Influence du stress hydrique sur les caractéristiques techniques et la teneur en huile des graines de tournesol

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12418 (2022) Citer cet article

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Connaître certaines caractéristiques physiques et mécaniques et le pourcentage d'huile des graines de tournesol pourrait être utile pour les équipements et activités de récolte et de transformation tels que le transport, le stockage, les processus de production alimentaire et l'établissement d'une base de données de ces graines. L'objectif principal de cette recherche était d'étudier l'effet du stress hydrique lors de l'irrigation sur les propriétés et la qualité des semences. À cette fin, une expérience au champ a été réalisée sous quatre traitements d'irrigation déficitaire [80 %, 60 %, 100-80 (besoin d'irrigation de 100 % ETc jusqu'à la formation des graines, puis réduit à 80 % jusqu'à la récolte) et 100-60 % (100 % ETc à la formation des graines, puis réduit à 60 % jusqu'à la récolte)] comparable à une irrigation complète (100 %). Les caractéristiques géométriques, gravimétriques et mécaniques ainsi que la teneur en graines oléagineuses et le rendement en graines de tournesol ont été estimés. Les résultats ont montré qu'il n'y avait pas d'effet significatif des traitements de déficit d'irrigation faible (100–80%) et moyen (80%) sur les caractéristiques géométriques, gravimétriques et mécaniques, tandis que l'application de 60% des besoins d'irrigation (ETc) a montré un effet significatif sur eux. D'autre part, les traitements de stress d'irrigation faible et moyen ont amélioré le rendement en huile et la teneur en huile des graines. La plus forte augmentation était de 8,54 % et 5,6 % pour le rendement en huile et la teneur en huile respectivement, en considérant T100–80 suivi de l'application de 80 % ETc, mais avec un stress hydrique élevé (60 % ETc), le rendement en huile et la teneur en huile des graines ont considérablement diminué.

L'eau est importante dans la production agricole, mais dans un proche avenir, il faudra faire face à une pénurie d'eau. Dans les régions méditerranéennes semi-arides, la rareté de l'eau et la rivalité croissante pour les ressources en eau entre l'horticulture et d'autres secteurs obligent à utiliser des stratégies de gestion de l'eau qui permettent de conserver l'eau tout en maintenant des niveaux de production acceptables1,2.

Étant donné que le tournesol a la capacité de survivre dans des conditions de stress par rapport aux autres cultures oléagineuses dans une certaine mesure, le déficit hydrique combiné à une température de l'air élevée de la floraison au remplissage des grains a considérablement réduit le rendement en graines et la qualité de l'huile de graines de tournesol dans les régions arides et semi-arides. région aride3. L'irrigation déficitaire est l'une des méthodes permettant d'accroître l'efficacité de l'utilisation de l'eau. L'application d'un déficit hydrique (80%)4 a produit presque le même rendement en graines de tournesol que celui obtenu avec une irrigation complète, en plus d'économiser environ 20% d'eau d'irrigation et d'optimiser l'efficacité de l'utilisation de l'eau. Le rendement biologique des génotypes de carthame a été considérablement réduit en cas de stress hydrique de 17,9 %, par rapport à la condition normale5. Le pourcentage d'huile est un critère important pour déterminer la qualité du tournesol, et il peut être influencé par des déficits d'irrigation6. La teneur en huile des graines de tournesol varie de 37 à 42 %4. Selon des recherches antérieures, lorsque la culture de tournesol a été soumise à un stress hydrique pendant la phase de floraison, le pourcentage de teneur en huile de tournesol a considérablement diminué7. Une diminution de la teneur en huile de carthame avec une augmentation de la sécheresse a été signalée par5 où les résultats ont montré une diminution significative du rendement en huile dans des conditions de stress hydrique de 19,3 %. Dans la plupart des cas, la réduction du rendement en huile est inférieure à la réduction du rendement en graines, ce qui indique une augmentation de la teneur en huile. Mais une sécheresse sévère au stade de la floraison et du bourgeon a réduit le rendement en huile plus que le rendement en graines, ce qui peut être dû à une diminution de la teneur en huile des graines3. Ces deux stades peuvent donc être considérés comme les plus sensibles au stress hydrique.

En raison de la nécessité de conserver et de fournir de l'eau, de nombreuses cultures utilisent désormais de minuscules systèmes d'irrigation. Des expériences ont révélé que certaines plantes réagissent positivement au rendement et à ses qualités, tandis que d'autres non8.

Les scientifiques étudient les aspects physiques, mécaniques, chimiques et botaniques des semences d'un point de vue technique afin d'améliorer la production de semences tout en maintenant une qualité élevée. Ces caractéristiques peuvent être utilisées pour piloter la conception d'équipements et de processus de production de semences, tels que la plantation, la récolte, la transformation et le test de machines de nettoyage et de tri spécifiques9,10,11. Par exemple, la taille et la forme des graines sont importantes pour leur séparation électrostatique des matériaux indésirables12. De plus, l'identification de la forme de la graine pourrait être importante pour une prédiction analytique de son comportement au séchage13. La densité apparente, la densité réelle et la porosité sont utiles pour dimensionner les trémies à grains et les installations de stockage car elles peuvent affecter le taux de transfert de chaleur et de masse pendant les opérations d'aération et de séchage14. Les données sur les qualités physiques des matériaux agro-alimentaires sont importantes car elles peuvent être utilisées pour alimenter des modèles qui anticipent la qualité et le comportement des produits dans les conditions de semis, de manutention, de pré-récolte et de post-récolte ; et ils peuvent aider à comprendre comment les aliments sont transformés15.

Forme et taille, longueur, largeur, épaisseur, volume, diamètre géométrique, diamètre mathématique, pourcentage de sphéricité, surface plane, surface transversale des graines individuelles, force de rigidité, angle de repos, coefficient de frottement, vitesse terminale des composants de la tête battue, traînée Le coefficient, la densité réelle et la densité apparente sont les propriétés les plus importantes affectant les graines de tournesol. De plus, la largeur de la tête, le nombre de graines par tête et le poids de 1000 graines sont les propriétés les plus essentielles affectant la tête16.

Les résultats des propriétés physiques et mécaniques des graines de tournesol ont montré une variation de 14,32 à 31,00 mm pour la longueur, de 4,7 à 9,8 mm pour la largeur et de 2,7 à 6,6 mm pour l'épaisseur des graines de tournesol. Les valeurs de la masse, du volume, de la densité réelle, de la densité apparente et de la porosité de 1000 graines étaient comprises entre 149,8–167,7 g, 99,05–628,9 mm3, 444,5–521,8 kg/m3, 269,06–275,57 kg/m3 et 39,09–47,18 % respectivement. La force de rupture, la déformation et l'énergie absorbée ont augmenté avec l'augmentation de la teneur en humidité de 1,8 à 14,5 %, tandis qu'elles ont diminué avec une augmentation supplémentaire de la teneur en humidité de 14,5 à 20,3 %. La valeur moyenne du pourcentage de graines physiquement endommagées est passée de 2,75 à 10,81 % avec l'augmentation de la vitesse d'impact de 40,8 à 62,3 m/s. Dans les deux orientations d'impact, le nombre total de graines endommagées a augmenté avec l'augmentation de la vitesse d'impact pour toutes les teneurs en humidité des graines12,17,18,19.

Il y a eu des recherches sur les propriétés techniques des graines de tournesol15,16,20, mais on sait peu de choses sur la façon dont les techniques agricoles affectent les propriétés techniques telles que le stress hydrique. Les systèmes d'irrigation et de plantation peuvent également avoir un impact sur les propriétés des semences4.

L'objectif de cette recherche est de découvrir comment l'utilisation de systèmes de stress hydrique influence les caractéristiques techniques, la productivité et le rendement en huile des graines de tournesol. Ainsi, si certains traitements d'irrigation déficitaire ont un effet positif sur la productivité et le rendement en huile des graines, une quantité d'eau peut être économisée.

Pour atteindre les objectifs de cette étude, une expérience sur le terrain utilisant l'hybride de tournesol Sakha 53 a été entreprise dans une ferme privée du gouvernorat de Qalyubia, en Égypte, au cours de deux saisons estivales de croissance successives de 2019-2020 (les autorisations ont été obtenues du ministère égyptien de l'Agriculture et de l'expérimentation). la recherche et l'étude sur le terrain étaient conformes aux directives et à la législation institutionnelles, nationales et internationales pertinentes). Ce site illustre les conditions du sol argileux du delta du Nil. Les tournesols ont une saison de croissance qui dure de juin à septembre. Tout au long du profil, le sol dominant à l'emplacement expérimental était à texture argileuse (2,45 % de sable grossier, 18,55 % de sable fin, 27,77 % de limon et 51,23 % d'argile). La région est aride caractérisée, durant cette période de l'année, par l'absence de précipitations, une température moyenne élevée et une humidité relativement moyenne entraînant une demande d'évaporation moyenne à élevée.

Le site expérimental a été divisé en cinq parcelles (une pour chaque traitement d'irrigation) ont une largeur de 3 m et s'étendent sur une longueur de 25 m avec une ligne de séparation de 2 m entre les parcelles. Les graines ont été plantées à 30 cm entre les plantes avec un espacement de 60 cm entre les rangées, c'est-à-dire que chaque parcelle est divisée en cinq rangées et chaque rangée est considérée comme une répétition.

Pour l'irrigation, des conduites latérales en polyéthylène (PE) de 16 mm de diamètre avec des goutteurs intégrés de 4 L/h à 30 cm d'intervalle ont été utilisées avec une conduite latérale pour chaque rangée. Des vannes de régulation ont été installées à l'entrée de chaque traitement pour contrôler le débit d'eau. Une pression d'un bar a été maintenue à l'aide d'une pompe de 0,75 kW.

Les traitements d'irrigation de la culture de tournesol étaient une irrigation complète à 100 % des besoins de la culture (ETc) et quatre régimes de déficit hydrique [80 % ETc, 60 % ETc, (100-80 % ETc) et (100-60 ETc) notés T100 , T80, T60, T100–80 et T100–60, respectivement]. Les traitements T100–80 et T100–60 ont été appliqués à 100 % ETC à la formation des graines, puis réduits à 80 % et 60 % ETc jusqu'à la récolte, respectivement.

Les valeurs d'évapotranspiration journalière (ETo) ont été obtenues à partir des données prédites par le Laboratoire Central du Climat Agricole (CLAC) qui sont toujours disponibles 5 jours à l'avance. Kc pour le tournesol pendant la saison de croissance a été obtenu auprès de la FAO (2015). L'ETo et le Kc obtenus ont été utilisés pour calculer les besoins en eau pour l'ETc du tournesol (mm) comme décrit par21.

L'irrigation commence sur tous les traitements lorsque 75 % de l'eau disponible sous le traitement d'irrigation 100 % ETc est consommée. Toutes les autres pratiques agricoles pour la culture du tournesol ont été utilisées conformément aux recommandations du ministère de l'Agriculture.

Au moment de la récolte, les têtes de 15 plantes ont été tirées au hasard dans chaque parcelle et ont été récoltées séparément, ensachées et séchées au soleil pendant une semaine. La moitié des graines récoltées est utilisée pour mesurer le rendement en huile et l'autre moitié pour mesurer les caractéristiques physiques et mécaniques des graines.

Le rendement en huile de tournesol par unité de surface est le résultat du rendement en graines par unité de surface et du pourcentage d'huile des graines. En utilisant l'équipement Soxhlet et de l'éther de pétrole à 40–60 °C comme solvant, le pourcentage d'huile de graines a été mesuré. Les échantillons en poudre ont été trempés dans du n-hexane à 64–68 ° C pendant 48 h avec agitation périodique après avoir été séchés à l'air. Des échantillons de graines de tournesol ont été broyés deux fois dans un broyeur expérimental en acier inoxydable. Les aliments ont été immergés dans le même solvant une deuxième fois pendant 24 h supplémentaires. Les extraits mélangés ont été filtrés à travers des quantités suffisantes de sulfate de sodium anhydre, puis distillés sous vide pour éliminer le solvant22.

Pour obtenir la teneur en humidité, 50 g de graines pour chaque traitement ont été sélectionnés et placés pendant 24 h à 72 ° C dans le four et conformément à la norme ASAE Standard23, l'humidité a été mesurée sur la base de la siccité (db).

La masse de trois groupes de 1000 graines pour chaque échantillon a été mesurée à l'aide d'une balance avec une précision de 0,001 g. La taille des graines a été mesurée pour trois groupes de 100 graines par un pied à coulisse avec une précision de 0,01 mm. Étant donné que la forme des graines est irrégulière et granuleuse, la taille des graines est exprimée par le diamètre géométrique (dg) comme suit20 :

où : T, W et L sont l'épaisseur, la largeur et la longueur de la graine. De plus, la surface (S), le volume (Vs) et le coefficient de sphéricité (Ø) des graines ont été déterminés à l'aide de l'équation suivante17 :

En remplissant un récipient avec 500 ml de graines d'une hauteur de 15 cm, en frappant le bord supérieur et en mesurant le contenu, la densité apparente (Pb) a été estimée 3 fois pour chaque échantillon. La densité réelle (Pt) d'une substance est définie comme le rapport de sa masse à son volume réel. La méthode de déplacement de liquide a été utilisée pour déterminer la densité réelle et le fluide toluène (C7H8) a été utilisé en raison de la faible absorption de liquide par la graine. Une certaine masse de graines a été versée dans un récipient cylindrique ayant un volume de 100 ml. Ensuite, le volume de toluène transféré a été enregistré et la densité réelle des graines a été déterminée en utilisant le rapport massique de la graine au volume de liquide déplacé24. La porosité (Pf) des graines en vrac est définie comme la proportion d'espace qui n'est pas occupée par les graines. Le pourcentage de porosité a été calculé à l'aide de la formule ci-dessous12.

La charge d'écrasement joue un rôle très important dans la conception des équipements de chargement et de déchargement, des systèmes de stockage, des machines de récolte et des équipements de séchage, des convoyeurs, des équipements de goulotte et de chute libre, car les graines sont affectées par d'autres surfaces métalliques, en bois et en plastique lors des opérations dans ce l'équipement, ce qui peut entraîner des dommages mécaniques13, tandis que l'expulsion d'huile pourrait être utilisée pour la force de rupture et l'énergie de rupture17.

Pour évaluer l'impact de la direction de chargement sur la rupture, les graines ont été placées verticalement, avec l'axe principal de la graine aligné avec la direction de chargement, et horizontalement, avec l'axe principal perpendiculaire à la direction de chargement, à l'aide de la machine d'essai universelle Instron ( Figure 1)14.

Machine d'essai de charge d'écrasement telle que décrite par Khodabakhshian et al.14.

En utilisant l'approche de vidange, l'angle de repos des graines (θ) a été calculé dans un cylindre sans fond (diamètre 5 cm ; hauteur 10 cm). Le cylindre a été rempli de graines de tournesol et graduellement élevé jusqu'à ce qu'un tas soit produit sur une table avec trois surfaces distinctes (bois, acier inoxydable et plastique). Le diamètre (D) et la hauteur (H) du tas ont été mesurés et l'angle de repos (θ) a été calculé comme indiqué par25 :

Les coefficients de frottement statique (μ) sur les trois surfaces différentes (bois, acier inoxydable et plastique) ont été calculés pour les graines. Ces surfaces sont largement utilisées dans le traitement et la manipulation des semences25. Les coefficients de frottement statique ont été calculés comme une tangente de l'angle de pente (angle de talus)26 :

La variation de la longueur, de la largeur, de l'épaisseur et de la teneur en humidité de la graine de tournesol à différents traitements d'irrigation est présentée dans les tableaux 1 et 2. Les résultats ont montré que tous ces paramètres diminuaient avec l'augmentation du déficit hydrique. La teneur en humidité des graines a été affectée par le stress hydrique, où elle a diminué de 7,92 % à T100 à 5,49 % à T60. Toutes les dimensions ont une tendance similaire. La longueur, la largeur et l'épaisseur moyennes ont diminué de 14 %, 7,6 % et 7,1 %, respectivement. De plus, la masse de 1000 graines a diminué de 9,8 % avec l'application du traitement T60 par rapport au traitement T100. Le diamètre moyen géométrique, le volume et la surface avaient le même comportement que celui indiqué dans le tableau 2. Ces comportements peuvent être dus à la complexité des impacts du stress hydrique sur la teneur en humidité des graines, comme indiqué par17,27. La tendance à la réduction des dimensions avec la teneur en humidité des graines était due au remplissage des capillaires et des vides lors de l'absorption d'humidité et du gonflement ultérieur, comme décrit par 15. La variation de la longueur, de la largeur, de l'épaisseur, du diamètre moyen géométrique et de la sphéricité de la graine de tournesol augmentait avec l'augmentation de la teneur en eau de 3 à 14% db pour toutes les catégories de taille. Cela indique que pendant le processus d'absorption d'humidité, la graine de tournesol se dilatera simultanément dans toutes les dimensions, comme indiqué par14,19.

La majorité des largeurs sont d'environ 1,5 épaisseurs, et l'allongement indique que les graines de tournesol ont une forme oblongue basse. Les graines de tournesol, en revanche, sont plus susceptibles de rouler que de glisser en raison de leur rapport d'allongement moyen. Cela a également été révélé par les données de sphéricité du tableau 2. Ces informations pourraient être utiles dans la conception des séparateurs et des équipements de transport. Les valeurs moyennes de sphéricité des graines de tournesol utilisées dans cette étude étaient bien supérieures à celles rapportées par18, tandis que les valeurs de sphéricité des graines de tournesol se situaient dans les mêmes fourchettes que celles de cette étude28. La porosité calculée a diminué de 41,6 % (T100) à 38,1 % (T60) lorsque la teneur en humidité a diminué de 7,9 à 5,5 % (wb) affectée par le stress hydrique. La forme de la parcelle était similaire à celles observées par20. Aussi, le diamètre géométrique (dg), la surface (S) et le volume (Vs) ont pris la même tendance.

Les coefficients de frottement statique des graines sur les surfaces étudiées sont passés de 0,380 à 0,424 à mesure que le stress hydrique augmentait de T100 à T60, comme indiqué dans le tableau 3. Cela peut s'expliquer par une force de cohésion accrue des graines avec la surface en raison de la diminution des dimensions qui s'est produite en conséquence. du stress hydrique. Les résultats ont montré que la valeur la plus élevée du coefficient de frottement statique était sur la surface du bois, suivie par les surfaces en plastique et en acier inoxydable au même stress hydrique pour tous les traitements. De plus, les coefficients plus élevés pour un stress hydrique élevé pourraient être attribués à sa plus faible sphéricité de forme par rapport à celle du plein irrigué (T100). La variation de l'angle de repos suit la même tendance, où elle augmente de 9,5 % (acier inoxydable), 4,3 % (plastique) et 4 % (bois) lorsque le stress hydrique augmente de T100 à T60. L'angle de repos a augmenté de façon linéaire avec une augmentation du stress hydrique parce que les graines pourraient coller ensemble, ce qui se traduit par moins de fluidité et une meilleure stabilité, augmentant ainsi l'angle de repos. Des résultats similaires ont été rapportés pour les graines et les graines de tournesol14,17 et le sésame19.

Les résultats obtenus de la charge d'écrasement (tableau 4) montrent que les valeurs les plus élevées étaient dans la direction verticale que dans la direction horizontale pour tous les traitements étudiés. La charge d'écrasement maximale atteint 63,1 et 25,0 N pour T100, tandis que la valeur minimale était de 46,2 et 21,4 N pour T60 pour les directions verticale et horizontale respectivement.

La charge d'écrasement augmente à mesure que la taille des graines augmente, peut-être parce que la zone de contact des graines avec les plaques de chargement se dilate, ce qui entraîne l'expansion d'une faible contrainte. Ceci est cohérent avec la théorie des tests de compression de Hertz pour les produits alimentaires14. Les deux orientations présentent la même tendance d'augmentation de la charge d'écrasement lorsque la teneur en humidité passe de 5,49 % (T60) à 7,92 % (T100). Ces résultats sont cohérents avec ceux de 20, qui ont découvert que l'augmentation de la teneur en humidité des graines de tournesol de 3 à 8 % db augmente la charge de concassage. Cela pourrait s'expliquer par le changement progressif de l'intégrité de la matrice cellulaire ou de la structure cellulaire des graines19.

Lorsque l'irrigation complète a été appliquée à la formation des graines, puis réduite à 80 % ETc jusqu'à la récolte (tableau 5), le pourcentage d'huile le plus élevé (40,32 %) a été enregistré, suivi de T80 pour toute la saison de croissance (39,67 %), et le pourcentage le plus bas (36,12%) lorsque les plantes ont été soumises à un stress hydrique T60. Il n'y a pas eu d'effet substantiel sur la teneur en graines oléagineuses lorsque le stress hydrique s'est produit après le stade de remplissage des graines29. La diminution du pourcentage d'huile dans le traitement témoin (T100) pourrait être due à une consommation d'eau accrue, ce qui entraîne une croissance végétative excessive et un retard de maturation des graines immatures au moment de la récolte. La diminution du pourcentage d'huile dans le traitement de stress sévère pourrait être due à un mauvais remplissage des graines, ce qui provoque l'épaississement de la peau des graines de tournesol27,30. Il a été cité que le pourcentage d'huile n'endommage pas en cas de faible stress hydrique4.

L'intensité du changement de rendement en huile dépend du stade de croissance de la culture et du pourcentage de réduction d'eau. Le rendement en huile du tournesol a été affecté par le stress hydrique, le traitement à faible statut produisant 8,6 % pour T60 de moins que le traitement témoin, tandis que le rendement en huile a augmenté de 8,5 % pour T100–80. Le stress hydrique pendant la phase de floraison s'est avéré être un facteur limitant pour le remplissage des graines, entraînant une réduction significative du rendement en huile31,32. L'effet de la rareté de l'eau sur le rendement en huile des graines souligne également l'importance de prêter attention au potentiel de stress hydrique dans différents génotypes de tournesol.

Les propriétés physiques et mécaniques sont importantes à connaître pour la technologie post-récolte, et l'irrigation déficitaire doit être utilisée comme méthode efficace pour économiser l'eau. En comparant les traitements d'irrigation d'un point de vue des propriétés physiques et mécaniques, tous les paramètres physiques et mécaniques étudiés dans cette recherche étaient proches les uns des autres sous tous les traitements sauf sous 60 % de traitement ETc lorsque tous les paramètres ont été significativement diminués. L'angle de repos est passé de 21° à 26° tandis que le coefficient de frottement statique variait de 0,380 à 0,488 sur différentes surfaces de matériaux dans la contrainte hydrique spécifiée. D'autre part, les traitements de déficit d'irrigation faible et moyen ont amélioré le rendement en huile et sa teneur en huile. L'augmentation la plus élevée du rendement en huile et de la teneur en huile des graines était sous l'application de T100–80 (100% ETc à la formation des graines, puis réduite à 80% jusqu'à la récolte) suivie de l'application de 80% ETc, mais avec un déficit hydrique élevé (60% ETc) le rendement en huile et la teneur en huile des graines ont diminué de manière significative (P ≤ 0,05).

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Département de génie agricole et des biosystèmes, Faculté d'agriculture, Université de Benha, Moshtohor, Qalyobia, Égypte

Harby Mostafa et Mohamed T.Afify

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Tous les auteurs ont rédigé le texte principal du manuscrit et révisé le manuscrit.

Correspondance à Harby Mostafa.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Mostafa, H., Afify, MT Influence du stress hydrique sur les caractéristiques techniques et la teneur en huile des graines de tournesol. Sci Rep 12, 12418 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16271-7

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Reçu : 05 avril 2022

Accepté : 07 juillet 2022

Publié: 20 juillet 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-16271-7

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