Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В технологиях производства муки и хлебобулочных изделий

Специальность: 05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

Юсупова Галина Георгиевна

Красноярск 2010

Работа выполнена на кафедре «Системоэнергетика»; в лаборатории «Инновационных технологий в системоэнергетике и защите растений» Красноярского государственного аграрного университета; на кафедре «Процессы и аппараты перерабатывающих производств» Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева

Научный консультант доктор технических наук, профессор Цугленок Николай Васильевич

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Машанов Александр Иннокентьевич

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Едимеичев Юрий Федорович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Кобозева Тамара Петровна

Ведущая организация ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет»

Защита состоится «02» июля 2010 г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 220.037.03 ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «____» ___________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Янова М.А.

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В условиях реформирования сельского хозяйства многие негативные процессы, сложившиеся на начальном его этапе и приведшие к спаду производства продукции растениеводства, сохраняются и в настоящее время. Сократилось количество активных защитных мероприятий, что привело к ухудшению фитосанитарного состояния сельскохозяйственных угодий.

В результате среднегодовые потери зерна составляют 10...30% в зависимости от погодных условий. В то же время используемые в целях защиты растений пестициды способствовали значительному полиморфизму микроорганизмов, расширению их адаптивных свойств и повышению токсикогенного потенциала.

В настоящее время устойчиво сохраняется тенденция к нарастанию численности и распространению большинства возбудителей болезней зерновых культур в послеуборочный период.

Среди возбудителей болезней, вызывающих явные и скрытые потери зерна, наиболее опасны микроскопические грибы и выделяемые ими микотоксины. Последние существенно влияют на безопасность зерна, продуктов его переработки и хлеба.

Наряду с микроскопическими грибами большую опасность для хлебобулочных изделий представляют спорообразующие бактерии рода Bacillus, вызывающие картофельную болезнь хлеба.

Сложившаяся ситуация диктует необходимость более пристального внимания к физическим и биологическим методам воздействия на микрофлору зерна. Кроме того, для отраслей пищевой и перерабатывающей промышленности необходимы такие приемы, которые наряду с эффективным обезвреживанием токсикогенных микроорганизмов обеспечат сохранение должных техно-логических свойств белково-протеиназного и углеводно-амилазного комплексов зерна и продуктов его переработки, улучшат физико-химические показатели продукции и обеспечат микробиологическую безопасность зерновых культур в послеуборочный период на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств.

Потребность в разработке современных технологий привентивного действия привела к необходимости создания эффективных физического (электротермическое воздействие энергией СВЧ-поля) и биологического (использование сухих биоконцентратов) методов обработки.

Разработке новых технологий, способствующих получению качественного зерна, посвящены работы Р.Б. Кондратьева, И.Ф. Бородина, Н.В. Цугленка, Г.И. Цугленок, Л.Г. Прищепа. Значительный вклад в решение проблемы качества и безопасности зерна муки и хлеба внесли В.А.Бутковский, А.П.Берестов, Е.Д.Казаков, Н.П. Козьмина, И.В. Матвеева, Р.Д. Поландова, О.А. Ильина, Л.И. Пучкова, Т.В. Цыганова, Л.Н. Шатнюк, Л.А. Шевелева, Л.С. Львова, Л.А. Трисвятский.

Цель работы. Обеспечить микробиологическую безопасность зерновых культур в технологиях производства муки и хлебобулочных изделий для улучшения их качественных показателей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ информационных источников о фитосанитарном состоянии зерновых культур на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств.

2. Провести систематизацию существующих методов деконтоминации зерновых культур, обеспечивающих микробиологическую безопасность продукции на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств.

3. Разработать систему методов и методики исследования взаимодействия физических и биологических факторов воздействия с биологическими системами и структурами зерновых культур на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств.

4. Экспериментально обосновать систему обеспечения микробио-логической безопасности зерновых культур в послеуборочный период на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств, базирующуюся на использовании физического метода электротермического воздействия энергией СВЧ-поля.

5. Экспериментально обосновать закономерности ответной реакции зерновых культур в послеуборочный период на электротермическое воздействие энергии СВЧ-поля на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств.

6. Разработать сухие бактериальные концентраты на основе кислотообразующих бактерий, экспериментально установить бактерицидные свойства и дозировки, позволяющие обеспечить микробиологическую безопасность зерновых культур на стадии хлебопекарного производства.

Объект исследования. Технологические процессы обеспечения микробиологической безопасности зерновых культур электротермическими и биологическими методами при производстве муки и хлебобулочных изделий.

Предмет исследования. Закономерности взаимодействия параметров СВЧ-энергии и биологических препаратов на процессы обеззараживания и качественные показатели муки и хлебобулочных изделий.

Научная новизна:

- разработаны система превентивных мероприятий, основные принципы обеспечения микробиологической безопасности зерновых культур. Обоснованы области рационального использования метода электротермического воздействия энергией СВЧ-поля и биологических средств, влияющих на состав и численность микрофлоры, снижающих уровень вредоносности микроорганизмов, обеспечивающих микробиологическую безопасность и качество продукции на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств;

- разработаны методы и методики исследования взаимодействия физических и биологических факторов воздействия с биологическими системами и структурами зерновых культур в послеуборочный период, обеспечивающие микробиологическую безопасность на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств;

- установлена взаимосвязь эффективных входных параметров СВЧ-нагрева, соответствующих обеззараживающим режимам электротермического воздействия, с технологическими свойствами зерна, муки и показателями качества хлебобулочной продукции;

- для улучшения технологических свойств зерна и муки определены значимые качественные показатели и потребительские характеристики хлебобулочных изделий и входные параметры электротермического воздействия энергией СВЧ-поля на зерновые культуры и микроорганизмы на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств;

- установлены зависимости, отражающие влияние параметров электротермического воздействия энергией СВЧ-поля на различные группы микроорганизмов зерновых культур на стадии мукомольного производства, выражающееся в снижении численности спорообразующих микроорганизмов бактериальной и грибной этиологии;

- установлены бактерицидные свойства разработанных биоконцентратов (сухие закваски для пшеничного хлеба) на основе пропионовокислых и ацидофильных бактерий, базирующиеся на использовании их биосинтетического потенциала;

- обосновано использование биоконцентратов на основе пропионовокислых и ацидофильных бактерий на стадии тестоприготовления и установлены зависимости их бактерицидных свойств от вносимых доз.

Практическая ценность полученных результатов:

- по результатам исследований разработаны рекомендации по усовершенствованию существующих технологий обеспечения микробиологической стабильности и безопасности зерновых культур на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств; рекомендации приняты к внедрению на зерноперерабатывающих и пищевых предприятиях, в Государственной хлебной инспекции при Правительстве Российской Федерации по Челябинской области;

- разработана, утверждена и широко используется в промышленности нормативная документация, методические материалы по применению сухих биоконцентратов на основе пропионокислых и ацидофильных бактерий;

- разработаны сухие биоконцентраты на основе пропионовокислых и ацидофильных бактерий с бактерицидными свойствами по отношению к возбудителям картофельной болезни хлеба;

- определены концентрации и дозы внесения биоконцентратов и установлена стадия технологического процесса, позволяющие получить обеззараживающий эффект от их применения;

- результаты исследования используют в учебном процессе высших учебных заведений: Российский государственный аграрный университет - Московская сельскохозяйственная академия им. К.А.Тимирязева, Красноярский ГАУ, Челябинский ГАУ, Челябинский государственный университет, Южно-Уральский государственный университет, Российский государственный торгово-экономический университет - при подготовке специалистов: биоэкологов, товароведов-экспертов, технологов по переработке зерна и производству пищевых продуктов, а также научных сотрудников. Часть материалов диссертации опубликована в книге “Методы и математические модели процесса обеззараживания зерна и продуктов его переработки”, допущенной Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов сельскохозяйственных высших учебных заведений.

На защиту выносятся:

- система обеспечения микробиологической безопасности зерновых культур на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств, базирующаяся на использовании метода электротермического воздействия энергией СВЧ-поля и биологических средств, предотвращающих развитие микроорганизмов порчи готовой продукции;

- закономерности ответных реакций биологических объектов на электротермическое воздействие энергией СВЧ-поля и биологических средств;

- области рационального использования метода электротермического воздействия энергией СВЧ-поля и биологических средств, влияющих на состав и численность микрофлоры, снижающих уровень вредоносности микроорганизмов, обеспечивающих микробиологическую безопасность и качество продукции зерновых культур на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств;

- методология исследования основных принципов обеспечения микробиологической безопасности зерновых культур на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств;

- метод электротермического воздействия энергией СВЧ-поля и теоретические положения, полученные на основе анализа регрессионных моделей. Режимы, обеспечивающие микробиологическую стабильность зерновых культур и безопасность продуктов первичной переработки;

- взаимосвязи эффективных входных параметров, соответствующих обеззараживающим режимам электротермического воздействия, с технологическими свойствами зерна и муки и показателями качества хлебобулочной продукции;

- значимые режимы СВЧ-поля для формирования качества муки и хлеба и обеззараживания микроорганизмов и закономерности, отражающие влияние параметров электротермического воздействия энергией СВЧ-поля на различные группы микроорганизмов зерновых культур на стадиях: первичной переработки продукции, товарного и мукомольного производств;

- результаты экспериментальных исследований, подтверждающие бактерицидные свойства разработанных биоконцентратов (сухие закваски для пшеничного хлеба) на основе пропионовокислых и ацидофильных бактерий, базирующиеся на использовании их биосинтетического потенциала;

- зависимости бактерицидных свойств биоконцентратов на основе пропионовокислых и ацидофильных бактерий, используемых на стадии тестоприготовления, от вносимых доз.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на ежегодных научно-технических всероссийских, региональных и международных конференциях, совещаниях и семинарах: НИИ защиты растений (ВИЗР) (г. Ленинград, 1985 г.); ВНИИ ТВЧ (г. Ленинград, 1983-1985 гг.); МИИСП / МГАУ (г. Москва); ЧИМЭСХ / ЧГАУ (г. Челябинск); КСХИ / КрасГАУ (г. Красноярск, 1983-2004 гг.); Российский государственный торгово-экономический университет (г. Челябинск, 2003-2004 гг.); Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск, 2003-2004 гг.); ВИЭСХ (г. Москва, 2003 г.); МГАУ (г. Москва, 2006 г.); МПА (г. Москва, 2007-2009 гг.); ГНУ ВНИИМС Россельхозакадемии (г. Углич, 2008 г.); ГНУ ВНИИМП им. В.М. Горбатова (г. Москва, 2008 г.); МПА - Экспоцентр на Красной Пресне (Москва, 2009 г.); РГАУ - МСХА им К.А. Тимирязева (г. Москва, 2009 г.); ГНУ НИИСХ Юго-Востока (г. Саратов, 2009 г.).

Публикации по теме диссертации: 59 работ, в том числе пять монографий, четыре патента на изобретения, 12 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы, включающего 310 наименований, и приложения. Работа изложена на 302 страницах, содержит 98 рисунков, 54 таблицы.

Содержание работы

зерновой культура микробиологический безопасность

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследований, показана научная новизна, научная концепция и практическая ценность работы, отражены вопросы реализации и апробации полученных результатов, определены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 «Анализ информационных источников по фитосанитарному состоянию зерновых культур в послеуборочный период на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств»

В главе 1 рассмотрено современное состояние проблемы микробиологической безопасности зерновых культур в послеуборочный период, проанализировано фитосанитарное состояние продовольственного и фуражного зерна пшеницы, кукурузы и продуктов их переработки, а также система обеззараживающих методов очистки и подготовки зерна к помолу. Отмечена невозможность разрешения задачи существующими способами.

При хранении в зерне происходит интенсивный обмен веществ. Это приводит к старению и потерям, природа и интенсивность которых зависят от окружающей среды. Причины количественно-качественных потерь состоят в метаболических изменениях в самом зерне и в поражении его микроорганизмами.

Низкое качество зерна усложняет его хранение, переработку и влияет на показатели готовой продукции муки, хлеба. В настоящее время выявлен достаточно широкий перечень заболеваний из числа особо вредоносных, распространение и развитие которых постоянно нарастает. Среди выявленной микрофлоры доминирующими являются микроорганизмы, относящиеся к р.р. Bacillus, Enterobacter, Mikroccocus, Proteus, Pseuodomonas, Sarcina, Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus, Streptococcus и др. микромицеты р.р. Alternaria, Fusarium, Aspergilus, Clodosporium, Trichoderma, Penicillium, а также дрожжи р.р. Candida, Criptococcus, Phodotorula и др.

Зерно, поступающее на элеватор перед закладкой на хранение, подвергают очистке и сушке. При очистке помольных партий зерна применяют сухой и влажный методы. Зерно имеет высокую степень зараженности сапрофитной и фитопатогенной микрофлорой. Как правило, присутствуют бактерии родов Pseudomonas и Bacillus, дрожжи, грибы гельминтоспориозно-альтернариозно-фузариозного комплекса и плесени хранения. В процессе сушки и очистки зерна на элеваторе степень его поверхностной зараженности снижается незначительно. Общее микробное загрязнение зерна, направляемого на хранение, составляет 5•10⁶…1•10⁹ КОЕ/г. В процессе хранения происходит смена состава микроорганизмов. Большая часть эпифитных и фитопатогенных полевых микроорганизмов отмирает, и зерно заселяют возбудители плесени хранения - микроскопические грибы.

Особую опасность грибная инфекция причиняет человеческому организму. Микологические инфекции по сравнению с бактериальными и вирусными становятся более агрессивными, многие виды микроскопических грибов вызывают микозы, аллергические заболевания, микотоксикозы у человека.

При плесневении в зерне нарушается соотношение полезных веществ, снижаются качество муки и пищевая ценность хлеба. Мицелиальная пыль, попадая в муку и хлеб, приводит к изменению их традиционных запаха, вкуса и цвета, ухудшению потребительских характеристик и сенсорных показателей.

Наблюдается рост обсемененности зерна спорообразующими бактериями, которые вызывают картофельную болезнь хлеба.

Исключительная термоустойчивость их спор приводит к тому, что они сохраняют жизнеспособность в процессе выпечки хлеба, при развитии картофельной болезни под влиянием амилолитических и протеолитических ферментов бактерий образуются продукты распада белков и углеводов, придающие хлебу резкий специфический запах. Такой хлеб непригоден в пищу и на корм животным. Бактерии рода Bacillus могут вызывать у человека целый ряд заболеваний: артрит, эндокардит, перитонит, менингит.

Глава 2 «Методы и средства обеспечения микробиологической безопасности зерновых культур в послеуборочный период на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств».

Для обеззараживания зерновых культур в послеуборочный период на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств применяют различные методы. Систематизация практики применения этих методов позволяет выделить четыре этапа: обработка при селекции, выращивании культур и уборке урожая; при закладке зерна на хранение; в технологическом процессе его переработки; обеззараживание продуктов переработки зерна и хлеба.

С целью обезвреживания микроорганизмов зерновых культур в послеуборочный период на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств используют химические (окислители, фумиганты, инактиваторы ферментов и микотоксинов), физические (термические и лучевые) и биологические (микробиологические) методы.

Наиболее широко распространено применение химических веществ. Однако использование химических препаратов небезопасно для здоровья человека, поэтому необходим строгий санитарно-гигиенический контроль продукции растениеводства. Кроме того, малейшие отклонения от технологии их применения могут привести к значительному снижению эффективности обеззараживания. Наконец, есть целый ряд болезней зерна, по отношению к которым химический метод не может обеспечить достижения надлежащих результатов. Это относится прежде всего к ржавчинным и фузариозным болезням зерновых культур.

Инновационным способом борьбы с микроорганизмами является метод электротермического воздействия энергией СВЧ-поля. Это комбинированный метод, в котором сочетается воздействие двух полей - электромагнитного и теплового. Данный метод безопасен и технологичен. Явления, наблюдаемые при воздействии СВЧ-энергии на живые ткани, имеют в основном тепловой характер.

Электротермический метод СВЧ-воздействия обладает следующими преимуществами по сравнению с обычным температурным нагревом:

1) тепловая безинерционность; 2) высокий КПД преобразования электрической энергии в тепловую (90%); 3) возможность избирательного, равномерного, быстрого нагрева; 4) экологическая чистота нагрева; 5) фунгицидное и бактерицидное действие. Эти особенности позволяют отнести метод к новому виду энергосберегающей электротехнологии.

Электротермическую обработку энергией СВЧ-поля целесообразно совмещать с общепринятыми в технологии методами на стадии стабилизации влажности по нескольким причинам: 1) зерно уже очищено от большинства примесей (пыли, сечки, дробленого зерна), что благоприятно повлияет на эффективность обеззараживания; 2) зерно полностью обработано водой и находится в стадии стабилизации и отволаживания, имея благоприятную для данного вида обработки влажность 15,5…16,5%; 3) возможность совмещения процессов отволаживания и электротермической обработки зерна энергией СВЧ-поля; 4) предприятию не требуется значительных дополнительных материальных затрат на переоборудование технологической линии.

Анализ имеющихся данных показал целесообразность использования электротермического воздействия энергией СВЧ-поля для обеззараживания зерна, прошедшего этапы первичной и вторичной очистки, гидротермической обработки и находящегося на стадии стабилизации влажности. Использование методов электротермического обезвреживания микроорганизмов должно войти в разрабатываемую комплексную систему подготовки продовольственного и фуражного зерна к переработке.

Для обезвреживания грибов рода Fusarium электротермическую обработку энергией СВЧ-поля необходимо проводить при приеме зерновых партий в элеватор, в процессе сушки, перед закладкой на хранение, так как при благоприятных условиях эти грибы проявляют фитопатогенные и токсикогенные свойства.

Эффективными и практически реализуемыми являются биологические средства, используемые на стадии хлебопекарного производства для предотвращения плесневения и развития картофельной болезни хлеба. К ним относятся закваски различной влажности и сухие биоконцентраты на основе молочнокислых и пропионовокислых бактерий. Сухие биоконцентраты позволяют предотвратить развитие картофельной болезни хлеба до 120 часов хранения в провокационных условиях и улучшают органолептические показатели и качество хлебобулочных изделий за счет синтеза структурных элементов или продуктов обмена веществ микроорганизмов, полученных в процессе брожения.

С целью обеспечения микробиологической безопасности хлебобулочных изделий разработаны новые виды биоконцентратов (заквасок) с улучшенными биотехнологическими свойствами, высокой антагонистической активностью и пониженными значениями pH, а также технологии применения этих полуфабрикатов. Биоконцентраты на основе молочнокислых (ацидофильных) и пропионовокислых бактерий являются средством для повышения технологических, протекторных, эссенциональных и потребительских свойств хлебобулочных изделий.

Глава 3 «Методы и методики исследования системы обеспечения микробиологической безопасности зерновых культур в послеуборочный период на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств» посвящена разработке структурной схемы исследований системы обеззараживания зерна, продуктов его переработки и хлеба, состоящей из трех подсистем (рис. 1). Подсистема 1: Анализ исходной информации о зараженности зерна микроорганизмами и его биологической ценности и о разработке системных методов обеззараживания зерна. На этом этапе разрабатываются методики исследования и активного планирования эксперимента.

Подсистема 2: Проведение экспериментов, статистической обработки экспериментальных данных и получение математических моделей обеззараживания зерна и продуктов его переработки от микроорганизмов, относящихся к разным систематическим группам, установление режимных параметров обработки, исследование влияния обеззараживания при режимных параметрах на биохимический состав и качественные показатели, микробиологическую безопасность зерновых культур на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств.

Подсистема 3: Проведение экономических расчетов и разработка практических рекомендаций.

Специфика сельскохозяйственной науки требует проведения экспериментов в производственных условиях. На результаты исследований влияют различные неуправляемые факторы. С увеличением их числа увеличивается разброс результатов и погрешность, не связанная с условиями эксперимента. В лабораторно-производственных условиях исследовали реакции зерна, продуктов его переработки и хлеба, а также содержащихся в них микроорганизмов на параметры воздействия различных средств метода электротермической обработки. Использовали методику активного планирования эксперимента; за основу был выбран план Кона n2-1. Схема стандартного опыта состояла из девяти вариантов и одного контроля в 3…5- кратной повторности. Входные параметры СВЧ-обработки: экспозиция 30… 90 с, скорость нагрева 0,4…0,8 0С/с. Основным критерием обеззараживания является температура нагрева зерна и продуктов его переработки, ее минимальное значение зависит от значений температуры окружающей среды, а максимальное ограничивается технологическими показателями, которые зависимы от температуры. Значение температуры нагрева зерна находится в прямой зависимости от скорости нагрева и экспозиции.

На основе системного подхода разработана методика комплексных исследований, экологических и энерготехнологических параметров, концентрации биологических средств и показателей обеззараживания зерновых культур в послеуборочный период на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств.

Рис. 1 Структурная схема исследований

Лабораторные и производственные исследования проводились в лаборатории ОАО «Комбинат хлебопродуктов им. Григоровича», лабораториях ГНУ ГОСНИИХП Россельхозакадемии, в лаборатории инновационных технологий в системоэнергетике и защите растений ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», на кафедре «Процессы и аппараты перерабатывающих производств» ФГОУ ВПО «РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева». Для дисперсионного и регрессионного анализов использованы электронные таблицы EXCEL. При помощи компьютерных программ построены адекватные и эффективные модели обезвреживания споровой бактериальной и грибной инфекции при электротермическом воздействии энергии СВЧ-поля.

Полученные модели позволили провести первичную обработку экспериментальных данных, характеризующих технологический процесс с использованием СВЧ-обработки зерна и биологических средств и их обеззараживающий эффект; прогнозировать качество готовой продукции (муки, хлеба) в зависимости от требований к качеству, предъявляемых потребителем; оценить показатели эффективности обеззараживания электрофизическим методом и биологическими средствами по экспериментальным данным и сравнить их; выявить эффективные параметры и концентрации обеззараживания, улучшающие при этом технологические свойства зерна, продуктов его переработки и качества хлеба.

Полученные уравнения регрессии позволяют определить степень влияния факторов воздействия на количественно-качественные характеристики процессов, происходящих в объектах при электротермическом воздействии. Адекватность оценивали по ч² критерию. Уравнения регрессий отражены в виде графических зависимостей.

Микробиологические и физико-химические исследования проводили по стандартным методикам с использованием приборов фирм: Brabender (AMILOGRAF - Е, FARINOGRAF - Е с портом USB) и CHOPIN (Альвеограф и REOFERMENTOMETRE F3) в соответствии с ГОСТ Р 51404-99 (ИСО 5530-1-97) “Мука пшеничная. Физические свойства теста. Определение водопоглощения и реологических свойств с применением фаринографа”; ГОСТ Р 51415-99 (ИСО 5530-4-91) “Мука пшеничная. Физические свойства теста. Определение реологических свойств с применением альвеографа”.

В главе 4 «Обеспечение микробиологической безопасности зерновых культур в послеуборочный период на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств электротермическим воздействием энергией СВЧ-поля» приведены основные результаты исследований метода электротермического воздействия энергии СВЧ-поля на зерно пшеницы, кукурузы и продуктов их переработки.

Целью первого этапа исследований явилось установление степени зараженности и состава развивающихся на зерне грибов и наиболее благоприятной стадии технологического процесса подготовки зерна к помолу для его деконтаминации методом электротермического воздействия энергией СВЧ-поля. В ходе эксперимента на всех этапах подготовки зерна к помолу в технологической цепи отбирались образцы в количестве по 135 шт. из каждой помольной партии на протяжении 2000 - 2004 гг. работы мельницы. Усредненные и объединенные данные приведены в таблице 1.

Установлено, что существующая технологическая система подготовки зерна к помолу не снижает зараженность зерна и продуктов его переработки. В результате контаминация микроорганизмами превышает безопасные нормы.

Таблица 1

Обеззараживание зерна энергией СВЧ-поля

Стадия технологического производственного процесса	Общее микробное число, 1?109 КОЕ/г	Споровые бактерии, 1?105 КОЕ/г	Плесневые грибы, 1?105 КОЕ/г
	До обработки СВЧ	После обработки СВЧ	До обработки СВЧ	После обработки СВЧ	До обработки СВЧ	После обработки СВЧ
Перемешивание	56,3	56,1	47	47	69	69
Выделение металломагнитной примеси	57,0	56,0	46	45	69	69
Подогревание до 15С	66,0	56,0	46	45	53	53
Ситовоздушный сепаратор	63,0	56,0	45	45	49	48
Камнеотделительная машина	50,0	56,0	45	45	49	48
Триеры-куколеотборники	49,3	55,3	44	44	48	48
Триеры-овсюгоотборники	45,1	55,3	44	44	48	48
Очистка поверхности зерна	45,0	49,0	42	42	47	47
ГТО	57,3	0,0	49	0	51	0
Отволаживание 20-30 мин	69,0	0,0	51	0	58	0

Показано, что электротермическое воздействие энергией СВЧ-поля целесообразно совмещать с процессом отволаживания в бункере перед подачей зерна на первую драную систему, поскольку зерно на этом этапе прошло все стадии очистки, в том числе обработку водой, и имеет влажность 15,5…16,5 %, что важно с точки зрения предлагаемой технологии обеззараживания.

Однако в случае обсемененности зерна грибами рода Fusarium, для предотвращения их развития в период хранения, обработку инфицированного зерна следует проводить ранее - на стадии поступления его на элеватор, поскольку в процессе обработки зерна перед помолом происходит значительное нарастание их численности с одновременным накоплением в зерне микотоксинов.

Следующим этапом работы было исследование влияния электротермического воздействия энергией СВЧ-поля на микроорганизмы зерна и продуктов его переработки, относящиеся к разным систематическим группам.

В помольных партиях зерна преобладающее распространение имеют гельминтоспориозно-альтернариозно-фузариозные инфекции. Анализ 93 образцов, отобранных от различных помольных партий, показывает, что зерно повсеместно заражено грибами родов Fusarium - 54, Alternaria - 89, Bipolaris - 85, Stachybotrys - 17, Trichotecium Aspergillus - 43, Penicillium - 67, Mucor - 79, а также спорообразующими бактериями р. Bacillus - 93 обр.

Грибы рода Fusarium, как правило, вызывают экзогенную инфекцию зерна, которая не обезвреживается в стандартном технологическом процессе обработки зерна перед помолом. Это потребовало проведения исследований влияния воздействия энергией СВЧ-поля на виды грибов указанного рода. Для исследования были выбраны зерно пшеницы, отруби и комбикорма с зараженностью 2%, 9%, 100% и зерно, зимовавшее в поле (100%-я естественная зараженность). Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2

Влияние СВЧ-энергии на зараженность зерна пшеницы и продуктов его переработки возбудителями рода Fusarium

Номер варианта	Режимы	Температура t, оС	Зараженность
	Экспозиция , с (х1)	Скорость нагрева , оС/с (х2)		зерна	отрубей	муки 1с.	муки в/с
				шт.	1?102 КОЕ/г
1	90	0,8	80	0	0	0	0
2	90	0,4	60	10	10	7	3
3	30	0,8	45	21	22	10	5
4	30	0,4	30	47	22	11	10
5	60	0,8	70	0	0	0	0
6	60	0,4	50	24	17	8	7
7	90	0,6	68	1	0	0	0
8	30	0,6	48	20	18	9	6
9	60	0,6	65	1	0	0	0
10	Контроль	50	21	12	8

Анализ полученных результатов позволил установить эффективные режимы, освобождающие помольные партии зерна от фузариозной инфекции: влажность зерна 15,5…16,5%; экспозиция ф=60…90 с; скорость нагрева =0,6…0,8^оС/с; температура нагрева зерна 60…85^оС. При нагреве зерна до 45…50^оС его зараженность снижалась в 2-2,5 раза.

По результатам исследований и данным регрессионного и дисперсионного анализов получено уравнение (1), с помощью которого установлена взаимосвязь режимных параметров с зараженностью пшеницы возбудителем рода Fusarium.

y₁= 11,8 + 7,3 x₁² + 13,3 x₂² - 26,7 x₁ - 22,7 x₂ + 18 x₁. x₂,

где х₁ - экспозиция; х₂ - скорость нагрева; y₁ - зараженность пшеницы возбудителем рода Fusarium

Полученное уравнение позволило рассчитать эффективные режимы обработки зерна энергией СВЧ-поля.

Результаты исследования отрубей и муки аналогичны результатам по зерну. Отруби, свободные от фузариозной инфекции, можно использовать в технологиях приготовления хлеба, хлебобулочных изделий, а также направлять для изготовления комбикорма, для лечебных и профилактических целей после дополнительных исследований на содержание микотоксинов.

Аналогичные результаты были получены при исследовании пяти образцов зерна, перезимовавшего в поле. Образцы были доставлены из районов Челябинской области, Северного Казахстана и Башкортостана. Все они имели идентичную микрофлору, представленную двумя группами грибов: сапрофитными и рода Fusarium. Зерно имело естественную влажность 16…17%. После СВЧ-обработки при нагреве до температуры t=60…65^оС инфицированность зерна снижалась до 5…6% от исходной, а при температуре нагрева t=75…80^оС - до нуля.

Исследовано также влияние обработки энергией СВЧ-поля на грибы рода Fusarium в зерне кукурузы, крупе кукурузной крупной, мелкой и побочном продукте переработки кукурузы. По результатам исследований получено уравнение взаимосвязи основных режимных параметров и зараженности зерна, которое имеет вид:

y₂ = 21,4 - 7,7x₁ - 14,7x₂ + 7,3x₂²

где х₁ - экспозиция; х₂ - скорость нагрева; y₂ - зараженность зерна кукурузы возбудителями рода Fusarium.

По данным эксперимента построена поверхность отклика (рис.2).

При анализе полученных результатов сделан вывод, что область эффективных режимов обеззараживания находится в пределах: экспозиция = 60…90 с; скорость нагрева = 0,55…0,8^оС/с. Температура нагрева зерна при соответствующих режимах варьирует от 60 до 85^оС. Неэффективной является обработка при экспозиции ф=30…60 с на всех уровнях мощности.

Рис. 2 Влияние скорости нагрева СВЧ-энергией на зараженность зерна пшеницы возбудителями рода Fusarium

Исследовали влияние СВЧ-энергии на грибы рода Alternaria, находящиеся в зерне пшеницы и продуктах его переработки - муке и отрубях. В опыте использовали отобранные из помольной партии зерновки, имеющие «черный зародыш». Образцы зерна обработали энергией СВЧ-поля по выбранной схеме. При сочетании факторов - экспозиция и мощность - лимитирующим фактором являлась температура нагрева зерна, при которой не нарушались его технологические свойства. Результаты эксперимента представлены на рисунке 3, из которого видно, что при максимальной экспозиции обезвреживание грибов рода Alternaria наблюдалось при скорости нагрева 0,65 ^оС/с. После проведения регрессионного и дисперсионного анализа было получено уравнение:

y₃ = 51,8 - 2,7x₁ -31x₂ - 0,4x₁² + 4,3x₂²

где х₁ - экспозиция; х₂ - скорость нагрева; y₃ - зараженность зерна пшеницы возбудителями рода Alternaria.

Параллельно были проведены исследования по обеззараживанию отрубей и муки. Эффективными режимами являлись: экспозиция 60…90 с и скорость нагрева 0,6…0,8 ^оС/с.

Наряду с грибами альтернариозно-фузариозного комплекса широкое распространение в зерне и продуктах его переработки имеют так называемые плесени хранения: грибы родов Aspergillus, Peniсillium, Mucor, Rhizopus. Споры и мицелий этих грибов находятся как на поверхности, так и под оболочками зерна. В результате стандартной обработки инфицированность зерна снижается незначительно, поэтому целесообразно использование метода электро-термического воздействия энергией СВЧ-поля в технологическом процессе.

Опыт проводили с партиями зерна, прошедшего полную очистку и подготовку к помолу. Изучали воздействие обработки энергией СВЧ-поля на контаминацию зерна грибами рода Aspergillus.

По полученным в результате исследований данным найдено уравнение регрессии (4) и построены графические зависимости (рис.4).

y₄ = 26,7 - 21,2x₁ - 20,2x₂ + 10,5x₂² + 17,5x₁x₂

где х₁ - экспозиция, х₂ - скорость нагрева, y₄ - зараженность зерна пшеницы возбудителями рода Aspergillus.

По результатам расчетов выявлены эффективные режимы, которые соответствуют значениям: экспозиция = 60…90 с; скорость нагрева = 0.6…0.8^оС/с. Зараженность муки грибами рода Aspergillus при соблюдении таких режимов сводится к нулю или снижается до безопасных пределов.

Исследованы также продукты переработки зерна пшеницы.

При обследовании муки, полученной из обработанных по схеме опыта образцов зерна пшеницы, установлены эффективные режимные параметры: экспозиция = 60…90 с; скорость нагрева = 0,6…0,8^оС/с.

Зараженность отрубей по сравнению с мукой была значительно выше. Но обработка энергией СВЧ-поля при режимах, обеспечивающих нагрев до температуры от 60 до 80^оС (ф=60…90 с, скорость нагрева 0,6…0,8^оС/с,), приводила к снижению зараженности отрубей грибами рода Аspergillus до нуля. При последующем хранении обработанных при указанных режимах образцов в течение месяца видимый рост мицелия грибов рода Аspergillus не отмечался.

Также были проведены опыты с партией зерна кукурузы, перерабатываемой на крупяные цели. Степень заражения зерна грибами рода Аspergillus была высокой, достигая 100%.

Образцы зерна размалывали и делили по фракциям: крупа мелкая, крупа крупная и побочный продукт. Наибольшую зараженность имел побочный продукт переработки зерна кукурузы, который используется при производстве комбикормов.

Во всех трех фракциях были получены близкие по значениям результаты. Эффективные значения температуры находятся в диапазоне t = 62…85^оС, скорости нагрева = 0,6…0,8^оС/с, экспозиции ф = 60…90 с. Обработанная при таких режимах продукция хранилась без отрицательных последствий в течение трех месяцев.



Рис. 3 Влияние скорости нагрева СВЧ-энергией на зараженность зерна пшеницы возбудителями рода Alternaria

Рис. 4 Влияние экспозиции СВЧ-энергии на зараженность зерна пшеницы возбудителями рода Aspergillus

Были проведены исследования влияния обработки энергией СВЧ-поля на зараженность зерна грибами рода Peniсillium. Результаты представлены в таблице 3.

Область эффективного режима находилась в интервале значений: время обработки ф=60…90 с; скорость нагрева = 0,6…0,8^оС/с. Зерновка при этом не претерпевала значительных изменений по качественным показателям. При нагреве до 85^оС зараженность снижалась до нуля (вариант 1), а при температуре нагрева 33 и 45^оС (варианты 4 и 8) происходило, напротив, увеличение зараженности.

По результатам опыта получено уравнение регрессии:

y₅ = 13,8 - 21,7x₁ -33,3x₂ + 28x₁²

где х₁ - экспозиция; х₂ - скорость нагрева; y₅ - зараженность зерна кукурузы возбудителями рода Penicillium.

Сделан вывод, что максимум деконтаминации достигается при экспозиции 60…90 с и скорости нагрева = 0,55…0,8^оС/с.

Споры грибов рода Mucor и Rhizopus выдерживают высокую температуру, поэтому стандартная очистка при невысоких температурах не вызывает обеззараживания. Режимы СВЧ-обеззараживания, рассмотренные ранее и эффективные для перечисленных выше грибов, в случае грибов родов Rhisopus и Mucor не вызывают их обезвреживания, а являются, напротив, стимулирующими для прорастания спор. Поэтому было проведено исследование с целью выявления эффективных режимов для грибов этой группы (табл.4).

Таблица 3

Влияние СВЧ-энергии на зараженность зерна пшеницы и продуктов его переработки возбудителями рода Peniсillium

Номер варианта	Экспозиция ф, с	Скорость нагрева , оС/с	Температура нагрева зерна t, 0С	Зараженность
				зерна, штук	зерна, КОЕ/г	муки 1-го сорта, КОЕ/г	отрубей, КОЕ/г
1	90	0,8	85	0	0	0	0
2	90	0,4	70	2	300	20	600
3	30	0,8	57	3	600	40	900
4	30	0,4	33	10	1000	90	1600
5	90	0,4	78	0	100	10	100
6	30	0,4	50	6	600	70	800
7	60	0,8	76	0	100	10	100
8	60	0,4	45	5	1100	90	1600
9	60	0,6	60	0	200	10	300
10	Контроль	18	900	7	1500

Обнаружено, что при обработке энергией СВЧ-поля с режимом: экспозиция 4…6 мин, скорость нагрева 0,24…0,4 ^оС/с - зараженность зерна грибами рода Mucor снижалась до нуля. Хранение обработанного при таких режимах зерна в течение 16 суток не приводило к нарастанию численности грибов.

Для продуктов переработки зерна, и главным образом для хлеба, большую опасность представляют сапрофитные спорообразующие бактерии рода Bacillus, вызывающие картофельную болезнь хлеба.

Таблица 4

Влияние СВЧ-энергии на грибы рода Mucor зерна пшеницы

Номер варианта	Экспозиция ф, мин	Скорость нагрева , оС/с	Температура t, 0С	Зараженные зерна, шт.
1	6	0,4	85	0
2	2	0,4	67	0
3	6	0,133	57	сливной рост
4	2	0,133	40	сливной рост
5	6	0,24	70	0
6	2	0,24	50	сливной рост
7	4	0,4	75	0
8	4	0,133	51	сливной рост
9	4	0,24	65	0
10	Контроль	сливной рост

С целью изучения влияния СВЧ-энергии на споры бактерий рода Bacillus исследовали продукцию, являющуюся сырьем при изготовлении хлеба и хлебобулочных изделий: зерно пшеницы; муку пшеничную первого сорта и отруби пшеничные, имевшие различную степень зараженности спорами бактерий рода Bacillus (табл.5).

Зараженность снижается до безопасных значений при температуре нагрева 80..85 ^оС. Остальные режимы не эффективны в борьбе с возбудителями картофельной болезни хлеба. Область значений параметров эффективных режимов: экспозиция ф= 75…85 с, скорость нагрева = 0,6…0,8^оС/с.

Таблица 5

Влияние СВЧ-энергии на зараженность зерна пшеницы и продуктов его переработки спорами возбудителя рода Bacillus

Номер варианта	Экспозиция ф, с	Скорость нагрева , оС/с	Температура нагрева зерна t, 0С	Зараженность зерна пшеницы, КОЕ/г
				зерна	муки 1 сорта	отрубей
1	90	0,8	85	0	0	0
2	90	0,4	70	118	100	200
3	30	0,8	57	720	600	800
4	30	0,40	33	960	700	1200
5	60	0,8	80	50	0	100
6	60	0,40	50	230	180	400
7	90	0,6	78	200	100	320
8	30	0,6	45	1100	900	1400
9	60	0,6	60	300	150	400
10	Контроль	1450	920	1600

В результате дисперсионного и регрессионного анализов получено уравнение регрессии:

y₆ = 3,2 - 0,9x₁ - 4,1x₂ - 1,9x₁² + 3,2x₂²

где х₁ - экспозиция; х₂ - скорость нагрева; y₆ - зараженность зерна пшеницы спорообразующими бактериями рода Bacillus.

С целью выявления эффективности обеззараживания продуктов переработки зерна изучили образцы пшеничной муки. Обнаружено, что обработка муки влажностью 12…13% не эффективна при высокой зараженности спорами бактерий (более 1000 КОЕ/г), так как отмечаемое при данных режимах обработки снижение зараженности в 2…5 раз не позволяет достичь уровня, считающегося безопасным (200 КОЕ/г).

Лучший эффект обеззараживания отмечается при обработке зерна, поскольку его влажность составляет 15…16%, что позволяет методу обеззараживания энергией СВЧ-поля продемонстрировать свою эффективность.

В последние годы при разработке новых сортов хлеба и хлебобулочных изделий с целью обогащения их микро- и макронутриентами, а также другими полезными веществами, используют муку грубого помола и муку второго сорта, дробленое зерно, отруби, крупу кукурузы, кукурузную муку и др. Это сырье по результатам микробиологических исследований имеет более высокую зараженность микроорганизмами, и в том числе спорами Bacillus subtillis, по сравнению с мукой высшего и первого сортов. Поэтому оно нуждается в дополнительном обеззараживании.

В результате исследования выявлены обезвреживающие режимы: экспозиция = 60…90 с, скорость нагрева = 0,8^оС/с. При экспозиции =60 с и скорости нагрева = 0,6^оС/с наблюдали снижение зараженности в 4 раза. Хлеб, выпеченный из обработанной муки в провокационных условиях (температура 37^оС, влажность 100%), не обнаруживал признаков картофельной болезни в течение 120 ч.

Исследовали воздействие энергии СВЧ-поля на продукты переработки кукурузы: зерно кукурузы, мука, крупа. Обнаружено, что в наибольшей степени от спор бактерий под воздействием СВЧ-энергии освобождалось зерно кукурузы, поскольку оно имело оптимальную влажность 15…17%. Эффективная температура обработки находится в пределах 70…85⁰С. Эта температура обеспечивается следующими режимными параметрами: экспозиция =60…90 с, скорость нагрева = 0,4…0,6^оС/с. Несколько ниже была эффективность обезвреживания кукурузной муки и крупы, что объясняется их невысокой влажностью (13…14%). Оптимальное сочетание режимных параметров: = 60…90, = 0,4…0,8^оС/с, температура нагрева 65…85⁰С, влажность 15…17%.

В эксперименте исследовалось влияние электротермического воздействия на технологические свойства основного сырья и на развитие возбудителей картофельной болезни хлеба при проведении пробной лабораторной выпечки.

Для опыта были подобраны образцы муки, зараженные спорами бактерий рода Bacillus, с численностью возбудителей 3·10³; 2·10⁴ КОЕ/г. Образцы муки обрабатывали энергией СВЧ-поля при соответствующих режимах. Выпеченный хлеб исследовали на зараженность картофельной болезнью (термостатирование при температуре 37єС при 100%-й влажности).

Обнаружено, что через 18 ч признаки картофельной болезни имеются у хлеба в контрольном варианте и у хлеба, выпеченного из муки, подвергшейся нагреву до 45 ^оС. В остальных вариантах опыта заболевание не проявилось. Через 24 часа заболевшими оказались образцы, выпеченные из муки, подвергшейся нагреву до 60^оС, остальные образцы не имели признаков заболевания в течение 120 часов термостатирования.

В муку внесена суспензия спор Bacillus subtillis. После чего проведена обработка энергией СВЧ-поля по схеме опыта (табл. 6).

В результате электротермического воздействия энергией СВЧ-поля на споры B.subtillis выявлено относительное обеззараживание при температуре нагрева 78 - 85 °С и режимах ф - 90; = 0,6…0,8 °С/с; хлеб, выпеченный из этой муки, оставался без признаков заболевания в течение 124 ч. Обработка при температуре 60…70 °С в режимах ф = 60…90 с; = 0,6…0,8 °С/с сводит инфекцию до безопасных пределов, хлеб в провокационных условиях оставался без признаков картофельной болезни.

Режимы обработки ф = 30…60 с; = 0,4…0,6 °С/с и обеспечивающие температуру 50…60 °С существенно снижают (до 44,4% относительно контроля) жизнеспособность спор и вегетативных клеток, при этом хлеб, находясь в провокационных условиях, оставался без признаков КБХ на протяжении 60…72 ч, что превышает контроль на 2…3 суток.

В то же время в ходе эксперимента доказано активизирующее жизнеспособность спор и вегетативных клеток действие режимов экспозиции 30 с, скорость нагрева = 0,4 и 0,8 °С/с, температура нагрева при этом составляла 33 и 57 °С. Жизнеспособность спор в обоих вариантах оказалась на 10% выше, чем в контроле, что вызвало развитие КБХ через 18 и 24 часа соответственно.

Таблица 6

Влияние электротермического воздействия энергией СВЧ-поля на спорообразование бактерий Bacillus subtillis

№ п/п	Режим	Температура, °С	Споры	Вегетативные клетки + споры	Хлеб в провокационных условиях без признаков КБХ, ч
	ф, с	, °С/с		КОЕ/г	% к контролю	КОЕ/г	% к контролю
1	90	0,8	85	0	0,00	0	0	120
2	90	0,4	70	30	33,3	150	3,0	124
3	30	0,8	57	110	122,2	260	5,2	18
4	30	0,4	33	110	122,2	4300	86	24
5	60	0,8	80	20	22,2	60	1,2	124
6	60	0,4	50	40	44,4	600	12	60
7	90	0,6	78	0	0,0	20	0,40	124
8	30	0,6	45	40	44,4	130	2,6	72
9	60	0,6	60	8	8,9	170	3,4	124
10	контроль	90	100	5000	100	18

В главе 5 «Экспериментальное исследование влияния электротермического воздействия энергией СВЧ-поля на технологические свойства муки» рассмотрены результаты влияния различных режимов обработки энергией СВЧ-поля на физико-химические показатели качества зерна и продуктов его переработки.