Влажность зерна и микроорганизмы

12.07.2015

В процессе уборки урожая получается зерновая масса с весьма различной влажностью (от 7—9 до 25—30% и даже более). Такой большой диапазон колебаний объясняется свойствами самого зерна и условиями уборки урожая. Даже в одной географической точке климатические условия в период созревания зерна и уборки урожая существенно влияют на влажность зерновой массы.
Зерновые массы с повышенной влажностью трудно сохранять, так как они легко подвергаются воздействию микроорганизмов.
Потребность во влаге у различных видов микроорганизмов не одинакова, В зависимости от этого их принято делить на три группы: «гидрофиты», «мезофиты» и «ксерофиты».
Показателем потребности воды микроорганизмами является необходимая для их развития степень насыщенности плотной среды парами воздуха при его различной относительной влажности. Так, наиболее требовательные к влаге гидрофиты могут успешно развиваться на плотных средах только при относительной влажности воздуха около 100%.
Наименее требовательные к влаге микробы — ксерофиты — активно развиваются на плотных средах при относительной влажности воздуха 90—95% (низший предел для их развития — 70—79%).
Средневлаголюбивыми являются мезофиты, развивающиеся на средах при относительной влажности воздуха 98%,
Типичными микробами-гидрофитами являются бактерии, многие дрожжи и дрожжевидные грибы.
В зерновой массе всегда в первую очередь создаются условия для роста плесневых грибов, значительная часть которых относится к мезофитам и ксерофитам.
В первый период созревания зерна содержание влаги о нем регулируется физиологическими процессами, а затем зависит в основном от температуры и влажности окружающего воздуха. Поэтому состояние погоды в предуборочный и уборочный периоды определяет содержание влаги в зерне.
Являясь коллоидным капиллярно-пористым телом, каждое зерно или семя способно поглощать (сорбция) и отдавать пары воды (десорбция). Уборка в сухую погоду при низкой относительной влажности воздуха обеспечивает получение более сухой зерновой массы.
Очень важно ясно представлять себе, при какой же влажности зерна возможно развитие в нем микробов.
Величина влажности зависит как от анатомического строения и химического состава зерна, так и от температуры воздуха.
Большей сорбционной способностью (в данном случае гигроскопичностью) обладают зерна и семена имеющие наиболее пористую структуру оболочек (сеть микро- и макрокапилляров) и содержащие меньше жира. Значительное количество жиров снижает содержание в зерне и семенах гидрофильных коллоидов, т. е. веществ, хорошо поглощающих и удерживающих влагу (главным образом белков и крахмала). Примерные данные о соотношении влажности воздуха и влажности семян некоторых культур (о равновесной влажности) при положительной температуре (15—20°) приведены в таблице.
Влажность зерна и микроорганизмы
Установлено закономерное повышение величины равновесной влажности с понижением температуры. Для примера приведем данные И.Я. Бахарева по пшенице. Из них следует, что при любой относительной влажности воздуха снижение температуры с 30° до 0° приводит к увеличению равновесной влажности зерна примерно на 1,5%.
Грибы-ксерофиты начинают развиваться на зернах пшеницы с влажностью 14,5—15,0%, кукурузы — 14—15%, на семенах бобов — 16% и подсолнечника 7—9%.
Крайне ограниченное количество грибов-ксерофитов в зерновой массе позволяет все же сохранять ее при указанной влажности. Грибы-мезофиты для своего развития требуют более высокой влажности зерновой массы. Однако не следует забывать, что некоторые грибы могут развиваться при влажности, близкой к равновесной 75—80% относительной влажности воздуха.
Исследования, проведенные за последние 30 лет, показали, что жизнедеятельность зерна и семян при хранении также прежде всего зависит от их влажности. При определенной влажности семена выходят из состояния глубокого покоя. Интенсивно дышат, в них активно протекают ферментативные процессы. Влажность, при которой в условиях положительных температур (15—20° С) резко возрастает энергия дыхания зерна, получила название критической. Величина ее у семян разных культур различна. Она зависит от химического состава и особенностей анатомического строения (так, у пшеницы, ржи и ячменя критическая влажность 14,5—15,5%, у семян кукурузы — 13—14%, проса — 12—13%, семян кормовых трав — 11— 13%, низкомасличных семян подсолнечника — 10—11%, а высокомасличных 6—9%, у. семян льна 8—9%). На рисунке хорошо видны точки критической влажности у семян различных культур.
Резкое возрастание энергии дыхания семян начиная с определенной влажности у разных культур объясняется одной и той же причиной — появлением в семенах свободной воды (т. е. воды, уже не удерживаемой прочно молекулами гидрофильных коллоидов — белков, крахмала, пентозанов и др.).
Чем выше влажность зерна, тем больше свободной воды находится в микро- и макрокапиллярах его оболочек и в более глубоко лежащих тканях.
При повышенной относительной влажности воздуха (80—90% и более) в сухих семенах в силу законов сорбционного равновесия идет усиленный процесс сорбции паров воды и всегда наблюдается явление капиллярной конденсации. Семена с повышенной природной влажностью (в случае неблагоприятных условий уборки) окруженные при хранении влагонасыщенным воздухом, не подсыхают.
Влажность зерна и микроорганизмы
Свободную влагу, которая находится в капиллярах влажного зерна, прекрасно используют микроорганизмы, обитающие па поверхности семян и обладающие большой сосущей силой. Эта влага позволяет всей сапрофитной микрофлоре зерна (в первую очередь плесневым грибам) интенсивно развиваться.
Таким образом, низшая граница влажности зерна, при которой становится возможным развитие плесневых грибов, близко подходит к величине его критической влажности.
Это необходимо повседневно учитывать в практике хранения зерна и семян, особенно семенных фондов. Если влажность превышает критическую, то это может дать толчок к активному развитию плесневых грибов, привести к снижению сначала полевой, а затем и лабораторной всхожести. Чтобы сохранить высокие посевные качества партий семян, прежде всего необходимо хранить их при влажности ниже критической (сразу же после уборки урожая).
В силосы элеваторов па более или менее длительное хранение разрешается загружать партии зерна, отвечающие требованиям состояний, сухое (для пшеницы, ржи и ячменя — влажность 14% включительно) или средней сухости (До 15,5% включительно). Более высокая влажность разрешается только при загрузке зерна на короткие сроки с обязательным предварительным охлаждением и очисткой от примесей.
В связи с влажностью зерновой массы находится и допустимей высота ее насыпи. Даже при высоте насыпи влажного зерна 1,0—1,5 и 2 м часто не обеспечивается его сохранность. При температуре выше 10—15° такое зерно легко подвергается плесневению и даже самосогреванию. Они приобретает специфический неустранимый затхлый запах.
Таким образом, правильно организованное храпение зерновой массы в сухом состоянии с учетом физических и физиологических свойств зерна надежно защищает ее от активного развития микроорганизмов, предотвращает потери в весе и снижение качества. В связи с недостатком влаги само зерно и находящиеся на нем микроорганизмы находятся в анабиотическом состоянии. Я.Я. Никитинский, крупный русский ученый, основатель русской школы товароведения назвал такой принцип консервации продуктов, основанный на частичном или полном обезвоживании их, принципом ксероанабиоза. Однако при ксероанабиозе не исключена возможность порчи зерна во время хранения в результате развития некоторых амбарных вредителей из мира насекомых (амбарного и рисового долгоносиков, хрущаков, притворяшки-вора и др.). Они могут существовать в зерновых массах при влажности ниже критической на 2—5%.
Возможность активного развития микробов в зерновой массе облегчается неравномерным распределением в ней влаги, что зависит от неоднородной влажности, возникающей при уборке урожая. Влажность зерна в различных участках колоса или початка кукурузы, а также в бобах и стручках бобовых при уборке урожая колеблется в очень больших пределах — от 10 до 40—50% и даже более.
Влажность зерна и микроорганизмы
Неоднородность зерновой массы (по влажности) резко возрастает из-за содержащихся в ней примесей органического происхождения (семян сорняков и вегетативных частей растений), влажность которых велика (при уборке комбайном достигает 35—60%).
На рисунке приведены данные С.И. Акивис, показывающие влажность зерновой массы пшеницы и ржи и отдельных ее компонентов сразу же из-под комбайна. Содержание органической примеси и семян сорных растений в образце ржи составляло 5,48% и в пшенице 12,9%.
Быстроту частичного перераспределения влага в свежеубранном зерне хорошо иллюстрируют наблюдения А.Ф. Пронина. Передача влаги от сорняков к основному зерну (в описываемом опыте — к пшенице) начинается немедленно с момента образования зерновой массы на комбайне. Сразу после комбайнирования влажность основного зерна равнялась 14,29%, через два часа она повысилась до 15,58 %, через 6 часов — до 16,44%, а через 56 час. достигла 19,8 %.
Одним из преимуществ раздельной уборки урожая является также и то, что получаемая при обмолоте зерновая масса содержит меньше примесей и влага в ней распределена более равномерно. Поэтому немедленная радикальная очистка зерна является важнейшим мероприятием для обеспечения его сохранности.
Влага в зерновой массе всегда распределяется неодинаково в основном из-за различной сорбционной способности ее отдельных компонентов. Так, мелкие и особенно щуплые зерна оказываются и более гигроскопичными и содержат больше влаги. Битые зерна (т. е. части зерен) удерживают больше влаги и являются весьма благоприятной средой для развития микроорганизмов. Даже в одном зерне или семени влага распределена неравномерно. Обычно в оболочках зерна больше влаги, чем во внутренних частях его.
Наиболее гигроскопичен (несмотря на значительное содержание в нем жира) зародыш. В зоне его расположения прежде всего активно развиваются микробы и образуются их колонии.
Хранение зерна осложняется перераспределением влаги.
Оно происходит вследствие перепада температур в связи с плохой теплопроводностью зерновой массы. При этом влага в зерновой массе перемещается по направлению, потока тепла, т. е. наблюдается термовлагодиффузия.
С перемещением влаги более холодные участки насыпи увлажняются, и на поверхности зерен образуется конденсационная, т. е. капельножидкая, влага (так называемое отпотевание), что способствует активному развитию микроорганизмов и возникновению процесса самосогревания.
Образование капельножидкой влаги в зерновой массе зависит так же от уровня физиологической активности последней. Поэтому отпотевание чаще наблюдается в партиях свежеубранного зерна, имеющего повышенную энергию дыхания и эпифитную микрофлору зерна в активном состоянии.
По мере впитывания капельножидкой влаги капиллярами оболочек зерна она используется и микроорганизмами. Это хорошо иллюстрируется данными ВНИИЗ о развитии на зерне спорообразующих бактерий.
Влажность зерна и микроорганизмы
Влияние капельножидкой влаги на развитие различных бактерий и плесеней в зерновой массе было показано в нашем опыте. С этой целью пшеница с исходной влажностью, вообще неблагоприятной для развития микроорганизмов (13,2%), была разделена на две равные части, каждая из которых увлажнялась различными способами: путем сорбции водяных паров и смачиванием капельножидкой влагой. Первая часть образца была помещена на трое суток в камеру с повышенной относительной влажностью воздуха. Вторая смачивалась водой (опрыскиванием из пульверизатора до влажности 17%). После выдерживания навесок в течение одинакового времени и при одной и той же температуре проводился учет их микрофлоры. Более интенсивное развитие микробов в случае увлажнения капельножидкой влагой продолжалось и при дальнейшем хранении опытных образцов.
Итак мы видим, что капельножидкая влага играет отрицательную роль при хранении зерна. Она очень интенсивно впитывается зародышами семян, делая их еще более доступными воздействию микробов.
Поэтому при хранении зерна и его перевозках очень важно предупредить появление капельно-жидкой влаги.
Активное вентилирование, позволяет своевременно удалять из зерновой массы воздух, содержащий значительное количество водяных паров и предотвращать их конденсацию. Это особенно необходимо для партий свежеубранного зерна.
При неправильном активном вентилировании зерновой массы в ней может появиться конденсационная влага. Это происходит при недостаточном обмене воздуха в зерновой массе, а также если в насыпи образуются «застойные» места, т. е. участки, мало или совсем не продуваемые воздухом.
Различная потребность в воде у разных микроорганизмов, и часто имеющие место в практике случаи изменения влажности зерновой массы в результате ее обработки и в период хранения приводят к существенным сдвигам в видовом и количественном составе микрофлоры зерна. Так, по данным З.Э. Беккер, с увеличением влажности в зерновой массе падает относительное содержание типичного ксерофита — Aspergillus glaucus и увеличивается численность представителей рода Penicillium. Зависимость динамики микрофлоры зерновой массы от влажности можно полностью представить себе только в связи с влиянием температурного фактора.
Влажность зерна и микроорганизмы
Полезно знать также, что для первоначального развития наиболее опасной группы микроорганизмов — плесневых грибов (прорастания спор в гифы) — требуется относительно большая влажность. Дальнейшее развитие мицелия может идти при меньшей влажности зерновой массы.
Итак содержание влаги в зерновой массе — основной фактор, который предопределяет успешное хранение семенных, продовольственных и фуражных фондов зерна. Условия же выращивания и уборки урожая во многих климатических зонах земного шара, в том числе на территории России, таковы, что влажность партий свежеубранного зерна бывает значительно выше критической. В связи с этим для защиты зерна от развития микроорганизмов возникает необходимость применять различные методы сушки.
Удаление влаги из зерна в основном происходит путем десорбции. При создании в окружающей среде дефицита влажности удается извлечь воду из зерна в виде пара.
Для сушки главным образом применяют нагретый при помощи калориферов воздух или смесь воздуха с топочными газами. Обладая большой влагоемкостью и малой влагонасыщенностью, нагретый воздух извлекает из зерновой массы до 6—7% влаги за один пропуск через сушилку.
В России создано мощное зерносушильное хозяйство, разрабатываются и внедряются новые типы высокопроизводительных и экономичных зерносушилок. Широко развивается строительство специальных сушилок в связи с увеличением в стране посевов кукурузы. Вновь построенные специальные заводы по обработке гибридных и сортовых семян кукурузы оборудованы сушильными камерами большой емкости.
Расходы на своевременно проведенную сушку компенсируются значительным сокращением потерь в весе и качестве зерна, экономией средств и затрат труда при хранении. Наряду со старыми применяются новые методы зерносушения. Так, доказан хороший технологический эффект при использовании токов высокой частоты, инфракрасных лучей, холодного обезвоженного воздуха и др. Однако эти методы пока еще не нашли широкого применения из-за больших затрат на электроэнергию.
В настоящее время в южных и центральных районах России широко используется активное вентилирование, т. е. принудительное продувание воздухом зерновой массы без ее перемещения.
Эффект снижения влажности зависит при этом от сочетания: 1) температуры зерновой массы, 2) относительной влажности воздуха при данной температуре и 3) от количества воздуха, пропускаемого через зерновую массу. Наибольший эффект чаще получается при обработке зерновых масс с повышенной влажностью. Так, в условиях районов, производящих кукурузу на зерно, активное вентилирование початков кукурузы с повышенной влажностью (25—30% и более) нередко обеспечивает снижение их влажности до 17—20% .
Даже в условиях средней полосы России возможно значительное обезвоживание партий зерна различных культур и растительного вороха с высокой влажностью. Так, в Московской области в 1960—62 гг. путем активного вентилирования была снижена влажность в партиях семян люпина с 28 до 16%. Ворох льна с исходной влажностью 43 был высушен до 18%.
Очень часто отдельные партии имеют влажность выше кондиционной (и критической) на 1—2%. Это количество влаги с успехом и своевременно может быть удалено при помощи активного вентилирования.
Как же тепловая сушка отражается на микрофлоре зерна? Этот вопрос был предметом многочисленных исследований и в настоящее время достаточно изучен. Установлено, что сушка зерна различных культур газовоздушной смесью или нагретым воздухом далеко но всегда оказывает достаточное стерилизующее действие. Изучение влияния таких способов сутки на микрофлору зерна показало, что они оказывают весьма незначительное влияние на уменьшение численного состава микрофлоры зерна нормального качества. Большее стерилизующее действие наблюдается в партиях зерна с признаками плесневения или самосогревания. При сушке таких партий замечено снижение численности плесеней и бактерий. В партиях греющего зерна снижение количества плесневых грибов может быть весьма значительным: с 400—500 тыс. до нескольких тыс. в 1 г. Однако споры плесневых грибов почти не погибают; уничтожается лишь мицелий.
В настоящее время изучаются новые методы и режимы сушки зерна в так называемых пневматических сушилках, когда зерно во взвешенном состоянии обрабатывается при температурах 600° и более; это оказывает большее действие на микрофлору зерна. Так по данным ВНИИЗ, пропуск зерна с влажностью 16% через такую сушилку снижает количество бактерий по сравнению с первоначальным в три раза, а плесневых грибов — в семь-восемь раз. Здесь, по-видимому, споры плесневых грибов отделяются от поверхности зерна потоками газовоздушной смеси. Пропуск зерна через зерносушилку тормозит развитие микрофлоры, даже если влажность зерновой массы еще не снижена до критической. Во время сушки влага прежде всего удаляется из оболочек зерна, их макро- и микрокапилляров, для перемещения ее из эндосперма в оболочки требуется время. Поэтому подсушенное таким образом зерно оказывается менее благоприятной средой для развития микроорганизмов, чем зерновая масса с такой же средней влажностью, но не подвергавшаяся сушке. Это обстоятельство заставляет при недостатке сушилок в хозяйстве проводить сушку каждой партии в два или даже три этапа. Сначала снижают влажность всех наиболее труднохранимых партий путем однократного пропуска через зерносушилки, а затем досушивают.
Для последующего хранения зерновых масс очень важно правильно организовать работу зерносушильных агрегатов, исключающую возможность «запаривания» зерна и появления на нем по тем или иным причинам капельножидкой влаги. Запаривание не только снижает технологический эффект сушки (процент удаляемой влаги), но и способствует активации микрофлоры зерновой массы при последующем храпении.
Нельзя не остановиться еще на одном очень важном и заслуживающем более широкого распространения способе — сушке на солнце. Воздушно-солнечная сушка проводится на токах или специальных площадках при складах, она особенно необходима для партий семенного зерна.
Сушка па солнце во многих случаях вполне оправдывает себя. В теплый осенний солнечный день с ветром она позволяет снизить влажность зерна на 1—2%. При сушке в течение нескольких дней можно снизить влажность партии зерна с 17 до 14%.
Установлено, что солнечная сушка зерновой массы способствует послеуборочному дозреванию семян и частично стерилизует их. Просушенное таким способом зерно лучше сохраняет посевные качества. По нашим данным, численность микроорганизмов в зерновой массе в результате хорошо проведенной воздушно-солнечной сушки может быть снижена даже на 30—40%. Особенно заметно угнетающее действие солнечных лучей на плесневые грибы.
По мнению других исследователей, солнечная сушка не приводит к резкому снижению общего количества микроорганизмов, так как наблюдается избирательное действие солнечных лучей на отдельные виды грибов. Так О.П. Подьяпольская отмечает, что в результате солнечной сушки в зерновой массе не обнаруживались грибы из родов Aspergillus и Penicillium, но сохранялись темно-пигментированные роды (Cladosporium, Alternaria, Dematium) и дрожжи. Это имеет существенное значение, так как в тех случаях, когда влажность зерна после солнечной сушки остается выше критической, уничтожение зародышей наиболее опасных при хранении грибов может резко повысить стойкость зерновой массы и предотвратит на более длительное время образование затхлого запаха, а также снижение всхожести семян.
Солнечная сушка дает хорошие результаты только при правильном ее проведении. Прогревание верхнего слоя па-сыпи толщиной 10—15 см неизбежно сопровождается явлением термовлагодиффузии, которая в результате редкого перелопачивания зерна образует в нижнем слое насыпи конденсационную влагу, способствующую развитию микроорганизмов на зерне. Совершенно необходимо поэтому тщательное периодическое перелопачивание насыпи зерна. Солнечную сушку нужно проводить на специальных сухих деревянных или асфальтированных площадках. Сушка на земле или на брезентах, положенных на землю, а также на бетонных покрытиях способствует термовлагодиффузии, миграции влаги из почвы и конденсации водяных паров в нижнем слое зерна. При этом из высушиваемой массы меньше удаляется и влаги.