Роль микроорганизмов в образовании тепла в зерновой массе
В зерновой массе существует четыре возможных источника образования тепла: 1) зерно или семена основной культуры; 2) микроорганизмы; 3) зерно и семена относимые к примесям; 4) амбарные вредители (насекомые и клещи). Ведущая роль микроорганизмов в образовании тепла в зерновой массе вытекает из известных физиологических свойств микробов, их образа питания и дыхания. Однако для доказательства роли микроорганизмов в термогенезе зерновой массы исследователям пришлось затратить много усилий и времени.
Степень участия микроорганизмов в образовании тепла в зерновой массе в связи с присутствием в ней и других биологических компонентов, длительное время оценивалась весьма различно. Для решения вопроса о роли каждого компонента зерновой массы в теплообразовании во многих странах были поставлены многочисленные эксперименты.
Первые два источника тепла (само зерно и микроорганизмы) неизбежно присутствуют в каждой партии зерна. Два других (примеси и амбарные вредители) нередко отсутствуют. Однако установлено, что в зерновой массе может развиваться процесс самосогревания и тогда, когда нет семян сорных растений и амбарных вредителей. Это позволяет считать их дополнительными источниками теплообразования. Тем не менее роль этих компонентов в развитии или даже возникновении процесса самосогревания зерна огромна. Каждый практик знает, что при всех прочих равных условиях хранения и состояния зерновой массы самосогревание (если оно вообще возможно) возникает значительно раньше и развивается быстрее при наличии в зерне примесей и насекомых. Для иллюстрации этого положения приведем некоторые экспериментальные данные.
В наших опытах со свежеубранной зерновой массой пшеницы, имевшей влажность 14,5—17,1%, т. е. в пределах базисных и ограничительных кондиций (для Московской области) разница в энергии дыхания основного зерна и семян сорных растений достигала 15—40 раз. Повышенная энергия дыхания семян сорняков в свежеубранной зерновой массе объясняется их высокой влажностью, значительно превышающей влажность зерна основной культуры. В табл. 16 приведены сравнительные данные но энергии дыхания основного зерна и семян сорных растений в зерновой массе при температуре 18—22°.
Такая же картина значительного превышения энергии дыхания у семян сорняков наблюдается и в свежеубранной зерновой массе с повышенной влажностью. Для примера в табл. 17 приводим данные С.И. Акивис, исследовавшей зерновую массу до очистки (ворох).
Клещи и особенно насекомые, развиваясь в зерновой массе, выделяют огромное количество тепла. В южных районах, когда нередко имеются оптимальные температурные условия для развития долгоносиков, последние в партиях сухого зерна (при влажности ниже критической) могут быть даже основным источником теплообразования в зерновой массе. Так, Оксли помещал в образцы пшеницы весом по 450 г каждый по 10 долгоносиков и определил, что эти жуки выделили углекислого газа в семь раз больше, чем зерна пшеницы. Определив вес 10 долгоносиков (оказавшийся равным всего 25 мг), Оксли рассчитал, что количество углекислоты, выделенной долгоносиками, было в 130000 раз больше, чем выделенное таким же количеством зерна (25 мг). Эти данные позволили Оксли считать, что возникновение процесса самосогревания в сухом зерне пшеницы может быть следствием развития в ней амбарного и рисового долгоносиков.
В табл. 18 приводим результаты опытов Линдгрена, характеризующие сравнительную энергию дыхания зерна пшеницы и долгоносиков. При этом было отмечено, что в условиях очень низкой влажности зерна (8,7%) наблюдалась гибель долгоносиков. В меньшей степени долгоносики гибли при влажности 10,6% и температуре 35° С. Средний вес одного рисового долгоносика равнялся 1,36 мг, амбарного — 2,11 мг.
Концентрированному выделению тепла в зерновой массе насекомыми и клещами способствует их перемещение в участки насыпи, наиболее благоприятные для развития. Так, замечается их скопление в более теплых и влажных участках зерновой массы. Понятно, что это способствует возникновению и развитию самосогревания. По мере повышения температуры греющегося слоя или гнезда до пределов, превышающих оптимальные для данного вида насекомых или клещей, последние перемещаются в смежные слои, в которые распространяется тепло от очагов самосогревания.
Значительно труднее было установить отдельно роль основного зерна и микроорганизмов в теплообразовании. Пока не были найдены удовлетворительные методы стерилизации зерна от микрофлоры и сохранения при этом жизнеспособности самого зерна существовало две теории самосогревания: энзиматическая и микробиологическая. Согласно первой теории полагали, что в основе процесса самосогревания лежит активное действие энзимов зерна. Некоторые сторонники этой теории вообще отрицали существенную роль микроорганизмов в самосогревании зерна.
Вторая теория (как это показывает ее название) решающую роль в процессе теплообразования, происходящем в зерновой массе, отводит микроорганизмам. Значение микробов в развитии процесса самосогревапия было доказано классическими экспериментами Миэ и, особенно, советских исследователей: Б.Л. Исаченко, Е.Н. Mишустина, Н.П. Михаловского и многих других.
Для решения вопроса о роли микроорганизмов в процессе самосогревания исследователи применяли:
1) Прекращение жизнедеятельности зерна путем нагрева, т. е. тепловую стерилизацию. В этом случае достигались полная инактивация ферментов зерна и гибель микробов. Обработанное таким путем мертвое зерно заражалось чистыми культурами определенных микроорганизмов, а затем хранилось в специальных емкостях.
2) Стерилизацию зерна или семян различных культур путем обработки антисептиками. Этим приемам стремились полностью сохранить жизнеспособность семян и уничтожить всю микрофлору, находящуюся на их поверхности.
Этот путь был наиболее сложным, так как многочисленные средства, применявшиеся для стерилизации, оказывали угнетающее действие на жизнеспособность семян или были недостаточно эффективными.
В дальнейшем как при одном, так и при другом методе исследования велись наблюдения за температурой или энергией дыхания подопытных образцов, определялось количество и видовой состав микрофлоры.
Результаты исследований показали, что возникновение типичной картины самосогревания возможно только за счет жизнедеятельности различных групп микроорганизмов. Проиллюстрируем это данными некоторых опытов.
Миэ исследовал процесс самосогревания у стерильных и нестерильных проростков семян подсолнечника и показал возможность их самосогревания в сосудах Дюара только в нестерильном варианте (табл. 19).
Из опытов Б.Л. Исаченко и его сотрудников видно, что масса мертвых стерильных зерен различных культур, полученная путем тепловой стерилизации, всегда давала типичную картину самосогревания в результате внесения в нее тех или иных представителей микрофлоры. Для примера приведем данные по заражению стерильного зерна ржи различной влажности двумя видами грибов (табл. 20). В этом же опыте повышения температуры влажного стерильного зерна не наблюдалось.
Подобные же результаты были получены многочисленными исследователями и в последующие годы. Так Мильнер и Геддес (1946 г.) подвергали тепловой стерилизации семена сои с различной влажностью, а затем заражали их микроорганизмами и определяли энергию дыхания. Как видно из кривых на рис. 46, энергия дыхания стерильных, влажных (21,7 %) семян сои практически была равна нулю. Семена же с меньшей влажностью, но зараженные плесневыми грибами дали заметный рост энергии дыхания с первых же суток хранения (опыт велся при температуре 37°).
Все исследователи, проводившие опыты по заражению стерильной зерновой массы различными микроорганизмами, отмечают, что ее температура при таком экспериментальном самосогревании никогда не превышает Температуры жизненного максимума микроорганизмов. Различия в росте температуры при экспериментальном самосогревании, вызванной развитием различных видов микробов, хорошо иллюстрируется данными Я.И. Раутенштейна (рис. 47).
В самосогревании зерновых масс участвует вся находящаяся и ней эпифитная и сапрофитная микрофлора. Однако решающая роль в образований тепла и развитии процесса принадлежит плесневым грибам. Они обладают огромной интенсивностью дыхания. По данным С.П. Костычева, двухдневная культура плесневых грибов выделяет за 24 часа 1750—1870 мг CO2 па 1 г сухого вещества. Интенсивность дыхания сухого зерна пшеницы или ржи за этот же период составляет 0,01-0,02 мг CO2.
В более старой культуре плесеней снижается энергия дыхания. Например, четырехдневная культура тех же грибов выделяет за сутки 276 мг CO2. Масса гриба возрастает в результате развития мицелия и органов плодоношения. Это увеличивает суммарное выделение тепла и в значительной степени компенсирует уменьшенное выделение его на единицу веса сухого вещества гриба.
Особое значение плесневых грибов в развитии процесса самосогревания связано не только с их способностью выделять огромное количество тепла. Для развития плесневых грибов в зерновой массе, по сравнению со всеми другими микроорганизмами, имеются наиболее благоприятные условия. Так, эти микробы 1) могут развиваться при более низкой влажности зерна, чем дрожжи и бактерии; 2) менее требовательны к относительной влажности воздуха межзерновых пространств, чем дрожжи и бактерии; 3) имеют невысокий температурный оптимум и способы развиваться при довольно низких температурах; 4) относятся к аэробам (свежезасыпанное зерно имеет в межзерновых пространствах нормальный состав воздуха); 5) имеют разнообразный состав ферментов, позволяющий интенсивно воздействовать на покровные ткани зерна, разрушать их и тем самым подготавливать питательную среду для других групп микроорганизмов.
Таким образом, решающая роль микроорганизмов в образовании тепла и развитии процесса самосогревания в зерновой массе не вызывает сомнений. Понятно, что и энзиматические процессы, протекающие в зерне, являются существенным источником выделения тепла.