Общие правила хранения зерновых и бобовых культур
Сезонный характер производства зерна и постоянная высокая потребность в нем вызывают необходимость его хранения в течение длительного срока. При хранении в зерне происходит интенсивный обмен веществ и скрытое физиологическое развитие, которое, оказывая благоприятное действие (прекращается состояние покоя, изменяются хлебопекарные и кулинарные свойства, а также свойства тестообразования), в то же время приводит к старению и потерям, природа и интенсивность которых зависит от условий окружающей среды. Изменения, происходящие в зерне при хранении, приводят к очень существенному понижению качества — от 5 до 30% и более. Особенно велики количественные потери в странах с низким уровнем технического развития, расположенных во влажных субтропиках.
Причины количественных и качественных потерь состоят в метаболических изменениях в зерне, в поражении зерна микроорганизмами (бактериями и плесневыми грибами), а также позвоночными и беспозвоночными животными.
Общие правила хранения зерновых и бобовых устанавливает ИСО 6322-1.
Общие проблемы
Непосредственно после сбора урожая зерно может некоторое время (в пределах от нескольких часов до нескольких дней) оставаться влажным. Как правило, этот этап оказывается наиболее неблагоприятным для зерна. Часто возникает проблема хранения зерна на фермах или в других малых хозяйствах, где нет соответствующего оборудования для специальной обработки.
Перед продажей на международном рынке зерно хранят от нескольких недель до нескольких лет при уровне влажности, который нормируют в каждой стране-экспортере.
В ряде стран возникают очень сложные проблемы сохранения качества зерна при хранении, которые зависят от факторов, указанных ниже.
Климатические условия
Климатические условия являются одним из наиболее важных факторов, вызывающих изменения зерна на каждом этапе обработки:
жаркий и влажный тропический климат может способствовать очень быстрой порче зерна;
жаркий и сухой климат, в котором зерно убирают сухим, может способствовать длительному хранению его после уборки (например, юг США, Средний Восток);
умеренный климат, в котором часть зерна убирают во влажном виде (например, Европа), требует применения оборудования для просушки зерна;
холодный климат, в котором часть зерна может оказаться под снегом, может погубить часть урожая.
Экспортно-импортная деятельность стран
У всех стран-производителей зерна существует проблема хранения. Кроме того, экспорт-импорт зерна приносит дополнительные проблемы. Страны-экспортеры зерна обязательно должны использовать хранилища. Только хранение зерна в хранилищах дает возможность поставлять зерно, соответствующее строгим правилам стран-импортеров. Следует помнить, что многие страны-экспортеры при хранении зерна для снижения затрат используют устаревшее оборудование.
Страны-экспортеры часто используют самую современную уборочную технику, специально модифицированную для климатических условий страны, и современные хранилища, поскольку наплыв сырого зерна бывает огромным. Однако они бывают плохо информированы о многих проблемах хранения в странах, которым они поставляют зерно.
Очень важна сама организация системы хранения, так как даже в одной стране используют множество ее типов. Стандарты качества, принятые большинством стран, эффективны для решения проблем хранения зерна у стран-экспортеров. Страны с менее передовыми методами хранения могут иметь стандарты с более низкими требованиями к качеству.
При международной торговле, несмотря на то, что каждая страна имеет собственные проблемы, современная наука дает возможность создания единых стандартов для обеспечения надежного хранения зерна.
Изменения в зерне в результате хранения
При хранении активность обменных процессов в зерне идет по двум направлениям.
При достаточно высоком уровне влажности и высокой температуре в аэробных условиях зерно дышит, расходуя в основном углеводы и жиры. При дыхании продуцируются диоксид углерода и водяной пар при достаточно высоком выходе энергии (2830 кДж/моль окисленной глюкозы).
При анаэробных условиях имеет место ферментативный процесс обмена с низким уровнем выхода энергии (92 кДж/моль глюкозы). В ферментированном зерне проходят кислотно-алкогольные процессы и другие изменения, что позволяет перерабатывать его или использовать на корм скоту.
Процесс окисления является нормальным для процесса хранения зерна, сухое зерно имеет низкий уровень окисления. При соблюдении технологии хранения зерна изменение качества неощутимо. При ухудшении качества зерна изменяется время его прорастания.
В присутствии кислорода при достаточной влажности и температуре зерно прорастает. Прорастание проходит ряд последовательных стадий: ингибирование, активацию ферментов, активное клеточное деление, затем клеточный рост и, соответственно, развитие молодого растения. Только эта последняя стадия видна внешне. Прорастание даже в начальной стадии является важным фактором для уже хранящегося или предназначенного для хранения зерна. Очень часто это явление имеет место в годы с повышенной влажностью, в тот период, когда зерно еще находится в поле. При хранении происходит химическое изменение запасенных веществ и рост ферментативной активности. Хорошо известный пример — пшеница с высоким содержанием амилазы при сборе урожая в северной Европе во влажные годы. Такое зерно часто не пригодно для употребления человеком. Потенциальный рост, который, в основном, определяет устойчивость зерна, должен быть остановлен.
Микрофлора
Семена постоянно соприкасаются с большим количеством микрофлоры. Сообщества микроорганизмов, присутствующие на недавно убранном зерне, включают много типов бактерий, плесневых и дрожжевых грибов.
По мере созревания зерна, и, следовательно, падения его влажности, количество полевых микроорганизмов, главным образом бактерий, уменьшается. Во время сбора урожая, происходит заражение зерна типичной для периода хранения микрофлорой, а полевая микрофлора постепенно вымирает. При уровне влажности до 18 масс.% количество микрофлоры не увеличивается, а при уровне выше 18 масс.% происходит ее быстрый рост.
Таким образом, качественный и количественный состав микрофлоры урожая зависит не от вида злака, а в большей степени от экологических факторов.
Кроме того, заражение микрофлорой может произойти во время транспортирования и хранения. Микроорганизмы в зерне имеют тенденцию к гибели в течение хранения и замещаются микроорганизмами, адаптированными к условиям хранения.
Семена сорняков и другие примеси
Основная масса коммерческого зерна, которую не подвергают просеиванию или продуванию, содержит другие виды злаков, семена сорняков, чешую, солому, камни, песок и т.д. Растительные материалы могут иметь отличные друг от друга физические и химические свойства и могут избирательно воздействовать на поведение зерна при хранении.
Основные физические факторы воздействия при хранении
Наиболее важными физическими факторами при хранении являются влажность и температура.
Объем находящегося на хранении зерна состоит из объема собственно зерна и расположенного между зерном воздуха. Для примера, в пшенице около 40% общего объема занимает воздух. Поскольку теплопроводность зерна очень низка (0,125—0,167 Вт/м-град), то отсутствие вентиляции в каком-либо участке вызывает эффективный температурный подъем. Теплоемкость зерна также низка (приблизительно 1,88 кДж/кг∙град для пшеницы с влажностью 15 масс.%), но она возрастает с ростом влажности зерна. К тому же необходимая для метаболической активности температура может быть результатом активности микроорганизмов и насекомых.
Зерно гигроскопично, оно отдает и поглощает влагу для поддержания равновесия с окружающей средой. Существуют еще некоторые различия между зерном, которое получает влагу, и зерном, которое ее теряет, т. е. существует явление гистерезиса в равновесии между влажностью зерна и относительной влажностью окружающей среды.
Периодические изменения относительной влажности атмосферы воздействуют только на поверхностный слой массы зерна, а относительная влажность воздуха, находящегося в толще зерна, служит главным образом для первичного контроля влажности и температуры. Градиенты равновесия относительной влажности и содержания влаги могут быть повышены стойкой разницей в температуре поверхности и внутренней части зерна благодаря изменениям в наружной температуре или нагреву внутренней массы зерна.
В технологии хранения зерна употребляют термины "сухое", "влажное" и "безопасный уровень влаги". Термины "сухое" или "безопасный уровень влаги" указывают на то, что зерно имеет влажность при которой, принимая в расчет вероятное колебание температур в течение хранения и транспортирования, отсутствует ощутимый риск активации метаболизма зерна и воздействия плесневых грибов и других микроорганизмов. "Влажное" зерно — это зерно, в котором содержание влаги выше нормального уровня. Диапазон "безопасный уровень влаги" изменяется с урожаем, зависит от температуры (включая искусственные средства понижения температуры) и периода хранения. Обычно "безопасным" содержанием влаги считают величину, равновесную с 65% относительной влажностью воздуха.
Сохранение качества зерна
Основной задачей является сохранение свойств зерна, которые необходимы для питания человека и животных, для солодоварения или в качестве семян. Основными критериями при хранении зерна являются:
определенный уровень ферментативной активности, в особенности, не специфической альфа-амилазы, в случае использования злаков для изготовления хлеба;
оригинальная природа различных белковых структур, что определяет реологические свойства теста;
процент прорастания и энергия прорастания, которые должны быть сохранены очень высокими для семенного зерна и солодового ячменя.
Выполнению этих требований может препятствовать температурная обработка зерна, к примеру, температурная денатурация белков, температурная стерилизация.
Для использования зерна в пищу человеком и животными необходимо сохранение его пищевой ценности (вкус, полезные вещества, пищевая эффективность) на возможно высоком уровне. Кроме того, необходима гигиеническая оценка зерна на предмет присутствия в нем токсинов и остатков пестицидов.
Причины изменений, которые имеют место в период хранения зерна, могут быть объединены в две различные категории:
причины, непосредственно вызывающие ухудшающие изменения;
причины, вызванные факторами окружающей среды.
Ферментативные изменения
Изменения собственно ферментов зерна проявляются различно. Изменения в белках, углеводах и жирах могут иметь место в период хранения, но они будут незначительными, если зерно сухое. Кроме того, активность некоторых ферментов, например, липазы, вызывают изменения в сухом зерне.
Другие изменения биохимической и химической природы
По своей природе источники биохимических и химических реакций могут быть разнообразными. Для большинства этих реакций требуется довольно высокая температура, имеющая место при сушке зерна или при "разогреве" зерна. Температура также является причиной активации насекомых, плесневых грибов и других микроорганизмов. При этом могут протекать реакции Майларда с продуцированием промежуточных компонентов, которые, при определенных обстоятельствах, приводят не к ферментативному потемнению зерна, а к:
ухудшению при сушке зерна структуры крахмальных зерен, что вызывает повреждение крахмальных гранул и формирование декстринов;
денатурации белков и потере их специфических свойств (растворимости, реологических свойств в гидратированном состоянии, ферментативной активности);
уменьшению количества лизина;
деструкции витаминов (В1, Е и каротиноидов).
Некоторые реакции, особенно не ферментативное окисление липидов, могут проходить в пределах температур хранения.
Внешние причины — живые организмы
Хотя основной эффект воздействия живых организмов слабый, определенный непрямой вред может быть очень серьезным: повышение температуры за счет активности насекомых и микроорганизмов и продуцирование микроорганизмами токсинов. При большом количестве насекомых и микроорганизмов продуцируется углекислый газ и влага, высвобождаются ферменты, что приводит к значительному повышению количества плесневых грибов, которые активны только в аэробных условиях.
Грызуны, птицы, насекомые и клещи
Паразиты при питании зерном портят его и повреждают. Активность насекомых в толще зерна вызывает его нагрев и изменение температурного градиента, что вызывает порчу зерна из-за развития микроорганизмов, а в зонах с повышенным содержанием влаги это может привести даже к прорастанию.
Плесневые грибы, дрожжевые грибы, бактерии
Механизм действия микроорганизмов, вызывающих порчу зерна, зависит от деятельности доминирующих компонентов в микрофлоре. Однако, часто бывает трудно по присущим изменениям самого зерна выделить воздействие тех или иных микроорганизмов, что связано со схожестью внешних факторов. Главными следствиями порчи зерна микроорганизмами являются разложение зерна, нагрев и выработка токсинов; возникновение аллергии у людей и животных, которые вступили в контакт с зерном, инфицированным определенными специфическими микроорганизмами.
Внешние причины воздействия на зерно до начала хранения
Зерно может ломаться и истираться в период сбора урожая, транспортирования и хранения. Зерно, которое убирают комбайнами, имеет больше сломанных зерен, чем при уборке жатками-сноповязками. Количество сломанных зёрен к тому же ведет кизменениям в зерне. Сломанные зерна более подвержены воздействию плесневых грибов и других видов микроорганизмов и большинства видов насекомых и клещей, чем целые зерна.
Нежелательность наличия сломанных зерен состоит еще и в том, что в них наиболее вероятны ферментативные и химические изменения. Зерно, с которого удаляют шелуху (рис, ячмень и овес), лишается защиты и портится, что приводит к большим убыткам в период сушки.
Факторы внешней среды, влияющие на хранение
Факторы внешней среды — температура, относительная влажность и состав атмосферы — влияют на химические и биологические изменения, имеющие место при хранении. Их действие зависит от продолжительности и условий хранения.
Для решения проблемы длительного надежного хранения в расчет следует принимать различные причины, а для этого должны быть известны типы протекающих реакций и главное — факторы ухудшения качества. Необходимо отметить, что изменения температуры и содержания влаги обычно проходят медленно. Это важный критерий для оценки действительного состояния массы зерна.
Температура
Температурный фактор оказывает влияние практически на все химические и биохимические реакции, что определяет крайнюю важность этого фактора. Однако биологическая активность насекомых, клещей и микроорганизмов ограничена определенными температурными, пределами. Повышение температуры выше 40°С происходит благодаря активности насекомых, а деятельность микроорганизмов повышает ее выше 65°С. Окислительные реакции могут вызывать повышение температуры до уровня горения, но это не свидетельствует о том, что весь хлеб подвержен самовозгоранию.
Относительная влажность
Относительная влажность также является важным фактором. При данной температуре и низкая, и высокая относительная влажность может привести к ухудшению качества зерна. Относительная влажность, при которой начинается порча зерна, зависит от температуры.
Состав атмосферы
Соотношение кислорода и диоксида углерода в воздухе, который заполняет пространство между зернами, влияет на природу метаболизма любых микроорганизмов, животных-паразитов и живых клеток зерна. Оно также влияет на уровень не ферментативного окисления и на некоторые ферментативные реакции.
Позвоночные животные
Птицы и грызуны могут существовать и размножаться на запасах зерна при обычных аэробных условиях. Содержание влаги в зерне для них не имеет значения.
Беспозвоночные животные
Для жизни многих животных, паразитирующих на запасах зерна, необходима температура от 10 до 36°С. Для большинства видов паразитов минимальная температура жизнедеятельности около 15°С, а при температуре ниже 20°С развитие замедляется. При влажности зерна ниже 9 масс.% беспозвоночные, в основном, для зерна безопасны. Исключение составляет кожеед (Trogoderma granariumEv.), который способен развиваться и при влажности ниже 3 масс.%. Для каждой группы насекомых и клещей существует особый ряд температур и содержания влаги в зерне, который является наиболее подходящим для их развития: например, мучной клещик (Acarus siroL.) размножается при температуре ниже 30°С.
Микроорганизмы: аэробные условия
Микроорганизмы, отдельные плесневые грибы не развиваются в основном при относительной влажности ниже 65% (тем не менее, определенные плесени, например Aspargilus restrictus в состоянии развиваться при низкой относительной влажности), что эквивалентно пшенице с влажностью около 14 масс.%. Однако, содержание влаги в зерне и относительная влажность воздуха изменяются в соответствии с температурой, т.е. более высокая температура соответствует более высокой относительной влажности, и, соответственно, повышенному содержанию влаги в зерне.
Насекомые, плесневые грибы развиваются быстрее при повышенной температуре и высоком содержании влаги в зерне, а также при увеличении относительной влажности атмосферного воздуха. Они могут вызывать нагрев зерна почти до 65°С. В этот процесс вовлекается ряд различных видов микроорганизмов. Поскольку все зерно подвержено заражению спорами плесневых грибов, то надежность хранения состоит в предотвращении или задерживании их развития.
Микроорганизмы: хранение при герметизации
В общем случае за период хранения, бактериальная популяция уменьшается, однако, если зерно очень сырое, то в нем наблюдается повышенное содержание бактерий, главным образом молочно-кислых. Хранение при герметизации предупреждает рост плесневых грибов в зерне с высоким содержанием влаги, но при этом могут развиваться дрожжи некоторых видов. Обычно активность микроорганизмов приводит к снижению содержания кислорода. Эти условия можно создавать искусственно, например, вакуумированием, введением углекислого газа или азота.
Ферментативные реакции
Большинство ферментативных реакций в зерне требуют присутствия воды в жидкой фазе. Реакция может развиваться и при содержании влаги, при котором зерно в обычных условиях начинает прорастать. Определенные ферментативные реакции могут иметь место в период сушки зерна. Их протекание зависит от температурного режима процесса и его длительности.
Денатурация белков
Критическая температура в период термической сушки зависит от содержания влаги в зерне и длительности действия высоких температур.
Реакции Майларда
В основном, реакции Майларда требуют довольно высоких температур, но могут проходить и при температурах около 20°С в течение длительного периода хранения. Реакции ингибируются высоким и низким содержанием влаги в зерне, но протекают медленнее в условиях пониженной влажности: оптимум протекания реакции соответствует относительной влажности 60— 70%.
Не ферментативное окисление
Окислительные реакции лимитируются присутствием влаги. Они имеют место, главным образом, при относительной влажности менее 20%.
Возможные методы хранения
Воздействие факторов окружающей среды стабилизируют техническими приемами, уменьшая или подавляя причины изменений. Некоторые из этих приемов прекращают развитие жизненного цикла насекомых и микроорганизмов. Однако нет способов предотвращения химических и ферментативных изменений.
Из возможных технических приемов стабилизации используют следующие:
сушку, понижающую количество влаги в зерне до уровня, который не дает возможности развиваться микроорганизмам;
понижение температуры зерна до 5-7°С с предшествующей сушкой. Если содержание влаги в зерне около 18 масс.%, то этот технический прием может быть использован для низкотемпературного хранения в течение 5-6 мес, в противном случае зерно может подвергаться действию плесневых грибов;
вентиляция ненагретым воздухом, которая понижает температуру и градиент влажности, удаляет тепло и испарение (продуцируемые дыханием). Поток воздуха может, при прочих равных факторах, также понижать уровень развития насекомых и микроорганизмов. Если содержание влаги в зерне высокое, вентиляция нагретым воздухом может препятствовать развитию плесневых грибов;
хранение с герметизацией без сушки, введение углекислого газа или азота или создание вакуума могут понижать аэробное дыхание, но это не прекращает ферментацию, способную изменять свойства зерна;
хранение с герметизацией зерна, зараженного насекомыми, с уровнем влажности не более 14 масс.% — дыхание насекомых вызывает увеличение количества углекислого газа, снижение содержания кислорода приводит к их гибели.
Техника для контроля или предупреждения влияния насекомых, клещей и микроорганизмов
Химические вещества, которые препятствуют развитию микроорганизмов, практически не пригодны для зерна, предназначенного для использования человеком. Это связано с тем, что токсичность многих из них в эффективных дозах велика. Однако, для сырого зерна, предназначенного для питания животных, могут быть использованы определенные антимикробные вещества, такие как пропионовая кислота и другие органические кислоты, преобразующиеся в ходе обмена веществ.
Повышение температуры для уничтожения микроорганизмов — прием недопустимый из-за риска разрушения белков. Термическое уничтожение насекомых и клещей следует проводить осторожно и контролировать. Возможность длительного и надежного хранения влажного зерна при гамма-облучении исследуется в настоящее время.
Нежелательно смешивать партии зараженного и незараженного зерна. Для пшеницы, предназначенной на муку, допустимо применять только определенные формы обработки для уничтожения насекомых и клещей.
Предварительные обработки
Просеивание
При просеивании или продувании воздухом из зерна удаляют всю солому, мякину и другие примеси растительного происхождения. При этом могут быть удалены зерна других злаков и сорняков.
Сушка
Зерно сушат в кучах, в непрерывно действующей сушке или сушке на месте хранения.
Сушка может проводиться с использованием холодного и нагретого воздуха, принимая в расчет температуру и относительную влажность поступающего воздуха и высушенного зерна. Если для сушки применяют нагретый воздух, то в конце процесса он должен быть холодным.
Хранение
Хранение при нормальных атмосферных условиях включает хранение в массе и в мешках. Такое зерно регулярно проверяют на признаки явного изменения температуры, относительной влажности и активности животных-паразитов и микроорганизмов.
Хранение при герметизации
В этом типе хранения содержание углекислого газа нарастает, а кислорода — падает из-за активизации насекомых и микроорганизмов, до полной остановки дыхательной активности последних. Анаэробная дыхательная активность может иметь место только при высокой влажности хранения.