphics Plus Corporation. Zastosowano metodę jednoczynnikowej analizy wariancji. Wartości średnie porównywano testem Tukeya. Wszystkie obliczenia wykonano przy poziomie istotności α = 0,05.
WYNIKI I DYSKUSJA
Wartość wypiekowa mąki to zespół cech decydujących o jakości pieczywa. Zależy
ona od ilości i właściwości jej poszczególnych składników. Wyniki wielu prac [Jood i in.
2001, Kuktaite i in. 2004, Wieser 2007, Cacak-Pietrzak 2011] wskazują, że w procesie powstawania ciasta i wypieku pieczywa szczególnie ważną rolę pełnią substancje
białkowe. Według Bartnik [1994], zakaz stosowania w uprawie ekologicznej nawozów
azotowych może być przyczyną małej, nawet poniżej 9,0%, zawartości białka w mąkach pszennych. Nie znalazło to potwierdzenia w wynikach omawianej pracy. Zawartość
białka ogółem w mąkach uzyskanych z ziarna badanych odmian pszenicy była istotnie
zróżnicowana (tab. 1). Wysoką, jak na surowiec otrzymany z pszenicy z uprawy ekologicznej, zawartością tego składnika cechowały się mąki z ziarna odmian Koksa (14,3%),
Rokicka (13,9%), Jasna (13,7%) oraz Zebra (13,1%). Najmniej białka ogółem (10,3%)
zawierała mąka z ziarna pszenicy odmiany Mewa. Na zróżnicowanie odmianowe w ilości białka ogółem w mąkach z ziarna pszenicy z uprawy ekologicznej wskazują również
wyniki badań Fredriksson i innych [1998], Kihlberg i innych [2004], Cacak-Pietrzak
[2006], Krejčiřovej i innych [2007], Cacak-Pietrzak i innych [2008] oraz Cacak-Pietrzak
[2011]. Według wymienionych autorów, z produkcji ekologicznej można uzyskać surowiec o ogólnej zawartości białka odpowiedniej do celów wypiekowych.
Wydajność glutenu mokrego otrzymanego z mąki badanych odmian pszenicy mieściła się w przedziale od 23,4% (odmiana Mewa) do 36,8% (odmiana Rokicka) – tabela 1. Wyjątkowo dużą wydajnością glutenu (powyżej 35%) cechowały się mąki z ziarna
„dawnych” odmian pszenicy. Na duże zróżnicowanie odmianowe w wydajności glutenu
mokrego z mąki otrzymanej z ziarna pszenicy z uprawy ekologicznej wskazują również
wyniki badań Fredriksson i innych [1998], Cacak-Pietrzak [2006], Krejčiřovej i innych
[2007], Cacak-Pietrzak i innych [2008] oraz Cacak-Pietrzak [2011]. Gluten wymyty z mąki
większości odmian pszenicy, z wyjątkiem „dawnych” odmian Rokicka i Wysokolitewka
nr 576, 2014
26
Tabela 1. Cechy jakościowe mąki
Table 1. Quality traits of flour
Białko
ogółem
[% s.m.]
Protein
content
[% d.m.]
Odmiana
Variety
Gluten
Gluten
[%]
Indeks
glutenu
Gluten
Index
Wskaźnik
sedymentacyjny
Zeleny test
[cm3]
Liczba
opadania
Falling
number
[s]
39,0ab
40,0a
28,7abc
32,3abc
26,0bc
36,3ab
230b
226b
279ab
328a
257b
272ab
27,0abc
29,3abc
20,3c
284ab
184c
280ab
Odmiany „współczesne” – Varieties of „current”
Jasna
Koksa
Korweta
Mewa
Ostka strzelecka
Zebra
13,7ab
14,3a
11,0cd
10,3d
11,9bc
13,1abc
30,5ab
33,5a
27,5ab
23,4b
29,8ab
30,7ab
89a
88a
79ab
87a
69abc
88a
Odmiany „dawne ” – Varieties of „old”
Kujawianka więcławska
Rokicka
Wysokolitewka sztywnosłoma
13,0abc
13,9a
11,9bc
35,7a
36,8a
35,8a
66bc
52c
55c
Wartości średnie oznaczone tymi samymi literami (w kolumnach) nie różnią się istotnie przy α = 0,05.
Mean values followed by the same letters (in columns) do not differ significantly at α = 0,05.
sztywnosłoma, cechował się optymalną do celów wypiekowych jakością (wartości IG
60-90). W przypadku odmian Rokicka i Wysokolitewka sztywnosłoma wartości IG wynosiły odpowiednio: 52 i 55, co wskazuje na tzw. słaby gluten. W badaniach przeprowadzonych
przez Mazurkiewicza [2005] gluten z mąki z ziarna pszenicy odmiany Kobra z gospodarstwa ekologicznego był lepki, niemożliwy do wymycia, siny i ciągnący się. W omawianej
pracy, przeprowadzonej na znacznie szerszym materiale badawczym, nie wystąpiły trudności z wymywaniem glutenu z mąki żadnej z badanych odmian pszenicy.
Ocenę kompleksu białkowego przeprowadza się pośrednio, wykonując test sedymentacyjny Zeleny’ego. Według wymagań jakościowych, mąka przeznaczona do wypieku
chleba powinna cechować się wartością tego wskaźnika nie mniejszą niż 25 cm3 [Jurga
2003]. Mąki z ziarna większości odmian pszenicy, z wyjątkiem „dawnej” odmiany Wysokolitewka sztywnosłoma, spełniały to kryterium (tab. 1). Najwyższą wartością wskaźnika
sedymentacyjnego Zeleny’ego (40 cm3) cechowała się mąka z ziarna pszenicy odmiany
Koksa. Z danych literaturowych [Mazurkiewicz 2005, Krejčiřovà i in. 2007, Cacak-Pietrzak i in. 2008, Cacak-Pietrzak 2011] wynika, że mąki z ziarna pszenicy z uprawy ekologicznej wykazują na ogół mniejsze wartości tego wskaźnika w porównaniu z surowcem
pochodzącym z uprawy konwencjonalnej.
Ważnym wskaźnikiem oceny przydatności wypiekowej mąki pszennej jest liczba
opadania, która charakteryzuje aktywność α-amylazy. Optymalna aktywność enzymów
amylolitycznych w mące przeznaczonej do wypieku pieczywa powinna być na średnim
poziomie (liczba opadania w zakresie 220–280 s) [Jurga 2003]. Mąki z ziarna większości odmian pszenicy cechowały się aktywnością amylolityczną mieszczącą się w tym
przedziale (tab. 1). Wyjątek stanowiły mąki z ziarna odmiany Rokicka (184 s) oraz
27
odmian Mewa i Kujawianka więcławska (odpowiednio 328 i 284 s), których aktywność
amylolityczna była za wysoka (odmiana Rokicka) lub za niska (odmiany Mewa i Kujawianka więcławska). Z danych literaturowych [Kihlberg i in. 2004, Cacak-Pietrzak 2006,
2011] wynika, że aktywność amylolityczna mąki z ziarna pszenicy z uprawy ekologicznej może mieścić się w szerokim zakresie, co znalazło potwierdzenie również w wynikach omawianej pracy.
Przeprowadzenie analizy farinograficznej ciasta pozwala na ocenę wartości wypiekowej mąki w aspekcie ilości wchłanianej wody oraz szybkości tworzenia ciasta i jego
oporności na mieszenie. Wodochłonność mąki z ziarna badanych odmian pszenicy mieściła się w zakresie 55,7–64,4% (tab. 2). Najwyższą wodochłonnością cechowały się
mąki z ziarna pszenicy odmian Koksa i Jasna (odpowiednio 64,4 i 61,4%), które zawierały najwięcej białka ogółem. Najmniejszą wodochłonność (55,7%) wykazywała mąka
z ziarna pszenicy odmiany Ostka strzelecka. Wodochłonność mąki z ziarna „dawnych”
odmian pszenicy wynosiła od 58,9 do 59,5%. W badaniach przeprowadzonych przez Cacak-Pietrzak [2006] wodochłonność mąki z ziarna pszenicy z uprawy ekologicznej w zależności od odmiany wynosiła od 59,0 do 65,2%.
Tabela 2. Wodochłonność mąki i cechy reologiczne ciasta
Table 2. Water absorption and rheological properties of dough
Wodochłonność
Water
absorption
[%]
Odmiana
Variety
Rozwój
Stałość ciasta
ciasta
Dough
Dough
stability
development
[min]
[min]
Rozmiękczenie
ciasta
Dough
softening
[FU]
Liczba
jakości
Quality
number
70abc
63bc
63bc
65bc
85abc
49d
57ab
66ab
58ab
65ab
46b
79a
75abc
111ab
116a
55ab
48b
37b
Jasna
Koksa
Korweta
Mewa
Ostka strzelecka
Zebra
61,4ab
64,4a
59,0bc
57,1c
55,7c
59,6bc
2,7ab
3,5ab
3,4ab
3,0ab
2,8ab
4,3a
3,5ab
4,5a
3,1ab
3,4ab
2,8ab
4,5a
Rokicka
59,5bc
59,4bc
58,9bc
3,1ab
3,0ab
2,1b
2,7ab
1,8b
1,8b
Ciasta uzyskane z mąki badanych odmian pszenicy były istotnie zróżnicowane pod
względem właściwości reologicznych. Istotnie najdłuższym czasem rozwoju i stałości
oraz najmniejszym rozmiękczeniem cechowało się ciasto z mąki z ziarna pszenicy odmiany Zebra (tab. 2). Dla tej próby uzyskano również najwyższą wartość liczby jakości
mąki (79), będącej miernikiem właściwości reologicznych ciasta, m.in. jego sprężystości. Wartości liczby jakości pozostałych mąk mieściły się w zakresie od 37 do 66.
nr 576, 2014
28
W badaniach przeprowadzonych przez Cacak-Pietrzak [2006] liczby jakości mąki
z ziarna różnych odmian pszenicy z uprawy ekologicznej wynosiły od 56 do 115.
Najlepszą metodą określenia wartości wypiekowej mąki jest przeprowadzenie wypieku połączonego z oceną jakości pieczywa. Wydajność pieczywa uzyskanego z mąki
badanych odmian pszenicy wynosiła od 134 do 143 cm3 (tab. 3). Największą wydajnością odznaczało się pieczywo z mąki odmian Koksa i Jasna, co wynikało z ich dużej wodochłonności. W badaniach przeprowadzonych przez Cacak-Pietrzak [2006] wydajność
pieczywa z mąki z ziarna różnych odmian pszenicy z uprawy ekologicznej mieściła się
w podobnym zakresie (134–142%).
Tabela 3. Wydajność i cechy jakościowe pieczywa
Table 3. Yield of bread and bread quality
Wydajność
pieczywa
Yield
of bread
[%]
Odmiana
Variety
Objętość
100 g
pieczywa
Bread
of 100 g
volume
[cm3]
Porowatość
miękiszu
Porosity
of crumb
[%]
Masa
właściwa
miękiszu
Density
of crumb
[g·(cm3)–1]
Ocena
punktowa
Evaluation
of point
Jasna
Koksa
Korweta
Mewa
Ostka strzelecka
Zebra
140ab
143a
138abc
136bc
134c
139abc
556bcd
601ab
599ab
559bcd
505de
612a
77,9ab
78,3ab
79,0a
77,6ab
73,0c
78,5ab
0,25bcd
0,25bcd
0,24d
0,26bcd
0,28ab
0,24d
27,5bc
28,4abc
28,6ab
26,4ab
27,0bc
29,2a
0,27abc
0,29a
0,28ab
26,8bc
22,6d
24,4c
Rokicka
138abc
137abc
136bc
516cde
434f
481ef
74,7bc
73,6c
72,7c
Otrzymane pieczywo cechowało się odpowiednim wyglądem zewnętrznym, prawidłowym smakiem i zapachem typowym dla pieczywa pszennego. Zabarwienie skórki
było na ogół równomierne, a jej powierzchnia gładka i błyszcząca. Wyniki badań dotyczących cech sensorycznych pieczywa z surowców ekologicznych nie są jednoznaczne.
Według Haglund i innych [2004] oraz Kihlberg i innych [2004], pieczywo ekologiczne
w porównaniu z konwencjonalnym cechuje się ładniejszą barwą i lepszym aromatem. Nie
potwierdziły tego jednak wyniki badań innych autorów [Mazurkiewicz 2005, Cacak-Pietrzak 2006, Cacak-Pietrzak i in. 2008, Borkowska 2011, Cacak-Pietrzak 2011]. Według
Mazurkiewicza [2005], pieczywo z mąki z ziarna pszenicy odmiany Kobra pochodzącej
z gospodarstwa ekologicznego cechowało się mocno popękaną skórką o ciemnobrązowej barwie. Borkowska [2011], oceniając pieczywo orkiszowe z piekarni ekologicznej,
stwierdziła występowanie na skórce licznych ciemnych pęcherzy i grubych pęknięć.
29
Ważnymi wskaźnikami jakości pieczywa są objętość oraz porowatość miękiszu.
Niedostatecznie wyrośnięty chleb o zbitym miękiszu jest nie tylko niesmaczny, ale
i ciężko strawny. Objętość 100 g pieczywa była istotnie zróżnicowana, wynosiła od
434 do 612 cm3 (tab. 3). Największą objętością odznaczało się pieczywo z mąki z ziarna pszenicy odmian Zebra, Koksa i Korweta. W porównaniu z odmianami będącymi
obecnie w uprawie, objętość pieczywa z mąki „dawnych” odmian pszenicy była na
ogół niższa i mieściła się w zakresie 434–516 cm3. Porowatość miękiszu wynosiła od
72,7 do 79,0% i była typowa dla pieczywa pszennego. Miękisz na ogół był elastyczny, ale jego struktura nie zawsze była równomiernie porowata. Zastrzeżenia odnośnie
porowatości miękiszu dotyczyły przede wszystkim chleba z mąki „dawnych” odmian
pszenicy. Wyniki badań dotyczących objętości bochenka oraz jakości miękiszu pieczywa z surowców ekologicznych nie są jednoznaczne. Według Haglund i innych [2004],
Mazurkiewicza [2005], Krejčiřovej i innych [2007] oraz Borkowskiej [2011], pieczywo z mąki z ziarna pszenicy z uprawy ekologicznej cechuje się małą objętością. Miękisz pieczywa orkiszowego z piekarni ekologicznej badanego przez Borkowską [2011]
oddzielał się od skórki, był nierównomiernie porowaty, mało elastyczny i kruszył się
podczas krojenia. W badaniach Cacak-Pietrzak i innych [2008] oraz Cacak-Pietrzak
[2011] pieczywo z surowców ekologicznych odznaczało się natomiast dużą objętością
i elastycznym miękiszem o równomiernej porowatości, porównywalnym z pieczywem
z surowców konwencjonalnych.
Podczas oceny organoleptycznej największą liczbę punktów przyznano pieczywu
z mąki pszenicy odmian Zebra, Korweta i Koksa (tab. 3). Najniżej oceniono pieczywo
z mąki z ziarna „dawnych” odmian pszenicy Rokicka i Wysokolitewka sztywnosłoma.
Zastrzeżenia oceniających dotyczyły głównie wyglądu zewnętrznego oraz porowatości miękiszu. Na podstawie oceny punktowej do I poziomu jakości zakwalifikowano
pieczywo z mąki z ziarna pszenicy odmian: Koksa, Korweta i Zebra. Pieczywo z mąki z ziarna pozostałych badanych odmian pszenicy, z wyjątkiem „dawnej” odmiany
Rokicka (III poziom jakości), zakwalifikowano do II poziomu jakości. W badaniach
Cacak-Pietrzak [2011] pieczywo z mąki z ziarna różnych odmian pszenicy z uprawy
ekologicznej zakwalifikowano do I lub II poziomu jakości. Dużo niżej (III poziom
jakości) zostało ocenione pieczywo orkiszowe z piekarni ekologicznej badane przez
Borkowską [2011].
WNIOSKI
1. Mąki z ziarna większości badanych odmian pszenicy cechowały się dużą, jak na
warunki uprawy ekologicznej, zawartością białka ogółem, w tym białek glutenowych.
Gluten z mąki większości badanych odmian pszenicy, z wyjątkiem „dawnych” odmian
Rokicka i Wysokolitewka sztywnosłoma, wykazywał optymalną do celów wypiekowych jakość. Znalazło to potwierdzenie również w wynikach oceny cech reologicznych
ciasta.
2. Na podstawie oceny punktowej pieczywo z mąki odmian Koksa, Korweta i Zebra
zakwalifikowano do I poziomu jakości, pieczywo z mąki odmian Jasna, Mewa, Ostka
strzelecka oraz „dawnych” odmian Kujawianka więcławska i Wysokolitewka sztywnonr 576, 2014
30
słoma do II poziomu jakości, a pieczywo z mąki „dawnej” odmiany Rokicka do III poziomu jakości.
3. W warunkach uprawy ekologicznej możliwe jest uzyskanie ziarna pszenicy, z którego mąka nadaje się do produkcji pieczywa nieustępującego jakością pieczywu z surowców konwencjonalnych.
LITERATURA
Bartnik M., 1994. Wartość żywieniowa i technologiczna ekologicznych zbóż i przetworów zbożowych. Przegl. Zboż.-Młyn. 38(12), 7.
Borkowska B., 2011. Jakość pieczywa pozyskanego z surowców ekologicznych. Bromat. Chem.
Toksykol. XLIV, 3, 828–833.
Cacak-Pietrzak G., 2006. Jakość pszenicy z uprawy ekologicznej. W: Przyszłość i perspektywy
rozwoju przemysłu zbożowo-młynarskiego. Wyd. IBPRS, Warszawa, 23–25.
Cacak-Pietrzak G., 2011. Studia nad wpływem ekologicznego i konwencjonalnego systemu produkcji roślinnej na wartość technologiczną wybranych odmian pszenicy ozimej. Wyd.
SGGW, Warszawa.
Cacak-Pietrzak G., Ceglińska A., Jończyk K., Kuś J., 2008. Wykorzystanie wybranych odmian
pszenicy ozimej z uprawy ekologicznej do produkcji pieczywa. Fragm. Agron. 25, 1(97),
67–75.
Cacak-Pietrzak G., Sułek A., Gondek E., Sułek A., 2010. Plonowanie oraz cechy jakościowe ziarna
nowych odmian pszenicy jarej w zależności od poziomu nawożenia azotem. Zesz. Probl.
Post. Nauk Roln. 553, 11–19.
Feledyn-Szewczyk B., 2011. Ocena współczesnych i dawnych odmian pszenicy ozimej w aspekcie
ich konkurencyjności z chwastami w warunkach rolnictwa ekologicznego. Pol. J. Agron.
6, 11–16.
Fredriksson H., Salomonsson L., Andersson R., Salomonsson A.C., 1998. Effects of protein and
starch characteristics on the baking properties of wheat cultivated by different strategies with organic fertilizers and urea. Acta Agric. Scand. Sect. B Soil and Plant Sci. 48,
49–57.
Haglund A., Johansson L., Dahlstedt L., 1998. Sensory evaluation of whole meal bread from ecologically and conventionally grown wheat. J. Cereal Sci. 27, 199–207.
Jood S., Schofield J.D., Tsiami A.A., Bollecker S., 2001. Effect of glutenin subfractions on breadmaking quality of wheat. Int. J. Food Sci. Technology 36(5), 573–584.
Jurga R., 2003. Przemiał ziarna pszenicy. Przegl. Zboż.-Młyn. 47(7), 39–40.
Kihlberg I., Johansson L., Kohler A., Risvik E., 2004. Sensory qualities of whole wheat pan bread
– influence of farming system, milling and baking technique. J. Cereal Sci. 39, 67–84.
Krauze A., 1997. Plon i jakość ziarna pszenicy uprawianej w warunkach ekologicznego i intensywnego nawożenia. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 439, 201–209.
Krejčiřovà L., Capouchovà I., Petr J., Bicanovà E., Famĕra O., 2007. The effect of organic and conventional growing systems on quality and storage protein composition of winter wheat.
Plant Soil Environ. 53(11), 499–505.
Kuktaite R., Larsson H., Johansson E., 2004. Variation in protein composition of wheat flour and
its relationship to dough mixing behavior. J. Cereal Sci. 40, 31–39.
Kuś J., Jończyk K., 2010. Produkcyjna i środowiskowa ocena różnych systemów gospodarowania.
Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 547, 193–204.
31
Mazurkiewicz J., 2005. Porównanie jakości technologicznej pszenicy i żyta uprawianych w warunkach konwencjonalnych i gospodarstwa ekologicznego. Acta Agrophys. 6(3), 729–741.
PN-A-74108:1996. Pieczywo. Metody badań.
PN-A-74042-3/A1:1996. Ziarno zbóż i przetwory zbożowe. Oznaczanie glutenu mokrego za pomocą urządzeń mechanicznych – mąka pszenna.
PN-EN ISO 3093:2010E. Pszenica, żyto i mąki z nich uzyskane. Pszenica durum i semolina. Oznaczanie liczby opadania metodą Hagberga-Pertena.
PN-EN ISO 5529:2010E. Pszenica. Oznaczanie wskaźnika sedymentacyjnego. Test Zeleny’ego.
PN-ISO 5530-1:1999P. Mąka pszenna. Fizyczne właściwości ciasta. Oznaczanie wodochłonności
i właściwości reologicznych za pomocą farinografu.
Praca zbiorowa 1983. Analiza zbóż i przetworów zbożowych (red. Jakubczyk T., Haber T.). Wyd.
SGGW-AR, Warszawa.
Praca zbiorowa 1997. Analiza żywności (red. Klepacka M.). Wyd. Fundacja „Rozwój SGGW”,
Warszawa.
Wieser H., 2007. Chemistry of gluten proteins. Food Microbiol. 24, 115–119.
VALUE OF BAKING FLOUR WHEAT VARIETY WITH GRAIN GROWN
THE ORGANIC SYSTEM OF PRODUCTION
Summary. The aim of the study was to evaluate the suitability of organic wheat flour, obtained from grains of selected varieties of wheat, for bread production purposes. The grains
came from a three-year field experiment conducted in 2005–2007 at the Experimental Station Osiny belonging to the Institute of Soil Science and Plant Cultivation – State Research
Institute in Pulawy. The spring wheat (Jasna, Koksa, Zebra) and winter wheat (Korweta,
Mewa, Ostka Strzelecka) varieties were evaluated. Furthermore, grains of an “old” winter
wheat varieties (Kujawianka Więcławska and Wysokolitewka Sztywnosłoma) and spring
wheat variety (Rokicka) has been tested. After the conditioning, grains were milled in the
Bühler laboratory mill MLU-202. Break and reduction flours were obtained. Both of flours
were mixed together to finally receive a 70% flour extract. The baking value of flour was
evaluated using the indirect method, based on total protein content (Kjeldahl method),
the quantity and quality of gluten (Glutomatic 2200), Zeleny test, falling number (Falling Number 1400), evaluation farinograph test (Brabender Farinograf) as well as directly,
conducting laboratory baking. 24 hours after baking ended, quality of bread was evaluated
judging of: efficiency and bread volume, porosity and a density of crumb. Sensory evaluation of bread was carried out using point method. The results were statistically analyzed using one-way analysis of variance. The significance of differences was assessed using Tukey
test. It was found that most of the tested flours were characterized by high, as for conditions
of organic farming, content of total protein and gluten. Quality of gluten obtained from
tested wheat varieties was optimal for baking purposes, with the exception of the “old” varieties Rokicka and Wysokolitewka Sztywnosłoma. The flours derived from tested cultivars
had differed significantly by activity of α-amylase (falling number 184–328 s), water absorption (55.7–64.4%) and rheological characteristics of the dough (the number of quality
37–66). The bread was characterized by a suitable external appearance, tasted and smelled
normally. Loaf volume and crumb quality (porosity, specific weight) depended on the variety. Compared with current varieties, flour bread volume of the “old” wheat varieties were
generally lower and had less regular crumb porosity. Judging on the point methods, flour
nr 576, 2014
32
from Koksa, Korweta and Zebra varieties had been classified as the 1st (I) level of quality.
Bread from the other tested wheat varieties, except for the “old” variety Rokicka was classified in the second (II) level of quality. Summarizing, it is possible to obtain flour from wheat
grown in the organic farming system, which is as suitable for the production of bread as this
obtained from the “conventional” flour.
Key words: organic crop, wheat flour, baking value, quality of bread
nr 576, 2014, 33–44
THE COMPARISON OF THE LABEL CONTENT
IN SELECTED DRY FOODS FOR DOGS AND CATS
IN 2011 AND 2013
Karolina Hołda1, Sybilla Berwid-Wójtowicz2, Robert Głogowski3
1,3
2
Warsaw University of Life Sciences – SGGW
www.dietoprofilaktyka.pl
Summary. The objective of this study was to compare the content of selected complete dry
feed labels for adult, healthy dogs and cats, emphasizing the accordance with the relevant
EU requirements which have recently came into force. Additionally, simple calculations of
the energy content were made to enhance the characteristics of the products available to the
customer. The level of accordance reached in average 87% and 82% in dog and cat food
respectively. It should be stated that the improvement of the labels content, as compared
with 2011, was not significant. The key elements of the label information were either not
improved or decreased (the statement of the necessity of constant access to water or daily
dosage per animal). All evaluated products were typical maintenance foods, but their energy density was quite differentiated which may have some deleterious nutritional consequences associated with their long time supply.
Key words: dry feed, label content, maintenance pet food, energy density
INTRODUCTION
Commercial pet foods are an easy way to fulfill the nutrient requirements of pets. Dry
petfood products dominate global sales with strong and stable market position. This sector predominates wet products approximately 50%. In 2013, relatively largest part of the
petfood sales was in Europe. However, the choice of an adequate product is a frequent
dilemma for pet owners whether major companies design their product portfolio accordingly to human’s tastes [Czajkowska et al. 2013].
The vast abundance of products of various quality infers the necessity for the profound
knowledge of the nutritional value of the product, which typically needs to be gathered from
Corresponding author – Adres do korespondencji: Robert Głogowski, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Nauk o Zwierzętach, Katedra Szczegółowej Hodowli
Zwierząt, ul. Ciszewskiego 8, 02-786 Warszawa, e-mail: [email protected]
34
K. Hołda, S. Berwid-Wójtowicz, R. Głogowski
the label. The adequacy of the information on the package, corresponding with the content
properties is therefore crucial for the health of the pets. The European Pet Food Industry
Federation represents 26 countries and promotes responsible ownership of pets. One of its
most important publication is, revised in 2011, Code of good labelling practice for petfood
[FEDIAF 2011], that gives an augmented explanation of the rules, applicable in pet food
label analysis. The major source of legislation remains an EC Regulation 767/2009.
In Poland, the EU legislation concerning labelling of dog and cat foods came into
force after two years of transition period, in September 2013. At this moment, all products present on the market were obligated to be fully complied with the above mentioned
Regulation.
The objective of this study was to compare the accordance of the label content of selected dry food commercially available in Poland in 2011 and 2013 with EU regulations,
complemented with simple nutritional quality estimation.
MATERIALS AND METHODS
The label content of the set of dry dog and cat foods was evaluated, regarding their
accordance with EU labeling regulations.
In the first phase total number of 27 commercial dry food labels (15 for dogs, 12 for
cats) was assessed. The labels were obtained in 2011, during the intermediate period preceding the full implementation of EU law in Poland [EC 767/2009]. Product and producer
names were encoded as P1 to P15 for dogs and K1 to K12 for cats. All products were
available on the market for at least 12 months, representing the popular brands, sold in pet
stores as in supermarkets, reflecting the portfolio of four major petfood producers active
in Poland, and one smaller company. One product was imported, labeled as manufactured
on the other continent.
In the second, final phase of the study (year 2013), only 24 labels were analyzed,
because some products evaluated in the first phase were removed from the market by
manufacturers, therefore direct comparison for these was not possible.
There was no effect of the manufacturer or brand on the label’s content, therefore it
was considered negligible and not presented in the study.
Table 1 presents the list of elements of the information on the label, considered in the
analysis. The selection of assessed labeling particulars was compiled of mandatory and
voluntary elements [EC 767/2009, FEDIAF 2011].
Three types of information were assigned for each of the label’s particular: correct
(1), incorrect (0), potentially misleading (no marking). The average level of accordance
(ALA) was calculated for each analyzed element of the label (ALAE) and for each product (ALAP) commercially available in 2011 and 2013.
The obtained results were compared with Wilcoxon’s rank sum test, using IBM SPSS
(v. 19PL).
For all analyzed products, the energy density (ED) and caloric distribution as an
amount of metabolic energy derived from protein, fat and carbohydrates were assayed
according to the method described in Case et al. [2011], based on modified Atwater
equations.
The comparison of the label content in selected dry foods for dogs and cats...
35
Table 1. Elements of pet food labels evaluated in 2011 and 2013
Tabela 1. Elementy etykiet karm oceniane w roku 2011 i 2013
Product description
Opis produktu
Instructions
for proper use
Instrukcja
stosowania
Type of feed – Rodzaj karmy
Animal species – Gatunek zwierzęcia
Daily ration in the terms of amounts to be fed relative to the life stage
Dzienna ilość karmy właściwa dla wieku zwierzęcia
Indication of the necessity to ensure fresh water availability at all times when feeding
dry food
Wskazanie konieczności zapewnienia stałej dostępności wody pitnej
Heading: COMPOSITION – Nagłówek: SKŁAD
Feed material
declaration
Deklaracja składu
Analytical
constituents
Składniki
analityczne
Additives
Dodatki
Listed by specific name in descending order by weight
Składniki wymienione w porządku malejącym według masy
The name and percentage of weight of a feed material, if emphasized on the label
Nazwa i udział procentowy składników podkreślonych na froncie etykiety
Weight percentage: crude protein, crude fibres, crude oils and fats, crude ash
Odsetek wagowy: białko surowe, włókna surowe, tłuszcze surowe, popiół surowy
The total amount of amino acids, vitamins, and/or trace elements, if declared under
the heading
Zawartość całkowita aminokwasów, witamin i/lub pierwiastków śladowych jeśli
zadeklarowane
Heading: ADDITIVES – Nagłówek: DODATKI
Technological additives – Dodatki technologiczne
Business address – Adres przedsiębiorstwa
Company name – Nazwa firmy
Contact data
Dane kontaktowe
Free telephone number or other appropriate means of communication to obtain the
information on the product
Bezpłatny numer informacji telefonicznej lub inny sposób uzyskania danych o produkcie
Technical data,
traceability
Dane techniczne,
pochodzenie
Net quantity – Masa netto
Minimum storage life – Minimalny okres przydatności
Batch number – Numer partii
RESULTS AND DISCUSSION
The overall results of the study showed substantial variation in the accordance with
legislation, presented by the evaluated labels.
Table 2 presents generalized accordance of evaluated pet food label elements with EU
labeling regulations. The incorrect information on dog food labels appeared less frequently in 2013 than it did in 2011. Interestingly, the number of potentially misleading information was higher on cat than that on dog food labels and slightly increased in 2013.
For the explanatory reasons the ALAP results were presented in graphic form in Figures 1 and 2. The highest level of recorded incorrect and misleading information was 26%
in 2011. On some labels it was subsequently reduced (P15), but on K8 label both incorrect
and misleading information levels remained unchanged (5 and 26% respectively).
nr 576, 2014
36
Table 2. The proportion of the results of the accordance assessment
Tabela 2. Proporcje wyników oceny zgodności
Dogs – Psy
Label information
Informacja na etykiecie
0
Cats – Koty
2011
2013
2011
2013
Correct (C)
Zgodna
10
12
10
10
Incorrect (I)
Niezgodna
6
3
4
3
Possibly misleading (M)
Potencjalnie myląca
5
5
6
7
20
40
60
100
2013
100
2011
100
2013
100
2011
100
80
100
P4
P2
P1
2011
2013
100
2011
21
16
P5
63
74
11
16
2011
74
11
16
2013
74
11
16
P6
2013
95
5
2013
95
5
2011
95
5
2013
95
P8
P7
2011
5
89
11
2013
89
11
2011
89
11
2013
89
11
2011
89
11
2013
89
P15
P14
P13
P12
P11
P10
P9
2011
2011
11
2013
84
2011
84
2011
11
16
16
11
84
CORRECT
11
26
58
2013
5
11
84
2011
11
21
63
2013
5
11
79
2013
11
11
79
INCORRECT
MISLEADING
Fig. 1.
The accordance percentage of dog foods in ALAP category
Rys. 1.
Procent zgodności karm dla psów w kategorii ALAP
0
20
40
2011
37
60
80
100
11
11
K1
79
2013
100
2011
16
K3
84
2013
100
84
11
5
2013
84
11
5
2011
84
11
5
2013
84
11
5
K6
K5
2011
26
16
58
K7
2011
2013
68
2011
68
5
26
2013
68
5
26
21
K8
11
79
5
16
2013
79
5
16
2011
79
5
16
2013
79
5
16
K10
K9
2011
2011
5
5
K11
89
2013
5
79
2011
16
5
5
K12
89
2013
5
79
CORRECT
INCORRECT
Fig. 2.
The accordance percentage of cat foods in ALAP category
Rys. 2.
Procent zgodności karm dla kotów w kategorii ALAP
16
MISLEADING
Therefore it may be noted that improvement can be observed in some cases, but the
trend was not as strong as one might have expected. General impression is, that dog food
labels were better adjusted to new UE regulations, but the relatively small sample groups
compared in the study, do not allow drawing major conclusions.
Figures 3–6 show the detailed distribution of incorrect and misleading information on
the reviewed labels. Presumably the most disadvantageous observations on 2013 dog food
labels were: increased level of incorrectly stated necessity of ensuring constant access for
fresh water and no improvement in the absolutely mandatory information of weight percentage of components, emphasized (claimed) on the front of the package (Fig. 3), whilst
the former of a particular importance for its possible severe health complications. There
is an absolute need for constant water supply during dry food offering, regardless of the
initial moisture content of the diet [Marcon de Brito et al. 2010, Case et al. 2011].
nr 576, 2014
38
40%
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
2011
2013
Fig. 3.
Incorrect information on dog food labels
Rys. 3.
Udział informacji niezgodnych na etykietach karm dla psów
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
2011
2013
Fig. 4.
Incorrect information on cat food labels
Rys. 4.
Udział informacji niezgodnych na etykietach karm dla kotów
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
2011
2013
Fig. 5.
Potentially misleading information on dog food labels
Rys. 5.
Udział informacji potencjalnie mylących na etykietach karm dla psów
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
2011
2013
Fig. 6.
Potentially misleading information on cat food labels
Rys. 6.
Udział informacji potencjalnie mylących na etykietach karm dla kotów
nr 576, 2014
39
40
The substantial level of potentially misleading information on both, dog and cat food
labels concerned the daily ration, which is commonly considered a key element for the
appropriate management of the body weight [Heuberger and Wakshlag 2011, Murphy
et al. 2012]. In general, 6 of 17 evaluated label elements of cat food showed substantial
amount of misleading information, in most cases both in 2011 and 2013.
The indexes of accordance (Table 2), indicate the moderate trend of improvement in
the ALAE values, considering the correct information on the label. The tendency is notably stronger in dog than that in cat food. However slightly increased level of misleading
information on 2013 cat food labels in both ALAE and ALAP categories may be regarded
confounding (Table 3).
Table 3. The average level of accordance (ALA) of the dry petfood labels [%]
Tabela 3. Średni poziom zgodności (ALA) na etykietach karm [%]
2011
2013
Mean ±SD
Mean ±SD
Significance*
Istotność*
ALAE
Dogs
Psy
Cats
Koty
C
82.00
21.54
87.35
18.69
0.062
I
7.06
11.23
4.24
9.91
0.221
M
10.88
20.63
8.35
17.31
0.109
C
77.06
25.92
80.00
24.24
0.238
I
10.00
21.51
6.47
16.18
0.063
M
12.94
19.61
13.53
20.9
0.655
C
82.07
16.18
82.57
15.43
0.655
I
7.93
9.84
7.14
9.73
0.276
M
10.07
7.69
10.29
6.83
0.593
C
76.80
10.75
79.80
12.12
0.336
ALAP
Dogs
Psy
Cats
Koty
I
10.20
4.94
6.60
4.43
0.109
M
13.00
10.15
13.60
9.93
0.705
ALAE – accordance calculated for the label’s element/zgodność obliczona dla elementu etykiety.
ALAP – accordance calculated for the product’s label/zgodność obliczona dla produktu.
C – correct/zgodne.
I – incorrect/niezgodne.
M – misleading/mylące.
*Wilcoxon’s signed-rank test/test Wilcoxona.
Probably the most bothering observation was, that on some labels the levels of incorrect and potentially misleading information were constant in 2011 and 2013. This may
indicate, that in fact there was no concern of some of the petfood manufacturers and distributors currently operating in Poland, for the accurate labelling of their products.
41
Numerous Authors have emphasized, that the description placed on the label is the
main element of decision making for customers [Kurosad 2010, Berwid-Wójtowicz
2011, Case et al. 2011]. Therefore one may speculate, that the consequence of misleading label information are unwanted food purchases and possible further nutritional
effects.
Above mentioned observations were as well reiterated in the significance of ALA
differences assessment between 2011 and 2013. The ALAE values were most generally more favorable that those of ALAP, with the dog food correct information index
increase from 82 to 87% (Table 3).
The divergent accordance results reveal rather disadvantageous picture of cat dry
food labeling. That situation may in some manner link with increasing number of overweight cats [BCS – Body Condition System > 5, Laflamme 1997], euphemistically perceived by their owners [Kienzle and Bergler 2006], and together with some previously
described nutritional peculiarities in cats [Zaghini and Biagi 2005], lead to long term
issues like obesity and related diseases [Bermingham et al. 2010].
According to FEDIAF [2011], the energy content can be voluntary indicated on the
label. Its value should be calculated accordingly to the methods, presented in FEDIAF
Nutritional Guidelines for Cats and Dogs [2013]. Table 4 presents the results of ED
calculations for products evaluated in the study. It can be noticed, that such assessment
can be performed by the responsible pet owner, carefully planning the nutrition scheme
for the pet.
In a recent study reported by Linder et al. [2012], similar calculations were made
to evaluate potential risk of nutritional deficiency with caloric restrictions in dogs.
Among five diets tested, one was described as maintenance with caloric density of
380 kcal/100g. Interestingly, two more diets, included in that study had the weight
loss and therapeutic weight loss status, with the ED values 331 and 327 kcal/100 g,
respectively. As compared to the current results (Table 4), they show only a slight difference (6–7 kcal/100 g) which may have two potential implications. Firstly, the owner
can proximately calculate and compare the nutrient profiles of the commercially available products for dogs and cats, making responsible choice at purchase what, coupled
with the consequently offered daily ration (bowl size) regime, may facilitate optimal
body weight management of his pet. Secondly, it can strengthen the awareness, that
commonly offered maintenance diets may present quite high ED, what should entail
deliberate caution with any ad libitum feeding attempts.
That aspect emerges more seriously, comprehending the recent results of customers preferences, showing that the owners of overweight dogs express significantly less
interest in corrected dog nutrition than owners of normal weight dogs [Suarez et al.
2012].
One more plausible asset of simple ED estimation described above, can be the alleviated adjustment of the nutrition strategy of the pet, matching the actual energy
expenditure, to perpetuate stable body weight over time [Ramsey and Hagopian 2006,
Sallander et al. 2010].
nr 576, 2014
42
Table 4. Calculated values of ED in dog and cat food
Tabela 4. Wartości ED obliczone dla karm dla psów i kotów
Carbohydrates
Węglowodany
Energy density
Gęstość energetyczna
[kcal/100 g]
Protein – Białko
P1
338,25
24,8
30,2
45,0
P2
338,25
24,8
30,2
45,0
P4
375,25
27,0
40,8
32,2
P5
361,55
24,2
32,9
42,9
P6
375,85
22,3
38,4
39,2
P7
364,45
25,0
35,0
40,0
P8
369,75
22,7
35,6
41,6
P9
339,50
22,2
26,3
51,5
P10
337,75
22,3
26,4
51,3
Code – Kod
Fat – Tłuszcz
[%]
P11
339,50
22,2
26,3
51,5
P12
345,00
23,3
32,0
44,6
P13
348,50
24,1
31,7
44,2
P14
351,00
30,9
41,2
27,9
P15
361,50
31,0
40,0
29,0
Mean
Średnia
353,02
K1
343,50
34,6
29,7
35,7
K3
375,75
33,5
36,2
30,3
K5
372,25
32,0
36,5
31,5
K6
372,25
32,0
36,5
31,5
K7
366,20
30,6
34,8
34,6
K8
369,00
31,3
34,6
34,1
K9
356,50
30,4
38,1
31,4
K10
356,50
30,4
38,1
31,4
K11
341,25
32,8
26,2
41,0
K12
344,75
32,5
25,9
41,6
Mean
Średnia
359,58
CONCLUSIONS
The limiting factor of the current study is its hypothetical nature, and it should be
stressed that presented comparison and assumptions warrant further in vivo validation.
However, the assessment of the accordance of the selected dry pet food labels information with the EU regulations had the confounding effect and revealed rather unsatisfactory level of accurateness.
43
LITERATURE
Bermingham E.N., Thomas D.G., Morris P.J., Hawthorne A.J., 2010. Energy requirements of adult
cats. British Journal of Nutrition 103, 1083–1093.
Berwid-Wójtowicz S., 2011. Istotna rola etykiety. Rynek Zoologiczny 9, 38–39.
Case L.P., Daristotle L., Hayek M.G., Raasch M.F., 2011. Canine and feline nutrition, 3rd edition.
Elsevier.
Czajkowska K., Kowalska H., Piotrowski D., 2013. Rola konsumenta w procesie projektowania
nowych produktów spożywczych. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 575,
23–32.
FEDIAF 2011. Code of good labeling practice for pet food.
FEDIAF 2013. Nutritional guidelines for cats and dogs.
Heuberger R., Wakshlag J., 2011. The relationship of feeding patterns and obesity in dogs. Journal
of Animal Physiology and Animal Nutrition 95, 98–105.
Kienzle E., Bergler R. 2006. Human-animal relationship of owners of normal and overweight cats.
Journal of Nutrition 136, 1947S–1950S.
Kurosad A., 2010. Co wiemy o komercyjnych karmach dla psów i kotów? Magazyn Weterynaryjny
19, 809–814.
Laflamme D.P., 1997. Development and validation of a body condition score system for dogs.
Canine Practice 22, 10–15.
Linder D.E., Freeman L.M., Morris P., German A.J., Biourge V., Heinze C., Alexander L., 2012.
Theoretical evaluation of risk for nutritional deficiency with caloric restriction in dogs.
Veterinary Quarterly 32, 123–129.
Marcon de Brito C.B., Félix A.P., De Jesus R.M., De França M.I., De Oliveira S.G., Krabbe E.L.,
Maiorka A., 2010. Digestibility and palatability of dog foods containing different moisture levels, and the inclusion of a mould inhibitor. Animal Feed Science and Technology
159, 150–155.
Murphy M., Lusby A.L., Bartger J.W., Kirk C.A., 2012. Size of food bowl an scoop affects amount
of food owners feed their dogs. Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition 96,
237–241.
Official Journal of the European Union L 229. Regulation (EC) No 767/2009 of the European Parliament and of the Council of 13 July 2009.
Ramsey J.J., Hagopian K., 2006. Energy expenditure and restriction of energy intake: Could energy
restriction alter energy expenditure in companion animals? Journal of Nutrition, Supl.
1958S–1966S.
Sallander M., Hagberg M., Hedhammar Ĺ., Rundgren M., Lindberg J.E., 2010. Energy-intake and
activity risk factors for owner-perceived obesity in a defined population of Swedish dogs.
Preventive Veterinary Medicine 96, 132–141.
Suarez L., Peńa C., Carretón E., Juste M.C., Montoya-Alonso J.A., 2012. Preferences of owners of
overweight dogs when buying commercial pet food. Journal of Animal Physiology and
Animal Nutrition 96, 655–659.
Zaghini G., Biagi G., 2005. Nutritional peculiarities and diet palatability in the cat. Veterinary Research Communications 29(S2), 39–44.
nr 576, 2014
44
PORÓWNANIE TREŚCI ETYKIET WYBRANYCH KARM PEŁNOPORCJOWYCH
DLA PSÓW I KOTÓW W 2011 I 2013 ROKU
Streszczenie. Celem prezentowanych badań była ocena treści wybranych etykiet pełnoporcjowych suchych karm dla dorosłych, zdrowych psów i kotów, z podkreśleniem zgodności
z aktualnymi wymaganiami unijnymi. Średni poziom zgodności wyniósł 87 i 82%, odpowiednio dla psów i kotów. Warto podkreślić, że między 2011 a 2013 rokiem nie nastąpiła
istotna poprawa treści etykiet karm. Kluczowe elementy informacyjne etykiet nie zostały
poprawione, a nawet uległy pogorszeniu (np. zdanie o konieczności zapewnienia wody pitnej czy informacja o zalecanej dziennej dawce na zwierzę). Wszystkie oceniane produkty
należały do grupy typowych karm bytowych, jednak ich gęstość energetyczna była dość
zróżnicowana, co w perspektywie ich długookresowego podawania może mieć niekorzystne konsekwencje żywieniowe.
Słowa kluczowe: sucha karma, treść etykiety, karma bytowa, gęstość energetyczna
nr 576, 2014, 45–56
WPŁYW KOMUNALNYCH OSADÓW ŚCIEKOWYCH
NA ZAWARTOŚĆ METALI CIĘŻKICH W PĘDACH KLONÓW
WIERZBY KRZEWISTEJ (SALIX VIMINALIS L.)
Anna Jama-Rodzeńska1, Jan Bocianowski2, Władysław Nowak3
1,3
2
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu
Streszczenie. Wykorzystanie osadu ściekowego do użyźniania gleby na plantacjach roślin energetycznych wydaje się być najbardziej racjonalną metodą jego użycia. Obok cennych składników biogennych, takich jak N, P, Mg czy K, osad ściekowy w swoim składzie
zawiera także substancje toksyczne i szkodliwe. Obecność metali ciężkich w niektórych
osadach stanowi czynnik ograniczający ich wykorzystanie w rolnictwie. Wierzba wiciowa (Salix viminalis L.) jest przykładem wieloletniej rośliny energetycznej, która ma duże
zdolności pobierania i akumulowania metali ciężkich. W pracy przedstawiono wyniki dotyczące wpływu komunalnych osadów ściekowych na zawartość metali ciężkich w pędach
wierzby. Doświadczenie z użyźnianiem klonów wierzby krzewiastej osadem ściekowym
prowadzono w latach 2009–2010 w Stacji Badawczo-Dydaktycznej Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Eksperyment został założony metodą split-plot z dwoma czynnikami zmiennymi: pierwszym czynnikiem były dwie dawki osadu ściekowego na tle kontroli:
14,3 Mg·ha–1 i 28,5 Mg·ha–1 s.m., a drugim czynnikiem były cztery klony wierzby krzewiastej. Analiza statystyczna wykazała, że zawartości metali ciężkich Fe i Ni (r = 0,6793) oraz
Ni i Pb (r = 0,7046) były istotnie statystycznie skorelowane. Analiza składowych głównych
okazała się skutecznym narzędziem do czytelnej oceny zróżnicowania kombinacji klonów
i dawek osadu ściekowego. Celem pracy było wyselekcjonowanie klonów o największej
zawartości metali ciężkich w pędach.
Słowa kluczowe: wierzba krzewiasta, klony, pędy, metale ciężkie, osady ściekowe
Adres do korespondencji – Corresponding author: Anna Jama-Rodzeńska, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Katedra Szczegółowej Uprawy Roślin, pl. Grunwaldzki 24a, 50-363 Wrocław,
46
A. Jama-Rodzeńska, J. Bocianowski, W. Nowak
WSTĘP
Osad ściekowy stanowi nieodłączny element oczyszczania ścieków. Zgodnie z ustawą
o odpadach z dnia 14 grudnia 2012 roku, osad ściekowy jest to pochodzący z oczyszczalni
ścieków osad z komór fermentacyjnych oraz innych instalacji służących do oczyszczania
ścieków komunalnych oraz ścieków o składzie zbliżonym do składu ścieków komunalnych. Stosowanie osadów ściekowych zgodnie z powyższą ustawą to rozprowadzenie na
powierzchni ziemi lub wprowadzenie komunalnych osadów ściekowych do gleby w celu
ich wykorzystania. Oprócz składników biogennych (azot, fosfor, potas czy wapń) osady
mogą zawierać zanieczyszczenia organiczne, takie jak wielopierścieniowe węglowodory
aromatyczne, polifenole, dioksyny, a także inne związki ograniczające ich zastosowanie
w rolnictwie, w tym metale ciężkie. Problem wykorzystania osadów ściekowych w „nawożeniu” roślin wzbudza wiele kontrowersji, ale jest jedną z racjonalnych metod ich
wykorzystania. Nieliczne tylko gatunki roślin mają zdolność do wzrostu i rozwoju w środowisku zanieczyszczonym metalami ciężkimi, dając przy tym wysokie plony. Wierzbę
wykorzystuje się w oczyszczaniu środowiska, co ma zastosowanie w procesie fitoremediacji. Jest rośliną o stosunkowo małych wymaganiach pod względem środowiska [Kaniuczak i in. 2000, Szczukowski i in. 2000, 2002, 2004a, 2004b, Kalembasa i in. 2006,
Kisiel i in. 2006], a uprawiana na osadzie ściekowym wynosi z gleby najwięcej substancji
szkodliwych, dlatego szczególnie się ją poleca do zagospodarowania gleb o nadmiernej
zawartości metali ciężkich [Kaniuczak i in. 2000, Michałowski i Gołas 2001, Mertens
i in. 2006, Meers i in. 2007]. Problematyka pobierania i akumulacji metali ciężkich z osadów przez wierzbę oraz ich reakcji na zanieczyszczone środowisko życia jest tematyką ciągle aktualną. Dotychczasowe badania dotyczą zawartości głównie metali ciężkich
w liściach, korze i drewnie wierzby. Ze względu na spalanie surowca wierzbowego (jako
surowca energetycznego alternatywnego do spalania węgla) należałoby zbadać zawartość
tych pierwiastków w całych pędach. Stwierdzono, że spalanie pędów wierzbowych jest
korzystniejsze dla środowiska naturalnego w porównaniu ze spalaniem paliw kopalnych,
ze względu na mniejszą emisję substancji toksycznych do atmosfery. Pędy wierzbowe zawierają najmniejszą ilość azotu, fosforu, metali ciężkich, dlatego można je wykorzystać
podczas spalania bez obaw o emisję substancji szkodliwych [Michałowski i Gołaś 2001,
Mertens i in. 2006, Ociepa i in. 2008, Ohlsson i in. 2008].
Celem pracy było wytypowanie klonów charakteryzujących się największą zawartością metali ciężkich w pędach, a w dalszym etapie ich wykorzystanie do spalania biomasy
jako alternatywa do spalania węgla, jak również wielocechowa charakterystyka zmienności. Zastosowano metodę składowych głównych.
MATERIAŁ I METODY
W latach 2009–2010 na założonym w 2003 roku doświadczeniu przeprowadzono
badania nad wpływem „nawożenia” komunalnymi osadami ściekowymi na zawartość
metali ciężkich w kilku klonach wierzby krzewiastej. Doświadczenie przeprowadzono
na glebie brunatnoziemnej, typu płowego, podtypu opadowo-glejowego w Stacji Badawczo-Dydaktycznej Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu (tab. 1). Sadzonki
Wpływ komunalnych osadów ściekowych na zawartość metali ciężkich...
47
Tabela 1. Skład granulometryczny gleby (poziom A 0–20 cm) wykonany metodą areometryczną
Bouyoucosa-Casagrande w modyfikacji Prószyńskiego (według PTG)
Table 1. Granularity of soil (level A 0–20 cm) made up using aerometric method Bouyoucosa
– Casagrande in Prószyński’s modification
Próbka glebowa
Soil sample
Udział frakcji – Fraction
[mm]
2–0,05
0,05–0,02
< 0,02
64
26
10
Poziom A [0–20 cm]
Level A [0–20 cm]
Grupa granulometryczna według
PTG 2008
Granulometric group according to
Polish Society of Soil Science
glina lekka
light clay of loam
zdrewniałe wierzby wysadzono wiosną 2003 roku w rozstawie 0,7 × 0,4 m w liczbie
35 714 sztuk na hektar. Osady ściekowe zastosowano jednorazowo wiosną w 2008 roku,
powierzchniowo, po czym badano następcze działanie osadu. Wpływ osadu ściekowego na zawartość metali ciężkich w pędach wierzby wykonano w latach 2009–2010.
Doświadczenie założono w układzie split-plot z dwoma czynnikami różnicującymi
w trzech powtórzeniach. Czynnikami badanymi były w kolejności:
• I – dawki osadu ściekowego pochodzącego z Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków Janówek: 1 – bez osadu (kontrola), 2 – dawka pierwsza: 14,3 t·ha–1 s.m. osadu, 3 – dawka druga: 28,5 t·ha–1 s.m. osadu.
Wielkość dawki osadu ściekowego została ustalona na podstawie załącznika 1 do
Rozporządzenia Ministra Środowiska w sprawie komunalnych osadów ściekowych z dnia
1 sierpnia 2002 roku (obowiązująca wersja z dnia 13 lipca 2010 roku) z przeznaczeniem
do rekultywacji na cele nierolne [Rozporządzenie 2010]. Przy ustalaniu dawek osadów
ściekowych wzięto pod uwagę zapotrzebowanie wierzby na azot i fosfor (tab. 2).
Tabela 2. Właściwości fizykochemiczne komunalnego osadu ściekowego
Table 2. Physicochemical properties of communal sewage sludge
Wyszczególnienie – Specification
Odczyn pH – Reaction
Jednostka – Unit
–
Sucha masa – Dry mass
12
220
Substancja organiczna – Organic matter
Azot ogólny – Nitrogen
Osad higienizowany
Communal sewage sludge
450
g·kg–1
36
Fosfor ogólny – Phosphorus
28
Wapń – Calcium
100
Magnez – Magnesium
7
Ołów – Lead
59
Kadm – Cadium
Chrom – Chromium
Miedź – Copper
2
mg·kg–1
108
415
Nikiel – Nickel
50
Rtęć – Mercury
0,05
nr 576, 2014
48
•
II cztery klony wierzby krzewiastej oznaczone w kolekcji następującymi liczbami:
1001 Salix viminalis dasycladis ss Baltica, 1047 Salix viminalis var gigantea, 1053
Orm Valne, 1054 Salix viminalis 082.
Gleba charakteryzowała się bardzo wysoką zawartością przyswajalnego fosforu
(90–191 mg·kg–1), potasu (151–210 mg·kg–1) oraz średnią i wysoką zawartością magnezu (29–34 mg·kg–1). Glebę zaliczono do gliny lekkiej (tab. 1) [Ostrowska i in. 1991,
Drozd i in. 2002].
Skład chemiczny komunalnych osadów wskazuje, że był on zasobny w składniki nawozowe. Charakteryzował się odczynem alkalicznym, dużą zawartością substancji organicznej, azotu, fosforu, wapnia i niską zawartością metali, spełniał więc wymagania Rozporządzenia Ministra Środowiska w sprawie komunalnych osadów ściekowych z dnia
13 lipca 2010 roku przy stosowaniu ich w rolnictwie (tab. 2).
Analizy składu chemicznego osadu ściekowego wykonano z wykorzystaniem następujących standardów w laboratorium:
• suchą masę – metodą suszarkową,
• substancję organiczną – poprzez wyrzażanie,
• azot – metodą Kjehdala,
• wapń – metodą kolorymetryczną z żółcienią tytanową,
• fosfor – kolorymetrycznie metodą wanadomolibdenową,
• metale ciężkie – metodą ASA.
Próbki pędów pobrano z 10 losowo wybranych roślin z każdego klonu i obiektu nawożenia. Metale ciężkie w materiale roślinnym oznaczono metodą ASA po suchej mineralizacji próbek roślinnych.
Metody statystyczne
Normalność rozkładu zawartości badanych metali ciężkich (Fe, Cu, Zn, Ni, Mn,
Pb) była testowana z użyciem testu Shapiro-Wilka [Shapiro i Wilk 1965]. Obliczono
i testowano współczynniki korelacji prostej Pearsona [Kozak i in. 2010]. W celu przedstawienia wielocechowej oceny podobieństwa badanych obiektów w mniejszej liczbie
wymiarów z możliwie jak najmniejszą stratą informacji zastosowano analizę składowych głównych. Umożliwia ona zobrazowanie zróżnicowania obiektów pod względem zawartości sześciu metali ciężkich łącznie w formie graficznej. Ułatwia to grupowanie oraz charakterystykę wielocechową badanych obiektów. Oszacowano wartości
współczynników korelacji prostej między wartościami dwu pierwszych składowych
głównych a średnimi wartościami zawartości poszczególnych metali ciężkich w celu
określenia względnego udziału każdej cechy w wielocechowym zróżnicowaniu badanych obiektów. Odległości Euklidesa zostały użyte jako współczynnik zróżnicowania
dla wszystkich możliwych kombinacji klonów i dawek osadu ściekowego w poszczególnych latach prowadzenia obserwacji (kombinacje nazywane są dalej obiektami).
Uzyskane współczynniki zróżnicowania fenotypowego posłużyły do hierarchicznego
grupowania obiektów metodą średnich połączeń. Wyniki przeprowadzonego grupowania przedstawiono w formie dendrogramu. Wszystkie obliczenia w analizie danych
wykonano za pomocą pakietu statystycznego GenStat 15.
49
WYNIKI I DYSKUSJA
Porównując badane obiekty ze względu na pojedyncze cechy dochodzi się zazwyczaj
do różnych wniosków nieinformujących w pełni o danym obiekcie. Można uniknąć tego
problemu, stosując metody wielowymiarowe. Zastosowanie w niniejszej pracy wielowymiarowych metod statystycznej analizy wyników doświadczeń uzasadnione było stosunkowo niewielką liczbą istotnych korelacji, a więc analizowanie poszczególnych cech
oddzielnie byłoby niewskazane. Brak istotnych korelacji oznacza m.in. różne uporządkowanie obiektów pod względem poszczególnych cech. Wybór obiektów najlepszych pod
względem jednej cechy może być równocześnie wyborem obiektów przeciętnych pod
względem innej cechy. Wartości współczynników korelacji badanych cech przedstawiono w tabeli 3. Zawartości metali ciężkich Fe i Ni (r = 0,6793) oraz Ni i Pb (r = 0,7046)
były istotnie statystycznie skorelowane (tab. 3).
Tabela 3. Współczynniki korelacji prostej Pearsona pomiędzy zawartościami metali ciężkich
Table 3. Correlation coefficient of Pearson between the content of heavy metals
Cecha
Feature
Fe
Fe
1
Cu
0,1211
Zn
–0,1247
Cu
Zn
Ni
0,2527
1
–0,2443
0,113
–0,0247
0,0874
0,0483
0,3347
0,263
0,0377
0,7046***
0,6793***
Mn
Pb
Pb
1
0,2623
Ni
Mn
1
1
–0,0483
1
*** P < 0,001
Wyniki analizy wielowymiarowej pozwalają stwierdzić, iż dwie pierwsze składowe
główne wyjaśniają w sumie 93,03% ogólnej zmienności. Na rysunku 1 przedstawiono
kombinacje klonów i dawek osadu ściekowego w poszczególnych latach prowadzenia
doświadczenia (obiekty) w układzie dwu pierwszych składowych głównych. Na wykresie
współrzędne punktu danego obiektu stanowią wartości odpowiednio pierwszej i drugiej
składowej głównej. Pierwsza składowa główna (PC1) jest dodatnio skorelowana z zawartością Ni (r = 0,3893) oraz ujemnie skorelowana z zawartością Zn (r = –0,973) (tab. 4).
Druga składowa główna (PC2) jest dodatnio skorelowana z zawartością Fe (r = 0,9362)
oraz zawartością Ni (r = 0,5814) (tab. 4). Cechy statystycznie istotnie skorelowane
z pierwszą i/lub drugą składową główną posiadają największą moc dyskryminacyjną.
Analiza grupowania bazująca na odległościach Euklidesa oszacowanych na podstawie zawartości sześciu metali ciężkich pozwoliła na rozdzielenie badanych kombinacji
klonów i dawek osadu ściekowego w poszczególnych latach prowadzenia obserwacji
na dwie grupy: A i B (rys. 2). W pierwszej grupie zlokalizowane zostały klony numer
1001, 1053 i 1047 traktowane wszystkimi trzema dawkami osadu ściekowego i badane
w pierwszym roku prowadzenia doświadczenia (rys. 2). Najmniejszą odległością Euklidesa charakteryzowały się obiekty 1053 9 2 i 1047 9 2 (0,010), a największą – 1053 9 2
i 1047 9 K (0,433) (tab. 5).
nr 576, 2014
50
Rys. 1.
Fig. 1.
Położenie kombinacji klonów i dawek osadu ściekowego w poszczególnych latach prowadzenia obserwacji w układzie dwu pierwszych składowych głównych [zapis obiektu
‘XYZ’ oznacza: X – klon, Y – rok (9 – 2009, 10 – 2010), Z – dawka osadu ściekowego
(K – kontrola, 1 – pojedyncza, 2 – podwójna)]
The location of combinations of clones and doses of sewage sludge in following years of
observation in the setting two main components [object notation ‘XYZ’ means: X – clone, Y – year (9 – 2009, 10 – 2010), Z – dose of sewage sludge (K – control, 1 – single,
2 – double)]
Tabela 4. Współczynniki korelacji między dwiema pierwszymi składowymi głównymi a zawartościami badanych metali ciężkich
Table 4. Correlation coefficients between two visable main components and the content of heavy
metals
Metale ciężkie
Heavy metals
Składowe główne
Main components
PC1
PC2
Fe
0,3503
0,9362***
Cu
–0,2099
Zn
–0,973***
Ni
0,3893*
0,207
0,2304
0,5814**
Mn
–0,0638
0,1736
Pb
0,0435
0,3407
Wartość własna
149,23
95,36
Procent zmienności wyjaśnianej przez PC
56,76%
36,27%
* P < 0,05; ** P < 0,01; *** P < 0,001
Rys. 2.
Fig. 2.
51
Dendrogram przedstawiający hierarchiczne grupowania kombinacji klonów i dawek osadu ściekowego w poszczególnych latach prowadzenia obserwacji metodą średnich połączeń [zapis obiektu ‘X Y Z’ oznacza: X – klon, Y – rok (9 – 2009, 10 – 2010), Z – dawka
osadu ściekowego (K – kontrola, 1 – pojedyncza, 2 – podwójna)]
Dendrogram showing the hierarchical clustering combination of clones and doses of sewage sludge in different years of observation by the average call [object notation ‘XYZ’
means: X – clone, Y – year (9 – 2009, 10 – 2010), Z – dose of sewage sludge (K – control,
1 – single, 2 – double)]
Na ogół nie stwierdzono istotnego wpływu osadu ściekowego na zawartość metali
ciężkich w pędach wierzby. Większość wyników zawartości metali ciężkich w wierzbie
dotyczy osobno liści, kory i drewna, mniej jest badań dotyczących pędów. W badaniach
Kalembasy [2009] największe zawartości miedzi, cynku i ołowiu stwierdzono na obiekcie z najwyższą dawką osadów ściekowych, tj. 200 kg N·ha–1 . W większości przeprowadzonych badań, jak i w badaniach własnych, nie została przekroczona granica zawartości
fizjologicznej metali ciężkich [Brzozowska i in. 1995, Jakubiak i Śliwka 2010].Według
Barana [2001], organ rośliny i dawka osadu nie miały wpływu na zawartość miedzi
nr 576, 2014
Obiekt#
Object#
1054 9 K
1054 9 1
1054 9 2
1019 9 K
1019 9 1
1019 9 2
1001 9 K
1001 9 1
1001 9 2
1053 9 K
1053 9 1
1053 9 2
1047 9 K
1047 9 1
1047 9 2
1054 10 K
1054 10 1
1054 10 2
1001 10 K
1001 10 1
1001 10 2
1053 10 K
1053 10 1
1053 10 2
1047 10 K
1047 10 1
1047 10 2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
0,095
0,097
0,052
0,084
0,150
0,129
0,084
0,209
0,116
0,134
0,203
0,070
0,149
0,184
0,056
0,081
0,185
0,170
0,045
0,122
0,071
0,084
0,062
0,172
0,052
0,077
1
0,109
0,073
0,062
0,213
0,165
0,151
0,142
0,124
0,188
0,202
0,122
0,050
0,162
0,206
0,170
0,280
0,344
0,082
0,167
0,299
0,182
0,186
0,251
0,080
0,179
2
0,070
0,016
0,078
0,186
0,091
0,083
0,103
0,144
0,143
0,189
0,204
0,118
0,092
0,049
0,101
0,160
0,085
0,011
0,180
0,094
0,091
0,125
0,104
0,037
3
0,079
0,115
0,139
0,128
0,218
0,114
0,163
0,246
0,111
0,126
0,228
0,073
0,154
0,114
0,140
0,037
0,088
0,157
0,065
0,095
0,102
0,015
0,109
4
0,091
0,206
0,109
0,077
0,117
0,174
0,158
0,183
0,167
0,117
0,115
0,052
0,148
0,233
0,072
0,041
0,215
0,144
0,127
0,164
0,094
0,050
5
0,315
0,211
0,237
0,201
0,304
0,402
0,295
0,326
0,358
0,071
0,148
0,034
0,118
0,065
0,076
0,194
0,175
0,233
0,156
0,114
0,103
6
0,041
0,169
0,027
0,020
0,145
0,021
0,082
0,160
0,224
0,200
0,325
0,186
0,152
0,259
0,154
0,057
0,118
0,356
0,202
0,267
7
0,082
0,020
0,015
0,078
0,055
0,138
0,077
0,150
0,070
0,234
0,153
0,122
0,142
0,097
0,051
0,064
0,268
0,186
0,130
8
0,080
0,111
0,078
0,203
0,175
0,053
0,279
0,094
0,307
0,323
0,201
0,145
0,309
0,188
0,193
0,362
0,279
0,172
9
0,027
0,125
0,054
0,088
0,117
0,185
0,131
0,222
0,154
0,106
0,167
0,156
0,060
0,121
0,283
0,176
0,188
10
0,072
0,053
0,132
0,089
0,215
0,132
0,315
0,187
0,180
0,205
0,142
0,054
0,080
0,340
0,237
0,207
11
0,174
0,215
0,010
0,313
0,109
0,433
0,377
0,297
0,194
0,280
0,165
0,104
0,382
0,325
0,189
12
0,065
0,178
0,181
0,180
0,325
0,209
0,108
0,258
0,123
0,075
0,108
0,333
0,144
0,234
13
Tabela 5. Odległości Euklidesa dla wszystkich możliwych kombinacji klonów i dawek osadu ściekowego w poszczególnych latach prowadzenia obserwacji
Table 5. Eucleidan distances for all possibile combinations of clones and sewage sludge in following years of observations
0,103
0,094
0,081
0,054
0,085
0,065
0,086
0,097
0,156
0,065
0,066
16
0,204
0,212
0,133
0,066
0,123
0,130
0,075
0,229
0,178
0,031
17
4
0,083
0,115
0,080
0,197
0,157
0,220
0,080
0,141
0,122
18
5
0,129
0,160
0,085
0,064
0,158
0,207
0,181
0,186
19
6
0,117
0,129
0,098
0,149
0,184
0,029
0,119
20
7
0,191
0,118
0,100
0,091
0,119
0,025
21
8
0,078
0,081
0,251
0,177
0,133
22
9
0,045
0,190
0,116
0,136
23
10
0,171
0,139
0,075
24
11
12
0,140
0,110
25
Object notation ‘XYZ’ means: X – clone, Y – year (9 – 2009, 10 – 2010), Z – dose of sewage sludge (K – control, 1 – single, 2 – double).
0,305
0,090
0,396
0,386
0,267
0,170
0,287
0,183
0,117
0,341
0,300
0,161
15
3
Zapis obiektu ‘XYZ’ oznacza: X – klon, Y – rok (9 – 2009, 10 – 2010), Z – dawka osadu ściekowego (K – kontrola, 1 – pojedyncza, 2 – podwójna).
0,201
0,284
0,261
0,394
0,349
0,127
0,294
0,315
0,168
0,227
0,405
0,151
0,317
14
2
#
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
1
#
Obiekt#
Object#
1047 9 2
1054 10 K
1054 10 1
1054 10 2
1001 10 K
1001 10 1
1001 10 2
1053 10 K
1053 10 1
1053 10 2
1047 10 K
1047 10 1
1047 10 2
0,125
26
13
54
w wiklinie – podobnie jak w badaniach własnych. Wiklina wykazuje wyjątkowe zdolności akumulowania w pędach takich pierwiastków, jak Cd i Zn [Landberg i in. 1996, Baran
i in. 2000, Tack i in. 2005, Maxted i in. 2007). Według badań Meers i innych (2007),
badane odmiany Salix nie były odpowiednim narzędziem w procesie fitoekstrakcji Cr,
Cu, Ni i Pb, ze względu na niskie pobieranie tych pierwiastków z gleby. Zawartość metali
ciężkich w roślinie może być tłumaczona tzw. efektem rozcieńczenia. Często zawartości
te mogą być niższe niż przewidywalne m.in. na skutek źle przeprowadzonej orki.
Kaniuczak [2000] stwierdziła, że ilość cynku zakumulowana w organach wikliny
(liście i kora) przekraczała nadmierną dopuszczalną zawartość (100–400 mg Zn·kg–1).
Przekroczenie tych wartości dotyczyło liści i kory. Przyjęto następującą klasyfikację
dopuszczalnych zawartości metali ciężkich określającą poziomy fitotoksyczności: Cu
– 25–40, Ni – 50–100, Zn – 500–1500 mg·kg–1 [Labrecque i in. 1995]. W pędach wierzby
nie stwierdzono przekroczenia wartości dopuszczalnych. Toksyczne stężenie tego pierwiastka w liściach i pędach wikliny stwierdzili także Baran i inni (2000). Młode pędy
wikliny gromadzą więcej cynku niż liście. Według Jakubiak i Śliwki [2010], największą
zdolność pobierania ołowiu miały klony 1012 (wiklina plecionkowa) i 1033 (wiklina
przemysłowo-energetyczna), jednakże zawartości mieściły się w zakresie normalnym
(fizjologicznym), który wynosi od 5 do 10 mg·kg–1. Metoda składowych głównych jest
szeroko stosowana [Abdulla i in. 2013, Alexander i Imberger 2013, Demšar i in. 2013].
O jej efektywności w prezentowanych badaniach świadczą m.in. duże wartości procentu ogólnej zmienności wyjaśnianej przez dwie pierwsze składowe główne, wynoszące
93,03%. Zawartości Cu, Mn oraz Pb nie były istotnie skorelowane ani z pierwszą, ani
z drugą składową główną (tab. 4). Zawartość Ni była natomiast statystycznie istotnie
skorelowana zarówno z pierwszą, jak i drugą składową główną (tab. 4).
Niska zawartość metali ciężkich w pędach wierzby jest ważna w aspekcie ochrony
środowiska, gdyż popiół uzyskiwany ze spalania biomasy zawiera metale ciężkie i pozwala na wykorzystanie go jako nawozu w rolnictwie [Hermann i Harasimowicz-Hermann 2005].
WNIOSKI
1. Zastosowane dawki osadu ściekowego nie miały istotnego wpływu na zawartość
manganu, żelaza, miedzi, niklu i ołowiu w pędach wierzby. Największe zawartości powyższych metali ciężkich stwierdzono na obiekcie kontrolnym.
2. Nie stwierdzono przekroczenia dopuszczalnych norm zawartości metali ciężkich
w badanych pędach wierzby.
LITERATURA
Abdulla H.A.N., Minor E.C., Dias R.F., Hatcher P.G., 2013. Transformations of the chemical compositions of high molecular weight DOM along a salinity transect: Using two dimensional correlation spectroscopy and principal component analysis approaches. Geochimica et
Cosmochimica Acta 118, 231–246.
55
Alexander R., Imberger J., 2013. Phytoplankton patchiness in Winam Gulf, Lake Victoria: a study
using principal component analysis of in situ fluorescent excitation spectra. Freshwater
Biology 58(2), 275–291.
Baran S., Bielińska E.J., Wójcikowska-Kapusta A., 2000. Wpływ uprawy wikliny na kształtowanie
aktywności dehydrogenaz i fosfataz oraz zawartości ołowiu w glebie bielicowej użyźnionej osadem ściekowym, Folia Univ. Agric. Stetin. 211, 84, 19–24.
Baran S., Wójcikowska-Kapusta A., Jaworska B., 2001. Przydatność wikliny do sanitacji gleb zanieczyszczonych miedzią i ołowiem, Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 477, 187–193.
Brzozowska K., Prądzyński W., 1994–1995. Krzewy wierzbowe jako indykatory zanieczyszczeń
środowiska metalami ciężkimi, Roczniki Akademii Rolniczej w Poznaniu CCLXXIX,
29–38.
Demšar U., Harris P., Brunsdon C., Fotheringham A.S., McLoone S., 2013. Principal Component
Analysis on Spatial Data: An Overview. Annals of the Association of American Geographers 103(1), 106–128.
Drozd J., Licznar M., Licznar S., Weber J., 2002. Gleboznawstwo z elementami mineralogii i petrografii. Skrypty AR we Wrocławiu nr 470.
Hermann J., Harasimowicz-Hermann G., 2005. Przydatność popiołów ze spalania biomasy do stosowania w rolnictwie i rekultywacji gruntów, Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 506, 189–
–196.
Jakubiak M., Śliwka M., 2010. Zmiany zawartości pierwiastków śladowych w wierzbach (S. viminalis) pod wpływem stymulacji zrzezów światłem spójnym. Proceedings of ECOpole 4,
2, 388–394.
Kalembasa D., Malinowska E., Siewniak M., 2006. Wpływ nawożenia na plonowanie wybranych
gatunków wierzby krzewiastej. Acta Agrophysica 8(1), 119–126.
Kalembasa S., Wysokiński A., Cichuta R., 2009. Zawartość metali ciężkich w wierzbie (Salix viminalis) przy zróżnicowanym nawożeniu azotowym, Acta Agrophysica 13(2), 385–392.
Kaniuczak J., Błażej J., Gąsior J., 2000. Zawartość pierwiastków śladowych w różnych klonach
wikliny. Zawartość żelaza, manganu, miedzi i cynku, Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 472,
379–385.
Kisiel R., Stolarski M., Szczukowski S., Tworkowski J., 2006. Biomasa pozyskiwana z gruntów
rolniczych źródłem energii. Zagadnienia Ekonomiki Rolnej 4, 90–101.
Kozak M., Bocianowski J., Sawkojć S., Wnuk A., 2010. Call for more graphical elements in statistical teaching and consultancy. Biometrical Letters 47(1), 57–68.
Labrecque M., Teodorescu T.I., Daigle S., 1995. Effect of wastewater sludge on growth and heavy
metal bioaccumulation of two Salix species. Plant and Soil 171, 303–316.
Landberg T., Greger M., 1996. Differences in uptake and tolerance to heavy metals in Salix from
unpolluted and polluted areas. Applied Geochemistry 11, 175–180.
Maxted A.P., Black C.R., West H.M., Crout N.M.J., Mcgrath S.P., Young S.D., 2007. Phytoextraction of cadium and zinc by Salix from soil historically amended with sewage sludge. Plant
Soil 290, 157–172.
Meers E., Vandecasteele B., Ruttens A., Vangronsveld J., Tack F.M.G., 2007. Potential of five willow species (Salix spp.) for phytoextraction. Environmental and Experimental Botany
60, 57–68.
Mertens J., Vervaeke P., Meers E., Tack F.M., 2006. Seasonal Changes of metals in willow (Salix
sp.) stands for phytoremediation on dredged sediment. Environmental Science & Technology 40(6), 1962–1968.
Michałowski M., Gołas J., 2001. Zawartość wybranych metali ciężkich w organach wierzby jako
wskaźnik wykorzystania w utylizacji osadów ściekowych. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol.
477, 411–419.
nr 576, 2014
56
Ociepa A., Lach J., Gałczyński Ł., 2008. Korzyści i ograniczenia wynikające z zagospodarowania
gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi pod uprawy roślin przemysłowo-energetycznych. Proceedings of ECOpole 2(1), 231–235.
Ohlsson A.B., Landberg T., Berglund T., Greger M., 2008. Increased metal tolerance in Salix by
nicotinamide and nicotinic acid. Plant Physiology and Biochemistry 46, 655–664.
Ostrowska A., Gawliński S., Szczubiałka Z., 1991. Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin. Katalog. Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa.
Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie komunalnych osadów ściekowych z dnia 13 lipca
2010 roku (Dz.U. z 2010 r. Nr 137.924).
Shapiro S.S., Wilk M.B., 1965. An analysis of variance test for normality (complete samples).
Biometrica 52(3–4), 37–76.
Szczukowski S., Tworkowski J., Stolarski M., 2000. Biomasa krzewiastych wierzb (Salix sp.) pozyskiwana na gruntach ornych odnawialnym źródłem energii. Międzynarodowa Konferencja „Gospodarowanie w rolnictwie zrównoważonym u progu XXI wieku”. Puławy
1–2 czerwca. Pamiętnik Puławski 120, 421–428.
Szczukowski S., Tworkowski J., Wiwart M., Przyborowski J., 2002. Wiklina (Salix sp.). Uprawa
i możliwości wykorzystania. Wyd. UWM, Olsztyn.
Szczukowski S., Stolarski M., Tworkowski J., Przyborowski J., 2004a. Wykorzystanie biomasy
wierzby krzewiastej do produkcji energii cieplnej. Problemy Inżynierii Rolniczej 2(44),
31–40.
Szczukowski S., Tworkowski J., Stolarski M., Przyborowski J., 2004b. Plon biomasy wierzb krzewiastych pozyskiwanych z gruntów rolniczych w cyklach jednorocznych. Fragm. Agron.
XXI, nr 2(82), 5–18.
Tack F.M.G., Varvaeke P., Meers E., Vandecasteele B., 2005. Phytoremediation/stabilisation of
dredged sediment derived soils with willow. Geophysical Research Abstracts, vol. 7,
08101.
THE INFLUENCE OF SEWAGE SLUDGE ON THE CONTENT OF HEAVY
METALS IN SHOOTS OF CLONES OF WILLOW (SALIX VIMINALIS L.)
Summary. According to the Law on Waste of 14 December 2012 sewage sludge is “a sewage coming from the sewage treatment plant sludge digesters and other installations for
water treatment with a composition similar to the composition of the sewage sludge”. Next
to valuable nutrients, sewage sludge contains also heavy metals which can delimit ist using
in agriculture. Willow as a long-term plant possess high ability to take up and accumulate
heavy metals. The paper presents the results of influence of sewage sludge on the content
of heavy metals in the shoots of willow. Field experiment with clones of willow was established in 2003 and with sewage sludge in years 2009–2010 at Experimental Station
Pawlowice. Experiment was established using split-plot method in three replicants with
two factors: first factor- various doses of sewage sludge: 14.3 t·ha–1 d.m and 28.5 t·ha–1 d.m
and II – clones of Salix viminalis L. Statistical analysis showed that the content of heavy
metals Fe and Ni (r = 0.6793) as well as Ni and Pb (r = 0.7046) was statistically correlated.
Analysis turned out to be an effective tool to legible evaluation diversity of combination
of clones and doses of sewage sludge. The aim of the study was to select the clones that
accumulated the greatest amount of heavy metals in shoots.
Key words: willow, clones, shoots, heavy metals, sewage sludge
nr 576, 2014, 57–66
AKCEPTACJA KONSUMENCKA SOKÓW OWOCOWYCH
I JASNEGO PIECZYWA Z DODATKIEM BŁONNIKA
I JEJ UWARUNKOWANIA*
Marzena Jeżewska-Zychowicz
Streszczenie. Celem badania była ocena akceptacji konsumenckiej pieczywa jasnego oraz
soku owocowego wzbogaconych w błonnik. Uwzględniono płeć, znajomość i spożywanie oraz poglądy dotyczące korzyści i zagrożeń jako czynniki warunkujące deklarowane
intencje spożywania obydwu produktów. Badanie ankietowe zrealizowano w 2011 roku
na ogólnopolskiej próbie 1000 dorosłych Polaków. Badana populacja charakteryzowała
się wysoką akceptacją dodawania błonnika do żywności. Oceny korzyści wynikające ze
spożywania obydwu wzbogaconych w błonnik produktów, zagrożeń związanych z ich
konsumpcją oraz gotowość do nabywania nie różniły się, tym samym obydwa produkty
były w takim samym stopniu akceptowane jako nośniki dodatkowego błonnika. Relatywnie wysoka akceptacja konsumencka błonnika jako dodatku do jasnego pieczywa i soków
owocowych pozwala na opracowywanie nowych produktów z dużą szansą na sukces
rynkowy.
Słowa kluczowe: akceptacja konsumencka, żywność funkcjonalna, błonnik pokarmowy,
jasne pieczywo, soki owocowe
*Praca została sfinansowana ze środków Narodowego Centrum Nauki w ramach projektu badawczego własnego nr N N112 301338 pt. „Akceptacja nowych produktów żywnościowych i jej uwarunkowania a innowacyjność przemysłu spożywczego”.
Adres do korespondencji – Corresponding author: Marzena Jeżewska-Zychowicz, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Nauk o Żywieniu Człowieka i Konsumpcji,
Katedra Organizacji i Ekonomiki Konsumpcji, ul. Nowoursynowska 159c, 02-776,
58
M. Jeżewska-Zychowicz
WSTĘP
Konsumenci coraz częściej poszukują produktów żywnościowych pozytywnie wpływających na ich zdrowie, tym samym coraz większego znaczenia nabierają ich cechy
funkcjonalne. Jednocześnie o zakupie produktu w dużym stopniu decydują jego cechy
sensoryczne, w tym między innymi smak, zapach, wygląd, tekstura [Heenan i in. 2008].
Spełnienie oczekiwań konsumentów wobec produktu spożywczego decyduje o jego sukcesie rynkowym [Czajkowska i in. 2013].
Błonnik pokarmowy pełni w organizmie wiele ważnych fizjologicznie funkcji [Liu
i in. 2003]. Z danych GUS wynika, że w latach 2000–2009 nastąpił spadek spożycia
warzyw, owoców i produktów zbożowych [Szczepańska i in. 2010] oraz błonnika pokarmowego ogółem. Dzienne spożycie błonnika w 2009 roku wynosiło 25,4 g/dzień i było
niższe o około 14% w stosunku do 2000 roku [Górecka i in. 2011]. Dzięki dodawaniu
błonnika, np. otrąb czy wyizolowanego błonnika do produktów, które są naturalnymi źródłami tego składnika w diecie, np. do pieczywa producenci mogą oczekiwać większej akceptacji tych działań niż w przypadku innych produktów, co potwierdzają wyniki badań
[Baixauli i in. 2008, Carrillo i in. 2012]. Konsumenci bardziej pozytywnie oceniają takie
zmiany w żywności podstawowej niż w żywności postrzeganej jako źródło przyjemności
[Dean i in. 2007].
Z dotychczasowych badań wynika, że konsumenci są świadomi korzystnego wpływu
błonnika i produktów pełnoziarnistych na ich zdrowie, a także rozpoznają produkty, które
są dobrym źródłem błonnika [Lyly i in. 2004]. Na zwiększone zainteresowanie produktem bogatym w błonnik wpływa posiadana wiedza z tego zakresu, co ułatwia dostrzeganie korzyści, z kolei dostrzeganie zagrożeń zniechęca do produktu [Dewettinck i in. 2008,
Fischer i Frewer 2009].
Celem badania była ocena akceptacji konsumenckiej dwóch nośników dodatkowego
błonnika pokarmowego: pieczywa jasnego i soku owocowego.
MATERIAŁ I METODY
Badanie ankietowe zrealizowano w 2011 roku na próbie ogólnopolskiej, obejmującej
1000 dorosłych osób. W badaniu uczestniczyło 49,0% kobiet i 51,0% mężczyzn: 16,8%
osób w wieku 25 lat i mniej, 19,6% w wieku 26–35 lat, 17,9% w wieku 36–45 lat, 18,6%
w wieku 46–55 lat oraz 27,1% w wieku powyżej 55 lat; 31,6% osób posiadało wykształcenie zasadnicze zawodowe lub niższe, 51,2% – wykształcenie średnie, a 16,2% – wykształcenie wyższe; 23,7% badanych mieszkało na wsi, 31,9% w mieście do 100 tys.
mieszkańców, a pozostali w mieście powyżej 100 tys. mieszkańców.
W badaniu wykorzystano autorski kwestionariusz zawierający 5 pytań dotyczących
znajomości i spożywania badanych produktów, zamiaru kupowania, korzyści i zagrożeń z ich spożywania oraz akceptacji modyfikacji żywności ukierunkowanych na
zwiększenie walorów żywieniowych. Do oceny znajomości i spożywania pieczywa jasnego oraz soku owocowego wzbogaconego w błonnik zastosowano następujące kategorie odpowiedzi: 1 – nie znam takiego produktu i nie chcę go próbować; 2 – nie znam
Akceptacja konsumencka soków owocowych i jasnego pieczywa z dodatkiem błonnika...
59
takiego produktu, ale chciałbym go spróbować; 3 – znam ten produkt, ale nie chcę go
spożywać; 4 – znam ten produkt i spożywam go. Deklarowany zamiar kupowania omawianych produktów wyrażający ich akceptację oceniano w skali 5-punktowej (1 – tak,
2 – raczej tak, 3 – ani tak, ani nie, 4 – raczej nie, 5 – nie). Do oceny korzyści i zagrożeń
zdrowia człowieka wynikających ze wzbogacenia produktów w błonnik wykorzystano
skalę 6-punktową (1 – duże, 2 – raczej duże, 3 – ani duże, ani małe, 4 – małe, 5 – bardzo
małe, 6 – brak korzyści/zagrożeń).
Akceptację modyfikacji żywności ukierunkowanych na zwiększenie jej wartości żywieniowej poprzez dodawanie błonnika respondenci wyrażali na 5-punktowych skalach,
gdzie ocena 1 oznaczała pełną akceptację, a ocena 5 – brak akceptacji. W kwestionariuszu zamieszczono także pytania dotyczące charakterystyki społeczno-demograficznej
badanej populacji, w tym dotyczące płci, wieku, wykształcenia oraz wielkości miejsca
zamieszkania.
Do badań wybrano pieczywo jako produkt wzbogacany w błonnik, gdyż w percepcji
konsumentów jest to jeden z bardziej akceptowanych produktów z perspektywy modyfikacji ukierunkowanych na poprawę walorów zdrowotnych [Kowalska i in. 2012, Jeżewska-Zychowicz 2013], ponadto jest naturalnym źródłem błonnika, a pieczywo jasne,
z racji obróbki technologicznej ziarna, zostało częściowo pozbawione tego składnika.
Konsumenci postrzegają owoce jako produkty korzystne dla zdrowia oraz naturalne źródła błonnika, tym samym sok z nich uzyskany wybrano jako możliwy do zaakceptowania
produkt z dodatkiem błonnika.
Metody statystyczne
Wykonano analizę częstości oraz tabele krzyżowe z uwzględnieniem płci jako zmiennej niezależnej. Do stwierdzenia istotności różnic między zmiennymi zastosowano test
niezależności Chi2 przy poziomie istotności p = 0,05, a do zbadania siły związku między
zmiennymi analizę korelacji dwustronnych (współczynnik korelacji rang Spearmana).
Do wykonania analiz wykorzystano SPSS wersja 20.0.
WYNIKI I DYSKUSJA
Ponad 2/5 badanych znało i spożywało obydwa produkty wzbogacone w błonnik,
podczas gdy około 16–17% osób znało je, ale nie chciało spożywać. Wśród osób nieznających produktów ponad 2-krotnie więcej chciało ich spróbować niż nie wyrażało
chęci ich spróbowania. Istotnie statystycznie więcej kobiet niż mężczyzn znało i spożywało sok owocowy wzbogacony w błonnik, podczas gdy istotnie więcej mężczyzn niż
kobiet nie znało i nie chciało spróbować soku owocowego wzbogaconego w błonnik.
Nie stwierdzono natomiast różnic w liczbie osób deklarujących brak znajomości i chęć
spróbowania oraz znajomość produktu, ale bez jego spożywania po uwzględnieniu płci
(tab. 1). Zróżnicowane zainteresowanie produktami funkcjonalnymi i ich nabywaniem
po uwzględnieniu płci stwierdzono także w innych badaniach [Arvola i in. 2007, Siegrist
i in. 2008].
nr 576, 2014
60
Tabela 1. Znajomość i spożywanie produktów wzbogaconych w błonnik z uwzględnieniem płci [%]
Table 1. Familiarity and consumption of products fortified with fibre in regard to gender [%]
Nie znam takiego produktu
I am not familiar with product
Produkt
Product
Cechy
Items
Znam ten produkt
I am familiar with product
i nie chcę go
próbować
and I do not
want to taste it
ale chciałbym
go spróbować
but I want to
taste it
ale nie chcę go
spożywać
but I do not want
to eat it
i spożywam go
and I eat it
Jasne
Ogółem – Total
pieczywo
Kobiety – Female
White bread Mężczyźni – Male
12,2
11,4
12,9
28,7
28,6
29,8
15,7
15,3
16,1
43,4
44,7
42,2
Sok
owocowy
Fruit juice
10,4
7,6*
13,1
29,4
29,4
29,4
17,2
17,8
16,7
43,0
45,3
40,8
Ogółem – Total
Kobiety – Female
Mężczyźni – Male
*Różnice istotne statystycznie po uwzględnieniu płci (test Chi2, p < 0,05).
*Statistically significant differences in accordance to gender (test Chi2, p < 0.05).
Akceptacja dodatku błonnika do żywności przez respondentów
Badana populacja charakteryzowała się dużym stopniem akceptacji dodawania błonnika do żywności – prawie 2/5 badanych w pełni akceptowało taką modyfikację, a tylko około 13% badanych raczej lub w ogóle jej nie akceptowało. Istotnie statystycznie
więcej kobiet (42,5%) niż mężczyzn (33,8%) w pełni akceptowało dodawanie błonnika
do żywności. Taką zmianę raczej akceptowało lub prezentowało neutralną opinię w tej
kwestii więcej mężczyzn (odpowiednio 29,8% i 24,2%) niż kobiet (odpowiednio: 24,4%
i 18,3%) – rysunek 1.
zdecydowanie nieakceptowalne
totally unacceptable
raczej nieakceptowalne
rather unacceptable
ani akceptowalne, ani nieakceptowalne
neither acceptable nor unacceptable
raczej akceptowalne
rather acceptable
zdecydowanie akceptowalne
totally acceptable
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
respondenci – respondents [%]
Rys. 1.
Fig. 1.
Kobiety – Female
Ogółem – Total
Akceptacja żywności wzbogacanej w błonnik z uwzględnieniem płci (%, p ≤ 0,05)
Acceptance of food fortified with fibre in regard to gender (%, p ≤ 0.05)
61
Opinie respondentów na temat korzyści i zagrożeń zdrowia związanych
ze spożywaniem produktów wzbogaconych w błonnik
Około 2/3 badanych dostrzegało korzyści ze spożywania pieczywa jasnego oraz
soku owocowego wzbogaconych w błonnik, przy czym nieco więcej takich wskazań
dotyczyło soku owocowego. Więcej osób określiło korzyści jako raczej małe, małe lub
nie dostrzegało żadnych korzyści w przypadku pieczywa jasnego. Płeć nie różnicowała istotnie statystycznie opinii na temat korzyści ze spożywania obydwu produktów
(tab. 2).
Tabela 2. Opinie o korzyściach ze spożywania produktów wzbogacanych w błonnik według
płci [%]
Table 2. Opinions on benefits from consumption products fortified with fibre in regard to gender [%]
Korzyści ze spożywania – Benefits from consumption
Cechy – Items
brak
none
małe
small
raczej małe
rather small
ani małe, ani duże
neither small nor
large
raczej duże
rather large
duże
large
Jasne pieczywo wzbogacone w błonnik – White bread fortified with fibre
Ogółem – Total
Kobiety – Female
2,3
2,9
1,8
7,6
8,6
6,7
7,8
6,9
8,6
21,0
21,6
20,4
33,4
32,9
33,9
27,9
27,1
28,6
Sok owocowy wzbogacony w błonnik – Fruit juice fortified with fibre
Ogółem – Total
Kobiety – Female
3,0
3,3
2,7
3,9
4,1
3,7
7,6
6,1
9,0
17,4
16,1
18,6
40,4
39,6
41,2
27,7
30,8
24,7
Z dotychczasowych badań wynika, że produkty wzbogacone w błonnik są postrzegane przez konsumentów jako źródło korzyści [Lyly i in. 2004], co tylko częściowo potwierdziły wyniki zrealizowanego badania. Dla około 15% badanych korzyści
z procesu wzbogacania tych produktów w błonnik pokarmowy nie występują, niemniej jednak ponad 3/5 badanych uznało je za duże lub raczej duże. Wskazywane
w literaturze większe zainteresowanie kobiet niż mężczyzn zdrowiem oraz zdrowotnymi walorami żywności [Arvola i in. 2007] nie znalazło odzwierciedlenia w bardziej
pozytywnych opiniach o korzyściach wynikających z takich zmian w produktach.
Brak istotnych statystycznie różnic w opiniach kobiet i mężczyzn na temat korzyści
wynikających ze wzbogacania w błonnik jest trudny do wyjaśnienia po uwzględnieniu faktu, że istotnie statystycznie więcej kobiet akceptowało wzbogacanie żywności
w błonnik pokarmowy.
Prawie połowa respondentów nie dostrzegała zagrożeń dla zdrowia wynikających ze spożywania pieczywa jasnego wzbogaconego w błonnik lub określała je jako
małe, podczas gdy takie wskazania w odniesieniu do soku owocowego wzbogaconego
w błonnik sformułowało 54,4% badanych. O istnieniu zagrożeń w przypadku obydwu
produktów poinformowało około 12–14% osób. Płeć, podobnie jak w przypadku oceny
korzyści, nie różnicowała istotnie statystycznie opinii na temat zagrożeń (tab. 3).
nr 576, 2014
62
Tabela 3. Opinie o ryzyku zdrowotnym związanym ze spożywaniem produktów wzbogaconych
w błonnik według płci [%]
Table 3. Opinions on health risks from products fortified with fibre in regard to gender [%]
Ryzyko zdrowotne – Health risk
Cechy – Items
brak
none
małe
low
raczej małe
rather low
ani małe ani duże
neither low nor
high
raczej duże
rather high
duże
high
Ogółem – Total
Kobiety – Female
24,7
27,6
22,0
24,1
21,8
26,3
18,7
19,2
18,2
18,4
19,4
17,5
6,6
5,9
7,3
7,5
6,1
8,8
Ogółem – Total
Kobiety – Female
30,5
32,2
28,8
23,9
23,1
24,7
16,7
16,3
17,1
16,5
17,1
15,9
8,0
6,9
9,0
4,4
4,3
4,5
Deklaracja zamiaru spożywania produktów wzbogacanych w błonnik
Około 1/5 badanych nie deklarowała intencji spożywania pieczywa jasnego wzbogaconego w błonnik (wskazania „nie” lub „raczej nie zamierzam”), podczas gdy dla
soku owocowego wskaźnik ten wynosił 22,4%. Ponad połowa badanych (57,0%) deklarowała zamiar spożywania pieczywa jasnego z dodatkiem błonnika pokarmowego
(„tak” lub „raczej tak”) i tylko nieco mniej takich deklaracji dotyczyło soku owocowego wzbogaconego w ten składnik (54,5%). Z dotychczasowych badań wynika, że na
deklarowaną gotowość nabywania produktów o zmodyfikowanym składzie ma wpływ
znajomość dodawanego składnika [Ares i Gámbaro 2007]. Jedną z możliwych przyczyn braku zamiaru spożywania pieczywa jasnego wzbogacanego w błonnik może być
u tych osób brak wiedzy o błonniku, co nie było jednak przedmiotem badania. Inną
przyczyną może być brak akceptacji dla układu jasne pieczywo – błonnik oraz sok
owocowy – błonnik, gdyż dostępne są wyniki badań wskazujących na brak akceptacji
dla niektórych połączeń produkt – dodawany składnik [Dean i in. 2007, Ginon i in.
2009]. Płeć nie różnicowała istotnie statystycznie opinii dotyczących zamiaru spożywania obydwu produktów w ciągu następnego roku (tab. 4).
Deklarowany zamiar spożywania pieczywa jasnego oraz soku owocowego wzbogaconego w błonnik korelował z opiniami na temat akceptacji dodawania tego składnika do żywności oraz korzyści z ich spożywania (rys. 2), co znajduje potwierdzenie
w wynikach badań dotyczących funkcjonalnych produktów żywnościowych [Fischer
i Frewer 2009], w tym produktów zbożowych [Dean i in. 2007, Saba i in. 2010].
Istotne statystycznie zależności stwierdzono także między opiniami o zagrożeniach
związanych ze spożywaniem produktów wzbogaconych w błonnik pokarmowy oraz
ich aktualnymi zachowaniami a zamiarem ich spożywania. Im bardziej badane osoby były przekonane o istnieniu zagrożeń, tym wykazywały mniejszą akceptację produktów, co ujawniało się brakiem zamiaru ich spożywania. Opiniom potwierdzającym
większą akceptację dodawania błonnika do żywności w ogóle, dostrzeganie korzyści ze
63
Tabela 4. Deklarowany zamiar spożywania produktów wzbogaconych w błonnik według płci [%]
Table 4. Declared intention to eat products fortified with fibre in regard to gender [%]
Deklarowany zamiar spożywania – Declared intention to eat
Cechy – Items
nie
no
raczej nie
rather no
ani nie ani tak
neither no nor
yes
raczej tak
rather yes
tak
yes
Ogółem – Total
Kobiety – Female
9,8
9,2
10,4
9,5
7,6
11,4
23,7
23,7
23,7
27,2
28,6
25,9
29.8
31.0
28.6
Ogółem – Total
Kobiety – Female
ZnajomoĞü
i spoĪywanie
Familiarity and
consumption
Postrzegane
korzyĞci
Perceived
benefits
Postrzegane
ryzyko
Perceived
risks
12,9
12,9
12,9
9,5
8,4
10,6
23,1
24,1
22,2
30,8
32,2
29,4
23,7
22,4
24,9
P: –0,342*
S: –0,149*
Páeü – Gender
P: 0,054**
S: 0,001**
P: 0,453*
S: 0,336*
Deklarowana intencja
spoĪywania/akceptacja produktu
Declared intention to
eat/acceptance of product
P: 0,461*
S: 0,386*
P: –0,313*
S: –0,223*
Akceptacja ĪywnoĞci wzbogacanej
w báonnik w celu zwiĊkszenia jej
walorów zdrowotnych
Acceptance of food fortified with
fibre in order to increase the health
value
Rys. 2.
Zależności między wybranymi zmiennymi i deklarowaną intencją spożywania jasnego
pieczywa (P) i soku owocowego (S) wzbogacanego w błonnik (współczynnik korelacji
Spearmana; *p ≤ 0,01; **p > 0,05)
Fig. 2.
Correlation between selected variables and declared intention to eat/acceptance of white bread (P) and fruit juice (S) fortified with fibre (Spearman correlation coefficient;
*p ≤ 0.01; **p > 0.05)
wzbogacania oraz większą znajomość i posiadanie doświadczeń z produktami towarzyszyła większa akceptacja zwiększonej zawartości błonnika w jasnym pieczywie i soku
owocowym (rys. 2). Stwierdzono silniejsze zależności między prezentowanymi opiniami i deklaracją spożywania w przypadku pieczywa jasnego niż soku owocowego.
nr 576, 2014
64
WNIOSKI
1. Relatywnie wysoka akceptacja konsumencka błonnika jako dodatku do jasnego
pieczywa i soków owocowych pozwala producentom na opracowywanie nowych produktów z dużą szansą na sukces rynkowy.
2. Zamiar spożywania obydwu produktów wzbogacanych w błonnik wykazywał zależności z akceptacją błonnika jako dodatku do żywności, znajomością produktów wzbogaconych w błonnik oraz poglądami na temat korzyści i ryzyka związanego z taką zmianą
w produkcie.
3. Zwiększenie gotowości konsumentów do spożywania obydwu produktów wzbogaconych w błonnik wymaga podjęcia działań edukacyjnych informujących o istnieniu
takich produktów, o korzyściach z ich spożywania i ograniczających odczuwanie ryzyka
związanego z ich konsumpcją.
LITERATURA
Ares G., Gámbaro A., 2007. Influence of gender, age and motives underlying food choice and perceived healthiness and willingness to try functional foods. Appetite 49, 148–158.
Arvola A., Lähteenmäki L., Dean M., Vassallo M., Winkelman M., Claupein E., Saba A., Shephard R., 2007. Consumers’ beliefs about whole and refined grain products in the UK,
Italy and Finland. J. Cereal Sci. 25, 197–206.
Baixauli R., Salvador A., Hough G., Fiszman S.M., 2008. How information about fibre (traditional
and resistant starch) influences consumer acceptance of muffins. Food Qual. Prefer. 19,
628–635.
Carrillo E., Varela P., Fiszman S., 2012. Effects of food package information and sensory characteristics on the perception of healthiness and acceptability of enriched biscuits. Food
Research Int. 48, 209–216.
Czajkowska K., Kowalska H., Piotrowski D., 2013. Rola konsumenta w procesie projektowania
nowych produktów spożywczych. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 575,
23–32.
Dean M., Shepherd R., Arvola A., Vassallo M., Winkelmann M., Claupein E. Lähteenmäki L.,
Raats M.M., Saba A., 2007. Consumer perception of healthy cereal products and production methods. J. Cereal Sci. 46, 188–196.
Dewettinck K., Van Bockstaele F., Kuhne B., Van de Walle D., Courtens T.M., Gellynck X., 2008.
Nutritional value of bread. Influence of processing, food interaction and consumer perception. J. Cereal Sci. 48, 2, 243–257.
Fischer A.R.H., Frewer L.J., 2009. Consumer familiarity with foods and the perception of risks and
benefits. Food Qual. Prefer. 20, 576–585.
Ginon E., Lohéac Y., Martin C., Combris P., Issanchou S., 2009. Effect of fibre consumer information on consumer willingness to pay for French baguettes. Food Qual. Prefer. 20, 343–
–352.
Górecka D., Janus P., Borysiak-Marzec P., Dziedzic K., 2011. Analiza spożycia błonnika pokarmowego i jego frakcji w Polsce w ostatnim dziesięcioleciu w oparciu o dane GUS. Probl.
Hig. Epidemiol. 92(4), 705–708.
Heenan S.P., Dufour J.P., Hamid N., Harvey W., Delahunty C.M., 2008. The sensory quality of
fresh bread: Descriptive attributes and consumer perceptions. Food Research Int. 41,
989–997.
65
Jeżewska-Zychowicz M., 2013. Uwarunkowania akceptacji konsumenckiej pieczywa jasnego
wzbogaconego w błonnik. Handel Wewnętrzny 4, 61–70.
Kowalska H., Marzec A., Mucha M., 2012. Ocena sensoryczna wybranych rodzajów pieczywa
funkcjonalnego oraz preferencje pieczywa wśród konsumentów. Zeszyty Problemowe
Postępów Nauk Rolniczych 571, 67–78.
Liu S., Willett W.C., Manson J.E., Hu F.B., Rosner B., Colditz G., 2003. Relation between changes
in weight and development of obesity among middle aged women. Am. J. Clin. Nutr. 78,
920–927.
Lyly M., Soini E., Rauramo U., Lähteenmäki L., 2004. Perceived role of fibre in a healthy diet
among finnish consumers. J. Hum. Nutr. Diet. 17, 231–239.
Saba A., Vassallo M., Shepherd R., Lampila P., Arvola A., Dean M., Winkelman M., Claupein E.,
Lähteenmäki L., 2010. Country-wise differences in perception of health-related messages
in cereal-based food products. Food Qual. Prefer. 21, 385–393.
Siegrist M., Stampfli N., Kastenholz H., 2008. Consumers’ willingness to buy functional foods. The
influence of carrier, benefit and trust. Appetite 51, 526–529.
Szczepańska J., Wądołowska L., Słowińska M.A., Niedźwiedzka E., Biegańska J., 2010. Ocena
częstości spożycia wybranych źródeł błonnika pokarmowego oraz ich związku z masą
ciała studentów. Bromat. Chem. Toksykol. 43(3), 382–390.
CONSUMERS’ ACCEPTANCE OF FRUIT JUICE AND WHITE BREAD
FORTIFIED WITH FIBRE AND ITS DETERMINANTS
Summary. The aim was to assess consumer’s acceptance of white bread and fruit juice
fortified with fibre. Gender, familiarity with product, actual behaviours, perceptions of
benefits and risks were used as factors influencing intentions to consume products. The
questionnaire survey was carried out in 2011 on a nationwide sample of 1000 adult Poles.
In an original questionnaire were used questions about the familiarity with and consumption of the products concerned, the intention of buying, the benefits and risks of consuming these products and the acceptance of modifications aimed at increasing nutritional
values. An analysis of the frequency and cross tables with gender as the independent
variable were performed. To determine the significance of differences between variables
Chi-square independence test was used at a significance level of p = 0.05. To examine
the strength of the relationships between the variables bilateral correlation analysis were
used (Spearman’s rank correlation coefficient). SPSS version 20.0 was used for analyzing
the obtained empirical data.
The population was characterized by high acceptance of adding fibre to foods. Almost
two fifths of respondents fully accepted such modification, and only 13% of the population did not accept it. Significantly more women (42.5%) than men (33.8%) accepted
the addition of dietary fibre to food. More than two fifths of population were familiar
with and consumed white bread and fruit juice fortified with fibre. Perception of benefits
and risks associated with consumption, and willingness to purchase both fibre enriched
products did not differ significantly within the population. About 2/3 of respondents perceived the benefits from consumption of both products and a half of respondents did not
see any health risk. Only one fifths of population did not declare intention to consume
both products, while more than half of the respondents declared intention of eating bread
(5.0%) and juice (54.5%) with the addition of fibre. The greater acceptance of adding
fibre to foods in general, perception of the benefits and familiarity with the fibre enriched
products, the greater acceptance of both products was demonstrated. However, in the
nr 576, 2014
66
case of bread with the addition of fibre the correlations were stronger compared with fruit
juice. The results indicated that both products are accepted as carriers of additional fibre.
Relatively high consumer’s acceptance of fibre enrichment in white bread and fruit juices
allows to develop new products with a high chance of success.
Key words: consumer’s acceptance, functional food, fibre, white bread, fruit juice
nr 576, 2014, 67–77
WYKORZYSTANIE SIECI NEURONOWYCH
W MODELOWANIU ZALEŻNOŚCI MIĘDZY WYBRANYMI
CECHAMI FIZYKOCHEMICZNYMI I ELEKTRYCZNYMI MIODU
Deta Łuczycka, Katarzyna Pentoś
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Streszczenie. Na cechy chemiczne i elektryczne miodu mają wpływ jego skład pyłkowy
oraz zawartość wody. O ile zawartość wody można powiązać z analizowanymi parametrami
zależnością funkcyjną, o tyle wpływ zawartości pyłków na badane cechy chemiczne i elektryczne miodu jest bardziej skomplikowanym zagadnieniem. W jednej próbce miodu można stwierdzić kilka do kilkunastu rodzajów pyłków różnych roślin, dlatego analiza jedynie
wpływu pyłku przewodniego nie jest wystarczająca. Przedmiotem pracy jest wykorzystanie
dwóch rodzajów sztucznych sieci neuronowych do tworzenia możliwie dokładnych modeli matematycznych uwzględniających zależność takich cech miodu, jak zawartość cukrów, aminokwasów, wolnych kwasów oraz przewodność elektryczna patoki od zawartości
pyłków roślin i zawartości wody w próbce. Wykorzystując perceptron wielowarstwowy
jako model matematyczny opisanych wyżej zależności, dokonano analizy wrażliwości. Na
podstawie tej analizy możliwa była ocena wpływu parametrów wejściowych modelu na
poszczególne wielkości wyjściowe. Sztuczne sieci neuronowe są wygodnym narzędziem
do modelowania zależności pomiędzy cechami chemicznymi i elektrycznymi miodu a jego
składem pyłkowym oraz zawartością wody. Większą dokładność modelu uzyskano wykorzystując perceptron wielowarstwowy o stosunkowo prostej strukturze. Sieci RBF generują
model o znacznie niższej dokładności.
Słowa kluczowe: miód, sztuczne sieci neuronowe, analiza wrażliwości, cechy elektryczne
WSTĘP
Sztuczne sieci neuronowe (SSN) są w ostatnich latach chętnie wykorzystywane w badaniach z zakresu agrofizyki [Langman 1999, Hebda i Francik 2006, Górski i in. 2008,
Łapczyńska-Kordon i in. 2008]. Najczęściej stosuje się proste sieci o jednokierunkowym
Adres do korespondencji – Corresponding author: Deta Łuczycka, Uniwersytet Przyrodniczy we
Wrocławiu, Wydział Przyrodniczo-Technologiczny, Instytut Inżynierii Rolniczej, ul. Chełmońskiego 37/41, 51-630 Wrocław, e-mail: [email protected]
68
D. Łuczycka, K. Pentoś
przepływie sygnałów [Łapczyńska-Kordon i Francik 2008, Łuczycka i Pentoś 2010], ale
również sieci typu RBF (o radialnych funkcjach bazowych) i sieci uczone metodami
bez nauczyciela. Dzięki swoim właściwościom SSN umożliwiają m.in. modelowanie
zależności, których złożoność, wielowymiarowość oraz nieliniowy charakter sprawiają,
że trudno je opisywać metodami analitycznymi. Dzięki SSN możemy uzyskać przydatne w zastosowaniach praktycznych modele jedynie na podstawie danych pomiarowych,
bez znajomości teoretycznych zależności opisujących badane zjawiska [Rutkowska i in.
1999, Osowski 2006, Rutkowski 2011]. Zagadnienia teoretyczne dotyczące SSN zostały
szczegółowo opisane w wielu książkach oraz publikacjach [Tadeusiewicz 1993, Patterson 1996, Gardner i Dorling 1998, Agatonovic-Kustrin i Beresford 2000, Duch i in. 2000,
Madden i in. 2001, Krawiec i Stefanowski 2003, Osowski 2006].
Cechy chemiczne i elektryczne miodu zależą w dużej mierze od rodzaju i odmiany
miodu [Terrab i in. 2003, Jasim i in. 2007, Kędzia i Hołderna-Kędzia 2008, Łuczycka
2009, Guo i in. 2010], te zaś mogą mieć znaczący wpływ zarówno na procesy przetwarzania miodu, jak i cechy fizyczne i chemiczne produktu finalnego, np. preparatów
miodowych suszonych rozpyłowo [Samborska i Bieńkowska 2013]. Wielu badaczy analizowało powiązania między zawartościami różnych cukrów i proporcjami między nimi,
charakterystycznymi dla danego rodzaju miodu, a właściwościami elektrycznymi. Autorzy uważają, że celowa jest również analiza powiązań pomiędzy zawartością pyłków roślin a cechami chemicznymi i elektrycznymi miodu. Przy dużej różnorodności badanych
próbek wyniki analizy pyłkowej generują wektor danych wejściowych zawierający kilkanaście elementów. Poszukiwanie informacji o właściwościach takiego modelu metodami
analitycznymi byłoby niezwykle trudne. Uzasadnia to podjęcie próby uzyskania takich
wielowymiarowych modeli za pomocą sieci neuronowych.
Celem pracy było porównanie dokładności modeli neuronowych dla różnych struktur perceptronu wielowarstwowego a następnie, po wybraniu optymalnej struktury sieci,
porównanie uzyskanych wyników z dokładnością modelu uzyskanego z wykorzystaniem
sieci typu RBF. Dodatkowo, wykorzystując uzyskane modele zależności poszczególnych
parametrów wyjściowych od składowych wektora wejść, analizowano ich wpływ na cechy chemiczne i elektryczne miodu.
MATERIAŁ I METODY
Dla realizacji założonych celów badawczych przeprowadzono pomiary właściwości
chemicznych miodu oraz przewodności elektrycznej patoki w temperaturze 25°C (pomiary przewodności prowadzono w szafie klimatyzacyjnej, w której miód przebywał
w stabilizowanej temperaturze ok. 24 godzin). W przeznaczonych do analizy próbkach
miodu określano następujące parametry:
− zawartość pyłków na podstawie analizy pyłkowej (PN-88/A-77626, pkt. 5.3.18),
− zawartość glukozy oraz fruktozy (PB-02:E05 z 17.02.2012 r. Metoda HPLC),
− zawartość wolnych kwasów ( PB-07, E 03 z dnia 14.01.2011 r. – metoda potencjometryczna),
− zawartość proliny (PN-88/A-77626, pkt 5.3.9 – metoda kolorymetryczna),
− zawartość wody w próbce (refraktometryczna – refraktometr do miodu PAL-22S).
Wykorzystanie sieci neuronowych w modelowaniu zależności...
69
Przewodność elektryczną patoki σ mierzono za pomocą konduktometru Cond
3210 z dołączonym 4-elektrodowym czujnikiem konduktometrycznym TetraCon
325 o dokładności 1,5%. Czujnik ten przeznaczony jest do wykonywania pomiarów
w substancjach typu pasty i emulsje. Posiada wbudowany czujnik temperatury o dokładności ±0,2 K.
Badaniom poddano pięćdziesiąt próbek miodów, wśród których znajdowały się
różne rodzaje miodów nektarowych, miody nektarowo-spadziowe oraz spadziowe.
Pomiary dla każdej próbki zostały przeprowadzone czterokrotnie. Na podstawie uzyskanych badań laboratoryjnych określono składowe wektora wejściowego i wyjściowego modelu.
Składowe wektora wejściowego:
− zawartość pyłków dla 13 roślin [%],
− zawartość wody w próbce [%].
Składowe wektora wyjściowego:
− przewodność elektryczna patoki [S·m–1],
− stosunek zawartości glukozy do zawartości fruktozy,
− zawartość wolnych kwasów [meq·kg–1],
− zawartość proliny [mg·(100 g)–1].
W przypadkach, gdy zawartość pyłku nie przekraczała 5%, była ona eliminowana
z wektora danych wejściowych. Uzyskane dane doświadczalne charakteryzowały się
dużą rozbieżnością wartości, która mogłaby spowodować trudności w procesie uczenia
sieci neuronowych. Dlatego dane wykorzystane do uczenia sieci neuronowej zostały
znormalizowane do zakresu 0,1–1. Następnie zbiór danych został podzielony na zbiór
uczący zawierający 80% (160) punktów pomiarowych oraz zbiór testujący zawierający
20% (40) punktów pomiarowych. Wykorzystując środowisko Matlab, wygenerowano
cztery niezależne modele neuronowe. Składowymi wektora parametrów wejściowych
w przypadku każdego modelu była zawartość pyłków dla 13 roślin oraz zawartość wody
w próbce, a parametrem wyjściowym kolejnych modeli były przewodność elektryczna, stosunek zawartości glukozy do zawartości fruktozy, zawartość wolnych kwasów
i zawartość proliny. W przypadku modeli opartych na perceptronie wielowarstwowym
(MLP), zdefiniowano sieć z jedną warstwą ukrytą. Jako funkcję przejścia neuronów
w warstwie ukrytej przyjęto funkcję sigmoidalną. Początkowe wartości elementów
macierzy wag synaptycznych dobierano w sposób losowy. Uczenie sieci przeprowadzano wykorzystując algorytm Levenberga-Marquardta. Przetestowano kilkadziesiąt
konfiguracji sieci neuronowej, zmieniając liczbę neuronów w warstwie ukrytej od 5 do
50. Następnie ten sam zbiór danych został wykorzystany do uczenia sieci o radialnych
funkcjach bazowych (RBF).
W celu ustalenia stopnia wpływu poszczególnych parametrów wejściowych na parametry wyjściowe, wykonano dodatkowe badania w środowisku Statistica. Opracowano cztery niezależne modele neuronowe o parametrach wejściowych i wyjściowych
opisanych wyżej. W celu znalezienia najlepszych architektur sieci, w każdym przypadku przebadano za pomocą Automatycznego Projektanta Sieci 200 różnych sieci neuronowych o jednokierunkowym przepływie sygnału (MLP). Dla wybranych, najlepszych
sieci przeprowadzono analizę wrażliwości.
nr 576, 2014
70
Metody statystyczne
Ocena jakości uzyskanych modeli była oparta o wartość średniego błędu względnego
dla zbioru uczącego i testowego obliczanego ze wzoru:
| ( xiexp xicalc ) |
100%
¦
xicalc
i 1
n
n
H
(1)
exp
gdzie: xi – wartość oczekiwana sygnału wyjściowego dla i-tego elementu zbioru
uczącego lub testowego,
calc
xi – wartość sygnału wyjściowego dla i-tego elementu zbioru uczącego lub
testowego uzyskana z modelu,
n
– liczba elementów zbioru uczącego lub testującego.
Dodatkowo dla każdego z modeli obliczano odchylenie standardowe błędu względnego dla zbioru uczącego i testowego. Dobry model charakteryzuje się tym, że dla wszystkich elementów zbioru uczącego i testowego błąd odwzorowania przyjmuje podobne
wartości. Model, dla którego niska wartość błędu średniego wynika z tego, że część
punktów została odwzorowana bardzo dokładnie, a w przypadku pozostałych błąd był na
bardzo wysokim poziomie, ma ograniczoną przydatność praktyczną.
WYNIKI I DYSKUSJA
W celu opracowania modeli neuronowych przyjęto następującą strukturę wektora wejściowego: procentowa zawartość wody podawana na pierwszy węzeł wejściowy, do węzłów wejściowych 2–14 podawano kolejno procentową zawartość pyłków następujących
roślin: 2 – Brassica napus (rzepak) oraz kapustowate, 3 – Calluna (wrzos), 4 – Centaurea
cyanus (chaber bławatek), 5 – Fagopyrum (gryka), 6 – Frangula (kruszyna), 7 – Phacelia
(facelia), 8 – Prunus (typ śliwy), 9 – Robinia (akacja), 10 – Rubus (typ maliny), 11 – Salix
(wierzba), 12 – Solidago (typ nawłoci), 13 – Tilia (lipa), 14 – Trifolium pratense (koniczyna czerwona).
W tabeli 1 przedstawiono analizę błędów względnych uzyskanych dla zbiorów uczących i testowych w przypadku czterech badanych modeli opracowanych z wykorzystaniem sieci MLP. Wyboru najlepszych struktur sieci dokonano na podstawie wartości średniego błędu względnego dla zbioru testowego.
Dane przedstawione w tabeli 1 wskazują, że uzyskane modele charakteryzują się małym błędem względnym dla zbioru uczącego, a dla zbioru testowego błąd ten osiąga
akceptowalną wartość nieprzekraczającą 7%. W inżynierii rolniczej modele neuronowe,
dla których średni błąd względny osiąga wartość kilkunastu, a nawet około 20%, są oceniane jako przydatne w zastosowaniach praktycznych [Łapczyńska-Kordon i in. 2006].
Przy ocenie modelu brano także pod uwagę wartość odchylenia standardowego błędu,
szczególnie dla zbioru testowego. Dobry model charakteryzuje się tym, że dla wszystkich
71
Tabela 1. Analiza błędów względnych uzyskanych dla zbiorów uczących i testowych
Table 1. The relative error analysis for training and test data sets
Parametr
wyjściowy
modelu
Output
parameter
Struktura
sieci
Neural
network
structure
minimalny błąd względny
minimum relative error [%]
maksymalny błąd względny
maximum relative error [%]
odchylenie standardowe błędu
standard deviation of the relative
error [%]
średni błąd względny
average relative error [%]
minimalny błąd względny
minimum relative error [%]
maksymalny błąd względny
maximum relative error [%]
odchylenie standardowe błędu
standard deviation of the relative
error [%]
Zbiór testowy
Test data set
średni błąd względny
average relative error [%]
Zbiór uczący
Training data set
Przewodność
elektryczna
patoki
Strained honey
conductivity
14-10-1
2,9
0,20
11,3
2,1
6,7
0,71
12,8
3,7
Stosunek
zawartości
glukozy do
zawartości
fruktozy
Glucose/fructose
content ratio
14-9-1
2,1
0,18
10,3
1,7
4,2
0,59
13,0
4,0
Zawartość
wolnych kwasów
Free acids
content
14-8-1
3,4
0,25
11,1
2,1
5,8
0,68
13,6
2,3
Zawartość
proliny
Proline content
14-9-1
2,8
0,42
9,3
1,8
6,1
0,36
10,4
1,6
elementów zbioru testowego błąd odwzorowania przyjmuje podobne wartości. Model,
dla którego niska wartość błędu średniego wynika z tego, że część punktów została odwzorowana bardzo dokładnie, a w przypadku pozostałych błąd był na bardzo wysokim
poziomie, ma ograniczoną przydatność praktyczną. W przypadku modeli uzyskanych
na podstawie przeprowadzonych badań symulacyjnych wartości średnie błędu względnego oraz odchylenie standardowe dla zbioru testowego wskazują na ich przydatność
praktyczną. Wyniki uzyskane dla modeli wykorzystujących sieci typu RBF były gorsze
w przypadku wszystkich czterech parametrów wyjściowych. Nie udało się uzyskać modelu, dla którego błąd ε osiągnąłby wartość mniejszą niż 20%.
W tabeli 2 przedstawiono wyniki analizy wrażliwości uzyskanych modeli. Analiza
wrażliwości zwraca dla każdej zmiennej niezależnej informację, jak zmienia się wydajność sieci definiowana przez błąd predykcji, gdy usuniemy tę zmienną [Szaleniec 2008].
Informacja ta reprezentowana jest przez iloraz błędu. Im większa wartość tego ilorazu,
nr 576, 2014
72
tym większy jest wpływ danej zmiennej niezależnej na zmienną zależną. W przypadku
gdy iloraz przyjmuje wartość mniejszą od 1, dana zmienna niezależna nie jest istotna
i powinna być usunięta z zestawu parametrów wejściowych modelu. Analogiczną metodę
analizy wrażliwości zastosowali Hadzima-Nyarkoa w badaniach dotyczących modelowania stopnia uszkodzeń powstałych w wyniku trzęsień ziemi [Hadzima-Nyarkoa i in.
2011] oraz Pastor-Bárcenas w modelowaniu warstwy ozonowej w atmosferze [Pastor-Bárcenas 2005].
Tabela 2. Wartości ilorazów błędu dla poszczególnych parametrów wejściowych modeli neuronowych
Table 2. Error quotient values for particular output parameters of neural models
Parametr wejściowy modelu – Input parameter
Trifolium pratense
Tilia
Solidago
Salix
Rubus
Robinia
14-9-1 2,32 3,53 1,29 1,31 2,26 1,00 2,79 1,39 1,11 1,44 1,73 2,88 1,27 1,19
Prunus
Zawartość
proliny
Proline
content
Phacelia
14-10-1 4,09 20,85 3,96 4,06 1,51 5,22 6,94 3,37 3,42 1,89 5,48 4,22 9,23 3,44
Frangula
Zawartość
wolnych
kwasów
Free acids
content
Fagopyrum
14-8-1 3,35 37,26 1,26 1,20 11,00 1,23 12,21 5,23 3,46 2,96 9,36 5,07 1,72 6,91
Centaurea cyanus
Stosunek
zawartości
glukozy do
zawartości
fruktozy
Glucose/
/fructose
content ratio
Calluna
14-7-1 1,30 1,21 1,28 1,50 1,03 1,11 1,04 1,03 1,00 1,23 1,01 1,01 1,11 1,28
Brassica napus
Przewodność
elektryczna
patoki
Strained
honey
conductivity
Zawartość wody
Water content [%]
Parametr
wyjściowy
modelu
Output
parameter
Struktura sieci
Neural network structure
Zawartość pyłków – Pollen content [%]
Na rysunkach 1–4 przedstawiono wartości ilorazów błędu dla czterech badanych modeli. Parametry wejściowe uszeregowano zgodnie z malejącą wartością ilorazu.
Rys. 1.
Fig. 1.
Robinia
Solidago
Salix
Prunus
73
Fagopyrum
Phacelia
Tilia
Frangula
Brassica napus
Rubus
Trifolium pratense
Calluna
Zawartość wody
Water content
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Centaurea cyanus
Iloraz błędu – Error quotient
Wartości ilorazu błędu opisujące wpływ parametrów wejściowych modelu na przewodność elektryczną patoki
Error quotient values describing the input parameters influence on strained honey conductivity
Rys. 2.
Fig. 2.
Centaurea cyanus
Frangula
Calluna
Tilia
Rubus
Zawartość wody
Water content
Robinia
Solidago
Prunus
Trifolium pratense
Salix
Fagopyrum
Phacelia
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Brassica napus
W przypadku modelu opisującego zależność przewodności elektrycznej patoki od zawartości wody i składu pyłkowego (rys. 1), iloraz błędu przyjmuje wartości z zakresu
1–1,5. Zmienną objaśniającą o największym wpływie na wartość zmiennej objaśnianej
jest zawartość pyłku Centaurea cyanus, jednak generalnie wartości ilorazu utrzymują się
na podobnym poziomie dla wszystkich zmiennych objaśniających.
W przypadku modelu opisującego zależność stosunku zawartości glukozy do zawartości fruktozy od zawartości wody i składu pyłkowego (rys. 2), iloraz błędu przyjmuje
wartości z zakresu 1,2–37,26. Najbardziej znaczącą zmienną objaśniającą jest zawartość
pyłku Brassica napus (rzepak) oraz kapustowatych. W tym przypadku wartość ilorazu
błędu jest wyraźnie wyższa niż dla innych zmiennych.
Wartości ilorazu błędu opisujące wpływ parametrów wejściowych modelu na stosunek
zawartości glukozy do zawartości fruktozy
Error quotient values describing the input parameters influence on glucose/fructose content ratio
nr 576, 2014
74
25
20
15
10
Rys. 4.
Fig. 4.
Fagopyrum
Rubus
Prunus
Robinia
Trifolium pratense
Calluna
Centaurea cyanus
Zawartość wody
Water content
Solidago
Salix
Phacelia
Tilia
Frangula
Frangula
Robinia
Trifolium pratense
Tilia
Calluna
Centaurea cyanus
Prunus
Rubus
Salix
Fagopyrum
3,54
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Zawartość wody
Water content
Fig. 3.
Wartości ilorazu błędu opisujące wpływ parametrów wejściowych modelu na zawartość
wolnych kwasów
Error quotient values describing the input parameters influence on free acids content
Phacelia
Rys. 3.
Solidago
0
Brassica napus
5
Brassica napus
W przypadku modelu opisującego zależność stosunku zawartości wolnych kwasów
od zawartości wody i składu pyłkowego (rys. 3), iloraz błędu przyjmuje wartości z zakresu 1,51–20,85. Również w tym przypadku zawartość pyłku Brassica napus (rzepak)
oraz kapustowatych ma wyraźnie większy wpływ na wartość zmiennej objaśnianej niż
pozostałe parametry wejściowe modelu.
Wartości ilorazu błędu opisujące wpływ parametrów wejściowych modelu na zawartość
proliny
Error quotient values describing the input parameters influence on proline content
W przypadku modelu opisującego zależność stosunku zawartości proliny od zawartości wody i składu pyłkowego (rys. 4), iloraz błędu przyjmuje wartości z zakresu
1–3,53. Jako parametry wejściowe wpływające w największym stopniu na zawartość
proliny można wskazać zawartość pyłku Brassica napus (rzepak) oraz kapustowatych,
Solidago (typ nawłoci), Phacelia (facelia), Fagopyrum (gryka) oraz procentową zawartość wody w próbce.
75
WNIOSKI
Sztuczne sieci neuronowe są wygodnym narzędziem do modelowania zależności pomiędzy cechami chemicznymi i elektrycznymi miodu a jego składem pyłkowym oraz
zawartością wody. Uzyskane modele można z powodzeniem wykorzystać do celów praktycznych. Modele o zadowalającej dokładności otrzymywane są wyłącznie na podstawie
danych doświadczalnych. Na podstawie przeprowadzonych badań symulacyjnych można
sformułować następujące wnioski:
1. Dla przedstawionych w pracy zależności większą dokładność modelu uzyskuje się
wykorzystując perceptron wielowarstwowy z jedną warstwą ukrytą i liczbą neuronów
w tej warstwie od 8 do 10. Sieci RBF generują model o znacznie niższej dokładności.
2. Na podstawie analizy wrażliwości uzyskanych modeli możliwa jest ocena wpływu parametrów wejściowych modelu na poszczególne wielkości wyjściowe. Analiza ta
wskazała, że wszystkie parametry wejściowe modeli są istotne dla wszystkich parametrów wyjściowych (wartość ilorazu błędu ≥ 1).
3. W przypadku modelu opisującego zależność przewodności elektrycznej patoki
od zawartości wody i składu pyłkowego nie można wyróżnić dominujących zmiennych
objaśniających. W przypadku trzech pozostałych modeli, analiza wrażliwości wykazała
jeden lub grupę parametrów wejściowych o wyraźnie dominującym wpływie na parametr
wyjściowy modelu. Na stosunek zawartości glukozy do zawartości fruktozy, zawartość
wolnych kwasów oraz zawartość proliny największy wpływ ma zawartość pyłków Brassica napus (rzepak) oraz kapustowatych.
LITERATURA
Agatonovic-Kustrin S., Beresford R., 2000. Basic concepts of artificial neural network (ANN)
modeling and its application in pharmaceutical research. Journal of Pharmaceutical and
Biomedical Analysis 22(5), 717–727.
Duch W., Korbicz J., Rutkowski L., Tadeusiewicz R., 2000. Sieci neuronowe. Exit, Warszawa.
Gardner M.W., Dorling S.R., 1998. Artificial neural Networks (the multilayer perceptron) – a review of applications in the atmospheric sciences. Atmospheric Environment 32(14/15),
2627–2636.
Guo W., Zhu X., Liu Y., Zhuang H., 2010. Sugar and water contents of honey with dielectric property sensing. Journal of Food Engineering 97, 275–281.
Górski M., Kaleta J., Langman J., 2008. Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych do oceny
stopnia dojrzałości jabłek. Inżynieria Rolnicza 7(105), 53–57.
Hadzima-Nyarkoa M., Nyarko E.K., Moric D.,2011. A neural network based modelling and sensitivity analysis of damage ratio coefficient. Expert Systems with Applications 38,13405–
–13413.
Hebda T., Francik S., 2006. Model twardości ziarniaków pszenicy wykorzystujący Sztuczne Sieci
Neuronowe. Inżynieria Rolnicza 13(88), 139–146.
Jasim A., Prabhu S.T., Raghavan G.S.V., Ngadi M., 2007. Physico-chemical, rheological, calorimetric and dielectric behavior of selected Indian honey. Journal of Food Engineering 79,
1207–1213.
Kędzia B., Hołderna-Kędzia E., 2008. Miód. Skład i właściwości biologiczne. Przedsiębiorstwo
Wydawnicze Rzeczpospolita SA, Warszawa.
nr 576, 2014
76
Krawiec K., Stefanowski J., 2003. Uczenie maszynowe i sieci neuronowe. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań.
Langman J., 1999. Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych w inżynierii rolniczej. Inżynieria
Rolnicza 1(7), 153–158.
Łapczyńska-Kordon B., Francik S., Frączek J., Ślipek Z., 2006. Modelowanie skurczu suszarniczego wybranych warzyw korzeniowych za pomocą sieci neuronowych. Inżynieria Rolnicza
13(88), 303–311.
Łapczyńska-Kordon B., Francik S., Ślipek Z., 2008. Model neuronowy zmian temperatury podczas
konwekcyjnego suszenia zrębków wierzby energetycznej. Inżynieria Rolnicza 11(109),
149–155.
Łapczyńska-Kordon B., Francik S., 2008. Model neuronowy zmian zawartości wody w zrębkach
wierzby podczas konwekcyjnego suszenia. Inżynieria Rolnicza 11(109), 143–148.
Łuczycka D., 2009. Methodological aspect of testing electrical properties of honey. Acta Agrophysica 14(2), 367–374.
Łuczycka D., Pentoś K., 2010. Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych do opisu przenikalności elektrycznej mąki. Inżynieria Rolnicza 2(120), 43–47.
Madden J.E., Avdalovic N., Haddad P.R., Havel J., 2001. Prediction of retention times for anions in
linear gradient elution ion chromatography with hydroxide eluents using artificial neural
networks. Journal of Chromatography A 910(1), 173–179.
Osowski S., 2006. Sieci neuronowe do przetwarzania informacji. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa.
Pastor-Bárcenas O., Soria-Olivas E., Martín-Guerrero J.D., Camps-Valls G., Carrasco-Rodríguez J.L., del Valle-Tascón S., 2005. Unbiased sensitivity analysis and pruning
techniques in neural networks for surface ozone modelling. Ecological Modelling
182, 149–158.
Patterson, D.W.,1996. Artificial neural networks theory and application. Printice Hall, New York.
Rutkowska D., Piliński M., Rutkowski L., 1999. Sieci neuronowe, algorytmy genetyczne i systemy
rozmyte. Wydawnictwa Szkolne PWN, Warszawa.
Rutkowski L., 2011. Metody i techniki sztucznej inteligencji. Wydawnictwo Naukowe PWN,
Warszawa.
Samborska K., Bieńkowska B., 2013. Physicochemical properties of spray dried honey preparations. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 575, 91–105.
Szaleniec M., 2008. Sieci neuronowe i regresja wieloraka – czyli jak okiełznać złożoność
w badaniach naukowych?, http://www.statsoft.pl/czytelnia/czytelnia.html (data dostępu:
20.03.2014).
Tadeusiewicz R., 1993. Sieci neuronowe. Akademicka Oficyna Wydawnicza RM, Warszawa.
Terrab A., González G., Díez M.J., Heredia F.J., 2003. Mineral content and electrical conductivity
of the honeys produced in Northwest Morocco and their contribution to the characterisation of unifloral honeys. Journal Sci Food Agric 83, 637–643.
THE USE OF ARTIFICIAL NEURAL NETWORKS FOR MODELING
OF THE RELATIONSHIPS BETWEEN PHYSICOCHEMICAL AND ELECTRICAL
PROPERTIES OF HONEY
Summary. Pollen content and water content may influence the chemical and electrical
parameters of honey. Water content can be related to analysed parameters by functional
relationship but the influence of pollen content on honey chemical and electric parameters
is more complicated. In one honey sample may be a few or several pollen of various plant
types. The analysis only primary pollen influence is not adequate. The subject of this work
is the use of two types of artificial neural networks to obtain accurate mathematical models
describing the relationship between honey parameters like the content of sugars, amino
acids, free acids, strained honey conductivity and both pollen content and water content.
A total of 50 honey samples were used for this study. The honey samples with different
production origin and varieties have been collected. Regarding the type of honey, in the
samples group there were nectar, nectar-honeydew and honeydew honeys. Artificial neural
networks are an useful tool for modeling relationships between chemical and electrical
honey features as the output model parameters and both pollen content and water content
as the input model parameters. Two neural network types were used for modeling task
– multilayer perceptron and RBF network. Several dozen network structures were investigated and model quality assessment was based on the value of average relative error and
standard deviation of the relative error calculated for both, training and test data sets. The
values of average relative error as well as standard deviation of the relative error calculated
for best network structures obtained in simulation tests prove the practical utility of neural
models. The results obtained for RBF network show that the practical utility of this model
is lower than multilayer perceptron (the values of average relative error exceed 20% for all
structures tested).
Using the multilayer perceptron as a mathematical model of these relationships, sensitivity
analysis were executed. On the basis of this analysis, the assessment of the influence of
model input parameters on some selected output parameters was possible. The results of
the sensitivity analysis show that all input model parameters are statistically significant for
all output model parameters (error quotient ≥ 1). In case of the model describing relationship between strained honey conductivity and both, water content and pollen content, one
can not identify dominant explanatory variables. The most significant influence on glucose/
/fructose content ratio, free acids content and proline content was observed for content of
two pollen: Brassica napus and Brassicaceae.
Key words: honey, artificial neural networks, sensitivity analysis, electrical parameters
nr 576, 2014
77
nr 576, 2014, 79–87
OCENA ZAWARTOŚCI FRUKTOZY, GLUKOZY
I SACHAROZY W WYBRANYCH ODMIANACH CEBULI
UPRAWIANYCH W TRZECH GOSPODARSTWACH
HODOWLANO-NASIENNYCH
Natalia Matłok, Józef Gorzelany, Maciej Bilek, Rafał Pieniążek,
Piotr Kuźniar, Janina Kaniuczak
Uniwersytet Rzeszowski
Streszczenie. Celem przeprowadzonych badań było określenie zawartości cukrów prostych
i sacharozy w wybranych odmianach cebuli pochodzących z poletek doświadczalnych założonych w trzech gospodarstwach hodowlano-nasiennych. Oznaczenia poszczególnych
cukrów przeprowadzono za pomocą chromatografii cieczowej HPLC z detekcją ELSD.
Średnia zawartość sumy cukrów prostych i sacharozy w badanych odmianach cebuli była
zróżnicowana i wynosiła od 3,01 do 4,71 g·100 g–1 surowca. Najmniejszą średnią zawartością sumy oznaczanych cukrów odznaczała się odmiana Bila, największą zaś odmiana
Majka.
Słowa kluczowe: cebula zwyczajna, chromatografia cieczowa HPLC, glukoza, fruktoza,
sacharoza
WSTĘP
Cebula zwyczajna (Allium cepa L.) jest rośliną dwuletnią z rodziny cebulowatych
(Alliaceae). Uprawa cebuli praktykowana jest od 5000 lat, a sama cebula to jedna z najstarszych roślin uprawianych przez człowieka [Typek 2012]. Ze względu na walory smakowe cebula stała się istotnym składnikiem diety ludzi na całym świecie. Cenione są jej
właściwości odżywcze i zdrowotne wynikające z wysokiej zawartości składników mineralnych (m.in. potas, fosfor, wapń, magnez, żelazo, cynk), witamin i substancji o właściwościach antyoksydacyjnych [Griffiths i in. 2002, Shrestha 2007, Strzelecka i Kowalski
Adres do korespondencji – Corresponding author: Natalia Matłok, Uniwersytet Rzeszowski, Wydział Biologiczno-Rolniczy, Katedra Inżynierii Produkcji Rolno-Spożywczej, ul. Ćwiklińskiej 1,
35-601 Rzesów, e-mail: [email protected]
80
N. Matłok, J. Gorzelany, M. Bilek i inni
2000, Kohlmünzer 2000, Lamer-Zarawska i in. 2007]. Cebula konsumowana jest najchętniej w krajach południowej Europy [Shrestha 2004], jednak także i w Polsce posiada
ugruntowaną pozycję i korzystne warunki do uprawy, również metodami ekologicznymi
[Felczyński i in. 2004, Zych 2005].
Szczegółowe wymagania dotyczące jakości, znakowania i dystrybucji cebuli zostały
określone przez prawodawstwo Unii Europejskiej [Komisja WE 2003], a badania składu
chemicznego są bardzo częste, a dotyczą m.in. zawartości substancji prozdrowotnych
w cebuli, takich jak flawonoidy [Gennaro i in. 2002, Slimestad i in. 2007], kwercetyna
[Lu i in. 2011], witamina C i antocyjany [Hallmann i Rembiałkowska 2007]. Badano także wpływ pozostałości wybranych środków ochrony roślin na wartości odżywcze cebuli
[Sikorska i Wędzisz 2010], a także obróbki termicznej na zawartość wybranych składników pokarmowych i witamin [Bieżanowska-Kopeć i in. 2011]. Oszacowano również
optymalne parametry przechowywania wybranych odmian cebuli [Pudzianowska 2013].
Często badana jest zawartość cukrów prostych i sacharozy w cebuli. W pracy, porównującej uprawę ekologiczną i konwencjonalną, określono zawartość cukrów metodą miareczkową Luffa-Schoorla. Odnotowano zawartości cukrów redukujących w zakresie od
0,21 do 0,61% i cukrów ogółem od 1,34 do 4,56% w zależności od sposobu uprawy [Hallmann i Rembiałkowska 2007]. Z kolei w pracach opierających się na metodzie obliczeniowej określono łączną zawartość węglowodanów (przyjmowanych za sumę glukozy,
fruktozy, sacharozy, fruktanów i błonnika) na poziomie od 6,44 do 11,67 g·100 g–1 produktu w zależności od badanej odmiany (przy średniej dla ośmiu odmian 9,14 g·100 g–1
[Bieżanowska-Kopeć i in. 2011]. W literaturze odnaleźć można także informacje na temat
badania zawartości cukrów w cebuli z użyciem zaawansowanych technik instrumentalnych, w tym technik chromatograficznych [Revanna i in. 2013]. Technika HPLC-ELSD
stosowana była do tej pory wyłącznie do oceny zawartości cukrów w suchej masie cebuli
[Davis i in. 2007]. W badaniach z zastosowaniem zestawu HPLC-ELSD w suchej masie
cebuli nie odnotowano zawartości galaktozy, laktozy, maltozy i rafinozy. Wykryto natomiast glukozę, sacharozę i fruktozę [Shanmugavelan i in. 2013]. W owocach świeżych,
m.in. pomidorach, chromatograficznie cukry analizowano z użyciem detekcji refraktometrycznej [Georgelis i in. 2004, Georgelis 2002, Smoleń i in. 2011].
Celem niniejszej pracy była ocena zawartości cukrów prostych i sacharozy w cebuli
uprawianej w trzech gospodarstwach hodowlano-nasiennych i dostarczenie informacji
na temat zawartości tych cukrów w ośmiu obecnie uprawianych w Polsce odmianach
cebuli.
MATERIAŁY I METODY
Badany materiał stanowiły główki ośmiu odmian cebuli pozyskane z trzech gospodarstw zajmujących się hodowlą i nasiennictwem ogrodniczym: Plantico Zielonki
Sp. z o.o. (dalej A), Polan Sp. z o.o. (dalej B), Spójnia „Hodowla i nasiennictwo ogrodnicze” Sp. z o.o. (dalej C). Z każdego gospodarstwa pobrano te same odmiany cebuli:
Wola, Bila, Ławica, Petra, Błońska, Wama, Majka oraz Polana. Charakterystykę plantacji, nawożenia oraz ochrony chemicznej badanych odmian cebuli w poszczególnych
gospodarstwach przedstawia tabela 1.
Lokalizacja
Location
województwo
mazowieckie
województwo
małopolskie
województwo
wielkopolskie
Gospodarstwo
Farm
(A)
Plantico Zielonki
Sp. z o.o.
(B)
Polan Sp. z o.o.
(C)
“Spójnia” Hodowla
i Nasiennictwo
Ogrodnicze
Sp. z o.o.
Bontar (NPK – 3; 9; 15)
(500 kg·ha–1)
Saletra amonowa
(100 kg·ha–1)
Polifoska
(400 kg·ha–1)
klasa gleby/class of soil: I
pH: 6,7–7,3
przedplon/forecrop:
czosnek ozimy/
/winter garlic
klasa gleby/class of soil:
III b
pH: 6,8
przedplon/forecrop:
pszenica jara/wheat
Polimag S
(500 kg·ha–1)
przedsiewne
pre-fertilization
Saletra amonowa (100
kg·ha–1)
Saletra amonowa
(200 kg·ha–1)
Agrolaf Total
(dwie dawki po 3 kg·ha–1)
Agrolaf K (1 l·ha–1)
Saletra amonowa 34%
(100 kg (N)·ha–1)
pogłówne
capitation
Nawożenie – Fertilization
klasa gleby/class of soil:
III
pH: 6,6–7,0
przedplon/forecrop:
pszenica ozima/
/winter wheat
Rodzaj, typ gleby
Soil type
Tabela 1. Wybrane informacje dotyczące uprawy cebuli w trzech gospodarstwach hodowlano-nasiennych
Table 1. Selected information regarding the cultivation of onions in three farms
Pendigan 330 EC (4,5 l·ha–1)
Roundup 360 SL (1,5 l·ha–1)
Lentagran 45 WP (1,66 kg·ha–1)
Sumi-Alpha 050EC (0,2 l·ha–1) + Amistar 250 SC
(0,8 l·ha–1)
Ridomil Gold MZ 67,8 WG ( 2,5 kg·ha–1) + Karate
Zeon 050 CS (0,12 l·ha–1)
Dithane Neo Tec 75 WG (2,5 kg·ha–1) +
+ Sumi-Alpha 050 EC (0,2 l·ha–1)
Signum 33 WG (1 kg·ha–1)
Panida (4 l·ha–1)
Roundap 360 SL (1,5 l·ha–1)
Galigan 240 EC (0,25 l·ha–1)
Lontrel (0,3 l·ha–1)
Ridomil Gold (2,5 kg·ha–1)
Acrobat MZ 600 WG(1,5 kg·ha-1) + Bravo 500SC
(1,5 l·ha–1)
Amistar (0,8 l·ha-1) +Karate Zeon 050 CS (0,12
l·ha–1)
Rovral Flo 255 SC (2 l·ha–1)
Stomp 330 EC (5 l·ha–1)
Galigan 240EC (0,5 l·ha–1)
Amistar 250 SC (0,8 l·ha–1)
Karate Zeon 050 CS (0,12 l·ha–1)
Acrobat MZ 69 WG (0,5 kg·ha–1)
Curzate M 72,5 WP (0,5 kg·ha–1)
Ochrona chemiczna
Chemical protection
82
Próbki przygotowano w sposób opracowany doświadczalnie. Z każdej partii cebul,
pochodzącej z trzech różnych gospodarstw, pobierano po trzy sztuki. Cebule te homogenizowano osobno w młynku laboratoryjnym IKA A 11, a następnie odważano 10 g materiału i przenoszono do kolby okrągłodennej. Dodawano 30 ml 96% etanolu i 10 ml wody
destylowanej. Próbka taka była gotowana w łaźni wodnej w temperaturze 100°C pod
chłodnicą zwrotną przez 30 minut i odwirowywana w wirówce (4500 obrotów, 30 minut).
Roztwór nad osadem zlewano do kolby miarowej i uzupełniano wodą dejonizowaną do
objętości 50 ml. Dla opisanego sposobu przygotowywania próbek skontrolowano odzysk,
uzyskując w trzech pełnych cyklach przygotowania próbki i analizy chromatograficznej
wyniki 79, 82,5 oraz 86% (rys. 1).
Materiał badany
Rys. 1.
Fig. 1.
Homogenizacja
Gotowanie
pod chłodnicą
zwrotną
Wirowanie
Sączenie przez
filtr nasadkowy
Analiza
chromatograficzna
Schemat obrazujący etapy postępowania analitycznego wykorzystywanego w trakcie
badań
Diagram illustrating the analytical procedure used in the tests
Analizę chromatograficzną poprzedzało przesączenie próbek przez filtry strzykawkowe MCE o średnicy porów 0,45 μm, dostarczone przez firmę AlfaChem. Wzorce cukrów
pochodziły z firmy Sigma Aldrich, acetonitryl o czystości HPLC oraz etanol z firmy
POCH.
Do określenia zawartości cukrów w cebuli zastosowano wysokosprawny chromatograf cieczowy firmy Varian, sterowany za pomocą programu Varian Workstation wersja
6.9.1, składający się z dwóch pomp Varian LC 212, automatycznego podajnika próbek
VarianProStar 410, ewaporacyjnego detektora promieniowania rozproszonego Varian
ELSD 385 LC oraz modułu integrującego Varian Star 800. Do rozdziału chromatograficznego użyto kolumny chromatograficznej CosmosilSugar-D (4,6 × 250 mm). Częstotliwość sczytywania danych ustalono na 5.0 Hz. Chromatogramy opracowywano za
pomocą programu Varian Workstation wersja 6.9.1.
Doświadczalnie ustalono optymalne parametry analizy chromatograficznej. Przepływ izokratyczny; skład fazy ruchomej: acetonitryl : woda (80 : 20 v/v); natężenie
przepływu strumienia fazy ruchomej: 1 ml·min–1; objętość dozowanych próbek: 25 μl;
temperatura kolumny: 35°C; temperatura tacy automatycznego podajnika próbek: 4°C.
Zastosowano następujące parametry detektora ELSD: natężenie przepływu strumienia
gazu – 1,2 l·min–1, temperatura rozpylacza – 80°C, temperatura parownika – 80°C.
Oszacowano podstawowe parametry walidacyjne zastosowanej metody analitycznej.
Specyficzność metody została potwierdzona poprzez porównanie czasów retencji pików
uzyskanych dla badanych próbek z czasami retencji wzorców: fruktozy, glukozy i sacha-
Ocena zawartości fruktozy, glukozy i sacharozy w wybranych odmianach cebuli...
83
rozy oraz ich mieszaniny. Dla trzech wymienionych cukrów określona została również
liniowość odpowiedzi detektora na zadane stężenia roztworów wzorcowych w zakresie od 0,5 do 20 mg·ml–1. Precyzję opisanej metody analitycznej potwierdzano poprzez
trzykrotne powtarzanie nastrzyku zestawu wzorców i każdej z próbek. Pełna kalibracja
powtarzana była co 30 nastrzyków (co 10 godzin), a pięciopunktowe krzywe kalibracyjne
tworzono, wyciągając średnie z dwóch wartości uzyskanych dla każdego poziomu kalibracyjnego w odstępach dziesięciogodzinnych.
Na podstawie tabeli 1 w analizowanych gospodarstwach zastosowane zostały różne
rodzaje i dawki nawozów oraz środków ochrony roślin (wynikające z nasilenia chorób
i szkodników na poszczególnych plantacjach).
Uzyskane wyniki poddano analizie statystycznej za pomocą programu Statistica 10,
którym wykonano analizę wariancji i test istotności NIR.
WYNIKI BADAŃ
Określając średnią zawartość cukrów prostych i sacharozy w badanych odmianach
cebuli uprawianych w wytypowanych trzech gospodarstwach hodowlano-nasiennych
(tab. 2), stwierdzono zróżnicowane zawartości oznaczanych cukrów. Największe
zróżnicowanie zawartości fruktozy, glukozy, sacharozy i sumy oznaczanych cukrów
pomiędzy gospodarstwami odnotowano dla odmian Majka i Petra. Istotne zróżnicowanie było również w przypadku zawartości sacharozy dla odmian Błońska i Ławica. Największą zawartością sumy oznaczanych cukrów cechowała się odmiana Majka
w gospodarstwie A i wynosiła ona 5,701 g·100 g–1 surowca. Najmniejszą sumę cukrów
(glukoza, fruktoza i sacharoza), wynoszącą 2,722 g·100 g–1 surowca, odnotowano natomiast w gospodarstwie C u odmiany Bila. Największą zawartość fruktozy i glukozy
stwierdzono dla odmiany Majka, wynosiły one odpowiednio: 1,629 i 2,103 g·100 g–1
surowca. Odmiana ta cechowała się z kolei najmniejszą zawartością sacharozy wśród
badanych odmian cebuli (0,980 g·100 g–1 surowca). Najmniejszą zawartością fruktozy,
wynoszącą 0,561 g·100 g–1 surowca, i glukozy, wynoszącą 1,270 g·100 g–1 surowca,
odznaczała się odmiana Bila.
Największą średnią zawartość glukozy (1,722 g·100 g–1), sacharozy (1,193 g·100 g–1)
i sumy cukrów (3,773 g·100 g–1) uzyskano w gospodarstwie A, a fruktozy (0,937 g·100 g–1)
w gospodarstwie B. Z kolei najmniejszą zawartość glukozy (1,415 g·100 g–1) i sumy
cukrów (3,46 g·100 g–1 surowca) w gospodarstwie C, fruktozy (0,859 g·100 g–1) w gospodarstwie A, a sacharozy (1,165 g·100 g–1) w gospodarstwie B. Przeprowadzona analiza wariancji wykazała, że warunki uprawy w gospodarstwach hodowlano-nasiennych
miały wpływ jedynie na zawartość glukozy w cebuli. Ze względu na ilość tego cukru
istotnie różniło się gospodarstwo A od gospodarstwa C (rys. 2).
nr 576, 2014
Tabela 2. Średnia zawartość [g·100 g–1 surowca] fruktozy, glukozy i sacharozy oraz sumy cukrów w badanych odmianach cebul uprawianych w trzech gospodarstwach hodowlano-nasiennych
Table 2. The average content [g·100 g–1 material] of fructose, glucose and sucrose and sugar content
in the tested onion varieties
Odmiana
Variety
Gospodarstwo
Farm
Ławica
Majka
Petra
Polana
Wama
Wola
Suma cukrów
Sugar content
[g·100 g–1]
fruktozy
fructose
glukozy
glucose
sacharozy
sucrose
A
B
C
0,533 ±0,062
0,614 ±0,111
0,535 ±0,024
1,424 ±0,262
1,358 ±0,236
1,030 ±0,286
1,132 ±0,239
1,264 ±0,190
1,158 ±0,299
3,089 ±0,540
3,236 ±0,061
2,722 ±0,516
średnia
average
0,561 ±0,076a
1,270 ±0,291a
1,185 ±0,222b
3,016 ±0,439a
0,648 ±0,051
0,944 ±0,113
0,840 ±0,102
1,674 ±0,099
1,442 ±0,126
1,323 ±0,195
0,923 ±0,052 I
1,303 ±0,104 II
1,273 ±0,107 II
3,244 ±0,084
3,689 ±0,341
3,436 ±0,042
0,811 ±0,153bc
1,479 ±0,199ab
1,167 ±0,199ab
3,457 ±0,262abc
0,711 ±0,296
0,731 ±0,106
0,866 ±0,180
1,471 ±0,051
1,406 ±0,555
1,303 ±0,057
1,469 ±0,194 II
0,988 ±0,081 I
1,340 ±0,364 II
3,652 ±0,439
3,125 ±0,727
3,508 ±0,578
0,769 ±0,195abc
1,393 ±0,290a
1,266 ±0,301b
3,428 ±0,565abc
A
B
C
średnia
average
2,030 ±0,112 II
1,413 ±0,302 I
1,443 ±0,402 I
2,565 ±0,229 II
1,912 ±0,171 I
1,832 ±0,291 I
1,106 ±0,227
0,972 ±0,110
0,861 ±0,030
5,701 ±0,501 II
4,297 ±0,462 I
4,136 ±0,677 II
1,629 ±0,396d
2,103 ±0,404c
0,980 ±0,165a
7,411 ±0,887d
A
B
C
średnia
average
0,867 ±0,034 I
1,380 ±0,472 II
0,675 ±0,040 I
1,914 ±0,195 II
1,139 ±0,438 I
1,482 ±0,183 I
1,307 ±0,259
1,057 ±0,126
1,077 ±0,090
4,088 ±0,422 II
3,576 ±0,286 I II
3,234 ±0,108 I
0,794 ±0,395c
1,511 ±0,423ab
1,147 ±0,193ab
3,633 ±0,454bc
A
B
C
średnia
average
0,792 ±0,149
0,967 ±0,394
1,059 ±0,159
1,760 ±0,142
1,678 ±0,486
1,847 ±0,179
1,159 ±0,150
1,217 ±0,215
1,080 ±0,093
3,712 ±0,210
3,862 ±0,800
3,986 ±0,419
0,940 ±0,254c
1,762 ±0,278b
1,152 ±0,151ab
3,853 ±0,479c
0,720 ±0,061
0,757 ±0,087
0,802 ±0,110
1,478 ±0,342
1,618 ±0,330
1,214 ±0,159
1,256 ±0,072
1,438 ±0,254
1,253 ±0,228
3,453 ±0,344
3,813 ±0,671
3,270 ±0,489
0,760 ±0,084abc
1,437 ±0,307a
1,316 ±0,197b
3,512 ±0,509bc
0,570 ±0,045
0,690 ±0,174
0,731 ±0,141
1,490 ±0,155
1,604 ±0,157
1,287 ±0,095
1,188 ±0,073
1,078 ±0,100
1,370 ±0,219
3,248 ±0,186
3,373 ±0,127
3,387 ±0,059
0,664 ±0,135ab
1,461 ±0,184a
1,212 ±0,179b
3,336 ±0,134b
0,889 ±0,385
1,552 ±0,382
1,178 ±0,216
3,618 ±0,677
Bila
Błońska
Stwierdzona zawartość – Declared content
[g·100 g–1]
A
B
C
średnia
average
A
B
C
średnia
average
A
B
C
średnia
average
A
B
C
średnia
average
Średnia – Average
Wartości średnie dla odmian oznaczone tą samą literą w kolumnie oraz wartości dla odmian uprawianych w trzech
gospodarstwach oznaczone tą samą cyfrą rzymską w kolumnie nie różnią się istotnie statystycznie przy α = 0,05.
2,0
2,6
1,8
2,4
Glukoza – Glucose [g·100 g]
Fruktoza – Fructose [g·100 g]
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
Suma cukrów – Sugar content [g·100 g]
Sacharoza – Sucrose [g·100 g]
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
Gospodarstwo A
Gospodarstwo C
Gospodarstwo B
Rys. 2.
Fig. 2.
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,6
Gospodarstwo A
Gospodarstwo C
Gospodarstwo B
1,8
0,6
2,2
0,8
0,0
–0,2
85
Gospodarstwo A
Gospodarstwo C
Gospodarstwo B
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
Średnia
Średnia ±Odch. std.
Średnia ±1,96*Odch.std.
Gospodarstwo A
Gospodarstwo C
Gospodarstwo B
Średnia zawartość oznaczanych cukrów w ośmiu badanych odmianach cebuli uprawianych w trzech gospodarstwach hodowlano-nasiennych
The average content of sugar determined in the eight varieties of onion
WNIOSKI
1. Badane odmiany cebuli charakteryzowały się zróżnicowaną zawartością cukrów
prostych i sacharozy. Sumy oznaczonych cukrów mieściły się w zakresie od 3,016 g·100 g–1
surowca dla odmiany Bila do 4,711 g·100 g–1 surowca dla odmiany Majka.
2. Największe zróżnicowanie zawartości fruktozy, glukozy, sacharozy i sumy cukrów
pomiędzy gospodarstwami odnotowano dla odmian Majka i Petra. Istotne zróżnicowanie
było również w przypadku zawartości sacharozy w odmianach Błońska i Ławica.
3. Największe średnie zawartości glukozy i sumy cukrów były w gospodarstwie A
(1,722 i 3,773 g·100 g–1 surowca), najmniejsze natomiast w gospodarstwie C (1,415
i 3,459 g·100 g–1 surowca).
nr 576, 2014
86
LITERATURA
Bieżanowska-Kopeć R., Galas K., Leszczyńska T., 2011. Wpływ obróbki termicznej na podstawowy skład chemiczny cebuli (Allium cepa L.). Żywność projektowana Designed food.
Część III. Polskie Towarzystwo Technologów Żywności, Kraków, 7–15.
Davis F., Terry L., Chope G., Faul Ch., 2007. Effect of extraction procedure on measured sugar concentrations in onion (Allium cepa L.) bulbs. J. Agric. Food Chem. 55(11), 4299–4306.
Felczyński K., Adamicki F., Dobrzański A., Robak J., Szwejda J., 2004. Ekologiczne metody uprawy cebuli. Instytut Warzywnictwa w Skierniewicach, Radom.
Gennaro L., Leonardi Ch., Esposito F., Salucci M., Maiani G., Quaglia G., Fogliano V., 2002. Flavonoid and carbohydrate contents in tropea red onions: Effect of homelike peeling and
storage. J. Agric. Food Chem. 50, 1904–1910.
Georgelis N., 2002. High fruit sugar characterization, inheritance and linkage of molecular markers
in tomato. University of Florida, 16–18.
Georgelis N., Scott J.W., Baldwin E.A., 2004. Relationship of tomato fruit sugar concentration
with physical and chemical traits and linkage od RAPD markers. J. Amer. Soc. Hort. Sci.
129(6), 839–845.
Griffiths G., Trueman L., Crowther T., Thomas B., Smith B., 2002. Onions – a global benefit to
health. Phytother. Reser. 16, 603–615.
Hallmann E., Rembiałkowska E., 2007. Zawartość wybranych składników odżywczych w czerwonych odmianach cebuli z uprawy ekologicznej i konwencjonalnej. Żywność Nauka
Technologia Jakość 2(51), 105–111.
Kohlmünzer St., 2000. Farmakognozja. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa, 511.
Komisja Wspólnot Europejskich, 2003. Cebula. Standardy jakości handlowej owoców i warzyw.
2003. Rozporządzenia Komisji (WE) nr 1508/2001 z dnia 24 lipca 2001 r., Warszawa.
Lamer-Zarawska E., Kowal-Gierczak B., Niedworok J., 2007: Fitoterapia i leki roślinne. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa, 243, 427.
Lu X., Ross C., Powers J., Rasco B., 2011. Determination of quercetins in onion (Allium cepa) using infrared spectroscopy. J. Agric. Food Chem. 59(12), 6376–6382.
Pudzianowska M., 2013. Wpływ faz rozwojowych oraz metod przechowywania na jakość szalotki
(Alliiumascalonicum L.) uprawianej z rozsady. Autoreferat pracy doktorskiej, SGGW,
Warszawa.
Revanna R., Turnbull M., Shaw M., Wright K., Butler R., Jameson P., McCallum J,. 2013. Measurement of the distribution of non-structural carbohydrate of non-structural carbohydrate
composition in onion populations by a high-throughput micro plate enzymatic assay.
J. Sci. Food Agric. 93, 2470–2477.
Shanmugavelan P., Yeon Kim S., Bong Kim J., Woong Kim H., Muk Cho S., Na Kim S., Young
Kim S., Sook Cho Y., Ran Kim H., 2013. Evaluation of sugar content and composition
in commonly consumed Korean vegetables, fruits, cereals, seed plants, and leaves by
HPLC-ELSD. Carbohydrate Research 380, 112–117.
Shrestha H., 2007. A plant monograph on onion (Allium cepa L.). The School of Pharmaceutical
and Biomedical Sciences Pokhara University, Simalchaur, Pokara, 7–8, 33–57.
Sikorska K., Wędzisz A., 2010. Wpływ pozostałości spinosadu na wartość odżywczą warzyw. Bromat. Chem. Toksykol. XLIII, 1, 101–107.
Slimestad R., Fossen T., Vĺgen I., 2007. Onions: a source of unique dietary flavonoids. J. Agric.
Food Chem. 55(25), 10067–10080.
Smoleń S., Wierzbińska J., Liszka-Skoczylas M., Rakoczy R., 2011. Wpływ formy jodu na plonowanie oraz jakość owoców pomidora uprawianego w systemie hydroponicznym CKP.
Ochr. Środ. Zas. Nat. 48, 59–66.
87
Strzelecka H, Kowalski J. (red.), 2000. Encyklopedia zielarstwa i ziołolecznictwa. Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa, 82.
Typek J., 2012. Dar starożytnych. Bez Recepty 2, 38–39.
Zych A., 2005. Metodyka integrowanej produkcji cebuli na podstawie art. 5 ust. 3 pkt 2 ustawy
z dnia 18 grudnia 2003 r. o ochronie roślin (Dz.U. z 2004 r. Nr 11, poz. 94 z późn. zmianami). Główny Inspektor Ochrony Roślin i Nasiennictwa, Warszawa.
SUGAR CONTENT IN SELECTED VARIETIES OF ONION COLLECTED FROM
THE THREE PLANT BREEDING AND SEED PRODUCTION FARMS
Summary. The aim of this study was to determine the content of glucose, fructose and
sucrose in the selected varieties of onion. The samples of eight varieties of onion were
collected from the three plant breeding and seed production farms: Plantico Zielonki LLC,
Polan LLC, Spójnia „Hodowla i nasiennictwo ogrodnicze” LLC. Following varieties were
collected from each farm: Wola var., Bila var., Ławica var., Petra var., Błońska var., Wama
var., Majka var. as well as Polana var.
High-performance liquid chromatography system controlled with the Varian Workstation
software version 6.9.1, consisting of two high pressure Varian LC 212 pumps, an autosampler Varian ProStar 410, an evaporative light scattering detector Varian ELSD 385 LC and
an integrating module Varian Star 800, was used for analysing the content of sugars in the
onions. The Cosmosil Sugar-D, 4.6 × 250 mm chromatographic column was used for chromatographic separation.
Differences in the average sugar content have been identified. The average content of three
sugars ranged between 3.01 and 4.71 g·100 g–1 raw material. The lowest average concentration of three sugars was detected in the Bila var., and the highest in the Majka var.
The biggest differences in the content of fructose, glucose, sucrose as well as total sugars,
determined between three farms, were found for varieties Majka and Petra. Significant differences were also found in the case of sucrose content in Błońska var. and Ławica var. The
highest average glucose and total sugars content were found in the Plantico Zielonki farm
(1.722 and 3.773 g of the raw material · 100 g–1 of raw material), while the lowest in the
Spójnia farm (1.415 and 3,459 g of raw material · 100 g–1 material).
Key words: onion, liquid chromatography HPLC, glucose, fructose, sucrose
nr 576, 2014
nr 576, 2014, 89–98
KLAROWANIE BRZECZKI PIWNEJ PRZY UŻYCIU
KARAGENU – ASPEKTY TECHNOLOGICZNE
I JAKOŚCIOWE
Aleksander Poreda1, Monika Sterczyńska2, Marek Jakubowski3,
Marek Zdaniewicz4
1,4
2,3
Uniwersytet Rolniczy w Krakowie
Politechnika Koszalińska
Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki analizy parametrów jakościowych brzeczek
poddanych wstępnej klaryfikacji z zastosowaniem karagenu. Celem przeprowadzonych
badań było określenie wpływu stosowania karagenu na jakość brzeczki oraz przebieg procesu jej fermentacji. Karagen dodawano do wrzącej brzeczki słodowej w postaci wodnej
zawiesiny w ilości 50, 100 i 200 mg·l–1. Uzyskane wyniki pozwoliły stwierdzić, iż zastosowanie karagenu do wstępnej klaryfikacji w stężeniu 50 mg·l–1 zdecydowanie poprawia
klarowność brzeczki piwnej o ekstrakcie 10%. Jednakże nie miało to istotnego wpływu
na przebieg fermentacji. Zastosowanie karagenu spowodowało obniżenie barwy brzeczek
z ok. 11 EBC, w przypadku brzeczki kontrolnej, do ok. 7,5–8,0 w brzeczkach klarowanych
karagenem w ilości 50 i 100 mg·l–1.
Słowa kluczowe: karagen, brzeczka piwna, klarowanie brzeczki, piwo
WSTĘP
Wyzwaniem współczesnego browarnictwa jest zapewnienie odpowiedniej stabilności
koloidalnej piwa. W tym celu poszczególne zabiegi technologiczne ukierunkowane są na
redukcję nadmiaru substancji o charakterze białkowo-garbnikowym, których obecność
niekorzystnie wpływa na trwałość handlową gotowego produktu. Osiąga się to stosując
substancje wspomagające usuwanie białek zmętnieniotwórczych (np. ziemia okrzemkowa, żel krzemionkowy) i polifenoli (np. PVPP – poliwinylopolipirolidon) [Siebert
1999].
Adres do korespondencji – Corresponding author: Marek Jakubowski, Politechnika Koszalińska,
Wydział Mechaniczny, Katedra Procesów i Urządzeń Przemysłu Spożywczego, ul. Racławicka
15–17, 75-620 Koszalin, e-mail: [email protected]
90
A. Poreda, M. Sterczyńska, M. Jakubowski, M. Zdaniewicz
Utrzymanie klarowności piwa w czasie przechowywania dłuższym niż 3 miesiące,
przy stosowaniu tradycyjnych surowców i tradycyjnej technologii, jest praktycznie niemożliwe. Konieczne jest zatem stosowanie materiałów pomocniczych, jakimi są preparaty stabilizacyjne [Antkiewicz i Tuszyński 1997]. Produkcja klarownego piwa wymaga
doboru odpowiednich, dobrych jakościowo surowców do pozyskiwania brzeczki piwnej.
W przypadku wykorzystania surowców gorszej jakości możliwe jest zastosowanie materiałów pomocniczych, ułatwiających osiągnięcie zamierzonych celów technologicznych.
Etapem technologicznym, podczas którego z powodzeniem można zastosować środki
wspomagające uzyskanie klarownej brzeczki, jest jej gotowanie z chmielem. Stabilizatory dodawane są do brzeczki w celu zwiększenia efektywności usuwania substancji białkowych podczas późniejszych etapów przygotowania brzeczki nastawnej [Rehmanji i in.
2005].
Do wstępnego klarowania brzeczki piwnej wykorzystuje się karagen. Jest to złożony
węglowodan pochodzenia roślinnego. Surowiec do jego produkcji to chrząstnica kędzierzawa, czyli mech irlandzki (Chondrus crispus) – gatunek glonu, występujący w strefie
przybrzeżnej Oceanu Atlantyckiego, Spokojnego i Morza Północnego, w skład którego
wchodzą przede wszystkim śluz, zwany karageniną, a także inne polisacharydy oraz niewielkie ilości bromu i jodu [Rehmanji i in. 2002].
Karagen tworzą kopolimery soli sodowych, potasowych, magnezowych, wapniowych, estrów siarczanowych kwaśnych oraz polisacharydów zbudowanych z cząsteczek
D-galaktozy i 3,6-anhydro-D-galaktozy, połączonych wiązaniami β-1,3- i β-1,4-glikozydowymi. Ze względu na ilość grup siarczanowych i ich umiejscowienie w łańcuchu
polisacharydowym wyodrębnia się 5 typów karagenu, które różnią się strukturą i właściwościami żelującymi: (κ) kappa, (ι) jota, (λ) lambda, (μ) mi oraz (ν) ni, z których trzy
pierwsze są najczęściej stosowane w praktyce przemysłowej. Karagen odznacza się dużą
aktywnością biologiczną (zaliczany jest do grupy immunostymulatorów) ze względu na
to, że jako preparat naturalny pochodzenia roślinnego stymuluje i pobudza system odpornościowy organizmu. W przewodzie pokarmowym człowieka jest praktycznie niewchłaniany. W żywności nie może być stosowany w dużych dawkach ze względu na działanie
ograniczające przyswajanie składników mineralnych (np. potasu) i oddziaływanie przeczyszczające [Dale i in. 1995].
W roztworze wodnym karagen posiada, dzięki grupom siarczynowym znajdującym
się w łańcuchu tego polisacharydu, ładunek ujemny. Miejsca obdarzone odpowiednim
ładunkiem wchodzą w interakcje z białkami brzeczki, powodując ich wytrącenie. W temperaturze powyżej 65°C karagen posiada nieuporządkowaną strukturę, a podczas chłodzenia brzeczki przechodzi w formę uporządkowaną, tworząc helisę, w wyniku czego
przyciąga cząsteczki białka tworząc konglomeraty.
W technologii browarniczej zastosowanie karagenu pozwala na przyspieszenie naturalnej sedymentacji cząstek białkowych znajdujących się w brzeczce. Po krótkim czasie
ekspozycji, w trakcie gotowania w czasie 5–10 minut, nadaje on brzeczce nastawnej pożądaną klarowność [Rehmanji i in. 2005]. Karagen nie jest jednak dodawany do wrzącej
brzeczki w celu uzyskania większego przełomu. Na etapie gotowania następuje jedynie
równomierne rozprowadzenie całej dawki i jego rozpuszczenie w brzeczce. Efekt zwiększonej klarowności uzyskuje się dopiero podczas chłodzenia brzeczki. Potencjalna poprawa efektu wytrącania osadów, związana z zastosowaniem karagenu, może prowadzić
Klarowanie brzeczki piwnej przy użyciu karagenu – aspekty technologiczne i jakościowe
91
do skrócenia czasu gotowania. Przyniosłoby to niewątpliwie dodatkowe efekty, jak np.
zmniejszenie obciążenia termicznego brzeczki, a tym samym zmniejszenie ilości DMS
[Salamon i in. 2011].
Celem pracy było określenie wpływu karagenu, stosowanego w różnych dawkach do
wstępnego klarowania brzeczki, na przebieg procesu jej fermentacji i wybrane właściwości fizykochemiczne.
MATERIAŁY I METODY
W pracy określono dawkę karagenu, którą należy zastosować do uzyskania brzeczki
słodowej o największym poziomie klarowności. Brzeczkę klarowaną oraz brzeczkę wytworzoną bez dodatku karagenu (próbę kontrolną) poddano fermentacji. Oceniano przebieg procesu i jego wydajność.
Brzeczkę laboratoryjną (tzw. kongresową) wytworzono metodą zacierania infuzyjnego [EBC-Analytica 2004]. Do jej przygotowania zastosowano słód typu pilzneńskiego
(Pilzner Malt, Weyermann, Niemcy) w ilości 50 g, który rozdrobniono w młynku (typ:
WŻ – 1, Polska) w czasie 3 sekund, a następnie mieszano z wodą (200 cm3) i zacierano.
Po zakończeniu gotowania masę zacieru uzupełniono wodą do 450 g.
W realizowanych badaniach wykorzystano karagen GPI CARRACLEAR XS
(74-GPICARRXS/25, Promar, Polska), który dodano w postaci wodnej zawiesiny do gotowanej brzeczki słodowej.
Brzeczkę laboratoryjną (kongresową) poddano procesowi gotowania w czasie 30 minut. Na 10 minut przed końcem gotowania dodano 5 ml wodnej zawiesiny karagenu.
Naważkę preparatu rozpuszczono w zimnej wodzie destylowanej, tak aby dodając 5 ml
zawiesiny do 195 ml wrzącej brzeczki uzyskać odpowiednie stężenie karagenu (50, 100
i 200 mg·l–1). Do próby kontrolnej dodano 5 ml wody destylowanej. Po zakończeniu
procesu gotowania brzeczek, zawartość kolb uzupełniano wodą do uzyskania brzeczek
o stężeniu ekstraktu wynoszącym 10°Blg, które następnie chłodzono.
Do przeprowadzenia fermentacji wykorzystano drożdże suszone Saccharomyces
carlsbergensis (szczep: W34/70, Fermentis Division of Lesaffre, Polska). Przed dodaniem do brzeczki sporządzono zawiesinę drożdży w soli fizjologicznej (0,7 g NaCl
w 100 ml wody), o stężeniu biomasy 20 g·l–1. Zawiesinę drożdży dodawano następnie do
kolb fermentacyjnych z zachowaniem warunków sterylnych, tak aby początkowe stężenie biomasy w brzeczce wynosiło 1 g·l–1.
Próby fermentacyjne (poj. 200 ml) przeprowadzono w trzech powtórzeniach dla
każdego z wariantów doświadczenia. Fermentację prowadzono przez 7 dni w szafie termostatycznej z wymuszonym obiegiem powietrza (Q-Cell 240, Polska) w temperaturze
14°C.
Barwę brzeczki oznaczono zgodnie z Analytica EBC (metoda spektrofotometryczna
nr 8.5, spektrofotometr Beckman DU 650), dokonując pomiaru absorbancji przy długości
fali 430 nm. Oznaczano również zmętnienie brzeczek metodą nefelometryczną według
Analytica EBC, nr 9.16 (spektrofotometr Beckman DU 650) przez pomiar absorbancji
przy długości fali 560 nm. Wyniki wyrażono w jednostkach EBC.
nr 576, 2014
92
Na podstawie ubytku masy prób, ważonych co 24 godziny z dokładnością do 0,01 g,
określono intensywność procesu fermentacji. Wyniki z trzech równoległych powtórzeń
przedstawiono jako procentowe zmniejszenie masy medium fermentującego. Po zakończeniu fermentacji próby piwa poddano destylacji w celu określenia zawartości etanolu
i ekstraktu rzeczywistego. Rzeczywisty stopień odfermentowania wyrażony w procentach obliczono według wzoru:
Vr = 100 · (2,0665 · A) / (2,0665 · A + ER)
gdzie: Vr – rzeczywisty stopień odfermentowania [%],
A – zawartość alkoholu [% wag.],
ER – zawartość ekstraktu rzeczywistego [°Blg].
Metody statystyczne
Wyniki przeprowadzonych doświadczeń (3 powtórzenia) poddano interpretacji statystycznej. Wyznaczano wartości średnie i odchylenia standardowe, a istotność wpływu
parametrów zmiennych (dodatek karagenu) na oznaczane parametry określano analizą
wariancji ANOVA. Istotność różnic między średnimi weryfikowano testem Duncana
(p < 0,05). Analizę statystyczną wykonano za pomocą programu Statistica 6.1. Litery
umieszczone na słupkach danych wskazują homogenne grupy wyników.
WYNIKI I DYSKUSJA
Zasada działania karagenu polega na wspomaganiu osadzania substancji wytrąconych
z roztworu brzeczki. Karagen dodaje się do kotła warzelnego w czasie gotowania, a po
schłodzeniu, dzięki wiązaniu substancji o charakterze białkowym, następuje przyspieszone wydzielanie się tzw. zimnego osadu [Dale i in. 1995].
W pracy Dale’a i innych badano wpływ różnych dawek karagenu w zakresie
od 10 do 50 mg·l–1 na zmętnienie laboratoryjnych brzeczek słodowych wytworzonych
[Dale 1996a]. Stwierdzono, że przy odpowiednim stężeniu jonów wapnia i potasu, zwiększenie stężenia karagenu powoduje poprawę klarowności brzeczek. W niniejszej pracy
sprawdzono, czy dodatek karagenu w ilościach od 50 do 200 mg·l–1 poprawia klarowność
brzeczek. Porównano zmętnienie brzeczek, do których dodano 100 i 200 mg·l–1, ze zmętnieniem brzeczki kontrolnej (bez dodatku karagenu) i brzeczki z dodatkiem 50 mg karagenu na litr. Zbadano tym samym zasadność stosowania dawek większych niż 50 mg·l–1.
Stwierdzono, iż dodatek w ilości 50 mg·l–1 spowodował maksymalne sklarowanie brzeczki przy minimalnej ilości wytrąconego osadu (rys. 1). Zgodnie z prawem Stokes’a, duże
cząstki o większej gęstości osiadają szybciej niż małe o mniejszej gęstości, a w cieczy
o małej gęstości i lepkości cząstki opadają szybciej [Kynch 1952].
Na rysunku 2 przedstawiono zmętnienie analizowanych brzeczek. Brzeczki przed gotowaniem charakteryzowały się zmętnieniem na poziomie 75°EBC. Brzeczka słodowa
(bez dodatku karagenu) wykazała po gotowaniu zmętnienie na poziomie ok. 35°EBC,
Rys. 1.
Fig. 1.
93
Osad wytrącony w próbkach brzeczki po schłodzeniu [mg·l–1]
Cold trub in wort after cooling [mg·l–1]
Zmętnienie brzeczki – Wort haze [EBC]
z kolei w przypadku zastosowania karagenu w najniższej dawce, brzeczka po gotowaniu
charakteryzowała się zmętnieniem 10°EBC. Jak widać, sam proces warzenia spowodował obniżenie zmętnienia o około 55% (z 75 do 35°EBC), co związane jest z realizacją
jednego z głównych celów gotowania, czyli z wytrącaniem związków o charakterze białkowym [Fumi i in. 2009]. Wprawdzie największa część białek nie przedostaje się ze słodu do brzeczki i jest usuwana podczas procesu zacierania słodu (około 90%), jednak klarowność brzeczki powoduje dopiero pozbycie się gorącego osadu utworzonego podczas
gotowania [Lewis i Bamforth 2006]. Dawka karagenu w ilości 50 mg·l–1 spowodowała
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
a
e
d
b
c
Po filtracji
After filtration
0
50
100
Ilość karagenu w brzeczce
The amount of added carrageenan in wort [mg·l–1]
Rys. 2.
Fig. 2.
Zmętnienie brzeczki w zależności od stężenia karagenu
Wort haze depending on the carrageenan concentration
nr 576, 2014
200
94
Barwa brzeczki – Colour of wort [EBC]
zmniejszenie poziomu zmętnienia brzeczek do wartości około 10°EBC. Dodatek karagenu w ilości 50 mg·l–1 pozwolił więc na uzyskanie zmętniania ponad 3-krotnie mniejszego
niż w próbie kontrolnej bez karagenu.
Brzeczka wytworzona z dodatkiem karagenu w ilości 100 i 200 mg·l–1 wykazała
zmętnienia niższe niż przed gotowaniem, jednak w tym przypadku powstała znaczna
ilość osadu, a zmętnienie tych prób było wyższe niż próby brzeczki kontrolnej (rys. 3).
Powstanie znacznej ilości osadu może skutkować także zwiększonymi stratami brzeczki. Prawdopodobnie przy zbyt dużej dawce wystąpił brak całkowitego wytrącenia dodanego polisacharydu. W konsekwencji zmętnienie pozostało na stosunkowo wysokim
poziomie.
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
a
c
b
b
0
50
100
200
Ilość karagenu w brzeczce
The amount of added carrageenan in wort [mg·l–1]
Rys. 3.
Fig. 3.
Barwa brzeczki w zależności od stężenia karagenu (n = 3, odch. stand. < 5%)
Wort color depending on the carrageenan concentration (n = 3, standard deviation < 5%)
Skład chemiczny brzeczki piwnej jest zależny od jakości surowca i przebiegu procesów technologicznych w warzelni browaru. Zróżnicowane pH [Leather i in. 1995]
i stężenie wybranych jonów metali [Dale i in. 1996b] determinują efektywność działania
karagenu, stąd jego dawkę dobiera się indywidualnie do określonego typu piwa, produkowanego w specyficznych warunkach. Z danych literaturowych wynika, że optymalizacja
dawki (wybór najkorzystniejszego dozowania) powinna uwzględniać dwa aspekty: dużą
klarowność brzeczki, przy jednocześnie jak najmniejszej objętości wytwarzanego osadu
[Ward 2009]. Przedstawione wyniki wskazują, że dawkowanie karagenu w stężeniach
powyżej 50 mg·l–1 jest bezzasadne przy produkcji piwa z brzeczki słodowej niskostężonej (ok. 10°Blg).
Barwa jest parametrem jakościowym piwa, odgrywającym dużą rolę w kształtowaniu preferencji konsumenckich, będącym bezpośrednio zależnym od obecności i stężenia
substancji białkowych. Po gotowaniu brzeczek z udziałem karagenu stwierdzono, że ich
barwa była istotnie jaśniejsza w porównaniu do barwy próby kontrolnej (rys. 3). Warto
nadmienić, że dawka karagenu nie miała istotnego wpływu na barwę piwa (próby 50, 100
i 200 mg/L nie różniły się istotnie pod względem barwy). Rozjaśnienie barwy brzeczki
95
jest relatywnie łatwe do skorygowania, używając stosowanych powszechnie słodów barwiących. Warto wspomnieć, że potencjał redukcyjny słodów barwiących zwiększa się
wraz ze wzrostem intensywności barwy, więc ich dawkowanie powinno być precyzyjnie
dostosowane do wymagań w zakresie planowanej barwy [Kunz i in. 2013].
Zgodnie z założeniami pracy, uzyskane brzeczki (kontrolną i klarowaną karagenem
w ilości 50 mg·l–1) poddano fermentacji w celu określenia wpływu klarowania na fermentację. Na podstawie pomiaru ubytku masy brzeczki w kolbach fermentacyjnych oceniono
przebieg procesu fermentacji etanolowej. Dla analizowanych przypadków stwierdzono,
iż ubytek masy brzeczek nie różnił się istotnie między poszczególnymi próbami (rys. 4).
100,0
Bez karagenu
Without carrageenan
Z karagenem
With carrageenan
Ubytek masy – Mass loss [%]
99,5
99,0
98,5
98,0
97,5
97,0
0
24
48
72
96
120
144
168
192
Czas – Time [h]
Rys. 4.
Fig. 4.
Ubytek masy medium fermentacyjnego podczas fermentacji brzeczki kontrolnej i brzeczki poddanej wstępnemu klarowaniu karagenem
Fermentation rate of wort: reference and clarified sample (with the use of carrageenan)
Fermentacja próby klarowanej karagenem przebiegła podobnie do fermentacji próby
kontrolnej. W obu przypadkach masa prób obniżała się do 168 godziny procesu, osiągając
ten sam stopień odfermentowania (ok. 72%). W opisie patentowym [Talley 2000] stwierdzono, że dodatek karagenu przyspiesza fermentację. Rehmanji i inni [2002] wykazali,
iż stabilizacja za pomocą karagenu skraca całkowity czas procesu fermentacji (o ok. 3 h).
Nie udało się potwierdzić takiej zależności w prezentowanej pracy – możliwe, że częstość pomiaru masy kolb fermentacyjnych (co 24 godziny) była zbyt mała, aby wykazać
tak subtelne różnice. Ponadto należy pamiętać, że rolą karagenu nie jest zwiększenie
ilości wytrąconych białek, a jedynie wspomaganie tworzenia kłaczków i w konsekwencji
ułatwienie ich usuwania [Ward 2009]. Można się więc spodziewać, że ilość dostępnych
w brzeczce związków o charakterze białkowym, wykorzystywanych przez drożdże, nie
uległa znaczącej zmianie, a tym samym nie został zakłócony przyrost ich biomasy. Z tego
względu brak istotnych różnic w przebiegu fermentacji między próbami klarowanymi
nr 576, 2014
96
Stopień odfermentowania brzeczki
Attenuation of wort [%]
karagenem i kontrolnymi wydaje się uzasadniony. Skrócenie fermentacji opisane w pracy
Rehmanjiego i innych [2002] spowodowane było zastosowaniem karagenu z domieszką
mikrocząstek PVPP, które według autorów skutkowało absorpcją związków ograniczających wzrost drożdży.
80
78
76
74
72
70
68
66
64
62
60
a
a
Z karagenem
With carrageenan
Kontrolna
Control
Rodzaj próbki brzeczki – Type of wort sample
Rys. 5.
Fig. 5.
Stopień odfermentowania piwa uzyskanego z dodatkiem karagenu i piwa kontrolnego
Attenuation of wort: reference and the wort clarified with carrageenan
Miarą zmian zawartości ekstraktu podczas fermentacji jest stopień odfermentowania brzeczki, który określa, jaki procent ekstraktu uległ przemianie w alkohol i dwutlenek węgla. Odfermentowanie ekstraktu nie przebiega równomiernie, lecz jest uzależnione od intensywności samego procesu fermentacji w poszczególnych jego etapach.
Powszechnie uznaje się, że dla piw jasnych dolnej fermentacji rzeczywisty końcowy
stopień odfermentowania powinien wynosić powyżej 65% [Kunze 2010]. Na rysunku 5
przedstawiono wartości stopnia odfermentowania brzeczek, do których został dodany
karagen i bez dodatku (brzeczka kontrolna). Stopień odfermentowania brzeczki wstępnie klarowanej karagenem nie różnił się istotnie od stopnia odfermentowania brzeczki
kontrolnej.
WNIOSKI
1. Zastosowanie karagenu w stężeniu 50 mg·l–1 do wstępnej klaryfikacji brzeczki
niskostężonej zwiększa jej klarowność, nie wpływając istotnie na przebieg fermentacji
i stopień odfermentowania.
2. Stężenie karagenu w ilości powyżej 50 mg·l–1 zwiększa zmętnienie brzeczki słodowej, w porównaniu do brzeczki kontrolnej (bez dodatku karagenu).
3. Zastosowanie karagenu (w zakresie 50–200 mg·l–1) do klarowania brzeczki piwnej
powoduje obniżenie jej barwy w stosunku do brzeczki produkowanej bez dodatku karagenu.
97
LITERATURA
Antkiewicz P., Tuszyński T., 1997. Stabilizacja piwa – zalety i wady. II Szkoła Technologii Fermentacji, 53–64.
Dale C., Morris L., Lyddiatt A., Leather R.V., 1995. Studies on the molecular basis of wort clarification by copper fining agents (kappa carrageenan). J I BREWING 101, 285–288.
Dale C., Tran H., Lyddiatt A., 1996a. Carrageenan mediated clarification of dialysed wort systems.
J I BREWING 102, 343–348.
Dale C., Tran H., Lyddiatt A., Leather R.V., 1996b. Studies on the mechanism of action of copper
fining agents (κ carrageenan). J I BREWING 102, 285–289.
EBC-Analytica 2004. Nürnberg: Verlag Hans Carl Getränke-Fachverlag.
Fumi M.D., Galli R., Lambri M., Donadini G., Faveri D.M., 2009. Impact of full-scale brewing
processes on lager beer nitrogen compounds. Eur. Food Res. Technol. 230(2), 209–216.
Kunz T., Brauwesen F., Cortés N., 2013. Influence of Intermediate Maillard Reaction Products
with Enediol Structure on the Oxidative Stability of Beverages. J. Am. Soc. Brew. Chem.
71(3), 114–123.
Kunze W., 2010. Technologia piwa i słodu. VLB Berlin Int Edition.
Kynch G.J., 1952. A theory of sedimentation. Transactions of the Faraday Society 48, 166.
Leather R.V., Ward I.L., Dale C., 1995. The effect of wort pH on copper finings performance.
J I BREWING 101, 187–190.
Lewis M., Bamforth C.W., 2006. Essays in brewing science. New York: Springer Science+Business
Media, LLC, 9–10.
Rehmanji M., Gopal C., Mola A., 2002. A Novel Stabilization of Beer with Polyclar® BrewbriteTM.
Technical Quarterly MBAA 39(1), 24–28.
Rehmanji M., Gopal C., Mola A., 2005. Beer stabilization technology-clearly a matter of choice.
Technical Quarterly MBAA 42(4), 332–338.
Salamon A., Baranowski K., Baca E., Michałowska D., Zielińska D., Kapka A., 2011. Ocena zawartości wybranych związków siarki w piwie w zależności od jakości słodu i obróbki
cieplnej brzeczki. Zeszysty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 566, 193–24.
Siebert K.J., 1999. Effects of protein-polyphenol interactions on beverage haze, stabilization, and
analysis. J. Agric. Food Chem. 47(2), 353–62.
Talley C., 2000. Composition for clarifying beverage solutions used to prepare fermented beverages. US Patent 6,045,852.
Ward J.M., 2009. Wort and beer clarification manual BSG 23, 174–174.
TECHNOLOGICAL AND QUALITY ASPECTS OF BREWERS WORT
CLARIFICATION WITH THE USE OF CARRAGEENAN
Summary. Colloidal stability of beer is one of the key factors ensuring a good visual impact of the product on the customers. Traditionally, it used to be achieved by a long period
of maintaining beer at low temperature, in the process called lagering. Nowadays there
is a rising interest in application of various types of auxiliary materials to ensure the colloidal stability of beer. Carrageenan is a type of linear polysaccharide extracted from red
seaweeds. It is used as an auxiliary material used to facilitate clarification of wort at the
stage of brew house operations. In the study we analyzed the quality parameters of wort
and beer, after applying the clarification with the use of carrageenan. The aim of the work
was to determine the effects of carrageenan added in various amounts, on the wort quality,
nr 576, 2014
98
course of the fermentation process and some physico-chemical parameters of the product.
Carrageenan was added to the wort during boiling, in the form of an aqueous suspension, in
order to allow for an equal distribution of the polysaccharide within the volume of the wort.
It was added to reach the amount of 50,100 and 200 mg·l–1. We found that the use of carrageenan in a concentration of 50 mg·l–1 was the most appropriate for clarification of wort,
in terms of the clarity and the amount of trub created. The haze of wort clarified with carrageenan (50 mg·l–1) was more than three times lower than in the reference sample (10 EBC
haze units as compared with ca. 34 EBC). At the same time the amount of trub created was
the lowest at this dose of carrageenan. Higher amount of carrageenan caused an excessive creation of the trub, which in consequence may lead to severe losses during industrial
wort production. The application of carrageenan caused a decrease of wort colour, giving
a 7.5–8.0 EBC (in case of 50 and 100 mg·l–1), as compared with ca. 11 EBC in the reference
wort. No significant impact on the course of fermentation was noted. The attenuation of
wort clarified with carrageenan was the same as the reference wort, around 72%.
Key words: carrageenan, wort, wort clarification, beer
nr 576, 2014, 99–109
PLONOWANIE WYBRANYCH ROŚLIN UPRAWNYCH
W WARUNKACH ZANIECZYSZCZENIA GLEBY KADMEM
ORAZ STOSOWANIA SUBSTANCJI NEUTRALIZUJĄCYCH
Elżbieta Rolka
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
Streszczenie. Celem podjętych badań była ocena wpływu zanieczyszczenia gleby wzrastającymi dawkami kadmu (0, 10, 20, 30 i 40 mg Cd·kg–1 gleby) na plonowanie wybranych
roślin testowych oraz próba złagodzenia tego oddziaływania poprzez aplikację substancji
neutralizujących, takich jak: wapno, kompost, węgiel brunatny i bentonit. Podstawę badań stanowiły doświadczenia wazonowe, w których roślinami testowymi były: łubin żółty,
kukurydza, rzodkiewka i facelia błękitna. Statystyczna analiza uzyskanych wyników dowiodła istnienia korelacji pomiędzy dawkami kadmu a wysokością uzyskanych plonów
roślin, której kierunek był zależny od rodzaju substancji inaktywujących. Obliczony indeks tolerancji najniższy zakres przyjmował w przypadku łubinu (0,02–0,90) i rzodkiewki
(0,05–1,15), nieco wyższy w doświadczeniu z facelią (0,45–1,38), a zdecydowanie najwyższy w doświadczeniu z kukurydzą (0,59–1,77).
Słowa kluczowe: kadm, zanieczyszczenie gleby, substancje neutralizujące, rośliny
WSTĘP
Kadm należy do grupy metali śladowych i charakteryzuje się dużą toksycznością dla
organizmów żywych oraz mobilnością w środowisku przyrodniczym. Pierwiastek ten
może wywierać negatywny wpływ na rozwój enzymów glebowych – dehydrogenaz [Kucharski i in. 2011] oraz stanowić potencjalne źródło zagrożenia dla roślin [Kaszubkiewicz
i Kawałko 2009]. Wiele roślin charakteryzuje się znaczną tolerancją na wysoką zawartość
kadmu w glebie i nie wykazuje wyraźnych objawów toksyczności, co może być związane
m.in. z tworzeniem różnych związków białkowych, tzw. fitochelatyn, które wiążąc ten
metal neutralizują jego fitotoksyczność [Siwek 2008]. Z kolei niektóre gatunki roślin,
już przy lekko podwyższonej zawartości kadmu w podłożu, wykazują objawy choroAdres do korespondencji – Corresponding author: Elżbieta Rolka, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Kształtowania Środowiska i Rolnictwa, Katedra Chemii Środowiska,
pl. Łódzki 4, 10-527 Olsztyn, e-mail: [email protected]
100
E. Rolka
bowe, co może rzutować na obniżenie pozyskiwanych plonów [Ciećko i in. 2000a, b,
Su i Wong 2004]. Fitotoksyczność kadmu może być związana z zakłóceniami procesów
fizjologicznych na skutek zaburzeń w pobieraniu makro- i mikroelementów niezbędnych
do prawidłowego funkcjonowania [Badora i Kozłowska-Strawska 2011]. Jako charakterystyczne objawy toksyczności kadmu wymienia się najczęściej zahamowanie wzrostu,
zaczerwienienie żyłek i chlorozę liści oraz zgrubienie i skrócenie korzeni. Fizjologiczny
efekt nadmiaru kadmu w roślinach może wiązać się z zaburzeniami procesów fotosyntezy, oddychania i transpiracji [Schützendübel i Polle 2002]. To negatywne oddziaływanie
kadmu może być łagodzone poprzez zmianę warunków podłoża, co często wiąże się z inaktywacją tego metalu w glebie. W zmniejszaniu aktywności kadmu dużą rolę odgrywają
odczyn gleb [Ciećko i in. 2000a, b, Young i in. 2000, Basta i in. 2005, Puschenreiter
i in. 2005] oraz zawartość substancji organicznej [Ciećko i in. 2001, Kwiatkowska-Malina i Maciejewska 2009, Gondek 2010]. Zabiegi inaktywacji kadmu nie prowadzą do
zmniejszenia całkowitych jego zawartości w glebie, ale skutecznie ograniczają ryzyko
ekologiczne [Karczewska i Kabała 2010].
Celem przeprowadzonych badań było określenie oddziaływania wzrastających dawek
kadmu na plonowanie łubinu żółtego, kukurydzy, rzodkiewki i facelii błękitnej w warunkach stosowania substancji inaktywujących, takich jak: wapno, kompost, węgiel brunatny i bentonit.
MATERIAŁ I METODY
W czterech doświadczeniach wazonowych uprawiano kukurydzę (odm. Scandia), łubin żółty (odm. Dragon), rzodkiewkę (odm. Saxa) i facelię błękitną (odm. Stala) w warunkach gleby zanieczyszczonej wzrastającymi dawkami kadmu (0, 10, 20, 30 i 40 mg
Cd·kg–1). Kadm został wprowadzony do gleby w postaci wodnego roztworu chlorku kadmu. W celu złagodzenia negatywnego oddziaływania badanego metalu na rośliny zastosowano substancje neutralizujące, takie jak: wapno, kompost, węgiel brunatny i bentonit.
Wapno zastosowano w ilości 1 Hh, kompost i węgiel brunatny w ilości 4% do masy gleby
w wazonie, a bentonit w ilości 4% w doświadczeniu z łubinem żółtym oraz 2% w przypadku kukurydzy, rzodkiewki i facelii. Skład chemiczny użytych materiałów inaktywujących przedstawiono w tabeli 1. Oprócz substancji neutralizujących zastosowano również
nawożenie NPK w dawkach dostosowanych do wymagań pokarmowych wybranych roślin. Wszystkie komponenty (kadm, kompost, węgiel brunatny, bentonit, wapno i nawozy
NPK) zostały dodane do gleby i dokładnie z nią wymieszane, a następnie przeniesione do
odpowiednio oznaczonych wazonów Kick-Brauckamanna tuż przed siewem roślin. Każde z doświadczeń przeprowadzono w hali wegetacyjnej, utrzymując wilgotność gleby na
poziomie 60% pojemności kapilarnej.
W doświadczeniach wykorzystano gleby brunatne, które zostały pobrane z poziomu
orno-próchnicznego i charakteryzowały się składem granulometrycznym piasku słabogliniastego oraz zbliżonymi właściwościami fizykochemicznymi (tab. 2). Zawartość kadmu
w glebach była niska i nie przekraczała standardów ustalonych w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z 9 września 2002 roku [Dz.U. 02.165.1359] dla gleb użytkowanych
rolniczo.
Plonowanie wybranych roślin uprawnych w warunkach zanieczyszczenia gleby kadmem...
101
Tabela 1. Skład chemiczny materiałów użytych do inaktywacji kadmu (formy ogólne)
Table 1. Chemical composition materials used to inactivated cadmium (total forms)
P
K
Mg
Materiał – Material
Ca
Na
Cd
[mg·kg–1 s.m.]
Cd
[mg·kg–1d.m.]
0,39
[mg·g–1 s.m.]
[mg·g–1 d.m.]
Kompost – Compost
2,41
1,58
1,56
16,00
0,14
Węgiel brunatny – Brown coal
0,13
0,19
4,63
31,52
0,25
0,04
Wapno – Lime
0,10
0,77
2,65
347,99
0,07
0,27
Bentonit – Bentonite
0,47
2,43
5,03
26,72
12,11
0,27
Tabela 2. Wybrane właściwości fizykochemiczne gleb użytych do doświadczeń
Table 2. Some physicochemical properties of soil used in experiment
pH
H2O
Kwasowość
hydrolityczna
pH
[cmol(+)·kg–1 s.m.]
KCl
Hydrolitic acidity
[cmol(+)·kg–1 d.m.]
5,86
4,50
Rzodkiewka – Radish
4,65
Facelia – Phacelia
6,07
Rodzaj doświadczenia
Kind of experiment
Łubin żółty – Yellow lupine
Kukurydza – Maize
N ogólny
C org.
N total
P
K
Mg
[g·kg–1 s.m.]
[g·kg–1 d.m.]
formy przyswajalne
[mg·kg–1 s.m.]
available forms
[mg·kg–1 d.m.]
32,57
0,65
5,30
4,90
8,80
3,30
4,07
27,38
0,58
5,62
5,20
9,20
2,93
5,91
19,50
0,61
5,01
5,32
9,45
3,40
Zbioru roślin łubinu żółtego i facelii dokonano w fazie kwitnienia, kukurydzy w początkowej fazie wysuwania wiech, a rzodkiewki w fazie dojrzałości zbiorczej korzenia.
Po zbiorze roślin określono plon świeżej masy nadziemnej i korzeni odrębnie z każdego
wazonu.
Metody obliczeniowe
Na podstawie uzyskanych wyników obliczono indeks tolerancji (Ti), będący wskaźnikiem toksycznej dla roślin zawartości metali ciężkich w glebach [Spiak i in. 2000].
Wartość ta jest stosunkiem ilości plonu uzyskanego na glebie zanieczyszczonej kadmem
do ilości plonu uzyskanego na obiekcie kontrolnym (bez kadmu). Indeks tolerancji (Ti)
może przyjmować wartości mniejsze, równe i większe od jedności. Jeżeli Ti < 1 oznacza
zahamowanie wzrostu roślin, Ti = 1 świadczy o braku wpływu podwyższonej koncentracji kadmu na plonowanie, a Ti > 1 mówi o pozytywnym oddziaływaniu tego pierwiastka
na wzrost i rozwój roślin.
Metody statystyczne
Uzyskane wyniki opracowano statystycznie z uwzględnieniem testu Anova przy poziomie istotności α = 0,05, wykorzystując program Statistica 9,0 [StatSoft 2009]. Współczynnik korelacji r pomiędzy analizowanymi czynnikami obliczono z użyciem programu
Microsoft Excel [Microsoft 2002].
nr 576, 2014
E. Rolka
102
WYNIKI I DYSKUSJA
Wyniki uzyskane w badaniach własnych wskazują na niekorzystny wpływ kadmu na
plon masy nadziemnej łubinu żółtego (tab. 3). Średni plon świeżej masy łubinu był niski
i wynosił od 48,7 g w serii bez dodatków do 60,1 g·wazon–1 w serii z dodatkiem kompostu. Niezależnie od serii doświadczenia wykazano ujemną, a zarazem wysoce istotną
korelację pomiędzy wzrastającymi dawkami kadmu a wielkością masy nadziemnej i korzeni łubinu. Wprowadzenie dodatków inaktywujących kadm wpłynęło na zmniejszenie
redukcji plonu na skutek zanieczyszczenia gleby kadmem. W warunkach skażonego podłoża na poziomie 10 mg Cd·kg–1 gleby najskuteczniej działał kompost, a przy wyższych
dawkach kadmu bentonit.
Tabela 3. Plon świeżej masy nadziemnej i korzeni łubinu żółtego [g św. m.·wazon–1]
Table 3. Yield of fresh aerial parts and roots of yellow lupine [g FM·pot–1]
Dawka kadmu
[mg Cd·kg–1
gleby]
Cd dose
[mg·kg–1 of soil]
Serie doświadczenia – Objects
bez
dodatków
without
amendments
kompost
compost
węgiel
brunatny
brown coal
wapno (CaO)
lime (CaO)
bentonit
bentonite
Średnia
Average
Masa nadziemna – Aerial parts
0
184,3
170,0
155,0
131,8
83,0
144,8
10
46,5
94,8
53,3
69,3
74,3
67,6
20
6,0
19,8
39,0
27,5
50,0
28,5
30
3,5
11,5
31,5
24,0
44,0
22,9
40
3,0
4,3
12,3
14,8
44,8
15,8
Średnia
Average
48,7
60,1
58,2
53,5
59,2
55,9
–0,82**
–0,92**
–0,86**
–0,90**
–0,89**
–0,81**
r
NIRα = 0,05 dla dawek Cd = 3,42; dla dodatków = 3,42; dla interakcji = 7,65
LSDα=0.05 for Cd soil pollution = 3.42; for amendments = 3.42; for interaction = 7.65
Korzenie – Roots
0
13,3
13,5
12,5
12,8
16,8
13,8
10
13,8
9,3
9,0
8,5
15,0
11,1
20
11,1
6,0
6,5
6,0
14,0
8,7
30
8,7
3,0
6,8
6,0
11,5
7,2
40
7,2
1,8
2,5
4,5
13,8
6,0
Średnia
Average
10,8
6,7
7,5
7,6
14,2
9,4
–0,92**
–0,95**
–0,91**
–0,78**
–0,52*
–0,65**
r
NIRα = 0.05 dla dawek Cd = 1,02; dla dodatków = 1,02; dla interakcji = 2,89
LSDα = 0.05 for Cd soil pollution = 1.02; for amendments = 1.02; for interaction = 2.89
* Współczynnik korelacji r istotny dla α = 0,05; ** Współczynnik korelacji r istotny α = 0,01.
* Correlation coefficient r significant for α = 0.05; ** Correlation coefficient r significant for α = 0.01.
103
Średni plon części nadziemnych kukurydzy mieścił się w zakresie od 156,6 g
w obiektach z bentonitem do 313,1 g·wazon–1 w serii z kompostem (tab. 4). W serii
bez dodatków zanieczyszczenie gleby kadmem na poziomie dwóch niższych dawek
skutkowało przyrostem masy nadziemnej kukurydzy. Istotną redukcję plonów w odniesieniu do obiektu kontrolnego tej serii wywołały dopiero dwie najwyższe dawki kadmu
(30 i 40 mg Cd·kg–1 gleby), a redukcję masy korzeni zaobserwowano po zastosowaniu
dawki 10 mg Cd·kg–1 gleby. W badaniach Ciećko i innych [2000b] spadek plonu kukurydzy wykazano już przy dawce równej 10 mg Cd·kg–1 gleby. Badania własne wskazują
na pozytywny wpływ dodatku kompostu na plon masy nadziemnej kukurydzy oraz
ograniczenie redukcji plonu na skutek zanieczyszczenia podłoża kadmem. Obserwacje
Tabela 4. Plon świeżej masy nadziemnej i korzeni kukurydzy [g św. m.·wazon–1]
Table 4. Yield of fresh aerial parts and roots of maize [g FM·pot–1]
Dawka kadmu
[mg Cd·kg–1
gleby]
Cd dose
bez
dodatków
without
amendments
kompost
compost
węgiel
brunatny
brown coal
wapno (CaO)
lime (CaO)
bentonit
bentonite
Średnia
Average
0
315,5
328,5
237,5
284,5
187,5
270,7
10
316,0
345,5
278,0
283,0
151,5
274,8
20
332,0
294,0
258,5
283,0
165,0
266,5
30
303,5
309,5
266,5
207,0
150,0
247,3
40
284,5
288,0
235,5
187,0
129,0
224,8
Średnia
Average
310,3
313,1
255,2
248,9
156,6
256,8
–0,53*
–0,70**
n.i.; n.s.
–0,88**
–0,85**
–0,27*
r
Korzenie – Roots
0
32,0
19,5
35,0
25,0
38,5
30,0
10
19,0
34,5
38,5
34,0
41,5
33,5
20
24,5
21,0
36,5
35,5
40,5
31,6
30
27,5
33,8
35,5
37,5
42,0
35,3
40
39,5
28,5
28,0
34,5
44,0
34,9
Średnia
Average
28,5
27,5
34,7
33,3
41,3
33,1
n.i. – n.s.
n.i. – n.s..
n.i. – n.s.
n.i. – n.s.
n.i. – n.s.
n.i. – n.s.
r
NIRα=0.05 dla dawek Cd = 3,28; dla dodatków = 3,28; dla interakcji = 7,34;
* Współczynnik korelacji r istotny dla α = 0,05; ** Współczynnik korelacji r istotny α = 0,01; n.i. – nieistotny.
* Correlation coefficient r significant for α = 0.05; ** Correlation coefficient r significant for α=0.01; n.s. – not
significant.
nr 576, 2014
E. Rolka
104
te jednak nie znajdują potwierdzenia w analizie statystycznej. Zwiększenie plonu roślin
na skutek dodatku materii organicznej do gleby odnotowali Ciećko i inni [2001] oraz
Krzywy-Gawrońska [2011]. Z kolei dodatek do gleby węgla brunatnego, wapna i bentonitu obniżył plon kukurydzy. Reakcję w postaci obniżenia plonowania kukurydzy na
skutek wapnowania gleby potwierdzają również badania Ciećko i innych [2000b].
Wzrastające zanieczyszczenie gleby kadmem wysoce istotnie oddziaływało na
obniżenie plonu masy nadziemnej rzodkiewki (tab. 5). Najniższy średni plon korzeni
i masy nadziemnej rzodkiewki odnotowano w serii bez dodatków i wynosił on odpowiednio 11,7 i 25,8 g·wazon–1. Najwyższy plon korzeni (108,9 g) odnotowano w serii
z dodatkiem bentonitu, a masy nadziemnej (78,5 g) w serii z kompostem. Na plon korzeni niekorzystny wpływ miały trzy najwyższe dawki kadmu, z kolei dawka w ilości
Tabela 5. Plon świeżej masy nadziemnej i korzeni rzodkiewki [g św. m.·wazon–1]
Table 5. Yield of fresh aerial parts and roots of radish [g FM·pot–1]
Dawka kadmu
[mg Cd·kg–1
gleby]
Cd dose
bez
dodatków
without
amendments
kompost
compost
węgiel
brunatny
brown coal
wapno (CaO)
lime (CaO)
bentonit
bentonite
Średnia
Average
0
66,5
87,5
89,0
83,5
86,0
82,5
10
40,0
77,0
89,5
79,5
87,0
74,6
20
9,5
65,5
78,0
74,5
71,0
59,7
30
8,5
33,0
76,5
55,5
72,5
49,2
40
4,3
22,5
59,5
32,0
71,0
37,9
Średnia
Average
25,8
57,1
78,5
65,0
77,5
60,8
–0,92**
–0,97**
–0,82**
–0,92**
–0,67**
–0,60**
r
NIRα = 0,05 dla dawek Cd = 3,24; dla dodatków = 3,24; dla interakcji = 7,26;
Korzenie – Roots
0
24,5
83,5
88,0
99,5
105,5
80,2
10
25,5
96,0
96,0
106,0
121,0
88,9
20
3,8
80,5
99,0
80,0
116,0
75,9
30
3,5
36,0
85,5
56,5
116,5
59,6
40
1,3
14,0
64,5
23,5
85,5
37,8
Średnia
Average
11,7
62,0
86,6
73,1
108,9
68,5
–0,88**
–0,89**
–0,65**
–0,94**
–0,48*
–0,41**
r
* Współczynnik korelacji r istotny dla α = 0,05; ** Współczynnik korelacji r istotny α = 0,01.
* Correlation coefficient r significant for α = 0.05; ** Correlation coefficient r significant for α = 0.01.
105
10 mg Cd·kg–1 gleby nieznacznie zwiększyła plon korzeni. W wyniku aplikacji do podłoża dodatków inaktywujących obserwowano zwiększenie plonu korzeni i masy nadziemnej rzodkiewki. Badania Kwiatkowskiej-Maliny i Maciejewskiej [2009] potwierdzają pozytywną rolę węgla brunatnego w kształtowaniu plonów rzodkiewki. Ponadto
w badaniach własnych dodatek bentonitu wpływał na zwiększenie plonów rzodkiewki
i zdecydowane zahamowanie tendencji do ich obniżania na skutek rosnących dawek
kadmu.
Aplikacja do gleby wzrastających dawek kadmu istotnie oddziaływała na obniżenie plonu masy nadziemnej facelii (tab. 6). Jednak redukcja plonu masy nadziemnej
i korzeni facelii pod wpływem wzrastających dawek kadmu, w serii bez dodatków, nie
Tabela 6. Plon świeżej masy nadziemnej i korzeni facelii [g św. m.·wazon–1]
Table 6. Yield of fresh aerial parts and roots of phacelia [g FM·pot–1]
Dawka kadmu
[mg Cd·kg–1
bez dodatków
gleby]
without
Cd dose [mg·kg–1
amendments
of soil]
kompost
compost
węgiel
brunatny
brown coal
wapno (CaO)
lime (CaO)
bentonit
bentonite
Średnia
Average
0
268,5
293,3
274,0
288,5
251,0
275,1
10
217,5
282,0
274,0
287,0
250,0
262,1
20
150,8
291,5
257,0
233,5
249,0
236,8
30
123,5
259,5
237,5
224,0
250,0
218,9
40
120,5
236,0
197,0
158,0
248,0
191,9
Średnia
Average
176,2
272,5
247,9
238,2
249,6
237,0
–0,95**
–0,85**
–0,91**
–0,95**
n.i. – n.s.
–0,59**
r
Korzenie – Roots
0
12,3
10
11,0
24,9
15,0
16,8
29,1
19,4
20
9,9
24,0
19,3
15,1
29,3
19,5
30
9,6
22,5
20,0
14,5
30,3
19,4
40
6,1
21,3
9,8
13,9
27,0
15,6
Średnia
Average
9,8
23,7
15,7
16,7
28,9
19,0
–0,83**
–0,70**
n.i. – n.s.
–0,82**
n.i. – n.s.
n.i. – n.s.
r
26,0
14,5
23,0
29,0
21,0
* Współczynnik korelacji r istotny dla α = 0,05; ** Współczynnik korelacji r istotny α = 0,01; n.i. – nieistotny
* Correlation coefficient r significant for α = 0.05; ** Correlation coefficient r significant for α = 0.01; n.s. – not
significant
nr 576, 2014
106
E. Rolka
przekraczała 55% i nie była tak drastyczna jak w przypadku łubinu czy rzodkiewki.
Najniższy średni plon części nadziemnych facelii równy 176,2 g odnotowano w serii
bez dodatków neutralizujących, a najwyższy – 272,5 g·wazon–1 – w serii z kompostem.
Dodatek substancji neutralizujących przyczynił się do istotnego wzrostu średniego plonu masy nadziemnej i korzeni facelii. Pozytywną rolę węgla brunatnego w odniesieniu
do plonów facelii podkreślają również Kwiatkowska-Malina i Maciejewska [2009].
Z kolei Krzywy-Gawrońska [2011] w trzyletnim doświadczeniu polowym wykazała
dodatni wpływ stosowania popiołu z węgla brunatnego na średni plon roślin miskanta
cukrowego. Dodatki inaktywujące zastosowane w doświadczeniu z facelią pozytywnie
wpływały na łagodzenie skutków szkodliwego działania wzrastających dawek kadmu.
Najskuteczniej redukcję plonu masy nadziemnej facelii na tle rosnącego zanieczyszczenia gleby kadmem hamował dodatek bentonitu.
Potwierdzeniem obserwowanych korelacji pomiędzy wysokością uzyskanych
plonów a rozpatrywanymi w badaniach czynnikami jest obliczony indeks tolerancji
(tab. 7). W przypadku roślin łubinu żółtego dla wszystkich obiektów doświadczalnych
indeks ten kształtował się poniżej 1, w przedziale od 0,02 do 0,90, przy czym najniższe
wartości odnotowano w serii bez dodatków (0,02–0,70), a najwyższe w serii z bentonitem (0,53–0,90). Podobnie w przypadku roślin rzodkiewki, dla której indeks ten
w 75% obiektów był niższy od jedności i przybierał wartości od 0,05 do 1,15. Wartości
indeksu tolerancji były również niekorzystne dla roślin facelii, w doświadczeniu tym
78% obiektów to Ti < 1, jednak wartości dla Ti mieściły się w przedziale od 0,45 do
1,38. W doświadczeniu tym również najniższe wartości dla Ti odnotowano w serii bez
dodatków, a najwyższe w serii z węglem brunatnym (0,68–1,38) i bentonitem (0,93–
–1,04). Zdecydowanie najwyższe wartości indeksu tolerancji (0,59–1,77) obliczono dla
roślin kukurydzy, dla których Ti < 1 nie przekraczało 50% obiektów doświadczalnych.
W doświadczeniu tym najwyższe wartości dla Ti uzyskano w obiektach z dodatkiem
kompostu (0,88–1,77).
WNIOSKI
1. W serii bez dodatków aplikacja kadmu do gleby w dawkach równych 20, 30
i 40 mg Cd·kg–1 powodowała wyraźne zmniejszenie plonu masy nadziemnej oraz korzeni
łubinu żółtego i rzodkiewki, a znacznie mniejszy spadek plonu części nadziemnych facelii, który mieścił się w przedziale 44–55% w odniesieniu do kontroli. Redukcja plonów
części użytkowych kukurydzy była powodowana tylko dwiema najwyższymi dawkami
kadmu i nie przekraczała 10%.
2. Zastosowane materiały do inaktywacji kadmu w postaci kompostu, węgla brunatnego, wapna i bentonitu wpłynęły pozytywnie na zwiększenie średniego plonu części
użytkowych łubinu, facelii i rzodkiewki. Z kolei średni plon masy nadziemnej kukurydzy
był pozytywnie stymulowany tylko przez aplikację do gleby kompostu.
3. Dodatki inaktywujące z reguły wpływały na zmniejszenie redukcji plonów roślin
na tle wzrastających dawek kadmu. Bentonit w największym stopniu ograniczał redukcję
plonu masy nadziemnej łubinu żółtego i facelii błękitnej oraz korzeni rzodkiewki, a kompost części nadziemnych kukurydzy.
107
Tabela 7. Indeks tolerancji łubinu żółtego, kukurydzy, rzodkiewki i facelii
Table 7. Tolerance index for yellow lupine, maize, radish and phacelia
węgiel brunatny
brown coal
korzenie
roots
0,70
0,56
0,69
0,34
0,72
0,53
0,66
0,90
0,89
0,03
0,19
0,12
0,44
0,25
0,52
0,21
0,47
0,60
0,83
30
0,02
0,11
0,07
0,22
0,20
0,54
0,18
0,47
0,53
0,68
40
0,02
0,08
0,03
0,13
0,08
0,20
0,11
0,35
0,54
0,82
Średnia
Average
0,08
0,27
0,19
0,37
0,22
0,50
0,26
0,49
0,64
0,81
korzenie
roots
0,25
20
korzenie
roots
10
korzenie
roots
masa nadziemna
above-ground parts
bentonit
bentonite
korzenie
roots
wapno (CaO)
lime (CaO)
masa nadziemna
above-ground parts
masa nadziemna
above-ground parts
kompost
compost
masa nadziemna
above-ground parts
masa nadziemna
above-ground parts
Dawka kadmu
[mg Cd·kg–1
gleby]
Cd dose
[mg·kg–1
of soil]
bez dodatków
without
amendments
Łubin zółty – Yellow lupine
Kukurydza – Maize
10
1,00
0,59
1,05
1,77
1,17
1,10
0,99
1,36
0,81
1,08
20
1,05
0,77
0,89
1,08
1,09
1,04
0,99
1,42
0,88
1,05
30
0,96
0,86
0,94
1,73
1,12
1,01
0,73
1,50
0,80
1,09
40
0,90
1,23
0,88
1,46
0,99
0,80
0,66
1,38
0,69
1,14
Średnia
Average
0,98
0,86
0,94
1,51
1,09
0,99
0,84
1,42
0,79
1,09
10
0,60
1,04
0,88
1,15
1,01
1,09
0,95
1,07
1,01
1,15
20
0,14
0,16
0,75
0,96
0,88
1,13
0,89
0,80
0,83
1,10
30
0,13
0,14
0,38
0,43
0,86
0,97
0,66
0,57
0,84
1,10
40
0,06
0,05
0,26
0,17
0,67
0,73
0,38
0,24
0,83
0,81
Średnia
Average
0,23
0,35
0,57
0,68
0,85
0,98
0,72
0,67
0,88
1,04
10
0,81
0,89
0,96
0,96
1,00
1,03
0,99
0,73
1,00
1,00
20
0,56
0,80
0,99
0,92
0,94
1,33
0,81
0,66
0,99
1,01
30
0,46
0,78
0,88
0,87
0,87
1,38
0,78
0,63
1,00
1,04
40
0,45
0,50
0,80
0,82
0,72
0,68
0,55
0,60
0,99
0,93
Średnia
Average
0,57
0,74
0,91
0,89
0,88
1,11
0,78
0,66
0,99
1,00
Rzodkiewka – Radish
Facelia – Pfacelia
nr 576, 2014
108
E. Rolka
LITERATURA
Badora A., Kozłowska-Strawska J., 2011. Wybrane wskaźniki jakości roślin uprawnych. Ochr.
Środ. i Zasob. Natur. 48, 439–452.
Basta N.T., Ryan J.A., Chaney R.L., 2005. Trace element chemistry in residual-treated soil: Key
concepts and metal bioavailability. J. Environ. Qual. 34, 49–63.
Ciećko Z., Rzoska R., Rolka E., Harnisz M., 2000a. Wpływ zanieczyszczenia gleby kadmem na
plonowanie i skład chemiczny marchwi. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 471(2), 889–894.
Ciećko Z., Wyszkowski M., Żołnowski A., Kozon E., 2000b. Plonowanie i skład chemiczny kukurydzy uprawianej na glebie zanieczyszczonej kadmem. Zesz. Nauk. Kom. „Człowiek
i środowisko” PAN 26, 253–257.
Ciećko Z., Wyszkowski M., Krajewski W., Zabielska J., 2001. Effect of organic matter and liming
on the reduction of cadmium uptake from soil by triticale and spring oilseed rape. Sci.
Total Environ. 281, 37–45.
Gondek K., 2010. Zinc and cadmium accumulation in maize (Zea Mays L.) and the concentration
of mobile forms of these metals in soil after application of farmyard manure and sewage
sludge. J. Elem. 15(4), 639–652.
Karczewska A., Kabała C., 2010. Gleby zanieczyszczone metalami ciężkimi i arsenem na Dol. Śląsku – potrzeby i metody rekultywacji. Zesz. Nauk. UP Wroc. Rol. XCVI, 576, 59–79.
Kaszubkiewicz J., Kawałko D., 2009. Zawartość wybranych metali ciężkich w glebach i roślinach
na terenie powiatu jeleniogórskiego. Ochr. Środ. i Zasob. Natur. 40, 177–189.
Krzywy-Gawrońska E., 2011. Ocena wielkości plonu oraz wartości opałowej miskanta cukrowego
(Miscanthus sacchariflorus) pod wpływem nawożenia kompostem wyprodukowanym
medotą GWDA i wysokowapniowym popiołem z węgla brunatnego. Zesz. Prob. Post.
Nauk Roln. 565, 175–184.
Kucharski J., Wieczorek K., Wyszkowska J., 2011. Aktywność dehydrogenaz w glebach zanieczyszczonych cynkiem, miedzią, niklem i kadmem. Zesz. Prob. Post. Nauk Roln. 567,
139–148.
Kwiatkowska-Malina J., Maciejewska A., 2009. Wpływ materii organicznej na pobieranie metali
ciężkich przez rzodkiewkę i facelię. Ochr. Środ. i Zasob. Natur. 40, 217–223.
Microsoft 2002. Microsoft Excel, www: http://www.microsoft.com (data dostępu: 10.02.2014).
Puschenreiter M., Horak O., Friesl W., Hartl W., 2005. Low-cost agricultural measures to reduce
heavy metal transfer into food chain – a review. Plant, Soil and Environ. 51, 1–11.
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 września 2002 w sprawie standardów jakości gleby
oraz standardów jakości ziemi (Dz.U. Nr 165, poz. 1359).
Schützendübel A., Polle A., 2002. Plant responses to abiotic stresses: heavy metal-induced oxidative stress and protection by micorrhization. J. Exp. Bot. 53, 1351–1365.
Siwek M., 2008. Rośliny w skażonym metalami ciężkimi środowisku poprzemysłowym. Część II.
Mechanizmy detoksykacji i strategie przystosowania roślin do wysokich stężeń metali
ciężkich. Wiad. Bot. 52(3/4), 7–23.
Spiak Z., Romanowska M., Radoła J., 2000. Toksyczna zawartość cynku w glebach dla różnych
gatunków roślin uprawnych. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 471(2), 1125–1134.
StatSoft 2009. Statistica StatSoft Inc., 2009, wersja 9.0, www.statsoft.com.
Su D., Wong J.W.C., 2004. Selection of mustard oilseed rape (Brassica juncea L.) for phytoremediation of cadmium contaminated soil. B. Environ. Contam. Tox. 72, 991–998.
Young D.S., Tye A., Carstensen A., Resende L., Crout N., 2000. Methods for determining labile
cadmium and zinc in soil. Europ. J. Soil Sci. 51(1), 129–136.
THE YIELDS OF SELECTED CROPS ON SOILS CONTAMINATED
BY CADMIUM AND SUPPLIED NEUTRALIZING SUBSTANCES
Summary. The purpose of the study has been to examine the effect of soil contamination
by incremental doses of cadmium on yield of several crops grown in soil ameliorated with
such inactivating substances as lime, compost, brown coal and bentonite. The research
consisted of four pot experiments, in which yellow lupine, maize, radish and blue phacelia.
Cadmium was introduced to soil in the form of aqueous solution of cadmium chlorite, in
doses of 0, 10, 20, 30 and 40 mg Cd·kg–1. Lime was applied in doses corresponding to 1 Hh;
doses of compost and brown coal equaled 4% of the soil mass in a pot, while the amount
of benotnite reached 4% in pots with yellow lupine and 2% in pots with maize, radish and
phacelia. The substrate was composed of brown soil, sampled from the arable and humic
horizon, with the texture of slightly loamy sand. The soil under yellow lupine, maize and
radish was very acid, while that under phacelia was slightly acid in reaction. After harvest,
fresh aerial and roots mass yields were determined for each pot separately. The results were
analyzed statistically with an Anova test at α = 0.05, using the Statistica 9.0 software, while
the r correlation coefficient between the analyzed factors was calculated with a Microsoft
Excel package.
The direction of the correlation between cadmium doses and yields depended on the species of plant ad type of inactivating substance. In a series without neutralizing substances,
the soil contamination with the cadmium doses of 20, 30 and 40 mg Cd·kg–1 had a strong
adverse effect on the yield of yellow lupine aerial parts and the yield of radish roots and
aerial parts, which declined by 84–98% versus the control. The same doses of cadmium
caused much smaller loss of phacelia yields, which ranged between 44 and 55% relative to
the control. In turn, the yield of useful parts of maize was depressed by the highest cadmium
contamination levels, never exceeding 10% compared to the control. Compost, brown coal,
lime or bentonite added to soil to alleviate the effect of cadmium pollution produced positive effects, such as higher average yields of lupine and phacelia aerial organs as well as
radish roots. In the experiment on maize, the mean aerial yield was higher only in the series
with compost. The inactivating substances led to another result, such as smaller yield reductions of all the crops exposed to increasing doses of cadmium in soil. Benotnite was most
effective in reducing yield losses of yellow lupine and blue phacelia aerial mass as well as
radish roots, while compost was best at limiting the yield loss of maize aerial organs.
Key words: cadmium, soil contamination, neutralizing substances, crops
nr 576, 2014
109
nr 576, 2014, 111–119
OCENA ZAWARTOŚCI WITAMIN Z GRUPY B
W OWSIANYCH PRODUKTACH BEZGLUTENOWYCH
Iga Rybicka, Anna Gliszczyńska-Świgło
Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu
Streszczenie. Celem badań było oznaczenie zawartości witamin z grupy B: witaminy B1,
B2, B6 i PP we wszystkich dostępnych w 2013 roku na polskim rynku owsianych produktach bezglutenowych. Materiał doświadczalny stanowiło 7 owsianych produktów bezglutenowych, takich jak mąki i mieszanki do wypieku chleba i ciastek oraz płatki. Produkty
poddano hydrolizie enzymatycznej z użyciem taka-diastazy oraz hydrolizie kwasowej z zastosowaniem kwasu solnego. Zawartość witamin z grupy B oznaczono metodami wysokosprawnej chromatografii cieczowej. Średnia zawartość witamin B1, B2, B6 (jako sumy
pirydoksalu, pirydoksaminy, pirydoksyny) oraz PP we wszystkich produktach wynosiła
odpowiednio 0,184, 0,050, 0,159, 0,544 mg·100 g–1 produktu. Największą zawartość witaminy B1 stwierdzono w płatkach owsianych, a pozostałych witamin w musli owsianym
z owocami. Owsiane produkty bezglutenowe charakteryzowały się zróżnicowaną zawartością witamin B1, B2, B6 i PP. Najbogatszym źródłem analizowanych witamin były płatki
owsiane oraz musli owsiane z owocami.
Słowa kluczowe: produkty bezglutenowe, celiakia, witaminy z grupy B, owies, HPLC
WSTĘP
Badania dotyczące produktów bezglutenowych stanowią przedmiot zainteresowań
nie tylko technologii żywności i medycyny, ale także ekspertów opracowujących rozwiązania legislacyjne w Unii Europejskiej [2011/1169/UE, 2013/609/UE]. To jeden z intensywniej rozwijających się trendów żywieniowych, o czym świadczy coroczny wzrost
wartości rynku produktów ze znakiem przekreślonego kłosa oraz moda na ograniczanie
pszenicy w diecie [Euromonitor 2014, Brouns i in. 2013]. Zgodnie z obowiązującym
w Unii Europejskiej prawem, produktem bezglutenowym jest produkt, w którym zawartość glutenu nie przekracza 20 mg na kilogram produktu [2009/41/WE].
Adres do korespondencji – Corresponding author: Iga Rybicka, Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu, Wydział Towaroznawstwa, Katedra Technologii i Analizy Instrumentalnej, al. Niepodległości 10, 61-875 Poznań, e-mail: [email protected]
112
I. Rybicka, A. Gliszczyńska-Świgło
Produkty bezglutenowe to produkty wykluczające prolaminy: gliadynę, hordeinę
i sekalinę, występujące odpowiednio w pszenicy, jęczmieniu oraz życie. Do niedawna
do tej grupy włączona była także awenina zawarta w owsie, jednakże wyniki licznych
badań klinicznych prowadzonych wśród pacjentów chorujących na celiakię pozwoliły
uznać ją za bezpieczną w terapii choroby trzewnej [Hüttner i Arendt 2010, Kaukinen i in.
2013]. Należy jednak pokreślić, że tylko czysty, niezanieczyszczony pozostałymi zbożami owies może zostać oznaczony symbolem przekreślonego kłosa. W krajach skandynawskich owies jest spożywany przez pacjentów od kilku lat, jednak w Polsce żywność
ta aż do końca 2012 roku nie była oznakowana symbolem przekreślonego kłosa i nie była
dostępna dla chorych [Darewicz i Dziuba 2007].
Zbożowe produkty bezglutenowe realizują 55–65% dziennego zapotrzebowania energetycznego chorego stosującego dietę bezglutenową. Z tego powodu stanowią istotne
źródło składników odżywczych, w tym witamin z grupy B. Niedobory żywieniowe obserwowane u chorych stosujących dietę eliminującą gluten mogą wskazywać, iż spożywane przez nich produkty są mniej wartościowym źródłem niezbędnych składników
odżywczych niż produkty tradycyjne [Barton i in. 2007]. Poszerzanie asortymentu wraz
z kontrolą jakości zdrowotnej zbożowych produktów bezglutenowych jest procesem pożądanym nie tylko z punktu widzenia pacjenta, ale także służby zdrowia i producentów
żywności. Z uwagi na cenne właściwości owsa, włączenie go do diety chorego na celiakię
korzystnie wpłynie na jego zdrowie [Lange 2010].
Dostępne dane literaturowe na temat zawartości witamin w produktach bezglutenowych dostępnych na polskim rynku są niewystarczające oraz nieaktualne, gdyż pochodzą
sprzed kilkunastu lat [Kunachowicz i in. 1995, Kunachowicz i in. 2001]. Od tamtego czasu asortyment produktów bezglutenowych ulega ciągłemu rozszerzaniu, w szczególności
od momentu wejścia Polski do Unii Europejskiej w 2004 roku. Należy również podkreślić, iż wspomniane opracowania dotyczą tylko trzech witamin z grupy B: witaminy B1,
B2 i niacyny, brakuje danych na temat zawartości witaminy B6. Wyniki niniejszych badań
mogą również wskazać na konieczność rozwoju nowych trendów w produkcji zbożowej
żywności bezglutenowej. Dla odpowiadających im produktów tradycyjnego przeznaczenia żywieniowego zaproponowano już rozwiązania polegające na wzbogacaniu żywności
w określone składniki odżywcze lub mieszaniu określonych surowców zbożowych, co
ma wpływać na podniesienie jakości i wartości odżywczej powszechnie spożywanych
produktów zbożowych [Poutanen i in. 2010].
Celem pracy było oznaczenie zawartości witamin z grupy B – witaminy B1 (tiaminy), B2 (ryboflawiny), PP (amidu kwasu nikotynowego) i B6 (pirydoksyny, pirydoksalu
i pirydoksaminy) w owsianych produktach bezglutenowych dostępnych od niedawna na
polskim rynku żywności oznaczonej symbolem przekreślonego kłosa.
MATERIAŁ I METODY
Przedmiotem badań był pełen asortyment owsianych produktów bezglutenowych dostępnych na polskim rynku żywności bezglutenowej w drugiej połowie 2013 roku. Materiał doświadczalny stanowiło siedem owsianych produktów bezglutenowych, takich jak
mąki i mieszanki do wypieku chleba i ciastek oraz płatki – owsiane i musli z owocami.
Ocena zawartości witamin z grupy B w owsianych produktach bezglutenowych
113
Mąka z dodatkiem owsa była mąką kukurydzianą z 10-procentowym dodatkiem owsa.
Musli z owocami w swoim składzie, poza płatkami owsianymi, zawierały także suszone
daktyle, rodzynki, ziarna słonecznika i suszone jabłko. Wszystkie wybrane do analizy
produkty oznaczone były symbolem przekreślonego kłosa.
Zawartość witaminy: B1, B2, PP oraz B6 (pirydoksyny, pirydoksalu i pirydoksaminy) oznaczono metodą wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) po uprzedniej ekstrakcji enzymatycznej i kwasowej. Hydrolizę enzymatyczną prowadzono przez 2
godziny, w temperaturze 50°C, w obecności taka-diastazy, a hydrolizę kwasową z użyciem 0,6 M kwasu solnego w temperaturze 90°C przez godzinę [Vinas i in. 2003]. Do
oznaczeń zawartości ryboflawiny, amidu kwasu nikotynowego oraz pirydoksyny, pirydoksalu i pirydoksaminy wykorzystano kolumnę Nova-Pak C18 (150 × 3,9 mm, 5 μm).
Fazę ruchomą stanowiła mieszanina metanolu i 0,05 M NaH2PO4 zawierającego 0,005
M kwas heksanosulfonowy, pH 3,0 [Gliszczyńska-Świgło i Rybicka 2014]. Tiaminę zawartą w ekstraktach przeprowadzano w pochodną tiochromową za pomocą 1% żelazicyjanku potasu i natychmiast oznaczono ilościowo przy użyciu kolumny LiChrospher C18
(250 × 3,9 mm, 5 μm) [Arella i in. 1996, Ollialainen i in. 1993]. Dla każdego produktu,
pochodzącego z dwóch różnych partii produkcyjnych, wykonano trzy niezależne oznaczenia. W celu weryfikacji dokładności zastosowanych metod oznaczono zawartość witamin B1 oraz B6 w certyfikowanym materiale referencyjnym BCR-121 Wholemeal flour,
uzyskując satysfakcjonujące wyniki na poziomie odpowiednio 89 i 92% deklarowanej
zawartości. Dokładność metody oznaczenia witaminy B2 wyznaczono stosując fortyfikację próbki ryboflawiną. Odzysk tej witaminy wynosił 98%. W badaniach wykorzystano chromatograf cieczowy (typ 600) wyposażony w detektor spektrofotometryczny z
matrycą fototodiodową (typ 996) i skaningowy detektor fluorescencyjny (typ 774) firmy
Waters (Milford, MA, USA).
Analiza statystyczna
Analizę statystyczną uzyskanych wyników przeprowadzono z wykorzystaniem programu Statistica 10.0 (StatSoft 2000). Analiza obejmowała obliczenie wartości średniej
i odchylenia standardowego. W celu porównania wartości średnich przeprowadzono
jednoczynnikową analizę wariancji (ANOVA). Istotność różnic pomiędzy wartościami
średnimi określano za pomocą testu najmniejszych istotnych różnic (NIR) na poziomie
istotności α = 0,05.
WYNIKI I DYSKUSJA
W tabeli 1 przedstawiono wyniki oznaczeń zawartości witamin z grupy B w owsianych produktach bezglutenowych dostępnych na polskim rynku. Na rysunku 1 porównano badane produkty pod względem zawartości poszczególnych witamin.
Spośród analizowanych produktów największą zawartością witaminy B1 charakteryzowały się płatki owsiane oraz mąka owsiana, dostarczając odpowiednio 0,276
±0,010 i 0,251 ±0,019 mg witaminy w 100 g produktu. Najmniej skoncentrowanym
źródłem tiaminy była mąka bezglutenowa z dodatkiem owsa (0,071 ±0,011 mg·100
g) oraz mix owsiany do wypieku czekoladowych muffin (0,049 ±0,011 mg·100 g–1).
nr 576, 2014
114
Tabela 1. Zawartość witamin z grupy B [mg·100 g–1 ±SD] w owsianych produktach bezglutenowych
Table 1. The content of B-group vitamins [mg·100 g–1 ±SD] in oat gluten-free products
Produkt bezglutenowy
Gluten-free product
n
Witamina B1
Vitamin B1
Witamina B2
Vitamin B2
Witamina B6
Vitamin B6
Niacyna
Niacin
Mąka owsiana
Oat flour
6
0,251 ±0,019ab
0,035 ±0,002c
0,096 ±0,006d
0,721 ±0,096b
Mix owsiany do wypieku
chleba
Oat mix for bread
6
0,176 ±0,015c
0,039 ±0,003c
0,121 ±0,010c
0,406 ±0,105cd
Mąka bezglutenowa
z owsem
Gluten-free flour with oat
6
0,071 ±0,011d
0,031 ±0,001c
0,039 ±0,008e
0,314 ±0,041d
Mix owsiany do muffin
czekoladowych
Oat mix for chocolate
muffins
6
0,049 ±0,011d
0,055 ±0,013b
0,167 ±0,006b
0,502 ±0,046c
Płatki owsiane
Oat flakes
6
0,276 ±0,010a
0,040 ±0,004c
0,060 ±0,004e
0,525 ±0,089c
Mix do ciastek owsianych
Mix for oat cookies
6
0,227 ±0,024b
0,064 ±0,007b
0,054 ±0,004e
0,269 ±0,023d
Musli owsiane z owocami
Oat musli with fruits
6
0,233 ±0,009b
0,085 ±0,001a
0,569 ±0,019a
1,084 ±0,103a
n – liczba próbek (3 próbki z 2 opakowań); różna litera w kolumnie oznacza produkty różniące się istotnie.
n – number of samples (3 samples from 2 packages); different letter in a column is for significantly differed
products.
B 1,2
0,2
M
na
O ix o
at
w
m sia
ix
n
fo y d
rb o
re ch
M
ad le
ba
G ąka
lu
te be
n- zg
fre lu
e t. z
M
fo
O ix o
ur ow
at
w
w se
m sia
ith m
ix
n
oa
fo y d
t
rc o
ho cz
co ek
la ol.
M
te
m mu
M ix d
uf ffin
ix
o
fin
fo cia
s
ro
at ste
co k o
ok w
ie sia
s
ny
ch
0,0
M
at
O
Rys. 1.
Fig. 1.
0,6
0,4
0,2
0,0
i
0,4
B6
0,8
m
0,6
B2
1,0
M
O usl
at i o
m w
us sia
li
w ne
ith z
fru ow
its oc
a
0,8
PP
B1
P
O łatk
at i
fla ow
ke sia
s ne
Zawartość witamin z grupy B
The content of B-group vitamins [mg·100 g–1]
1,0
ąk
a
flo ows
ur ia
Zawartość witamin z grupy B
The content of B-group vitamins [mg·100 g–1]
A 1,2
Porównanie owsianych produktów bezglutenowych pod względem zawartości witamin
z grupy B
Comparison of gluten-free oat products in relation to B-vitamin content
115
Mąka bezglutenowa z dodatkiem owsa zawierała tylko 10-procentowy dodatek owsa,
co tłumaczyło niską zawartość tiaminy.
Zawartość witaminy B2 w większości analizowanych produktów zawierała się w przedziale od 0,031 do 0,064 mg·100 g–1 produktu, jedynie płatki musli z owocami zawierały
0,085 ±0,001 mg ryboflawiny w 100 g produktu. Wynikało to ze znacznego udziału owoców (daktyle, rodzynki, ziarna słonecznika, jabłko) w tym produkcie.
Największą ilością witaminy B6 charakteryzowały się płatki musli z owocami (0,569
±0,029 mg·100 g–1), a także mix owsiany do wypieku czekoladowych muffin, (0,167
±0,003 mg·100–1 g) oraz mix owsiany do wypieku chleba (0,121 ±0,010 mg·100 g–1).
Wysoka zawartość witaminy B6 w płatkach musli wynikała głównie z obecności w nich
suszonych owoców. Zawartość poszczególnych form witaminy B6 (pirydoksalu, pirydoksaminy i pirydoksyny) w badanych produktach była zróżnicowana (tab. 2).
Najlepszym źródłem niacyny spośród owsianych produktów bezglutenowych były
płatki musli z owocami, dostarczając 1,084 ±0,103 mg witaminy w 100 g produktu. Podobnie jak w przypadku witaminy B6, wysoka zawartość witaminy PP wynikała głównie z obecności w nich suszonych owoców. Również mąka owsiana, płatki owsiane,
Tabela 2. Zawartość pirydoksalu, pirydoksaminy, pirydoksyny [mg·100 g–1 ±SD] w owsianych
produktach bezglutenowych
Table 2. The content of pyridoxal, pyridoxamine, pyridoxine [mg·100 g–1 ±SD] in oat gluten-free
products
Produkt bezglutenowy
Gluten-free product
n
Pirydoksal
Pyridoxal
Pirydoksamina
Pyridoxamine
Pirydoksyna
Pyridoxine
Witamina B6
– suma
Vitamin B6
– sum
Mąka owsiana
Oat flour
6
0,052 ±0,003b
0,030 ±0,002de
0,014 ±0,002d
0,096 ±0,006d
Mix owsiany do wypieku
chleba
Oat mix for bread
6
0,028 ±0,001c
0,055 ±0,002b
0,038 ±0,003a
0,121 ±0,010c
Mąka bezglutenowa
z owsem
Gluten-free flour with oat
6
0,019 ±0,003cd
0,008 ±0,003f
0,015 ±0,001d
0,039 ±0,008e
Mix owsiany do muffin
czekoladowych
Oat mix for chocolate
muffins
6
0,027 ±0,004cd
0,117 ±0,004a
0,022 ±0,001c
0,167 ±0,006b
Płatki owsiane
Oat flakes
6
0,013 ±0,003d
0,039 ±0,004c
0,012 ±0,002de
0,060 ±0,004e
Mix do ciastek owsianych
Mix for oat cookies
6
0,021 ±0,004cd
0,026 ±0,001e
0,008 ±0,003e
0,054 ±0,004e
Musli owsiane z owocami
Oat musli with fruits
6
0,504 ±0,080a
0,032 ±0,004d
0,033 ±0,003b
0,569 ±0,019a
n – liczba próbek (3 próbki z 2 opakowań); różna litera w kolumnie oznacza produkty, które różnią się
istotnie.
n – number of samples (3 samples from 2 packages); different letter in a column is for significantly differed
products.
nr 576, 2014
116
mix owsiany do wypieku muffin czekoladowych oraz mix owsiany do wypieku chleba
stanowiły cenne źródło tej witaminy, zawierając odpowiednio 0,721 ±0,096 mg, 0,525
±0,089 mg, 0,502 ±0,046 mg, 0,406 ±0,105 mg w 100 g produktu.
Biorąc po uwagę zawartość wszystkich badanych witamin, najcenniejszym ich źródłem okazały się płatki musli z owocami (z uwagi na zawartość w nich suszonych owoców) oraz mąka owsiana. Najmniej badanych witamin zawierała mąka bezglutenowa
z owsem (rys. 1) z uwagi na niewielką zawartość w niej owsa.
Porównując otrzymane wyniki zawartości witamin B1, B2, B6 i PP w owsianych produktach bezglutenowych z zawartością witaminy z grupy B w pozostałych produktach
dozwolonych w diecie bezglutenowej, należy uznać te pierwsze w większości przypadków za cenniejsze źródło tych witamin. Dane literaturowe oraz wyniki badań własnych
wskazują, iż najczęściej wybierane zbożowe produkty bezglutenowe – ryżowe, kukurydziane i gryczane – stanowią w większości mniej skoncentrowane źródło witamin z grupy B niż odpowiadające im owsiane produkty bezglutenowe. Przykładowo, zawartość
witaminy B1, wynosząca w bezglutenowej mące owsianej 0,251 ±0,019 mg·100 g–1, jest
cztero- i trzykrotnie wyższa niż w mące ryżowej (0,061 mg·100 g–1) czy kukurydzianej
(0,075 mg·100 g–1). Jedynie mąka gryczana dostarcza 0,190 mg tiaminy w 100 g produktu [Rybicka i Gliszczyńska-Świgło 2013], jednak jest o 25% uboższym jej źródłem niż
mąka owsiana. Również mieszanki do wypieku chleba i ciastek na bazie owsa są cenniejszym źródłem witamin aniżeli odpowiadające im mieszanki z pozostałych zbóż niezawierających glutenu. Zawartość witaminy B2 w koncentracie chleba bezglutenowego wynosi
średnio 0,034 mg·100 g–1, z kolei chleb ryżowy zawiera jej prawie dwukrotnie mniej
– 0,018 mg·100 g–1 [Kunachowicz i in. 2001]. Dane uzyskane w niniejszych badaniach
wskazują, że mix do wypieku chleba z dodatkiem owsa dostarcza w 100 g produktu 0,039
±0,003 mg ryboflawiny. Także zawartość niacyny w produktach owsianych jest większa
aniżeli w produktach z kukurydzy lub ryżu. Mieszanki do wypieku owsianych ciastek
i czekoladowych muffin zawierają w 100 g produktu 0,269 ±0,023 mg i 0,502 ±0,046 mg
niacyny, podczas gdy ciasta bezglutenowe biszkoptowe i drożdżowe dostarczają średnio
0,008 i 0,029 mg tej witaminy w 100 g [Kunachowicz i in. 2001]. Z uwagi na fakt, iż
najczęściej spożywane bezglutenowe płatki – płatki kukurydziane należą do produktów
wzbogacanych w witaminy podczas procesu technologicznego, zawartość w nich witamin z grupy B jest wielokrotnie wyższa niż witamin naturalnie występujących w płatkach
owsianych [Lebiedzińska i Szefer 2006].
Według Lebiedzińskiej i Szefer [2006], zawartość witaminy B6 w mąkach ryżowej,
kukurydzianej i gryczanej wynosi odpowiednio 0,086, 0,332 i 0,416 mg·100 g–1, co oznacza, że jej zawartość w mące owsianej (0,096 ±0,006 mg·100 g–1) jest porównywalna do
zawartości w mące ryżowej, jednakże trzy- i czterokrotnie niższa niż w mąkach kukurydzianej i gryczanej. Należy jednak zwrócić uwagę, że Lebiedzińska i Szefer wykorzystali
w badaniach metodę mikrobiologiczną, która jest uznawana za mniej dokładną niż metody chromatograficzne [Eitenmiller i in. 2008]. Z kolei Lebiedzińska i Cyman [2007],
wykorzystując metodę HPLC, oznaczyły zawartość witaminy B6 m.in. w płatkach kukurydzianych i ryżowych. Zawartość witaminy B6 oznaczona w płatkach owsianych badanych w niniejszej pracy (0,060 ±0,004 mg·100 g–1) jest porównywalna do zawartości tej
witaminy w płatkach ryżowych (0,047 mg·100 g–1), jednakże zdecydowanie niższa niż
w płatkach kukurydzianych (0,143 mg·100 g–1) [Lebiedzińska i Cyman 2007]. Jedynie
117
płatki musli z owocami, z uwagi na zawartość w nich owoców, można uznać za cenne
źródło witaminy B6 (0,569 ±0,019 mg·100 g–1).
WNIOSKI
1. Owsiane produkty bezglutenowe charakteryzowały się zróżnicowaną zawartością
witamin B1, B2, B6 i PP.
2. Największą zawartością witaminy B1 odznaczały się płatki owsiane, a witamin B2,
B6 i PP – płatki musli z owocami. Te ostatnie mogą zostać uznane za najcenniejsze źródło
witamin z grupy B spośród analizowanych bezglutenowych produktów owsianych, chociaż wysoka zawartość witamin B6 i PP wynika głównie z obecności w nich suszonych
owoców.
3. Na podstawie uzyskanych wyników oraz analizy danych literaturowych można
uznać, że owsiane produkty bezglutenowe są w większości lepszym źródłem witamin
B1, B2 i niacyny niż powszechnie spożywane: kukurydziane, ryżowe i gryczane produkty
bezglutenowe.
LITERATURA
Arella F., Lahély S., Bourguigon J.B., Hasselmann C., 1996. Liquid chromatographic determination of vitamins B1 and B2 in foods. A collaborative study. Food Chem. 56(1), 81–86.
Barton S.H., Kelly D.G., Murray J.A., 2007. Nutritional deficiencies in celiac disease. Gastroenterol. Clin. North Am. 36(1), 93–108.
Brouns F.J.P.H., van Buul V.J., Shewry P.R., 2013. Does wheat make us fat and sick? J. Cereal Sci.
58, 209–215.
Darewicz M., Dziuba J., 2007. Dietozależny charakter enteropatii na przykładzie celiakii. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 1(50), 5–15.
Eintenmiller R.R., Ye L., Landen Jr W.O., 2008. Vitamin B6. W: Vitamin Analysis of Health and
Food Sciences. CRC Press Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2nd edition, 401–442.
Euromonitor International, Gluten-free food. Euromonitor Passport Database 2014, http://www.
portal.euromonitor.com (data dostępu: 05.05.2014).
Gliszczyńska-Świgło A., Rybicka I. Simultaneous Determination of Caffeine and Water-soluble
Vitamins in Energy Drinks by HPLC with Photodiode Array and Fluorescence Detection.
Food Anal. Method DOI 10.1007/s12161-014-9880-0.
Hüttner E.K., Arendt E.K., 2010. Recent advances in gluten-free baking and the current status of
oats. Trends Food Sci. Technol. 21, 303–312.
Kaukinen K., Collin P., Huhtala H., Mäki M., 2013. Long-term consumption of oats in adult celiac
disease patients. Nutrients 11, 4380–4389.
Kunachowicz H. (red.), 1995. Produkty bezglutenowe. Skład i wartość odżywcza, Wydawnictwa
IŻŻ, Warszawa.
Kunachowicz H. (red.), 2001. Dieta bezglutenowa. Co wybrać? Wydawnictwo Lekarskie PZWL,
Warszawa.
Lange E., 2010. Produkty owsiane jako żywność funkcjonalna. Żywność. Nauka. Technologia.
Jakość 3(70), 7–24.
nr 576, 2014
118
Lebiedzińska A., Szefer P., 2006. Vitamins B in grain and cereal-grain food, soy-products and
seeds. Food Chem. 95, 116–122.
Lebiedzińska C., Cyman E., 2007. Fortyfikowane produkty zbożowe źródłem witamin grupy B.
Bromat. Chem. Toksykol. 3, 261–266.
Ollilainen V., Vahteristo L., Uusi-Rauva A., Varo P., Koivistoinen P., Huttunen J., 1993. The
HPLC determination of total thiamin (vitamin B1) in foods. J. Food Comp. Anal. 6(2),
152–165.
Poutanen K., Shepherd R., Shewry P.R., Delcour J.A., Bjorck I., van der Kamp J.W., 2010. More
of the grain: the European HEALTHGRAIN project aims at healthier cereal foods. Cereal
Food World 55, 79–84.
Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 1169/2011 z dnia 25 października 2011 r.
w sprawie przekazywania konsumentom informacji na temat żywnośc, zmiany roporządzeń Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1924/2006i(WE) nr 1925/2006 oraz
uchylenia dyrektywy Komisji 87/250/EWG, dyrektywy Rady 90/496/EWG, dyrektywy
Komisji 1999/10/WE, dyrektywy 2000/13/WE Parlamentu Europejskiego i Rady, dyrektyw Komisji 2002/67/WE i 2008/5/WE oraz rozporządzenia Komisji (WE) nr 608/2004.
Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 609/2013 z dnia 12 czerwca 2013 r.
w sprawie żywności przeznaczonej dla niemowląt i małych dzieci oraz żywności specjalnego przeznaczenia medycznego i środków spożywczych zastępujących codzienną dietę,
do kontroli masy ciała oraz uchylające dyrektywę Rady 92/52/EWG, dyrektywy Komisji 96/8/WE, 1999/21/WE, 2006/141/WE, dyrektywę Parlamentu Europejskiego i Rady
2009/39/WE oraz rozporządzenia Komisji (WE) nr 41/2009 i (WE) nr 953/2009.
Rybicka I., Gliszczyńska-Świgło A., 2013. Zawartość witaminy B1 w wybranych produktach bezglutenowych. Probl. Hig. Epidemiol. 94(3), 642–644.
Vinas P., Lopez-Erroz C., Balsalobre N., Hernandez-Cordoba M., 2003. Reversed-phase liquid
chromatography on a amide stationary phase for the determination of the B group vitamins in baby foods. J. Chromatogr. A. 1007, 77–84.
ASSESSMENT OF B-GROUP VITAMINS IN OAT GLUTEN-FREE PRODUCTS
Summary. Oat gluten-free products are a new category on the Polish market of foods for
particular nutritional use. Oats which was the subject of numerous studies on its safety for
use in the diet of patients with coeliac disease, was introduced on Polish market in 2012.
Results of clinical trials in patients suffering from coeliac disease, indicate the occurrence
of nutritional deficiencies, including deficiencies of B-group vitamins. Due to the fact that
nutritional deficiencies refer both to the patients who do not comply with the recommendations, as well as to those on a gluten free diet, quality assessment of gluten-free food
plays a significant role in the efficient treatment of coeliac disease. Oat products are an
alternative to the commonly consumed cereal gluten-free products. The aim of this study
was to determine the content of B-group vitamins: vitamin B1, B2, B6 and PP in all glutenfree oat products available on the Polish market in 2013. Seven oat gluten-free products:
flours, bread mixes, cookies mixes and flakes were purchased in the local health food stores.
The concentration of B-group vitamins was determined by high performance liquid chromatography (HPLC) after prior enzymatic and acid extraction of sample. The content of
thiamine ranged from 0.049 ±0.011 (oat mix for chocolate muffins) to 0.276 ±0.010 mg in
100 g of product (oat flakes) with a mean of 0.184 mg·100 g–1. The most valuable source
of vitamin B2 was oat musli with fruits (0.085 ±0.001 mg·100 g–1), the least valuable was
gluten-free flour with oat (0.031 ±0.001 mg·100 g–1). The average content of vitamin B6
was 0.158 mg·100 g–1 with the lowest content in gluten-free flour with oat (0.039 ±0.008
mg·100 g–1) and the highest in oat musli with fruits (0.569 ±0.019 mg·100 g–1). The niacin
content in all selected products ranged from 0.269 ±0.023 (mix for oat cookies) to 1.084
±0.103 mg·100 g–1 (oat musli with fruits) with an average content of 0.544 mg in 100 g.
High content of vitamins in oat muesli is a result of fruits content. Tested gluten-free products significantly differed in vitamin B1, B2, B6 and niacin contents. The richest source of
analyzed vitamins were oatmeal and oat muesli with fruits.
Key words: gluten-free products, coeliac disease, vitamin B, oat, HPLC
nr 576, 2014
119
nr 576, 2014, 121–130
BEEF AS A SOURCE OF BIOACTIVE COMPONENTS
Anna Sadowska, Bożena Waszkiewicz-Robak,
Karolina Nowosińska, Justyna Batogowska, Rita Rakowska
Summary. Beef is classified as the most valuable meat in terms of nutritional value.
It contains a number of valuable bioactive substances, preferably affecting the functioning
of the body. It is a rich source of protein, amino acids, bioactive peptides (including
taurine, carnosine, creatine, carnitine) and contains collagen rich with hydroxy acids
(hydroxyproline and hudroksylizyne). Beef is also characterized with a high content of B
vitamins (especially B12 vitamin), minerals including most of all easily digestible iron, zinc
and copper. Moreover, from a nutritional point of view beef fat contains lots of valuable
components, such as conjugated linoleic acid (CLA), significant amounts of fatty acids
from n-3 group and coenzyme Q10. In comparison with meat obtained from other animals
beef derived from animal meat breed is characterized by a low content of intramuscular
fat (2–3%) which is connected with low content of saturated fatty acids. At the same time
according to the latest data consuming too much red meat can pose a risk to health due to
the development of many diseases.
Key words: beef, nutritional value, bioactive components
INTRODUCTION
Till now beef was regarded as a product of low health value due to the presence of saturated fatty acids that are responsible of cholesterol increase in the body. In recent years
these views have changed dramatically, which is associated with a broad introduction to
the market meat with a very low content of intramuscular fat (2–3%) that is derived from
animal meat breed. Recently a lot of attention is paid to the other components of meat
– valuable from nutrition point of view and beef is a rich source of these compounds.
Quantities and relative proportions of bioactive compounds in meat depend on the animal
Corresponding author – Adres do korespondencji: Anna Sadowska, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Nauk o Żywieniu Człowieka i Konsumpcji, Zakład
Żywności Funkcjonalnej i Towaroznawstwa, ul. Nowoursynowska 159c, 02-776 Warszawa,
122
A. Sadowska, B. Waszkiewicz-Robak, K. Nowosińska i inni
species, age, sex, fattening degree, the type of fodder and the parts of the body, from
which the meat comes from. Except of high quality protein content with favorable amino
acid profile, beef is particularly rich in bioactive compounds, such as: taurine, carnosine,
creatine, coenzyme Q10 and creatine [Purchas et al. 2004]. It contains far less appreciated
collagen rich in hydroxy acids, recommended especially for convalescents for the regeneration of cartilage, joints, tendons, and people exposed to heavy joint loads, especially
for athletes. Beef is a high source of B vitamins, especially B12 and minerals, such as iron,
zinc and copper. In addition to the above-mentioned bioactive compounds beef is also
a valuable source of conjugated dienes of linoleic acid (CLA), which in the human body
have many healthy properties such as; prevention of atherosclerosis development, inhibit
the development of osteoporosis, and fatty acids from n-3 group as well as coenzyme Q10
[O’Shea et al. 2005, Decker and Park 2010].
At the same time according to the latest data consuming too much red meat can pose a
risk to health due to the development of many diseases such as the cardiovascular system
diseases and the occurrence of cancer and gout [Gąsiorowska et al. 2008]. An important
aspect tackled in terms of health safety of red meat consumption, including beef, should
be the control of the content of technological contamination formed during heat processing, i.e. compounds which adversely affect human health.
The purpose of this article was to present the nutritional and health-related value of
beef with particular emphasis on the content and significance of bioactive components
such as collagen, B vitamins, minerals, conjugated linoleic acid (CLA), n-3 fatty acid,
taurine, carnosine, L-carnitine, creatine and coenzyme Q10. The article also highlights the
negative impact of excessive consumption of red meat.
PROTEIN
Beef is an excellent source of high quality protein which is characterized by high absorption of approximately 94% (in comparison: beans – 78%, wheat – 86%). 100 g of this
meat provides approximately 20 g of protein. Beef is a rich source of essential amino acids (lysine, threonine, methionine, phenylalanine, tryptophan, leucine, isoleucine, valine),
which the human body is unable to produce. These amino acids must be supplied together
with the diet in order to ensure proper health. Protein present in the meat is a rich source
of glutamic acid and glutamine, whose content reaches 16.5% of protein, furthermore it
also provides large quantities of arginine, alanine and aspartic acid. Meat proteins present
in the animal body depending on their function differ in their amino acid composition and
physicochemical features [Williams 2007, Hryniewiecki and Roszkowski 2008].
Collagen is the main compound of mammals connective tissue and represents about
30% of all proteins present in the human body. This compound has a large impact on
the sensory quality and nutritional value of meat and its products. Collagen as the main
component of connective tissue affects the tenderness of meat, which is one of the most
important attribute of beef. In skeletal muscles of adult cattle collagen content ranges
from 1 to 10% of total protein. Collagen is a special protein, which is rich in glycine (33%
of the total collagen content), proline (10% of the total collagen content) and 4-hydroxyproline (14% of the total collagen content). Collagen does not contain tryptophan. The
Beef as a source of bioactive components
123
content of sulfur aminoacids in collagen is very low. Also, the digestibility of collagen is
smaller as compared to other proteins. Quantitative amino acid composition of collagen
is not constant. It depends on the type of tissue and animal species, age, race and gender
as well as intravital factors [Lepetit 2008, Żelaszczyk et al. 2012].
VITAMINS AND MINERALS
Meat has a high concentration of B vitamins and minerals. Among the meat species
consumed by human, beef stands out higher content of vitamin B12, and minerals such as
iron, zinc and copper (Table 1).
Table 1. The content of vitamins and minerals per 100 g meat [Kunachowicz et al. 2005]
Tabela 1. Zawartość witamin i związków mineralnych w 100 g mięsa [Kunachowicz i in. 2005]
Component
Składnik
Beef
Wołowina
Pork
Wieprzowina
Mutton
Baranina
Poultry
Drób
B2 [mg]
0,26
0,24
0,19
0,15
B12 [μg]
1,4
0,7
1,0
0,4
Fe [mg]
3,1
0,9
2,7
0,4
Cu [mg]
0,1
0,02
0,06
0,01
Zn [mg]
2,93
1,88
3,2
0,49
Mineral content of beef varies due to the breed, age, muscle type, animal diet, geographical location and methods of farming and raw material processing conditions. Beef
is a rich source of iron, zinc and copper. Iron is present in food in two forms: heme and
nonheme. Heme form of iron occurs in meat and animal products. It is distinguished by
higher absorbability (15–25%) than non-hem form (1–7%). The increase of heme iron
absorbability is influenced by the presence of protein in meat [Higgs 2000, Crabera et
al. 2010]. Iron is needed to carry oxygen in the body and is a component of enzymes
involved in cellular metabolism and the body’s immune response and plays a particularly
important role in proper pregnancy [Brzozowska 2012]. Meat is an excellent source of B
vitamins, it provides particularly B1, B2, B6, B12 and PP vitamins. In the case of the above
mentioned vitamins beef is an important source of these ingredients in daily diet, but pork
contains more than five times more B1 vitamin, almost twice more B6 vitamin and a bit
more vitamin B2. However beef has the highest content of B12 vitamin compared with
pork, chicken or lamb. It contains twice more than pork, and over three times more than
poultry [Higgs 2000].
FAT AND FATTY ACIDS
In the 80s of the last century, red meat because of high fat content was seen as the
main factor increasing the risk of heart disease. Taking this into consideration meat producers started developing a new animal breeding techniques in order to reduce fat content
nr 576, 2014
124
in meat obtained from these animals. Due to the meat industry efforts they successfully
reduced more than 30% fat content in pork, 15% fat in beef and 10% fat in mutton. In
subsequent years there were further decreases in fat content by 5–10% related to beef
and mutton. This conversion was achieved by appropriate selection of animals breeds for
slaughter [Higgs 2002]. Beef intramuscular fat contains 45–48% SFA (saturated fatty acids), 35–45% MUFA (monounsaturated fatty acids) and about 5% PUFA (polyunsaturated
fatty acids) [De Smet et al. 2004]. According to Kołczak [2008] in recent years, as a result
of applied technology, it was succeeded in obtaining fat containing lower proportions of
SFA and higher proportion of MUFA in beef meat. These changes are associated with an
increasing of meatness in carcass.
The animal muscles with low intramuscular fat content (< 1%) have very high PUFA/
SFA ratio with amounts from 0.5 to 0.7. This is due to the growth of the total PUFA content, which is associated with a neutral lipid reduction and an increase of phospholipids in
fat. Beside that the PUFA content in beef is still considered to be at low level.
Beef is an excellent source of conjugated diene linoleic acid (CLA), which have a
number of beneficial effects on the body. CLA are composed of the position and geometric isomers of linoleic acid (C18:2). In beef and dairy products the c9, t11-18:2 isomer
(rumenic acid) is dominant (approximately 80% of total CLA). Meat obtained from poligastric animals has a much higher content of CLA compared to monogastric animals. The
main sources of CLA in the human diet is meat and dairy ruminants (Table 2).
Table 2. The content of CLA in food products [mg·g fat–1] [Rainer et al. 2004]
Tabela 2. Zawartość CLA w produktach żywnościowych [mg·g fat–1] [Rainer i in. 2004]
Product
Produkt
CLA content
Zawartość CLA
Beef
Wołowina
Pork
Wieprzowina
Poultry
Drób
Mutton
Baranina
Sunflower oil
Olej
słonecznikowy
Salmon
Łosoś
4,3
0,6
0,9
5,8
0,4
0,3
The fat in beef contains significant amounts of CLA which have health benefits, mainly due to two isomers: c9, t10 and 11t, 12c. CLA affects the inhibition of cancer development in particular breast, lung, gastrointestinal, ovarian, melanoma and leukemia. It has
also been shown that CLA protects against cardiovascular disease – vascular, contribute
to weight loss, affects normal bone mass. It exhibits antioxidant and anti-atherosclerotic
properties, stimulates the immune system and prevents and relieves the symptoms of type
2 diabetes mellitus [De La Torre et al. 2006].
OTHER BIOACTIVE COMPOUNDS
Meat is not only an excellent source of complete protein and easily digestible forms
of vitamins and minerals, but also contains a number of substances that exhibit biological activity and have a positive impact on the functioning of the body. These compounds
include taurine, carnosine, coenzyme Q10, creatine and L-carnitine. The contents of the
125
Table 3. The content of the various bioactive components in selected muscles and organs of cattle
[mg·100 g–1] [Purchas 2004, Purchas and Busboom 2005]
Tabela 3. Zawartość różnych składników bioaktywnych w wybranych mięśniach i narządach wołowych [mg·100 g–1] [Purchas 2004, Purchas i Busboom 2005]
Type of muscles/ograns
Rodzaj mięśni/narządów
Taurine
Tauryna
Carnosine
Karnozyna
Coenzyme Q10
Koenzym Q10
Creatine
Kreatyna
Creatinine
Kreatynina
M. Longissimus dorsi
51,0
432,6
1,44
383,0
–
M. Triceps brachii
103,4
299,1
2,88
329,0
–
M. Semitendinosus
38,6
452,6
2,18
401,0
5,82
Heart – Serce
22,3
32,6
6,05
298,0
2,16
Liver – Wątroba
45,8
77,5
4,6
16,0
0,54
various bioactive components are shown in Table 3 [Purchas et al. 2004, Purchas and
Busboom 2005].
Taurine (2-aminoethanesulfonic acid) is a nonprotein amino sulfuric acid, which is
found widely in mammalian tissues, where it reaches the highest concentration in skeletal
muscle, heart, brain and retina. In muscle taurine is present in free form. Taurine sweeps
free radicals. In the human body acts as a neurotransmitter and neuromodulator, also by
interaction of the ion channels can regulate the concentration of calcium ions and hold
calcium homeostasis. In addition, taurine is involved in the formation of bile acids, and
in body osmoregulation. Currently, taurine is a common additive to energy drinks, supplements for elderly people and to children’s porridges [Wang et al. 2009, Djenane et al.
2002, Szymański and Winiarska 2008].
Carnosine (Nb-alanyl-L-histidine) is an endogenous dipeptide and the main nonprotein nitrogen-containing compound in the skeletal muscles of vertebrates. It occurs in
white muscle fibers, in which the accumulation of lactic acid is increased. This white
muscle fibers appear in central nervous system of mammals, particularly in olfactory
neurons and glial cells [Zięba 2007].
The content of carnosine closely relates to applied diet, because diet low in histidine
leads to a reduction in the concentration of carnosine in muscles, and increased supply
of this amino acid in diet plus an additional supplementation leads to increase the presence of carnosine in muscles. Carnosine is about 0.2–0.5% of striated muscle weight and
its content decreases with age. This dipeptide has a strong antioxidant features, is able
to inactivate peroxyl and hydroxyl radicals, singlet oxygen and chloramine. Carnosine
shows the buffering effect and helps maintain the acid-base balance in the muscle at the
appropriate level. It has the ability to chelate metal ions thereby affect their concentration
while decreasing their toxicity. In addition to that carnosine inhibits lipid peroxidation
[Purchas et al. 2004, Das et al. 2006, Badr 2007].
Coenzyme Q10 (2,3-dimethoxy-5-methyl-6-dekaprenyl-1,4-benzoquinone), otherwise
known as ubiquinone or Q10 vitamin is involved in the mitochondrial electron transport
in the respiratory chain and ATP particles production. It occurs in all cells, improving
mitochondrial activity, in particular in the cells requiring large amounts of energy such
as heart cells. Its content in meat is correlated with the amount of mitochondria in the
muscle. Coenzyme Q10 also helps to regenerate other important lipophilic antioxidant
nr 576, 2014
126
which is α-tocopherol. Ubiquinone in largest quantities is present in beef, chicken and
broccoli, less content is in soybean oil, fish oil, peanuts, sardines and mackerel [Siemieniuk and Skrzydlewska 2005, Shults 2005, Pepe et al. 2007, Miller et al. 2007, Kumar
et al. 2009].
L-carnitine (β-hydroxy-gamma-trójmetyloaminomaślan) is a derivative of lysine
and a component of mammalian tissues. It is synthesised endogenously in the body,
primarily in the kidneys, liver and brain, and is supplied to the body with food. It is
believed that with the diet about 80% of the total content of L-carnitine is provided to the
body. The main function of L-carnitine is to facilitate the active transport of long-chain
fatty acids from the cytosol to the mitochondria, where it then takes part in the process
of β-oxidation and energy production. Too low concentration of this compound may lead
to decrease fatty acid oxidation, neurological disorders, muscular weakness, especially
heart ones. In these physiological conditions and during pregnancy L-carnitine should
be supplied to the body in an increased dose. The main source of this compound in the
diet is red meat, fish and dairy products [Knüttel-Gustavsen and Harmeyer 2007, Rigault
et al. 2008].
Creatine is produced by the biosynthesis of arginine, glycine, and methionine in the
liver, pancreas and kidney. It is located in skeletal muscle tissue, in the heart and central
nervous system. Creatine plays a key role in energy metabolism in skeletal muscle, to
provide the necessary quantity in order to have the intense muscle contractions. Especially in tissues having a high energy transfer to ADP in muscle cells. This compound may
be supplied by the diet. Abundant amount of creatine is in meat and fish. In the body, it is
slowly converted to creatinine by the removal of water and formation of a ring structure,
and then passes into the blood and is excreted in the urine [Purchase 2004, Mora et al.
2008, Mora et al. 2010].
RISK ARISING FROM EXCESSIVE CONSUMPTION OF BEEF MEAT
According to the data presented above beef can be a good source of many important
bioactive compounds in the diet. At the same time according to the latest data consuming
too much red meat can pose a risk to health due to the development of many diseases.
This is especially connected with the appearance of atherosclerotic lesions as a result of
the accumulation of homocysteine in the body and the development of gout as a result
of abnormal changes of purine compounds. Homocysteine has been named as “the cholesterol of twenty-first century”. There is increasing evidence that the common cause of
development of the cardiovascular system diseases and the occurrence of cancer (colon,
breast, prostate) is homocysteine – a little known amino acid formed in the digestion
of animal protein contained mainly in red meat. This compound in the deficiency of B
vitamins reduces the elasticity of blood vessel walls and causes regular deposition of
atheromatous plaques in the veins and arteries. In patients with high concentrations of this
amino acid appears to be almost twice the mortality due to diseases of the cardiovascular
system and cancer [Wieczorek et al. 2004, Sawicki et al. 2007, Gąsiorowska et al. 2008].
Another disease connected with excessive consumption of meat dishes is the development of gout. In recent years there has been a more and more cases of this disease. This
127
is particularly true of highly developed countries. Gout is a disease that occurs due to the
abnormal metabolism of purine compounds, which are present in large quantities in red
meat and seafood. The result of abnormal metabolism of purine compounds is abnormal
increase in the level of uric acid and urate deposition, often accompanied by painful arthritis [Majdan and Borys 2010].
An important aspect tackled in terms of health safety of red meat consumption, including beef, should be the control of the content of technological contamination formed
during heat processing, i.e. compounds which adversely affect human health. The precursors of these compounds may be some bioactive components discussed above, such
as free amino acids (favoring the formation of heterocyclic aromatic amines – HAA) or
fatty acids, especially unsaturated, n-3 fatty acids (polycyclic aromatic hydrocarbons
precursors – PAHs). HAA and PAHs compounds are potentially carcinogenic. Their
formation is largely dependent on the treatment temperature (above 150°C), its type
(smoking, grilling, frying or grilling) and time [Ahn and Grün 2005, Jasna et al. 2008,
Oz et al. 2010].
CONCLUSIONS
Based on the literature data regarding the nutritional value of beef and its bioactive
components it can be stated that:
1. Beef is a source of collagen which is characterized not only by valuable sensory
features of meat but also it has an important role in weight control, as well as it affects
the health of joints.
2. Beef is a valuable resource of B vitamins, especially vitamin B12 and minerals,
such as iron, zinc and copper.
3. Beef meat has a low intramuscular fat content and thus a low content of saturated
fatty acids such as palmitic and myristic acids, which have a positive effect on the increase of LDL cholesterol level in the blood.
4. Beef is a natural source of many bioactive compounds. It is a valuable source of
CLA and n-3 fatty acids in the diet. These compounds have many healthy features in the
human body, for example they prevent the development of atherosclerosis and inhibit
the development of osteoporosis. Beef contain also such bioactive compound as: taurine,
carnosine, L-carnitine, creatine, and coenzyme Q10. These compounds perform a variety
of functions in the body: eliminate free radicals, protect heart muscle against the occurrence of coronary heart disease, as well as they are involved in energy metabolism in
skeletal muscle.
5. An important factor in the health safety of beef is a proper selection of the parameters of its heat treatment to reduce the amount of compounds that are potentially carcinogenic. It should be remembered that HAA precursors are formed from free amino acids
(meat with a long aging time) and PAHs – unsaturated fatty acids.
6. It is important to proper balance the daily diet. On the one hand the usual intake of
red meat should be a good opportunity to provide to the body many bioactive compounds,
but on the other hand it should not contribute to the development of many diseases associated mainly with the excessive consumption of such meat.
nr 576, 2014
128
LITERATURE
Ahn J., Grün I.U., 2005. Heterocyclic amines: 1. Kinetics of formation of polar and non polar heterocyclic amines as function of time and temperature. J. Food Sci. 70(2), 173–179.
Badr H.M., 2007. Antioxidative activity of carnosine in gamma irradied ground beef and beef patties. Food Chem. 104(2), 665–679.
Brzozowska A., 2012. Składniki mineralne. W: Gawęcki J. (red.). Żywienie człowieka. Podstawy
nauki o żywieniu człowieka. T. 1. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 223–267.
Crabera M.C., Ramos A., Saadoun A., Brito G., 2010. Selenium, copper, zinc, iron and manganese
content of seven meats cuts from Hereford and Braford steers fed pasture in Uruguay.
Meat Sci. 84(3), 518–528.
Das A.K., Anjaneyulu A.S.R., Biswas S., 2006. Effect of carnosine preblending on the quality of
ground buffalo meat. Food Chem. 97(3), 531–538.
De La Torre A., Gruffat D., Durand D., Micol D., Peyron A., Scislowski V., Bauchart D., 2006. Factor influencing proportion and composition of CLA in beef. Meat Sci. 73(2), 258–268.
De Smet S., Raes K., Demeyer D., 2004. Meat fatty acid composition as affected by fatness and
genetic factors: A review. Anim. Res. 53, 81–98.
Decker E.A., Park Y., 2010. Healthier meat products as functional foods. Meat Sci. 86(1), 49–55.
Djenane D., Sánchez-Escalante A., Beltrán J., Roncalés P., 2002. Ability of α-tocopherol, taurine
and rosemary, in combination with vitamin C, to increase the oxidative stability of beef
steaks packaged in modified atmosphere. Food Chem. 76(4), 407–415.
Gąsiorowska D., Korzeniowska K., Jabłecka A., 2008. Homocysteina, Farm. Współ. 1, 169–175.
Hryniewiecki L., Roszkowski W., 2008. Białka. In: Gawęcki J., (ed.). Żywienie człowieka. Podstawy nauki o żywieniu człowieka. T. I, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa,
204–222.
Higgs J., 2000. The changing nature of red meat: 20 years of improving nutritional quality. Trends
Food Sci. Tech. 11(3), 85–95.
Higgs J., 2002. The nutritional quality of meat. In: Kerry J., Kerry J., Ledward D. (ed.). Meat
processing – improving quality, Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC,
Boca Raton, 64–103.
Jasna D., Popovic A., Jira W., 2008. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in different types of
smoked meat products from Serbia. Meat Sci. 80, 449–456.
Knüttel-Gustavsen S., Harmeyer J., 2007. The determination of L-carnitine in several food samples. Food Chem. 105(2), 793–804.
Kołczak T., 2008. Jakość wołowiny. Żywność Nauka Technologia Jakość 1(56), 5–22.
Kunachowicz H., Nadolna I., Przygoda B., 2005. Tabele składu i wartości odżywczej żywności.
Wyd. Lekarskie PZWL, Warszawa, 98–99, 106–107, 122–123.
Kumar A., Kaur H., Devi P., Mohan V., 2009. Role of coenzyme Q10 (CoQ10) in cardic disease,
hypertension and Meniere-like syndrome. Pharmacol. Ther. 124(3), 259–268.
Lepetit J., 2008. Collagen contribution to meat toughness: Theoretical aspects. Meat Sci. 80(4),
960–967.
Majdan M., Borys O., 2010. Dna i schorzenia towarzyszące podwyższonemu stężeniu kwasu
moczowego. Rocz. Pomor. Akad. Med. 56, Suppl. 1, 34–39.
Miller T.L., Neri D., Extein J., Somarriba G., Strickman-Stein N., 2007. Nutrition in pediatric cardiomyopathy. Prog. Pediatr. Cardiol. 24(1), 59–71.
Mora L., Sentandreu M.A., Toldrá F., 2008. Contents of creatine, creatinine and carnosine in porcine muscles of different metabolic types. Meat Sci. 79(4), 709–715.
Mora L., Hernández-Cázares A.S., Sentandreu M.A., Toldrá F., 2010. Creatine and creatinine evolution during the processing of dry-cured ham. Meat Sci. 84(3), 384–389.
129
O’Shea M., Van Der Zee M., Mohede I., 2005. CLA Sources and Human Studies. In: Akoh C., Lai
O.-M. (ed.). Healthful Lipids, AOCS Publishing, Urbada, 249–272.
Oz F., Kaban G., Kaya M., 2010. Heterocyclic aromatic amine contents of beef and lamb chops
cooked by different methods to varying levels. J. Anim. Vet. Adv. 9, 1436–1440.
Pepe S., Marasco S.F., Haas S.J., Sheeran F.L., Krum H., Rosenfeldt F.L., 2007. Coenzyme Q10 in
cardiovascular disease. Mitochondrion. Suppl. 7, 154–167.
Purchas R.W., Rutherfurd S.M., Pearce P.D., Vather R., Wilkinson B.H.P., 2004. Concentrations in
beef and lamb of taurine, carnosine, coenzyme Q10 and creatine. Meat Sci. 66(3), 629–
–637.
Purchas R.W., Busboom J.R., 2005. The effect of production system and age on levels of iron,
taurine, carnosine, coenzyme Q10 and creatine in beef muscles and liver. Meat Sci. 70(4),
589–596.
Rigault C., Mazué F., Bernard A., Demarquoy J., Le Borgne F., 2008. Changes in L-carnitine content on fish and meat during domestic cooking. Meat Sci. 78(3), 331–335.
Sawicki R., Musiał W.J., Skibińska E., Lewczuk A., Bachórzewska-Gajewska H., Dobrzycki S.,
2007. Choroba niedokrwienna serca a zespół metaboliczny – korelacja wybranych czynników ryzyka rozwoju miażdżycy z nasileniem zmian w tętnicach wieńcowych. Przegl.
Kardiodiabetol. 2(1), 19–26.
Shults C.W., 2005. Therapeutic role of coenzyme Q10 in Parkinson’s disease. Pharmacol. Ther.
107(1), 120–130.
Siemieniuk E., Skrzydlewska E., 2005. Koenzym Q10 – biosynteza i znaczenie biologiczne w organizmach zwierząt i człowieka. Postępy Higieny Medycyny Doświadczalnej 59, 150–159,
http://phmol.pl/fulltxthtml.php?ICID=15864 (research on-line: 25.01.2014).
Szymański K., Winiarska K., 2008. Tauryna i jej potencjalne wykorzystanie w terapii. Postępy
Higieny Medycyny Doświadczalnej 62, 75–86, http://phmol.pl/fulltxthtml.php?ICID=
834257 (research on-line: 25.01.2014).
Wang L., Zhao N., Zhang F., Yue W., Liang M., 2009. Effect of taurine on leucocyte function. Eur.
J. Pharmacol. 616(1–3), 275–280.
Wieczorek P., Partyka R., Strawa R., Płusa K., 2004. Przydatność oznaczeń homocysteiny w diagnostyce miażdżycy naczyń. Ann. Soc. Stud. Acad. Med. Siles. 30, 71–78.
Williams P.G., 2007. Nutritional composition of red meat. Faculty of Health & Behavioral Sciences
– Papers, University of Wollongong, http://www.google.pl/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s
&source=web&cd=1&ved=0CCUQFjAA&url=http%3A%2F%2Fro.uow.edu.au%2Fcgi
%2Fviewcontent,cgi%3Farticle%3D1053%26context%3Dhbspapers&ei=dz0sVNuCI4a
7ygPzyoLICQ&usg=AFQjCNHu54P3MgUp1ZihT7IRsNYbBmuIEA&bym=bv.764775
89,d.bGQ, (research on-line: 02.06.2014).
Zięba R., 2007. Karnozyna – aktywność biologiczna i perspektywy zastosowania w farmakoterapii.
Wiadomości Lekarskie IX (1–2), 73–79.
Żelaszczyk D., Waszkielewicz A., Marona H., 2012. Kolagen – struktura oraz zastosowanie w kosmetologii i medycynie estetycznej. Estetol. Med. Kosmetol. 2(1), 14–20.
MIĘSO WOŁOWE JAKO ŹRÓDŁO SKŁADNIKÓW BIOAKTYWNYCH
Streszczenie. Mięso wołowe pod względem odżywczym zaliczane jest do najwartościowszych mięs. Mięso to jest źródłem wielu cennych substancji bioaktywnych, korzystnie
oddziałujących na funkcjonowanie organizmu, bogatym źródłem pełnowartościowego
białka, bioaktywnych aminokwasów i peptydów (m.in. tauryny, karnozyny, kreatyny, karnityny) oraz zawiera bogate w hydroksykwasy (hydroksyprolinę i hydroksylizynę) białka
nr 576, 2014
130
kolagenowe. Mięso wołowe charakteryzuje się także wysoką zawartością witamin z grupy
B (głównie witaminy B12), składników mineralnych, w tym przede wszystkim łatwo przyswajalnego żelaza, cynku i miedzi. Ponadto tłuszcz wołowy zawiera wiele cennych, z żywieniowego punktu widzenia, komponentów, takich jak: sprzężony kwas linolowy (CLA),
znaczne ilości kwasów tłuszczowych z rodziny n-3, czy koenzym Q10. Mięso wołowe
pochodzące od zwierząt ras mięsnych cechuje się niską zawartością tłuszczu śródmięśniowego (ok. 2–3%) i z tym związaną niską zawartością kwasów tłuszczowych nasyconych
w porównaniu do mięsa pochodzącego od innych gatunków zwierząt. Jednocześnie według
najnowszych danych spożywanie zbyt dużych ilości mięsa czerwonego może stwarzać zagrożenie dla zdrowia wskutek rozwoju wielu chorób.
Słowa kluczowe: mięso wołowe, wartość odżywcza, składniki bioaktywne mięsa
nr 576, 2014, 131–139
INNOWACYJNE URZĄDZENIE DO APLIKACJI
DOGLEBOWEJ OSADÓW ŚCIEKOWYCH
Feliks Stachowicz1, Witold Niemiec2, Tomasz Trzepieciński3,
Wojciech Ślenzak4
1, 2, 3
Politechnika Rzeszowska
Spółdzielcza Grupa Producentów Roślin Energetycznych „Agroenergia”
w Boguchwale
4
Streszczenie. Osady ściekowe pochodzące z biologicznego oczyszczania ścieków komunalnych obfitują w glebotwórcze substancje organiczne i mineralne składniki nawozowe,
które można wykorzystać do nawożenia plantacji roślin przemysłowych i energetycznych.
W pracy przedstawiono możliwości przyrodniczego wykorzystania osadów ściekowych
oraz nowy opatentowany aplikator do iniekcyjnego dawkowania osadów ściekowych.
Urządzenie umożliwia wprowadzanie do gruntu na żądaną głębokość stałych nawozów
mineralnych i organicznych o konsystencji sypkiej oraz bezzwłoczne ich przykrycie glebą,
co obniża intensywność emisji zapachów do środowiska i ogranicza utratę lotnych składników nawozowych. Badania polowe wykonanego we współpracy z R&D Centre Inventor
w Lublinie prototypu przystawki dawkującej nawóz, zaczepianej na rozrzutniku nawozów,
potwierdziły cechy funkcjonalne zestawu.
Słowa kluczowe: nawożenie, osady ściekowe, rozsiewacz nawozów, wierzba energetyczna
WSTĘP
Komunalne osady ściekowe powstające w oczyszczalniach ścieków mogą być stosowane w rolnictwie w formie przetworzonej i nieprzetworzonej pod warunkiem, że są
ustabilizowane, spełniają wymagania wskaźników sanitarnych, a zawartość metali ciężkich nie przekracza dopuszczalnych norm. Przez komunalne osady ściekowe rozumie się
Adres do korespondencji – Corresponding author: Feliks Stachowicz, Politechnika Rzeszowska,
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Przeróbki Plastycznej, al. Powstańców Warszawy 8, 35-959 Rzeszów, e-mail: [email protected]
F. Stachowicz, W. Niemiec, T. Trzepieciński, W. Ślenzak
132
Udział – Participation [%]
pochodzący z oczyszczalni ścieków osad powstały w komorach fermentacyjnych oraz
innych instalacjach do oczyszczania ścieków komunalnych oraz ścieków o składzie zbliżonym do składu ścieków komunalnych [Ustawa 2012]. Powstawanie dużej ilości osadów ściekowych związane jest nieodłącznie z procesem oczyszczania ścieków. Według
danych GUS [Ochrona Środowiska 2010], szacuje się, że w Polsce corocznie powstaje
około 1 mln ton osadów ściekowych, które stanowią 1÷2% objętości oczyszczanych ścieków i zawierają ponad połowę całego ładunku zanieczyszczeń docierających do oczyszczalni w ściekach surowych. Komunalne osady ściekowe mogą być stosowane na gruntach, których odczyn jest wyższy niż pH 5÷6, a zawartość w osadzie metali ciężkich nie
przekracza ilości określonych w Rozporządzeniu Ministra Środowiska [2010]. W ostatnich latach maleje zawartość metali ciężkich w osadach, które są usuwane ze ścieków
przemysłowych przed ich wprowadzeniem do kanalizacji. Gospodarcze wykorzystanie
osadów ściekowych pochodzących z komunalnych oczyszczalni ścieków i z przemysłu
spożywczego do nawożenia gleb jest uważane za najbardziej ekonomiczny sposób ich
utylizacji.
Proces nawożenia gleby osadami ściekowymi o konsystencji sypkiego wilgotnego
ciała stałego może być realizowany powierzchniowo za pomocą uniwersalnych rozrzutników przeznaczonych do rozsiewu nawozów granulowanych lub rozrzutników obornika. Niedogodnością takiej metody nawożenia (szczególnie w przypadku osadów ściekowych) są uciążliwe efekty zapachowe i utrata lotnych składników nawozowych.
Osady ściekowe są poddawane odpowiednim zabiegom technologicznym takim jak
wapnowanie, kompostowanie, hydrofitowe odwadnianie, mineralizacja i suszenie po to,
aby spełniały określone normy związane z ich wykorzystaniem lub składowaniem [Szwedziak 2006, Ślizowski 2002]. Spośród wszystkich sposobów sanitacji i stabilizacji biologicznej kompostowanie masy organicznej jest najprostsze i najtańsze. Przewidywany
udział procentowy metod unieszkodliwiania osadów ściekowych w Polsce w stosunku do
2010 roku przedstawiono na rysunku 1. Z publikowanych prognoz wynika, że w Polsce
Rys. 1.
Fig. 1.
unieszkodliwianie
termiczne/thermal
disposal
kompostowanie/
/composting
wykorzystanie rolnicze/
/agricultural utilization
stosowane do rekultywacji/
/used for reclamation
Lata – Years
Przewidywana struktura zagospodarowania osadów ściekowych w Polsce [Krajowy Plan
Gospodarki Odpadami 2010]
Forecast structure of sewage sludge management in Poland [Krajowy Plan Gospodarki
Odpadami 2010]
Innowacyjne urządzenie do aplikacji doglebowej osadów ściekowych
133
istnieje tendencja wzrostowa w zakresie masy osadów ściekowych wytwarzanych w komunalnych oczyszczalniach ścieków. Na terenach oczyszczalni w 2007 roku składowano
blisko 800 tysięcy ton suchej masy starych osadów, a dodatkowo każdego roku średnio
około 30% osadów nadal składuje się poza terenem oczyszczalni [Krajowy Plan Gospodarki Odpadami 2014].
Wykorzystanie przedstawionego urządzenia umożliwia zwiększenie udziału rolniczego wykorzystania osadów ściekowych poprzez iniekcyjne nawożenie plantacji roślin
energetycznych oraz roślin przeznaczonych do celów przemysłowych. Opatentowane
urządzenie umożliwia wprowadzanie do gruntu na głębokość 0,05÷0,25 m stałych nawozów mineralnych i organicznych o konsystencji sypkiej. Ponadto osady ze ścieków
komunalnych, z oczyszczalni wiejskich, ze ścieków przemysłu rolno-spożywczego są
bogatym źródłem składników pokarmowych dla roślin oraz wykazują bardzo skuteczne
oddziaływanie glebotwórcze, a wprowadzone do wierzchnich warstw gruntu nadają tej
warstwie biologiczną aktywność, właściwą dla gleb urodzajnych [Szwedziak i Woźniak
2005]. Istniejące na rynku rozrzutniki nawozów nie zapewniają bezzwłocznego przykrycia nawozu glebą, co jest cechą charakterystyczną urządzenia do iniekcyjnego dawkowania nawozów.
PRZYRODNICZE WYKORZYSTANIE OSADÓW ŚCIEKOWYCH
Odpowiednie nawozowe wykorzystanie ścieków i komunalnych osadów ściekowych
daje gwarancję bezpieczeństwa środowiska oraz zdrowia ludzi i zwierząt. Ścieki oraz
osady ściekowe muszą być poddane wstępnej przeróbce przed ich zastosowaniem na
plantacjach roślin energetycznych. W Unii Europejskiej ich rolnicze zastosowanie jest
regulowane dyrektywą azotanową [Dyrektywa 1991], dyrektywą dotyczącą osadów
ściekowych [Dyrektywa 1986] i odpowiednimi przepisami krajowymi [Rozporządzenie
2010, Ustawa 2012]. Obecnie trwają prace nad dokumentem znacznie zaostrzającym dopuszczalny poziom zawartości metali ciężkich w osadach, co w długofalowym okresie
może spowodować ograniczenie ich rolniczego wykorzystania. Zakaz możliwości składowania osadów ściekowych po 1 stycznia 2013 roku [Gromiec i Gromiec 2010] zmusza do poszukiwania nowych sposobów ich zagospodarowania. Jedną z metod utylizacji,
wykorzystującą własności nawozowe osadów, jest ich przyrodnicze, m.in. rolnicze użytkowanie. Pod pojęciem przyrodniczego użytkowania osadów ściekowych rozumie się
stosowanie tych osadów do nawożenia gleb i roślin, rekultywacji gleb zdegradowanych,
utrwalania bezglebowych gruntów narażonych na erozyjne działanie wody i wiatru, produkcji kompostu na wyżej wymienione cele oraz do uprawy roślin nieprzeznaczonych do
spożycia i produkcji pasz.
W Polsce występuje znaczący odsetek gleb niskich klas bonitacyjnych, w takiej sytuacji
oprawa ich właściwości poprzez wykorzystanie osadów ściekowych wydaje się być uzasadniona [Rocznik Statystyczny Rolnictwa 2012]. Osady ściekowe wpływają na właściwości chemiczne i fizykochemiczne gleby oraz plonowanie uprawianych roślin [Szmigiel
2010]. Rolnicze wykorzystanie osadów ściekowych jest ograniczone przez zawartość substancji toksycznych, z których najważniejszymi są metale ciężkie oraz obecność wirusów
i bakterii. Osady ściekowe można także wykorzystać do upraw leśnych i rolniczych w celu
nr 576, 2014
134
produkcji drewna i sadzonek. Szybko rosnące rośliny energetyczne o dużej dynamice wzrostu i wysokiej produktywności mogą być uprawiane na osadowych i osadowo-gruntowych
podłożach zawierających nadmierne ilości metali ciężkich. Niekonsumpcyjne i niepaszowe
przeznaczenie tych roślin sprawia, że zawartość metali ciężkich oraz zawartość składników
mineralnych (azot, fosfor, potas) nie ma znaczenia dla użytkowej wartości plonów. W intensywnej uprawie topoli i wierzby może być stosowany osad:
– płynny – do ciągłego zasilania roślin w składniki pokarmowe i wodę,
– ziemisty – do użyźniania wierzchniej warstwy gleby lub rekultywowanego terenu,
– osad mazisty – do ukształtowania warstwy pokrywającej grunt mineralny.
W przypadku nawożenia osadami ściekowymi roślin wierzby energetycznej, z reguły
wielkości przyrostów są proporcjonalne do zastosowanej dawki osadu. Przyrodnicze wykorzystanie osadów ściekowych jest tanim sposobem ich zagospodarowania i umożliwia
wzbogacenie warstwy humusowej gleby o substancje zawarte w osadach. Tradycyjne
nawożenie mineralne może być z powodzeniem wspomagane lub nawet zastępowane
spełniającym normy sanitarne osadem ściekowym [Kołodziej i in. 2010].
URZĄDZENIE DO INIEKCYJNEGO DAWKOWANIA NAWOZÓW STAŁYCH
Wieloletnie rośliny energetyczne (o różnej budowie oraz różnych systemach korzeniowych) do prawidłowego rozwoju potrzebują odpowiedniej ilości składników pokarmowych, których w wystarczającej ilości na dłuższy okres podczas zakładania plantacji nie
można dostarczyć do gleby [Niemiec i in. 2011, Niemiec i in. 2012a]. Plantacje roślin energetycznych w trakcie eksploatacji nawożone są powierzchniowo sztucznymi nawozami
mineralnymi przy użyciu powszechnie znanych specjalistycznych maszyn zwanych rozsiewaczami nawozów. Efektywność wzbogacania pokarmowego plantacji uzależniona jest od
właściwego dawkowania nawozów, głębokości nawożenia oraz bezzwłocznego przykrycia
nawozu glebą, czego nie zapewniają wymienione rozsiewacze nawozów. Stosowanie do
zasilania nawozami wieloletnich plantacji dotychczas znanymi urządzeniami nie gwarantuje optymalnego wykonania tego zabiegu, zwłaszcza w zakresie wprowadzenia nawozu
stałego na odpowiednią głębokość oraz jego przykrycia warstwą gleby. Proces ten nabiera
szczególnego znaczenia w związku z wykorzystywaniem do nawożenia odpowiednio przygotowanego osadu komunalnego z oczyszczalni ścieków, którego zastosowanie jest warunkowane bezzwłocznym przykryciem glebą [Rozporządzenie 2010, Ustawa 2012].
Opracowane urządzenie (rys. 2) według patentu PL 382062 [Niemiec 2008] służy
do iniekcyjnego dawkowania nawozów, w szczególności osadów ściekowych, i wchodzi
w skład parku maszyn opracowywanych w Politechnice Rzeszowskiej w ramach rozwoju technologii zakładania plantacji oraz zbioru i przetwarzania biomasy [Niemiec i in.
2012b, Stachowicz i in. 2013]. Zaletą urządzenia jest wprowadzanie do gruntu na żądaną
głębokość stałych nawozów mineralnych i organicznych o konsystencji sypkiej z równoczesnym ich przykryciem glebą, co obniża intensywność odorową i ogranicza utratę
lotnych składników nawozowych. Nawóz dostarczany jest w pobliże masy korzeniowej
bez jej uszkodzenia, co ułatwia przyswajanie składników pokarmowych przez rośliny.
Nie można pominąć faktu realizacji w jednym zabiegu nawożenia i transportu nawozu,
jego wprowadzenia na odpowiednią głębokość i przykrycia warstwą gleby [Niemiec i in.
135
Rys. 2.
Urządzenie do iniekcyjnego dawkowania do gleby sypkich nawozów organicznych
i mineralnych, patent PL 382062 [Niemiec 2008] – widok z tyłu (a) oraz z boku (b);
1 – rozrzutnik nawozów, 2 – rama nośna, 3 – belka, 4 – krój, 5 – obsypnik talerzowy, 6 – cylindryczna obudowa ślimaka, 7 – podajnik ślimakowy, 8 – komora zasypowa, 9 – silnik hydrauliczny, 10 – siłownik hydrauliczny, 11 – ramiona, 12 – nawóz,
13 – koło zębate stożkowe
Fig. 2.
Device for injection dosage into soil of loose organic and mineral fertilizers, patent PL
382062 [Niemiec 2008] – the back view (a) and one of the side view (b); 1 – fertilizer
spreader, 2 – base frame, 3 – beam, 4 – disk coulter, 5 – ridging plough, 6 – cylindrical
housing of worm, 7 – feeding screw, 8 – loading chamber, 9 – hydraulic engine, 10 – hydraulic cylinder, 11 – arms, 12 – fertilizer, 13 – bevel gear
2013]. Urządzenie (rys. 2) jako odrębny moduł może być mocowane do typowych, aktualnie stosowanych rozrzutników nawozów, bez konieczności ich znacznego specjalistycznego dostosowywania. Koncepcja zakłada, że urządzenie jest zaczepiane do rozrzutnika
obornika i posiada hydrauliczny system ustalający jego położenie robocze względem podłoża. Urządzenie jest wyposażone w trzy sekcje dawkujące iniekcyjnie nawóz w rozstawie
narzędzi 0,7 m odpowiadającym typowemu systemowi sadzenia wierzby energetycznej.
Prototyp urządzenia do iniekcyjnego dawkowania do gleby sypkich nawozów organicznych i mineralnych (rys. 3) wykonano w ramach współpracy Politechniki Rzeszowskiej oraz SGPRE „Agroenergia” Boguchwała z R&D Centre Inventor Sp. z o.o. Lublin.
Urządzenie mocowane jest do rozrzutnika nawozów (1) i posiada zamocowane do ramy
nośnej (2) kroje tarczowe (4), za którymi są usytuowane obsypniki talerzowe (5). Z ramą
przystawki sprzężone są cylindryczne obudowy (6) z pracującymi wewnątrz podajnikami
ślimakowymi (7). Podajniki ślimakowe posiadają w górnej części, ponad strefą roboczą,
koła zębate stożkowe odbierające poprzez reduktor napęd z silnika hydraulicznego (10).
Każdy z trzech podajników ślimakowych może być alternatywnie indywidualnie wyposażony w silnik hydrauliczny zasilany z układu hydraulicznego ciągnika. Belki z krojami
stanowią teleskopowo połączone elementy, których położenie względem siebie jest ustalone skokowo poprzez blokadę mechaniczną. Położenie krojów względem belek może być
ustalane bezstopniowo poprzez układ hydrauliczny. Do ustawienia urządzenia w pozycję
transportową służą ramiona (12) sprzężone z siłownikiem hydraulicznym (11). Głębokość rowków do zasypywania nawozem ustalana jest przez zmianę położenia krojów oraz
obsypników talerzowych względem podłoża. W czasie pracy masa nawozu w komorze
transportowej rozrzutnika jest przesuwana w kierunku przestrzeni zasypowej za pomocą
nr 576, 2014
136
Rys. 3.
Fig. 3.
Rys. 4.
Fig. 4.
Prototyp urządzenia do iniekcyjnego dawkowania do gleby sypkich nawozów organicznych i mineralnych wykonana przez R&D Centre Inventor sp. z o.o. (Lublin) – widok
z boku (a) oraz z tyłu (b); 1 – rozrzutnik nawozów, 2 – rama nośna, 3 – belka, 4 – krój
tarczowy, 5 – obsypnik talerzowy, 6 – cylindryczna obudowa ślimaka, 7 – podajnik ślimakowy, 8 – komora zasypowa, 9 – silnik hydrauliczny, 10 – siłownik hydrauliczny,
11 – ramiona, 12 – nawóz
Prototype of device for injection dosage into soil of loose organic and mineral fertilizers
built by R&D Centre Inventor Ltd. (Lublin) – one of the side view (a) and the back view
(b); 1 – fertilizer spreader, 2 – base frame, 3 – beam, 4 – disk coulter, 5 – ridging plough,
6 – cylindrical housing of worm, 7 – feeding screw, 8 – loading chamber, 9 – hydraulic
engine, 10 – hydraulic cylinder, 11 – arms, 12 – fertilizer
Dawkowanie osadu ściekowego do gleby
Dosage of sewage sludge into the soil
przenośnika podłogowego. Z przestrzeni zasypowej nawóz podawany jest podajnikami
ślimakowymi do wykonanych przez kroje rowków w glebie. Wypełnione osadem ściekowym rowki są zasypywane usytuowanymi za krojami talerzowymi obsypnikami (rys. 4).
137
PODSUMOWANIE
Powiększające się areały upraw roślin przemysłowych i energetycznych zagrażają
tradycyjnym uprawom przeznaczonym do produkcji żywności. Jednym ze sposobów
zwiększenia areałów roślin energetycznych jest zagospodarowanie wzrastającej ilości
gruntów odłogowanych, nieużytków, terenów zdegradowanych lub terenów do tej pory
nieeksploatowanych rolniczo, co związane jest z możliwością wykorzystania do nawożenia osadów ściekowych. Osady pochodzące z procesu biologicznego oczyszczania ścieków wymagają stabilizacji i higienizacji. Tak przygotowany osad zastosowany
jako nawóz nie stanowi dla gleby zagrożenia sanitarnego. Ryzyko sanitarne płynące
ze stosowania osadów ściekowych na plantacjach roślin energetycznych jest małe ze
względu na przemysłowe wykorzystanie biomasy i wyłączenie patogenów z obiegu
troficznego człowieka i zwierząt. Prezentowane innowacyjne urządzenie do iniekcyjnego dawkowania nawozów organicznych zapewnia spełnienie wymagań prawnych
i technologicznych rolniczego wykorzystania odpadów komunalnych oraz wymogi
ustawy o transporcie drogowym [Ustawa 2001]. Wykorzystywanie komunalnych osadów ściekowych do produkcji roślin energetycznych może być przykładem wdrożenia
do praktyki polityki UE określanej jako pakiet 3 × 20%. Zakłada on do 2020 roku redukcję emisji gazów cieplarnianych o 20% przy jednoczesnym wzroście efektywności
energetycznej o 20% oraz udziale odnawialnych źródeł energii w ogólnej produkcji
energii na poziomie 20%.
LITERATURA
Dyrektywa Rady (86/278/EWG) z dnia 12 czerwca 1986 r. w sprawie ochrony środowiska, w szczególności gleby, w przypadku wykorzystywania osadów ściekowych w rolnictwie (Dz.U.
L 181 z 4.7.1986).
Dyrektywa Rady (91/676/EWG) z dnia 12 grudnia 1991 r. dotycząca ochrony wód przed zanieczyszczeniami powodowanymi przez azotany pochodzenia rolniczego (Dz.U. L 375
z 31.12.1991).
Gromiec M.J., Gromiec T.M., 2010. Podstawy strategii zagospodarowania komunalnych osadów
ściekowych w Polsce. W: Z. Heindrich (red.) Kierunki przeróbki i zagospodarowania
osadów ściekowych. Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa, 7–14.
Kołodziej B., Wiśniewski J., Bielińska E., 2010. Wpływ stosowania osadu ściekowego w uprawie topinamburu na cele energetyczne. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych
556, 407–413.
Krajowy Plan Gospodarki Odpadami 2010. Załącznik do uchwały Rady Ministrów Nr 233 z dnia
29 grudnia 2006 r.
Krajowy Plan Gospodarki Odpadami 2014. Projekt z dnia 3 listopada 2010, Warszawa.
Niemiec W., 2008. Urządzenie do iniekcyjnego dawkowania do gleby sypkich nawozów organicznych i mineralnych. Politechnika Rzeszowska. Rzeszów. Polska. Opis patentowy,
214031. Zgłosz. P. 382062 z 26.03.2007. Opubl. 29.09.2008.
Niemiec W., Stachowicz F., Szewczyk M., Trzepieciński T., 2011. Technological progress in production, logging and processing of the biomass. SSP – Journal of Civil Engineering 6(2),
85–92.
nr 576, 2014
138
Niemiec W., Stachowicz F., Szewczyk M., Trzepieciński T., 2012a. Production technology and
management of energetic plants with lignified shoots. Econtechmod: An International
Quaterly Journal on Economics of Technology and Modelling Processes 1(2), 31–34.
Niemiec W., Stachowicz F., Szewczyk M., Trzepieciński T., 2012b. Technologia wykorzystania
biomasy w gospodarstwach małoobszarowych. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Budownictwo i Inżynieria Środowiska 59, 493–500.
Niemiec W., Stachowicz F., Trzepieciński T., 2013. Method of fertilization of energy willow plantation using sewage sludge. Journal of Ecological Engineering 14(1), 12–16.
Ochrona środowiska 2010. Informacje i opracowania statystyczne. Główny Urząd Statystyczny,
Warszawa.
Rocznik Statystyczny Rolnictwa 2012. Główny Urząd Statystyczny, Warszawa.
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 13 lipca 2010 r. w sprawie komunalnych osadów ściekowych (Dz.U. z 2010 r. nr 137, poz. 924).
Stachowicz F., Niemiec W., Trzepieciński T., 2013. Technology of sewage sludges management in
production of energy willow. Scientific Bulletin Serie C, Fascicle: Mechanics, Machine
Manufacturing Technology 10, 152–154.
Szmigiel A., 2010.Wpływ nawożenia osadami ściekowymi na plonowanie wierzby energetycznej.
Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 549, 197–205.
Szwedziak K., 2006. Charakterystyka osadów ściekowych i rolnicze wykorzystanie. Inżynieria
Rolnicza 79(4), 297–302.
Szwedziak K., Woźniak A., 2005. Wpływ nawożenia osadem czynnym na przyrost biomasy grochu
(Pisum sativum). Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich 2, 113–119.
Ślizowski R., 2002. Osady ściekowe, ich stabilizacja i wykorzystanie w rolnictwie. Inżynieria Rolnicza 36(3), 151–161.
Ustawa z dnia 6 września 2001 r. o transporcie drogowym (Dz.U. z 2001 r. nr 125, poz. 1371).
Ustawa 2012. Ustawa z dnia 14 grudnia 2012 r. o odpadach (Dz.U. z 2013 r. poz. 21).
AN INNOVATIVE DEVICE FOR SOIL APPLICATION OF SEWAGE SLUDGE
Summary. Growth of the areas of industrial and energy crops threatens traditional
cultivation destined for food production. One of the ways to increase the areas of energy
crops is the development of an increasing number of set-aside land, wasteland, degraded
land or areas so far not used for agricultural purposes, which is related to the potential
use of sewage sludge for fertilization. Sludge from biological sewage treatment process
requires stabilization and hygienisation. The prepared sludge used as a fertilizer for the
soil does not constitute health-risks. Health-risk arising from the use of sewage sludge
on energy plants plantations is small due to the industrial use of biomass and exclusion
of pathogens from the trophic circulation of humans and animals. Use of the presented
device can increase the share of participation of agricultural usage of sewage sludge
by injecting fertilization of energy plant plantations and plants destined for industrial
purposes. Sewage sludge can also be used to forest and agricultural crops for the
production of wood and cuttings. Fast-growing energy plants with high growth dynamics
and high productivity can be cultivated on sedimentary and sedimentary-ground floors
containing excessive amounts of heavy metals. The fertilizer is supplied to the vicinity
of the root mass without damaging it, which facilitates the absorption of nutrients by
plants. The concept assumes that the device is fastened to the manure spreader and has
a hydraulic system laying its operating position in relation to the ground. The device
is fastened to the fertilizer distributor and has the disc coulters mounted to a carrying
frame. With attachment frame are coupled cylindrical housings with working inside
the worm feeders. Feeding screws have, in the upper part, above the work area bevel
gears propelled with a hydraulic motor drive. The device is equipped with three injection
dosing sections of fertilizer with spacing of 0.7 m corresponding to a typical system of
willow planting. Developed device according to patent PL 382062 is used for injection
dosage of fertilizers, especially sewage sludge, and is a part of the stock of machines
developed in Rzeszów University of Technology within a framework of the development
of technology, plantation establishment, harvesting and processing of biomass.
Key words: fertilization, sewage sludge, fertilizer distributor, energy willow
nr 576, 2014
139
nr 576, 2014, 141–150
WPŁYW SPOSOBU NAWOŻENIA AZOTEM
NA JAKOŚĆ ZIARNA PSZENŻYTA JAREGO
ODMIANY MILEWO.
CZĘŚĆ I – ZAWARTOŚĆ I SKŁAD FRAKCYJNY BIAŁKA
Arkadiusz Stępień, Katarzyna Wojtkowiak, Krzysztof Orzech
Streszczenie. Celem pracy było określenie wpływu nawożenia azotem nawozem jedno- lub
wieloskładnikowym na zawartość i skład frakcyjny białka ziarna pszenżyta jarego odmiany
Milewo. Analiza jakościowa ma pokazać możliwości poprawiania cech wypiekowych ziarna pszenżyta jarego pod wpływem zastosowanych sposobów nawożenia.
Po zastosowaniu nawożenia azotem z dodatkiem nawozu wieloskładnikowego w formie
azofoski nastąpiły zmiany w zawartości poszczególnych frakcji. Największy udział wśród
analizowanych białek właściwych stanowiły białka zapasowe, z przewagą gliadyn w stosunku do glutelin. Świadczy to o znacznej, potencjalnej przewadze lepkich cech białka
nad sprężystymi i pogorszeniu wartości technologicznej białka. Ze zwiększeniem poziomu
nawożenia azotem z 80 do 120 kg·ha–1 w postaci mocznika i po zastosowaniu mocznika
stosowanego razem z azofoską zmniejszała się ilość szkodliwego, wywołującego alergię,
białka gliadyn ω i α/β.
Słowa kluczowe: nawożenie azotem, pszenżyto jare, frakcje białka
WSTĘP
Światowe tendencje w przetwórstwie żywności zmierzają w kierunku szerszego wykorzystania surowców roślinnych, wartościowych z żywieniowego punktu widzenia, a do
tej pory niedocenianych. Sugeruje się, że ziarno i skład pszenżyta posiadają potencjał,
który może być wykorzystany w żywieniu ludzi, co powoduje większe zainteresowanie
hodowców i przetwórców [McGoverin i in. 2011].
Adres do korespondencji – Corresponding author: Arkadiusz Stępień, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Kształtowania Środowiska i Rolnictwa, Katedra Systemów Rolniczych, pl. Łódzki 3, 10-718 Olsztyn, e-mail: [email protected]
142
A. Stępień, K. Wojtkowiak, K. Orzech
Przeznaczone do wyrobu mąki i wypieku pieczywa ziarno pszenżyta powinno charakteryzować się odpowiednią jakością, na którą składają się zarówno cechy ogólnoużytkowe, jak i ściśle związane z wymaganiami przemysłu spożywczego. Chlebowa jakość
zbóż (pszenicy i pszenżyta) zależy głównie od ilości i składu białek zapasowych glutenu,
kształtowanego zwłaszcza przez podjednostki o wysokiej masie cząsteczkowej [Konopka
i in. 2007, Wieser 2007, Martinek i in. 2008].
W heksaploidalnym pszenżycie (2n = 6x = 42AABBRR) genom (R) żyta zastępuje
genom (D) pszenicy. Ta różnica w genomowej konstrukcji ma zauważalny wpływ na
zawartość białek zapasowych [Serna-Saldivar i in. 2004, Salmanowicz 2010, Vyhnánek
i in. 2013]. Ziarno pszenżyta w porównaniu z ziarnem pszenicy charakteryzuje się niską
zawartością i słabą wytrzymałością glutenu [Varughese i in. 1996]. Od wielu lat prowadzone są badania hodowlane w celu stworzenia odmian pszenżyta, które będzie posiadało
standardy jakościowe pszenicy. Takie ziarno wtedy będzie charakteryzowało się dobrą
wartością wypiekową pieczywa, gdy zwiększy ilość jednostek glutelinowych (HMW)
[Tohver i in. 2005, Salmanowicz i Dylewicz 2007].
Zawartość i skład frakcyjny białka zbóż nie jest wyłącznie cechą odmianową, ale zależy od wielu czynników, m.in. od warunków klimatyczno-glebowych, nawożenia oraz
ochrony chemicznej [Shewry 2007, Wieser 2007, Pattison i Trethowan 2013, Stępień
i Wojtkowiak 2013]. Poprzez nawożenie, które jest najważniejszym czynnikiem środowiskowym, można wpływać na zawartość białka całkowitego i cennych podjednostek
glutelinowych HMW [Triboi i Triboi-Blondel 2002].
Celem pracy było określenie wpływu nawożenia azotem nawozem jedno- lub wieloskładnikowym na zawartość i skład frakcyjny białka ziarna pszenżyta jarego odmiany
Milewo. Analiza jakościowa ma pokazać możliwości poprawiania cech wypiekowych
ziarna pszenżyta jarego pod wpływem zastosowanych sposobów nawożenia.
MATERIAŁ I METODY
Eksperyment polowy
Materiały i metody dotyczące schematu, miejsca, sposobu założenia i przeprowadzenia doświadczenia polowego, rodzaju zastosowanej agrotechniki i techniki nawożenia omówiono w części II [Wojtkowiak 2014]. Schemat doswiadczenia przedstawiono
w tabeli 1.
Metody laboratoryjne
Pobraną po zbiorze do analiz próbkę ziarna rozdrobniono w młynku laboratoryjnym
IKA A10 (Labortechnik) w taki sposób, aby wszystkie cząstki przesiewały się przez sito
o wielkości oczek 400 μm. Frakcje białek ekstrahowano według metody Wiesera i innych [1998]. Albuminy ekstrahowano wodą destylowaną, globuliny mieszaniną NaCl
i HKNaPO4, gliadyny 60-procentowym etanolem oraz gluteliny w mieszaninie 50%
propanol-1 + 2m mocznik + tris HCl i 1 + DTE pod azotem. Detekcję przeprowadzono
przy długości fali 210 nm. Wyniki analizowano za pomocą programu komputerowego
Wpływ sposobu nawożenia azotem na jakość ziarna pszenżyta jarego...
143
Tabela 1. Schemat nawożenia azotem
Table 1. Scheme of field nitrogen fertilization
Termin stosowania N, dawka N i rodzaj nawozu
Applying time, dose and type N fertilizer [kg·ha–1]
Obiekt
Object
Typ nawozu
Fertiliser type
Suma N
Total N
[kg·ha–1]
przedsiewnie
before sowing
krzewienie
spreading time
(BBCH 23-29)
strzelanie
w źdźbło
stalk shooting
time
(BBCH 31-32)
1
jednoskładnikowy
one componet fertiliser
80
–
CO(NH2)2 (40)
CO(NH2)2 (40)
2
jedno- i wielkoskładnikowy
and multifertiliser
80
–
CO(NH2)2 (20)+
azofoska* (20)
CO(NH2)2 (40)
3
jednoskładnikowy
120
NH4NO3 (40)
CO(NH2)2 (40)
CO(NH2)2 (40)
4
and multifertiliser
120
NH4NO3 (40)
CO(NH2)2 (20)+
azofoska (20)
CO(NH2)2 (40)
CO(NH2)2 – mocznik/urea; NH4NO3 – saletra amonowa/ammonium nitrate; *azofoska – nawóz wieloskładnikowy/multifertilizers.
HPLC (high-performance liquid chromatography) według 3D ChemStation firmy HP
i przedstawiono w jednostkach mAU (milliabsorbance units).
Metody statystyczne
W kontekście założonych celów badań weryfikowano hipotezę zerową (H0) zakładającą brak istotnych różnic między poziomami badanego czynnika. W przypadku odrzucenia hipotezy zerowej (H0) przyjęto hipotezę alternatywną (HA) mówiącą, że występują istotne różnice pomiędzy sposobami nawożenia w kształtowaniu zawartości i składu
frakcyjnego białka. Uzyskane wyniki opracowano statystycznie za pomocą programu
STATISTICA 9.0 firmy Statsoft. Do obliczeń statystycznych zastosowano jednoczynnikową analizę wariancji. Obok podstawowych parametrów statystycznych ustalono odchylenie standardowe oraz grupy statystycznie jednorodne testem Duncana, przy poziomie istotności α = 0,05.
WYNIKI I DYSKUSJA
Poziom nawożenia, szczególnie azotem, rodzaj nawozu oraz technika jego aplikacji
wpływają na kształtowanie się zawartości białka ogółem [Spychaj-Fabisiak i in. 2005,
Podolska 2008, Domska i Raczkowski 2009, Kara i Uysal 2009, Wojtkowiak i in. 2013].
Mało jest jednak danych dotyczących wpływu nawożenia mineralnego na zmiany ilościowe i jakościowe białek ziarna pszenżyta jarego.
nr 576, 2014
144
Tabela 2. Frakcje białek w ziarnie (wartości wyrażone w tysiącach mAU s)
Table 2. Composition of proteins in grain (the surface of peaks expressed in thousands mAU s)
Lata badań
Years of
investigation
Obiekt*
Object
Frakcje białek – Composition of proteins
Suma białek
Sum of protein
albuminy + globuliny
albumins + globulins
gliadyny
gliadins
gluteliny
glutelins
1
13,4a ±0,58
32,6bcd ±0,08
17,5 b ±1,17
63,5 cd ±0,50
2
13,1a ± 0,05
30,6ef ±1,25
18,2 ab ±0,32
61,8 de ±0,28
3
13,4a ± **
29,9f ±1,07
17,7ab ±0,92
61,0e ±0,14
4
14,1a ±0,93
31,7def ±1,02
18,6ab ±0,17
64,3bc ±2,12
1
13,3a ±0,10
34,8a ±0,04
18,9a ±0,40
67,0a ±0,25
2
13,3a ±0,08
34,3ab ±0,65
18,4ab ±0,19
65,9ab ±0,54
3
13,3a ±0,16
32,3bcd ±0,69
17,9ab ±0,40
63,4cd ±1,25
4
13,1a ±0,14
33,7abc ±0,44
18,5ab ±0,10
65,2abc ±0,68
2010
13,5A ±0,61
31,2A ±1,32
18,0A ±0,75
62,6A ±1,65
2011
13,3B ±0,14
33,7B ±1,05
18,4A ±0,48
65,7B ±1,49
2010
2011
a, b…, A, B…
a, b…, A, B…
– wartości oznaczone tą samą literą nie różnią się istotnie przy p < 0,05; ± odchylenie standardowe.
– within each line means with the same letter are not significantly different (p < 0.05); ± standard
deviation.
* Opis obiektów w tabeli 1/Explanation see Table 1.
** Wartość poniżej 0,01/Values below 0.01.
W badaniach własnych pod wpływem zastosowanego w doświadczeniu nawożenia
stwierdzono różnice w zawartości poszczególnych frakcji w ziarnie pszenżyta jarego
(tab. 2). W pierwszym roku uprawy zawierało ono więcej wartościowych białek budulcowych albumin i globulin (średnia – 13,5 tys.). Największe nagromadzenie tej frakcji
białka występowało w ziarnie pszenżyta nawożonego dawką 120 kg·ha–1 azotu z dodatkiem nawozu wieloskładnikowego – azofoski (obiekt 4). Ten sposób nawożenia, w porównaniu z dawką 80 kg·ha–1 (obiekt 2), przyczynił się do zwiększenia zawartość białka
albumin i globulin o 7,6% tylko w pierwszym roku.
Białka glutenowe (gliadyny i gluteniny) są odpowiedzialne za wyjątkową pozycję
pszenicy wśród zbóż [Martinek i in. 2008, Konopka i in. 2012]. Ich nagromadzenie
w ziarnie oraz wzajemne proporcje decydują o takich właściwościach ciasta, jak lepkosprężystość i lepkość oraz porowatość pieczywa i stopień jego wyrośnięcia [Goesaert
i in. 2005, Tohver i in. 2005]. Te właściwości podkreślają możliwości wykorzystania pszenicy i innych zbóż w przemyśle piekarskim. Mimo że obecnie żadna odmiana
pszenżyta nie jest zalecana do wypieku chleba, to jednak w wielu pracach wykazano jego przydatność [Ceglińska i in. 2006, Iwański i in. 2009, Vyhnánek i in. 2013].
W przeprowadzonym doświadczeniu największy udział wśród analizowanych białek
właściwych stanowiły białka zapasowe z przewagą gliadyn w stosunku do glutelin.
145
Według Konopki i innych [2007], stosunek frakcji gliadyn do glutelin w ziarnie pszenicy chlebowej powinien być zbliżony do 1 : 1. W ziarnie badanego pszenżyta nie stwierdzono takich relacji między frakcjami, co świadczy o znacznej potencjalnej przewadze
lepkich cech białka nad sprężystymi i pogorszeniem wartości technologicznej białka.
Według Aguirre i innych [2006], poprawienie cech jakościowych ziarna może nastąpić
poprzez odpowiednią agrotechnikę, czego nie potwierdziły badania Wojtkowiak i innych [2013]. Oceniane w badaniach własnych nawożenie tradycyjnymi nawozami stałymi (przedsiewnie nawozy pojedyncze i pogłównie mocznik bez i z udziałem azofoski
stosowane w fazie BBCH 23-29 i BBCH 31-31) sprzyjało akumulacji białka w ziarnie,
jednak wzrastała głównie ilość gliadyn, które i tak występują w przewadze w ziarnie
pszenżyta, szczególnie w drugim roku uprawy.
Azot jest najważniejszym czynnikiem środowiskowym wpływającym na zawartość
i skład białka, w tym także białka całkowitego i podjednostek. Stosowane warianty nawożenia różnicowały zawartość podjednostek białka monomerycznych gliadyn i polimerowych glutelin (tab. 3). Największe nagromadzenie gliadyn ω, α/β i γ występowało
Tabela 3. Zawartość podjednostek frakcji białek (wyrażone w tysiącach mAU s) w ziarnie
Table 3. Content of subunits of storage proteins in grain (the surface of peaks expressed in thousands mAU s)
Lata badań
Obiekt*
Years of
Objects
investigation
Gliadyny – Gliadins
ω
α /β
Gluteliny – Glutelins
γ
HMW
LMW
1
2,30bcd ±0,15 18,1ab ±0,47 12,2ab ±0,41 4,94b ±0,37
2
2,14cd ±0,18 17,1b ±0,32 11,4bc ±1,38 4,71b ±0,13 13,4ab ±0,19 48,7bc ±0,93
3
2,07d ±0,10
2010
17,0b ±1,47
10,8c ±0,30
12,6b ±0,80
Suma białek
glutenowych
Sum of gluten
protein
4,69b ±0,27 12,9ab ±0,65
4
2,20bcd ±0,01 17,8ab ±1,34 11,6abc ±0,31 5,01b ±0,13
1
2,40ab ±0,01 19,6b ±0,24
2
2,59a ±0,02
50,1b ±1,09
47,5c ±0,16
13,6a ±0,31
50,2b ±1,19
5,52a ±0,15 13,4ab ±0,25
53,6a ±0,36
19,0b ±0,20 12,6ab ±0,43 5,05b ±0,01 13,3ab ±0,19
52,6a ±0,46
3
2,15bcd ±0,13 18,4ab ±0,11 11,8abc ±0,46 4,98b ±0,03 12,8ab ±0,37
50,1b ±1,09
4
2,38abc ±0,13 19,0a ±0,40 12,3ab ±0,09 5,12ab ±0,16 13,4ab ±0,26
52,1a ±0,54
2010
2,18B ±0,13 17,5B ±0,93 11,5B ±0,78 4,84B ±0,24 13,1a ±0,60
49,1B ±1,39
2011
2,38A ±0,18 19,0A ±0,50 12,4A ±0,47 5,17A ±0,24 13,2a ±0,33
52,1A ±1,46
2011
a, b…, A, B…
12,8c ±0,20
– wartości oznaczone tą samą literą nie różnią się istotnie przy p < 0,05.
– within each line means with the same letter are not significantly different (p < 0,05).
HMW – wielkocząsteczkowe podjednostki glutelin/high molecular weight.
LMW – niskocząsteczkowe podjednostki glutelin/low molecular weight.
± odchylenie standardowe/standard deviation.
a, b…, A, B…
nr 576, 2014
146
po zastosowaniu w nawożeniu 80 kg·ha–1 azotu w postaci mocznika (obiekt 1). Wyjątkiem była mniejsza ilość gliadyn ω w drugim roku badań. Nawożenie doglebowe dawką
azotu 80 kg·ha–1z dodatkiem azofoski w fazie BBCH 23-29 (obiekt 2) w drugim roku
badań przyczyniło się do największego udziału w ziarnie szkodliwych białek gliadyn ω
(2,59 tys.). Wszystkie frakcje gliadyn są toksyczne lub szkodliwe dla chorych na celiakię
i alergenne dla uczulonych na gluten [Green i Cellier 2007]. Jednakże z technologicznego
punktu widzenia są one potrzebne [Tohver i in. 2005, Aguirre i in. 2006, Martinek i in.
2008].
Zwiększenie poziomu nawożenia z 80 do 120 kg·ha–1 zmniejszało ilość szkodliwego białka gliadyn ω i α/β pod wpływem zastosowania samego mocznika. Ilość białka
ω zmniejszała się o 11,5 i 6,3% białek α/β pod wpływem zastosowania w nawożeniu
pogłównym mocznika w fazie BBCH 23-29 i BBCH31-32 w pierwszym roku uprawy
(obiekt 1 w porównaniu z obiektem 3). W kolejnym roku badań, w przypadku obu
prezentowanych wariantów nawożenia, zmniejszała się ilość niepożądanego białka ω
o 11,3% i białek α/β o 6,6% (obiekt 1 w porównaniu z obiektem 3) oraz 8,9% białek ω
(obiekt 2 w porównaniu z obiektem 4) po uzupełnieniu nawożenia azofoską. Konopka
i inni [2007] wykazali natomiast, że na nagromadzenie poszczególnych frakcji białka
w ziarnie badanych pszenic wpływał w dużym stopniu niedobór wody. W warunkach
stresu wodnego zmniejszało się nagromadzenie albumin i globulin, γ gliadyn i glutenin. Poziom zawartości niskocząsteczkowych podjednostek glutelin (LMW – low molecular weight) w ziarnie badanego pszenżyta był wyższy niż wielkocząsteczkowych
podjednostek glutelin (HMW – high molecular weight). Skład glutelin, zwłaszcza zawartość HMW, w znacznym stopniu przyczynia się do zmian objętości chleba o dobrej
jakości. Według Luo i innych [2001], zawartości HMW i LMW w ziarnie uwarunkowane są genetycznie i ich wartości nieznacznie wzrastają poprzez aplikowanie azotu
w pózniejszych fazach rozwojowych. Również Aguirre i inni [2006] potwierdzają, że
nawożenie pszenżyta sprzyjało nagromadzeniu formacji białka HMW. W przeprowadzonych badaniach zwartość białka glutelin HMW mieściła się w granicach od 4,69
do 5,52 tys. mAU. Największe nagromadzenie tej frakcji białka stwierdzono w ziarnie
nawożonym mocznikiem w ilości 80 kg·ha–1 w drugim roku badań. Do zwiększenia
zawartości białka HMW przyczyniło się zwiększenie poziomu nawożenia w postaci
mocznika stosowanego łącznie z azofoską o 6,3% w pierwszym roku badań (obiekt 2
w porównaniu z obiektem 4).
W przeprowadzonym doświadczeniu zastosowane nawożenie nie miało istotnego
wpływu na zmiany stosunku białka glutenowego do białka ogółem oraz podjednostek
frakcji białek do białek glutenowych w ziarnie pszenżyta jarego odmiany Milewo (tab. 4).
Wykazano jedynie zmiany proporcji ilościowych pomiędzy podjednostkami frakcji białek glutenowych w stosunku do białka ogółem oraz LMW do białek glutenowych. Może
to sugerować większy wpływ warunków siedliskowych aniżeli nawożenia na zmiany
proporcji poszczególnych frakcji białka.
0,046ab ±**
0,044b ±**
0,044b ±**
0,044b ±**
0,045ab ±**
0,049a ±**
0,043b ±**
0,046ab ±**
0,044A ±**
0,046A ±**
0,789ab ±0,01
0,789ab ±0,01
0,779b ±**
0,781b ±0,01
0,801a ±0,02
0,798a ±**
0,790ab ±**
0,800a ±**
0,785B ±0,01
0,797A ±0,01
1
2
3
4
1
2
3
4
2010
2011
0,364A ±**
0,356A ±0,02
0,364a ±0,01
0,366a ±0,01
0,362a ±**
0,365a ±0,01
0,355a ±0,02
0,359a ±0,03
0,351a ±0,01
0,362a ±**
a, b…, A, B…
– within each line means with the same letter are not significantly different (p < 0.05).
a, b…, A, B…
2011
2010
gliadyny – gliadins
0,237A ±**
0,233A ±0,01
0,236a ±**
0,235a ±**
0,240a ±0,01
0,238a ±**
0,231a ±0,01
0,227a ±0,01
0,233a ±0,02
0,243a ±0,01
ω : białka glutenowe α/β : białka glutenowe γ : białka glutenowe
ω : gluten protein
α/β : gluten protein
γ : gluten protein
Białka glutenowe :
białko ogółem
Gluten protein :
sum of protein
Obiekt*
Object
Lata badań
Years of
investigation
0,099A ±**
0,098A ±**
0,098a ±**
0,099a ±**
0,096a ±**
0,103a ±**
0,100a ±0,01
0,099a ±0,01
0,097a ±**
0,099a ±0,01
HMW : białka
glutenowe
HMW : gluten protein
0,253B ±**
0,268A ±0,01
0,256ab ±**
0,256bc ±**
0,253c ±0,01
0,250c ±**
0,271ab ±**
0,272ab ±0,02
0,276a ±0,01
0,251c ±0,01
LMW : białka
glutenowe
LMW : gluten
protein
gluteliny – glutelins
Frakcje białek w stosunku do białek glutenowych
Relation of protein fraction to the total gluten proteins
Tabela 4. Stosunek białka glutenowego do białka ogółem oraz podjednostek frakcji białek w stosunku do gliadyn i glutelin
Table 4. Proportion of gluten proteins in the grain in relation to total protein and subunits of gliadins and glutelins
148
WNIOSKI
1. Niezależnie od sposobów nawożenia ziarno pszenżyta jarego odmiany Milewo
charakteryzowało się największym udziałem białka zapasowego z przewagą gliadyn
w stosunku do glutelin.
2. Zwiększenie poziomu nawożenia azotem z 80 do 120 kg·ha–1 w postaci mocznika
i po zastosowaniu mocznika razem z azofoską zmniejszało ilość białka gliadyn ω i α/β.
3. Analiza jakościowa białek przeprowadzona w ziarnie pszenżyta pod wpływem stosowanego nawożenia wskazuje na brak możliwości poprawy cech wypiekowych ziarna
pszenżyta jarego odmiany Milewo.
LITERATURA
Aguirre A., Rubiolo O.J, Ribotta, P.D., Lujan J.S., Perez G.T., Leon A.E., 2006. Effects of incydent
radiation and nitrogen availability on the quality parameters of triticale grain in Argentyna. Exp. Agr. 42, 311–322.
Ceglińska A., Cichy H., Cacak-Pietrzak G., Haber T., Smuga W., 2006. Wykorzystanie pszenżyta
jarego do produkcji pieczywa. Fol. Univ. Agric. Stetin. Agric. 247(100), 39–44.
Domska D., Raczkowski M., 2009. Wpływ techniki dokarmiania mikroelementami na plonowanie
i jakość pszenżyta jarego. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 541, 105–112.
Goesaert H., Brijs K., Veraverbeke W.S., Courtin C.M., Gebruers K., Delcour J.A., 2005. Wheat
flour constituents: how they impact bread quality, and how to impact their functionality.
Trends in Food Science & Technology 16(1–3), 12–30.
Green P.H., Cellier C., 2007. Celiac disease. N. Engl. J. Med. 357, 1731–1743.
Iwański R., Wianeczki M., Tokarczyk G., Stankowski S., 2009. Wpływ metod konwencjonalnych
i ekologicznych uprawy pszenżyta na wartość wypiekową mąk i jakość pieczywa. Folia
Pomer. Univ. Techno. Stein. Agric., Aliment., Pisc. Zootech. 269(9), 19–32.
Kara B., Uysal N., 2009. Influence on grain yield and grain protein content of late-season nitrogen
application in triticale. Journal of Animal and Veterinary Advances 8(3), 575–586.
Konopka I., Fornal Ł., Dziuba M., Czaplicki S., Nałęcz D., 2007. Composition of proteins in wheat
grain obtained by sieve classification. J. Sci. Food Agric. 87(12), 2198–2206.
Konopka I., Tańska, M., Faron, A., Stępień A., Wojtkowiak K., 2012. Comparison of the phenolic
compounds, carotenoids and tocochromanols content in wheat grain under organic and
mineral fertilization regimes. Molecules 17, 12341–12356.
Luo C., Griffin W.B, Branlard G., McNeil D.L., 2001. Comparison of low- and high molecular-weight wheat glutenin allele effects on flour quality. Theor. Appl. Genet. 102(6–7),
1088–1098.
Martinek, P., Vinterová M., Burešová I., Vyhnánek T., 2008. Agronomic and quality characteristics
of triticale (× Triticosecale Wittmack) with HMW glutenin subunits 5+10. J. Cereal Sci.
47, 68–78.
McGoverin C.M, Snyders F., Muller N., Botes W., Fox G., Manley M., 2011. A review of triticale uses and the effect of growth environment on grain quality. J. Sci. Food Agric. 91,
1155–1165.
Pattison A.L., Trethowan R.M., 2013. Characteristics of modern triticale quality: commercially
significant flour traits and cookie quality. Crop Pasture Sci. 64(9), 874–880.
Podolska G., 2008. Wpływ dawki i sposobu nawożenia azotem na plon i wartość technologiczną
ziarna odmian pszenicy ozimej. Acta Sci. Pol., Agricultura 7(1), 57–65.
149
Salmanowicz B.P., 2010. Identification and characterization of highmolecular-weight secalins from
triticale seeds by capillary zone electrophoresis. Electrophoresis 31, 2226–2235.
Salmanowicz B.P., Dylewicz M., 2007. Identification and characterization of high-molecular-weight glutenin genes in Polish triticale cultivars by PCR-based DNA markers. J. Appl.
Genet. 48(4), 347–357.
Serna-Saldivar S.O., Guajardo-Flores S., Viesca-Rios R., 2004. Potential of Triticale as a Substitute
for Wheat in Flour Tortilla Production. Cereal Chem. 81(2), 220–225.
Shewry P.R., 2007. Improving the protein content and composition of cereal grain. J. Cereal Sci.
46, 239–250.
Spychaj-Fabisiak E., Ložek O., Knapowski T., Ralcewicz M., 2005. Evaluation of the effect of
sowing date and nitrogen fertilization on yield and content of protein in triticale grain.
Fragm. Agron. 22(1), 550–562.
Stępień A., Wojtkowiak K., 2013. Composition of gluten proteins in spring and winter wheat grain
cultivated under conditions of varied fertilization. Acta Agr. Scand. B-S P. 63(7), 588–
594.
Tohver M., Kann A., Taht R., Mihhalevski A., Hakman J., 2005. Quality of triticale cultivars suitable for growing and bread-making in northern conditions. Food Chem. 89, 125–132.
Triboi E., Triboi-Blondel A.M., 2002. Productivity and grain or seed composition: A new approach
to an old problem invited paper. Eur. J. Agron. 16, 163–186.
Varughese G., Pfeiffer W.H., Pena, R.J., 1996. Triticale: a successful alternative crop. (Part I) Cereal Foods World 41, 474–482.
Vyhnánek T., Halouzková E., Martinek P., 2013. Glu-1 Alleles and Prediction of Bread-making
Quality Traits in Triticale. Cereal. Res. Commun. 41(4), 562–572.
Wieser H., 2007. Chemistry of gluten proteins. Food Microbiol. 24, 115–117.
Wieser H., Antes S., Seilmeier W., 1998. Quantitative determination of gluten protein types in
wheat flour by reversed-phase high-performance liquid chromatography. Cereal Chem.
75(5), 544–650.
Wojtkowiak K., 2014. Wpływ sposobu nawożenia azotem na jakość ziarna pszenżyta jarego odmiany Milewo. Część II – plonowanie i zawartość składników pokarmowych. Zesz. Probl.
Post. Nauk Roln. 576, 217–226.
Wojtkowiak K., Stępień A., Tańska M., Konopka I., Konopka S., 2013. Impact of nitrogen fertilization on the yield and content of protein fractions in spring triticale grain. Afr. J. Agric.
Res. 8(28), 3778–3783.
SYSTEMS OF NITROGEN FERTILIZING ON QUALITY OF GRAIN OF SPRING
TRITICALE MILEWO VARIETY. PART I – CONTENT AND COMPOSITION
OF PROTEIN
Summary. The aim of the study was to assess the influence of nitrogen application as
into-soil one- or multi-component fertilizer on content and fraction composition of protein
and on in grain of spring triticale of the Milewo variety. Quality analysis is targeted on
exposing of possibilities of bread – making traits improvement of spring triticale grain
with applied fertilizing systems. The field experiment was realized in 2010–2011 in the
Didactic and Experimental Department of UWM in Tomaszkowo, Poland; the soil was
medium rich in phosphorous, potassium, zinc and manganese and low in copper. The
experiment was founded by the method of randomized blocks. Different fertilizing with
nitrogen at 80 and 120 kg·ha–1 with doses partition by 40 kg N·ha–1 with microelements
nr 576, 2014
150
additives or without the addition (azofoska) was applied. Application of nitrogen fertilizing
with addition of multi-component fertilizer (azofoska) resulted in change of composition
of individual protein fractions. The highest content ratio among all the analysed specific
proteins were storage proteins, with the prevalence of gliadins over glutelins. This
fact results in potential prevalence of sticky features of protein over springy ones and
worsening technological quality of protein. Increasing the level of nitrogen fertilization
from 80 to 120 kg·ha–1 in the form of urea and application of urea together with azofoska
diminished content of hazardous, allergy causing, gliadin proteins of ω and α/β type.
Key words: nitrogen fertilization, spring triticale, composition of protein
nr 576, 2014, 151–160
EFFECT OF DIFFERENT SYSTEMS CONSERVATION
TILLAGE ON TECHNOLOGICAL VALUE OF SUGAR BEET
ROOTS
Bernadeta Strochalska, Lesław Zimny, Piotr Regiec
University of Environmental and Life Sciences in Wrocław
Summary. The aim of research was determination of the content of selected constituents
(dry matter, ash, α-aminonitrogen, reducing sugars, Mg, Ca, K), of sugar beet roots grown
under conservation tillage using mulch from straw, winter rye and winter vetch, as well as
two levels of nitrogen fertilization. This experiment was conducted between 2007–2010 at
the Experimental Station of University of Environmental and Life Sciences in Wroclaw.
From among conservation tillage systems of sugar beet, the highest amount of ash was
found in roots grown under rye mulch and the lowest one was found in roots collected from
plots under fore-crop straw mixed with harrow. Sugar beet roots under mustard mulch had
the best technological quality (the lowest amount of α-amino-nitrogen) while the worst
quality was observed under winter vetch mulch.
Key words: sugar beet, conservation tillage, technological value of roots
INTRODUCTION
Changes introduced by the European Union in legislation concerning sugar industry
consist of, inter alia, reducing prices of sugar beet roots. Moreover, the European Union
becomes a much bigger importer of sugar [Pokorná et al. 2011]. As a result, the necessary
reduction of cultivation costs seem possible through the usage of conservation tillages.
Changes in the technology of cultivation should undoubtedly take place without impairing on technological quality of roots.
The production of sugar beet, in compliance with specifications of the sugar industry,
is characterized by high yield roots, high-sugar content, low molassigenic (non-sugars)
Corresponding author – Adres do korespondencji: Lesław Zimny, Uniwersytet Przyrodniczy
we Wrocławiu, Katedra Kształtowania Agroekosystemów i Terenów Zieleni, pl. Grunwaldzki 24A
50-363 Wrocław, e-mail: [email protected]
152
B. Strochalska, L. Zimny, P. Regiec
content which result in considerable amount of sugar being transferred into molasses.
Among nonsugars are: sodium, potassium, invert and α-amino-nitrogen [Ostrowska and
Artyszak 2005]. Fruits and qualitative features of sugar beet depend mostly on optimal
cultivation. In order to reduce costs of production, increase crop yield and improve technological quality, new and simplified technologies of agriculture are being researched.
One of the methods allowing for limitations of expenditures the usage of conservation
tillage involving sowing in frozen mulch with a stubble catch crop [Lal et al. 1990, Zimny
1999, Nowakowski 2013]. This type of cultivation impacts profitably on soil environment, which enables earlier sowing and makes deeper rooting easier. There isn’t any
detailed research of conservation tillage with usage of mulch from winter catch crop.
In this technology, mulch is achieved through the desiccation of winter crops with total
herbicides prior to sugar beet being sown.
The aim of research was determination of the content of selected constituents (dry
matter, ash, α-amino-nitrogen, reducing sugars, Mg, Ca, K) of sugar beet roots grown
under conservation tillage using mulch from straw, winter rye and winter vetch, as well
as two levels of nitrogen fertilization.
MATERIAL AND METHODS
This experiment was conducted between 2007 and 2010 at the Experimental Station
of University of Environmental and Life Sciences in Wroclaw as a strict di-factor field
experiment. It was established by split-plot method in three repetitions on good rye soil
complex. The fore-crop for sugar beet was winter wheat. Before the experiment the field
was limed and subsoiled.
During the experiment two factors were taken into consideration. The first factor was
diverse systems of conservation tillage. Traditional conservation tillage (stubble catch
crop – white mustard left until spring, which was, before sowing, mixed using cultivation
unit composed of rotary harrow and string packer) was applied in the first (control) plot.
The Split forecrop straw having been covered by stubble cultivator (object 2), or after
being stirred with spike-tooth harrow was left until spring in mulch (object 3). Rye (object 4) and winter vetch (object 5) were cultivated as a winter catch crops on other plots,
where after pre-seed devastation were used as mulch. In the early spring Roundup Energy
450 SL in a dose 2,5 l·ha–1 was applied on the objects 2, 3, 4, and 5 in order to neutralize
catch crops and weeds. A cultivation unit, consisting of rotary harrow and string packer
was also applied prior to sowing. The second factor were two levels of nitric fertilization:
A – optimal – 1 N (120 kg·ha–1) and B – reduced – 2/3 N (80 kg·ha–1).
The green mass of stubble catch crop amounted: mustard 28 t·ha–1, winter vetch
1,14 t·ha–1, rye 3,72 t·ha–1, and forecrop straw 4,86 t·ha–1. Sugar beet cultivar Jagoda
was sown at 0,18 × 0,45 m span. The sowing was achieved using a mechanic single
seeder, which can be used on average-size farms. Monogerm pelleted beet seed ball
with calibre 3,50–4,75 mm and laboratory germination capacity of 98% were used.
Weeds were fought with a chemical method of divided doses of: Betanal Elite 274 EC
(1 l·ha–1), Goltix 700 SC (1 l·ha–1) and Kemiron Koncentrat 500 EC (0,2 l·ha–1).
Effect of different systems conservation tillage on technological value...
153
The average crop of roots was 63,4 t·ha–1 and average sugar content was 15,2%.
The content of the following substances was determined in the roots’ pulp: sucrose
– polarimetric method, α-aminonitrogen – colorimetric method, soluble ash – short conductometric methods [Butwiłowicz 1997] and reducing sugars – with the Lane-Eynon’s
method [Krełowska-Kułas 1993].
Test results were subjected to variance analysis. The significance of differences was
verified by the Duncan test with a level of significance of α = 0,05.
RESULTS AND DISCUSSION
Systems of sugar beet cultivation, nitrogen doses and interaction of both factors did
not have any significant influence on dry matter content in sugar beet roots (Table 1).
Roots cultivated on straw mixed by harrow contained the highest amount of dry matter
(21,7%), whereas roots cultivated on winter rye mulch contained the lowest (20,3%).
Lower nitrogen dose in comparison with the optimal one resulted in higher amount of dry
matter in sugar beet roots. It was verified by Zimny’s and others research [2010], where
roots cultivated on straw were characterized by the highest amount of dry matter. On
the other hand, Buraczyńska’s research [2005] indicated that sugar beet roots fertilized
with manure, straw, all catch crops biomass combined with straw and crop residues from
catch crops contained significantly more dry matter than sugar beet roots from the object
without organic fertilization.
The amount of ash in sugar beet roots wasn’t differentiated by experimental factors or
their interaction (Table 1). Sugar beet roots cultivated on mulch from winter catch crops
contained more ash (average 0,83%) than the control object – mulch from mustard, while
sugar beet roots cultivated on straw contained less ash (average 0,70%) than the control
object. After applying nitrogen in a dose of 80 kg·ha–1 to sugar beet roots, higher amount
of ash was found than after applying a dose of 120 kg·ha–1. However, opposite results
were achieved by Ostrowska and Kucińska [1998] and Wesołowski and others [2003],
where fertilizing with straw with an addition of nitrogen was conducive for the accumulation of ash in roots. On the other hand, Zimny and others [2010] research indicated , that
using only catch crop contributes to accumulation of ash in roots, while fertilizing with
straw and stubble catch crop reduces the amount of ash in comparison with the control
object (stubble catch crop ploughed down with fall ploughing).
The amount of α-aminonitrogen wasn’t considerably differentiated by experimental
factors or their interaction (Table 2). The highest amount of this molassigenic was characteristic for roots cultivated on winter vetch mulch (average 37,2 mg/100 g) and the lowest
for roots cultivated on mustard mulch (31,0 mg/100 g). After using nitrogen at a dose of
120 kg·ha–1 in comparison with a dose of 80 kg·ha–1, the difference between the amount
of α-aminonitrogen was 2,1% in favor of the higher dose. Similar results were achieved
by Gutmański and others [1998] when, by cultivating sugar beet on mixed white mustard
mulch, they achieved roots with very high processing quality compared with traditional
cultivation. On the other hand, Kostka-Gościniak and others [2000] found that fertilizing with catch crop caused an increase in the amount of α-aminonitrogen in roots in
nr 576, 2014
154
Table 1. Content of dry matter and ash (mean for 2008–2010)
Tabela 1. Zawartość suchej substancji i popiołu (średnie z lat 2008–2010)
Cultivation systems
Systemy uprawy
Dry matter
Sucha substancja [%]
Ash
Popiół [%]
1N
2/3 N
mean
średnio
1N
2/3 N
mean
średnio
Mustard – Gorczyca
20.54
21.21
20.87
0.77
0.75
0.76
Straw covered by cultivator
Słoma przykryta kultywatorem
21.31
20.47
20.90
0.67
0.81
0.74
Straw mixed using harrow
Słoma wymieszana broną
21.40
21.98
21.70
0.75
0.56
0.65
Rye mulch – Żyto – mulcz
19.94
20.66
20.30
0.83
0.92
0.88
Winter vetch mulch
Wyka oz. – mulcz
20.94
20.00
20.46
0.72
0.84
0.78
Mean – Średnio
20.82
20.86
–
0.75
0.78
–
LSD0.05 cultivation systems
NIR0,05 systemy uprawy
n.s.
n.s.
LSD0.05 rates of nitrogen
NIR0,05 dawki azotu
n.s.
n.s.
LSD0.05 interaction
NIR0,05 interakcja
n.s.
n.s.
n.s. – not significant/różnica nieistotna.
Table 2. Content of harmful nitrogen and reducing sugars (mean for 2008–2010)
Tabela 2. Zawartość azotu α-aminowego i cukrów redukujących (średnie z lat 2008–2010)
Cultivation systems
Systemy uprawy
Reducing sugars
Cukry redukujące [%]
N-α-NH2 mg/100 g
1N
2/3 N
mean
średnio
1N
2/3 N
mean
średnio
32.4
29.6
31.0
0.37
0.19
0.28
31.7
33.6
32.7
0.20
0.29
0.25
Straw mixed by harrow
34.8
35.3
35.1
0.24
0.24
0.24
33.9
33.9
33.9
0.14
0.20
0.17
Winter vetch mulch
Wyka ozima – mulcz
35.2
39.2
37.2
0.31
0.27
0.29
Mean – Średnio
33.6
34.3
–
0.25
0.24
–
n.s.
n.s.
NIR0,05 dawki azotu
n.s.
0.05
LSD0.05 interaction
NIR0,05 interakcja
n.s.
n.s.
155
comparison with fertilizing with just straw. Zimny and others [2010] research proved that
roots harvested from no-tillage (forecrop straw left until spring), intensively protected,
were characterized by the best technological quality (the lowest amount of α-aminonitrogen). Moreover, Nowakowski and Szymczak-Nowak [2007] proved that forecrop straw
in comparison with manure, led to a significant reduction of α-amino-nitrogen amount in
sugar beet roots.
The amount of reducing sugars was significantly differentiated by doses of nitrogen
(Table 2). Sugar beet roots contained much higher amount of reducing sugars (0,25%)
after applying nitrogen in a dose of 120 kg·ha–1 in comparison with a dose of 80 kg·ha–1.
Cultivation systems and interaction of both experimental factors didn’t have any considerable influence on the amount of reducing sugars, however. In sugar beet roots cultivated
on winter vetch mulch the highest amount of reducing sugars (0,29%) was found, whereas
the lowest amount (0,17%) was found in sugar beet roots cultivated on rye mulch. Sugar
beet roots cultivated on straw contained, on average, 0,25% reducing sugars. Similar
results were achieved by Zimny and others [2010], where the lowest amount of reducing
sugars characterized sugar beet roots cultivated by no-tillage method (forecrop straw left
until spring).
The relation between each of harmful non-sugars and the amount of sucrose affects
the technological quality, since the efficiency of sugar can be significantly reduced with
their high amount, despite the rather high amount of sucrose in roots. That is the reason
why the results of the amount of ashes, α-aminonitrogen and reducing sugars were presented as per 100 g of sucrose (Fig. 1–3).
Cultivation systems, doses of nitrogen and their interaction had no impact on the
amount of water-soluble ash per 100 g in pulp (Fig. 1). Roots collected from plots
cultivated on rye mulch had the highest amount of water-soluble ash – 5,5 g/100 g of
sucrose while roots from plots cultivated on straw mixed by harrow had the lowest
(3,8 g/100 g sucrose). A dose of 120 kg·ha–1 nitrogen led to a reduction of water-soluble
[g]
6
5
5,5
4,8
4,6
4,7
4,8
4,6
3,8
4
3
2
1
0
0
0
1N
Fig. 1.
Rys. 1.
2/3 N
LSD – NIR
mustard straw. + cult.
gorczyca
sł. + kult.
Content of ash per 100 g sucrose
Zawartość popiołu w g/100 g sacharozy
nr 576, 2014
straw. +
+ harr.
sł. + brona
rye
żyto
vetch
wyka
LSD – NIR
156
ash per 100 g sucrose in pulp in comparison with a dose of 80 kg·ha–1. The difference
between them is 0,2 g/100 g of sucrose.
The amount of α-aminonitrogen per 100 g of sucrose was not considerably differentiated by experimental factors or their interaction (Fig. 2). Roots cultivated on mustard
mulch (0,19 g) contained the lowest amount of α-aminonitrogen, whereas roots cultivated
on winter vetch mulch – the highest amount (0,23 g). The amount of α-amino-nitrogen
in roots cultivated on the object with straw covered using a cultivator and the object with
straw mixed using harrows was the same – 0,20 g/100 g of sucrose. After applying doses
of nitrogen (120 and 80 kg·ha–1), the difference between the amount of α-aminonitrogen
per 100 g of sucrose in sugar beet roots was insignificant and amounted to 0,01 g/100 g
of sucrose.
[g]
0,25
0,2
0,23
0,2
0,21
0,19
0,2
0,2
0,21
0,15
0,1
0,05
0
Fig. 2.
Rys. 2.
1N
2/3 N
0
LSD – NIR
0
mustard
gorczyca
straw. +
straw. +
+ harr.
+ cult.
sł. + kult. sł. + brona
rye
żyto
vetch
wyka
LSD – NIR
Content of harmful nitrogen per 100 g sucrose
Zawartość azotu szkodliwego w g/100 g sacharozy
Although the amount of reducing sugars per 100 g of sucrose wasn’t significantly
differentiated by cultivation systems and doses of nitrogen, a crucial difference was observed with the interaction of both experimental factors (Fig. 3). The lowest amount of
reducing sugars (1,06 g) was found in roots cultivated on rye mulch and the highest
amount (1,86 g) in roots cultivated on winter vetch mulch. The amount of reducing sugars
in roots cultivated on forecrop straw accounted for, on average, 1,49 g/100 g of sucrose.
After applying doses of nitrogen, the difference between amounts of reducing sugars per
100 g of sucrose in sugar beet roots reached 5,7%. The lowest amount of reducing sugars
(0,91 g) was found in roots cultivated on rye mulch after applying nitrogen at a dose of
120 kg·ha–1, whereas the highest amount (2,32 g) in roots cultivated on mustard mulch,
also after applying nitrogen at a dose of 120 kg·ha–1.
Analysis of the amount of magnesium in sugar beet roots confirmed the importance of
applied cultivation systems’ impact on magnesium’s quantity (Table 3). The highest amount
of magnesium (35,84 mg/100 g) was characteristic for roots cultivated on straw mixed by
harrow, the lowest amount (26,18 mg/100 g) – for roots cultivated on mustard mulch; the
157
[g]
2
1,86
1,74
1,8
1,57
1,6
1,54
1,48
1,43
1,4
1,2
1,06
0,93
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1N
Fig. 3.
Rys. 3.
2/3 N
0
LSD – NIR
mustard
gorczyca
straw. +
+ cult.
sł. + kult.
straw. +
+ harr.
sł. + brona
rye
żyto
vetch
wyka
0
LSD – NIR interacon
interakcja
Content of reducing sugars per 100 g sucrose
Zawartość cukrów redukujących w g/100 g sacharozy
Table 3. Content of Mg, K and Ca [mg/100 g] (mean for 2008–2010)
Tabela 3. Zawartość Mg, K i Ca [mg/100 g] (średnie z lat 2008–2010)
Cultivation systems
Systemy uprawy
Mg
1N
2/3 N
K
mean
średnio
1N
2/3 N
Ca
mean
średnio
1N
2/3 N
mean
średnio
26,84 25,52
26,18
226,1 206,3
216,2
31,17 31,33
31,25
31,38 28,14
29,76
165,5 160,6
163,1
32,94 32,60
32,77
Straw mixed by harrow
35,80 35,88
35,84
194,1 175,7
184,9
28,07 36,24
32,16
26,72 33,75
30,23
196,9 192,8
194,9
27,41 30,54
28,97
Winter vetch mulch
Wyka ozima – mulcz
32,21 29,64
30,93
187,4 182,5
184,9
31,43 28,91
30,17
Mean – Średnio
30,59 30,58
–
194,0 183,6
–
30,20 31,92
–
5,42
n.s.
n.s.
NIR0,05 dawki azotu
n.s.
n.s.
n.s.
LSD0.05 interaction
NIR0,05 interakcja
n.s.
n.s.
n.s.
difference between these objects amounted to 27%. The amount of magnesium in sugar beet
roots cultivated on rye mulch and winter vetch mulch was quite similar – 30,58 mg/100 g on
average. Doses of nitrogen and interaction of both experimental factors had no considerable
impact on the content of magnesium in sugar beet roots. The amount of magnesium in sugar
beet roots was the same – 30,59 mg/100 g after applying doses of nitrogen.
nr 576, 2014
158
Potassium is a component, which has a negative impact on processing quality of sugar beet roots [Nowakowski 2004]. The highest amount of potassium cumulated was in
sugar beet roots cultivated on mustard mulch (216,2 mg/100 g), while the lowest amount
(163,1 mg/100 g) was in roots cultivated on straw covered using a cultivator with the difference between them being insignificant, though. Doses of nitrogen had no considerable
impact on the amount of potassium. Gutmański and Nowakowski [1994] didn’t observe
any considerable impact of increasing doses of nitrogen on potassium content in roots,
either. In our own research no significant interaction of the mentioned factors was observed. However, it was noticed that roots cultivated on straw covered using cultivators
with the application of nitrogen at a dose of 80 kg·ha–1 contained the lowest amount of
potassium.
The impact of both experimental factors on the amount of calcium in sugar beet roots
was slight, ambiguous and statistically not proved. The lowest amount of this element
(average 28,97 mg/100 g) was found in roots cultivated on rye mulch and the highest
amount (average 32,46 mg/100 g) was in roots cultivated on forecrop straw. The difference between the amount of calcium in sugar beet roots after applying doses of nitrogen
(120 and 80 kg·ha–1) was 1,72 mg/100 g.
CONCLUSIONS
1. A comparison of the conservation tillage systems of sugar beet roots showed that
the highest amount of ash was found in roots cultivated on rye mulch (0,88%) while the
lowest (0,65%) was found in roots collected from a plot cultivated with forecrop straw
mixed using harrows.
2. After applying nitrogen at a dose of 120 kg·ha–1, the amount of reducing sugars
was significantly higher than after applying a dose of 80 kg·ha–1.
3. Sugar beet roots cultivated on mustard mulch had the best technological quality (the lowest amount of α-aminonitrogen – 31,0 mg/100 g), while those cultivated on winter vetch mulch had the worst (the highest amount of α-aminonitrogen
37,2 mg/100 g).
4. Applying different conservation tillage systems caused a change in the amount
of magnesium. Sugar beet roots cultivated on straw mixed using harrows had the highest amount of magnesium (35,84 mg/100 g), while roots cultivated on mustard mulch
had the lowest (26,18 mg/100 g) – the difference between these objects counted 27%.
5. Applying doses of nitrogen at 120 kg/ha and 80 kg/ha did not result in any
considerable changes in the content of magnesium, potassium and calcium in sugar
beet roots.
LITERATURE
Buraczyńska D., 2005. Kształtowanie się zawartości suchej masy i makroskładników w korzeniach
i liściach buraka cukrowego pod wpływem nawożenia organicznego i mineralnego.
Annales UMCS, sec. E. 60, 19–31.
159
Butwiłowicz A., 1997. Metody analityczne kontroli produkcji w cukrowniach. Instytut Przemysłu
Cukrowniczego, Warszawa.
Gutmański I., Nowakowski M., 1994. Wpływ dawki i formy azotu na wschody, plony i jakość
przetwórczą buraka cukrowego w dwóch terminach zbioru. Biul. Inst. Hod. Aklim. Rośl.
189, 41–49.
Gutmański I., Szymczak-Nowak J., Kostka-Gościniak D., Nowakowski M., Banaszak H., 1998.
Wpływ obornika, słomy i międzyplonów ścierniskowych na plonowanie buraka cukrowego przy zróżnicowanej koncentracji jego uprawy w płodozmianie. Rocz. AR w Poznaniu 307, Rol. 52, 1, 263–271.
Kostka-Gościniak D., Szymczak-Nowak J., Nowakowski M., Sitarski A., Wąsacz E., Banaszak H.,
2000. Wpływ nawożenia słomą i obornikiem na jakość przetwórczą wybranych odmian
buraka cukrowego. Folia Univ. Agric. Stetin. 211, Agricultura 84, 175–178.
Krełowska-Kułas M., 1993. Badanie jakości produktów spożywczych. Państwowe Wydawnictwo
Ekonomiczne, Warszawa.
Lal R., Eckert D.J., Fausey N.R., Edwards W.M., 1990. Conservation tillage in sustainable
agriculture. W: Sustainable Agricultural Systems. Soil Water Cons. Soc. Ankeny, Iowa:
203–225.
Nowakowski M., 2004. Wpływ wybranych czynników agrotechnicznych na jakość przetwórczą
buraka cukrowego i technologiczny plon cukru. Mat. Konf. „Jakość towarowych surowców roślinnych wyzwaniem dla nauki i praktyki rolniczej”, Puławy, 85–90.
Nowakowski M., 2013. Przydatność gorczycy białej i rzodkwi oleistej jako mulczu, nawozu,
i czynnika ochrony fitosanitarnej w uprawie buraka cukrowego. Monografie i Rozprawy
Naukowe 43/2013, IHAR PIB Radzików.
Nowakowski M., Szymczak-Nowak J., 2007. Wpływ nawożenia obornikiem i słomą na jakość
technologiczną czterech odmian buraka cukrowego. Pam. Puł. 146, 67–72.
Ostrowska D., Artyszak A. (red.), 2005. Technologia produkcji buraka cukrowego. Wyd. Wieś Jutra, Warszawa.
Ostrowska D., Kucińska K., 1998. Wpływ wzrastającego nawożenia azotem oraz różnych form
nawozów organicznych na plon i jakość buraka cukrowego. Cz. 1. Rocz. AR w Poznaniu
52, 273–278.
Pokorná I., Smutka L., Pulkrábek J., 2011. Světová produkce cukru. Listy Cukrov. Řepař. 127, 4,
118–121.
Wesołowski M., Bętkowski M., Kokoszka M., 2003. Wpływ gospodarki bezobornikowej na jakość
korzeni buraka cukrowego. Annales UMCS, sec. E, 58, 1–12.
Zimny L., 1999. Uprawa konserwująca. Post. Nauk Rol. 5, 41–51.
Zimny L., Rajewski J., Regiec P., 2010. Wpływ uprawy konserwującej na wartość technologiczną
korzeni buraka cukrowego. Annales UMCS, Sec. E, 65, 2, 110–118.
WPŁYW RÓŻNYCH SYSTEMÓW UPRAWY KONSERWUJĄCEJ NA WARTOŚĆ
TECHNOLOGICZNĄ KORZENI BURAKA CUKROWEGO
Streszczenie. Celem niniejszej pracy było określenie zawartości wybranych substancji
(sucha substancja, popiół, azot α-aminowy, cukry redukujące) w korzeniach buraka cukrowego uprawianego metodą konserwującą z wykorzystaniem mulczu ze słomy, żyta
i wyki ozimej oraz z zastosowaniem dwóch poziomów nawożenia azotowego. Ścisłe
doświadczenie polowe realizowano w latach 2007–2010 w Rolniczym Zakładzie Doświadczalnym Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Spośród porównywanych
nr 576, 2014
160
systemów uprawy konserwującej buraka cukrowego najwięcej popiołu stwierdzono
w korzeniach uprawianych na mulczu z żyta, najmniej w korzeniach uprawianych na
słomie przedplonowej wymieszanej broną. Najlepszą jakością technologiczną (najmniejsza zawartość azotu α-aminowego) charakteryzowały się buraki uprawiane na mulczu
z gorczycy, a najgorszą – uprawiane na mulczu z wyki ozimej.
Słowa kluczowe: burak cukrowy, uprawa konserwująca, wartość technologiczna korzeni
nr 576, 2014, 161–171
BARWA MODELOWYCH PRZETWORÓW MIĘSNYCH
Z DODATKIEM PREPARATÓW ZAWIERAJĄCYCH
BARWNIKI NATURALNE I O ZMNIEJSZONEJ ZAWARTOŚCI
AZOTANU(III) SODOWEGO
Karolina Tabaka, Marek Cierach
Streszczenie. Barwa i jej stabilność są podstawowymi wyróżnikami jakości i bardzo
ważnymi kryteriami pożądalności konsumenckiej przetworów mięsnych. W produkcji
powszechnie stosuje się proces peklowania azotanem(III) sodowym, zapewniający różowoczerwoną barwę, zwiększający trwałość oraz nadający pożądane cechy smakowo-zapachowe. Azotan(III) sodowy jest jednak substancją toksyczną i dąży się do obniżania
stosowanych ilości tego związku.
Celem pracy było określenie wpływu dodatku preparatów zawierających barwniki naturalne przy jednoczesnym obniżeniu dodatku azotanu(III) sodowego na barwę modelowych przetworów mięsnych i jej trwałość.
Materiałem badawczym były drobno rozdrobnione przetwory z mięsa wieprzowego typu
mielonka blokowa z dodatkiem preparatów roślinnych zawierających różne barwniki
naturalne. Zastosowano preparaty z dzikiej róży, jagód acai, papryki słodkiej, pieprzy
cayenne, pestek winogron oraz żurawiny. Oznaczono wartość pH surowca mięsnego oraz
gotowego wyrobu. Parametry barwy: jasność (L*), „czerwoność” (a*) oraz „żółtość”
(b*) mierzono na przekroju produktów za pomocą kolorymetru po przekrojeniu (czas
0) oraz po upływie 15, 30, 60, 120, 240 oraz 360 minut przy jednoczesnym oświetlaniu
źródłem światła o natężeniu 1600 luksów (odpowiadającemu warunkom panującym w ladach chłodniczych). Na ich podstawie obliczono nasycenie barwy (C*) oraz współczynnik stabilności barwy (ΔE*).
Początkowa jasność (L*) barwy wyrobów modelowych mieściła się w granicach od
56,86 do 65,62, „czerwoność” barwy (a*) – 7,18–12,87, a „żółtość” (b*) – 6,20–14,90.
W zależności od rodzaju dodanego preparatu zaobserwowano statystyczne różnice w jasności, „czerwoności” oraz „żółtości” barwy pomiędzy poszczególnymi próbkami dla
Adres do korespondencji – Corresponding author: Marek Cierach, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Żywności, Katedra Chemii i Technologii Mięsa, pl. Cieszyński 1, 10-718 Olsztyn, e-mail: [email protected]
K. Tabaka, M. Cierach
162
tych samych czasów naświetlania. Zastosowane preparaty barwników zapewniły większe
nasycenie i stabilność barwy wyrobów modelowych.
Słowa kluczowe: przetwory mięsne, barwniki naturalne, azotan(III) sodowy, parametry
barwy
WSTĘP
Barwa mięsa jest to subiektywne wrażenie odbierane przez zmysły ludzkie i przetwarzane w mózgu, uzależnione od selektywnej zdolności pochłaniania lub odbijania światła
o różnej długości fali przez niektóre związki chemiczne mające charakter barwników.
Wrażenie barwy powstaje, jeżeli promieniowanie widzialne dotrze do oka ludzkiego [Bagnowska i in. 2011, Bagnowska i Krala 2012].
Barwa przetworów mięsnych to podstawowy wyróżnik ich jakości, który w pierwszej
kolejności kształtuje opinie konsumentów o świeżości, kruchości, czy też smakowitości
[Adamczak i in. 2001, Cierach i Stasiewicz 2007, Deda i in. 2007]. W celu nadania wyrobom mięsnym charakterystycznej różowoczerwonej barwy, uzyskania korzystnych cech
smakowo-zapachowych oraz przedłużenia okresu trwałości stosuje się peklowanie, jedną
z najstarszych metod utrwalania mięsa.
Zainteresowanie problematyką obniżenia ilości azotanu(III) sodu w procesie peklowania wzrosło w momencie stwierdzenia, iż użycie środków peklujących może być niebezpieczne dla zdrowia. Przeprowadzono liczne badania, na podstawie których stwierdzono,
iż większość związków nitrozowych powstających w reakcjach pochodnych azotanu(III)
i amin może powodować u ludzi zmiany kancerogenne [Pegg i Shahidi 2000]. Zdefiniowany niekorzystny aspekt zdrowotny stosowania azotanów wymusił poszukiwanie możliwości zmniejszenia ich stosowanych ilości lub zastąpienia innymi substancjami. Jedną
z alternatyw jest wprowadzanie w miejsce azotanu(III) barwników naturalnych, często
dodatkowo o cechach prozdrowotnych. Z aktualnej literatury wynika, że barwiącymi
substancjami naturalnymi mogą być likopen i betanina [Cierach 2001, Østerlie i Lerfall
2005, Ciegiełka 2010].
Do produkcji przetworów mięsnych można także zastosować wiele innych dodatków
naturalnych charakteryzujących się właściwościami prozdrowotnymi [Semeriak i Jarmoluk 2011, Czajkowska i in. 2013, Olmedilla-Alonso i in. 2013]. Wśród nich liczne walory prozdrowotne wykazują: owoce dzikiej róży, jagody acai, papryka czerwona słodka,
pieprz cayenne, pestki winogron oraz owoce żurawiny.
Dlatego też celem przeprowadzonych badań stała się analiza możliwości zastosowania szerokiej gamy preparatów barwników naturalnych w przetworach mięsnych blokowych, jako częściowego suplementu azotanu(III) sodowego i ocena jakości i stabilności
barwy tak zmodyfikowanych wyrobów modelowych.
MATERIAŁ I METODY
Materiałem badawczym były modelowe przetwory mięsne drobno rozdrobnione,
parzone, wyprodukowane w warunkach laboratoryjnych z mięsa wieprzowego klasy II
Barwa modelowych przetworów mięsnych z dodatkiem preparatów...
163
(80%) i III (20%), według receptury własnej (tab. 1). Zmniejszono zawartość azotanu(III) sodowego w mieszance peklującej (z 0,6 do 0,4%) i wprowadzono preparaty
barwników naturalnych pochodzących z: dzikiej róży, jagód acai, papryki czerwonej
słodkiej, pestek winogron, pieprzy cayenne i żurawiny. Dodatki barwiące pochodziły
z upraw ekologicznych i były aplikowane w postaci proszku w ilości od 0,1 do 0,5%
w stosunku do masy mięsa. Ilości dodatków barwiących ustalono doświadczalnie. Surowiec mięsny rozdrobniono w wilku (model FTS, firmy HENDI) wyposażonym w sito-szarpak. Po rozdrobnieniu kawałki mięsa peklowano na sucho przez 24 godziny,
w temperaturze 3°C ±1, z dodatkiem 2,3% mieszanki peklujacej w stosunku do surowca mięsnego. Po tym czasie mięso wieprzowe klasy II rozdrobniono w wilku przez
siatkę o średnicy otworów 4,5 mm, pozostały surowiec (mięso wieprzowe klasy III)
rozdrobniono przez siatkę o średnicy otworów 3,0 mm. W procesie technologicznym
surowiec mięsny klasy III wymieszano z dodatkiem wody lodowej, preparatu barwnika
naturalnego (z wyjątkiem prób kontrolnych), transglutaminazy, karagenu oraz przypraw, aż do uzyskania lepiszcza, następnie mieszano z mięsem wieprzowym klasy II do
równomiernego rozmieszczenia składników. Otrzymane farsze nadziewano, używając
nadziewarki (model M6L, firmy MESLA), w osłonki białkowe o średnicy 70 mm i prasowano w prasie do mięsa. Wyroby modelowe parzono w prasach, stosując metodę ΔT.
Temperatura początkowa wody podczas parzenia wynosiła 12°C, a ogrzewano do osiągnięcia temperatury 85°C (całkowity czas to 45 minut) i parzono w temperaturze 85°C
przez 45 minut. Po parzeniu wyroby modelowe ostudzono zimną wodą, a następnie
chłodzono w temperaturze 3°C ±1 przez 24 godziny. Wykonano trzy serie badawcze
w sześciu oznaczeniach analitycznych. Wyroby modelowe oznaczono następującymi
symbolami: K0,6 – próbka kontrolna ze standardową zawartością 0,6% azotanu(III)
sodowego w mieszance peklującej, K0,4 – próbka kontrolna z zawartością 0,4% azotanu(III) sodowego w mieszance peklującej; wyroby z 0,4% azotanu(III) sodowego
w mieszance peklującej i barwnikiem naturalnym: DR – próbka z dodatkiem dzikiej
róży, JA – próbka z dodatkiem jagód acai, PS – próbka z dodatkiem papryki czerwonej
słodkiej, PC – próbka z dodatkiem pieprzu cayenne, PW – próbka z dodatkiem pestek
winogron, Ż – próbka z dodatkiem żurawiny (tab. 1).
Wartość pH surowca i produktu gotowego oznaczono za pomocą pH-metru Hanna
Instruments (HI99161) z elektrodą sztyletową. Przed pomiarem dokonano kalibracji
pH-metru względem buforów o wartości pH 4,01 i 7,01. Pomiaru dokonano poprzez
wbicie elektrody w produkt.
Pomiar parametrów barwy powierzchni przeciętego batonu wyrobu modelowego
drobno rozdrobnionego wykonano metodą odbiciową za pomocą kolorymetru Konica-Minolta CR-400 w temperaturze 3°C ±1. Parametry barwy przedstawiono w układzie
CIE (Commision Internationale de L’Ecleairge – Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa) (L*a*b*), w którym jasność barwy (L*) jest cechą achromatyczną barwy,
a „czerwoność” (a*) i „żółtość” barwy (b*) są cechami chromatycznymi [Clydesdale
1978]. Wyroby przecinano, a przekroje naświetlano światłem o natężeniu 1600 luksów
przez 15, 30, 60, 120, 240 i 360 minut w celu określenia trwałości barwy.
Nasycenie barwy (C*) obliczono według wzoru:
C*
nr 576, 2014
(a*2 b*2 )
(1)
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
jagody acai
acai berry
papryka słodka
sweet pepper
pieprz cayenne
cayenne pepper
pestki winogron
grape seeds
żurawina
cranberry
DR
JA
PS
PC
PW
Ż
80
80
80
80
80
80
80
80
mięso kl. II
meat class II
20
20
20
20
20
20
20
20
mięso kl. III
meat class
III
15
15
15
15
15
15
15
15
woda
water
2,3
2,3
2,3
2,3
2,3
2,3
2,3
2,3
mieszanka
peklująca
curing mix
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
trans-glutakaragen
minaza
carra-geenan trans-glutaminase
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
gałka muszkatołowa
nutmeg
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
pieprz
naturalny
natural
pepper
Dodatek wody, mieszanki peklującej, dodatku barwiącego, karagenu, transglutaminazy, gałki muszkatołowej i pieprzu naturalnego – procentowy udział w stosunku do masy
surowca mięsnego / Additive of water, curing mix, dyeing additive, carrageenan, transglutaminase, nutmeg and natural pepper – percentage share in the weight of the meat raw
material.
Surowiec mięsny: mięso klasy II i klasy III – 100% / The meat raw material: meat of the class II and III – 100%.
0,5
0,5
0,1
0,3
0,5
0,5
-
-
dodatek
barwiący
dyeing
additive
Udział składników
Share of components
[%]
Azotan(III) – procentowy udział w mieszance peklującej / Nitrate(III) – percentage share in the curing mix.
0,4
–
0,6
dzika róża
briar
–
K0,6
azotan(III)
nitrate(III)
K0,4
Rodzaj barwnika
Type of dye
Rodzaj
wyrobu
Type of
product
Tabela 1. Skład surowcowy wyrobów modelowych
Table 1. Composition of model products
165
Współczynnik stabilności barwy (∆E*) obliczono według wzoru:
'E*
('L*) 2 ('a*) 2 ('b*) 2
(2)
gdzie: C* – nasycenie barwy,
∆E* – współczynnik stabilności barwy (im wyższa wartość ∆E*, tym stabilność
barwy mniejsza),
ΔL* = L*1, 2..., n – L*0 – różnice jasności barwy,
L*0 – jasność barwy bezpośrednio po przecięciu próbki,
L*1, 2…, n – jasność barwy w kolejnych oznaczeniach według przyjętych okresów
czasowych,
Δa* = a*1, 2..., n – a*0 – różnice „czerwoności” barwy,
a*0 – „czerwoność” barwy bezpośrednio po przecięciu próbki,
a*1, 2…, n – „czerwoność” barwy w kolejnych oznaczeniach według przyjętych
okresów czasowych,
∆b* = b*1, 2..., n – b*0 – różnice „żółtości” barwy,
b*0 – „żółtość” barwy bezpośrednio po przecięciu próbki,
b*1, 2…, n – „żółtość” barwy w kolejnych oznaczeniach według przyjętych okresów
czasowych.
Wyniki opracowano statystycznie wyznaczając średnią arytmetyczną x oraz odchylenie standardowe SD. Do porównania średnich wykorzystano test Duncana. Test przeprowadzono na poziomie istotności α = 0,05. Obliczenia wykonano z wykorzystaniem
programu komputerowego STATISTICA 10.0 PL [StartSoft, Inc. 2011].
WYNIKI I DYSKUSJA
Zróżnicowanie wartości pH przetworów z dodatkiem barwników naturalnych może
mieć wpływ na barwę i jej stabilność [Hayes i in. 2013]. Istotnym wyróżnikiem jakości
mięsa jest wartość pH, a warunkiem uzyskania mięsa o wysokiej jakości i trwałości jest
zakwaszenie poubojowe do poziomu pH około 5,5 [Cierach 2001]. W celu uzyskania
modelowych przetworów mięsnych o pożądanych cechach w pierwszym etapie badań
zmierzono wartość pH surowca mięsnego. Zmierzone wartości pH wahały się od 5,75
do 6,18 i ten poziom wartości pH jest charakterystyczny dla mięsa normalnej jakości,
mogącego jedynie różnić się składem tkankowym (różnice w zawartości tkanki łącznej
i tłuszczu mogły wpłynąć na wartość pH surowca). Wartość pH gotowych wyrobów
mieściła się w przedziale od 6,09 do 6,53 (tab. 2). Najwyższą wartość pH miały wyroby z dodatkiem żurawiny, najniższą natomiast z dodatkiem papryki czerwonej słodkiej
i pieprzy cayenne.
Jasność barwy (L*) wyrobów modelowych była wysoka. Podobną jasność na
poziomie ok. 60 uzyskali Doménech-Asensi i inni [2013] w badaniach dotyczących
nr 576, 2014
166
wpływu dodatku pasty pomidorowej do wyrobów drobno rozdrobnionych typu mortadela. Próbki kontrolne wykazywały najwyższą średnią jasność, która dla K0,6 wynosiła
65,62, a dla K0,4 64,91 dla pomiaru 0. W przypadku próbek z dodatkami, najniższą
wartością parametru L* charakteryzowała się próbka z dodatkiem jagód acai (56,86),
a najwyższą próbka z dodatkiem pestek winogron (61,05) – tabela 3. Ważnym parametrem była również „czerwoność” barwy. Dla czasu 0 parametr chromatyczny barwy
„czerwoność” a* był najwyższy dla próbki modelowego wyrobu z dodatkiem papryki czerwonej słodkiej (12,87), a najniższą wartość osiągnął dla próbki z dodatkiem
jagód acai (7,18). Wraz z upływem czasu naświetlania próbek „czerwoność” barwy
zmniejszyła się i była najniższa dla próbki wyrobu modelowego z dodatkiem żurawiny
(5,85) po 360 minutach naświetlania (tab. 4). Obniżenie wartości parametru a* może
być wynikiem zmian form barwników pod wpływem tlenu i światła. Drugim ważnym
parametrem chromatycznym barwy była „żółtość”. Po upływie 360 minut parametr ten
był najwyższy dla próbek z dodatkiem papryki słodkiej (16,90), a najniższy dla próbek z dodatkiem jagód acai (8,53) i żurawiny (8,53). W przypadku tego parametru nie
zaobserwowano istotnych różnic pomiędzy próbkami kontrolnymi K0,6 (10,97) i K0,4
(10,72) (tab. 5). Na zmianę parametrów L*, a* i b* znacznie wpłynął rodzaj dodatku
barwiącego oraz jego trwałość. Dla badanych parametrów L*, a* i b* w większości
przypadków zaobserwowano statystyczną istotność różnic pomiędzy badanymi próbkami przy p ≤ 0,05 (tab. 3–5).
Najwyższą wartością nasycenia barwy (C*) wyrobów modelowych charakteryzowała
się próbka z dodatkiem papryki czerwonej słodkiej (rys. 1).
21
19
17
15
C*
13
11
9
7
0
15
30
60
120
240
360
Czas – Time [min]
K0,6
Rys. 1.
Fig. 1.
K0,4
DR
JA
PS
PC
PW
Ż
Zmiany nasycenia (C*) barwy wyrobów modelowych w czasie naświetlania
Changes in saturation (C*) of model products during exposure
0,02
0,09
SD
6,16d
5,95b
x
K0,4
0,01
0,09
SD
6,32b
6,18a
x
DR
0,05
0,02
SD
6,12de
5,75d
x
JA
1,26
0,95
0,88
0,96
1,28
1,01
a
64,88
a
64,57
a
64,41
a
64,73
65,41a
64,93a
15
30
60
120
240
360
a…, f
6,09e
5,85c
x
PS
0,02
0,04
SD
a
63,86b
65,34a
a
64,52
63,35
b
a
64,01
63,60
b
64,91
x
K0,4
1,11
0,70
1,17
0,97
0,76
1,33
1,30
SD
b
d
61,75c
61,64b
61,28
59,99
61,40
bc
c
b
60,67
60,96
x
DR
1,32
2,11
0,79
0,97
1,67
1,09
1,52
SD
e
55,57e
56,20e
56,49
d
56,15
f
f
55,88
56,09
e
56,86
x
JA
0,54
0,94
1,27
0,75
0,67
1,16
0,65
SD
58,89
59,65d
59,29d
c
58,43
e
e
d
d
59,08
58,29
58,08
x
PS
0,94
0,69
0,82
0,79
1,11
1,54
0,73
SD
Rodzaj próbki – Type of sample
b
60,61d
60,50c
60,89
59,78
d
cd
c
PC
6,09e
c
59,91
60,20
x
SD
PC
SD
0,02
0,03
0,63
0,97
0,79
0,46
1,23
0,59
0,55
5,81cd
59,95
x
– wartości średnie w tym samym wierszu oznaczone różnymi literami różnią się statystycznie istotnie przy p ≤ 0,05.
– mean values in the same row marked with different letters differ significantly p ≤ 0.05.
1,15
65,62
SD
0
x
K0,6
a
Czas
Time
[min]
a…, f
0,02
0,02
SD
Tabela 3. Zmiany jasności (L*) barwy wyrobów modelowych w czasie naświetlania
Table 3. Changes in lightness (L*) of model products during exposure
a…, e
K0,6
– mean values in the same row marked with different letters differ significantly p < 0.05.
6,21c
pH gotowego wyrobu
pH of final product
a…, e
5,96b
x
pH surowca mięsnego
pH of meat raw
Wyróżnik
Discriminant
Tabela 2. Wartość pH surowca i produktu
Table 2. pH value of the raw material and product
60,37d
60,63c
61,03
b
c
61,19
62,12
b
c
b
60,98
61,05
x
0,03
0,03
SD
1,49
0,92
1,10
0,66
0,73
0,73
1,08
SD
PW
PW
6,24c
5,77d
x
c
60,19d
60,29c
59,30
c
d
59,44
58,98
de
58,97
d
59,46
x
6,53a
6,17a
x
Ż
Ż
0,99
0,61
1,66
1,47
1,36
0,68
0,71
SD
0,05
0,05
SD
0,51
0,41
0,39
0,50
0,36
11,35a
11,18ab
9,51b
d
8,27
7,83c
30
60
120
240
360
7,65c
8,83
c
8,83b
10,66b
10,60b
10,95b
0,51
0,29
0,53
0,91
0,89
1,31
0,79
SD
d
7,54c
8,21
d
9,43b
10,96b
10,28b
10,77b
11,21
x
DR
0,36
1,00
0,43
0,69
1,00
0,43
0,90
SD
g
6,61
6,48d
e
6,23d
6,48e
6,75e
7,46e
7,18
x
JA
0,30
0,43
0,60
0,33
0,49
0,63
0,58
SD
0,25
0,19
0,31
0,28
10,36d
10,63d
d
120
240
360
9,48a
10,19
a
10,35a
11,65a
11,87a
12,08a
PS
0,48
0,43
0,35
0,53
0,61
0,48
0,67
SD
10,72
d
11,04d
10,07d
8,79d
8,68
de
8,54d
8,44d
x
K0,4
0,33
0,28
0,17
0,33
0,27
0,22
0,38
SD
12,31
c
11,96c
10,71c
10,46c
10,32
c
10,07c
9,94c
x
DR
0,65
0,74
0,55
0,50
0,48
0,74
0,57
SD
7,47
8,53
f
8,08f
7,79f
7,64e
f
7,42e
7,05e
x
JA
0,24
0,71
0,27
0,17
0,15
0,27
0,36
SD
16,90
a
17,03a
16,53a
15,37a
15,19
a
14,95a
14,90a
x
PS
0,83
0,67
0,30
0,73
0,52
0,54
0,78
SD
ab
8,91b
9,48
b
9,64b
11,53a
11,81a
11,88a
12,41
x
14,10
b
14,04b
13,79b
12,38b
12,17
b
12,04b
12,06b
x
a…, g
10,97
0,20
8,46
8,81d
60
0,28
8,40d
15
30
0,36
8,13d
0
e
SD
K0,6
x
Czas
Time
[min]
a…, g
a
12,87
x
Tabela 5. Zmiany „żółtości” (b*) barwy wyrobów modelowych w czasie naświetlania
Table 5. Changes in „yellowness” (b*) of model products during exposure
a…, g
cd
11,69
x
K0,4
0,61
11,74a
a…, g
0,67
12,13
0
SD
15
x
K0,6
bc
Czas
Time
[min]
Tabela 4. Zmiany „czerwoności” (a*) barwy wyrobów modelowych w czasie naświetlania
Tabele 4. Changes in „redness” (a*) of model products during exposure
PC
PC
0,60
0,32
0,68
0,43
0,32
0,46
0,58
SD
0,44
0,57
0,54
0,56
0,58
0,63
0,51
SD
e
9,36
e
9,30e
9,21e
8,87d
8,86
d
8,45d
8,20d
x
8,86b
9,27
bc
9,49b
9,40c
9,18c
9,82c
10,61
x
PW
PW
0,51
0,19
0,25
0,34
0,25
0,19
0,29
SD
0,65
0,39
0,61
0,41
0,26
0,40
0,60
SD
f
8,53
f
8,32f
7,68f
6,64f
6,56
g
6,37f
6,20f
x
5,85e
6,19
e
7,14c
7,85d
7,97d
8,38d
8,51
x
Ż
Ż
0,40
0,38
0,25
0,33
0,33
0,33
0,48
SD
0,39
0,46
0,62
0,59
0,51
0,40
0,39
SD
169
Wyroby z dodatkiem jagód acai i pestek winogron charakteryzowały się zdecydowanie niższą wartością współczynnika stabilności barwy (ΔE*) w czasie całego okresu naświetlania w porównaniu do próbek kontrolnych K0,6 i K0,4, a więc większą jej
stabilnością, dlatego można sądzić, iż istnieje możliwość dalszego obniżenia dodatku
azotanu(III) z wykorzystaniem tych dodatków w aspekcie barwy gotowego wyrobu
(rys. 2).
6
5
4
ΔE*
3
2
1
15
30
60
120
240
360
Czas – Time [min]
K0,6
Rys. 2.
Fig. 2.
K0,4
DR
JA
PS
PC
PW
Współczynnik stabilności barwy (ΔE*) wyrobów modelowych w czasie naświetlania
Coefficients of colour stability (ΔE*) of model products during exposure
WNIOSKI
1. Średnie wartości parametrów L*, a* i b* próbek kontrolnych były zbliżone. Dlatego też stwierdzono, że niższa zawartość azotanu(III) sodowego w mieszance peklującej
nie wpływa w znaczący sposób na pogorszenie barwy gotowego wyrobu oraz jej stabilność podczas naświetlania.
2. Dodanie preparatów barwników naturalnych do wyrobów modelowych okazało się
korzystne dla stabilności barwy produktu podczas naświetlania przez 360 minut światłem
o natężeniu 1600 luksów, przy czym najkorzystniejsze działanie w zakresie stabilności
barwy wykazały preparaty zawierające barwniki jagody acai i pestki winogron.
3. Zastosowane preparaty barwników zapewniły większe nasycenie i stabilność
barwy wyrobów modelowych. Stosując preparaty barwników naturalnych można uzyskać przetwory mięsne o korzystnej barwie, przy jednoczesnym obniżeniu dodatku
azotanu(III).
nr 576, 2014
Ż
170
LITERATURA
Adamczak L., Słowiński M., Plewnicka M., 2001. Wpływ wybranych dodatków funkcjonalnych na
jakość niskotłuszczowych kiełbas drobno rozdrobnionych. Mięso i Wędliny (2), 36–44.
Bagnowska A., Krala L., 2012. Stabilność barwy przetworów mięsnych peklowanych bez azotanów. Chłodnictwo 47(11), 40–43.
Bagnowska A., Mostowski R., Krala L., 2011. Stabilność przechowalnicza kiełbasy parzonej, peklowanej bez użycia azotanów(III). Gospodarka Mięsna 63(6), 10–13.
Cegiełka A., 2010. Zastosowanie barwników spożywczych w przetwórstwie mięsa. Gospodarka
Mięsna 62(7), 10.
Cierach M., 2001. Czynniki kształtujące barwę surowców i przetworów mięsnych. Ogólnopolski
Informator Masarski (11), 65–75.
Cierach M., Stasiewicz M., 2007. Wybrane właściwości przetworów mięsnych przechowywanych
w atmosferze modyfikowanej z różnym udziałem dwutlenku węgla i azotu. Inżynieria
Rolnicza 93(5), 45–51.
Clydesdale F., 1978. Colorimetry – metodology and applications. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 10(3),
243–301.
Czajkowska K., Kowalska H., Piotrowski D., 2013. Rola konsumenta w procesie projektowania nowych produktów spożywczych. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych (575),
23–32.
Deda M.S., Bloukas J.G., Fista G.A., 2007. Effect of tomato paste and nitrite level on processing
and quality characteristics of frankfurters. Meat Sci. 76(3), 501–508.
Doménech-Asensi G., García-Alonso F. J., Martínez E., Santaella M., Martín-Pozuelo G., Bravo S.,
Periago M.J., 2013. Effect of the addition of tomato paste on the nutritional and sensory
properties of mortadella. Meat Sci. 93(2), 213–219.
Hayes J.E., Canonico I., Allen P., 2013. Effects of organic tomato pulp powder and nitrite level
on the physicochemical, textural and sensory properties of pork luncheon roll. Meat Sci.
95(3), 755–762.
Olmedilla-Alonso B., Jiménez-Colmenero F., Sánchez-Muniz F.J., 2013. Development and assessment of healthy properties of meat and meat products designed as functional foods. Meat
Sci. 95(4), 919–930.
Østerlie M., Lerfall J., 2005. Lycopene from tomato products added minced meat: Effect on storage
quality and colour. Food Res. Int. 38(8–9), 925–929.
Pegg R.B., Shahidi F., 2000. Nitrite curing of meat, the N-nitrosamine problem and nitrite alternatives. Food and Nutrition Press, Inc., 23–104.
Semeriak K., Jarmoluk A., 2011.Wpływ naturalnych antyoksydantów na barwę peklowanych przetworów mięsnych. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 77(4), 138–150.
StartSoft, Inc. 2011. STATISTICA (data analysis software system), version 10. www.startsift.com.
COLOUR OF MODEL PROCESSED MEAT WITH THE ADDITION OF
PREPARATIONS WITH NATURAL DYES AND REDUCED NITRATE(III)
SODIUM CONTENT
Summary. Colour and its stability is a basic hallmark of quality and a very important criterion for consumer desirability of processed meat. Curing process of nitrate(III) sodium is
commonly used in the production, which provides a red-pink colour, and enhances the stability of the desired flavor characteristics. However the nitrate(III) sodium is toxic therefore
the trend is to reduce the amount of this compound.
The aim of this study was to determine the effect of preparations containing natural dyes on
the colour of model meat and its durability reducing additive nitrate(III) sodium.
The research material was finely comminuted processed pork meat type block luncheon
meat with the addition of a variety of natural colours. Preparations of briar, acai berry, sweet
pepper, cayenne peppers, grapes and cranberries were used. The pH values of the meat raw
material and the finished product were determined. Colour parameters: lightness (L*), „redness” (a*), and „yellowness” (b*) was measured on a cross section after cutting (time 0),
15 min, 30 min, 60 min, 120 min, 240 min and 360 min with the colorimeter. The sample
was illuminated by light 1600 lux (corresponding to the conditions in refrigerated counters).
On this basis the saturation (C*) and colour stability factor (ΔE*) were calculated.
Initial colour lightness (L*) of model products ranged from 56.86 to 65.62, „redness” (a*)
7.18–12.87 and „yellowness” (b*) 6.20–14.90. Statistical differences in „redness” and „yellowness” of colour between individual samples were observed for the same exposure times
depending on the type of added preparations. Used dye preparations provided higher saturation and colour stability of model products.
Key words: processed meat, natural dyes, nitrate(III) sodium, colour parameters
nr 576, 2014
171
nr 576, 2014, 173–183
WPŁYW WYBRANYCH CZYNNIKÓW NA DOKŁADNOŚĆ
OZNACZENIA PARAMETRÓW TERMODYNAMICZNYCH
TŁUSZCZU KAKAOWEGO PRZY UŻYCIU RÓŻNICOWEJ
KALORYMETRII SKANINGOWEJ DSC
Jolanta Tomaszewska-Gras
Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu
Streszczenie. W pracy zbadano wpływ takich czynników, jak prędkość schładzania/
/ogrzewania oraz sposób kalibracji aparatu DSC na dokładność oznaczeń temperatury
[°C], entalpii [J·g–1] oraz wysokości pików (bezwzględna wartość maksymalna strumienia cieplnego) [W·g–1] w procesie topnienia/krystalizacji tłuszczu kakaowego. Stosowano następujące prędkości: 1, 2, 5, 10, 20°C·min–1. W wyniku przeprowadzonych badań
zaobserwowano, że prędkość schładzania/ogrzewania ma istotny wpływ na temperaturę,
entalpię oraz wysokości pików krystalizacji/topnienia. Im większa prędkość schładzania/ogrzewania, tym mniejsza temperatura i entalpia krystalizacji/topnienia. Największe
różnice w wartościach temperatur, wynoszące ok. 9°C, stwierdzono pomiędzy wynikami
uzyskanymi dla prędkości 1 i 20°C·min–1 w procesie krystalizacji tłuszczu kakaowego.
Z kolei wysokość pików wzrasta wraz ze wzrostem prędkości, co ma istotne znaczenie
dla czułości metody, którą można zwiększyć przez zwiększenie prędkości dla przemian
o niskiej entalpii czy próbek rozcieńczonych. Istotnym aspektem analitycznym jest także
sposób kalibracji aparatury. Przeprowadzone doświadczenia wykazały, że stosując różne prędkości ogrzewania czy chłodzenia konieczna jest kalibracja dla danej prędkości.
Największe różnice w oznaczeniu wartości temperatur przy zastosowaniu różnych procedur kalibracji, wynoszące 4°C, stwierdzono dla procesu krystalizacji przy prędkości
20°C·min–1.
Słowa kluczowe: tłuszcz kakaowy, topnienie, krystalizacja, różnicowa kalorymetria skaningowa DSC, dokładność
*Praca wykonana w ramach projektu Nr NN312 260538 finansowanego przez Narodowe Centrum
Nauki.
Adres do korespondencji – Corresponding author: Jolanta Tomaszewska-Gras, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wydział Nauk o Żywności i Żywieniu, Katedra Zarządzania Jakością Żywności, ul. Wojska Polskiego 31, 60-624 Poznań, e-mail: [email protected]
174
J. Tomaszewska-Gras
WSTĘP
Jakość badań naukowych w dużym stopniu zależy od rodzaju stosowanej aparatury oraz dokładności pomiarów uzyskanych przy jej użyciu. Różnicowa kalorymetria
skaningowa DSC jest wykorzystywana jako metoda termoanalityczna w rutynowych
badaniach np. polimerów czy farmaceutyków. Znajduje ona także zastosowanie w badaniach procesów zachodzących w żywności, takich jak np. topnienie i krystalizacja
tłuszczów, zachowanie się wody w produktach [Serowik 2012], kleikowanie skrobi
czy denaturacja białek. DSC jest także podstawową techniką wykorzystywaną w badaniu parametrów topnienia tłuszczów jadalnych, a szczególnie tłuszczu kakaowego, ze
względu na jego polimorfizm [Cebula i in. 1992, Loisel i in. 1998, Bricknell i Hartel
1998]. Jest ona także jedną z oficjalnie przyjętych metod analitycznych przez AOCS
jako metoda badania olejów i tłuszczów [AOCS, 2009]. International Confederation for
Thermal Analysis and Calorimetry (ICTAC) definiuje DSC jako technikę badawczą,
w której mierzy się zmiany różnicy strumieni cieplnych (różnicy mocy cieplnej) do
próbki i do próbki odniesienia, występujące pod wpływem narzuconego próbkom reżimu temperaturowego [Hemminger i in. 1998]. Podobną definicję DSC zawiera norma
PN-EN ISO 11357-1:2009.
Każdą metodę analityczną powinna cechować wysoka dokładność, rozumiana jako
poprawność i precyzja [PN-ISO 5725-1]. W celu określenia stopnia przydatności metody kluczowe znaczenie ma poznanie czynników wpływających na dokładność wyników pomiaru. Dla techniki DSC można wyróżnić trzy grupy czynników wpływających
na uzyskiwany sygnał:
1. Czynniki instrumentalne związane ze stosowaną aparaturą, szczegółami jej konstrukcji, sposobem przygotowania aparatury do badań.
2. Czynniki związane z metodyką badań.
3. Czynniki związane z fizyczną naturą substancji analizowanej.
Dla metody DSC czynniki instrumentalne, które są wspólne dla wszystkich badanych substancji, to: klasa dokładności zastosowanej aparatury, sposób umieszczenia
próbek w komorze grzewczej/chłodzącej, rodzaj i sposób rozmieszczenia termoelementów, rodzaj zastosowanej substancji wzorcowej, rodzaj gazu wypełniającego komorę, sposób kalibracji urządzenia. Czynniki związane z metodyką pomiaru to m.in.
stosowana w pomiarze prędkość ogrzewania (lub chłodzenia), masa próbki, rodzaj naczynek. W przypadku substancji niejednorodnych, organicznych o złożonym składzie,
takich jak np. żywność, należy jeszcze wziąć pod uwagę czynniki związane z naturą
badanej próbki. W przypadku badania tłuszczu kakaowego duże znaczenie dla wyniku
analizy DSC ma polimorfizm tego tłuszczu.
W celu optymalizacji metody badania procesu topnienia i krystalizacji tłuszczu
kakaowego w pracy przeanalizowano wpływ prędkości ogrzewania/chłodzenia oraz
wpływ sposobu kalibracji na dokładność oznaczenia parametrów termodynamicznych
tłuszczu kakaowego.
Wpływ wybranych czynników na dokładność oznaczenia parametrów...
175
MATERIAŁY I METODY
Materiał do badań stanowił tłuszcz kakaowy dostarczony przez firmę ADM w Szamotułach, a wyprodukowany przez firmę deZaan w Holandii. Do badań wykorzystano różnicowy kalorymetr skaningowy DSC 7 firmy Perkin Elmer sprzężony z urządzeniem chłodzącym Intracooler II oraz oprogramowaniem Pyris, wersja 10.1. Kalorymetr
kalibrowano dla każdej badanej prędkości (1, 2, 5, 10, 20°C·min–1) za pomocą dwóch
wzorców, tj. indu (t.t. 156,6°C, ∆Hf = 28,45 J·g–1) oraz n-dodekanu (t.t. –9.65°C, ∆Hf =
= 216,73 J·g–1). Próbki o masie 10 ±0,5 mg naważano do naczynek o pojemności 20 μL
(Perkin Elmer, Nr 0219-0062) i hermetycznie zamykano. Analizę przeprowadzano w atmosferze azotu o czystości 99,999%. Analiza DSC składała się z następujących etapów:
1. Ogrzewanie do 50°C przez 5 minut w celu stopienia wszystkich kryształów.
2. Krystalizacja w zakresie temperatur od 50 do –40°C.
3. Topnienie w zakresie temperatur od –40 do 50°C.
Wszystkie oznaczenia wykonane były w trzech powtórzeniach. Na podstawie uzyskanych krzywych topnienia i krystalizacji analizowano następujące parametry:
• temperaturę początku przemiany – Tonset (wyznaczoną jako styczną do piku), temperaturę maksimum przemiany – Tpeak,
• entalpię topnienia i krystalizacji ΔH (J·g–1) – wyznaczoną jako powierzchnia piku,
• wysokość piku topnienia i krystalizacji – bezwzględna wartość maksymalna strumienia cieplnego h [W·g–1].
Analiza statystyczna wyników obejmowała jednoczynnikową analizę wariancji
(ANOVA), wykonaną przy wykorzystaniu oprogramowania Statistica (wersja 10). Jednorodność wariancji sprawdzono testem Hartleya-Cochorna-Bartletta. Istotność różnic
pomiędzy średnimi zbadano za pomocą analizy wariancji jednoczynnikowej ANOVA
oraz testu post hoc Tukeya przy założonym poziomie istotności α = 0,05. Przeprowadzono również analizę korelacji liniowej Pearsona, dla której wyznaczono współczynniki
determinacji R2.
WYNIKI I DYSKUSJA
Wpływ prędkości schładzania/ogrzewania na parametry termodynamiczne
procesu krystalizacji/topnienia tłuszczu kakaowego
W pierwszej kolejności wykonano doświadczenie mające wyjaśnić wpływ prędkości
chłodzenia i ogrzewania na proces krystalizacji i topnienia tłuszczu kakaowego. W tym
celu badano temperatury, entalpię przemiany fazowej oraz wysokości piku w zależności od
zastosowanej prędkości schładzania i ogrzewania próbek tłuszczu kakaowego: 1, 2, 5, 10,
20°C·min–1. Na rysunku 1 przedstawiono krzywe DSC krystalizacji tłuszczu kakaowego,
w zależności od zastosowanej prędkości schładzania. W celu wyeliminowania wpływu
opóźnienia cieplnego, kalorymetr był każdorazowo kalibrowany na daną prędkość. Na
uzyskanych krzywych krystalizacji zaobserwowano istotny wpływ prędkości schładzania
zarówno na kształt krzywej, jak i na wartości parametrów termodynamicznych. Temperatury Tpeak oraz Tonset maleją liniowo wraz ze wzrostem prędkości schładzania (rys. 2).
Uzyskane wyniki wskazują, że krystalizacja mieszaniny triacylogliceroli, jaka znajduje
nr 576, 2014
176
J. Tomaszewska-Gras
Rys. 1.
Krzywe krystalizacji tłuszczu kakaowego uzyskane dla różnych prędkości schładzania: 1,
2, 5, 10, 20°C·min–1
Fig. 1.
DSC curves of cocoa fat crystallization with various cooling rates: 1, 2, 5, 10, 20°C·min–1
się w tłuszczu kakaowym, przebiega inaczej niż w przypadku substancji jednorodnych,
gdzie temperatura Tonset dla różnych prędkości pozostaje taka sama, jedynie temperatura
piku ulega zmianom w związku z powiększaniem się piku, jego wysokości i szerokości
[Araújo i in. 2010].
Na rysunku 1 można zaobserwować również zmiany w kształcie krzywej oraz w wysokości piku topnienia, która zwiększa się liniowo wraz ze wzrostem prędkości schładzania (rys. 2). Wzrost wysokości piku wraz ze wzrostem prędkości chłodzenia wynika
z następującej zależności:
dQ
dt
M
gdzie:
Cp
dT
dt
Cp E
(1)
φ – strumień cieplny [J·s–1],
Q – ciepło [J],
t – czas [s],
Cp – pojemność cieplna [J·°C–1],
T – temperatura [°C],
β – prędkość ogrzewania/schładzania [°C·s–1].
4
temperatura piku dla krystalizacji
temperatura piku dla topnienia
30
25
y = –0,15x + 22,03
R² = 0,79
20
15
y = –0,53x + 14,88
R² = 0,99
10
5
0
0
5
10
15
Prędkość schładzania/ogrzewania
Scanning rate [°C·min–1]
Rys. 2.
20
Wysokość piku – Peak height [W·g–1]
Temperatura – Temperature [°C]
35
Fig. 2.
177
wysokość piku krystalizacji
wysokość piku topnienia
3
y = 0,12x + 0,14
R² = 0,99
2
y = 0,10x + 0,25
R² = 0,98
1
0
0
5
10
15
Prędkość schładzania/ogrzewania
20
Zależność temperatury krystalizacji/topnienia (Tpeak) oraz wysokości piku (h) od prędkości schładzania/ogrzewania
Relationship between crystallization/melting temperature (Tpeak), peak height (h) and cooling/heating rate
Zmiana kształtu krzywej krystalizacji polegająca na pojawianiu się jednego lub dwóch
pików świadczy z kolei o wpływie prędkości schładzania na proces przemiany fazowej,
uwarunkowany zdolnością tłuszczu kakaowego do krystalizacji w różnych formach polimorficznych. Świadczą o tym także zmiany temperatur (Tonset i Tpeak), dla których średnia
różnica między najmniejszą i największą prędkością wynosiła około 9°C. Różnice pomiędzy średnimi wartościami temperatur i wysokości pików dla różnych prędkości były
istotne statystycznie. Jedynie średnie wartości temperatur dla prędkości 1 i 2°C·min–1 nie
różniły się istotnie.
Na rysunku 3 przedstawiono krzywe topnienia uzyskane w wyniku wcześniej przeprowadzonej krystalizacji. Próbki tłuszczu kakaowego ogrzewano analogicznie jak
w przypadku krystalizacji, tj. przy zastosowaniu prędkości ogrzewania 1, 2, 5, 10,
20°C·min–1. Można zaobserwować podobne jak w przypadku krystalizacji zmiany wysokości pików i kształtu krzywej topnienia. Zmiany te charakteryzują się pojawianiem
się dwóch pików dla większych prędkości (5, 10, 20°C·min–1) oraz jednego piku dla
prędkości 1 i 2°C·min–1. Ten fakt może świadczyć także o tworzeniu się różnych form
nr 576, 2014
178
Rys. 3.
Fig. 3.
J. Tomaszewska-Gras
Krzywe DSC topnienia tłuszczu kakaowego uzyskane dla różnych prędkości ogrzewania
1, 2, 5, 10, 20°C·min–1
DSC curves of cocoa fat melting with various heating rates: 1, 2, 5, 10, 20°C·min–1
polimorficznych. W przypadku krzywych topnienia odnotowano podobną zależność,
tzn. wraz ze zwiększaniem prędkości zwiększa się wysokość piku topnienia, zgodnie
z wcześniej opisanym wzorem (1).
Wszystkie wartości średnie wysokości piku różniły się pomiędzy sobą istotnie. Temperatura topnienia (Tpeak) z kolei malała liniowo wraz ze wzrostem prędkości ogrzewania (podobnie jak w przypadku krystalizacji), jednakże współczynnik nachylenia prostej
(rys. 2) był mniejszy niż dla krystalizacji (równy –0,15), a różnice pomiędzy średnimi
wartościami temperatur nie były istotne statystycznie.
W tabeli 1 przedstawiono wyniki oznaczenia entalpii krystalizacji i topnienia w zależności od prędkości schładzania/ogrzewania. Można zaobserwować, że zarówno dla krystalizacji, jak i topnienia wartość entalpii obniża się wraz ze zwiększaniem się prędkości
schładzania/ogrzewania, co może także potwierdzać fakt tworzenia się różnych form polimorficznych, tj. im większa prędkość, tym mniej stabilna forma tworzy się o mniejszej
entalpii przemiany fazowej.
179
Tabela 1. Wpływ prędkości schładzania/ogrzewania na entalpię procesu krystalizacji i topnienia
tłuszczu kakaowego
Table 1. The effect of cooling/heating rate on crystallization and melting enthalpy of cocoa fat
Prędkość
Scanning rate
[°C·min–1]
Entalpia przemiany fazowej tłuszczu kakaowego [J·g–1]
Enthalpy of phase transition of cocoa fat [J·g–1]
krystalizacji
crystallization
topnienia
melting
1
–84,28 ±0,88a
85,62 ±3,15a
2
–80,95 ±1,20b
82,35 ±2,2ab
5
b
–80,74 ±0,8
80,39 ±1,29ab
10
b
–80,66 ±1,48
79,92 ±1,1ab
20
–76,05 ±1,31c
78,24 ±0,58b
± odchylenie standardowe dla n = 3 powtórzeń.
± standard deviation n = 3.
a,b
– te same litery oznaczają grupy jednorodne (α = 0,05).
a,b
– the same letters mean homogenousgroups (α = 0.05).
Podsumowując, można stwierdzić, że wraz ze wzrostem prędkości schładzania/
/ogrzewania maleją temperatura oraz entalpia krystalizacji/topnienia triacylogliceroli
zawartych w tłuszczu kakaowym. To twierdzenie jest zgodne z wynikami badań uzyskanymi dla innych tłuszczów jadalnych, np. dla tłuszczu mlecznego [Lopez i in. 2005]
oraz olejów roślinnych [Herrera 1992, Che Man i Tan 2000, Tan i Che Man 2002a,
b]. Powyższe wyniki dowodzą, że stosowanie jednakowej prędkości w danym eksperymenie jest ważne dla uzyskania porównywalnych wyników badań. Zastosowanie
większych prędkości schładzania/ogrzewania w procedurze badawczej może mieć znaczenie w przypadku konieczności podwyższenia czułości metody DSC. Wysokość pików topnienia czy krystalizacji zwiększa się wraz ze wzrostem prędkości. Można w ten
sposób wzmacniać efekty dla przemian fazowych o niskiej entalpii lub w przypadku
bardzo małej ilości badanej próbki, np. próbki rozcieńczonej. Jednakże trzeba mieć na
uwadze, że powiększanie pików (szczególnie szerokości) skutkuje utratą dobrej rozdzielczości pików.
Wpływ kalibracji na pomiar parametrów termodynamicznych tłuszczu
kakaowego
Przed rozpoczęciem właściwych badań priorytetem jest właściwa kalibracja aparatury. Znaczenie kalibracji pokazano na rysunku 4, gdzie przedstawiono temperatury
topnienia substancji wzorcowej – indu, uzyskane na nieskalibrowanym aparacie DSC
przy zastosowaniu różnych prędkości ogrzewania (1, 2, 5, 10, 20°C·min–1).
Jak można zaobserwować na wykresie 4, dla prędkości 1°C·min–1 uzyskano niższe wartości temperatury topnienia (Tonset) od wartości rzeczywistej (156,6°C), którą
przedstawiono za pomocą ciągłej linii prostej. W przypadku pozostałych prędkości
ogrzewania oznaczone wartości temperatur topnienia były wyższe od wartości prawdziwej. Analogiczne wyniki uzyskano dla drugiej substancji wzorcowej, tj. n-dodekanu, którego temperaturę topnienia (–9,65°C) przedstawiono na rysunku 4 za pomocą
nr 576, 2014
J. Tomaszewska-Gras
180
170
Temperatura topnienia indu
Indium melting temperature [°C]
n-dodekan
165
10
160
5
ind – temperatura wzorcowa
155
0
150
–5
n-dodekan – temperatura wzorcowa
145
–10
140
–15
0
Rys. 4
Fig. 4.
Temperatura topnienia n-dodekanu
n-dodecan melting temeprature [°C]
15
ind
5
10
15
20
Prędkość ogrzewania – Heating rate [°Cmin–1]
25
Wpływ prędkości ogrzewania na temperaturę topnienia indu oraz n-dodekanu dla nieskalibrowanego aparatu DSC. Linia ciągła – wartość prawidłowa temperatury topnienia indu
(156,6°C), linia przerywana – wartość prawidłowa temperatury topnienia n-dodekanu
(–9,65°C)
Effect of heating rate on the melting temperature of indium and n-dodecane obtained
by non-calibrated DSC. The solid line – the correct value for the melting point of indium (156.6°C), the dotted line – the correct value of the melting point of n-dodecan
(–9.65°C)
przerywanej linii prostej. Powyższe wyniki dowodzą, że bez przeprowadzenia kalibracji uzyskuje się temperatury topnienia odbiegające od wartości prawdziwej. Kolejnym
problemem jest sposób kalibracji przy zmianie prędkości ogrzewania czy chłodzenia.
W przypadku prowadzenia badań stale przy jednej prędkości aparat kalibruje się na
stosowaną prędkość, z kolei gdy prędkości zmienia się w trakcie badań, powstaje pytanie, czy konieczna jest kalibracja przy każdej zmianie. Dlatego celem tego etapu badań
było porównanie wyników oznaczenia parametrów topnienia i krystalizacji tłuszczu
kakaowego przy zastosowaniu dwóch następujących procedur kalibracji:
1. Jednorazowa kalibracja dla wybranej prędkości, w tym przypadku 5°C·min–1, analiza procesu topnienia i krystalizacji dla prędkości 1, 2, 5, 10, 20°C·min–1 .
2. Każdorazowa kalibracja oraz analiza na daną prędkość, tj. 1, 2, 5, 10, 20°C·min–1.
Na rysunku 5 przedstawiono wykresy, gdzie porównano temperatury pików krystalizacji i topnienia uzyskane po każdorazowej kalibracji i kalibracji na jedną prędkość
(5°C·min–1).
Stwierdzono, że sposób kalibracji miał największe znaczenie w przypadku badania
procesu krystalizacji, gdyż różnice w oznaczonych temperaturach wynosiły średnio
4°C dla próbek badanych przy prędkości chłodzenia 20°C·min–1. Dla niższych prędkości różnice były mniejsze, wynosiły 1°C. Dla procesu topnienia różnice pomiędzy
wartościami temperatur oznaczonych przy zastosowaniu dwóch procedur kalibracji
były natomiast małe dla wszystkich prędkości ogrzewania i mieściły się w zakresie od
1 do 1,5°C.
A
B
kalibracja – prędkość 5°C·min–1
kalibracja dla każdej prędkosci
15
y = –0,29x + 13,89
R2 = 0,98
10
5
y = –0,53x + 14,87
R2 = 0,99
0
0
5
10
15
Prędkość chłodzenia
20
30
20
181
kalibracja – prędkość 5°C·min–1
kalibracja dla każdej prędkości
25
y = –0,005x + 20,91
R2 = 0,01
20
y = –0,15x + 22,03
R2 = 0,77
15
10
0
5
10
15
20
Prędkość ogrzewania
Rys. 5.
Wpływ zastosowanej procedury kalibracji na wyniki oznaczenia temperatury krystalizacji (A) i topnienia (B) tłuszczu kakaowego przy zastosowaniu różnych prędkości ogrzewania/chłodzenia – 1, 2, 5, 10, 20°C·min–1
Fig. 5.
Effect of the applied calibration procedure on the results of the crystallization (A) and
melting point (B) of cocoa butter using various cooling/heating rates – 1, 2, 5, 10,
20°C·min–1
WNIOSKI
Prędkość schładzania/ogrzewania ma wpływ na profil oraz wartości parametrów
krystalizacji i topnienia tłuszczu kakaowego. Wraz ze wzrostem prędkości schładzania/
/ogrzewania maleje temperatura oraz entalpia krystalizacji/topnienia triacylogliceroli zawartych w tłuszczu kakaowym, wzrasta natomiast wysokość pików topnienia/krystalizacji, przez co zwiększa się czułość metody. Istotne znaczenie dla uzyskania dokładnych
wyników badań ma kalibracja aparatu DSC. Stwierdzono, że każdorazowa kalibracja
przy zmianie prędkości jest szczególnie istotna przy badaniu procesu krystalizacji, różnica w oznaczonych temperaturach wynosiła 4°C dla prędkości 20°C·min–1.
LITERATURA
Araújo A.A.S., Bezerra M.S., Storpirtis S., Matos J.R., 2010. Determination of the melting temperature, heat of fusion, and purity analysis of different samples of zidovudine (AZT) using
DSC. Brazilian Journal of Pharmaceutical Sciences 46, 38–43.
AOCS Official Method Cj 1-94: 2009. DSC Melting Properties of Fats and Oils
Bricknell J., Hartel R.W., 1998. Relation of fat bloom in chocolate to polymorphic transition of
cocoa butter. J. Amer. Oil Chem. Soc. 75(11), 1609–1616.
Cebula D.J., Smith K.W., Talbot G., 1992. DSC of Confectionery Fats, Pure Triglycerides. Effects
of Cooling and Heating Rate Variation. Manufacturing Confectioner 9, 135–139.
nr 576, 2014
182
J. Tomaszewska-Gras
Che Man Y.B.C., Tan C.P., 2002. Comparative differential scanning calorimetric analysis of vegetable oils: II. Effects of cooling rate variation. Phytochemical Analysis 13, 142–151.
Hemminger W., Wilburn F.W., Gravelle P.C., Haglund B.O., Hianes P.J., Hakvoort G., Ohlyba M.,
Simon J., Sarge S.M., 1998. ICTAC Nomenclature Committee Report: „Recommendation for Names and Definitions in Thermal Analysis and Calorimetry”. ICTAC News
31(2), 107–122.
Herrera M.L., Segura J.A., Rivarola G.J., Añón M.C., 1992. Relationship between cooling rate and
crystallization behavior of hydrogenated sunflowerseed oil. Journal of the American Oil
Chemists’ Society 69, 898–905.
Loisel C., Keller G., Lecq G., Bourgaux C., Ollivon M., 1998. Phase Transition and Polymorphism
of Cocoa Butter. Journal of the American Oil Chemists’ Society 75, 425–439.
Lopez C., Lesieur P., Bourgaux C., Ollivon M., 2005. Thermal and structural behavior of anhydrous
milk fat. 3. Influence of Cooling Rate. Journal of Dairy Science 88, 511–26.
PN-ISO 5725-1:2002. Dokładność (poprawność i precyzja) metod pomiarowych i wyników pomiarów – Część 1: Ogólne zasady i definicje.
PN-EN ISO 11357-1:2009. Tworzywa sztuczne – Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC)
– Część 1: Zasady ogólne.
Serowik M., 2012. Procesowa charakterystyka liofilizacji pieczarek wykonana z wykorzystaniem
różnicowej kalorymetrii skaningowej. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych
570, 79–85.
Tan C.P., Che Man Y.B., 2002a. Comparative differential scanning calorimetric analysis of vegetable oils: I. Effects of heating rate variation. Phytochemical Analysis 13, 129–141.
Tan C.P., Che Man Y.B., 2002b. Differential scanning calorimetric analysis of palm oil, palm oil
based products and coconut oil: Effects of scanning rate variation. Food Chemistry 76,
89–102.
THE EFFECT OF SELECTED FACTORS ON THE ACCURACY
OF THERMODYNAMIC PARAMETERS DETERMINATION OF COCOA FAT
BY USING DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY DSC
Summary. Each analytical method should characterize high accuracy, understood as trueness and precision, linearity and stability, i.e. resistance to various factors. Recently DSC
has been proposed as an analytical technique for the analysis of food and pharmaceuticals.
In food research DSC technique is a tool used, inter alia, to study the behaviour of cocoa
fat, as a component of chocolate, which is subject to a number of polymorphic transitions.
Precision of DSC measurement is determined by several factors such as equipment, operator, measurement procedure, sample preparation, etc. Hence the aim of this study was
to investigate the effect of such factors as the cooling/heating rate and procedure of DSC
calibration on the determination of temperature, enthalpy and peak height of cocoa butter
crystallization /melting. The process of melting and crystallization of cocoa fat was examined using following scanning rates: 1, 2, 5, 10, 20°C·min–1. Based on the obtained results it
was observed that the rate of cooling/heating has a significant influence on the temperature,
enthalpy and peak height of crystallization and melting. The higher of scanning rate, the
lower of crystallization/melting temperature and enthalpy of phase transition, which proves the formation of different polymorphic forms. The largest differences in temperature
values, amounting to about 9°C, were found between cooling rate 1 and 20°C·min–1 in the
crystallization process of cocoa butter. In turn, the height of the crystallization or melting
peaks increases with increasing scanning rate. By selection of the appropriate rate it is
possible to increase the sensitivity of DSC measurements, which could be important for
phase transitions with low enthalpy, or in the case of a very small amount of the sample,
e.g. diluted sample. However, it should be taken into account that the increase of the peaks
(especially the width) results in the loss of good resolution of the peaks. An important
aspect is also a procedure used for calibrating the apparatus. The experiments carried out
have shown that a calibration of DSC is needed at each change of scanning rate. The greatest differences in the values of temperature, using different calibration procedures, were
recorded in the case of crystallization process with high cooling rate 20°C·min–1 and they
amounted to about 4°C.
Key words: cacao fat, melting, crystallization, differential scanning calorimetry DSC,
accuracy
nr 576, 2014
183
nr 576, 2014, 185–193
WŁAŚCIWOŚCI WYBRANYCH KONCENTRATÓW
β-GLUKANU JAKO POTENCJALNYCH SKŁADNIKÓW
PRZETWORÓW MIĘSNYCH
Andrzej Tyburcy, Joanna Miazek
Streszczenie. Celem pracy była ocena wybranych właściwości trzech koncentratów β-glukanu (dwóch z owsa i jednego z jęczmienia). Porównano je z cechami preparatu błonnika pszennego Vitacel® WF-200, stosowanego w polskim przemyśle mięsnym. Oznaczono
wodochłonność preparatów przed i po obróbce cieplnej metodą wirówkową oraz oceniono
ich barwę (instrumentalnie i sensorycznie). W przypadku koncentratów β-glukanu z owsa
i jęczmienia określono również intensywność zapachu zbożowego. Wodochłonność koncentratów z owsa wzrastała po obróbce cieplnej (ponad dwukrotnie) i była wtedy istotnie
większa niż wodochłonność koncentratu z jęczmienia i preparatu WF-200. Przed obróbką
cieplną zależność ta była odwrotna. Koncentraty z owsa charakteryzowały się większą jasnością (L*) oraz mniejszymi parametrami a* i b* niż koncentrat z jęczmienia. Barwa
koncentratów β-glukanu z owsa i jęczmienia była ciemniejsza niż preparatu WF-200. Koncentraty z owsa charakteryzowały się mniejszą intensywnością zapachu zbożowego niż
koncentrat z jęczmienia. Właściwości koncentratów z owsa ocenianych jako potencjalne
dodatki do przetworów mięsnych były lepsze niż koncentratu z jęczmienia.
Słowa kluczowe: β-glukan, wodochłonność, barwa, przetwórstwo mięsa
WSTĘP
Koncentraty β-glukanu wykorzystywane w technologii żywności otrzymywane są
głównie z owsa, jęczmienia oraz drożdży (Saccharomyces cerevisiae) [Świderski i Waszkiewicz-Robak 2002, Krupińska i Zegan 2011]. W zależności od pochodzenia β-glukan
różni się pod względem struktury chemicznej i aktywności biologicznej. β-glukany pochodzące ze zbóż mają zdolność obniżania stężenia cholesterolu i cukru we krwi, jak
również przyczyniają się do utrzymania prawidłowej masy ciała. Przypisuje się im takAdres do korespondencji – Corresponding author: Andrzej Tyburcy, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Nauk o Żywności, Zakład Technologii Mięsa, ul. Nowoursynowska 159c, 02-787 Warszawa, e-mail: [email protected]
186
A. Tyburcy, J. Miazek
że lecznicze działanie w przypadku stanów zapalnych błony śluzowej przewodu pokarmowego oraz wpływ na wzrost odporności organizmu [Gibiński 2008, Jurczyńska i in.
2012]. Glukany wyizolowane z drożdży mają działanie przeciwzakaźne, antyrakotwórcze i immunostymulujące. β-glukan, niezależnie od pochodzenia, posiada właściwości
prebiotyczne – wspomaga rozwój korzystnej mikroflory jelitowej [Krupińska i Zegan
2011]. Owies i jęczmień zawierają największe ilości β-glukanu. Zawartość tego związku w jęczmieniu wynosi 2–8%, a w niektórych, tzw. woskowych odmianach, jego ilość
może sięgać 15% [Burkus i Temelli 1999, Michałowska i in. 2011].
Lee i Inglett [2007] opisali sposób wytwarzania w warunkach laboratoryjnych koncentratu C-Trim30 zawierającego 32% β-glukanu przy zastosowaniu obróbki hydrotermicznej. Zawiesina otrąb owsianych w wodzie była w tej metodzie poddawana ogrzewaniu. Fazę płynną oddzielano od części stałych przez następujące kolejno odsączenie
na sicie i wirowanie. Otrzymany supernatant był suszony w suszarce walcowej. Warunki
otrzymywania koncentratów β-glukanu, jak również przetwarzania i przechowywania
żywności z ich dodatkiem mogą wpłynąć na jego strukturę (masę cząsteczkową), właściwości technologiczne i aktywność biologiczną [Gibiński 2008, Lange 2010, Krupińska
i Zegan 2011].
Udokumentowany wpływ β-glukanu na obniżenie lub utrzymanie prawidłowego
stężenia cholesterolu we krwi spowodował, że wydano rozporządzenia Komisji UE
1160/2011, 1048/2012 i 432/2012 dopuszczające stosowanie oświadczeń zdrowotnych
w przypadku produktów spożywczych zawierających co najmniej 1 g β-glukanu pochodzącego z owsa lub jęczmienia na określoną ilościowo porcję. Warunkiem zastosowania
tych oświadczeń jest obowiązek poinformowania konsumenta, że korzystny efekt występuje przy dziennym spożyciu tego składnika w ilości 3 g. Dopuszczono także stosowanie
oświadczenia zdrowotnego dotyczącego wpływu β-glukanu z owsa lub jęczmienia na
ograniczenie wzrostu poziomu glukozy we krwi po posiłku [Rozporządzenie Komisji
432/2012]. Oświadczenie to może być stosowane wyłącznie w odniesieniu do żywności
zawierającej co najmniej 4 g β-glukanu na każde 30 g węglowodanów przyswajalnych
w określonej ilościowo porcji w ramach posiłku. Istnieje również Decyzja Wykonawcza
Komisji [2011/762/UE] dopuszczająca do obrotu w Unii β-glukany z drożdży. Dopuszczone są poziomy ich stosowania w zakresie 80–670 mg czystego β-glukanu/100 g w różnych produktach spożywczych, m.in. wyrobach cukierniczych, mieszankach śniadaniowych i zupach w proszku. Wśród nich nie ma jednak przetworów mięsnych. Obecny
stan prawny w UE pozwala zatem na stosowanie jako dodatku do przetworów mięsnych
jedynie koncentratów β-glukanu otrzymanych z owsa lub jęczmienia.
β-glukan obok aktywności biologicznej posiada również cechy hydrokoloidu, które
mają znaczenie w przetwórstwie mięsa: wiązania wody, zwiększania lepkości, stabilizacji
emulsji i żelowania. Hydrokoloidy są wykorzystywane w technologii wyrobów mięsnych
o obniżonej zawartości tłuszczu, w których wycofywany z receptury tłuszcz zastępowany jest wodą. W tego rodzaju produktach próbowano zastosować preparaty zawierające
β-glukan otrzymane z owsa lub jęczmienia. Pinero i inni [2008] porównywali właściwości
wołowych kotlecików zawierających po obróbce cieplnej 12 lub 8% tłuszczu. W wariancie o mniejszej zawartości tego składnika surowiec tłuszczowy był zastępowany uwodnionym (w stosunku 1 : 4) preparatem Nutrim-10® otrzymanym z owsa, zawierającym
przed uwodnieniem 10% β-glukanu.
Właściwości wybranych koncentratów β-glukanu jako potencjalnych składników...
187
Koncentrat β-glukanu otrzymany z jęczmienia o zawartości 76% czystego związku
zastosowano przy produkcji kiełbasek śniadaniowych, w których zmniejszano zawartość
tłuszczu od 15 do 10% [Morin i in. 2002, Morin i in. 2004]. Gotowe wyroby zawierały
0,3 lub 0,7 g β-glukanu w 100 g.
Zdaniem Petersson i innych [2014], użycie koncentratu β-glukanu z jęczmienia (o zawartości 22% czystego związku) jest bardziej uzasadnione w przypadku smażonych
pulpetów wołowych niż wieprzowo-wołowych kiełbas o obniżonej zawartości tłuszczu.
Koncentrat ten wykazywał bowiem słabą zdolność żelowania, co wpływało na wytworzenie zbyt miękkiej tekstury kiełbas i zmniejszenie ich ogólnej pożądalności konsumenckiej. W przypadku smażonych pulpetów powodował natomiast zmniejszenie ubytków po
obróbce cieplnej oraz zwiększenie soczystości przy braku istotnego wpływu na ogólną
pożądalność konsumencką.
Innym sposobem wprowadzenia β-glukanu do produktu mięsnego mogłoby być jego
zastosowanie w składzie ciasta panierującego. Lee i Inglett [2007] dodawali do panieru
koncentrat C-Trim30. Suche składniki panieru (mieszanka 96% mąki pszennej, 3% NaCl
i 1% środka spulchniającego) mieszano z wodą w stosunku 3 : 5. Zastąpienie 4% mąki
pszennej przez koncentrat β-glukanu powodowało zmniejszenie o 50% absorpcji tłuszczu
w panierze podczas smażenia. Panier może mieć znaczny udział w masie panierowanych
produktów mięsnych (nawet kilkadziesiąt procent). Dodatek do niego koncentratu β-glukanu mógłby zatem znacząco wzbogacić w ten związek produkt końcowy. Nie wiadomo
jednak, jak wysoka temperatura smażenia wpływa na aktywność biologiczną β-glukanu
zawartego w panierze.
Celem niniejszej pracy było porównanie wybranych właściwości koncentratów β-glukanu dostępnych na polskim rynku. Zbadano cechy, które mogą mieć znaczenie przy ich
zastosowaniu jako składników przetworów mięsnych, tj. barwę, intensywność zapachu
zbożowego oraz wodochłonność.
MATERIAŁ I METODY
Materiał do badań stanowiły trzy koncentraty β-glukanu: otrzymane z owsa (Betaven i błonnik owsiany micro®) oferowane przez firmę Microstructure sp. z o.o. oraz
błonnik z jęczmienia „β-Glukan” firmy Culinar. Do porównań wykorzystano też błonnik pszenny Vitacel® WF-200 firmy J. Rettenmeier & Söhne. Nie zawiera on β-glukanu, ale jest stosowany jako dodatek w polskim przemyśle mięsnym. Jest to wysoko
oczyszczony preparat otrzymywany z pszenicy zawierający do 98% błonnika nierozpuszczalnego [www.jrs.de].
W tabeli 1 przedstawiono skład chemiczny koncentratów podany przez dystrybutorów [www.betaven.pl/betaven.php, www.blonniknaturalny.pl/blonniki/?blonnik=bo,
Specyfikacja preparatu „β-Glucan” firmy Culinar]. Informacje na etykietach koncentratów z owsa sugerują, że zawartość błonnika rozpuszczalnego jest w ich przypadku
równoznaczna z zawartością β-glukanu. Koncentraty te są oferowane jako suplementy
diety, jak również do stosowania w niektórych branżach przemysłu spożywczego (m.in.
przy produkcji makaronów, mieszanek śniadaniowych, zup i sosów, wyrobów mleczarskich oraz jako substancja zagęszczająca). W przypadku koncentratu otrzymanego
nr 576, 2014
188
z jęczmienia dystrybutor informuje także o możliwości jego stosowania w przetwórstwie mięsa [www.culinar.se].
Zbadano następujące cechy koncentratów β-glukanu z owsa i jęczmienia: instrumentalnie parametry barwy i dodatkowo sensorycznie jasność barwy, intensywność zapachu
zbożowego, wodochłonność koncentratów niepoddanych obróbce cieplnej oraz po takiej
obróbce. W przypadku błonnika pszennego WF-200 nie badano tylko zapachu zbożowego, ponieważ ze względu na wysoki stopień oczyszczenia jest on pod tym względem
neutralny.
Tabela 1. Skład chemiczny koncentratów β-glukanu
Table 1. Chemical composition of β-glucan concentrates
Zawartość w 100 g
Contents per 100 g
Betaven
Oat β-glucan
concentrate
Błonnik owsiany
micro®
Oat fiber micro®
Białko – Protein [g]
18,6
16,0
5,0
Węglowodany – Carbohydrate [g]
10,0
23,1
12,0
Tłuszcz – Fat [g]
8,6
7,1
0,3
Błonnik jęczmienny
Barley fiber
„Beta Glucan”
Błonnik nierozpuszalny – Insoluble
fiber [g]
31,4
22,9
brak informacji
no data
Błonnik rozpuszczalny – Soluble
fiber [g]
28,6
21,1
30–35, w tym
min. 23 β-glukanu
Barwę preparatów mierzono przy użyciu kolorymetru odbiciowego Minolta CR-200
(źródło światła D65, ustawienie obserwatora pod kątem 10°) w skali L* (jasność),
a* (udział barwy czerwonej), b* (udział barwy żółtej). Pomiary barwy wykonano czterokrotnie dla każdego preparatu.
Dokonano również oceny sensorycznej jasności barwy preparatów. Preparatom przypisywano oceny w skali 1–5, gdzie ocena 1 oznaczała maksymalnie ciemną, a 5 maksymalnie jasną barwę preparatu. W ocenie wzięło udział 10 osób – pracowników i studentów Wydziału Nauk o Żywności (WNoŻ).
Intensywność zapachu zbożowego koncentratów oceniał zespół 19 studentów WNoŻ
w skali od 1 – minimalne natężenie zapachu do 5 – maksymalne natężenie zapachu.
Wodochłonność koncentratów β-glukanu i preparatu WF-200 niepoddanych obróbce
cieplnej oznaczono zmodyfikowaną metodą Lee i Ingletta [2007]. Do probówki wirówkowej odważano 2 g preparatu i dodawano 25 cm3 wody destylowanej. Wytrząsano zawiesinę przez 2 minuty i pozostawiano ją na 30 minut. Następnie wirowano zawiesinę
przez 15 minut przy przyspieszeniu 986 × g. Potem zlewano supernatant, pozostawiano
probówki odwrócone do góry dnem nad papierowym ręcznikiem w celu ocieknięcia i ważono. Wodochłonność wyrażano jako procentowy przyrost masy preparatu w stosunku do
jego masy początkowej.
Początek procedury oznaczania wodochłonności preparatów poddanych obróbce
cieplnej był analogiczny jak opisano wyżej. Po pozostawieniu zawiesiny na 30 minut
wstawiano ją do łaźni wodnej z wytrząsarką i ogrzewano w temperaturze 75°C przez
30 minut. Następnie ogrzaną zawiesinę umieszczano w chłodziarce (temperatura 6–8°C),
gdzie pozostawiano ją na 2 godziny. Po tym czasie zawiesinę wirowano przez 15 minut
189
przy przyspieszeniu 986 × g. Dalej postępowano analogicznie jak podczas procedury
oznaczania wodochłonności preparatów niepoddanych obróbce cieplnej. Oznaczenia wodochłonności przed i po obróbce cieplnej wykonano w trzech powtórzeniach.
Metody statystyczne
Uzyskane wyniki poddano analizie statystycznej, stosując jednoczynnikową analizę
wariancji i test Tukeya HSD (program Statgraphics Plus 4.1).
WYNIKI I DYSKUSJA
Stwierdzono, że preparaty różniły się istotnie między sobą pod względem parametrów barwy (tab. 2). Koncentraty β-glukanu miały istotnie mniejszą jasność i większe
wartości parametrów a* i b* niż preparat Vitacel® WF-200. Podobne zależności zaobserwowano przy porównaniu parametrów barwy koncentratu z jęczmienia i obu koncentratów z owsa. Ocena sensoryczna jasności barwy potwierdziła różnice obserwowane metodą instrumentalną. Temelli [1997] określił barwę otrzymanego przez siebie
z jęczmienia koncentratu β-glukanu jako jasnobrązową. Preparat ten zawierał znacznie
większą ilość czystego związku (76–86%) niż oceniany w niniejszej pracy. Średnie
wartości parametrów barwy koncentratu z jęczmienia firmy Culinar były zbliżone do
podanych przez Ahmada i innych [2009] dla bardziej oczyszczonych (91–94% błonnika) preparatów tego typu (L: 67–77, a: 6,8–8,4, b: 16,2–21,5). Wyniki pomiaru barwy
sugerują, że dodatek koncentratów β-glukanu może wpłynąć na barwę produktów mięsnych. Według Alvareza i Barbuta [2013], koncentraty β-glukanu z owsa mogą spowodować pociemnienie i brązowienie przetworów mięsnych. Przy dodatku koncentratu
β-glukanu z jęczmienia do kiełbasek śniadaniowych (bez azotynu) obserwowano wzrost
parametrów barwy a* i b* [Morin i in. 2002]. Wpływ preparatu z owsa Viscofiber®
(47% β-glukanu) na te parametry stwierdzili również Alvarez i Barbut [2013], którzy
dodawali go do modelowych farszów mięsnych o zróżnicowanej zawartości tłuszczu
(5–20%). Zmiany barwy spowodowane przez dodatek koncentratu β-glukanu z jęczmienia korespondowały z wyższą oceną sensoryczną tego wyróżnika w przypadku
kiełbas o obniżonej zawartości tłuszczu smażonych przed degustacją oraz smażonych
pulpetów wołowych o obniżonej zawartości tłuszczu [Petersson i in. 2014]. Podobną
zależność stwierdzili Morin i inni [2002] w przypadku kiełbasek śniadaniowych o obniżonej zawartości tłuszczu z dodatkiem koncentratu β-glukanu z jęczmienia. Zdaniem
tych autorów, pociemnienie barwy kiełbasek mogło być kojarzone przez biorących
udział w ocenie konsumenckiej ze zmniejszeniem w nich zawartości tłuszczu. Z kolei
Pinero i in. [2008] nie stwierdzili istotnej różnicy w ocenie sensorycznej barwy między kotlecikami wołowymi o obniżonej zawartości tłuszczu zawierającymi preparat
Nutrim-10® z owsa oraz próbami kontrolnymi o normalnej zawartości tłuszczu. Na
podstawie wyników cytowanych prac można stwierdzić, że w przypadku niektórych
produktów mięsnych (niepeklowanych lub smażonych przed konsumpcją) zmiana barwy spowodowana dodatkiem koncentratów β-glukanu jest pozytywnie odbierana przez
zespół oceniający sensorycznie.
nr 576, 2014
190
Neutralność smakowo-zapachowa jest pożądaną cechą preparatów stosowanych
w przetwórstwie mięsa. Koncentrat β-glukanu z jęczmienia charakteryzował się istotnie większą (P < 0,05) intensywnością zapachu zbożowego niż oba koncentraty z owsa
(tab. 2). Morin i inni [2002] stwierdzili brak smaku i zapachu zbożowego w przypadku
koncentratu β-glukanu z jęczmienia o wysokiej zawartości (76%) tego związku. Petersson
i inni [2014], którzy dodawali koncentrat β-glukanu o zawartości 22% czystego związku
do kiełbas lub pulpetów wołowych w ilości odpowiednio 1,7 lub 1,3%, nie obserwowali pojawienia się w tych produktach obcego smaku lub zapachu. Z kolei Pinero i inni [2008], dodając do kotlecików wołowych koncentrat β-glukanu z owsa o mniejszym
stopniu oczyszczenia (10% czystego związku), stwierdzili pogorszenie ich smaku.
Wodochłonność koncentratu z jęczmienia niepoddanego obróbce cieplnej była istotnie (P < 0,05) większa niż obu koncentratów z owsa i zbliżona do wodochłonności błonnika pszennego WF-200 (tab. 2). Według Bodnera i Siega [2009], wodochłonność preparatów błonnikowych otrzymanych z różnych surowców, oznaczona metodą wirówkową,
może wahać się w szerokich granicach: od 300% dla błonnika otrzymanego z łuski sojowej do nawet 2000% dla preparatów z wytłoków owoców cytrusowych. Wodochłonność
koncentratów β-glukanu z jęczmienia (91–94% błonnika) otrzymanych przez Ahmada
i innych [2009] wahała się w zakresie od 290 do 380%. Mniejsze niż w naszej pracy
wartości tej cechy mogły wynikać między innymi z faktu, że autorzy zastosowali przy
oznaczaniu znacząco większe przyspieszenie odśrodkowe (14 razy) i dwukrotnie dłuższy czas wirowania. Wodochłonność koncentratów β-glukanu niepoddanych obróbce
cieplnej może mieć znaczenie przy wytwarzaniu ciast panierujących z ich udziałem. Lee
i Inglett [2007], dodając do ciasta panierującego preparat C-Trim30 w ilości 2–4% masy
suchych składników, uzyskali wzrost wodochłonności, lepkości i adsorpcji ciasta na panierowanym produkcie.
Większość produktów mięsnych poddawana jest obróbce cieplnej. Dlatego oznaczono również wodochłonność koncentratów β-glukanu i błonnika Vitacel WF-200 po ich
obróbce cieplnej. W wyniku obróbki cieplnej nastąpił ponad dwukrotny wzrost wodochłonności obu koncentratów β-glukanu z owsa (tab. 2). Przy większej ilości czystego
β-glukanu w preparacie większa była również jego wodochłonność po obróbce cieplnej,
co sugeruje udział tego związku w kształtowaniu tej cechy. Alvarez i Barbut [2013] podają, że zdolność β-glukanu do wiązania wody po ogrzaniu i wychłodzeniu jest wynikiem
tworzenia przez ten związek trójwymiarowej struktury. β-glukan z owsa ze względu na
większą masę cząsteczkową charakteryzuje się lepszą zdolnością żelowania po obróbce
cieplnej niż ten związek wyizolowany z jęczmienia. β-glukan z jęczmienia żeluje dopiero przy stężeniu powyżej 4% [Petersson i in. 2014]. W naszym eksperymencie jego
stężenie w zawiesinie wynosiło tylko 1,7% (zakładając podaną przez dystrybutora zawartość w suchym preparacie 23%). Po obróbce cieplnej i wychłodzeniu mógł zatem
pozostać w postaci rozpuszczonej i zostać oddzielony razem z supernatantem. Tłumaczy
to zmniejszenie wodochłonności koncentratu z jęczmienia pod wpływem obróbki cieplnej. Wodochłonność tego preparatu była jednak nadal na poziomie zbliżonym do wodochłonności preparatu pszennego Vitacel® WF-200. Preparat Vitacel® zawiera głównie (do
98%) błonnik nierozpuszczalny. Obniżenie wodochłonności po obróbce cieplnej wynikało w jego przypadku prawdopodobnie ze skurczu cieplnego, który zmniejszył możliwości
wiązania wody siłami kapilarnymi.
191
Tabela 2. Właściwości koncentratów β-glukanu z owsa i jęczmienia w porównaniu z błonnikiem
pszennym Vitacel® WF-200 (średnie ± odchylenia standardowe)
Table 2. Characteristics of β-glucan concentrates from oat and barley in comparison with wheat
fibre Vitacel® WF-200 (means ± standard deviations)
Koncentrat
Błonnik
z jęczmienia
®
owsiany micro
Barley β-glucan
Oat fibre micro®
concentrate
Vitacel®
WF-200
Wheat fibre
Cechy
Characteristics
Betaven
Oat β-glucan
concentrate
L* (n = 4)
82,34 ±0,25b
83,67 ±0,30c
74,76 ±0,24a
93,90 ±0,12d
a* (n = 4)
2,94 ±0,20b
2,73 ±0,16b
4,80 ±0,03c
0,07 ±0,03a
b* (n = 4)
c
b
d
5,83 ±0,13a
14,38 ±0,48
13,61 ±0,14
16,03 ±0,29
Ocena jasności barwy
Colour lightness score (n = 10)
3,4 ±0,4a
3,7 ±0,4a
2,5 ±0,5b
Intensywność zapachu zbożowego
Intensity of cereal smell (n = 19)
2,0 ±0,8a
2,5 ±0,8a
4,6 ±0,5b
364,0 ±9,0a
369,2 ±7,6a
623,8 ±2,8b
643,8 ±17,0b
809,2 ±5,5d
769,8 ±3,0c
525,3 ±11,2a
583,7 ±3,3b
Wodochłonność przed obróbką
cieplną [%]
Water holding capacity before
heat treatment [%] (n = 3)
Wodochłonność po obróbce
cieplnej [%]
Water holding capacity after heat
treatment [%] (n = 3)
5 ±0*
Nie badano
Not determined
a, b, c, d
– średnie w tym samym wierszu oznaczone tą samą literą nie różnią się statystycznie istotnie (P > 0,05).
– means at the same row with the same letter do not differ significantly (P > 0,05).
* Grupa wyników wyłączona z analizy statystycznej, ponieważ wszyscy oceniający przypisali temu preparatowi ocenę 5.
* Group of results excluded from statistical analysis, because all members of the sensory panel scored lightness
of this fibre as 5.
a, b, c, d
Wodochłonność preparatów dodawanych do przetworów mięsnych jest ważną cechą,
ponieważ przyczynia się do zwiększenia wydajności gotowego wyrobu. Dodatek 2,7%
preparatu Nutrim-10® z owsa do kotlecików wołowych o obniżonej zawartości tłuszczu
skutkował ich większą wydajnością i soczystością w porównaniu z wyrobem o normalnej
zawartości tłuszczu [Pinero i in. 2008]. Przy dodatku tego koncentratu stwierdzono również większy stopień zatrzymywania wody i tłuszczu w produkcie. Wzrastający dodatek do farszu (0,15–0,6%) preparatu z owsa Viscofiber® powodował także zmniejszenie
ubytków termicznych [Alvarez i Barbut 2013]. Ten sam efekt oraz zwiększenie soczystości smażonych pulpetów wołowych z dodatkiem koncentratu z jęczmienia obserwowali
Petersson i inni [2014]. Koncentrat z jęczmienia dodany do kiełbasek śniadaniowych
o obniżonej zawartości tłuszczu zmniejszał ubytki termiczne silniej niż karboksymetyloceluloza [Morin i in. 2004]. Negatywnym skutkiem wzrostu wydajności produktów wytwarzanych z dodatkiem koncentratów β-glukanu może być zbyt miękka tekstura [Morin
i in. 2002, Petersson i in. 2014].
nr 576, 2014
192
WNIOSKI
1. Wodochłonność koncentratów β-glukanu zmienia się pod wpływem obróbki cieplnej, przy czym kierunek tej zmiany zależy od rodzaju surowca (owies lub jęczmień),
z którego wyprodukowano dany preparat.
2. Większa jasność barwy i wodochłonność po obróbce cieplnej oraz mniej wyczuwalny zapach zbożowy koncentratów β-glukanu z owsa w porównaniu z preparatem otrzymanym z jęczmienia sugerują ich bardziej korzystne cechy jako potencjalnych
składników przetworów mięsnych.
3. Jednoznaczne określenie przydatności tych koncentratów w technologii mięsa wymaga przeprowadzenia badań na wybranych przetworach.
LITERATURA
Ahmad A., Anjum F.M., Zahoor T., Nawaz H., Din A., 2009. Physicochemical and functional properties of barley β-glucan as affected by different extraction procedures. Int. J. Food Sci.
Technol. 44, 181–187.
Alvarez D., Barbut S., 2013. Effect of inulin, β-glucan and their mixtures on emulsion stability,
color and textural parameters of cooked meat batters. Meat Sci. 94, 320–327.
Bodner J.M., Sieg J., 2009. Fiber. W: Ingredients in meat products: Properties, functionality and
applications (ed. Tarte R.). Springer Science + Business Media, LLC.
Burkus Z., Temelli F., 1999. Gelation of barley β-glucan concentrate. J. Food Sci. 64, 198–201.
Decyzja Wykonawcza Komisji (2011/762/UE) zezwalająca na wprowadzenie do obrotu beta-glukanów z drożdży jako nowego składnika żywności zgodnie z Rozporządzeniem (WE)
258/97 Parlamentu Europejskiego i Rady (Dz.U. UE L 313 z 26.11.2011, s. 41).
Gibiński M., 2008. β-glukany owsa jako składnik żywności funkcjonalnej. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 2(57), 15–29.
Jurczyńska E., Saczko J., Kulbacka J., Kawa-Rygielska J., Błażewicz J., 2012. Beta-glukan, jako
naturalny antykancerogen. Polski Merkuriusz Lekarski 33(196), 217–220.
Krupińska P., Zegan M., 2013. β-glukan – wybrane korzyści zdrowotne ze szczególnym uwzględnieniem jego wpływu na gospodarkę lipidową. Bromat. Chem. Toksykol. 46, 2, 162–
–170.
Lange E., 2010. Produkty owsiane jako żywność funkcjonalna. Żywność. Nauka. Technologia.
Jakość 3(70), 7–24.
Lee S., Inglett G.E., 2007. Effect of an oat β-glucan-rich hydrocolloid (C-trim30) on the rheology
and oil uptake of frying batters. J. Food Sci. 72, E222-E226.
Michałowska D., Salamon A., Baranowski K., 2011. Aktywność β-glukanaz w słodzie w zależności od odmiany i warunków słodowania jęczmienia. Zesz. Prob. Post. Nauk Rol. 566,
143–155.
Morin L.A., Temelli F., McMullen L., 2002. Physical and sensory characteristics of reduced-fat
breakfast sausages formulated with barley β-glucan. J. Food Sci. 67, 2391–2396.
Morin L.A., Temelli F., McMullen L., 2004. Interactions between meat proteins and barley
(Hordeum spp.) β-glucan within a reduced-fat breakfast sausage system. Meat Sci. 68,
419–430.
Petersson K., Godard O., Eliasson A.C., Tornberg E., 2014. The effect of cereal additives in lowfat sausages and meatballs. Part 2: Rye bran, oat bran and barley fibre. Meat Sci. 96,
503–508.
193
Pinero M.P., Parra K., Huerta-Leidenz N., Arenas de Moreno L., Ferrer M.,Araujo S., Barboza
Y., 2008. Effect of oat’s soluble fibre (β-glucan) as a fat replacer on physical, chemical,
microbiological and sensory properties of low-fat beef patties. Meat Sci. 80, 675–680.
Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1160/2011 z 14.11.2011 w sprawie udzielenia i odmowy udzielenia zezwolenia na niektóre oświadczenia zdrowotne dotyczące żywności i odnoszące się
do zmniejszenia ryzyka choroby (Dz.U. UE L 296 z 15.11.2011, s. 26).
Rozporządzenie Komisji (UE) nr 432/2012 z 16.05.2012 r. ustanawiające wykaz dopuszczonych
oświadczeń zdrowotnych dotyczących żywności, innych niż oświadczenia odnoszące
się do zmniejszenia ryzyka choroby oraz rozwoju i zdrowia dzieci (Dz.U. UE L 136
z 25.05.2012, s. 1).
Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1048/2012 z 8.11.2012 r. w sprawie udzielenia zezwolenia na
oświadczenie zdrowotne dotyczące żywności i dotyczące zmniejszenia ryzyka choroby
(Dz.U. UE L 310 z 9.11.2012, s. 38).
Specyfikacja preparatu „β–Glucan” firmy Culinar.
Świderski F., Waszkiewicz-Robak B., 2002. β-1,3/1,6-D-glukan nowy suplement wzmacniający
układ immunologiczny. Przemysł Spoż. 4, 20–21.
Temelli F., 1997. Extraction and functional properties of barley β-glucan as affected by temperature
and pH. J. Food Sci. 62, 1194–1201.
www.betaven.pl/betaven.php
www.blonniknaturalny.pl/blonniki/?blonnik=bo
www.culinar.se/main/Betaglucan-fiber.asp?id=50&langid=2&subid=354&langid=2
www.jrs.de
PROPERTIES OF SELECTED β-GLUCAN CONCENTRATES AS POTENTIAL
COMPONENTS OF MEAT PRODUCTS
Summary. The aim of this work was to assess selected properties of three β-glucan
concentrates from oat and barley. They were compared with characteristics of Vitacel®
WF-200 wheat fibre, which is used in Polish meat industry. Water holding capacity
(before and after heat treatment, using centrifugal method) and colour (instrumental and
sensory) of the preparations were determined. In the case of β-glucan concentrates from
oat and barley the intensity of cereal smell was also assessed. Water holding capacity
(WHC) of oat β-glucan concentrates increased more than two times after heat treatment
and was thereafter significantly higher than the WHC of barley β-glucan concentrate
and wheat fibre. This relationship was opposite before heat treatment. The oat β-glucan
concentrates were lighter and had lower a* and b* colour values than the concentrate
from barley. β-glucan concentrates from oat and barley were darker than WF-200 wheat
fibre. Oat β-glucan concentrates displayed less intensive cereal smell than the barley
β-glucan concentrate. They had more advantageous characteristics as potential additives
to meat products than the concentrate from barley.
Key words: β-glucan, colour, water holding capacity, meat processing
nr 576, 2014
nr 576, 2014, 195–205
ZWIĄZEK MIĘDZY ZANIECZYSZCZENIEM METALAMI
ŚRÓDPOLNYCH OCZEK WODNYCH I STAŁOŚCIĄ
LUSTRA WODY A ROŚLINNOŚCIĄ STREFY WODNEJ
I BUFOROWEJ
Piotr Wesołowski1), Małgorzata Gałczyńska2), Renata Gamrat2),
Anna Horak2), Marcin Kot2)
1)
Instytut Technologiczno-Przyrodniczy, Zachodniopomorski Ośrodek
Badawczy w Szczecinie
2)
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Streszczenie. Celem badań było określenie związku między właściwościami środowiska wodnego a szatą roślinną strefy buforowej i wodnej śródpolnych oczek. Badania
oparto na analizie stężenia Fe, Mn, Zn i Cu w wodzie oraz składzie gatunkowym roślin
10 zbiorników. Pomiary chemiczne przeprowadzono techniką absorpcyjnej spektrometrii
atomowej. Ustalono, że wody śródpolnych oczek charakteryzowały się dużą zmiennością stężenia badanych metali, a w przypadku Zn i Cu odpowiadały I klasie czystości
wód. Rozwinięta strefa buforowa zbiorników stała się miejscem deponowania odpadów,
co znalazło odzwierciedlenie w większym stężeniu Fe i Cu w wodzie w porównaniu
z oczkami niezanieczyszczonymi, pomimo większego zróżnicowania roślin tworzących
strefę buforową zanieczyszczonych oczek. Zanik Antennaria dioica nie był związany
z wielkością stężenia Mn w wodzie. Obecność np. Agrostis stolonifera czy Carex gracilis
w strefie wodnej zanieczyszczonych oczek mogła się przyczynić do obniżenia stężenia
Mn i Zn w wodzie.
Słowa kluczowe: antropopresja, flora, metale, śródpolne oczka wodne
Adres do korespondencji – Corresponding author: Piotr Wesołowski, Instytut Technologiczno-Przyrodniczy, Zachodniopomorski Ośrodek Badawczy w Szczecinie,
196
P. Wesołowski, M. Gałczyńska, R. Gamrat i inni
WSTĘP
Ramowa Dyrektywa Wodna (RDW) z dn. 22.12.2000 roku zwraca uwagę na potrzebę
ochrony i poprawy środowiska wodnego tak, aby w 2015 roku wody powierzchniowe
osiągnęły dobry stan. Na terenach rolniczych największym problemem zanieczyszczenia
ekosystemów wodnych jest duże stężenie azotanów(V) w wodzie. Stosowanie wysokich
dawek różnych nawozów wiąże się także z wprowadzeniem do środowiska wielu metali,
a wśród nich miedzi i cynku. Stałym monitoringiem stanu wód objęte są tylko wybrane
rzeki i jeziora. Badania śródpolnych oczek wodnych zmierzają do oceny jakości wody
i możliwości rozwoju w niej flory i fauny [Poleszczuk i in. 2003, Waldon 2011]. Jakość
wód małych zbiorników podlega dużym wahaniom w wyniku zazwyczaj negatywnego
wpływu gospodarki rolniczej, jak i zanieczyszczania oczek różnymi rodzajami odpadów
[Gałczyńska i in. 2011 i 2013]. O wielkości stężenia metali w wodzie decydują dopływy
zanieczyszczeń pierwiastków ze zlewni, wahania poziomu wody w zbiornikach, stężenie
metali w opadzie atmosferycznym, składowanie odpadów w oczkach oraz akumulacja
pierwiastków przez drzewa i krzewy oraz rośliny wodne zasiedlające oczka [Scholz i Anderson 2003].
Celem badań było określenie wpływu środowiska wodnego i jego właściwości na
florę śródpolnych oczek wodnych. Należy również ustalić, czy wielkość stężenia analizowanych mikroskładników pokarmowych może przyczynić się do degradacji tych zbiorników.
METODY BADAŃ
Do badań wybrano 10 małych, bezodpływowych śródpolnych oczek wodnych (województwo zachodniopomorskie), które różniły się składem florystycznym (tab. 1).
Ze względu na stopień antropopresji i trwałość lustra wody wyodrębniono zbiorniki bez
– 1 A oraz z dodatkowym obciążeniem misy oczka różnymi odpadami – 1 B, a także
oczka z wodą w całym okresie wegetacyjnym – 2 A oraz oczka wypełnione wodą do
czerwca – 2 B.
Próbki wód do oznaczeń chemicznych pobierano raz w miesiącu w okresie od marca
do czerwca w latach 2003–2004. Analizę stężenia żelaza, manganu, cynku i miedzi przeprowadzono techniką absorpcyjnej spektrometrii atomowej (aparat typu Solaar S AA).
Badania florystyczne wykonano w okresie wegetacyjnym w latach 2003–2004. Analizie
poddano gatunki ze strefy wodnej i buforowej [Gamrat 2009].
Statystyczną interpretację wyników badań terenowych dotyczących liczby gatunków roślin oparto na 2-czynnikowej analizie wariancji przy poziomie istotności α = 0,05
(NIR0,05) dla wyodrębnionych dwóch grup oczek (grupa 1 i 2) i lat badań. Wartości pomiarów stężenia badanych metali w wodzie oceniono wyznaczając ich średnią wartość
(n = 24) oraz przedziały ufności z uwzględnieniem odchylenia standardowego (SD) i błędu standardowego (SE).
Tabela 1. Charakterystyka i podział śródpolnych oczek wodnych w latach 2003–2004
Table 1. Characteristics and division of mid-field ponds in the years 2003–2004
Podział oczek wodnych
Distribution
of mid-field ponds
Charakterystyka śródpolnych oczek wodnych
Characteristic of mid-field ponds
nr oczka
no pond
1
uprawa
type of
crop
p-r
powierzchnia/
/pow. lustra wody/
/głębokość wody
surface reservoir/
/surface of water table/
/water depth
[m2/m2/m]
liczba gatunków roślin
number of plant species
stopień
antropopresji trwałość
anthropostability
pression
strefa wodna
water zone
strefa buforowa
buffer zone
280 / 25 / 0,19–0,21
6
IV, V, VII, XV,
XVI, XXXVIII
1
XXXIII
1A
2B
2
r-p
80 / 30 / 0,29–0,30
5/4*
I, III, VI, X, XIV
2
XX, XXXII
1A
2B
3
r-p
40 / 30 / 0,39–0,41
5
IX, XI, XIII,
XIV, XXXVII
4
XXV, XXVIII,
XXIX, XXXI
1A
2B
4
p-r
120 / 70 / 0,29–0,31
2
V, IX
2
XII, XXVII
1A
2B
5
p-r
20 / 16 / 0,28–0,32
1
XII
0
1A
2A
6
r-p
50 / 30 / 0,49–0,52
4
VI, XI, XII, XVII
3
XXI, XXIV,
XXX
1B
2A
7
p-r
650 / 500 / 0,30–0,31
4
II, VIII, XVIII,
XIX
5/4*
XXII, XXVI,
XXXIII, XXXV,
XXXVI
1B
2A
8
n
60 / 18/ 0,29–0,30
0
2
XXVIII, XXX
1B
2A
6/5*
VII, XII, XXIII,
XXX XXXIV,
XXXVII
1B
2A
4
XX, XXX,
XXXIII
1B
2B
9
n
470 / 370 / 0,50–1,00
1
XII
10
n
100 /60 / 0,29–0,31
1
XVIII
Objaśnienia: p-r – pszenica – rzepak, n – nieużytek, *2004 rok.
Explanations: p-r – wheat – rape, n – barren land, *2004 Year.
I – Ranunculus aquatilis L., II – Lemna minor L., III – Epilobium parviflorum Schreber, IV – Phalaris arundinacea L., V – Alopecurus geniculatus L., VI – Oenanthe aquatica (L.) Poir., VII – Carex acutiformis Ehrh.,
VIII – C. acuta L., IX – Glyceria fluitans (L.) R. Br., X – G. maxima (Hartman) Holmb., XI – Iris pseudacorus
L., XII – Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Stuedel., XIII – Scirpus lacustris L., XIV – Sparganium erectum
L., XV – Ranunculus repens L., XVI – Rumex crispus L., XVII – Agrostis stolonifera L., XVIII – Ranunculus
sceleratus L., XIX – Rumex maritimus L., XX – Alnus glutinosa (L.) Gaertner., XXI – Betula pendula Roth.,
XXII – Fraxinus excelsior L., XXIII – Populus nigra L., XXIV – Quercus robur L., XXV – Salix alba L., XXVI
– Tilia cordata Miller, XXVII – Crataegus monogyna Jacq., XXVIII – Populus tremula L., XXIX – Prunus
avium L., XXX – Salix cinerea L., XXXI – S. fragilis L., XXXII – S. pentandra L., XXXIII – Sambucus nigra
L., XXXIV – Antennaria dioica (L.) Gaertner., XXXV – Epilobium parviflorum Schreber, XXXVI – Urtica
dioica L., XXXVII – Juncus effusus (L.) R. Br., XXXVIII – Batrachium aquatile (L.) Dumort.
198
WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA
Zanieczyszczenie metalami drobnych zbiorników wodnych, które odgrywają w krajobrazie rolę swoistych wysp środowiskowych, powoduje zaburzenia równowagi biologicznej tych ekosystemów. Bezodpływowe oczka wodne charakteryzują się największą
zmiennością stanów wody, a wielkość opadów atmosferycznych decyduje często o trwałości lustra wody [Koc i in. 1996]. W badaniach największe zmiany głębokości wody
zaobserwowano w oczkach nr 5 i 9 (tab. 1). Zmienna wielkość opadów atmosferycznych
(339 mm w 2003 roku, a 535 mm w 2004 roku) [Durkowski i Woroniecki 2009] nie wpłynęła na obserwowaną w oczkach trwałość lustra wody. Największe ilości metali dostają
się do wód powierzchniowych ze ściekami przemysłowymi i komunalnymi, z wysypisk
różnych odpadów oraz z opadami pyłów atmosferycznych. Oprócz czynników antropogenicznych również procesy naturalne mogą być przyczyną wzbogacenia wód w pierwiastki. W opadach atmosferycznych stężenie żelaza wyniosło 0,001–0,175, manganu
0,004–0,0082, cynku 0,0020–0,0082, a miedzi 0,0042–0,0385 mg·dm–3 [GIOŚ 2012].
Przytoczone wartości były większe tylko dla stężenia miedzi w wodzie w większości
badanych oczek (rys. 1–4). Porównanie wielkości stężenia metali w wodzie [Poleszczuk
i in. 2003, Scholz i Anderson 2003] z wartościami uzyskanymi w omawianych badaniach
wskazuje na występowanie większych stężeń żelaza w wodzie głównie w oczkach nr 3, 4,
10. Większe stężenie manganu zaobserwowano również w oczkach nr 3, 8 i 9. Z kolei stężenie cynku w wodzie było większe w porównaniu z danymi literaturowymi w oczkach
nr 1, 3, 8 i 10, a miedzi głównie w oczkach nr 3 i 4. Przed dostosowaniem polskiego
systemu oceny jakości wód powierzchniowych do RDW ze względu na wielkość stężenia
badanych metali wody oczek uznano by wówczas za zanieczyszczone [Rozporządzenie
MOŚZNiL z dn. 5.11.1991 roku]. W aktualnym rozporządzenie MŚ z dnia 9.11.2011 roku spośród analizowanych metali tylko stężenie cynku i miedzi w wodzie znalazło odzwierciedlenie w kreśleniu wartości granicznych dla wskaźników jakości wód z grupy
substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego: 1 mg Zn·dm–3 i 0,05 mg
Cu·dm–3. Wody badanych oczek ze względu na te parametry można zakwalifikować do
I klasy czystości wód. Obecność różnych gatunków roślin ma wpływ na określanie stanu
4,40
+SE
+SD
–SD
2,20
–SE
1
1A/2B
2
1A/2B
3
1A/2B
4
1A/2B
5
1A/2A
6
1B/2A
7
1B/2A
8
1B/2A
9
1B/2A
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
0,00
10
1B/2B
Nr oczka
No mid-field pond
Rys. 1.
Fig. 1.
Stężenie żelaza w wodzie badanych śródpolnych oczek
Concentration of iron in water of mid-field ponds
5,00
+SE
+SD
2,50
–SD
–SE
1
1A/2B
2
1A/2B
3
1A/2B
4
1A/2B
5
1A/2A
6
1B/2A
7
1B/2A
8
1B/2A
9
1B/2A
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
0,00
10
1B/2B
Nr oczka
No mid-field pond
Rys. 2.
Stężenie manganu w wodzie badanych śródpolnych oczek
Fig. 2.
Concentration of manganese in water of mid-field ponds
C gran. I klasa = 1,0 mg Zn·dm–3
C limit I class = 1.0 mg Zn·dm–3
0,75
+SE
0,50
+SD
–SD
0,25
–SE
1
1A/2B
2
1A/2B
3
1A/2B
4
1A/2B
5
1A/2A
6
1B/2A
7
1B/2A
8
1B/2A
9
1B/2A
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
0,00
10
1B/2B
Nr oczka
No mid-field pond
Rys. 3.
Fig. 3.
Stężenie cynku w wodzie badanych śródpolnych oczek
Concentration of zinc in water of mid-field ponds
C gran. I klasa = 0,5 mg Cu·dm–3
C limit I class = 0.5 mg Cu·dm–3
0,020
+SE
+SD
0,010
–SD
2
1A/2B
3
1A/2B
4
1A/2B
5
1A/2A
6
1B/2A
7
1B/2A
Nr oczka
No mid-field pond
Rys. 4.
Fig. 4.
Stężenie miedzi w wodzie badanych śródpolnych oczek
Concentration of copper in water of mid-field ponds
8
1B/2A
9
1B/2A
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2004
2003
2004
2003
2004
2003
2004
2003
1
1A/2B
2003
–SE
0,000
10
1B/2B
200
ekologicznego zbiornika i szczególnie w okresie wiosennym wpływa na zmniejszenie
stężenia pierwiastków w wodzie. Również w pełni wykształcona i zachowana strefa buforowa ogranicza dopływ mineralnych składników pokarmowych do wód zbiorników.
Waldon [2011] ustaliła, że wraz ze wzrostem powierzchni zbiorników rośnie liczba gatunków i zbiorowisk. Prawidłowość ta została potwierdzona w badanych śródpolnych oczkach wodnych, gdzie w trzech zbiornikach charakteryzujących się największą
misą liczba gatunków wahała się od 6 do 9, a w tych średnio kilkukrotnie mniejszych od
1 do 7.
Stwierdzona zdecydowanie mniejsza liczba gatunków roślin w analizowanych
oczkach w porównaniu z danymi oczek [Waldon 2011] położonych na obszarze Pojezierza Krajeńskiego (średnio 35 gatunków), związana była ze znacznie mniejszą powierzchnią i głębokością badanych zbiorników (średnio 187 m2 i 0,36 m) w przeciwieństwie
do porównywanych (średnio 811 m2, brak danych), a także zanieczyszczeniem m.in.
związkami biogennymi śródpolnych oczek na Nizinie Pyrzyckiej [Gałczyńska i in. 2011].
Ogólnie w analizowanych oczkach stwierdzono 38 różnych gatunków roślin występujących zarówno w strefie wodnej, jak i buforowej (tab. 1). W 2004 roku, ze względu
na warunki klimatyczne panujące w 2003 roku i przesuszenie częściowe dna zbiornika
oraz strefy buforowej, ustąpiły 3 gatunki roślin: Ranunculus aquatilis L., Antennaria dioica (L.) Gaertner. i Epilobium parviflorum Schreber. Pomimo że nasilenie antropopresji
związane ze zdeponowaniem różnych odpadów w oczkach nie miało wpływu na średnią liczebność wszystkich gatunków roślin, to zanotowano różną liczebność gatunków
w wyodrębnionych strefach (tab. 2).
Tabela 2. Liczba gatunków roślin w śródpolnych oczkach wodnych
Table 2. Number of plant species in mid-field ponds
Liczba gatunków roślin
Number of plant species
ogółem
all
Podział oczek (I)
Distribution of mid-field ponds (I))
strefa wodna
water zone
strefa buforowa
buffer zone
Rok badań (II) – Year of the study (II)
2003
2004
2003
2004
2003
2004
1A
5,4
5,2
3,6
3,4
1,8
1,8
1B
6,0
5,6
2,0
2,0
4,0
3,6
NIR0,05 dla I / LSD0,05 for I
r.n./i.d.
0,5
0,3
NIR0,05 dla II / LSD0,05 for II
r.n./i.d.
r.n./i.d.i.d.
r.n./i.d.i.d.
2A
4,3
4,0
1,5
1,5
2,8
2,5
2B
6,7
6,3
3,7
3,5
3,0
2,8
0,6
0,4
r.n./i.d.i.d.i.d.
r.n./i.d.
r.n./i.d.i.d.
r.n./i.d.i.d.
W strefie wodnej oczek bez obciążenia misy zbiornika odpadami liczba gatunków
roślin była większa niż w oczkach z odpadami, a w strefie buforowej występowało ich
mniej. Z kolei w drugiej grupie oczek stwierdzono, że w strefie wodnej oczek wypełnionych wodą w całym okresie wegetacyjnym występowało mniej gatunków roślin
Związek między zanieczyszczeniem metalami śródpolnych oczek wodnych...
201
niż w oczkach okresowych. Nie zanotowano istotnych różnic w liczbie gatunków roślin strefy buforowej tej grupy oczek (tab. 2). Należy zaznaczyć, że w grupie oczek
charakteryzujących się trwałością lustra wody w całym okresie wegetacyjnym cztery z nich były obciążone odpadami. Obecność lepiej wykształconej i zróżnicowanej
florystycznie strefy buforowej wokół oczek 6–10 (tab. 2) stworzyło możliwości do
deponowania różnych rodzajów odpadów, czyniąc je jednocześnie niewidocznymi
z daleka. Nie mniej jednak procesy rozkładu tych zanieczyszczeń mogą, ze względu
na stężenia mikro- (rys. 1–4) czy makroskładników pokarmowych w wodzie [Gałczyńska i in. 2013], niekorzystnie wpłynąć na rozwój w strefie wodnej tych zbiorników
takich gatunków jak np. Agrostis stolonifera, Phragmites australis czy Carex gracilis.
Rośliny te występują na terenach typowych dla żyznych obszarów czołomorenowych
i mają duże możliwości przystosowawcze do zmiennych warunków środowiskowych.
Duże różnice w akumulacji metali przez te same gatunki makrofitów w różnych warunkach troficznych ekosystemu wodnego [Gałczyńska 2012] utrudniają określenie
wpływu zanieczyszczenia wód metalami śladowymi na wzrost i rozwój tych roślin.
Agrostis stolonifera cechuje się tolerancją na nadmierne zasolenie wody. Gatunek ten
spotykany jest m.in. na składowiskach odpadów komunalnych. Obecność Agrostis stolonifera w oczku nr 6 nie została zagrożona zanieczyszczeniem zbiornika wyciekami
ze starych opakowań z przetworami warzyw i owoców. Phragmites australis charakteryzuje się szeroką skalą ekologiczną i jest wykorzystywany w oczyszczaniu ścieków
bytowych [Czyżyk i in. 2012]. Zdolność trzciny pospolitej do rozwoju w środowisku
o dużym stężeniu chlorków i żelaza wpłynęła również na zastosowanie jej w systemach hydrofitowych do oczyszczania odcieków ze składowiska odpadów komunalnych. Według Wesołowskiego i innych [2011], zawartość żelaza w tej roślinie z jeziora
Starzec wahała się od 0,17 do 0,23 mg·g–1 s.m. Z kolei Kaniuczak i inni [2002] podają,
że w testowanym systemie hydrofitowym zawartość tego metalu w trzcinie pospolitej
mieściła się w zakresie od 43 do 100 mg·g–1 s.m. Zdaniem Sawickiego [1999], trzcina pospolita naturalnych łęgów zastoiskowych doliny rzek Tyśmienicy i Wieprza dała
ponad dwukrotnie większy plon suchej masy niż z oczyszczalni biologicznej, do której systematycznie wprowadzano ścieki. Nie ustalono jednak bezpośredniej przyczyny obserwowanych zależności. Uznano, że trzcina pospolita w wariancie ściekowym
w porównaniu z wariantem kontrolnym zawierała więcej żelaza i kobaltu (niekiedy
także manganu i cynku) a mniej miedzi. Iris pseudacorus jest także wykorzystywany
w hydrofitowych systemach oczyszczania ścieków. Li i inni [2009] zbadali, że gatunek
ten lepiej toleruje większe stężenie żelaza, manganu i cynku niż Oenanthe javanica.
W badanych oczkach występował gatunek Oenanthe aquatica, który charakteryzuje
się dużą akumulacją miedzi i cynku w kłączach [Świerk i Szpakowska 2011]. Z kolei Lemna minor zasiedla zbiorniki eutroficzne i tworzy gęste maty na powierzchni
wody, które hamują poprzez zaciemnianie zbiornika rozwój roślinności dennej. Posiada
zdolność do akumulacji makro- i mikroskładników pokarmowych. Szybki wzrost tego
gatunku daje możliwość trwałego usuwania pierwiastków wraz z rośliną (2–3-krotnie
w roku) z hydrofitowego systemu oczyszczania ścieków. W naturalnych ekosystemach
wodnych rzęsa drobna rozwijająca się na początku sezonu wegetacyjnego może wpłynąć na zmniejszenie stężenia pierwiastków w wodzie. Prowadzone badania przez Drost
i innych [2007] wskazują, że roślina gorzej reaguje na zanieczyszczenie wody miedzią
nr 576, 2014
202
niż cynkiem. Również Carex gracilis występuje w siedliskach charakteryzujących się
dobrą zasobnością gleby w składniki pokarmowe, w strefie niemal całego podtopienia.
Vardanyan i Ingole [2006] podają, że Ranunculus sceleratus w tych samych warunkach
zanieczyszczenia ekosystemu wodnego akumuluje więcej miedzi, manganu i cynku niż
Lemna minor, a mniej żelaza. Rumex maritimus występuje w wodach eutroficznych
w zasięgu oddziaływania Huty Miedzi „Głogów”.
Duża akumulacja pierwiastków biogennych i metali, jaką charakteryzują się takie gatunki jak np. Phragmites australis czy Typha domingensis, wykorzystywane są
w ochronie zbiorników wodnych przed spływem powierzchniowym. Badania prowadzone przez Koca i Szyperek [2001] potwierdziły, że w zależności od produkcji biomasy roślinność szuwarowa może zakumulować znaczne ilości azotu, fosforu, potasu i wapnia (251 kg·ha–1). Oszacowana na podstawie danych literaturowych [Ivanova
i in. 2012] możliwa akumulacja analizowanych metali w biomasie (17,2 t·ha–1) trzciny
pospolitej i pałki szerokolistnej [Koc i Szyperek 2001], przy założeniu ich 50-procentowego udziału wynosi dla żelaza – 15,6 kg·ha–1, manganu – 6,6 kg·ha–1, miedzi
– 1,17 kg·ha–1, a cynku – 0,42 kg·ha–1. Dane te wskazują, że usuwanie biomasy ze
zbiorników wodnych wpływa na zmniejszenie obciążenia ich metalami i jakość ekosystemów.
W grupie oczek zanieczyszczonych odpadami (rys. 1–4) największe stężenie badanych metali w wodzie zanotowano w oczkach nr: 7 (Fe i Cu), 8 (Mn, Zn i Cu), 9 (Mn)
i 10 (Fe, Zn i Cu). W oczku nr 7, gdzie w wodzie stwierdzono szczątki zwierząt, w strefie wodnej występowały Lemna minor, Carex gracilis, Ranunculus sceleratus i Rumex
maritimus. Obecność tych gatunków roślin mogła wpłynąć na zmniejszenie stężenia
żelaza w wodzie w porównaniu z oczkiem nr 10, zanieczyszczonym odpadami komunikacyjnymi (opony), w którym stwierdzono obecność tylko Ranunculus sceleratus.
W odniesieniu do stężenia miedzi mniejsze stężenie tego metalu w wodzie w oczku
nr 10 w stosunku do oczka nr 7 wiązało się z rodzajem odpadów zdeponowanych w misie zbiornika. W oczku nr 8, ze względu na brak roślinności w strefie wodnej, o wielkości stężenia metali decydowało uwalnianie ze zużytych worków pozostałości nawozów
wzbogaconych mikroelementami. Z kolei w oczku nr 9 (odpady bytowe) niewielkie
stanowisko Phragmites australis nie miało wpływu na zmniejszenie stężenia manganu
w wodzie (około 5 mg·dm–3). Zanik w tym oczku Antennaria dioica nie był związany z wielkością stężenia tego pierwiastka w wodzie, ponieważ Kroeze i inni [1989]
stwierdzili, że Antennaria dioica po zanieczyszczeniu manganem środowiska wzrostu
na poziomie 300 mg·dm–3 nie wykazała zmniejszenia biomasy. Najbardziej zanieczyszczonym ze względu na stężenie cynku było oczko nr 10, w którym wskutek rozkładu
opon następowało powolne uwalnianie cynku.
W grupie oczek niezanieczyszczonych odpadami również obserwowano wysokie
stężenia badanych metali w oczkach nr 3 i 4 (rys. 1–4). Występujące w strefie wodnej gatunki: Sparganium erectum, Glyceria fluitans, Scirpus lacustris, Iris pseudacorus, Juncus effusus, Glyceria fluitans czy Alopecurus geniculatus mogą rozwijać się
w wodach eutroficznych o zwiększonym zasoleniu. Mają one zdolność do akumulacji dużych ilości metali. O wielkości stężenia żelaza i manganu w wodzie decydują: odczyn, potencjał redox, substancja organiczna, rodzaj minerałów, zwłaszcza ilastych oraz obecność kationów. W badanych oczkach odczyn wody był lekko kwaśny
203
(pH = 6,3), co spowodowane było dopływem zakwaszających nawozów mineralnych
i wprowadzaniem substancji organicznej wraz z obornikiem. Czynniki te mają wpływ
na zwiększenie rozpuszczalności związków żelaza i manganu, a także innych metali.
Występowanie strefy ochronnej w tych oczkach nie zmniejszyło dopływu związków
mineralnych z pól przylegających do oczek.
WNIOSKI
1. Wody badanych oczek charakteryzowały się dużą zmiennością stężenia żelaza,
manganu, cynku i miedzi w wodzie. Ze względu na małe stężenie cynku i miedzi w wodzie można zakwalifikować je do I klasy czystości wód.
2. Rozwinięta strefa buforowa śródpolnych oczek wodnych stwarza możliwości
ograniczenia negatywnych skutków spływu powierzchniowego do wody pozostałości
nawozów, ale jej obecność stała się miejscem deponowania odpadów.
3. W oczkach zanieczyszczonych odpadami obserwowano większe stężenie żelaza
i miedzi w wodzie w porównaniu z oczkami niezanieczyszczonymi, pomimo większego zróżnicowania gatunkowego roślin tworzących strefę buforową zanieczyszczonych
oczek.
4. Czynnikiem decydującym o zaniku stanowiska Antennaria dioica było zmniejszenie uwilgotnienia stanowiska, a nie wielkość stężenia manganu w wodzie.
5. Rośliny zasiedlające strefę wodną (np. Agrostis stolonifera, Iris pseudacorus,
Phragmites australis, Oenanthe aquatica, Lemna minor, Carex gracilis) zanieczyszczonych oczek mogły się przyczynić do obniżenia stężenia manganu i cynku w wodzie.
LITERATURA
Czyżyk F., Pulikowski K., Strzelczyk M., Pawęska K., 2012. Efektywność oczyszczania ścieków
bytowo-gospodarczych w oczyszczalniach gruntowo-roślinnych i glebowo-roślinnych.
Woda Środ. Obsz. Wiej. 12, 4(40), 97–108.
Drost W., Matzke M., Backhaus T., 2007. Heavy metal toxicity to Lemna minor: studies on the
time dependence of growth inhibition and the recovery after exposure. Chemosphere 67,
36–43.
Durkowski T., Korybut Woroniecki T., 2009. Dynamika stężenia wybranych składników chemicznych w opadach atmosferycznych w zlewni jeziora Miedwie. Woda Środ. Obsz. Wiej. 9,
2(26), 19–32.
Gałczyńska M., 2012. Reakcja przęstki pospolitej i żabiścieku pływającego na zanieczyszczenie
wody metalami ciężkimi i możliwości wykorzystania tych roślin w fitoremediacji wód.
Wydawnictwo ZUT w Szczecinie.
Gałczyńska M., Gamrat R., Burczyk P., Horak A., Kot M., 2013. Wpływ antropopresji i trwałości
lustra wody na wielkość stężenia wybranych makroskładników pokarmowych w wodach
śródpolnych oczek. Woda Środ. Obsz. Wiej. 13, 3(43), 41–54.
Gałczyńska M., Gamrat R., Pacewicz K., 2011. Influence of different use of environment on chemical and physical features of small water ponds in southwestern part of Pyrzycko-Stargardzka Plain Pol. J. Environ. Stud. Vol. 20, 4, 885–894.
nr 576, 2014
204
Gamrat R., 2009. Vegetation in small water bodies in the young glacial landscape of West Pomerania. W: (red.) A. Łachacz. Contemporary problems of management and environmental
protection. Vol. 2. Olsztyn, University of Warmia and Mazury, 95–105.
Ivanova E.A., Anischenko O.V., Gribovskaya I.V., Zinenko G.K., Nazarenko N.S., Nemchinov
V.G., Zuev I.V., Avramov A.P., 2012. Metal Content in Higher Aquatic Plants in a Small
Siberian Water Reservoir. Contemp Probl Ecol 5(4), 356–364.
Kaniuczak J., Gąsior J., Błażej J., 2002. Pobranie składników mineralnych przez trzcinę pospolitą
z biologicznej oczyszczalni ścieków. PTIE Inż. Ekol. 7, 146–148.
Koc J., Glińska K., Nowicki Z., Rochwerger A., 1996. Wpływ wykorzystania terenu na jakość wód
powierzchniowych na przykładzie wybranych zlewni Poj. Olsztyńskiego. Mat. Konf. Inżynieria środowiska w eksploatacji kompleksów wiejskich, WAT, Warszawa, 58–63.
Koc J., Cymes I., Skwierawski A., Szyperek U., 2001. Znaczenie ochrony małych zbiorników wodnych w krajobrazie rolniczym. Zesz. Probl. Nauk Roln. 476, 397–407.
Koc J., Szyperek U., 2001. Skuteczność barier biogeochemicznych w ograniczaniu spływu azotu
w środowisku rolniczym. Annales UMCS, Sec. E 59, 1, 93–100.
Kroeze C., Pegtel D.M., Blom C.J.C., 1989. An experimental comparison of aluminium and manganese susceptibility in Antennaria dioica, Arnica montana, Viola canina, Filago minima
and Deschampsia flexuosa. Acta Bot. Neerl. 38(2), 165–172.
Li X., Liu P., Zhang Z.X., 2009. Comparative research on wastewater treatment with two hydrophytes by FTIR. Spectroscopy and Spectral Analysis 29(4), 945–949.
Poleszczuk G., Pilecka-Rapacz M., Domagała J., 2003. Jakie zbiorniki wodne wybierają żaby i ropuchy na miejsce rozrodu? Rocz. Ochr. Środ. 5, 203–218.
Ramowa Dyrektywa Wodna z dnia 22 grudnia 2000 roku (Dz.U. UEL.00.327.1).
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 listopada 2011 roku w sprawie klasyfikacji stanu
jednolitych części wód powierzchniowych (Dz.U. Nr 257, poz. 1545).
Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska Zasobów Naturalnych i Leśnych z dnia 5 listopada
1991 roku w sprawie klasyfikacji wód oraz warunków, jakim powinny odpowiadać ścieki
wprowadzane do wód lub do ziemi (Dz.U. Nr 116, poz. 503).
Sawicki B., 1999. Nowe spojrzenie na trzcinę pospolitą (Phragmites australis). Folia Univ. Agricul. Stetin. 197 Agricul. 75, 279–282.
Scholz M., Anderson P., 2003. Design, operation and water quality management of a combined wet
and dry pond system. European Water Management Online 1–20.
Świerk D., Szpakowska B., 2011. Occurrence of Heavy Metals in Aquatic Macrophytes Colonising
Small Aquatic Ecosystems, Ecol. Chem. Eng. S. 18(3), 369–384.
Vardanyan L.G., Ingole B.S., 2006. Studies on heavy metal accumulation in aquatic macrophytes
from Sevan (Armenia) and Carambolim (India) lake systems. Environment International
32/2: 208-218. DOI 10.1016/j.envint.2005.08.013.
Waldon B., 2011. Drobne zbiorniki wodne Pojezierza Krajeńskiego jako ostoje różnorodności szaty
roślinnej. Wydawnictwo Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego, Bydgoszcz.
Wesołowski P., Trzaskoś M., Brysiewicz A., 2011. Skład botaniczny i zawartość wybranych pierwiastków chemicznych w roślinności szuwarowej strefy przybrzeżnej jeziora Starzec.
Woda Środ. Obsz. Wiej. 11(1), 331–345.
RELATIONSHIP BETWEEN METAL POLLUTION IN MIDFIELD PONDS,
STABILITY OF WATER TABLE AND FLORA IN WATER AND BUFFER ZONE
Summary. The aim of this study was to determine the relationship between the water environment and its properties and the vegetation of buffer and water zone of midfield ponds.
The studies were based on the analysis of the concentration of Fe, Mn, Zn and Cu in water
and in the plants species composition in 10 water bodies. Chemical measurements were
carried out using absorption technique of atomic absorption spectrometry. In the statistical
description of the research results a two-factor analysis of variance was used and basic
measures of distribution were determined. In the examined field ponds 38 species of plants
were observed. In the aquatic zone in which water body was not loaded with waste the
number of plant species was larger than in the ponds with waste, and in the buffer zone their
number was smaller. Whereas in the group of ponds of differentiated endurance of water
table it was observed that in the water zone of ponds filled with water during the whole
vegetation period there were fewer plant species than in the seasonal ponds. The examined
water were characterized by a high variability of concentrations of analysed metals (Zn and
Cu – as 1st class of water purity). A developed buffer zone of the ponds makes it possible to
limit negative effects of the surface run off of mineral and organic fertilizers, but its presence often becomes a place of depositing wastes. The ponds contaminated with waste showed
higher concentrations of Fe and Cu in the water in comparison with the unpolluted ponds,
despite a greater variety of plants’ species within the buffer zone of the contaminated ponds.
The disappearance of Antennaria dioica was caused by the level of Mn concentration in the
water. Plants inhabiting the water zone of the contaminated ponds may have contributed to
the reduction of Mn and Zn concentration in the water.
Key words: anthropopression, flora, metals, midfield ponds
nr 576, 2014
205
nr 576, 2014, 207–215
ZMIANY KLIMATYCZNEGO BILANSU WODNEGO
W OKRESIE WEGETACJI ZIEMNIAKA W REGIONIE
PÓŁNOCNEGO MAZOWSZA W LATACH 1973–2012
Anna Wierzbicka
Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin – Państwowy Instytut Badawczy,
oddział w Jadwisinie
Streszczenie. Celem badań była analiza zmian wartości klimatycznego bilansu wodnego
P–Eo (gdzie: P – opady atmosferyczne, Eo – ewapotranspiracja) w sezonie wegetacji ziemniaka w regionie północnego Mazowsza, w okresie 40 lat, z zaznaczeniem tendencji zmian
bilansu w czasie oraz sklasyfikowanie lat pod względem niedoboru lub nadmiaru opadów.
Przeciętny bilans wodny w sezonie wegetacyjnym ziemniaka (IV–IX) wynosił –50,4 mm.
Największymi ujemnymi wartościami P–Eo wyróżniły się miesiące maj (–22,3 mm) oraz
kwiecień (–21,2 mm). Najbardziej niekorzystne pod względem niedoborów wody (–280
do –200 mm) dla wegetacji ziemniaka były lata w kolejności malejącego niedoboru wody:
2003, 2002, 1988, 1983 i 2000, a pod względem nadmiaru (119 do 280 mm) lata: 2007,
2011, 1980, 2010, 1977 uszeregowane w kolejności wzrastającego nadmiaru. Ze względu
na poziom opadów wyodrębniono 7 klas dla warunków wegetacji: bardzo suche, suche,
umiarkowanie suche, normalne, umiarkowanie wilgotne, mokre i bardzo mokre. Analiza
regresji P–Eo wykazała tendencję zmniejszania się niedoboru wody w latach 1973–2012,
ale ryzyko wystąpienia roku bardzo suchego jest dwa razy większe (12,5%) niż bardzo
mokrego (5%).
Słowa kluczowe: ziemniak, sezon wegetacji, klimatyczny bilans wodny (P–Eo)
WSTĘP
Gleby lekkie, typowe dla Mazowsza, charakteryzują się niską retencją wody, dlatego
plon ziemniaka zależy w dużej mierze od ilości i zmienności opadów. Zapotrzebowanie
na wodę podczas okresu wegetacji ziemniaka (IV–IX) wynosi od ok. 340 do 400 mm
[Dzieżyc i in. 1987, Głuska 1994, Bombik 1998, Kalbarczyk 2005, Kalbarczyk i KalAdres do korespondencji – Corresponding author: Anna Wierzbicka, Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin – Państwowy Instytut Badawczy, oddział w Jadwisinie,
A. Wierzbicka
208
barczyk 2009]. Średnia ilość opadów na Mazowszu w rejonie Serocka wynosi 364 mm
(w latach 1973–2012). W latach suchych niedobór opadów często przekracza w sezonie
150 mm, a parowanie powoduje nadmierne wysychanie gleb zakłócając gospodarkę
wodną rośliny [Wierzbicka i in. 2002]. Oszacowania zasobów wodnych regionu dokonuje się za pomocą różnych wskaźników meteorologicznych, t.j. współczynnika hydrotermicznego – K, względnego wskaźnika opadów – RPI (Relative Precipitation Index),
czy standaryzowanego wskaźnika opadów – SPI (Standarized Precipitation Index) [Gąsiorek i in. 2012, Wierzbicka i Trawczyński 2011]. Jednym z bardziej powszechnych
wskaźników oceny niedoboru lub nadmiaru wody jest klimatyczny bilans wodny dla
danego okresu, obliczany według wzoru: B = P – Eo i wyrażony w milimetrach, gdzie
po stronnie przychodu są opady atmosferyczne – P, a po stronie rozchodu ewapotranspiracja – Eo [Allen i in. 1998, Łabędzki 1999, Łabędzki i Bąk 2004, Łabędzki 2006,
Łabędzki i in. 2011, Łabędzki i in. 2012, Mazurczyk 1996, Mazurczyk i in. 2006].
Celem badań była analiza zmian wartości klimatycznego bilansu wodnego w sezonie
wegetacji ziemniaka regionu północnego Mazowsza w okresie 40 lat, z zaznaczeniem
tendencji zmian bilansu oraz sklasyfikowanie lat pod względem niedoboru lub nadmiaru
opadów.
MATERIAŁ I METODY
Klimatyczny bilans wodny (P–Eo) obliczono dla 40-letniego okresu badań (1973–
–2012) na podstawie danych meteorologicznych dotyczących dekadowych sum opadów (P) zwiększonych o 10% [Koźmiński i Michalska 1999] oraz dekadowego parowania wskaźnikowego (Eo), według empirycznego wzoru Baca numer 1 [Radomski 1987]:
Eo
d v 4T
(1)
gdzie: Eo – dekadowe parowanie wskaźnikowe [mm],
d – średni dekadowy niedosyt wilgotności [hPa] obliczony według wzorów 2 i 3,
v – średnia dekadowa prędkość wiatru [m·s–1],
T – suma dekadowa promieniowania całkowitego [kcal·cm–2].
d=E–e
(2)
gdzie: E – maksymalna prężność pary wodnej [hPa],
e – aktualna prężność pary wodnej [hPa] obliczona według wzoru 3.
e = (f x E)/100
(3)
gdzie: f – wilgotność względna powietrza [%].
Dane do analiz, tj. wysokość opadów, prędkość wiatru, promieniowanie całkowite,
temperatura, wilgotność powietrza itp. pochodzą ze stacji meteorologicznej Instytutu
Hodowli i Aklimatyzacji Roślin w Jadwisinie (ϕ = 52°29’ N, λ = 21°03’ E, h = 105 m
n.p.m.).
Zmiany klimatycznego bilansu wodnego w okresie wegetacji ziemniaka...
209
Analiza statystyczna
Wyniki opracowano statystycznie z wykorzystaniem programu ANOVA 4.0. Analizę
wariancji dla wartości klimatycznego bilansu wodnego P–Eo przeprowadzono z zastosowaniem testu Tukeya na poziomie α = 0,05 dla dwóch okresów: 1973–2012 i 2006–2012.
W okresie 40-letnim analiza wykazała istotny wpływ lat i miesięcy oraz interakcji pomiędzy latami i miesiącami, z kolei w okresie ostatnich 7 lat analiza wykazała nieistotny
wpływ lat (tab. 2), ale istotny wpływ miesięcy oraz interakcji pomiędzy latami i miesiącami. W programie Anova wykonano statystykę opisową zawartą w tabeli 2 oraz analizę
rozkładu P–Eo w formie histogramu i szeregów rozdzielczych zawartych w tabeli 4.
Analizę regresji danych P–Eo (zmienna zależna y) w okresie kwiecień–wrzesień w latach 1973–2012 (zmienna niezależna x) z zaznaczeniem trendu zmian przeprowadzono
z wykorzystaniem arkusza kalkulacyjnego Microsoft Excel 2010.
WYNIKI I DYSKUSJA
Średnie dekadowe wartości klimatycznego bilansu wodnego P–Eo w latach 1973–
–2012 mieściły się w zakresie: –9,8 mm w 3. dekadzie kwietnia i 3,6 mm w 1. dekadzie
lipca (tab. 1). Na uwagę zasługuje dodatni bilans wodny (3,8 mm) w 2. dekadzie czerwca
i niewielki niedobór wody (–0,2 mm) w 3. dekadzie tego miesiąca. Jest to związane z dużą ilością opadów, które zwykle występują około 24 czerwca (na św. Jana) i stąd zostały
nazwane „deszczami świętojańskimi”.
Tabela 1. Dekadowe wartości klimatycznego bilansu wodnego P–Eo [mm], średnie dla lat 1973–
–2012
Table 1. Decade values of climatic water balance P–Eo [mm], mean value for years 1973–2012
Miesiąc
Month
Ogółem
Total
Dekada
Decade
1
2
3
Kwiecień – April
–21,2
–4,0
–7,4
–9,8
Maj – May
–22,3
–8,1
–6,9
–7,3
Czerwiec – June
–0,7
–4,3
3,8
–0,2
Lipiec – July
–1,3
3,6
0,4
–5,3
Sierpień – August
–9,9
–5,5
–3,9
–0,5
Wrzesień – September
5,0
2,6
–0,8
3,2
Największy niedobór opadów wystąpił w maju (–22,3 mm) i kwietniu (–21,2 mm),
a najbardziej suchymi dekadami na Mazowszu są 3. dekada kwietnia (–9,8 mm) i 1. dekada maja (–8,1 mm). Podobne wyniki otrzymali wcześniej Mazurczyk i inni [2006],
analizujący okres 33-letni (1973–2005). Według danych Atlasu klimatycznego z lat
1951–1980 [Koźmiński i in. 1990], to czerwiec był uznany za miesiąc najbardziej suchy
w obszarze Serocka położonego 4 km od Jadwisina. W latach 1951–1980 klimatyczny
bilans wodny w czerwcu wynosił –30 mm, co różni go znacznie od –0,7 mm – wartości
charakteryzującej ten miesiąc w latach 1973–2012.
nr 576, 2014
A. Wierzbicka
210
Średnia wartość klimatycznego bilansu wodnego w okresie kwiecień–wrzesień w latach 1973–2012 wynosiła –50,4 mm i wskazuje na niedobór wody mniejszy o kilkadziesiąt mm w porównaniu z okresem z lat 1951–1980 [Koźminski i in. 1990, Rojek 1986,
Mazurczyk i in. 2006]. Zmniejszył się również deficyt wody w rozważanym okresie
40 lat (1973–2012) w porównaniu do okresu 33-letniego [Mazurczyk i in. 2006]. Wpływ
na tę zmianę miały: wysokość opadów i parowanie w latach 2006–2012, w czasie których
P–Eo wynosił średnio 62,5 mm, czyli stwierdzono nadmiar a nie niedobór wody (tab. 2).
Na uwagę zasługuje dodatni klimatyczny bilans wodny w maju 2010 roku i lipcu 2011 roku wynoszący odpowiednio 148 i 255 mm (tab. 3), który wystąpił w wyniku dużych
opadów i ulew, będących przyczyną wystąpienia w Polsce powodzi.
Tabela 2. Opis zbioru wyników klimatycznego bilansu wodnego P–Eo [mm] dla sezonu wegetacji
ziemniaka (IV–IX) w Jadwisinie
Table 2. Descriptive statistics of climatic water balance P–Eo [mm] for the potato growing season
(IV–IX) in Jadwisin
Wyszczególnienie – Specification
1973–2012
2006–2012
40
7
Średnia – Average
–50,4
62,5
Mediana – Median
–70,5
64,9
Minimum – Minimum
–256,3
–79,8
Maksimum – Maximum
243,5
227,8
Liczba lat – Number of years
Odchylenie standardowe – Standard deviation
125,9
108,6
Współczynnik zmienności – Variation coefficient
250,8
173,7
Test F dla lat – Test F for years
1,84
1,39
P-value
0,002
r.n.
r.n. – różnica nieistotna/no significant difference.
Za pomocą histogramu i szeregów rozdzielczych P–Eo (tab. 4) sklasyfikowano sezony wegetacji ziemniaka w latach 1973–2012 pod względem nadmiaru lub niedoboru
opadów na 7 klas: 1 – bardzo suche, 2 – suche, 3 – umiarkowanie suche, 4 – normalne,
5 – umiarkowanie wilgotne, 6 – mokre i 7 – bardzo mokre (tab. 3, 4). Ryzyko wystąpienia
roku bardzo suchego jest dwa razy większe niż roku bardzo mokrego i wynosi 12,5%,
podczas gdy bardzo mokrego tylko 5%, ale najbardziej prawdopodobne jest wystąpienie
roku umiarkowanie suchego, który w 40-letnim okresie badań znalazł się w grupie stanowiącej aż 30% (tab. 4). We wcześniejszych pracach wykazano [Mazurczyk i Lis 2001,
Wierzbicka i in. 2002], że przy P–Eo ≥ –140 następują straty suchej masy ≥ 6 t·ha–1,
a za wystarczające uznano zaopatrzenie w wodę roślin ziemniaka przy bilansie P–Eo
≤ –60 i stratach suchej masy (≤ 1,36 t·ha–1). Spośród 40 badanych lat, 11 znalało się
w klasach 4. i 5. (o warunkach wodnych normalnych i umiarkowanie wilgotnych), które
można uznać pod względem wilgotności za wystarczające dla wzrostu ziemniaka. Klimatyczny bilans wodny w tych latach zawierał się w zakresie pomiędzy –40 a 120 mm.
Pozostałe 29 lat były: umiarkowanie suche, bardzo suche, suche, mokre i bardzo mokre.
Do najbardziej niesprzyjających dla wzrostu i rozwoju ziemniaka należały następujące
lata o bardzo suchym okresie uszeregowane w kolejności malejącego niedoboru wody:
Tabela 3. Klasyfikacja warunków wodnych na podstawie klimatycznego bilansu wodnego P–Eo
[mm] dla okresu wegetacji w Jadwisinie w latach 1973–2012
Table 3. Classification of the precipitation condition with climatic water balance P–Eo [mm] of
potato growing season in Jadwisin, 1973–2012
Rok
Year
2003
2002
1988
1983
2000
2005
1994
1991
1979
1982
1975
1976
1993
1990
1996
1986
1989
2006
1974
2004
1987
1992
1998
1973
2009
1978
1999
1997
2008
1984
1985
1995
2012
2001
1985
2007
2011
1980
2010
1977
Miesiąc – Month
IV
V
VI
VII
VIII
Lata bardzo suche Klasa 1 – Very dry years Class 1
–256
–48
–45
–61
–29
–60
–221
–45
–66
0
–48
–42
–216
–85
–68
–14
–15
–1
–212
–1
4
–35
–78
–55
–207
–60
–57
–73
47
–64
Lata suche Klasa 2 – Dry years Class 2
–189
–61
26
–32
–22
–71
–179
3
–52
–45
–68
–73
–177
–19
–37
–22
–38
–42
–175
–27
–78
–85
22
7
–169
–20
–39
32
–72
–29
–130
–3
–91
111
–3
–95
–125
–49
–9
–49
–58
16
Lata umiarkowanie suche Klasa 3 – Moderately dry years Class 3
–109
–42
–76
–31
–12
6
–103
–4
–60
–46
–28
–13
–88
–37
–19
–7
–1
–53
–88
–38
2
–48
–41
23
–81
–3
–44
96
–51
–36
–80
–13
–22
–24
–109
123
–80
–49
–11
2
21
–47
–79
–10
12
–39
5
–11
–62
–19
–23
40
–38
–4
–60
65
8
–84
–85
–17
–51
–13
–49
118
–33
–22
–48
–19
–15
20
54
–63
Lata normalne Klasa 4 – Normal years Class 4
–35
–75
18
17
24
21
–29
–13
–64
–41
–12
57
–19
70
–21
113
–62
–74
–13
–35
–31
–44
188
–77
–3
–10
2
–45
0
28
14
–53
17
11
25
–75
Lata umiarkowanie wilgotne Klasa 5 – Moderately moist years Class 5
46
–26
–48
31
5
75
48
–10
–24
19
–36
–24
65
6
–11
38
18
30
87
34
–27
10
46
–35
46
–26
–48
31
5
75
Lata mokre Klasa 6 – Wet years Class 6
122
–49
27
50
–5
24
140
–39
–33
–36
255
21
161
40
–8
79
61
–15
Lata bardzo mokre Klasa 7 – Very wet years Class 7
228
–43
148
–10
27
63
244
12
–18
–24
25
190
IV–IX
IX
–13
–21
–33
–47
0
–29
56
–19
–14
–41
–49
24
46
48
29
15
–43
–35
4
–35
–17
54
–52
–26
–40
44
–44
–14
24
90
9
123
–17
59
9
75
–29
3
44
59
A. Wierzbicka
212
Tabela 4. Histogram i szeregi rozdzielcze sumarycznych wartości P–Eo [mm] okresu wegetacji
(IV–IX) lat 1973–2012
Table 4. Histogram and frequency tabulation of total P–Eo [mm] for the potato growing season
(IV–IX) in the years 1973–2012
30
25
20
%
15
10
5
0
–240
–160
–80
0
P–Eo
80
160
240
IV–IX
Klasa
Class
Zakres
Ranges
Klasyfikacja
Classification
Częstość
Frequency
%
1
–280–(–200)
bardzo suchy
very dry
5
12,5
2
–199–(–120)
suchy
dry
7
17,5
3
–119–(–40)
umiarkowanie suchy
moderately dry
12
30,0
4
–39–40
normalny
normal
6
15,0
5
39–120
umiarkowanie wilgotny
moderately moist
5
12,5
6
119–200
mokry
wet
3
7,5
7
199–280
bardzo mokry
very wet
2
5,0
2003, 2002, 1988, 1983 i 2000 (brak wody w zakresie od –280 do –200 mm); lata suche:
2005, 1994, 1991, 1979, 1982, 1975, 1976 (brak wody w zakresie od –199 do –120 mm)
oraz lata mokre i bardzo mokre uszeregowane w kolejności wzrastającego nadmiaru:
2007, 2011, 1980, 2010, 1977 (nadmiar wody w zakresie od 119 do 280 mm). W 40-letnim okresie wystąpiła taka sama ilość lat suchych jak w okresie 33-letnim [Mazurczyk
i in. 2006], zwiększyła się natomiast liczba lat mokrych i sprzyjających, które wystąpiły
w latach 2006–2012. Analiza regresji klimatycznego bilansu wodnego (P–Eo) wykazała
tendencję zmniejszania się niedoboru wody w latach 1973–2012, jednak niska wartość
współczynnika determinacji R2 (0,013) wskazuje na brak interakcji lat z wartościami
klimatycznego bilansu wodnego P–Eo (rys. 1).
300,0
213
P–Eo IV–IX
Liniowy (P–Eo IV–IX)
200,0
y = 1,2292x – 2499,7
R² = 0,013
mm
100,0
0,0
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
–100,0
–200,0
–300,0
Lata – Years
Rys. 1.
Fig. 1.
Zmiany klimatycznego bilansu wodnego (y) w okresie kwiecień–wrzesień w latach
1973–2012 (x)
Changes of climatic water balance (y) within April–September in years 1973–2012 (x)
WNIOSKI
1. W sezonie wegetacji ziemniaka (kwiecień–wrzesień) w latach 1973–2012 przeciętny bilans wodny oszacowany za pomocą wskaźnika P–Eo w rejonie Mazowsza północnego wynosił –50,4 mm.
2. Największymi średnimi ujemnymi wartościami bilansu wodnego wyróżniły się
miesiące maj (–22,3 mm) oraz kwiecień (–21,2 mm). Dodatnia wartość tego wskaźnika
wystąpiła we wrześniu (5,0 mm).
3. Najbardziej niekorzystne dla wegetacji ziemniaka, ze względu na bilans wodny
w miesiącach kwiecień–wrzesień, okazały się lata: 2003, 2002, 1988, 1983 i 2000 (niedobory wody między –280 i –200 mm) oraz lata: 2007, 2011, 1980, 2010, 1977 (nadmiar
wody w zakresie od 119 do 280 mm).
4. Na podstawie bilansu wodnego (P–Eo) sklasyfikowano warunki opadowe w czasie wegetacji ziemniaka pod względem ich nadmiaru lub niedoboru na 7 klas: 1 – bardzo
suche, 2 – suche, 3 – umiarkowanie suche, 4 – normalne, 5 – umiarkowanie wilgotne,
6 – mokre i 7 – bardzo mokre.
5. W okresie 40 lat badań 5 lat uznano za bardzo suche, 19 lat za suche i umiarkowanie suche, 5 lat za mokre i bardzo mokre, a 11 lat za wystarczające dla wegetacji
ziemniaka w Jadwisinie.
6. Analiza regresji klimatycznego bilansu wodnego (P–Eo) wykazała tendencję
zmniejszania się niedoboru wody w latach 1973–2012, ale ryzyko wystąpienia roku bardzo suchego jest dwa razy większe (12,5%) niż bardzo mokrego (5%).
nr 576, 2014
214
A. Wierzbicka
LITERATURA
Allen R.G., Pereira L.S., Raes D., Smith M., 1998. Crop evapotranspiration. Guidelines for computing crop water requirements. Irrig. Drain. Paper. 56.
Bombik A., 1998. Studia nad prognozowaniem plonów ziemniaka. Fragm. Agron. 3, 4–57. Dzieżyc J., Nowak L., Panek K., 1987. Dekadowe wskaźniki potrzeb opadowych roślin
uprawnych. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 314, 11–33.
Gąsiorek E., Grzędziel M., Musiał E., Rojek M., 2012. Porównanie wskaźnika standaryzowanego
opadu (SPI) wyznaczonego za pomocą rozkładu gamma dla miesięcznych sum opadów.
Infr. i Eko. Ter. Wiej. 3, 197–208.
Głuska A., 1994. Wpływ ilości i rozkładu opadów w głównych miesiącach wegetacji (VI–IX)
na plon ziemniaka w zależności od terminu sadzenia i wczesności odmiany. Biul. Inst. Ziemn. 44,
65–82.
Kalbarczyk R., 2005. Wpływ opadów atmosferycznych na plonowanie ziemniaka w Polsce. Biul.
Nauk. 25(1), 133–145.
Kalbarczyk R., Kalbarczyk E., 2009. Potrzeby i niedobory opadów w uprawie ziemniaka
średnio późnego i późnego w Polsce. Infr. i Eko. Ter. Wiej. 3, 129–140.
Koźmiński C., Górski T., Michalska B., 1990. Atlas klimatycznych elementów i zjawisk szkodliwych dla rolnictwa w Polsce. IUNG Puławy, AR Szczecin, 68–69.
Koźmiński C., Michalska B., 1999. Ćwiczenia z agrometeorologii. PWN, Warszawa, 179.
Łabędzki L., 1999. Przydatność wzoru Penmana-Monteitha do obliczania ewapotranspiracji wskaźnikowej i rzeczywistej użytków zielonych. Wiad. IMUZ 20(20), 89–101.
Łabędzki L., Bąk B., 2004. Standaryzowany klimatyczny bilans wodny jako wskaźnik suszy. Acta
Agrophysica 3, 117–124.
Łabędzki L., 2006. Susze rolnicze – zarys problematyki oraz metody monitorowania i klasyfikacji.
Woda Środ. Obsz. Wiej. Rozpr. Nauk. Monog. 17.
Łabędzki L., Kanecka-Geszke E., Bąk B., Słowieńska S., 2011. Estimating reference evapotranspiration using the FAO Penman-Monteith method for climatic conditions of Poland. (red.)
L. Łabędzki. Rijeka, InTech. 275–294.
Łabędzki L., Bąk B., Kanecka-Geszke E., 2012. Wielkość i zmienność ewapotranspiracji wskaźnikowej według Penmana-Monteitha w okresie wegetacyjnym w latach 1970–2004 w wybranych rejonach Polski. Woda Środ. Obsz. Wiej. 12/2, 159–170.
Mazurczyk W., 1996. Wyznaczanie potencjału produkcji biomasy oraz kwantyfikacja wybranych
czynników kształtujących plon ziemniaka. Fragm. Agron. 13, 5–39.
Mazurczyk W., Lis B., 2001. Variation of chemical composition of tubers of potato table cultivars
grown under deficit and excess of water. Pol. J. Food Nutr. Sci. 10/51, 27–30.
Mazurczyk W., Wierzbicka A., Wroniak J., 2006. Wieloletnia zmienność klimatycznego bilansu
wodnego dla okresu wegetacji ziemniaka na północnym Mazowszu. Ann. UMCS Sect B,
vol. LXI, 290–295.
Radomski C., 1987. Pomiary i obliczanie parowania. Agrometeorologia. PWN, Warszawa, 173–
–186.
Rojek M., 1986. Klimatyczne bilanse wodne na terenie Polski w latach szczególnie suchych. Zesz.
Probl. Post. Nauk Roln. 268, 47–57.
Wierzbicka A., Lis B., Mazurczyk W., 2002. Deficyt wody w okresie wegetacji a plonowanie i wykorzystanie azotu przez wczesne odmiany ziemniaka. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 481,
341–347.
Wierzbicka A., Trawczyński C., 2011. Wpływ nawadniania i mikroorganizmów glebowych na
zawartość makro- i mikroelementów w bulwach ziemniaków ekologicznych. Fragm.
Agron. 28(4), 139–148.
CHANGES IN CLIMATIC WATER BALANCE FOR THE POTATO GROWING
SEASON OF NORTH MAZOVIA REGION IN THE YEARS 1973–2012
Summary. Aim of the study was to evaluate changes in values of climatic water balance
P–Eo (where P – precipitation, Eo – evapotranspiration) in potato growing season in the
northern Mazovia region, during 40 years, with an indication of trends over time and the
balance water classification of the years in terms of deficiency or excess rainfall. Evaporad v 4T (where: d – average
tion (Eo) was calculated according to the formula: Eo
decade saturation vapour pressure deficit [hPa], ν – average decade wind speed [m·s–1],
T – decade sum of total radiation [kcal·cm–2]). The average value of P–Eo in the potato
growing season (April–September) was: –50.4 mm. The analysis of variance for the climatic water balance, P–Eo calculated using Tukey’s test at α = 0.05 in Anova statistical
program. The analysis showed a significant effect of years and months, and interaction
between years and months for the climatic water balance.The largest negative values of
P–Eo distinguished themselves the months of May (–22.3 mm) and April (–21.2 mm) and
the most dry decades in Mazovia are the third of April (–9.8 mm) and the first of May (–8.1
mm). It is interesting that, according to the Climate Atlas of the years 1951 to 1980 that
June was regarded as the driest month in this region. In the years 1951–1980 climatic water
balance in June was –30 mm, which distinguishes it significantly from –0.7 mm, the values
characterizing this month in the years 1973–2012. Due to the level of rainfall identifies 7
classes for vegetation conditions: very dry, dry, moderately dry, normal, moderately moist,
wet and very wet. In the 40 years of research: 5 years was considered as very dry, 19 years
for dry to moderately dry, five years for the wet and very wet, and only 11 years as sufficient for growing potatoes. The most unfavorable in terms of water scarcity (–280 to –200
mm) for growing potatoes were the years in order of decreasing water scarcity: 2003, 2002,
1988, 1983 and 2000 and in terms of excess (119 to 280 mm) years in order of increasing
excess: 2007, 2011, 1980, 2010, 1977. Regression analysis of climatic water balance (P-Eo)
showed a decreasing trend of water scarcity in the years 1973–2012, however, the risk of a
very dry year is two times higher (12.5)% than the very wet (5%).
Key words: potato, growing season, climatic water balance (P–Eo)
nr 576, 2014
215
nr 576, 2014, 217–226
WPŁYW SPOSOBU NAWOŻENIA AZOTEM NA JAKOŚĆ
ZIARNA PSZENŻYTA JAREGO ODMIANY MILEWO.
CZĘŚĆ II – PLONOWANIE I ZAWARTOŚĆ SKŁADNIKÓW
MINERALNYCH
Katarzyna Wojtkowiak
Streszczenie. Celem pracy było określenie wpływu stosowania azotu w postaci doglebowego nawozu jedno- lub wieloskładnikowego na plon ziarna i białka oraz zawartość składników mineralnych w ziarnie pszenżyta jarego odmiany Milewo. Doświadczenie polowe
przeprowadzono w latach 2010–2011 w Zakładzie Dydaktyczno-Doświadczalnym UWM
w Tomaszkowie, na glebie o średniej zasobności w fosfor, potas, cynk i mangan, a niskiej w miedź. Zastosowano zróżnicowane nawożenie azotem w ilości 80 i 120 kg·ha–1
z podziałem na dawki po 40 kg N·ha–1 bez i z dodatkiem mikroelementów (azofoska).
Pszenżyto jare plonowało średnio w granicach od 5,40 do 6,85 t·ha–1. Korzystnie na plon
białka oddziaływało wyższe nawożenie mocznikiem (120 kg·ha–1), zwiększając jego ilość
w poszczególnych latach badań o 6,6 i 6,5%. Skład chemiczny ziarna wskazuje na wysoką wartość odżywczą, lecz ze względu na małe zróżnicowanie trudno jest wskazać, która
z form nawożenia jest bardziej efektywna w uprawie pszenżyta jarego Milewo w stosunku
do zawartości poszczególnych składników pokarmowych w ziarnie.
Słowa kluczowe: nawożenie azotem, pszenżyto jare, plon, składniki mineralne
WSTĘP
Plony i jakość ziarna pszenżyta zależą od genetycznego uwarunkowania danej odmiany oraz oddziaływania czynników siedliskowych i agrotechnicznych. Zboża wykazują
pozytywne oddziaływanie na intensywne nawożenie mineralne, w tym azotowe. Wielu
autorów przyjmuje dawkę azotu 80–120 kg·ha–1 za optymalny poziom nawożenia dla
pszenżyta [Knapowski i in. 2009, Wojtkowiak i Domska 2009, Brzozowska i in. 2010,
Adres do korespondencji – Corresponding author: Katarzyna Wojtkowiak, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk Technicznych, Katedra Podstaw Bezpieczeństwa,
ul. Heweliusza 10, 10-718 Olsztyn, e-mail: [email protected]
218
K. Wojtkowiak
Gulmezoglu i Aytac 2010, Knapowski i in. 2010, Nefir i Tabără 2011, Wojtkowiak i in.
2013]. Korzystne oddziaływanie wyższych dawek azotu 150–180 kg·ha–1 potwierdzają
badania Muta i innych [2005] oraz Nadim i innych [2012]. Spośród nawozów azotowych
w skali globalnej najczęściej stosowany w uprawie jest mocznik. Efektywność wykorzystania azotu z mocznika oprócz gatunku uprawianej rośliny zależy od sposobu nawożenia.
Najczęstszą metodą aplikacji składników pokarmowych w nawożeniu jest stosowanie nawozów w formie stałej. W tym przypadku tolerancja roślin na wielkość dawki azotu jest
znacznie większa niż przy dolistnym jego podawaniu. Stosowanie nawożenia mineralnego łącznie z nawozami mikroelementowymi zapewnia podwójną korzyść: zwiększenie
plonu oraz zawartości tych składników w ziarnie [Malakouti 2008, Wojtkowiak i Domska
2009, Knapowski i in. 2010]. Jednym z zadań nowoczesnych nawozów mikroelementowych jest dostarczanie roślinom pełnego zestawu mikroelementów w łatwo przyswajalnej i stabilnej formie. Szczególną uwagę zwraca się na znaczenie tych mikroelementów,
które biorą udział w syntezie azotu, dlatego stosowanie nawozów wieloskładnikowych
jest bardziej skuteczne i prowadzi do uzyskania maksymalnego plonu ziarna i zysku netto
[Domska i in. 2009, Raczkowski 2009, Khan i in. 2010].
Celem pracy było określenie wpływu nawożenia azotem w postaci doglebowego nawozu jedno- lub wieloskładnikowego na plon ziarna, zawartość i plon białka oraz zawartość składników mineralnych (azotu, potasu, fosforu, wapnia i magnezu) w ziarnie
pszenżyta jarego odmiany Milewo. W doświadczeniu wprowadzono nawóz wieloskładnikowy (azofoska) zalecany w praktyce, zawierający niezbędne makroskładniki i mikroelementy.
MATERIAŁ I METODY
Eksperyment polowy
Doświadczenie polowe przeprowadzono w latach 2010–2011 w Zakładzie Dydaktyczno-Doświadczalnym UWM w Tomaszkowie, na glebie o składzie granulometrycznym gliny lekkiej, klasy IIIb, kompleksu przydatności rolniczej 3 (pszenny wadliwy),
o średniej zasobności w fosfor, potas, cynk i mangan, a niskiej w miedź oraz lekko kwaśnym odczynie. Doświadczenie zakładano metodą losowanych bloków w trzech powtórzeniach.
Do nawożenia zastosowano superfosfat potrójny w dawce odpowiadającej 30,2 kg
P·ha–1, 56-procentową sól potasową w dawce równej 83,1 kg K·ha–1 oraz nawożenie azotem w ilości 80 i 120 kg·ha–1 z podziałem dawek po 40 kg·ha–1 (tab. 1). W doświadczeniu
uwzględniono i wprowadzono zalecany w praktyce wieloskładnikowy nawóz (azofoska) zawierający podstawowe makroskładniki (N – 13,6%; P – 1,83%; K – 15,9%; Mg
– 2,71%) oraz zestaw odpowiednio dobranych mikroelementów (S – 9,2%; Cu – 0,18%;
Zn – 0,045%; Mn – 0,27%; Fe – 0,17%; Mo – 0,04%; B – 0,045%).
Pszenżyto jare odmiany Milewo uprawiano po pszenżycie ozimym, wysiewając
w 2010 roku 5,3 mln ziaren·ha–1 i w 2011 roku 5,4 mln ziaren·ha–1 w rozstawie rzędów
10,5 cm. Zabiegi uprawowe pszenżyta jarego przeprowadzono zgodnie z wymaganiami
agrotechnicznymi właściwymi dla tego gatunku [Klikocka 1999]. Zastosowano ochronę
Wpływ sposobu nawożenia azotem na jakość ziarna pszenżyta jarego odmiany Milewo...
219
Tabela 1. Schemat nawożenia azotem
Table 1. Scheme of field nitrogen fertilization
Termin stosowania N, dawka N i rodzaj nawozu
Applying time, dose and type N fertilizer [kg·ha–1]
Obiekt
Object
Typ nawozu
Fertiliser type
Suma N
Total N
[kg·ha–1]
przedsiewnie
before sowing
krzewienie
spreading time
(BBCH 23-29)
strzelanie
w źdźbło
stalk shooting
time
(BBCH 31-32)
1
jednoskładnikowy
80
–
CO(NH2)2 (40)
CO(NH2)2 (40)
2
one componet fertiliser and
multifertiliser
80
–
CO(NH2)2 (20)+
azofoska* (20)
CO(NH2)2 (40)
3
jednoskładnikowy
120
NH4NO3 (40)
CO(NH2)2 (40)
CO(NH2)2 (40)
4
one componet fertiliser and
multifertiliser
120
NH4NO3 (40)
CO(NH2)2 (20)+
azofoska (20)
CO(NH2)2 (40)
CO(NH2)2 – mocznik/urea; NH4NO3 – saletra amonowa/ammonium nitrate; *azofoska – nawóz wieloskładnikowy/multifertilizers.
chemiczną przeciwko chwastom i chorobom grzybowym. Zbiór pszenżyta w 2010 roku
przeprowadzono 13 sierpnia, a w 2011 roku 5 sierpnia za pomocą kombajnu poletkowego.
Warunki pogodowe
Podczas trwania doświadczenia prowadzono monitoring temperatury i ilości opadów.
Średnia temperatura dla miesięcy marzec–sierpień wynosiła 13,2°C w 2010 roku i 12,7°C
w 2011 roku. Wartości temperatur oraz ich miesięczne rozkłady nie odbiegały od średniej
z wielolecia (12,1°C). Na szczególną uwagę zasługuje mała ilość opadów w kwietniu,
niższa od średnich z wielolecia o 96,1% w 2010 roku i 58,7% 2011 roku. W maju 2010 roku ilość opadów była zbliżona do średnich z wielolecia (51,1 mm), w maju 2011 roku
przekraczała natomiast ponad 2-krotnie średnie sumy opadów dla wielolecia (131,9 mm).
W czerwcu 2010 i 2011 roku ilości opadów były podobne, a w okresie od lipca do sierpnia odnotowano wyższą sumę opadów w porównaniu z wieloleciem. Na szczególną uwagę zasługuje lipiec 2011 roku, w którym ilości opadów były bardzo duże (202,0 mm).
Metody laboratoryjne
W trakcie prowadzenia doświadczenia każdego roku zbierano i określano wysokość plonów, pobierano próby i poddawano je analizom chemicznym z wykorzystaniem
metod stosowanych w chemii rolnej. Próbki ziarna zmineralizowano na mokro w celu
oznaczenia makroskładników w H2SO4 z dodatkiem H2O2 jako utleniacza i oznaczono:
azot – metodą podchlorynową [Baethen i Alley 1989], fosfor – wanadowo-molibdenową,
nr 576, 2014
220
K. Wojtkowiak
potas i wapń – metodą spektometrii atomowej ESA oraz magnez – ASA [Panak 1997].
Plon białka określono mnożąc zawartość azotu przez współczynnik przeliczeniowy (5,7),
a następnie przez plon ziarna.
Metody statystyczne
W kontekście założonych celów badań weryfikowano hipotezę zerową (H0) zakładającą brak istotnych różnic między poziomami badanego czynnika. W przypadku odrzucenia hipotezy zerowej (H0) przyjęto hipotezę alternatywną (HA) mówiącą, że występują
istotne różnice pomiędzy sposobami nawożenia w kształtowaniu plonu ziarna, zawartości
i plonu białka oraz zawartości składników pokarmowych (azotu, potasu, fosforu, wapnia
i magnezu) w ziarnie pszenżyta jarego.
Do obliczeń statystycznych zastosowano jednoczynnikową analizę wariancji, która
była zgodna z modelem matematycznym układu doświadczenia – losowanych bloków.
Wyznaczono wartości średnie i odchylenie standardowe średniej dla poszczególnych
obiektów doświadczenia. Testem Tukeya wyznaczono grupy statystycznie jednorodne,
przy poziomie istotności α = 0,05. Do wykonania obliczeń i analiz statystycznych wykorzystano program Excel oraz pakiet statystyczny Statistica.
WYNIKI I DYSKUSJA
Pszenżyto łączące zalety żyta i pszenicy zwyczajnej charakteryzuje się znaczną ilością białka [Varughese i in. 1996]. Według Warechowskiej i Domskiej [2006], średnia
zawartość białka mieści się w granicach od 9,4 do13,5%. Plonowanie i jakość ziarna
zależą od czynników agrotechnicznych, wśród których wpływ ma dawka i nawożenie
mineralne azotem [Mut i in. 2005]. Efekty połączenia nawożenia azotowego z dodatkiem
pojedynczych mikroelementów lub nawozów wieloskładnikowych stosowanych zarówno doglebowo, jak i dolistnie przedstawiono w wielu pracach. Według Nefir i Tabără
[2011], nawożenie dawką 80 i 120 kg N·ha–1 wpłynęło na wzrost plonu ziarna odpowiednio o 29 i 45% względem obiektu bez nawożenia. Mut i inni [2005] potwierdzają
przyrost plonu ziarna o 1,29 t·ha–1 po zastosowaniu w nawożeniu 180 kg·ha–1. Według
Wojtkowiak i Domskiej [2009], do zwiększenia plonu ziarna przyczynił się mangan
z dawką 80 kg·ha–1 azotu oraz mangan zastosowany łączne z miedzią i cynkiem, zarówno
z dawką 80 kg·ha–1, jak i 120 kg·ha–1 azotu. Knapowski i inni [2009] uzyskali najwyższy
plon ziarna pszenżyta jarego (6,07 t·ha–1) po zastosowaniu 120 kg·ha–1 łącznie z cynkiem
w ilości 0,3 kg·ha–1. Nadim i inni [2012] potwierdzają korzystne oddziaływanie 150 kg
N·ha–1 wraz z dolistną aplikacją manganu i boru oraz doglebową miedzi i cynku. Łączne
stosowanie manganu i żelaza w celu uzyskania najwyższego plonu potwierdzają Bameri
i inni [2012]. Według Nogalskiej i innych [2012], nawożenie nawozem wieloskładnikowym Amofosmag 3 w ilości 350 kg·ha–1 (NPKMg 3: 14: 20: 2+ 22% CaO + 9% SO3)
powodowało wzrost plonu ziarna pszenżyta od 5 do 9% w porównaniu z nawozami jednoskładnikowymi.
Analiza statystyczna nie potwierdziła wpływu lat badań na plon ziarna i białka
(tab. 2). Pszenżyto jare odmiany Milewo nawożone azotem w ilości 80 i 120 kg·ha–1
221
Tabela 2. Plon ziarna i białka (2010 i 2011 rok)
Table 2. Yield of grain and protein (2010 and 2011)
Lata badań
Years of investigation
2010
2011
Obiekt*
Object
Plon ziarna
Yield of grain [t·ha–1]
Plon białka
Yield of protein [t·ha–1]
1
6,08ab ±0,77
709,1a ±90,5
2
3
ab
694,5a ±87,4
ab
755,7a ±40,9
ab
6,09 ±0,77
6,12 ±0,78
4
6,38 ±0,66
746,1a ±54,3
1
5,40b ±0,23
692,6a ±29,4
2
3
4
ab
684,0a ±30,3
a
737,9a ±110,1
ab
672,5a ±59,0
A
5,68 ±0,25
6,85 ±0,93
6,70 ±0,80
2010
6,17 ±0,65
726,3A ±66,5
2011
6,16A ±0,85
696,7A ±61,9
a, b, …, A, …
* Opis obiektów w Tabeli 1/Explanation see Table 1.
a, b, …, A, …
doglebowo bez i z dodatkiem mikroelementów (azofoska) plonowało w 2010 roku od
6,08 do 6,38 t·ha–1 i w 2011 roku od 5,40 do 6,85 t·ha–1. Najwyższe plony ziarna uzyskano po zastosowaniu doglebowym azotu w postaci saletry amonowej i mocznika (obiekt 3)
oraz saletry amonowej i mocznika stosowanego łącznie z azofoską (obiekt 4) w drugim
roku badań. W tym przypadku pod wpływem zwiększonego poziomu nawożenia azotem
(120 kg·ha–1) w stosunku do obiektu nawożonego dawką 80 kg·ha–1 plon ziarna zwiększył się o 1,45 i 1,02 t·ha–1.
O wielkości plonu ziarna pszenżyta jarego decydują również ilość opadów i ich rozkład zarówno w okresie od kłoszenia do dojrzałości woskowej, jak i w całym okresie od
siewu do dojrzałości woskowej [Kalbarczyk 2010]. Według Kalbarczyk [2008], wielkość
opadów potrzebna dla uzyskania przeciętnego plonu pszenżyta jarego w okresie od siewu
do zbioru wynosi ponad 205 mm. W przeprowadzonym doświadczeniu w 2011 roku opady były dwukrotnie większe, plon zwiększył się o 11,92% (obiekt 3) i 5,01% (obiekt 4)
w stosunku do pierwszego roku uprawy tylko po zastosowaniu wyższej dawki azotu z podziałem na trzy dawki po 40 kg N·ha–1. Wpływ warunków atmosferycznych podczas
wegetacji na zróżnicowanie plonu ziarna w latach badań potwierdzają badania Alaru i innych [2003] oraz Mut i innych [2005].
Zawartość białka należy do bardzo ważnych kryteriów jakości zbóż [Varughese
i in. 1996, Gulmezoglu i Aytak 2010]. Plon białka ogółem w ziarnie badanej odmiany
pszenżyta mieścił się w granicach od 694,5 do 755,7 kg·ha–1 w 2010 roku i w 2011 roku
od 672,5 do 737,9 kg·ha–1. W stosunku do wartości plonu białka z obiektów nawożonych 80 kg·ha–1, nawożenie pszenżyta mocznikiem na wyższym poziomie (120 kg·ha–1)
z podziałem na trzy dawki po 40 kg·ha–1 zwiększyło plon białka w poszczególnych
latach badań odpowiednio o 6,6 i 6,5%. Nawożenie dawką azotu 120 kg·ha–1 uzupełnioną azofoską wpłynęło istotnie na zwiększenie plonu białka o 7,5% tylko w drugim
nr 576, 2014
K. Wojtkowiak
222
roku badań w odniesieniu do niższego poziomu nawożenia (80 kg·ha–1). Na korzystny
wpływ nawożenia azotem na plon białka pszenżyta wskazują badania wielu autorów
[Warechowka i in. 2004, Wojtkowiak i Domska 2009, Brzozowska i in. 2010, Knapowski i in. 2010]. Według Alaru i innych [2003], jakość ziarna pszenżyta, w tym zawartość
białka, bardziej zależy od warunków pogodowych w okresie wzrostu, niż od nawożenia azotem. W omawianym doświadczeniu warunki pogodowe miały istotny wpływ na
uzyskany plon ziarna i białka tylko w przypadku zastosowania nawożenia mocznikiem
doglebowo w dawce 120 kg·ha–1.
Analiza statystyczna potwierdziła wpływ lat badań na zawartość azotu, fosforu, potasu
i magnezu w ziarnie pszenżyta jarego uprawianego na glebie lekkiej (tab. 3). Nawożenie
azotem w dawkach 80 i 120 kg·ha–1 stosowanych doglebowo bez lub łącznie z azofoską
nie powodowało istotnych różnic w zawartości składników mineralnych. Skład chemiczny ziarna pszenżyta był mało zróżnicowany. Średnia zawartość azotu w ziarnie pszenżyta
mieściła się w granicach od 20,0 do 22,5 g·kg–1. Pszenżyto uprawiane w drugim roku
prowadzenia doświadczenia charakteryzowało się istotnie większym nagromadzeniem
azotu, a do jego zwiększenia (do wartości 22,5 g·kg–1) przyczyniło się nawożenie klasycznymi nawozami azotowymi (saletra amonowa i mocznik) z podziałem dawki na dwie
lub trzy części.
W badaniach własnych wzrost poziomu nawożenia azotem do 120 kg·ha–1 oraz
uzupełnienie nawozem wieloskładnikowym azofoską nie przyczyniło się do zwiększenia zawartości azotu w ziarnie, jak to miało miejsce w badaniach Knapowskiego
i innych [2010], gdzie jego zawartość zwiększyła się o 5,8%. Nie wykazano również
większych różnic w zawartości pozostałych składników mineralnych w ziarnie pochoTabela 3. Zawartość składników pokarmowych w ziarnie pszenżyta jarego [g·kg–1]
Table 3. Content of macronutrients in spring triticale grain [g·kg–1]
Lata
badań
Years
Makroelementy – Macronutrients
Obiekt*
Object
N
P
1
20,5ab ±0,007
3,71ab ±0,318
2010
2
3
4
2011
c
20,0 ±0,010
ab
21,1 ±0,012
ab
21,0 ±0,015
3,20
abc
3,49
bcd
3,36
±0,127
Ca
Mg
4,98ab ±**
1,48b ±**
1,41abc ±0,050
ab
b
1,30bc ±0,127
b
1,44ab ±**
4,98 ±0,092
1,48 ±0,120
±0,233
ab
4,98 ±**
1,60 ±**
±0,190
b
ab
1,59a ±0,099
ab
3,85 ±0,106
5,30 ±0,156
1,72 ±0,057
1,30bc ±0,134
2
21,2ab ±0,125
2,95de ±0,063
5,14a ±0,198
1,97a ±0,042
1,22c ±0,057
4
22,5 ±0,007
ab
21,5 ±0,007
B
e
2,75 ±0,078
de
2,91 ±0,034
A
a
1,72 ±0,085
22,5 ± 0,014
a
a
4,68 ±0,219
1
3
a
cde
K
ab
4,98 ±0,092
a
5,30 ±0,198
B
b
1,22c ±0,042
b
1,22c ±0,028
A
1,48 ±0,025
1,60 ±0,261
2010
20,7 ±0,048
3,44 ±0,263
4,91 ±0,167
1,57 ±0,121
1,44A ±0,128
2011
21,9A ±0,081
3,12B ±0,481
5,18A ±0,191
1,69A ±0,241
1,24B ±0,068
a, b, …, A, B, …
* Opis obiektów w Tabeli 1/Explanation see Table 1.
a, b, …, A, B, …
223
dzącym z analizowanych obiektów. Wyższą koncentracją fosforu (3,85 g·kg–1), potasu
(5,30 g·kg–1) i wapnia (1,97 g·kg–1) charakteryzowało się ziarno pszenżyta uprawianego
w 2011 roku, mimo że bardziej korzystne relacje w zawartości fosforu w latach badań
wystąpiły w ziarnie pochodzącym ze zbioru z 2010 roku. Nawożenie azotem w dawce
120 kg·ha–1 w postaci saletry amonowej i mocznika stosowanego łącznie z azofoską
w fazie BBCH 31–32 przyczyniło się do istotnie większej koncentracji w ziarnie magnezu (1,59 g·kg–1). Zawartość potasu i wapnia w ziarnie badanej odmiany pszenżyta
była wyższa, a fosforu niższa w porównaniu z danymi zawartymi w tabeli wartości
pokarmowej zbóż produkowanych w Polsce [IŻ PICB – INRA 2009]. Potwierdza to
wysoką wartość odżywczą ziarna pszenżyta jarego odmiany Milewo. W doświadczeniu przeprowadzonym przez Wojtkowiak i Domską [2009], zawartość azotu i wapnia
w ziarnie pszenżyta jarego odmiany Gabo była również niższa i, podobnie jak w badaniach własnych, nie stwierdzono jednokierunkowego wpływu systemu nawożenia
roślin na zawartość makroskładników.
Wzrostowi plonu ziarna pszenżyta jarego odmiany Milewo towarzyszył wzrost plonu białka, na co wskazują wyniki przeprowadzonej analizy regresji (rys. 1). W drugim
roku badań współczynnik determinacji był bliższy współczynnikowi korelacji liniowej
(R2 = 0,946).
2010
Plon białka
900
850
800
750
700
650
600
y = 8,5847x + 25,311
R² = 0,604
550
500
5,0
5,5
6,0
6,5
Plon ziarna
Grain yield [t·ha–1]
2011
Plon białka
900
850
800
750
y = 125,24x – 2,9779
R² = 0,946
700
650
600
550
500
5,0
Rys. 1.
Fig. 1.
5,5
6,0
6,5
Plon ziarna
Grain yield [t·ha–1]
Zależność plonu białka od plonu ziarna
The relationship between grain yield and protein yield
nr 576, 2014
7,0
7,0
K. Wojtkowiak
224
Analiza statystyczna wykazała istotny wzrost plonu białka w miarę zwiększania zawartości azotu w ziarnie pszenżyta jarego odmiany Milewo uprawianego tylko w 2010 roku (rys. 2). Współczynnik determinacji wynosił R2 = 0,779.
Plon białka
900
2010
850
800
750
700
650
600
y = 528,81x – 365,75
R² = 0,779
550
500
1,9
2,0
Plon białka
900
2,3
2011
850
800
750
700
650
600
550
500
1,9
Rys. 2.
Fig. 2.
2,1
2,2
Zawartość N
Content of N [%]
2,0
2,1
2,2
Zawartość N
Content of N [%]
2,3
Zależność plonu białka od zawartości N w ziarnie
The relationship between protein yield and content of N grain
WNIOSKI
1. Najbardziej efektywnie w stosunku do plonu ziarna i białka pszenżyta jarego odmiany Milewo oddziaływało nawożenie azotem w ilości 120 kg·ha–1 w postaci saletry
amonowej i mocznika. Korzystny wpływ uzupełnienia podstawowego nawożenia azofoską wykazano tylko w drugim roku badań.
2. Analiza regresji wykazała, że tylko w 2010 roku wzrost plonu białka był zdeterminowany zarówno plonem ziarna, jak i zawartością azotu.
3. Zawartość badanych składników mineralnych w ziarnie pszenżyta była mało zróżnicowana, dlatego trudno jest wskazać, który ze sposobów nawożenia jest bardziej efektywny.
225
4. Uzupełnienie podstawowego nawożenia mineralnego azofoską w uprawie pszenżyta jarego uprawianego na glebie zaliczonej do kompleksu pszennego wadliwego nie
wskazuje na celowość zastosowania tego nawozu wieloskładnikowego w praktyce.
LITERATURA
Alaru M., Laur U., Jaama E., 2003. Influence of nitrogen and weather conditions on the grain quality of winter triticale. Agronomy Research 1, 3–10.
Baethen W.R., Alley M.M., 1989. A manual colorimetric procedure for measuring ammonium nitrogen in soil and plant Kjeldahl digests. Communications in Soil Science and Plant Analysis 20, 961–969.
Bameri M., Abdolshahi R., Mohammadi-Nejad G., Yousefi K., Tabatabaie S.M., 2012. Effect of
different microelement treatment on wheat (Triticum aestivum) growth and yield. Intl.
Res. J. Appl. Basic. Sci. 3(1), 219–223.
Brzozowska I., Hruszka M., Brzozowski J., Kurowski T.P., 2010.Wpływ różnych sposobów pielęgnacji i nawożenia azotem na wartość pokarmową białka ziarna pszenżyta jarego. Zesz.
Probl. Post. Nauk Roln. 547, 43–55.
Domska D., Wojtkowiak K., Raczkowski M., 2009. Wpływ dolistnego dokarmiania mikroskładnikami na efektywność ekonomiczną uprawy pszenżyta. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln.
538, 55–61.
Gulmezoglu N, Aytac Z., 2010. Response of grain and protein yields of triticale varieties at different
levels of applied nitrogen fertilizer. Afr. J. Agric. Res. 5(18), 2563–2569.
IZ PIB – INRA., 2009. Normy żywienia przeżuwaczy. Wartość pokarmowa francuskich i krajowych pasz dla przeżuwaczy. IZ PIB. Kraków.
Kalbarczyk E., 2008. Niedobory opadów atmosferycznych ograniczające plony pszenżyta jarego
w północno-zachodniej Polsce. Acta Agrophysica 11(2), 419–428.
Kalbarczyk E., 2010. Zmienność plonu ziarna pszenżyta jarego w Polsce w warunkach różnego
nasilenia suszy atmosferycznej. Prace Naukowo-Przeglądowe. Przegląd Naukowy – Inżynieria i Kształtowanie Środowiska 1(47), 20–33.
Khan M.B., Farooq M., Hussain M., Shabir S.G., 2010. Foliar application of micronutriens improves the wheat yield and net economic return. Int. J. Agric. Biol. 12, 953–956.
Klikocka H., 1999. Wpływ zróżnicowanej uprawy roli i nawożenia azotowego na plon pszenżyta
jarego. Fol. Univ. Agric. Stetin. Agric. 195(74), 249–254.
Knapowski T., Kozera W., Majcherczak E., Barczak B., 2010. Wpływ nawożenia azotem i cynkiem
na skład chemiczny i plon białka ziarna pszenżyta jarego. Fragm. Agron. 27(4), 45–55.
Knapowski. T., Ralcewicz M., Barczak B., Kozera. W., 2009. Effect of nitrogen and zinc fertilizing
on bread-making quality of spring triticale cultivated in Notec Valley. Pol. J. Environ.
Stud. 18, 227–233.
Malakouti M.J., 2008. The effect of micronutrients in ensuring efficient use of macronutrients,
Turk. J. Agric. For. 32, 215–220.
Mut Z., Sezer I., Gǘlǘmser A., 2005. Effect of different sowing rates and nitrogen levels on grain yield, yield components and some quality traits of triticale. Asian J. Plant Sci. 4(5),
533–539.
Nadim M.A., Awan I.U., Baloch M.S., Khan E.A., Naveed K., Khan M.A., 2012. Response of
wheat (Triticum aestivum L.) to different micronutrients and their application methods.
J. Anim. Plant Sci. 22(1), 113–119.
nr 576, 2014
K. Wojtkowiak
226
Nefir P., Tabără V., 2011. Effect on products from variety fertilization and triticale (Triticosecale
Wittmack) in the experimental field from răcăşdia caras-severin country. Res. J. of Agric.
Sci. 43(4), 133–137.
Nogalska A., Sienkiewicz S., Czapla J., Skwierawska M., 2012. The Effect of Multi-Component
Fertilizers on the yield and mineral composition of winter triticale. Pol. J. Natur. Sc.
27(2), 125–134.
Panak H., 1997. Metodical Guide to Agricultural Chemistry. University of Agriculture and Technology, Olsztyn.
Raczkowski M., 2009. Influence of microelement fertilization technique on economic effectiveness
of triticale cultivatin. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 541, 343–351.
Varughese G., Pfeiffer W.H., Pena R.J., 1996. Triticale: a successful alternative crop (Part I) Cereal
Foods World 41, 474–482.
Warechowska M., Domska D., 2006. Porównanie wskaźnikow przydatności technologicznej oraz
zawartości makroelementow w ziarnie wybranych odmian pszenżyta ozimego. Fol. Univ.
Agric. Stetin. Agric. 247(100), 211–216.
Warechowska M., Domska D., Wojtkowiak K., 2004. Wpływ nawożenia azotem i manganem
pszenżyta jarego na zawartośc manganu w ziarnie i jego jakość. Zesz. Probl. Post. Nauk
Roln. 502, 403–409.
Wojtkowiak K., Domska D., 2009. Wpływ techniki nawożenia na wielkość i jakość plonu ziarna
pszenżyta jarego. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 538, 357–63.
Wojtkowiak K., Stępień A., Tańska M., Konopka I., Konopka S., 2013. Impact of nitrogen fertilization on the yield and content of protein fractions in spring triticale grain. Afr. J. Agric.
Res. 8(28), 3778–3783.
SYSTEMS OF NITROGEN FERTILIZING ON QUALITY OF GRAIN
OF SPRING TRITICALE MILEWO VARIETY. PART II – YIELD AND CONTENT
OF NUTRIENTS
Summary. The aim of the study was to assess the influence of nitrogen application as
into-soil one- or multi-component fertilizer on yield of grain and protein and on content of
minerals in grain of spring triticale of the Milewo variety. The field experiment was realized in 2010–2011 in the Didactic and Experimental Department of UWM in Tomaszkowo,
Poland; the soil was medium rich in phosphorous, potassium, zinc and manganese and low
in copper. The experiment was founded by the method of randomized blocks. Different
fertilizing with nitrogen at 80 and 120 kg·ha–1 with doses partition by 40 kg N·ha–1 with
microelements additives or without the addition (azofoska) was applied.
Spring triticale Milewo variety yields on average from 5.40 to 6.85 t·ha–1. Higher fertilizing
with urea (120 kg·ha–1) increased yield of protein by 6.6 and 6.5% in particular years. Because of low variety of particular minerals content in grain it is difficult to point out which
fertilization method is more effective for spring triticale of the Milewo variety.
Key words: nitrogen fertilization, spring triticale, yielding, nutrients
SPIS TREŚCI
CONTENTS
Stanisław Błażejak, Iwona Gientka, Anna Bzducha-Wróbel, Lidia Stasiak-Różańska,
Magdalena Maszewska
Ocena zdolności biosyntezy tłuszczu przez drożdże Rhodotorula gracilis w podłożach
zawierających ziemniaczaną odpadową wodę sokową wzbogaconą glicerolem ...............................
Evaluation of the ability of the intraclellular fat biosynthesis by Rhodotorula gracilis yeast
in media containing potato wastewater enriched with gycerol
3
Piotr Bugajski
Ocena niezawodności usuwania związków biogennych w oczyszczalni ścieków metodą Weibulla .... 13
Assessment of nutrient removal reliability in a sewage treatment plant using the Weibull method
Grażyna Cacak-Pietrzak, Alicja Ceglińska, Krzysztof Jończyk
Wartość wypiekowa mąki z ziarna odmian pszenicy uprawianych
w ekologicznym systemie produkcji .................................................................................................. 23
Value of baking flour wheat variety with grain grown the organic system of production
Karolina Hołda, Sybilla Berwid-Wójtowicz, Robert Głogowski
The comparison of the label content in selected dry foods for dogs and cats in 2011 and 2013 ........ 33
Porównanie treści etykiet wybranych karm pełnoporcjowych dla psów i kotów w 2011 i 2013 roku
Anna Jama-Rodzeńska, Jan Bocianowski, Władysław Nowak
Wpływ komunalnych osadów ściekowych na zawartość metali ciężkich
w pędach klonów wierzby krzewistej (Salix viminalis L.) ................................................................. 45
The influence of sewage sludge on the content of heavy metals in shoots of clones of willow
(Salix viminalis L.)
Marzena Jeżewska-Zychowicz
Akceptacja konsumencka soków owocowych i jasnego pieczywa z dodatkiem błonnika
i jej uwarunkowania............................................................................................................................. 57
Consumers’ acceptance of fruit juice and white bread fortified with fibre and its determinants
Deta Łuczycka, Katarzyna Pentoś
Wykorzystanie sieci neuronowych w modelowaniu zależności między wybranymi cechami
fizykochemicznymi i elektrycznymi miodu ....................................................................................... 67
The use of artificial neural networks for modeling of the relationships between physicochemical
and electrical properties of honey
Natalia Matłok, Józef Gorzelany, Maciej Bilek, Rafał Pieniążek, Piotr Kuźniar, Janina Kaniuczak
Ocena zawartości fruktozy, glukozy i sacharozy w wybranych odmianach cebuli
uprawianych w trzech gospodarstwach hodowlano-nasiennych ........................................................ 79
Sugar content in selected varieties of onion collected from the three plant breeding
and seed production farms
Aleksander Poreda, Monika Sterczyńska, Marek Jakubowski, Marek Zdaniewicz
Klarowanie brzeczki piwnej przy użyciu karagenu – aspekty technologiczne i jakościowe ............. 89
Technological and quality aspects of brewers wort clarification with the use of carrageenan
Elżbieta Rolka
Plonowanie wybranych roślin uprawnych w warunkach zanieczyszczenia gleby kadmem
oraz stosowania substancji neutralizujących ...................................................................................... 99
The yields of selected crops on soils contaminated by cadmium
and supplied neutralizing substances
Iga Rybicka, Anna Gliszczyńska-Świgło
Ocena zawartości witamin z grupy B w owsianych produktach bezglutenowych ............................. 111
Assessment of B-group vitamins in oat gluten-free products
Anna Sadowska, Bożena Waszkiewicz-Robak, Karolina Nowosińska, Justyna Batogowska,
Rita Rakowska
Beef as a source of bioactive components ........................................................................................... 121
Mięso wołowe jako źródło składników bioaktywnych
Feliks Stachowicz, Witold Niemiec, Tomasz Trzepieciński, Wojciech Ślenzak
Innowacyjne urządzenie do aplikacji doglebowej osadów ściekowych ............................................. 131
An innovative device for soil application of sewage sludge
Arkadiusz Stępień, Katarzyna Wojtkowiak, Krzysztof Orzech
Wpływ sposobu nawożenia azotem na jakość ziarna pszenżyta jarego odmiany Milewo.
Część I – zawartość i skład frakcyjny białka ...................................................................................... 141
Systems of nitrogen fertilizing on quality of grain of spring triticale Milewo variety.
Part I – content and composition of protein
Bernadeta Strochalska, Lesław Zimny, Piotr Regiec
Effect of different systems conservation tillage on technological value of sugar beet roots .............. 151
Wpływ różnych systemów uprawy konserwującej na wartość technologiczną korzeni
buraka cukrowego
Karolina Tabaka, Marek Cierach
Barwa modelowych przetworów mięsnych z dodatkiem preparatów zawierających
barwniki naturalne i o zmniejszonej zawartości azotanu(III) sodowego ............................................ 161
Colour of model processed meat with the addition of preparations with natural dyes
and reduced nitrate(III) sodium content
Jolanta Tomaszewska-Gras
Wpływ wybranych czynników na dokładność oznaczenia parametrów termodynamicznych
tłuszczu kakaowego przy użyciu różnicowej kalorymetrii skaningowej DSC ................................... 173
The effect of selected factors on the accuracy of thermodynamic parameters determination
of cocoa fat by using differential scanning calorimetry DSC
Andrzej Tyburcy, Joanna Miazek
Właściwości wybranych koncentratów β-glukanu jako potencjalnych składników
przetworów mięsnych ......................................................................................................................... 185
Properties of selected β-glucan concentrates as potential components of meat products
Piotr Wesołowski, Małgorzata Gałczyńska, Renata Gamrat, Anna Horak, Marcin Kot
Związek między zanieczyszczeniem metalami śródpolnych oczek wodnych
i stałością lustra wody a roślinnością strefy wodnej i buforowej ....................................................... 195
Relationship between metal pollution in midfield ponds, stability of water table
and flora in water and buffer zone
Anna Wierzbicka
Zmiany klimatycznego bilansu wodnego w okresie wegetacji ziemniaka
w regionie północnego Mazowsza w latach 1973–2012 ..................................................................... 207
Changes in climatic water balance for the potato growing season
of north Mazovia region in the years 1973–2012
Katarzyna Wojtkowiak
Wpływ sposobu nawożenia azotem na jakość ziarna pszenżyta jarego odmiany Milewo.
Część II – plonowanie i zawartość składników mineralnych ............................................................. 217
Systems of nitrogen fertilizing on quality of grain of spring triticale Milewo variety.
Part II – yield and content of nutrients

ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 576

Transkrypt

Podobne dokumenty