Современные методы диагностики качества и обеззараживания зерна
Аннотация. В статье представлен анализ обзора литературных источников по современным методам диагностики качества и обеззараживания зерна.
Abstract. The article presents an analysis of the literature review on modern methods for diagnosing the quality and disinfecting of grain.
Россия является одним из крупнейших в мире производителей зерна, при этом доля ввозимого в страну импортного зерна остается высокой, а вопросы продовольственной безопасности нашей страны остаются актуальными. Россия обладает большим экспортным потенциалом зерна, который может быть успешно реализован, а ухудшение качества зерна снижает конкурентоспособность России на внешнем рынке. Это делает необходимым контроль качества и безопасности зерна на всех этапах работы с ним, включая контроль качества зерна нового урожая, контроль качества и безопасности при хранении, переработке и реализации.
Центральной задачей обеспечения продовольственной безопасности России является сохранение урожая зерновых без ущерба и потерь. Существующие зернохранилища и их оборудование не позволяют в полной мере решить эту проблему. Особенно неблагоприятные условия хранения зерна создаются в металлических силосах. Их строительство в последние годы приняло массовый характер за счет низкой себестоимости и скорости строительства по сравнению с железобетонными конструкциями.
В России распространены различные дефекты зерна. Проблема сухого зерна широко распространена. Сухим ветром называют горячий воздух с низкой влажностью при 30% и менее, высокой температурой - 25°С и скоростью движения воздуха не менее 5 м/с. Когда сухость длится не менее 5 дней, образуется суховейное зерно-щуплое, с массой 1000 зерен меньше нормы на треть и более и качеством клейковины-крепкой и неудовлетворительно крепкой.
Внешние признаки суховейного зерна: щуплое, обесцвеченное, с морщинистыми оболочками. Количество клейковины может быть увеличено, но это не является отрадным фактом, ведь повышенное содержание относительно легких зерен, не заполненных всеми необходимыми веществами, и в первую очередь крахмалом.
Положительный на первый взгляд, показатели могут обернуться большими проблемами для процессоров. Для мукомолов такое зерно является большой проблемой из-за повышенной зольности зерна, низкого выхода муки из такого зерна и низкой белизны.
В результате повреждения белковых веществ, в том числе ферментов зерна, а также отсутствия крахмала амилолитическая активность зерна крайне низка. Все это приводит к тому, что хлеб из такого зерна имеет небольшой объем, обжим, бледную корочку, очень плотную толстостенную, неэластичную, грубую крошку серого или темного цвета. Чем меньше зрелое зерно подвергалось воздействию сухих ветров, тем больше ущерб.
Для сухого зерна необходимо своевременно и правильно определить его качество по всем свойствам в комплексе, без выделения или выделения какого-либо одного показателя качества, например, повышенного содержания клейковины или белка, или хорошего стекловидного тела.
Засухоустойчивое зерно создает проблемы хранения. В результате окисления жиров могут образоваться токсичные продукты и микотоксины, зерно легко травмируется, что приводит к повышенному содержанию примесей зерна в виде сломанных, разрушенных, измельченных зерен. Такое зерно неустойчиво при хранении, так как оно легко и быстро увеличивает значение кислотного числа жира, что свидетельствует о накоплении негативных для здоровья человека веществ.
В связи с этим предприятиям, занимающимся хранением зерна, в первую очередь приходится организовывать очистку и суховеи, охлаждение зерна аэрацией или перемещение его через транспортные коммуникации и сепарационное оборудование. Иногда для охлаждения зерна используется сушильное оборудование. Эти меры предотвращают потерю сухого зерна при хранении [1].
Кроме того, товарное зерно может испортиться не только в области, но и в результате сушки влажного или сырого зерна на различных типах сушилок, особенно при несоблюдении установленных режимов сушки. В этом случае происходит укрепление клейковины и уменьшение ее количества. Распознавание зерна осуществляется по наличию поврежденных зерен в результате сушки, которые имеют характерную коричневую или черную окраску, преимущественно в области зародыша.
Если такое зерно в партии больше нормы, качество товарной партии резко снижается, так как происходит частичная денатурация белка, следовательно, уменьшается количество клейковины и изменяется ее качество. Клейковина становится сильной, твердой, рыхлой.
Для выявления степени повреждения груза, подвергнутого сушке, при наличии коричневых и черных (обугленных) зерен необходимо определить количество и качество клейковины наряду с расчетом количества таких зерен.
В Федеральном государственном бюджетном учреждении "Научно-исследовательский институт Юго-Востока" разработана методика седиментации с использованием поверхностно-активного вещества-додецилсульфата натрия (SDS) и методы оценки качества клейковины по гидрофобным взаимодействиям в белковом комплексе, которые были широко апробированы в селекционном аспекте, в том числе для выявления возможности их использования при оценке сортов, поврежденных черепашьим клопом. Показано, что чувствительность SDS-критерия к протеолитическим ферментам клопа-черепашки снижается с уменьшением времени взаимодействия продуктов измельчения зерна (шрота) с водой. Наибольший эффект было обнаружено при выдерживании шрота в воде в течение 30 секунд. Значение индекса SDS существенно не изменилось, когда черепаха повредила зерно у одних сортов до 24%, а у других-до 45%. Высокая когерентность (r=) связана с оценками седиментации поврежденных клопом - черепашкой (30%) и неповрежденного зерна проявляется высокая согласованность (r=0,75**-0,88**).
Индекс SDS-седиментации, измеряемый при анализе поврежденного зерна (30%), как правило, тесно связан с данными фаринографической оценки муки, полученной из неповрежденного зерна (r=0,58**-0,82**; r=-0,61**...-0,71**). Таким образом, при оценке поврежденного зерна черепахи из племенных питомников может быть использована модифицированная методика с уменьшенным периодом взаимодействия муки и воды (30С).
Данные флуоресцентного зондирования муки из неповрежденного и сильно поврежденного (80%) зерна черепахи из урожая двух контрастных погодных условий года достоверно коррелировали (r=0,55**-0,70**). Оценку качества гидрофобных взаимодействий клейковины можно проводить без отбора поврежденных зерен в пробу.
Одной из задач данного исследования было изучение влияния массовой доли пораженного хлебом клопа на клопа (Eurygaster integriceps Put.) зерна по основным показателям измеряются прибором mixolab [2].
Помимо вышеперечисленных возможных дефектов зерна и продуктов его переработки, является наличие в зерне и производимых из него зерновых, мучных, овсяных, а также хлебобулочных и хлебобулочных изделий грибов, дрожжей и других мезофильных аэробных и опционально анаэробных микроорганизмов и бактерий (например, E. coli). Наличие вышеупомянутых грибов и микроорганизмов в зерновых продуктах связано с резким ухудшением экологического состояния, т. е. загрязнением почвы и воздуха этими организмами, а также отсутствием эффективного контроля этого явления. Ситуация также усугубляется тем, что в последние годы в технологии подготовки зерна к переработке в качестве обязательной техники исключается промывка зерна, что негативно сказывается на микробиологическом состоянии зерна и продуктов его переработки.
Практически все методы микробиологического анализа основаны на посеве определенного количества продукта в агаризованную питательную среду, культивировании культур в аэробных условиях при температуре (30± 1)°С в течение 72 ч с последующим подсчетом всех мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов, включая грибы, и пересчетом их количества на 1 г продукта.
Для каждого вида микроорганизмов и форм разработаны и действуют предельно допустимые санитарно-гигиенические нормы.
Валидированные методы определения микотоксинов методом иммуноферментного анализа (ИФА) позволяют определить дезоксиниваленол, токсин т-2 и зеараленон, афлатоксины и охратоксин А. для скрининга часто используются коммерческие иммуноаналитические системы, такие как твердофазные наборы ИФА. Погрешность определения микотоксинов твердофазным ИФА на таблетках с использованием тест-систем составляет около 30%. В этом случае нет ложных отрицательных результатов и могут быть ложноположительные положительные результаты.
Если фотометр для таблеток (считыватель) управляется компьютером, который также имеет программу для обработки результатов анализа, то программа предусматривает внутренний контроль, который заключается в том, что соответствие калибровочной линии в эксперименте заданной калибровочной линии по нормативам в наборе должно составлять не менее 95% [3].
Одним из экспресс-методов повышения надежности контроля качества зерна, является метод рентгенологического обследования объектов, ранее применявшийся только при контроле семеноводческой службы Российской Федерации при оценке качества семян при его возделывании, уборке, сушке, послеуборочных операциях и определении режимов, обеспечивающих количество семян с минимальным уровнем скрытого травмирования.
Научные исследования в рамках научно-исследовательской работы ФГБУ НИИПХ Росрезерва совместно с Агрофизическим Институтом в данной области проводятся по следующим направлениям:
- разработка специализированной рентгеновской технологии, позволяющей визуализировать объекты малых размеров для выявления структурных дефектов их внутренней структуры;
- обеспечение возможности получения нового биологического материала, а именно: зерна с минимальным уровнем скрытые дефекты;
- развитие новых услуг в зерновом секторе-контроле биологической безопасности зерна;
- контроль технологических режимов, обеспечивающих минимально возможный уровень дефектов в партиях зерна.
Для реализации и автоматизации рентгеновского метода специалистами Санкт-Петербургского электротехнического университета (ЛЭТИ)и Агрофизического Института совместно с НИИ хранения Росрезерва для рентгенодиагностической установки ПРДУ-02 разработано программное обеспечение, обеспечивающее фотосъемку, визуализацию и оцифровку рентгеновских изображений зерна.
Данное программное обеспечение называется "Агротест 2.0", которое разработано на языке С++ в среде разработки Microsoft Visual C++ 2008 с использованием встроенного компилятора среды разработки и предназначено для автоматического анализа графических файлов рентгеновских изображений семян зерновых культур (пшеницы, риса, ржи, ячменя). Данная версия программы ориентирована на изображения, полученные с помощью рентгенодиагностического комплекса ПРДУ-02 и сканера Digora. Программа предназначена для работы в операционных системах Windows на персональных компьютерах.
Помимо общих показателей, программа предусматривает анализ зерна на наличие скрытых повреждений, популяций и повреждений насекомыми и некоторых других видов скрытых дефектов. На основе автоматического изучения рентгеновских изображений образцов зерна программа оценивает всю анализируемую партию зерна.
Программа получает графический файл, содержащий среднее рентгеновское изображение 100-130 зерен. Также на вход программы могут поступать не только отдельные файлы изображений, но и пакеты таких файлов, содержащие до 50 рентгеновских изображений. Такие пакеты обрабатываются совместно, и, соответственно, за один проход программа может анализировать около 5-6 тысяч зерен. Более большие образцы можно обрабатывать в множественных пропусках.
Обработка каждого рентгеновского снимка включает в себя предварительную фильтрацию изображения, идентификацию зерен на изображении и последовательный анализ каждого зерна в отдельности.
Таким образом, результатами программы являются три уровня показателей: данные по каждому зерну в отдельности, результаты анализа пробы в целом и статистическая оценка всей партии зерна по выборке.
Программа "Агротест" проста в использовании и устойчива к инструментальным погрешностям при съемке, а также наличию мелких механических примесей в образцах (пыль, песчинки и др.).). Это делает программу достаточно надежной и применимой не только в лабораторных исследованиях, но и в промышленных условиях для оценки партий зерна на переработку или дальнейшее хранение [4].
Воронежский государственный университет инженерных технологий разработал метод определения степени повреждения пшеничной головни, который предполагает использование статического детектора типа "электронный нос". Матрица устройство обнаружения состоит из семи piezosensors с базовой частотой колебаний 10-15 МГц. Электроды покрыты чувствительными растворами сорбентов - полиэтиленгликоль-сукцината (ПДЭГС), поливинилпирролидона (ПВП) и углеродных нанотрубок (УНТ), модифицированных азотом циркония. Общая масса покрытия после удаления растворителя 4-10 мкг. Подготовленное устройство детектора подключается к компьютеру. В ходе эксперимента образец зерна пшеницы помещают в герметичную стеклянную емкость с полимерной мягкой мембраной и выдерживают при температуре 20°С не менее 30 минут. Затем через полимерную мембрану берут шприц 3 см3 равновесной газовой фазы и вводят образец в корпус статического детектора типа "электронный нос", где датчики реагируют на содержание отдельных компонентов среды.
Предложенный способ определения порчи зерна пшеницы с помощью статического детектора типа «электронный нос» позволяет более точно определить состояние зерна, содержащего ядовитые вещества для человека и животных в виде спор головных грибов и имеющего неприятный запах триметиламина [5].
Зараженную вредителями зерновую массу можно принимать в исключительных случаях только при наличии условий для немедленной дезинфекции зерна в зернохранилище, а также при отсутствии возможности распространения насекомых и клещей на другие стороны зерна. Такие условия требуют отдельных так называемых «медицинских» складов, силосов, оснащенных собственными средствами механизации и дезинфекции зерна.
Дезинфекцию зерна проводят физическими, механическими и химическими методами. К первым относятся методы, позволяющие замораживание или охлаждение зерна, его сушку и очистку.
Обеззараживание зерна охлаждением эффективно в зерновой массе в зимний период, когда удается поддерживать низкую температуру насыпи зерна в долгосрочной перспективе. Применение метода дезинфекции охлаждением связано с наличием и учетом информации о влиянии низких температур на продолжительность жизни паразитов, насекомых и клещей.
Обеззараживание зерна термическим воздействием (сушкой) чаще всего применяется, когда необходимо одновременно снизить уровень влажности зерновой массы. Семенное зерно нельзя дезинфицировать термически, так как это может привести к потере его семенных качеств. Сушка не является эффективным методом дезинфекции при воздействии измельчителем на зерновую массу, так как вредитель устойчив к высокой температуре.
Семенное зерно небольшими партиями можно сушить на солнце, если есть благоприятные условия. Когда зерно заражено летающими насекомыми, солнечная сушка может привести к распространению вредителей (рисовый долгоносик, красный Пожиратель муки, терновая дробилка), что делает процесс неэффективным и опасным для других партий зерна.
В настоящее время российские производители разработали аналоги зарубежных ультразвуковых сушилок. Экономически выгодная технология с использованием ультразвука, предназначенная для сушки зерна (окончательной сушки) перед помещением его в хранилище,для предварительной обработки семян. Использование ультразвука достаточной мощности обеспечивает создание псевдоожиженного слоя в среде объемного материала и одновременно появление акустических токов, ускоряющих процессы тепло-и массообмена. Ультразвуковые сушильщики главные к сушильщикам жары на эффективности (стоимости энергии) 8-10 раз, дружественной к ЭКО, потому что не требуют сгорания каменных углей.
Очистка загрязненного зерна может снизить степень повреждения вредителями при охлаждении или сушке, если в условиях полной гибели паразитов, клещей и насекомых. Процесс очистки зерна, осуществляемый в теплую погоду, способствует распространению вредителей на другие партии зерна. Отходы, образующиеся при очистке, дезинфицируются химическими средствами и подлежат отдельному хранению.
Для обеззараживания используются химические методы получения специализированных препаратов, генерирующих фосфин, современные препараты-инсектициды контактного действия, обладающие высоким обеззараживающим действием, но, несмотря на это, необходимо принимать профилактические меры, агрономического, санитарного, физического характера для предотвращения загрязнения зерновой массы.
В настоящее время для проведения фумигации зерна и дезинфекции зернохранилищ используют строго установленные нормы расхода препаратов и времени экспозиции, которые изменяются для различных условий в зависимости от типа зерновой культуры, вида насекомых, типа зернохранилища. Нормы потребления и экспозиции определяются опытным путем.
После дезинфекции, в зависимости от времени воздействия, отбора проб и анализа, определяется качество выполняемых работ.
Литература:
1. Мелешкина, Е.П. Целевое использование зерна и муки – требование времени / Е.П. Мелешкина, С.Н. Коломиец, Л.В. Шеленкова, А.И. Коваль // Пищевая промышленность. – 2013. – № 9. – С. 64-66.
2. Кулеватова, Т.Б. Новые методические подходы к оценке качества зерна / Т.Б. Кулеватова, Л.В. Андреева, Л.Н. Злобина // Современные методы, средства и нормативы в области оценки качества зерна и зернопродуктов: Сб. материалов 13-й Всерос. научно-практ. конф., 06-10 июня 2016 г., г. Анапа / КФ ФГБНУ «ВНИИЗ». – Анапа, 2016. – 135 с.
3. Родникова, А.А. Экспресс-контроль уровня микотоксинов в зерне и продуктах его переработки при длительном хранении / А.А. Родникова, С.Л. Белецкий // Хлебопродукты. – 2016. – №12. – С.46-47.
4. Рогова, А.Н. Оценка скрытых дефектов зерна пшеницы при длительном хранении рентгенографическим методом / А.Н. Рогова, К.Б. Гурьева, Е.В. Иванова, М.В. Архипов // Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров: сб. докл. Первой межвед. научно-практ. конф. – М.: Издательский комплекс МГУПП, 2008. − 306 с.
5. Лыткина, Л.И. Сенсорная диагностика степени поражения зерна пшеницы головнёвыми грибами / Л.И. Лыткина, Е.С. Шенцова, А.А. Шевцов, О.А. Апалихина, А.Г. Ткачёв // Хлебопродукты. − 2017. − № 2. − С.56-57.
Назарова Н.Е., канд. техн. наук, доцент; Залётова Т.В., канд. с-х. наук
ФГБОУ ВО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия», г. Нижний Новгород