Обеспечение микробиологической стабильности и безопасности зерна, продуктов его переработки и хлеба

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обеспечение микробиологической стабильности и безопасности зерна, продуктов его переработки и хлеба

Введение

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 основных регионах производства товарного зерна, наряду с традиционными вредоносными заболеваниями (головневые, корневые гнили, мучнистая роса и др.) усилилось эпифитотийное развитие фузариоза колоса, желтой и бурой ржавчины, септориоза и бактериозов на пшенице, кукурузе и других злаковых культурах. В результате среднегодовые потери зерна составляют (10...30)% в зависимости от погодных условий.

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

Вредоносность болезней зерна, вызванных возбудителями грибной и бактериальной этиологии, проявляется различно в зависимости от их вирулентности, восприимчивости растений и факторов внешней среды.

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, муки и хлеба.

Особую опасность грибная инфекция причиняет человеческому организму. Проблемы медицинской микологии 10…15 лет назад не возникали так остро. В настоящее время микологические инфекции по сравнению с бактериальными и вирусными становятся более агрессивными, многие виды микроскопических грибов вызывают микозы, аллергические заболевания, микотоксикозы у человека.

В последние годы особенно широкое распространение получило плесневение зерна, продуктов его переработки и хлеба, возникающее в результате как первичного, так и вторичного заражения грибами, относящимися к родам: Alternaria, Aspergillus, Mukor, Penicillium и др. При плесневении в зерне увеличивается доля олеиновой кислоты и снижаются доли биологически ценных компонентов, таких как, линолевая и линоленовая жирные кислоты, фосфолипиды, токоферолы, каратиноиды, 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.

Наряду с микроскопическими грибами большую опасность для продуктов переработки зерна представляют спорообразующие бактерии рода Bacillus, вызывающие картофельную болезнь хлеба. Исключительная термоустойчивость их спор приводит к тому, что они сохраняют жизнеспособность в процессе выпечки хлеба, что представляет опасность, так как бактерии рода Bacillus могут вызывать у человека целый ряд заболеваний: артриты, эндокардиты, перитониты, менингиты. 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.

Нарастание численности бактерий рода Bacillus в зерне в виду высокой термостойкости их споровых форм отмечается в последние годы во многих регионах страны и требует срочных мер по выявлению очагов инфекции, разработки системы фитосанитарного мониторинга и мероприятий по предотвращению распространения возбудителей картофельной болезни.

Разработке новых технологий, способствующих получению качественного зерна и безопасной продукции свободной от микробных контаминантов, посвящены работы В.Е. Долгодворова, Р.Б. Кондратьева, В.А. Бутковского, Т.Б. Цыгановой, Р.Д. Поландовой, Т.Г. Богатыревой, А.П. Берестова, Л.Е. Айзикович, Л.Я. Ауэрман, Г.А. Егорова, Е.Д. Казакова, Н.П. Козьминой, В.Л. Кретович, Л.С. Львовой, Л.А. Трисвятского, И.Ф. Мерко, , М.Г. Евреинова, А.С. Гинсбурга, Л.Г. Прищепа, И.Ф. Бородина, Н.В. Цугленка и др.

Специфика оздоровления продовольственного зерна требует изменения приоритетов. Ранее использовались, в основном, химические соединения, получаемые в результате органического синтеза. Эти соединения, несмотря на их высокую активность против фитопатогенного комплекса, продолжительность действия на вредные микроорганизмы, универсальность, избирательность и эффективность, не могут быть использованы в современных условиях, поскольку накапливаются в зерне, муке и хлебе, снижая их безопасность для потребителя. Поэтому 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 обеззараживанием обеспечат сохранение должных технологических свойств белково-протеиназного и углеводно-амилазного комплексов зерна и продуктов его переработки и улучшат физико-химические показатели продукции.

Потребность в разработке современных технологий обеззараживания зерна и продуктов его переработки привела к необходимости создания эффективных физического (электротермическое воздействие энергией СВЧ-поля) и биологического (использование сухих биоконцентратов) методов обработки.

Цель и задачи исследования

Цель диссертационной работы - разработка и обоснование высокоэффективного метода электротермического воздействия энергией СВЧ-поля и биологических средств (сухих биоконцентратов), обеспечивающих микробиологическую стабильность, безопасность, качество, технологические свойства зерна, продуктов его переработки и хлеба.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ имеющихся данных о фитосанитарном состоянии зерна, продуктов его переработки и хлеба, составе микрофлоры, оценить уровень вредоносности микроорганизмов и их влияние на качественные показатели, технологические свойства и микробиологическую безопасность зернового сырья и готовой продукции.

2. Сравнить существующие физические, биологические, химические методы и средства, используемые для обеззараживания зерна, продуктов его переработки и хлеба и обеспечения микробиологической стабильности и безопасности продукции.

3. Обосновать использование метода электротермического воздействия энергией СВЧ-поля для обезвреживания микроорганизмов в технологическом процессе обработки зерна, продуктов его переработки и производства хлеба.

4. Выявить стадию технологического процесса подготовки зерна к помолу, на которой использование метода электротермического воздействия дает максимальный эффект.

5. Определить эффективные режимы электротермического воздействия для разных групп микроорганизмов.

6. Разработать сухие бактериальные концентраты на основе пропионовокислых и ацидофильных бактерий, обладающие антагонистическими свойствами в отношении спорообразующих бактерий рода Bacillus.

7. Установить стадию технологического процесса производства хлеба и дозировки сухих бактериальных концентратов, позволяющие получить максимальный эффект от их применения.

8. Оценить влияние разработанных электротермического и биологического методов воздействия, обеспечивающих микробиологическую стабильность и безопасность зерна, продуктов его переработки и хлеба, на показатели качества и технологические свойства.

Научная новизна:

- Обосновано использование метода электротермического воздействия энергии СВЧ-поля и подтверждены теоретические положения данного метода для обезвреживания микроорганизмов в технологическом процессе обработки зерна, продуктов его переработки и производства хлеба;

- Адаптирована методика активного планирования эксперимента для метода электротермического обезвреживания микрофлоры зерна и продуктов его переработки;

- Определена стадия технологического процесса подготовки зерна к помолу для эффективного применения метода электротермического воздействия;

- Установлены закономерности влияния электротермического воздействия на микроорганизмы зерна, продуктов его переработки и хлеба;

- Установлены закономерности электротермического воздействия на качественные показатели и технологические свойства зерна, продуктов его переработки и хлеба;

- Определена кинетика деформации клейковины зерна и муки пшеницы в зависимости от входных параметров электротермического обезвреживания;

- Установлена динамика и кинетика изменения реологических свойств клейстеризованной водной суспензии из муки (пшеницы и кукурузы), отражающих состояние углеводно-амилазного комплекса в зависимости от входных параметров электротермического обезвреживания;

- Определены эффективные режимы электротермического воздействия энергии СВЧ-поля для обезвреживания различных групп микроорганизмов и разработаны практические рекомендации по применению данного метода;

- Разработаны биоконцентраты (сухие закваски для пшеничного хлеба) на основе пропионовокислых и ацидофильных бактерий;

- Определены антагонистические свойства этих биоконцентратов в отношении бактерий рода Bacillus;

- Установлены стадии технологического процесса производства хлеба и дозировки сухих биоконцентратов, позволяющие получить максимальный эффект от их применения;

- Исследовано влияние биоконцентратов на качественные показатели хлеба.

Практическая ценность полученных результатов:

- По результатам исследования разработаны рекомендации по реконструкции технологических линий очистки и подготовки зерна к помолу с целью его обеззараживания;

- Рекомендации приняты к внедрению на зерноперерабатывающих и пищевых предприятиях, в Государственной хлебной инспекции при Правительстве Российской Федерации по Челябинской области;

- Результаты исследования используют в учебном процессе высших учебных заведений (КрасГАУ, ЧГАУ, ЧелГУ, ЮУРГУ, РГТЭУ) 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:

- Схемы систематизации взаимосвязей, идентификации микроорганизмов и их вредоносности для зерна, продуктов его переработки и хлеба;

- Систематизация методов обеззараживания зерна, продуктов его переработки и хлеба;

- Теоретические основы совершенствования технологического процесса подготовки зерна к помолу за счет использования электротермического воздействия;

- Адаптированная методика активного планирования эксперимента для электротермического воздействия на микроорганизмы зерна и продуктов его переработки;

- Закономерности влияния энергии электротермического воздействия на микроорганизмы зерна, продукты его переработки и хлеба;

- Закономерности электротермического воздействия на качественные показатели и технологические свойства зерна и продуктов его переработки.

- Закономерности влияния биологических средств, обеспечивающих микробиологическую стабильность и безопасность зерна, на показатели качества хлеба.

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); СХИ / 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, 2008 гг.); ГНУ ВНИИМС Россельхозакадемии (г. Углич, 2008 г.); ГНУ ВНИИМП им. В.М. Горбатова (г. Москва, 2008 г.).

Публикации по теме диссертации: 63 работы, 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 290 страницах, содержит 108 рисунков, 46 таблиц.

Содержание работы

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

1. Анализ информационных источников по фитосанитарному состоянию и методам обеззараживания зерна и продуктов его переработки и хлеба

зерно химический технология

Рассмотрено современное состояние проблемы биологической безопасности пищевых продуктов, проанализировано фитосанитарное состояние продовольственного и фуражного зерна пшеницы, кукурузы и продуктов их переработки, также система обеззараживающих методов очистки и подготовки зерна к помолу. Отмечена невозможность разрешения задачи существующими способами.

В последние годы в России, наряду с существенным сокращением объемов производства зерновых культур, обостряется проблема снижения качества продовольственного зерна. Основные причины снижения биохимических, технологических и хлебопекарных свойств зерна, следующие:

1) сокращение в десятки раз объемов работ по защите растений от болезней, вредителей и сорняков;

2) отсутствие условий, необходимых для качественной послеуборочной обработки зерна в хозяйствах, недостаточное использование производственных мощностей элеваторов и хлебоприемных предприятий.

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

Низкое качество зерна усложняет его хранение, переработку и влияет на качество готовой продукции - муки, хлеба. В настоящее время выявлен достаточно широкий перечень заболеваний, из числа особо вредоносных, распространение и развитие которых постоянно нарастает. Особую опасность для зерна и продуктов его переработки представляют гельминтоспориозно-альтернариозно-фузариозные инфекции, головневые заболевания, бактериозы, картофельная болезнь хлеба.

Для обеззараживания зерна и продуктов его переработки применяют различные методы (рис. 1). Систематизация практики применения этих методов позволяет выделить четыре этапа: обработку при селекции, выращивании культур и уборке урожая; при закладке зерна на хранение; в технологическом процессе его переработки; обеззараживание продуктов переработки зерна.

Для обеззараживания зерна и продуктов его переработки используют химические (окислители, фумиганты, инактиваторы ферментов и микотоксинов), физические (термические и лучевые) и биологические (микробиологические) методы.

Наиболее широко распространено в настоящее время 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.

Рис. 1. Систематизация методов обеззараживания зерна и продуктов его переработки

Биологические методы предупреждения заболеваемости хлеба основаны, главным образом, на культивировании живых микроорганизмов непосредственно на хлебопекарном предприятии и потому имеют три общих недостатка: достаточно сложную технологию, длительное время приготовления препаратов (заквасок или жидких дрожжей) и значительные затраты на приобретение дополнительного оборудования и его обслуживание. Кроме того, биологические методы практически непригодны для хлебопекарных предприятий малой мощности, имеющих перерывы в суточном цикле работы.

Одним из новейших физических способов борьбы с микроорганизмами является метод обработки в электромагнитном поле сверхвысокой частоты. 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. В СВЧ-аппаратах имеются генераторы электромагнитных колебаний высоких частот с длиной волны около 12,5 см. Электромагнитные волны по волноводу попадают в резонатор (камеру аппарата), в котором создается электромагнитное поле. В обрабатываемом материале содержится вода, молекулы которой дипольны и, попадая в электромагнитное поле, начинают колебаться, что приводит к увеличению их энергии, а следовательно к нагреву обрабатываемого материала. Кроме того, можно не только нагреть диэлектрический материал по всему объем, но и получить любое заданное распределение температур. Электромагнитная волна теряет на поверхности продукта часть энергии, таким образом, в начале воздействия поверхность обрабатываемого материала разогревается, далее за счет холодного воздуха и вентиляции в камере охлаждается, а внутренние слои оказываются более нагретыми, следовательно, температура в центре оказывается выше чем на периферии.

Влага внутренних слоев объекта перемещается от горячего слоя к охлажденному, что вторично обеспечивает нагрев поверхности. Равномерный прогрев происходит за счет того что, обрабатываемы материал нагревается по всему объему и градиенты температуры, влажности и давления направлены от центра материала к его поверхности. Повышение температуры в обрабатываемом объекте вызывает тепловой шок микроорганизмов и приводит к глобальным изменениям метаболизма грибной и бактериальной клетки, вызывая повреждения мембран, ДНК, денатурация и агрегацию клеточных белков. При повышении температуры индуцируется синтез белков теплового шока, защищающих клетку. В то же время возрастает концентрация активных форм кислорода, токсичных для вегетативных клеток микроорганизмов. Обезвреживание микроорганизмов происходит при удельной мощности 0,09…0,3 кВт/кг при сравнительно невысокой скорости нагрева 0,5…0,8 °С/с в результате денатурации белка, а при увеличении скорости нагрева до 1,2…1,6 °С/с - за счет диэлектрического разрушения клеток живой ткани. 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

2. Теоретическое обоснование системы обеспечения микробиологической безопасности зерна, продуктов его переработки и хлеба

Зерно, поступающее на элеватор перед закладкой на хранение, подвергают очистке и сушке. При очистке помольных партий зерна применяют сухой и влажный методы. Зерно, поступающее на элеватор, имеет высокую степень зараженности сапрофитной и фитопатогенной микрофлорой. Как правило, присутствуют бактерии родов Pseudomonas и Bacillus, дрожжи, грибы гельминтоспориозно-альтернариозно-фузариозного комплекса и плесневые грибы (табл.1). 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•10⁷ КОЕ/г. В процессе хранения происходит смена состава микроорганизмов. Большая часть сапрофитных и патогенных полевых микроорганизмов отмирает, и зерно заселяют так называемые плесени хранения.

В последнее десятилетие наблюдается рост обсемененности зерна спорообразующими бактериями, которые вызывают картофельную болезнь хлеба и увеличение числа партий зерна с «черным зародышем» (возбудители родов Alternaria, Bipolaris), а также зерна, пораженного грибами рода Fusarium.

В зерновой массе преобладают споровые формы бактерий и грибов. Зерно формируемых помольных партий поступает с высокой степенью зараженности. Общее микробное число составляет 5•10⁶…8•10⁸ КОЕ/г. Первичная сухая очистка, которая включает ситовое, аэродинамическое, вибрационно-пневматическое сепарирование, а также сепарирование по длине и ширине зерна незначительно снижает его обсемененность, что происходит за счет удаления пыли больных и травмированных зерен, отличающихся от здоровых по массе и размерам, а также поверхностной микрофлоры здоровых семян.

При вторичной влажной очистке зерна, его промывании часть поверхностных микроорганизмов смывается водой. Однако при взаимодействии с водой происходит также вторичное инфицирование здоровых зерен. Поэтому явного снижения зараженности не наблюдается.

Поступившая зерновая масса на стадию ГТО имеет зараженность 8 *10⁶…1*10⁷. В результате технологического процесса, который длится в течение 8…12 часов, общее микробное число еще более возрастает.

В благоприятных условиях повышенной влажности и температуры микроорганизмы активизируются, а набухшие споры готовятся к прорастанию. В данной ситуации действенными окажутся термические методы с высокой скоростью нагрева, не вызывающие денатурации белка зерна. К таковым методам относится метод электротермического воздействия энергией СВЧ-поля.

Электротермическую обработку энергией СВЧ-поля целесообразно совмещать с общепринятыми в технологии методами на стадии стабилизации влажности по нескольким причинам:

Таблица 1. Мицелиальные грибы - продуценты миотоксинов

Грибы-продуценты токсинов	Микотоксины	Токсическое действие и (или) заболевания человека	Источник информации
Alternaria: А. аlternata	Альтернариол, его монометиловый спирт, тенуазоновая кислота	Аллергенное воздействие Кератомикоз	Монастырский, 1996 г.
Aspergillus: А. flavus, A. parasiticus, A.versicolor, A. clavatus	Афлатоксины В1, В2, G1, G2, М1; стеригматоцистин, триптокуивалин, трипацидин, глиотоксин, циклориозоновая кислота, патулин	Гепатоканцерогенное, гепатотоксическое, мутагенное, тератогенное,нейротоксическое, нефротоксическое, аллергенное, иммунодепрессивное воздействие. Дермо- и бронхомикозы, некроз клеток, цирроз печени, острый гепатит, первичный рак печени, некрозы печени, почек, селезенки	Билай, Мачихина и др. 2007; Fiseher, 1998; Horn, 2002; Klich, Pitt, 1983; Kozakuewich, 1989
Bipolaris: B. spicifera B. hawaiiensis B.dustralicnsis B. sorokiniana	Гельмитоспорин, лонгифолин и другие секвитерлены	Феогифоминоз, синусит, эндокардит, перитонит	Великанов, 1978; Пересыпкин 1979; Семенов 1984; Sivanecan, 1987
Claviceps: C. purpurea C. paspali	Эрготоксины, эргоалкалоиды	Нейротоксическое воздействие, периферическое действие, сок. Кровен. сосудов, гладких мышц Эрготизм	Мачихина и др. 2007
Fusarium: F.gramunearum F.spotrichiods F. poae F. culmorum F. nivale F.verticillioids	Трихотецены, дезоксиниваленон, ниваленон, Т-2 токсин, зеараленон, фузариевая кислота, спорофузариогенин, вомитоксин	Иммунодепрессивное, лейкопеническое, нейтротоксическое, геморрагическое, дерматотоксическое, канцерогенное, тератогенное воздействие Токсическая алейкия, синдром «пьяного хлеба», нарушения функции желудочно-кишечного тракта	Билай, 1970; Богородицкая, 1969; Мачихина и др. 2007; Монастырский, 1996;
Penicillium: P. citrinum P. verrucosum P. expansum	Цитринин, охратоксины, циклопенол, циклопенин, цитровердин, Патулин	Нефротоксическое, гепатотоксическое, тератогенное, канцерогенное, иммунодепрессивное воздействие Поражение печени, почек, центральной нервной системы, сердечно-сосудистой системы	В.И. Билай В.И., 1977; Domschet, 1980; Fiseher, 1998; Pitt, 1998

1) зерно уже очищено от большинства примесей (пыли, сечки, дробленого зерна), что благоприятно повлияет на эффективность обеззараживания;

2) зерно полностью обработано водой (т.е. все поверхностные микроорганизмы смыты) и находится в стадии стабилизации и отволаживания, имея благоприятную для данного вида обработки влажность 15,5…16,5%;

3) можно совместить процессы отволаживания и электротемической обработки зерна СВЧ-полем;

4) предприятию не требуется 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 хранения.

3. Методики исследования системы обеспечения микробиологической стабильности и безопасности зерна, продуктов его переработки и хлеба

Для решения поставленных задач разработана структурная схема комплексных исследований системы обеззараживания зерна, продуктов его переработки и хлеба, состоящая из трех подсистем (рис. 2).

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: 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 биологическую ценность и безопасность пищевой и кормовой продукции.

Подсистема 3: проведение экономических расчетов и разработка практических рекомендаций.

Рис. 2. Структурная схема исследований

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 методов 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 обеззараживанием 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 находятся в прямой зависимости от скорости нагрева и экспозиции.

На основе системного подхода разработана методика комплексных исследований, экологических и энерготехнологических параметров и показателей обеззараживания зерна, продуктов его переработки и хлеба. Лабораторные и производственные исследования проводились в лаборатории ОАО «Комбинат хлебопродуктов им. Григоровича», лабораториях ГНУ ГОСНИИХП Россельхозакадемии, в лаборатории №5 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 в электромагнитном поле СВЧ. Полученные модели позволили провести первичную обработку экспериментальных данных, характеризующих технологический процесс с использованием СВЧ-обработки зерна и других методов, и его обеззараживающий эффект; прогнозировать качество готовой продукции (муки, хлеба) в зависимости от требований к качеству, предъявляемых потребителем; оценить показатели эффективности обеззараживания различными методами по экспериментальным данным и сравнить их; выявить эффективные параметры обеззараживания, улучшающие при этом технологические свойства зерна и продуктов его переработки.

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.

4. Экспериментальные исследования системы обеспечения микробиологической безопасности зерна, продуктов его переработки и хлеба

В этой главе приведены основные результаты исследований электротермического СВЧ-обеззараживания зерна пшеницы, кукурузы и продуктов их переработки.

Целью первого этапа исследований было установление наиболее благоприятной стадии технологического процесса подготовки зерна к помолу для проведения обеззараживания путем обработки СВЧ-полем (табл.2).

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

Показано, что обеззараживание СВЧ-энергией 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 процесс обработки зерна перед помолом происходит значительное нарастание их численности с одновременным накоплением в зерне микотоксинов.

Таблица 2. Обеззараживание зерна в технологическом процессе энергией СВЧ-поля

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.

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 грибы рода Fusarium. Для исследования было выбрано зерно пшеницы, отруби и комбикорма с зараженностью 2 %, 9 %, 100 % и зерно, зимовавшее в поле (100 % зараженность). Результаты приведены в табл.3.

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.

Таблица 3. Влияние СВЧ-энергии на зараженность зерна пшеницы и продуктов его переработки возбудителями рода Fusarium

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.

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 (2):



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

По данным эксперимента построена также поверхность отклика (рис.3).

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^оС до 85^оС. Неэффективной является обработка при экспозиции ф=30…60 с на всех уровнях мощности.

Поражение зерна грибами рода Alternaria имеет свои особенности. Мицелий и споры этих грибов находятся под оболочками, поэтому ни сухая очистка, ни гидротермическая обработка зерна в технологическом процессе не вызывают обезвреживания грибов рода Alternaria. В результате зараженность передается муке, хлебу и другим продуктам, снижая их органолептические показатели.

Исследовали влияние СВЧ-энергии на грибы этого рода, 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 рис.4., 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 (3):



Рис. 3. Влияние скорости нагрева СВЧ-энергией на зараженность зерна кукурузы возбудителями рода Fusarium

Исследовали влияние СВЧ-энергии на грибы этого рода, 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 рис.4., 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 (3):

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 грибов и мицелий этих грибов находятся как на поверхности, так и под оболочками зерна. В результате стандартной обработки инфицированность зерна снижается незначительно, поэтому целесообразно использование энергии СВЧ-поля в технологическом процессе.

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

По полученным в результате исследований данным найдено уравнение регрессии (4) и построены графические зависимости (рис.5).

Рис. 4. Влияние скорости нагрева СВЧ-энергией на зараженность зерна пшеницы возбудителями рода Alternaria



Рис. 5. Влияние экспозиции СВЧ-энергии на зараженность зерна пшеницы возбудителями рода Aspergillus

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 секунд; 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.

Были проведены исследования влияния обработки энергией СВЧ-поля на зараженность зерна грибами рода Peniсillium. Результаты представлены в таблице 4. 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 падала до нуля (вариант 1), а при температуре нагрева 33 и 45^оС (варианты 4 и 8) происходило, напротив, увеличение зараженности

Таблица 4. Влияние СВЧ-энергии на зараженность зерна пшеницы и продуктов его переработки возбудителями рода Peniсillium

По результатам опыта получено уравнение регрессии (5):

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

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

Представители 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 обеззараживания, а являются, напротив, стимулирующими для прорастания спор. Поэтому было проведено исследование с целью выявления эффективных режимов для грибов этой группы (табл.5).

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.

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.6).

Таблица 5. Влияние СВЧ-энергии на зараженность зерна пшеницы грибами рода Mucor

№ варианта	Экспозиция ф, мин	Скорость нагрева , оС/с	Температура t, 0С	Зараженных зерен, 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

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, скорости нагрева = 0,6…0,8^оС/с.

Таблица 6. Влияние СВЧ-энергии на зараженность зерна пшеницы и продуктов его переработки спорами возбудителя рода Bacillus

В результате дисперсионного и регрессионного анализов получено уравнение регрессии (6):

y6 = 3,2 - 0,9x1 - 4,1x2 - 1,9x12 + 3,2x22.	(6)

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, крупа кукурузы, кукурузная мука и др. Это сырье по результатам микробиологических исследований имеет более высокую зараженность микроорганизмами по сравнению с мукой высшего и первого сортов. Поэтому оно нуждается в дополнительном обеззараживании.

В опыте использовали муку второго сорта твердой пшеницы.

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%.

5. Экспериментальное исследование влияния системы обеспечения микробиологической стабильности и безопасности зерна, продуктов его переработки и хлеба на их биологическую ценность

Здесь рассмотрены результаты влияния различных режимов обработки энергией СВЧ-поля на физико-химические показатели качества зерна и продуктов его переработки.

При электротермическом СВЧ-обеззараживании денатурация белка в зависимости от влажности зерна, интенсивности нагрева, температуры, длительности воздействия имеет разную степень выраженности. В зависимости от условий, вызванных воздействием СВЧ-энергии, в зерне можно выделить три стадии качественных изменений клейковины:

I - при сочетании минимальных и средних значений экспозиции (=30…60 с) и скорости нагрева ( = 0,4…0,6^оС/с) наблюдается незначительное повышение температуры (t = 33…45^оС) и первые признаки денатурации, которые проявляются в ослаблении растяжимости клейковины;

II - при повышении температуры до 60^оС (экспозиция =60 с, скорость нагрева = 0,6^оС/с) наблюдается дальнейший процесс денатурации. Клейковина зерна укрепляется и по показателю ИДК зерно переходит из второй группы (удовлетворительное и слабое качество) в первую (хорошее качество клейковины).

III - при нагреве до температуры 75^оС (экспозиция =60…90 с, скорость нагрева = 0,6…0,8^оС/с) происходит дальнейшее укрепление клейковины, она становится крошащейся и часто не отмывается совсем. Хлебопекарные свойства муки, полученной из такого зерна, снижаются.

Регулируя показатель ИДК зерна путем обработки энергией СВЧ-поля, можно вырабатывать муку с определенными технологическими качествами.

Сочетание методов гидротермической обработки и электротермического обеззараживания с учетом исходного качества зерна и состояния его клейковинного комплекса позволяют дифференцированно использовать режимы. В зависимости от области применения муки появляется возможность изменения ее реологических свойств.

При исследовании воздействия режимов электротермического обеззараживания зерна пшеницы и кукурузы на число падения муки во всех вариантах не наблюдалось значительного изменения этого показателя.

Обнаружено, что обработка зерна энергией СВЧ-поля при соблюдении режимных параметров и температуры нагрева приводит к снижению титруемой кислотности получаемой из него муки. Для наглядности в опыте было использовано зерно пшеницы с титруемой кислотностью 5 град. Режимы обработки: экспозиция = 120…180 с, скорость нагрева = 0,24…0,4^оС/с (освобождающие зерно пшеницы и кукурузы от грибов рода Mucоr). Во всех вариантах опыта после обработки энергией СВЧ-поля кислотность уменьшалась в 1,5…2 раза, причем наблюдалась прямая зависимость между уменьшением титруемой кислотности и ростом температуры. В результате воздействия СВЧ-поля кислотность во всех вариантах опыта снижалась до пределов, регламентируемых нормативной документацией.

Пробная выпечка, моделирующая технологический процесс, является одним из важнейших методов исследования, поскольку лишь в процессе выработки хлеба выявляется роль отдельных физико-химических показателей зерна и муки. Метод пробной выпечки позволяет выявить в производственных условиях влияние термического СВЧ-обеззараживания на развитие картофельной болезни хлеба, т. е. непосредственно определить эффективность воздействия на бактерии рода Bacillus. При обработке энергией СВЧ-поля, наряду с обеззараживанием, необходимо сохранить технологические свойства зерна и муки.

В эксперименте изучали 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 КОЕ/г. Образцы муки обрабатывали энергией СВЧ-поля при соответствующих режимах. Выпеченный хлеб исследовали на зараженность картофельной болезнью (термостатирование при температуре 37єС в течение 36 ч ), изучали его технологические показатели (органолептические показатели, пористость мякиша, его эластичность, кислотность и влажность).

Обнаружено, что через 24 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 36 часов заболевшими оказались образцы, выпеченные из муки, подвергшейся нагреву до 60^оС, остальные образцы не изменились в течение 48 часов термостатирования.

Установлено, что жесткие режимы обработки (скорость нагрева 0,8 єС/сек и экспозиции 90 секунд) приводили к уменьшению объема хлеба, появлению бледной корки, образованию плотного неэластичного мякиша со слабо развитой пористостью. В ходе технологического процесса увеличивается продолжительность окончательной расстойки. Пористость хлеба снижается на 2% ниже показателей контрольного образца.

Мягкие режимы обработки (скорость нагрева 0,4…0,6 єС/с и экспозиция 30…60 с) приводили к тому, что продукция по качеству не отличалась от контроля. Хлеб имел сухой эластичный мякиш, с развитой пористостью. Показатели по объему и пористости были даже выше, чем у контрольных образцов.