Біохімічні процеси у зерновій масі
Зерно - живий організм, що у спокої і, отже, як й у будь-якому живому організмі, у ньому відбувається постійний, хоч і повільний, обмін речовин, що підтримує життя зародкової клітини. Характер і інтенсивність фізіологічних процесів, які у зернової масі при зберіганні залежать не тільки від активності ферментативного комплексу зерна, а й від умов навколишнього середовища. Основним найважливішим фізіологічним процесом, що протікає в зерні, є дихання.
Дихання забезпечує енергією клітини насіння за рахунок окислення органічних речовин, головним чином цукрів, під дією окислювально-відновних ферментів. При достатньому доступі кисню в зерні переважає аеробне дихання, яке можна виразити сумарним рівнянням С6Н12О6+6О2 6СО2+6Н2О+674 ккал (2821, 9 кДж) на 1 грам-молекулу (180 г) витраченої глюкози.
При нестачі кисню повного окислення органічних речовин не відбувається, в зерні йде процес анаеробного (інтрамолекулярного) дихання (спиртового бродіння), що виражається сумарним рівнянням: С6Н12О6 2С2H5OH+2СО2+ 28, 2 ккал (118 кДз) на 118 кДжж. При анаеробному диханні паралельно зі спиртовим бродінням частково може йти і молочно-кисле, при якому з глюкози утворюється молочна кислота2: С6Н12О6 2СН3СН (ОН) СООН+ 22, 5 ккал (83, 5 кДж), що призводить до повільного наростанняти. Анаеробне дихання зернової маси небажане, оскільки накопичення етилового спирту та інших проміжних продуктів дихання може призвести до загибелі зародка, тобто втрати схожості насіння.
Вид дихання зерна можна визначити за його дихальним коефіцієнтом - відношенню об'єму виділеногодіоксиду вуглецю до обсягу поглиненого кисню При відношенні, що дорівнює одиниці, йде аеробне дихання, якщо це відношення менше одиниці, то частина кисню витрачається на інші процеси в зерновій масі; дихальний коефіцієнт більше одиниці буває в тому випадку, коли поряд з аеробним йде і анаеробне дихання, і чим більше виділяється вуглекислого газу і менше поглинається кисню, тим більша його частка. Інтенсивність дихання залежить від вологості, температури та якості зерна.
Сухе зерно має низьку інтенсивність дихання. За рік зберігання при температурі 10 - 20 ° С 1 т сухого зерна (з вологістю до 14%) втрачає за рахунок дихання 100 г (0,01%) маси. У зерна середньої сухості (від 14, 1 до 15, 5%) інтенсивність дихання приблизно в 1, 5 – 2 рази вища, ніж у сухого. Вологе зерно (вологість 15, 5 - 17%) різних культур різко збільшує інтенсивність дихання (кратне): пшениця - в 4 - 8, овес - в 2 - 5, кукурудза - в 8, 5 - 17 в порівнянні з зерном середньої сухості . На рис. 3 показано залежність інтенсивності дихання від вологості зерна проса.
Температура зберігання істотно впливає на інтенсивність дихання. Зерно, що зберігається при температурі, близькій до 0°С, дихає зі зникаючим малою інтенсивністю, як це видно на рис. 3. У міру підвищення температури інтенсивність дихання зростає, досягаючи максимуму при 50 - 55 ° С, після чого починає різко падати. Падіння збігається з початком теплової денатурації білків, інактивації ферментів, тобто початком загибелі зерна. На рис. 4 видно, що при температурі близько 0 `З можна зберігати певний час навіть зерно з підвищеною вологістю.
Якість зерна істотно впливає на енергію його дихання.Чим гірша якість зерна, тим важче його зберігати.
Наслідки дихання зернапри зберіганні. Яким би способом не дихало зерно, цей процес викликає: втрату сухої речовини (зменшення маси) зерна. Витрачена при диханні глюкоза постійно поповнюється за рахунок ферментативного гідролізу крохмалю;
зміна складу повітря міжзернових просторів за рахунок виділення діоксиду вуглецю та витрачання кисню, що в кінцевому підсумку може викликати анаеробне дихання;
збільшення кількості гігроскопічної вологи у зерні та підвищення відносної вологості повітря у міжзернових просторах. Вода, що утворюється при аеробному диханні, залишається в зерновій масі і при високій інтенсивності дихання може істотно зволожити її, приводячи тим самим до ще більшого збільшення інтенсивності дихання;
утворення тепла в зерновій масі особливо при високій інтенсивності аеробного дихання може бути дуже суттєвим. Відомо, що зернова маса має низьку теплопровідність, тому тепло, що утворюється, викликає підвищення температури і, отже, інтенсивності дихання. Два останні названі наслідки дихання є причинами виникнення самозігрівання зернової маси, що призводить її до псування, а іноді і до повної загибелі.
Самозігрівання - результат високої інтенсивності дихання зернової маси, розвитку в ній плісняв, а іноді й шкідників комор. У початковій стадії самозігрівання (підвищення температури до 30 ° С) зерно набуває солодового запаху і солодкуватий смак, властиві зерну, що проростає. Поверхня зерна спочатку знебарвлюється, потім набуває червоного відтінку, а ендосперм - сірий. У ньому підвищуються частка моносахаридів, кислотність, що титрується, і кислотне число жиру. Активність ферментів значно зростає. Об'ємний вихід хліба знижується, м'якуш виходить темнішим, ніж із нормального зерна.При переробці пшениці із солодовим запахом її змішують із нормальним зерном.
При виникненні самозігрівання в глибинних шарах бурхливий розвиток цвілей затримується недоліком там кисню, тому основною причиною псування є діяльність власних ферментів та висока температура. Борошно із зерна поверхневих вогнищ самозігрівання дає хліб плоский, майже без пір, з дуже темним м'якушем, що заминається, а з глибинних вогнищ самозігрівання - високим, з рваними кірками. Зерно, що зазнало самозігрівання більше, ніж у першій стадії, на харчові (іноді і кормові) цілі не використовується.
У період зберігання постійно проводять спостереження зерном. Температура зернової маси, що зберігається, повинна знаходитися під повсякденним контролем. При невеликому підвищенні температури (на 1-3°С) проводять активне вентилювання сухим холодним повітрям. Якщо зерно після цього продовжує грітися, його доводиться переміщати в резервний силос, пропускаючи при цьому через зерносушарку і зерноочисну машину (для охолодження).
Поверхневий шар зерна не рідше одного разу на тиждень оглядається для визначення присутності (або відсутності) ознак появи шкідників комор. При їх виявленні вживаються термінові заходи щодо знезараження зернової маси та запобігання їх переходу в інші силоси.
Зміна харчової цінності зерна при зберіганні пов'язана з поступовим, хоч і дуже повільним старінням колоїдів. Початок процесу старіння колоїдів практично збігається із завершенням післязбирального дозрівання зерна. Відомо, що збирання зерна проводиться на стадії технічної стиглості, коли вологість його може досягати 18 - 25% і синтез поживних речовин ще не завершений. Воно зазвичай має знижену схожість та технологічні переваги.Повна фізіологічна зрілість зерна, при якій найповніше виявляються технологічні та насіннєві якості, настає для жита та вівса через 15 – 20 днів, пшениці – 1 – 1, 5 міс., ячменю – 6 – 8 міс. після збирання.
Післяприбиральне дозрівання найшвидше завершується в сухому зерні (до 14 %) при позитивній температурі в сховищі (15 - 20 °С), достатньому доступі кисню. Нижча температура або нестача кисню розтягують час дозрівання, а підвищена вологість зерна може призвести до його цвіління. Необхідно підкреслити, що процеси синтезу протікають із виділенням вологи, пов'язаної низькомолекулярними сполуками. Тому спостереження за зміною вологості зерна у період зберігання має особливо велике значення.
Завершення післязбирального дозрівання та вступ зерна до стану спокою фактично є початком процесу старіння. За даними В. Л. Кретовича, спокій є важливою пристосувальною властивістю рослин, що оберігає насіння від передчасного проростання і дозволяє їм тривалий час зберігати життєздатність і харчову цінність.
Старіння також відбувається під впливом ферментативного комплексу зерна і з участю кисню повітря. Проте основна спрямованість його протилежна дозріванню. Усі процеси старіння колоїдів у зерні протікають значно повільніше, ніж у продуктах його переробки. Тому резервне зберігання хлібних продуктів у всіх країнах виробляється саме у вигляді сировини, а не борошна та крупи. Слід зазначити, що навіть за найсприятливіших умов зберігання життєві процеси в зерні продовжуються (хоча і з малою інтенсивністю) і колоїди, що утворюють зерно, поступово змінюються, старіють, знижують свою харчову цінність.
Зміна вуглеводів у бік зменшення йде зарахунок витрачання їх на дихання, але співвідношення розчинних вуглеводів та крохмалю тривалий час залишається досить постійним у результаті діяльності амілаз. Надалі спостерігається поступове зростання вмісту розчинних вуглеводів за рахунок послаблення дихання.
Зміна ліпідів відбувається при зберіганні зерна. Протікають ферментативні процеси в ліпідному комплексі – розщеплюються фосфої гліколіпіди, гліцериди; при цьому накопичуються вільні жирні кислоти. Ненасичені жирні кислоти, особливо вільні, під дією кисню повітря та ферменту ліпоксигенази окислюються. Накопичуються перекиси, гідроперекиси та інші продукти окислення, які можуть утворювати комплекси з білками та вуглеводами.
Зміна вітамінів відбувається дуже повільно. Так, спад тіаміну в сухій пшениці становив за 5 міс. зберігання близько 12% його вихідної кількості. Висока температура та вологість прискорюють розпад тіаміну. Інші вітаміни групи В також є стійкими при зберіганні. Найбільш швидко окислюються каротиноїди, втрати яких протягом року зберігання досягають 50 - 70 % вихідної кількості у зерні. Зниження частки токоферолів тісно корелює зі зменшенням вмісту ненасичених жирних кислот у ліпідах зернових культур.
Біохімічні зміни речовин, що входять до складу зерна, поступово призводять до зниження активності ферментів, схожості, втрати властивого живому організму активного імунітету та істотного зниження технологічних властивостей та харчових переваг. Зерно стає крихкішим, легко дробиться при - переробці з утворенням підвищеної кількості відходів, знижуються вихід продукції та її якість. Отримані продукти значно легше обсіменяються мікроорганізмами і швидше псуються.
Довговічність зерна залежить від його вихідногоякості та умов зберігання. За даними Л. А. Трисвятського, хлібні злаки зберігають життєздатність (схожість) від 5 до 15 років. Найбільш довговічними є овес, пшениця та ячмінь, найшвидше втрачає схожість просо. Борошномельно-круп'яні та харчові переваги зберігаються 10 - 12 років, а кормові - ще довше. Проте таке тривале зберігання запасів недоцільно, їх слід оновлювати через 3 - 5 років.