Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ БОРЬБЫ С ФИТОПАТОГЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ ПРОДОВОЛЬСТВЕННОГО ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ 8
1.1. Распространение, биологические особенности, вредоносность грибной микрофлоры продовольственного зерна пшеницы 8
1.2. Анализ существующих методов защиты и обеззараживания зерна от грибной инфекции 22
1.3. Воздействие ЭМП СВЧ на биохимические процессы в зерне 33
Выводы 38
Глава 2. МЕТОДИКА ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ПРОДОВОЛЬСТВЕННОГО ЗЕРНА ЭНЕРГИЕЙ СВЧ-ПОЛЯ 39
2.1. Обоснование скорости нагрева зерна при СВЧ - обеззараживании пшеницы помольных партий 39
2.2. Планирование эксперимента и схема опыта СВЧ- обеззараживания зерна 43
2.3. Методика проведения лабораторно-производственного опыта по СВЧ- обеззараживанию помольных партий зерна пшеницы 47
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СВЧ - ПОЛЯ НА ГРИБНУЮ МИКРОФЛОРУ ЗЕРНА И ЕГО БИОХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ 50
3.1. Результаты планирования активного эксперимента СВЧ-обеззараживания зерна 50
3.2. Влияние режимов СВЧ - обеззараживания на грибную микрофлору 54
3.2.1. Реакция грибной полевой инфекции на СВЧ - поле 60
3.2.2. Реакция грибов - плесеней хранения на СВЧ - поле 72
3.3. Влияние СВЧ - поля на активность биохимических процессов зерна 88
3.4. Влияние СВЧ- обеззараживания на показатель кислотности муки, полученной из помольных партий зерна 94
3.5. Влияние СВЧ- обеззараживания на белковый комплекс зерна пшеницы 97
3.5.1. Влияние СВЧ - поля на растворимые белки зерна 97
3.5.2. Влияние СВЧ- поля на белковый комплекс клейковины 101
3.6. Реакция углеводно-амилазного комплекса зерна на СВЧ - поле 107
3.6.1. Влияние СВЧ - воздействия на содержание крахмала в зерне 107
3.6.2. Влияние СВЧ - воздействия на содержание редуцирующих Сахаров в зерне 109
3.6.3. Влияние СВЧ - воздействия на содержание сахарозы в зерне 113
3.6.4. Влияние СВЧ - воздействия на состояние амилазного комплекса зерна пшеницы 115
Выводы 120
Глава 4. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЗЕРНА ОТ ГРИБНОЙ ИНФЕКЦИИ НА ЗЕРНОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ ОБРАБОТКОЙ СВЧ - ПОЛЕМ 122
4.1. Расчет капиталовложений и эксплуатационных расходов на СВЧ -обработку зерна 122
4.2. Расчет экономического эффекта обеззараживания зерна пшеницы обработкой в СВЧ - поле 127
Выводы 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 131
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 136
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 138
ПРИЛОЖЕНИЯ 150
- Распространение, биологические особенности, вредоносность грибной микрофлоры продовольственного зерна пшеницы
- Обоснование скорости нагрева зерна при СВЧ - обеззараживании пшеницы помольных партий
- Влияние СВЧ - поля на активность биохимических процессов зерна
Введение к работе
При разработке основных направлений экономического и социального развития страны к числу приоритетных относятся задачи увеличения валового сбора зерна, снижения потерь в период его хранения. Наряду с ростом урожайности большое внимание уделяется повышению качества зерна, т. е. его биологических, физико-химических и потребительских свойств [17]. Традиционно особое значение для зернового хозяйства страны имеет пшеница. Этой культурой занято около 50% посевных площадей зерновых, в том числе более 45% приходится на долю мягкой пшеницы. Вместе с тем, в условиях резкого ухудшения фитосанитарного состояния сельскохозяйственных угодий России, использования сортов, неустойчивых к вредным организмам, резкого снижения применения биологических методов защиты, кризиса производства отечественных химических средств, снижения покупательной способности сельских товаропроизводителей, по существу разрушается основа защиты растений в сфере земледелия. Потребитель получает зерно низкого качества, зараженное патогенной микрофлорой [53, ПО, 123, 149]. Около 85% возбудителей наиболее значимых болезней злаковых культур представлено грибами, из них 80% -токсикогены. Особенно быстро нарастает зараженность зерна злаковых культур токсинообразующими грибами родов Fusarium, Alternaria, Aspergillus, РепісіШит, Mucor, Trichoderma, Cladosporium и др. [18, 95, 93]. Поражения этими грибами не только выводят товарное зерно из категории продовольственного, но и делают его непригодным для кормовых целей. Вредоносность данных патогенов, обусловленная их способностью изменять биохимический состав зерна, а также загрязнять его микотоксинами [49, 147, 184, 185, 187], создает серьезную проблему для предприятий пищевой промышленности. Опасна также ингаляция спор грибов [188]. Ситуация осложняется тем, что на сегодняшний день не существует биологически
приемлемых и экономически эффективных способов детоксикации зерна [92,
93].
За время хранения (от 3 до 6 мес.) в неблагоприятных условиях поверхностное заражение зерна токсикогенными грибами может увеличиться в 35 - 40 раз, внутрисемейное - в 3 - 4 раза. При этом резко возрастает зараженность комплексом Fusarium, Alternaria, Aspergillus, Penicillium. Пораженность этими грибами партий исследуемого хранящегося зерна составляла 50%, из них 10% содержали микотоксины. Это вызывает ежегодно потерю 3-4 миллионов тонн зерна и значительное снижение биологической полноценности и безопасности еще примерно 10 миллионов тонн [93].
В связи с этим особое значение приобретает усиление исследований по созданию современных средств борьбы с грибной микрофлорой продовольственного зерна, удовлетворяющих требованиям повышенной экологической и токсикологической безопасности [ПО, 123]. К таким средствам, безусловно, можно отнести методы обеззараживания продовольственного зерна энергией электромагнитного поля сверхвысокой частоты (далее: ЭМП СВЧ). Использование электромагнитных полей высоких и сверхвысоких частот открывает новые возможности создания экологически чистых технологических процессов хранения и переработки зерна. При этом снижаются энергозатраты и материалоемкость линий, а потребитель получает продукт высокого качества [155, 157,158, 168].
В связи с вышеизложенным можно сформулировать следующую цель и задачи диссертационной работы.
Цель и задачи исследований:
Целью диссертационной работы является определение влияния СВЧ -поля на фитопатогенный комплекс и качественные показатели зерна продовольственной пшеницы. В связи с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ видового разнообразия, путей возникновения, способов передачи, уровня вредоносности грибной фитопатогенной микрофлоры и существующих методов защиты и обеззараживания продовольственного зерна.
2. Разработать методику обеззараживания продовольственного зерна СВЧ -полем.
3. Проанализировать воздействие ЭМП СВЧ на грибную микрофлору продовольственного зерна пшеницы, его биохимический состав и хлебопекарные качества.
4. Определить экономический эффект использования экологически чистого метода СВЧ - обработки зерна, с целью уничтожения грибной инфекции.
Объект исследования:
Процесс воздействия СВЧ - поля на грибной фитопатогенный комплекс продовольственного зерна, его биохимический состав, хлебопекарные качества.
Предмет исследования:
Взаимосвязи между режимными параметрами СВЧ - поля и результатами их воздействия на микрофлору и биохимический состав зерна.
Научная новизна:
1. Подтверждены теоретические положения процесса СВЧ - обеззараживания зерна.
2. Адаптирована методика планирования эксперимента для СВЧ - обеззараживания зерна от грибной микрофлоры.
3. Установлены особенности влияния СВЧ - поля на грибную микрофлору продовольственного зерна. 4. Рассмотрены тенденции изменения биохимического состава зерна на
фоне обеззараживания СВЧ - полем.
Практическая значимость работы:
1. Систематизированы сведения по вредоносности грибной микрофлоры зерна, основным микотоксинам и их ПДК.
2. Результаты исследований влияния режимов СВЧ - поля на грибную микрофлору зерна позволяют получить экологически чистый продукт, повысить качество и улучшить хлебопекарные свойства зерна.
3. Результаты и методика исследований используются в учебном процессе кафедры биоэкологи биологического факультета Челябинского государственного университета, а также при курсовом и дипломном проектировании.
4. Результаты научно-исследовательской работы приняты к внедрению на ОАО «Первый хлебокомбинат» г. Челябинск, ЗАО «Юрюзанский хлеб»
г. Юрюзань.
На защиту выносится:
1. Адаптированная методика активного планирования эксперимента для СВЧ - обеззараживания зерна от грибной микрофлоры.
2. Результаты исследования обеззараживающего влияния режимов ЭМП СВЧ на фитопатогенный комплекс продовольственного зерна.
3. Особенности влияния СВЧ - поля на белковый и углеводно-амилазный комплексы зерна.
Распространение, биологические особенности, вредоносность грибной микрофлоры продовольственного зерна пшеницы
Виды грибов родов Fusarium, Claviceps, Aspergillus, Penicillium и их вредоносность известны человеку с глубокой древности [186]. В настоящее время изучено биологическое действие свыше 350 видов токсиногенных грибов и более 300 образуемых ими микотоксинов. Наиболее опасными считаются токсины представителей родов Fusarium, Aspergillus, и Penicillium. [91]. Широко распространенных возбудителей болезней колосовых культур, поражающих все органы растений насчитывается более 20 [18, 36], большинство из них относятся к группе несовершенных грибов (класс Deuteromycetes). Болезни, вызываемые несовершенными грибами -факультативными паразитами или сапрофитами, проявляются в основном на ослабленных растениях [29, 65]. Семена играют ведущую роль в сохранении инфекции многих болезней растений, ими передается более 60% заболеваний сельскохозяйственных культур [61].
Из года в год в различных регионах страны растет зараженность зерна грибными инфекциями. Данное явление имеет место в силу ряда объективных причин, связанных с экономической и экологической ситуацией в стране: финансовыми трудностями хозяйств, снижением государственных инвестиций, ростом техногенных нагрузок на природные биоценозы, при которых численность бактериальных популяций уменьшается, а грибных увеличивается [53, 91, 97]. Значительно снизились объемы протравливания семян. Ежегодно в Российской Федерации необходимо обрабатывать 20-22 миллионов тонн, а фактически в 2000 г. было обеззаражено 5,4 миллионов тонн, в 2001 г. - 6,1 миллионов тонн семян зерновых культур [11]. Фитопатогенная микрофлора чрезвычайно быстро прогрессирует также из-за нарушения агротехники, особенно севооборотов. Монокультуры, редко встречающиеся в природе, - излюбленное место поселения фитопатогенных грибов [18, 172]. Например, комплексное заболевание корневыми гнилями имеет широкий ареал, почти совпадающий с ареалом возделывания пшеницы. В 1996 - 2002 гг. зараженность зерновых грибами Fusarium spp. составила 5 - 25%, Helminthosporium spp. - 13 - 37%, Alternaria spp.- 12 -37%, Penicillium spp., Aspergillus spp. - 3 - 20% [9, 64, 65]. В Челябинской области в 2003 г. под яровой и озимой пшеницами было занято 787, 3 и 2,18 тыс. га соответственно, что в сумме составляет 70% посевных площадей всех зерновых культур. В 2003 году было намолочено 1602 тыс. тонн зерна. Наряду с твердой и пыльной головней (1,45 и 20,9 % зараженных земель соответственно), отмечено 73,8 %-ное заражение семян зерновых культур корневыми гнилями (см. табл. 1.1). септориоз, а также многочисленные эпифитные и сапрофитные грибы) [54]. Происходит также внутреннее заражение семян скрытой инфекцией в период их формирования, сохраняющейся в области зародыша, либо в эндосперме и наружных слоях зерновки - перикарпии и семенной оболочке (пыльная головня, фузариоз, гельминтоспориоз, септориоз). С точки зрения экологии распространения, грибные инфекции можно поделить на почвенные, получившие название полевых (всегда имеющиеся в свежеубранном зерне и поражающие его еще на корню), и плесени хранения, развивающиеся вследствие неправильного хранения семян [140,157].
Следует отметить, что зерно, зараженное спорыньей, а также головневыми инфекциями, в связи с надежной очисткой и контролем, в разряд продовольственного не попадает. Напротив, фитопатогенные грибы родов Helminthosporium (Н, sativum, К gramineum) и Fusarium (F. graminearum, F. culmorum, F. avenaceum, F. sporotrichiella и др.), а также Alternaria {A. tenuis), Penicillium (P. glaucum и др.,), Aspergillus и т. д. фиксируются на товарной пшенице нередко [36, 95]. Зачастую поражение вызывается сразу несколькими видами (смешанная инфекция) или в определенной последовательности [129]. Все перечисленные роды относятся к классу Дейтеромицетов (Deuteromycetes), порядку Гифомицетов (Hyphomycetales), включающему грибы, образующие конидиеносцы как одиночные, так и соединенные в коремии и спородохии. Длительное время несовершенные грибы рассматривали как искусственную группу, объединяющие гаплоидные бесполые стадии грибов. Для некоторых из них известны совершенные (половые) стадии, преимущественно относящиеся к аскомицетам. Существуют различные подходы к классификационным системам дейтеромицетов: в разные годы их разрабатывали М.В. Вюллемен (1912), С.Дж. Хьюз (1953), К. Тубаки (1958), В.Б. Кендрик (1968) и др. Наиболее признана из искусственных классификаций несовершенных грибов система П.А. Саккардо [32, 39]. Согласно этой системе, на основе морфологических признаков гифомицеты распределяются по следующим систематическим категориям: роды Altemaria и Helminthosporium с темными гифами и конидиями (иногда темными бывают либо гифы, либо конидии) относят к семейству Dematiaceae. Роды Aspergillus и Penicillium - к семейству Mucedinaceae (Moniliaceae), имеющему светлоокрашенный или бесцветный мицелий и спороношения. Наконец, к семейству Tuberculariaceae принадлежит род Fusarium, с многоклеточными, бесцветными, серповидно изогнутыми конидиями [29]. Этой же системы придерживаются в своих работах М.Н. Родигин (1978), а также М.В. Горленко (1991).
Обоснование скорости нагрева зерна при СВЧ - обеззараживании пшеницы помольных партий
Исходя из цели и задач данной работы, оценка эффективности обеззараживания и реакции товарного зерна на сочетание режимов СВЧ -поля проводилась по снижению уровня зараженности грибной инфекцией, сохранению биохимического состава и хлебопекарных свойств помольных партий зерна.
При разработке эффективных режимов обеззараживания СВЧ - поля рассматривались основные факторы, определяющие изменение биохимического состава зерна и его хлебопекарных свойств:
1. Состояние белкового комплекса зерна (содержание и качество клейковины).
2. Активность ферментативного комплекса, определяемого энергией прорастания и силой роста зерна.
3. Состояние углеводного комплекса. Соотношение крахмала и Сахаров.
Белки играют исключительно важную роль в питании человека.
Технологическая роль белков зерна в приготовлении хлеба также велика. Структура белковых молекул и физико-химические свойства белков определяют свойства теста, влияют на форму и качество хлеба. Клейковина также представляет собой белковый комплекс. Поэтому содержание и состав белка в зерне и продуктах его переработки являются важнейшими показателями их качества. Термический нагрев, получаемый в результате воздействия СВЧ - поля на зерно оказывает влияние на белки фитопатогенных грибов, а также на белковый комплекс зерновки. Важно подобрать такие режимы воздействия СВЧ - поля, при которых наблюдался обеззараживающий эффект при сохранении структур белкового комплекса. Сохранить целостность клейковинного комплекса зерна - одна из основных задач при обработке его СВЧ - полем.
О сохранности вторичной, третичной и четвертичной структур белковых молекул можно судить по активности ферментативного комплекса. Автолитическая активность, следствием которой является разложение сложных нерастворимых запасных веществ зерна - важный показатель его хлебопекарных свойств. Как низкая так и высокая автолитическая активность отрицательно влияет на качество зерна и муки. Желательно подобрать такие режимы воздействия СВЧ — поля, чтобы, сохранив белки, не активизировать чрезмерно ферменты и чтобы процесс разложения белков и крахмала зерна происходил с определенной, умеренной скоростью.
С активностью ферментов - амилаз напрямую связано состояние углеводного комплекса. Важнейший полисахарид - крахмал является источником сбраживаемых углеводов в тесте, в тоже время, поглощая воду при замесе и клейстеризуясь при выпечке, крахмал участвует в формировании теста и мякиша хлеба. Поэтому для хлебопекарных качеств зерна важно, чтобы часть крахмала гидролизовалась до растворимых Сахаров, но также большая доля его должна сохраниться, чтобы участвовать в процессе приготовления теста.
Чтобы рассмотреть и проанализировать эффекты процесса обеззараживания зерна была проведена серия постановочных опытов. Лабораторные исследования проводились в производственно-технической лаборатории Комбината хлебопродуктов им. Григоровича, учебной лаборатории специальных дисциплин биологического факультета Челябинского государственного университета.
- где t - температура разогрева зерна,
- to-начальная температура (23 С).
Изучалось влияние этих параметров на жизнедеятельность микрофлоры и качественные показатели зерна и продуктов его переработки.
Входные параметры варьировались на трех уровнях: минимальном (-1), среднем (0) и максимальном (+1).
Для получения эффекта термического обеззараживания исследуемый материал необходимо нагреть на допустимую температуру за определенное время. Для этого использовалась микроволновая печь (Samsung М 1875NR).
Для достижения определенного уровня нагрева использовали сочетание экспозиции, выходной мощности, частоты излучателя. В результате температура зерна повышалась до 35 - 85 С от первоначальной (23 С). Мощность воздействия ЭМП СВЧ устанавливалась в пределах от 300 до 600 Вт при частоте 2450 МГц. Время обработки варьировалось в пределах 30-90 секунд. Интенсивность нагрева - 0,6 - 0,8 С/с. Лимитирующим фактором являлась температура нагрева, поскольку именно этот показатель влияет на качество продукта, получаемого из зерна в процессе переработки.
Опытные партии изымались с различных стадий технологического процесса обработки зерна перед дроблением, и после определения влажности с помощью влагомера «Сарториус» подвергались СВЧ - воздействию.
Для достижения обеззараживающего эффекта зерно необходимо увлажнять, т. к. сухой объект «прозрачен» для СВЧ - поля. Эффективные результаты по обеззараживанию получены при влажности 15,5 — 16,5 %, принятой в ходе технологического процесса подготовки зерна к помолу. Продовольственное зерно, согласно технологии зерноперерабатывающих производств, перед поступлением в размольное отделение на I драную систему, должно пройти ряд стадий, связанных с очисткой его поверхности и увлажнением путем мокрого шелушения и последующего отволаживания [25]. Таким образом, избавиться от наружной и внутренней заспоренности грибной инфекцией можно применяя обработку сырья ЭМП СВЧ именно на стадиях, связанных с увлажнением.
Влияние СВЧ - поля на активность биохимических процессов зерна
При исследовании обеззараживающего эффекта СВЧ - воздействия на зерно ставилась задача сохранения основных биохимических структур зерна, как важнейших показателей его продовольственных качеств. В основе протекания всех биохимических процессов зерна лежит ферментативная или автолитическая активность белков. Автолитическая активность ферментов зерна - важный показатель его хлебопекарных свойств. Как низкая, так и высокая автолитическая активность отрицательно влияют на качество теста и хлеба. При дальнейшем использовании муки, полученной из обработанного в СВЧ - поле зерна, желательно, чтобы автолитические процессы разложения белков и крахмала происходили с определенной умеренной скоростью. Косвенным показателем целостности и нормального функционирования белкового ферментативного комплекса можно считать жизненную силу зерна. Поэтому после обработки СВЧ - полем важно проверять зерно на всхожесть и учитывать этот показатель при выборе эффективных режимов.
Энергия и способность прорастания определялась на 3 и 5 день проращивания в соответствии с ГОСТ [5], причем учитывалось количество слабых и сильных проростков [134]. На 7 день определялась всхожесть. Результаты проведенных замеров и подсчетов представлены в таблице 3.7.
Из полученных данных видно, что нагрев до 30...60 С благоприятно сказывается на изучаемых показателях. Причем при сочетании скорости нагрева и экспозиции в следующих соотношениях: 0,4 С/с и 60...90 с, 0,6 С/с и 30 с, 0,8 С/с и 30 с (рис. 3.19, 3.20, 3.23, 3.25) энергия прорастания зерна выше, чем в контроле, что согласуется с литературными данными [83, 90, 103, 168]. Происходит ускорение всех химических реакций, в том числе катализируемых белками. На пятый и седьмой день та же закономерность появляется в четвертом варианте опыта при экспозиции 30 с и скорости нагрева 0,4 С/с (рис. 3.21). Причем наблюдается увеличение доли сильных проростков, в указанных вариантах она составляла 24...40 % против 14% в контроле. В вариантах с экспозицией 90 с и скоростью нагрева 0,6...0,8 С/с, а также экспозицией 60 с и скоростью нагрева 0,8 С/с всхожесть зерна теряется полностью (рис. 3.18, 3.22, 3.24). Таким образом, СВЧ - поле может оказывать как стимулирующее, так и угнетающее действие на биологическую активность зерна, эффект зависит от параметров СВЧ - поля. Жизненные показатели зерна зависят не столько от скорости нагрева зерна, сколько от длительности воздействия СВЧ - поля. Небольшое увеличение исследуемого .показателя наблюдается при малых скоростях нагрева и экспозиции от 40 до 80 с. Выше контроля сохраняет всхожесть зерно, подвергающееся воздействию СВЧ - поля при различной скорости нагрева и малых (30...40 с) экспозициях.
Полученные результаты доказывают, что белковые молекулы сохраняют свои структуры при нагреве до 58...60С, более того, стимулируется их каталитическая активность, что может отрицательно сказаться на товарных качествах продовольственного зерна. Температуры более высокие вызывают потерю всхожести зерна вследствие частичной или полной денатурации белков - также нежелательного эффекта, влияющего на качественные показатели зерна и продуктов его переработки. Эффективными следует считать варианты режимов СВЧ - обеззараживания с показателями всхожести близкими к контрольным (при сочетании скорости нагрева и экспозиции в следующих соотношениях: 0,6 С/с и 60 с, 0,8 С/с и 30 с), при которых не наблюдается расщепления ценных органических соединений вследствие высокой каталитической активности белков - автолиза, а также разрушения питательных веществ в результате воздействия на них «жестких» режимов СВЧ - поля.
В состав зерна входят вещества, которые в водных растворах диссоциируют с образованием ионов водорода и гидроксила. Кислотные свойства муки зависят от белков, которые содержат карбоксильные группы, от жирных кислот, которые освобождаются в результате расщепления жиров, от фосфорной кислоты, содержащейся в виде различных соединений в зерне в значительном количестве, от уксусной, молочной, яблочной и других органических кислот, обычно имеющихся в муке в незначительном количестве. Соединения кислого характера (белки и неорганические фосфаты) несколько преобладают над щелочными, поэтому водные вытяжки муки имеют слабокислую реакцию (рН 6) [50]. Качество зерна можно охарактеризовать показателем так называемой титруемой кислотности. Для контроля качества зерна наиболее приемлемым считается титрование водной болтушки [2]. Под градусом кислотности понимают объем в см3 раствора точной молярной концентрации гидроокиси натрия, необходимый для нейтрализации кислот, содержащихся в 100 г исследуемого вещества. Результаты определения кислотности приведены в таблице 3.8, а также представлены в виде поверхности отклика (рис. 3.27), построенной по уравнению регрессии 3.10.
Как видно из полученных результатов, представленных в таблице 3.8 показатель кислотности при воздействии повышенных температур (85 С) в результате действия СВЧ - поля в течение 90 с при скорости нагрева 0,8 С/с возрастает в 1,5 раза. В остальных вариантах опыта при различных сочетаниях темпов нагрева и экспозиции кислотность растет, но на меньшую величину.
