Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ БОРЬБЫ С ФИТОПАТОГЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ ЗЕРНА ЯЧМЕНЯ ПИВОВАРЕННОГО 9
1.1. Состав, биологические особенности и влияние грибной фитопатогенной микрофлоры зерна пивоваренных сортов ячменя на качество зерна, солода и пива 9
1.2. Анализ существующих методов обеззараживания зерна ячменя пивоваренного и активации его роста при солодоращении 26
1.3. Выводы 46
Глава 2. МЕТОДИКА ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЗЕРНА ЯЧМЕНЯ ПИВОВАРЕННОГО ЭНЕРГИЕЙ СЧВ-ПОЛЯ 47
2.1. Обоснование входных параметров СВЧ-обеззараживания зерна ячменя пивоваренного 47
2.2. Планирование эксперимента и схема опыта СВЧ-обеззараживания зерна ячменя пивоваренного 53
2.3. Методика проведения лабораторно-производственного опыта по СВЧ-обеззараживанию зерна ячменя пивоваренного 59
2.4. Выводы 61
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СВЧ-ПОЛЯ НА ФИТОПАТО- ГЕННЫЙ КОМПЛЕКС ЗЕРНА ЯЧМЕНЯ ПИВОВАРЕННОГО И ЕГО КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ 62
3.1. Результаты планирования активного эксперимента СВЧ-обеззараживания зерна ячменя пивоваренного 62
3.2. Результаты влияния СВЧ-обеззараживания на грибную микрофлору зерна ячменя пивоваренного 65
3.3. Результаты влияния СВЧ-поля на жизнеспособность зерна ячменя пивоваренного 80
3.4. Результаты влияния СВЧ-воздействия на содержание белка в зерне ячменя пивоваренного 85
3.5. Результаты влияния СВЧ-обеззараживания на содержание крахмала в зерне ячменя пивоваренного 87
3.6. Результаты влияния СВЧ-поля на экстрактивность зерна ячменя пивоваренного 91
3.7. Выводы 94
Глава 4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЗЕРНА ЯЧМЕНЯ ПИВОВАРЕННОГО ОТ ФИТОПАТОГЕННОЙ МИКРОФЛОРЫ ОБРАБОТКОЙ СВЧ-ПОЛЕМ НА ПИВОВАРЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ 96
4.1. Расчет капиталовложений и эксплуатационных расходов на СВЧ-обеззараживание зерна ячменя пивоваренного 96
4.2. Расчет показателей экономической эффективности обеззараживания зерна ячменя пивоваренного обработкой в СВЧ-поле . 102
4.3. Выводы 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 112
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 115
- Состав, биологические особенности и влияние грибной фитопатогенной микрофлоры зерна пивоваренных сортов ячменя на качество зерна, солода и пива
- Обоснование входных параметров СВЧ-обеззараживания зерна ячменя пивоваренного
- Результаты планирования активного эксперимента СВЧ-обеззараживания зерна ячменя пивоваренного
Введение к работе
Экологическая безопасность и обеспеченность населения России высококачественными продуктами питания являются приоритетными направлениями пищевой промышленности, так как с каждым годом все в большей степени ухудшается здоровье населения и происходит процесс депопуляции из-за высокого уровня смертности [86].
Зерновые ресурсы являются основой продовольственной безопасности России, а, следовательно, и важнейшей составляющей национальной безопасности населения. Проблема экологической безопасности зернового продовольственного сырья остается чрезвычайно острой, особенно в неблагоприятных экологических условиях Уральского региона [98, 102, 151].
Ячмень - традиционная зерновая культура, применяемая для производства солода и пива. Несмотря на интенсивное развитие солодовенной и пивоваренной отраслей в стране, на сегодняшний день существует проблема обеспечения пивоваренных компаний качественным сырьем [1, 26,32, 95, 124, 128, 184]. Причиной низкого качества зерна ячменя является высокая восприимчивость культуры к комплексу фитопатогенных микроорганизмов, которые приводят к значительному снижению его жизнеспособности, изменению химического состава и ухудшению органолептических показателей. Все изменения, происходящие в зерне под воздействием микроорганизмов, отрицательно сказываются на качестве солода, сусла и пива. Вредоносность микроорганизмов, заражающих зерно ячменя пивоваренного, многократно усиливается из-за образования в нем токсинов, опасных для здоровья человека и животных [96, 98, 183]. Главная задача при производстве солода и пива - не допустить развития микроорганизмов или замедлить их жизненные биохимические
У процессы и наиболее полно сохранить солодовенные свойства зерна ячменя. Для решения этой задачи применяют различные способы: с одной стороны, это селекция ячменя, а с другой - методы воздействия непосредственно на само зерно [3, 54, 71, 72, 83, 95, 135, 157, 158, 198, 201, 208, 212]. Методы воздействия на зерно разнообразны: это химические, физические, биологические, биохимические, механические и другие способы. Эти методы применительно к пищевым продуктам не могут рассматриваться как удовлетворительные, поскольку небезопасны в экологическом отношении и, кроме того, приводят к существенному и нежелательному изменению физико-химических, биологических свойств обрабатываемых объектов, некоторые из них весьма энергоемки, требуют дорогостоящего оборудования и имеют ограниченную область применения.
Разработке новых, эффективных, экологически безопасных технологий, способствующих получению качественной и безопасной продукции, свободной от микробных контаминантов, посвящены работы Л.-Я. Ауэрман, И.Ф. Бородина, В.А. Бутковского, Г.А. Егорова, Е.Д. Казакова, Н.П. Козьминой, В.Л. Кретович, Л.С. Львовой, И.Ф. Мерко, Р.Д. Поландовой, И.А. Рогова, А.С. Романова, А.Я. Семенова, Л.А. Трисвятского, Т.И. Шнейдер, Н.В.Цугленкаи др.
На современном этапе научно-технического развития солодовенной и пивоваренной отраслей эффективным и экологически безопасным является обеззараживание зерна ячменя энергией электромагнитного поля сверхвысокой частоты (далее: ЭМП СВЧ). Обработка зерна ЭМП СВЧ является перспективным методом, поскольку позволяет не только максимально снизить зараженность зерна мицелиальными грибами, но и не допустить их развития, в то же время активизировать ростовые процессы зерна ячменя пивоваренного при солодоращении и существенно сократить затраты на сырьевые, топливно-энергетические и материальные ресурсы [6, 17, 23, 25, 60, 79, 90, 141, 173, 174, 176, 186, 189]. В связи с вышеизложенным можно сформулировать следующие цель и задачи диссертационной работы.
Состав, биологические особенности и влияние грибной фитопатогенной микрофлоры зерна пивоваренных сортов ячменя на качество зерна, солода и пива
Зерно ячменя поражается микроорганизмами еще в процессе вегетации и созревания. Состав микроорганизмов, обсеменяющих свежеубранное зерно, разнообразен и представлен в основном бактериями (до 90...98 %), очень небольшим количеством мицелиальных грибов (менее 1...4 %), а также вирусами, дрожжами и актиномицетами (рис. 1.1). Общее количество микроорганизмов в 1 грамме свежеубранного ячменя составляет в среднем 106 клеток [12, 73, 88, 92, 149]. Состав микрофлоры зерна в количественном и качественном отношениях постепенно изменяется при уборке, перевозке и хранении. На начальных этапах развития зерно ячменя поражается «полевыми грибами» (Alternaria, Fusariam, Bipolaris, Cladosporium), бактериальной микрофлорой (Pseudomonas, Bacillus) и в незначительном количестве дрожжами. На зерне можно обнаружить и актиномицеты [88, 149, 211, 214]. При хранении зерна происходит перераспределение состава микрофлоры, обсеменяющей зерно. Постепенно представителей «полевых грибов» вытесняют «плесени хранения». В эту группу входят грибы родов Penicillium, Aspergillus, Mucor, Phizopus.
Микроорганизмы, обсеменяющие зерно ячменя, не только отрицательно влияют на жизнеспособность зародыша, но и приводят к изменению химического состава зерна. Под воздействием продуктов жизнедеятельности микроорганизмов в зерне ячменя происходят биохимические процессы, которые приводят к изменению белково-углеводного баланса, появлению большого количества низкомолекулярных белков, повышению кислотности. При далеко зашедших процессах плесневения зерно ячменя теряет блеск, темнеет, приобретает неприятный запах. В таком зерне можно обнаружить токсические вещества, образуемые некоторыми штаммами мицелиальных грибов: афлатоксины, цитринин, охратоксин, зеараленон и др. (табл. 1.1) [12, 92, 163].
Кроме того, условия производства солода благоприятны для развития микроорганизмов, особенно для мицелиальных грибов. В процессе его производства микроорганизмы интенсивно развиваются на поверхности и под оболочкой зерна ячменя, вследствие чего качество получаемого солода ухудшается. В дальнейшем эти аномалии переходят в сусло и пиво; в готовом пиве появляются специфические грубый вкус и аромат, снижается прозрачность напитка, возникает проблема избыточного вспенивания.
Наличие микроорганизмов в зерне ячменя зависит от многих факторов, основными из которых являются влажность зерна и температура хранения.
При хранении зерна с влажностью, не превышающей критическую (14,5...15,5 %), наблюдается процесс вялого плесневения, который характеризуется медленным нарастанием численности микроорганизмов на поверхности и под оболочкой зерна. Это способствует снижению жизнеспособности, изменению химического состава, ухудшению органолептических показателей, уменьшению запасов питательных веществ и, что самое главное, выделению продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, обладающих токсическими свойствами. В результате этих процессов происходит ухудшение качества зерна ячменя в целом [73, 88, 92, 215]. Активность микроорганизмов при низкой влажности зерна объясняется неравномерным распределением влаги по составным частям зерна, образованием под его оболочкой микроклимата, способствующего развитию микроорганизмов. Они в первую очередь начинают развиваться на зародыше, имеющем большую влажность, чем целая зерновка [159, 168, 169].
Обоснование входных параметров СВЧ-обеззараживания зерна ячменя пивоваренного
Исходя из цели и задач данной работы, оценка эффективности обеззараживания и реакции зерна ячменя пивоваренного на сочетание разных режимов его обработки в электромагнитном поле проводилась по снижению уровня зараженности грибной инфекцией и сохранению солодовенных свойств зерна ячменя.
Для разработки методики подбора оптимальных режимов воздействия СВЧ-поля рассматривались основные факторы, определяющие пригодность зерна ячменя пивоваренного для производства солода, а также их изменение вследствие обработки:
1) уровень зараженности зерна ячменя грибной инфекцией;
2) жизнеспособность зерна (активация ферментов);
3) содержание белковых веществ в зерне ячменя пивоваренного;
4) состояние углеводного комплекса (изменение содержания крахмала);
5) экстрактивность ячменя (содержание экстракта).
Мицелиальные грибы, заражающие зерно ячменя, приводят к значительному снижению его жизнеспособности, изменению химического состава и ухудшению органолептических показателей. Такое зерно ячменя не может быть пригодно для производства солода, так как все изменения, происходящие в зерне под воздействием микроорганизмов, отрицательно сказываются на качестве солода, а, следовательно, и на качестве сусла и пива. Их вредоносность усиливается из-за образования в нем токсинов, опасных для здоровья человека. Своевременное обезвреживание патогенов позволит не допустить их развития, поэтому необходимо подобрать такие режимы СВЧ-обеззараживания, которые губительно действуют на них.
Основным показателем качества, характеризующим пригодность зерна ячменя для соложения, является жизнеспособность, которая определяется энергией и способностью прорастания (энергия прорастания свидетельствует о степени физиологической зрелости зерна и характеризует равномерность и однородность прорастания зерна через 72 часа (трое суток) при определенных условиях; способность прорастания показывает общее количество зерен, способных прорасти при определенных условиях через 120 часов - пять суток). У вызревшего ячменя энергия прорастания соответствует 95...97 % проросших зерен с хорошо развитыми корешками. Способность прорастания должна быть не ниже 95 % для ячменя I класса и 90 % для ячменя II класса [191].
Количество белка в зерне ячменя колеблется в широких пределах - от 7 до 26 %, однако для пивоварения применяются специальные сорта ячменя с низким содержанием белка (9... 11 %). Белки играют важную роль в технологии приготовления пива: структура белковых молекул, физико-химические свойства белков и их содержание в зерне ячменя влияют на такие его важные показатели, как пеностойкость, полнота вкуса; избыток белков может явиться причиной появления мути в готовом пиве. В то же время с увеличением количества белков уменьшается количество крахмала, а, следовательно, понижается экстрактивность ячменя и его производственная ценность. В этом и заключается экономическое значение белковых веществ в оценке качества ячменя. Термический нагрев, получаемый в результате воздействия СВЧ-поля на зерно ячменя, оказывает влияние как на белки фитопатогенных грибов, так и на белковый комплекс зерновки, вот почему очень важно подобрать такие режимы воздействия СВЧ-поля, при которых одновременно наблюдается обеззараживающий эффект и сохраняется структура белкового комплекса.
Экстрактивность является главным критерием экономической ценности пивоваренного ячменя. Она тесно связана с содержанием крахмала: чем больше в зерне крахмала, тем большей экстрактивное можно ожидать. Хороший пивоваренный ячмень содержит 78...82 % экстрактивных веществ, и только при неблагоприятных условиях эти значения могут понижаться.
Углеводы являются необходимым источником питания и важнейшим опорным материалом, обеспечивающим прочность растительных клеток; в производстве пива они служат источником образования этилового спирта и необходимы для метаболизма дрожжей. К углеводам ячменного зерна относятся крахмал, пентозаны, целлюлоза, сахароза.
Крахмал является важнейшей составной частью экстракта пивоваренного ячменя в качественном и количественном отношениях. Он служит резервным питательным веществом при прорастании, а продукты его ферментативного гидролиза образуют большую часть экстрактивных веществ сусла и пива, поэтому для пивоваренных свойств зерна ячменя важно, чтобы большая часть крахмала гидролизовалась до растворимых Сахаров. Доля крахмала в ячмене составляет 62...68 % [191]. Содержание крахмала — важный критерий оценки качества ячменя, поэтому, как и содержание белка, имеет важное производственное и экономическое значение.
Пивоваренные ячмени с низким содержанием белка обычно не содержат клейковины, поэтому в данной работе состояние белкового комплекса зерна ячменя (содержание и качество клейковины) не рассматривается.
Для нахождения оптимальных режимов воздействия СВЧ-поля, позволяющих получить максимальный эффект от этого воздействия, а именно: снизить зараженность зерна ячменя пивоваренного и сохранить его солодовенные свойства, был составлен алгоритм проведения исследований (рис. 2.1) и проведена серия постановочных опытов.
Лабораторные исследования проводились на кафедре высшей и прикладной математики (ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»).
Согласно идее СВЧ-обеззараживания, обрабатываемый продукт должен быть предварительно увлажнен, поскольку достаточное количество влаги создает поверхностный защитный слой из смеси микро- и макроэлементов, предупреждающих заселение вторичной инфекции, и дает дополнительные питательные вещества для прорастания.
Результаты планирования активного эксперимента СВЧ-обеззараживания зерна ячменя пивоваренного
В ходе эксперимента оценка эффективности обеззараживания зерна ячменя пивоваренного при сочетании разных параметров воздействия ЭМП СВЧ (экспозиции обработки и скорости нагрева) проводилась по следующим показателям: температуре нагрева зерна, изменению уровня зараженности зерна грибной инфекцией, его жизнеспособности, сохранению его биохимического состава и солодовенных свойств.
Для определения корреляционных зависимостей между входными параметрами и исследуемыми показателями по результатам эксперимента использовались уравнения регрессии вида (2.2). Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась по формулам (2.3)-(2.14).
Проведенные регрессионный и дисперсионный анализы позволили получить адекватные математические модели технологического процесса обеззараживания зерна ячменя в ЭМП СВЧ. Все статистические характеристики рассчитывались в электронных таблицах EXCEL по программам, разработанным доктором технических наук ЦугленокГ.И:[170].
В результате обработки экспериментальных данных получили следующие математические модели для различных выходных параметров:
1) температура нагрева зерна: где xi - экспозиция обработки, х2 - мощность ЭМП СВЧ;
2) зараженность зерна ячменя грибамир. Alternaria:
3) зараженность зерна ячменя грибами p. Fusarium:
4) зараженность зерна ячменя грибами р. РепШПит:
5) зараженность зерна ячменя грибами : Aspergillus:
6) зараженность зерна ячменя грибами р. Мисог.
7) жизнеспособность зерна ячменя пивоваренного:
8) содержание белка в зерне ячменя пивоваренного:
9) содержание крахмала в зерне ячменя пивоваренного:
10) экстрактивность зерна ячменя пивоваренного:
В формулах (3.2) — (3.10) и х2 - экспозиция обработки и скорость нагрева зерна ячменя в ЭМП СВЧ соответственно.
Полученные математические модели (3.1) - (3.10) позволяют определить степень влияния входных факторов (xt и х2) на характеристики процессов (у2 Ум), происходящих с живым объектом в СВЧ-поле.
Адекватность полученных математических моделей оценивалась по критерию Фишера (2.14).
Результаты проверки гипотез об адекватности уравнений регрессии при уровне значимости а = 0,05 приведены в табл. 3.1
Одной из первых задач данной работы явилось изучение полевой микрофлоры зерна ячменя пивоваренного, состоящей из микроорганизмов, способных проникать во внутренние части зерна, развиваться и вызывать его порчу, а также накапливать микотоксины. Развитие этой группы микроорганизмов не только отрицательно сказывается на жизнеспособности зародыша зерна ячменя, но и может привести к нежелательному изменению химического состава зерна. При далеко зашедших процессах плесневения зерно ячменя теряет блеск, темнеет, приобретает неприятный запах и не может в дальнейшем использоваться для получения солода.
В ходе анализа фито патоген ного комплекса зерна ячменя пивоваренного был установлен его видовой состав. Группа полевых грибов была представлена грибами родов Alternaria и Fusarium.
Грибы p. Alternaria на зерне ячменя представлены главным образом видами A. tenuis и A. botrityospora. Грибы вида Alternaria tenuis поражают зародышевую часть зерновки; конидии оливкового или черно вато-бур о го цвета, обратно булавовидной формы. Верхняя конидия гладкая, чаще с продольной перегородкой. Зерно, пораженное грибами вида A botrityospora, имеет паутинный налет, придающий зерну темноватый оттенок; колонии на питательных средах бархатистые, темно-зеленые; конидии - от буровато-оливкового до черного цвета, обратно грушевидной формы, верхняя конидия шаровидная, имеет до семи перегородок. Данные патогены проникают в различные части зерновки, в том числе под оболочку и зародыш, это, в свою очередь, обеспечивает контакт гриба с зародышевыми органами. Вследствие этого одновременно при проращивании зерна ячменя происходит прорастание мицелия, который выделяет токсины [146, 164, 214]. В этом случае очень важна и необходима термическая обработка зерна ячменя. Термическое обеззараживание СВЧ-поля инактивирует гриб, готовый к прорастанию еще до начала этого процесса. Своевременное обезвреживание патогенов позволяет избежать заражения их метаболитами зерна ячменя, используемого в дальнейшем для получения солода.
