Температурно-влажностное картирование складского пространства как метод обеспечения безопасности зерна

Влажность зерна имеет критически важное значение для его хранитивной стойкости - пригодности к длительному хранению без потери качества показателей ферментативнобелково-крахмального комплекса и сохранением класса при дальнейшем использовании. При хранении зерна в производственных условиях наблюдается изменение его влажности, которая влияет на скорость протекания биохимических процессов в зерновке и микробиологических - на ее поверхности [1].

Изучение форм и энергии связи влаги с элементами сухого вещества зерновки (крахмалом и белками) приобретает важное значение при длительном хранении зерна, вследствие того, что при взаимодействии с влагой зерновка демонстрирует зависящие от времени явления, отражающиеся на её структурной и динамической неоднородности: денатурация белка, изменения состава во время хранения (старения). Информация о количественной дифференциация влаги в зерне необходима для физико-химических исследований в обычном состоянии и при различных изменениях в процессе длительного хранения: перемещении, теплового воздействия при сушке, транспортировке, аэрации и т.д. 

Согласно широко распространенной классификации форм связи воды с материалом, предложенной П.А. Ребиндером, в зависимости от уровня энергии связи, влагу в зерне подразделяют на: химически связанную (ионную, молекулярную), физико-химически связанную (адсорбционную, осмотическую) и физико-механическую свободную влагу (влага в капиллярах и макрокапилярах, влага смачивания). Основной уровень энергии связи в пределах монослоя составляет 20,9 кДж/моль, т. е. соответствует уровню водородной связи. Под свободной понимают влагу, отличающуюся невысокой энергией связи с тканями зерна, легко из него удаляемую. Наличие свободной влаги обусловливает значительную интенсивность дыхания и других биохимических процессов, приводящих к быстрой порче зерна при хранении и ухудшающих его физико-механические свойства [2].

В процессе подготовки зерна к длительному хранению рекомендуется удалять избыточную свободную влагу и поддерживать стабильную равновесную влажность зерна. Равновесная влажность зерна зависит от его сорбционных свойств, от состояния воздуха, его относительной влажности и температуры. Кинетика достижения сорбционного равновесия внутри зерновки достаточно сложна. В процессе подготовки зерновки к хранению идет перераспределение влаги внутри зерновки и между отдельными полимерами эндосперма, рисунок 1 (а, б, в, г). 



Рисунок 1 – Строение зерна пшеницы. (а – схематичное представление; б – микрофокусная фото слоя эндосперм – алейроновый слой – семенная кожура (эндосперм окрашен люголем);
в – микрофокусное фото слоя зародыш – эндосперм (продольный срез), г – микрофокусное фото зародыш – циток - эндосперм (поперечный срез))
 
Белки зерна содержат гидратную влагу, которая благодаря водородным связям обеспечивает спиралевидную третичную структуру белка. Наличие этой прочно связанной воды не позволяет живой молекуле белка принять наиболее термодинамически выгодное состояние – коагулированного белка. 

Сорбционные характеристики зерна пшеницы были ранее глубоко описаны учеными, [1 - 3], в частности была получена оригинальная «изотерма Угрозова», описывающая равновесие в зерне [3]. Адсорбционно связанная влага содержится в зерновке за счет сорбционных свойств крахмала, его капиллярно-пористой структуры и способности отдельных биохимических веществ и областей зерна - чешуйчатых оболочек, алейронового слоя и эндосперма, поглощать и удерживать строго определенное количество воды. Влага концентрируется в частях, наиболее богатых гидрофильными коллоидами — в основном белками и крахмалом. Крахмал способен поглощать до 30-70% воды (в расчете на сумму сухого вещества), а белковые вещества — до 180-200%. 

 Поскольку нижний уровень энергии хемосорбции равен 125 кДж/моль, некоторые исследователи считают, что в зерне нет химически связанной влаги [2]. Однако, современные исследования форм связи разных продуктов и биологических объектов методом ядерномагнитного резонанса и методом термического анализа свидетельствуют о наличии химически связанной воды в пищевых продуктах, в том числе в зерновых [4-8].

Максимальной равновесной влажности зерно и семена достигают при относительной влажности воздуха 100%. Семена пшеницы увлажняются в этих условиях до 30...34%. Дальнейшее увлажнение зерна возможно только в результате впитывания капельножидкой влаги. Минимальная равновесная влажность зерна 7...10% в производственных условиях устанавливается при относительной влажности воздуха 15...20%. При влажности зерна 13 - 14%, белки приобретают повышенную способность к поглощению воды. Это связано с деформацией белковых макромолекул, раздвижением их боковых ветвей, благодаря чему молекулы воды получают доступ к экранированным ранее активным центрам межмолекулярных промежутков белковых молекул и заполняют их по типу капиллярной конденсации. Оптимальная равновесная влажность зерна пшеницы – 14,3% при температуре 20°С, обеспечивающая качественное длительное хранение, соответствует относительной влажности воздуха 70% (абсолютной влажности 12 г/м³).

Критическая влажность зерна, выше которой появляется слабосвязанная влага и резко возрастает интенсивность дыхания зерна, определяет границы устойчивого его длительного хранения, но критическая влажность зерна не является постоянной величиной. Она значительно увеличивается с понижением температуры, так как от температуры зависит равновесная влажность зерна. По данным И.Я. Бахарева, равновесная влажность пшеницы повышается на 1,4% при снижении температуры с 30 до 0°С, а при постоянной температуре изменяется в зависимости от относительной влажности воздуха. Наибольшее расхождение между изотермами сорбции и десорбции пшеницы наблюдается на участке с относительной влажностью воздуха от 20 до 80%. По данным Г.Б. Пузырина и А.Я. Венгерова, разница в равновесной влажности по изотермам сорбции и десорбции зерна пшеницы достигает
1,2...1,3%.

С учетом изложенной информации была выдвинута гипотеза о наличии в зерне пшеницы внутримолекулярной влаги, которая в процессе хранения может переходить в статус неравновесной, диффундировать к поверхности зерновки и стимулировать нежелательные биохимические реакции и микробиологическую активность [11].

Зерновка демонстрирует зависящие от влаги явления, отражающиеся на её структурной и динамической неоднородности: денатурация белка, изменения состава во время хранения (старения), которые являются репрезентативными процессами.

Для минимизации рисков возникновения и развития неблагоприятных процессов в зерне, сохранения количественнокачественного состава, необходимо обеспечить соблюдение оптимальных условий хранения в зернохранилищах:

• помещения должны быть чистые, сухие, вентилируемые или проветриваемые;
• относительная влажность воздуха не более 80%; 
• температура воздуха не более 25°С;
• защита от солнечных лучей и источников тепла и влаги.

Также необходимо выдерживать установленные сроки хранения, приведённые в таблице. Таблица - Рекомендуемые сроки хранения зерна по ГОСТ

Культура/тип зерна	Продовольственное	Семенное
Яровая пшеница	4-6 лет	7-9 месяцев
Озимая пшеница	4-6 лет	13-14 месяцев
Рожь	3-5 лет	1-2 года
Овёс	10-15 лет	5-10 лет
Ячмень	5-10 лет	5-10 лет
Кукуруза	5-10 лет	3-4 года
Подсолнечник	3-5 лет	3-5 лет
Рапс	3-5 лет	6-8 лет
Горох	10-15 лет	5-6 лет

 
Предлагается снизить негативное воздействие наружной температуры и влаги на зерно, при его размещении на длительное хранение, применением способа температурновлажностного картирования (ТВК) зернохранилищ. 
Температурно-влажностное картирование (ТВК) – процедура измерения и анализа температурного и влажностного профиля зернохранилища, в процессе которой проводится исследование распределения температуры и относительной влажности воздуха по всему объему и выявляются области с аномальными колебаниями температуры и относительной влажности воздуха. Анализ полученных данных позволяет сделать детальную оценку однородности температуры и относительной влажности воздуха, выявить и позиционировать критические точки: холодные (синий цвет) и горячие (красный цвет), аномально высокие и аномально низкие, определить зоны, подверженные риску нарушения ТВР- нестабильные зоны, рисунок 2. 




Рисунок 2 – Визуальное представление результатов температурного картирования склада
ТВК позволяет определить соответствие температуры и относительной влажности воздуха внутри зоны хранения допустимому температурно-влажностному режиму хранения зерна, выявить и минимизировать риски, способные привести к нарушению температурновлажностного режима и порче хранимого зерна.

ТВК проводится в следующих случаях:

• в процессе эксплуатации зернохранилища, в рамках валидационного процесса, чтобы понять, насколько оно удовлетворяет ТВР хранения зерна; 
• в процессе эксплуатации зернохранилища, если вносятся изменения в конструкцию, а именно: меняется расположение транспортного оборудования, системы вентиляции, происходит монтаж/демонтаж ограждающих конструкций и т.д.;
• в процессе внедрения компьютеризированной системы непрерывного мониторинга микроклимата в зернохранилище (если температурно-влажностное картирование не проводилось ранее), в данном случае это позволит оптимизировать размещение стационарных датчиков системы непрерывного мониторинга.

ТВК зернохранилища необходимо проводить 3 раза в год по схеме: зима–весна–лето или лето–осень–зима – когда происходят наиболее сильные изменения температуры и влажности окружающей среды. Продолжительность непрерывного контроля температуры – не менее 3-х суток.

Проведения температурно-влажностного картирования зернохранилищ происходит в четыре этапа.

 1. Предварительный аудит.

На этом этапе осматривается зернохранилище, определяются особенности размещения конструкций для приёмки/выпуска зерна, ворот, дверей, окон, систем вентиляции. Кроме того, производятся замеры геометрии зернохранилища, зон хранения, фиксируется наличие воздушных потоков, а также определяются допустимые показатели температурновлажностного режима для каждого исследуемого участка.

 2. Составление плана размещения датчиков температуры и относительной влажности воздуха (логгеров).

Для температурно-влажностного картирования применяются регистраторы температуры и влажности - логгеры, которые размещаются с учетом транспортнотехнологического оборудования и других конструктивных особенностей зернохранилища (пункт 1), рисунок 3. 



Рисунок 3 – Логгеры Usb-ibutton для проведения картирования
Эти датчики фиксируют параметры микроклимата в течение определенного времени (3-5 суток). Для больших зернохранилищ возможно применять подход выбора расположения логгеров, основанный на рисках, т.е. размещать датчики в потенциально проблемных местах с точки зрения температурно-влажностного воздействия.

 3. Проведение температурно-влажностных замеров.

Перед началом замеров все логгеры синхронизируют свои внутренние часы с эталонным временем через компьютер, который в свою очередь синхронизирован с сервером точного времени. Выбирается интервал измерения данных, рекомендуется равный одной минуте. Такой интервал дает максимально точную картину параметров. Далее, в специальной таблице фиксируется запись о месте установки логгера, его номере.

 4. Анализ данных и создание отчетов.

После окончания проведения замеров все логгеры снимаются, и с них производится считывание данных. Для анализа данных используется программа для работы с электронными таблицами типа MS Excel или LibreOffice Calc и специализированная программа HeatMap Builder. 


Программное обеспечение HeatMap Builder разработано в целях автоматизации обработки данных для дальнейшего составления отчетов по температурно-влажностному картированию. Оно позволяет свести к минимуму временные затраты на оформление отчетных документов и увеличивает точность расчетов. В основу расчетов положены стандартные математические операции, полученные результаты валидируются. 

Основные функциональные возможности программного обеспечения HeatMap Builder:

• − определение минимальных, средних и максимальных температур/относительной влажности, а также максимальных значений их перепадов;
• − построение графиков;
• − определение критических точек;
• − определение рисков выхода параметров за установленные границы;
• − построение на плане зернохранилища графических карт распределения температуры/относительной влажности по уровням (температурно-влажностные карты); − объединение множества исходных файлов в один файл в формате MS Excel.

В процессе обработки данных по температуре и относительной влажности рассчитывается частота изменения, минимальная, максимальная, средняя и среднекинетическая температура. Аналогичные значения получаются при обработке данных по относительной влажности воздуха.

Среднекинетическая величина подразумевает под собой выражение влияния на зерно температурных и влажностных изменений во время хранения зерна.

По результатам проведенного ТВК, на основании собранных о потенциально проблемных местах данных, с точки зрения температурно-влажностного воздействия, в используемой программе составляется отчет, который включает в себя рекомендации по количеству стационарных датчиков контроля температуры зерна и их расположению.

Заключение.

1. Показана возможность ТВК с высокой точностью определить зоны риска воздействия различных внешних факторов на влагосодержание, структуру и динамическую неоднородность зерновки: денатурацию белка, изменения состава во время хранения.
2. Подтверждена способность ТВК способствовать проведению кластеризации зернохранилищ по приспособленности к длительному хранению.
3. Выявлена возможность использования результатов ТВК для контроля сроков хранения зерна в зависимости от актуальности технического состояния зернохранилища.
4. Предложено на основании полученных расчетов ТВК делать заключение о необходимости проведения профилактических и ремонтных работ, настройки или модернизации технологического оборудования зернохранилища. 

Температурно-влажностное картирование позволит не только рационально разместить в зернохранилищах зерно, с учётом минимизации затрат на поддержание условий количественно-качественной сохранности при длительном хранении, но и способствовать поддержанию парка зернохранилищ в технически исправном состоянии, а также максимальному использования их стойкости к длительному хранению. Это особенно актуально в условиях увеличения объёмов производства зерна на внутреннем рынке и повышении экспортной составляющей агропромышленного комплекса.
 
Литература

1. 1. Угрозов В.В. О математическом описании изотермы сорбции паров воды в зернах различных злаковых культур // В.В. Угрозов, А.Н. Филиппов, Ю.И. Сидоренко. - Журнал физической химии. - 2007. - том 8 - № 3, с. 458-461.
   2. Иванова В.Н., Лукин Н.Д., Привалов В.И., Сидоренко А.Ю., Сидоренко М.Ю., Сидоренко Ю.И., Штерман В.С., Штерман С.В., монография- «Изучение состояния воды в объектах биоорганической природы методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса», Москва, ТД «ДеЛи», (2019), 123 с.
   3. Славянский, А.А. Физико-химические свойства растворов и кристаллов сахарозы /А.А. Славянский, И.В. Глазьева // Сахар. – 2011. - № 1. – С. 12-17. 
   4. Фрэнкс, Ф. Вода, лед и растворы простых молекул /Ф. Фрэнкс Ф. – В кн.: Вода в пищевых продуктах. Под ред. Р.Б. Дакуорта: перевод с английского. – М.: Пищевая промышленность. – 1980. - С. 14-32.
   5. Rahman, A. Hydrogen – Bond Patterns in liquid water /А. Rahman, F. H. Stillinger // J. Am. chem. Soc.. – 1973. - 95 p. 7943.
   6. Сидоренко М.Ю. Персонифицированное питание / М.Ю. Сидоренко. – М.: ДеЛи плюс, 2017. – 192 с. 
   7. Сидоренко     А.Ю., Гернет            М.В.,   Привалов       В.И.    Изучение гидратации гранулированного пивоваренного хмеля методом ЯМР протонов (1Н) и углерода – 13 (13С). – Сборник докладов IV международной конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». Часть III. – М,: Издательский комплекс МГУПП, 2006. – с.102-106.
2. 8. Сапронов, А.Р. Красящие вещества и их влияние на качество сахара  / А. Р. Сапронов,  Р. А. Колчева. - Москва: Пищ. пром-сть,1975. - 347 с. 
3. 9. Воловенко Ю.М., Карцев В.Г., Комаров И.В., Туров А.В., Хиля В.П., книга «Спектроскопия ядерного магнитного резонанса для химиков», Москва, ICSPF, (2011), 704 с.
   10. Сидоренко Ю.И., Белецкий С.Л., Лоозе В.В., Никитин И.А., Сидоренко А.Ю, Оценка содержания внутримолекулярной влаги крахмала пшеницы методом ДСК. // «Основные направления развития технологии глубокой переработки крахмалсодержащего и инулинсодержащего сырья». Сборник трудов Международной научно-практической конференции. 2022. С. 183-188.
   11. СП 60.13330.202 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха»
   12. ГОСТ Р ИСО 14644-5-2005 «Чистые помещения и связанные с ними  контролируемые среды» Часть 5. Эксплуатация.
4. 13. ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».
   14. СП 131.13330.2020 «Строительная климатология».
   15. Сибикин, Ю.Д. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: Учеб. Пособие для сред.проф.образования / Ю.Д. Сибикин. – М.:Издательский центр «Академия», 2004.- 304 с.
5. 16. Электронный ресурс https://www.abok.ru
   17. Электронный ресурс https://heatmap.com
   18. Электронный ресурс https://gigrotermon.ru

---