Биохимические изменения в зерне при самосогревании и повреждении зерна сушкой
Обновлено: 15.09.2024
Чем опасно повышение температуры зерна, как его выявить и как избежать? В этой статье расскажем о видах самосогревания зерна и способах борьбы с ним.
Самосогревание зерна – это увеличение температуры зерновой массы, связанное с дыханием зерна. Так называют окислительные процессы в зерновой массе, в ходе которых выделяется тепло. При высоких температуре и влажности дыхание зерна усиливается.
Из-за низкой теплопроводности зерна тепло выделяется интенсивно, а отдача в окружающую среду происходит медленно. В итоге зерно начинает нагреваться. В процессе дыхания в массе уменьшается сухое вещество, внутри зерна и в межзерновом пространстве увеличивается влажность. В помещении, где находится зерно, становится больше углекислого газа. Всё это способствует ещё большему увеличению температуры.
Повышение температуры ускоряет и усиливает все физиологические процессы, и самосогревание происходит с нарастающим темпом. За два-четыре дня культура может нагреться до 60-80 °С. Этот процесс не может закончиться сам по себе, и, если не принимать никаких мер, продукция лишится продовольственных, посевных и других ключевых свойств.
В масличных культурах горение ещё опаснее, оно может вызвать гидролиз масел, который быстро разогревает семена до 200-300 °С и может привести к взрыву. Особенно часто такое происходит в шахтных зерносушилках . Дыхание подсолнечника намного интенсивнее, чем у других культур.
Стадии самосогревания зерна
Первая стадия : температура поднимается до 30 °С. Зерно обесцвечивается и приобретает сладкий привкус. Его ещё можно употреблять в пищу, поэтому продукт смешивают с остальной, нормальной массой.
Вторая стадия : температура поднимается до 40-50 °С. Одновременно с этим в составе зерен увеличивается количество аммиака, повышается кислотность, при этом клейковины становится меньше. Зерно становится тёмным, практически чёрным, иногда появляется плесень. Оно уже не подходит для употребления в пищу.
При нарушении режимов сушки могут быть различные степени повреждения зерна. Зерно может быть повреждено высокой температурой без видимых признаков порчи. При этом оно частично или полностью утрачивает свои семенные достоинства.
В результате неправильной сушки может измениться цвет оболочки и эндосперма от кремового до светло-коричневого. Такое зерно относят к зерновой примеси. Технологические свойства его резко снижены. Наконец, может быть зерно полностью испорченное - цвет эндосперма в этом случае меняется от коричневого до черного. Такое зерно относят к сорной примеси, для производства муки и крупы оно не пригодно. Потемнение зерна во время сушки объясняется реакцией между сахарами и белками или аминокислотами, которая происходит при повышенных температурах и приводит к образованию темноокрашенных веществ - меланоидинов.
Хлеб, выпеченный из муки, полученной из перегретого зерна, имеет низкий объемный выход, плохую толстостенную пористость и бледную корку.
К таким же последствиям может привести и самосогревание зерна, которое происходит в зерновой массе вследствие активизации всех физиологических процессов и низкой теплопроводности зерна. В результате в зерновой массе накапливается огромное количество тепла, температура ее поднимается до 55-65 °С, а иногда и до 70-75 °С.
В этом случае зерно приобретает несвойственные ему запахи и изменения химического состава, вызванные развитием микроорганизмов. При самосогревании возможны четыре степени порчи зерна.
Первая степень порчи. В начальной стадии самосогревания внешние покровы зерна обесцвечиваются, затем становятся красноватого цвета. Эндосперм имеет сероватый оттенок. Зерно приобретает солодовый запах, свойственный прорастающему зерну. Такое зерно отличается от нормального более высоким содержанием моносахаридов, повышенной кислотностью, более высоким кислотным числом жира. Мука из такого зерна содержит большое количество оболочек и характеризуется повышенной активностью ферментов.
Вторая степень порчи. С повышением температуры до 40-50 °С и выше наблюдается общее потемнение покровов зерна, при этом цвет зерна изменяется от темно-красного до коричневого. Зерно приобретает плесенно-затхлый запах. Для продовольственных целей такое зерно не пригодно. Его используют в основном на технические цели (для получения спирта). Может быть использовано на кормовые цели, если есть заключение ветбаклаборатории об отсутствии токсичности.
Третья степень порчи. При запущенных формах самосогревания в зерне происходят глубокие процессы распада органических веществ. При этом не только покровы зерна, но и эндосперм становятся темно-коричневого или черного цвета. Такое зерно приобретает гнилостно-затхлый запах. Вследствие распада белковых веществ возрастает содержание аммиака. Зерно токсично.
Четвертая степень порчи. Происходит обугливание зерна, появляется гнилостный запах. Зерно очень токсично, потеряло все потребительские свойства, использованию на пищевые и кормовые цели не подлежит.
Степени дефектности зерна определяют по содержанию аммиака.
В самосогревшемся зерне происходят глубокие физиолого-биохимические изменения. В результате распада углеводов, белков и жиров резко увеличиваются интенсивность дыхания, содержание аммиака, кислотность по болтушке, кислотное число жира. В зерне пшеницы резко снижается содержание клейковины. Отмывается она с трудом, а иногда и совсем не отмывается. Это связано с продолжительностью самосогревания. Качество клейковины ухудшается. Она становится крошащейся, с короткой растяжимостью, что объясняется денатурацией белков, идущей при повышенных температурах.
В литературе известны случаи, когда клейковина, отмытая из зерна поверхностного слоя очага самосогревания, ослаблялась в результате гидролиза ее ферментами плесневых грибов. Хлеб из такого зерна отличался пониженной формоустойчивостью, темным заминающимся мякишем, при хранении в нем быстро начинали проявляться признаки картофельной болезни.
Мука из зерна, расположенного в центре и внизу очага самосогревания, дает хлеб с высокими значениями формоустойчивости, что указывает на укрепление клейковины.
Процесс самосогревания зерна сопровождается потерей сухих веществ и снижением его качества. Эти изменения происходят даже в начале самосогревания, когда температура зерна сравнительно невысока. При увеличении температуры нагрева и продолжительности ее воздействия на зерно размеры потерь и ухудшение его качества возрастают. В процессе самосогревания изменяются следующие показатели качества: признаки свежести (блеск, цвет, запах и вкус); технологические, пищевые и кормовые свойства, посевные качества.
Комплексное воздействие на зерно многих факторов, в том числе микроорганизмов, и прежде всего плесневых грибов, наряду с высокой температурой обусловливает более глубокое изменение показателей свежести зерна и за более короткий промежуток времени, чем воздействие одних микроорганизмов. Так, изменение блеска и цвета при самосогревании зерновой массы доходит до появления зерен потемневших, темно-коричневого цвета и даже почерневших, имеющих вид обуглившихся зерен. Последний дефект зерно приобретает при запущенных формах самосогревания, когда температура достигает или близка к максимуму.
Одна из причин почернения зерна — это бурное развитие термофильных грибов из семейства мукоровых. Почернение зерен возникает из-за образования в них темноокрашенных веществ (меланоидинов) в результате взаимодействия сахаров с аминокислотами, дипептидами или трипептидами при повышенной температуре.
Наблюдения за характером ухудшения различных показателей качества при самосогревании зерновой массы позволили выявить следующую закономерность: чем темнее окрашено или пигментировано зерно, тем в большей степени ухудшены его пищевые, технологические и кормовые свойства (табл. 10). Посевные качества зерна (всхожесть, энергия прорастания) ухудшаются еще в начальный период самосогревания при достижении температур, соответствующих даже нижним границам оптимума для развития мезофильных микроорганизмов.
Процесс самосогревания в практике хранения зерна условно принято делить на стадии в зависимости от повышения его температуры. Изменение показателей свежести зерна по стадиям происходит следующим образом.
Зерно - живой организм, находящийся в покое и, следовательно, как и в любом живом организме, в нем совершается постоянный, хотя и медленный, обмен веществ, поддерживающий жизнь зародышевой клетки. Характер и интенсивность физиологических процессов, протекающих в зерновой массе при хранении, зависят не только от активности ферментативного комплекса зерна, но и от условий окружающей среды. Основным, важнейшим физиологическим процессом, протекающим в зерне, является дыхание.
Дыхание обеспечивает энергией клетки семян за счет окисления органических веществ, главным образом Сахаров, под действием окислительно-восстановительных ферментов. При достаточном доступе кислорода в зерне преобладает аэробное дыхание, которое можно выразить суммарным уравнением
ккална 1 грамм-молекулу (180 г) израсходованной глюкозы.
При недостатке кислорода полного окисления органических веществ не происходит, в зерне идет процесс анаэробного (интрамолекулярного) дыхания (спиртового брожения), выражаемого суммарным уравнением: ккал(118 кДж) на 1 грамм-молекулу израсходованной глюкозы. При анаэробном дыхании параллельно со спиртовым брожением частично может идти и молочно-кислое, при котором из глюкозы образуется молочная кислота :
ккал (83,5 кДж), что приводит к медленному нарастанию титруемой кислотности продукта. Анаэробное дыхание зерновой массы нежелательно, так как накопление этилового спирта и других промежуточных продуктов, дыхания может привести к гибели зародыша, т. е. потере всхожести семян.
Вид дыхания зерна можно определить по его дыхательному коэффициенту - отношению объема выделенного диоксида углерода к объему поглощенного кислорода. При отношении, равном единице, идет аэробное дыхание, если это отношение меньше единицы, то часть кислорода расходуется на другие процессы в зерновой массе; дыхательный коэффициент больше единицы бывает в том случае, когда наряду с аэробным идет и анаэробное дыхание, и чем больше выделяется углекислого газа и меньше поглощается кислорода, тем больше его доля.
Интенсивность дыхания зависит от влажности, температуры и качества зерна. Сухое зерно имеет невысокую интенсивность дыхания. За год хранения при температуре 10-20 °С 1 т сухого зерна (с влажностью до 14-%) теряет за счет дыхания 100 г (0,01 %) массы. У зерна средней сухости (от 14,1 до 15,5%) интенсивность дыхания примерно в 1,5-2 раза выше, чем у сухого. Влажное зерно (влажность 15,5-17 %) разных культур резко увеличивает интенсивность дыхания (кратное): пшеница - в 4-8, овес - в 2-5, кукуруза - в 8,5-17 по сравнению с зерном средней сухости. На рис. 5 показана зависимость интенсивности дыхания от влажности зерна проса.
Температура хранения оказывает существенное влияние на интенсивность дыхания. Зерно, хранящееся при температуре, близкой к 0 °С, дышит с исчезающе малой интенсивностью, как это видно на рис. 6. По мере повышения температуры интенсивность дыхания возрастает, достигая максимума при 50-55 °С, после чего начинает резко падать. Падение совпадает с началом тепловой денатурации белков, инактивации ферментов, т. е. началом гибели зерна. На рис. 6 видно, что при температуре около 0 °С можно хранить определенное время даже зерно с повышенной влажностью. Качество зерна оказывает существенное влияние на энергию его дыхания. Чем хуже качество зерна, тем интенсивнее оно дышит и тем труднее его хранить. Следствия дыхания зерна при хранении. Каким бы способом ни дышало зерно, этот процесс вызывает:
потерю сухого вещества (убыль массы) зерна. Расходуемая при дыхании глюкоза постоянно пополняется за счет ферментативного гидролиза крахмала;
изменение состава воздуха межзерновых пространств за счет выделения диоксида углерода и расходования кислорода, что в конечном итоге может вызвать анаэробное дыхание;
увеличение количества гигроскопической влаги в зерне и повышение относительной влажности воздуха в межзерновых пространствах. Образующаяся при аэробном дыхании вода остается в зерновой массе и при высокой интенсивности дыхания может существенно увлажнить ее, приводя тем самым к еще большему увеличению интенсивности дыхания;
образование тепла в зерновой массе особенно при высокой интенсивности аэробного дыхания может быть весьма существенным. Известно, что зерновая масса обладает низкой теплопроводностью, поэтому образующееся тепло вызывает повышение температуры и, следовательно, интенсивности дыхания. Два последних названных следствия дыхания являются причинами возникновения самосогревания зерновой массы, приводящего ее к порче, а иногда и к полной гибели.
Самосогревание - результат высокой интенсивности дыхания зерновой массы, развития в ней плесеней, а иногда и амбарных вредителей. В начальной стадии самосогревания (повышение температуры до 30 °С) зерно приобретает солодовый запах и сладковатый вкус, свойственные прорастающему зерну. Поверхность зерна сначала обесцвечивается, затем приобретает красноватый оттенок, а эндосперм - сероватый.В нем повышаются доля моносахаридов, титруемая кислотность и кислотное число жира-Активность ферментов существенно возрастает. Объемный выход хлеба снижается, мякиш получается более темным, чем из нормального зерна. При переработке пшеницы с солодовым запахом ее смешивают с нормальным зерном.
Рис. 5. Зависимость интенсивности дыхания проса от влажности зерна (В. Л. Кретович, 1971)
При развитии самосогревания и повышении температуры до 40-50 °С и выше поверхность зерна темнеет вплоть до полного почернения, иногда полностью покрывается мицелием плесеней-Темнеет, а затем чернеет эндосперм. Запах становится плесневым, а потом гнилостно-затхлым, изменяется соответственно и вкус, увеличиваются титруемая кислотность (в болтушке), кислотное число жира, растет содержание аммиака. Интенсивность дыхания достигает максимума и начинает падать, снижается всхожесть зерна впло/ь до полной ее утраты. Содержание клейковины в пшенице резк0 снижается, а ее качество ухудшается. Эти изменения говорят о распаде в греющемся зерне углеводов, белков и липидов под действием собственных и плесневых ферментов, а также длительным воздействием повышенных температур. Если самосогревание возникает в поверхностном слое насыпи (до 0,7 м от поверхности), то главной причиной порчи зерна является его плесневение.
При возникновении самосогревания в глубинных слоях бурное развитие плесеней задерживается недостатком там кислорода, поэтому основной причиной порчи являются деятельность собственных ферментов и высокая температура. Мука из зерна поверхностных очагов самосогревания дает хлеб плоский, почти без пор, с очень темным заминающимся мякишем, а из глубинных очагов самосогревания - высоким, с рваными корками. Зерно, подвергшееся самосогреванию больше, чем в первой стадии, на пищевые (иногда и кормовые) цели не используется.
Рис.6. Влияние температуры на интенсивность дыхания зерна пшеницы: 1 - влажность зерна 14 %; 2 - влажность зерна 16 %; 3 - влажность зерна 18 %; 4 - влажность зерна 22 %
В период хранения постоянно проводят наблюдения за зерном. Температура хранящейся зерновой массы должна находиться под повседневным контролем. При небольшом повышении температуры (на 1-3 °С) проводят активное вентилирование сухим холодным воздухом. Если зерно после этого продолжает греться, то его приходится перемещать в резервный силос, пропуская при этом через зерносушилку и зерноочистительную машину (для охлаждения).
Поверхностный слой зерна не реже одного раза в неделю осматривается для определения присутствия (или отсутствия) признаков появления амбарных вредителей. При их обнаружении принимаются срочные меры по обеззараживанию зерновой массы и предупреждению их перехода в другие силосы.
Читайте также: