Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 13
1.1. Пути поступления и аккумуляция тяжелых металлов в растениях 13
1.2.Целлюлолитические ферменты и их субстраты 20
1.3. Микрофлора зерна и способы снижения его микробиологической обсемененности 31
1.4. Современное состояние исследований в области технологии зернового хлеба 40
1.5. Концепция повышения качества и обеспечения безопасности
зерновых хлебобулочных изделий 53
Глава 2. Объекты и методы исследования 57
Глава 3. Качественная характеристика зернового сырья, произрастающего в регионе 68
Глава 4. Теоретическое и практическое обоснование применения биокатализаторов на основе целлюлаз для снижения содержания токсических элементов и радионуклидов в зерне 85
4.1 .Обоснование рациональных дозировок ферментных препаратов целлюлолитического действия и продолжительности процесса замачивания зерна 86
4.2. Влияние ферментных препаратов целлюлолитического действия на динамику изменения влажности зерна в процессе замачивания 106
4.3. Изменение микроструктуры поверхности зерна злаковых культур под действием ферментных препаратов целлюлолитического действия... 124
4.4. Изменение некоторых физико-химических показателей субстратов под действием биокатализаторов на основе целлюлаз 131
4.5. Обоснование концепции механизма снижения содержания токсических элементов в зерновом сырье 145
Глава 5. Разработка приемов повышения микробиологической безопасности зерна в процессе замчивания 161
5.1. Исследование изменения количественного состава микрофлоры зерна злаковых культур при замачивании комплекса зерна в процессе ферментативного гидролиза 161
5.2. Изучение влияния растительных добавок на микробиологическую обсемененность зерна при замачивании 162
5.3. Влияние добавок растительного происхождения на жизнедеятельность микроорганизмов 167
5.4. Влияние буферных растворов на антимикробную активность водорастворимых растительных экстрактов 172
5.5. Разработка способов повышения безопасности зернового сырья с учетом снижения содержания тяжелых металлов, радионуклидов и микроорганизмов 175
Глава 6. Изменение некоторых бихимических показателей зерна злаковых культур в процессе набухания и прорастания под действием карбогидраз и фитазы 186
6.1. Особенности изменения углеводного состава и амилазного комплекса зерна в процессе ферментативного гидролиза 187
6.2. Особенности изменения белково-протеиназного комплекса зерна в условиях применения ферментных препаратов целлюлолитического действия при замачивании 203
6.3. Изменение липидного комплекса зерна в условиях применения ферментных препартов целлюлолитического действия при замачивании 218
6.4. Изменение биохимических свойств зерна пшеницы при проращивании в присутствии ферментных препаратов целлюлолитического действия 226
7. Научное и практическое обоснование использования биокатализаторов на основе целлюлаз при производстве зерновых хлебобулочных изделий 242
7.1. Обоснование использования ферментных препаратов целлюлолитического действия при производстве зерновых хлебобулочных изделий 243
7.2. Обоснование использования ферментного препарата на основе фитазы при производстве зерновых хлебобулочных изделий 253
7.3. Применение ферментного препарата Целловиридин Г20х в технологии хлебобулочных изделий из целого нешелушенного зерна пшеницы 260
7.3.1. Технологии приготовления хлебобулочных изделий из целого диспергированного зерна пшеницы на густой зерновой закваске 262
7.3.2.Технология хлеба из смеси проросшего зерна пшеницы и муки высшего сорта 270
7.4.Применение комплексного ферментного препарата на основе фитазы в технологии пшенично-ржаных зерновых хлебобулочных изделий 279
7.5.Применение ферментного препарата Целловиридин Г20х в технологии хлебобулочных изделий из целого диспергированного зерна тритикале 286
7.6. Определение содержания ароматических веществ в зерновых хлебобулочных изделиях 294
7.7. Исследование микробиологической стойкости хлеба при хранении .295
7.8. Определение показателей пищевой ценности и усвояемости зерновых хлебобулочных изделий 298
7.9 Исследование показателей безопасности зерновых хлебобулочных изделий 3 05
7.10. Оценка конкурентных преимуществ зерновых хлебобулочных изделий 306
Выводы 325
Список литературы 329
Приложение 372
- Микрофлора зерна и способы снижения его микробиологической обсемененности
- Влияние ферментных препаратов целлюлолитического действия на динамику изменения влажности зерна в процессе замачивания
- Изучение влияния растительных добавок на микробиологическую обсемененность зерна при замачивании
- Особенности изменения белково-протеиназного комплекса зерна в условиях применения ферментных препаратов целлюлолитического действия при замачивании
Введение к работе
Актуальность проблемы. Интенсивная хозяйственная деятельность человека постоянно создает антропогенные провинции, характеризующиеся нарушением сбалансированности биохимических циклов многих элементов. В результате усиления техногенных потоков происходит избыточная аккумуляция загрязнителей в хозяйственно полезных частях продукции растениеводства. Результаты санитарного контроля свидетельствуют о высоких уровнях загрязненности сельскохозяйственных продуктов токсичными химическими соединениями, биологическими компонентами и микроорганизмами, обладающими способностью вызывать различные патологии.
Существующие технологии сортовых помолов, направленные на разделение анатомических частей зерна, казалось бы, решают проблему повышения безопасности зерновых продуктов. С отрубями удаляется большая часть загрязнителей, расположенных преимущественно в периферических частях зерновки и микроорганизмов, обитающих на ее поверхности. Однако вместе с вредными веществами и микроорганизмами теряется значительная доля биологически активных соединений: витаминов, биогенных микроэлементов, пищевых волокон, белков и липидов. Преобладание рафинированных продуктов в рационе населения экологически неблагополучных районов, в частности подверженных радиоактивному загрязнению (в том числе Брянской, Орловской и других областей), приводит к биохимическим нарушениям гомеостаза и заболеваниям населения. Для людей, проживающих в таких зонах, необходима разработка качественно новых пищевых продуктов, обогащенных незаменимыми нутриентами.
В связи с этим большую популярность приобретают зерновые хлебобулочные изделия. Целые зерна злаковых культур содержат -глюкан, пентозаны, целлюлозу, являются источником витаминов группы В, ниацина, минеральных веществ, белков и липидов. Известно, что употребление в пищу продуктов из целых зерен снижает уровень холестерина в крови, повышает перистальтику кишечника, улучшает процессы обмена веществ. Однако оболочки и алейроновый слой зерновки обладают повышенной прочностью, что затрудняет применение нешелушенного зерна в пищевых технологиях. Прочность оболочек зерна определяют -глюкан, ксиланы и другие гемицеллюлозы, которые формируют поперечные сшивки в структуре матрицы клеточной стенки.
Взамен шелушения для размягчения перифирических частей зерна целесообразно применение биокатализаторов на основе целлюлаз. Целлюлолитические ферменты катализируют гидролиз целлюлозы, гемицеллюлоз, -глюкана, входящих в состав матрикса клеточных стенок.
Локализация токсических элементов и радионуклидов в периферических частях зерна злаковых культур указывает на возможность их связи с полисахаридами и белками клеточных стенок. Модификация нативной структуры оболочек под действием ферментных препаратов может привести к высвобождению некоторого количества тяжелых металлов и в определенных условиях при замачивании зерна к миграции за пределы зерновки, обеспечив тем самым снижение их концентрации в зерне и повышение безопасности продуктов его переработки.
Применяемые в зерноперерабатывающей промышленности методы снижения микробиологической обсемененности предусматривают использование синтетических химических соединений, которые часто оказывают отрицательное влияние на технологические свойства зерна. Использование растительного сырья, обладающего антисептическим действием, в технологиях зерновых продуктов открывает возможности получения качественных и безопасных продуктов питания.
Значительный вклад в решение отдельных аспектов проблемы производства зерновых хлебобулочных изделий внесли исследования отечественных ученых Антонова В.М., Козубаевой Л.А., Корячкиной С.Я., Кузьминского Р.В., Лабутиной Н.В., Поландовой Р.Д., Романова А.С., Рослякова Ю.Ф., Саниной Т.В., Черных В.Я., Щербатенко В.В. и других.
Разработке новых технологий, способствующих повышению безопасности зерна и продуктов на его основе, посвящены работы Байходжаевой Б.У., Гинсбурга А.С., Егорова Г.А., Казакова Е.Д., Козьминой Н.П., Кондратьева Ю.Н., Малиной В.П., Мачихиной Л.И., Трисвятского Л.А., Цугленка Н.В., Цыбиковой Г.Ц., Цыгановой Т.Б., Юсуповой Г.Г. и других.
Однако в научно-технической литературе отсутствуют обоснованные подходы к проблеме повышения безопасности и качества зернового сырья в технологии хлебобулочных изделий из целого нешелушенного зерна злаковых культур. Для решения этой проблемы необходим комплексный подход к разработке технологических решений, который должен основываться, с одной стороны, на разработке научных основ модификации полисахаридов периферических частей зерновки с целью уменьшения содержания токсических элементов и снижения прочности оболочек для улучшения степени дисперсности зерновой массы и, с другой, на характеристике некоторых ее биохимических показателей, имеющих важное значение для обеспечения качества хлебобулочных изделий по органолептическим и физико-химическим показателям.
Работа проводилась в рамках научно-технических программ Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограммы «Технология живых систем» по темам: «Теоретическое обоснование и разработка технологии и оборудования для производства зернового хлеба общего и специального назначения повышенного качества и пищевой ценности» и «Разработка научных основ повышения качества и безопасности продуктов питания» (2000 – 2004 г. г.), а также Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».
Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в разработке научных основ и способов повышения безопасности зернового сырья в технологии хлебобулочных изделий за счет использования в процессе подготовки зерна биокатализаторов на основе целлюлаз, буферных растворов и растительного сырья, обладающего антимикробным действием. В задачи исследования входило:
- оценка химического состава и технологических свойств зерна пшеницы, ржи и тритикале, произрастающих в Центральном регионе России;
- обоснование рациональных доз ферментных препаратов целлюлолитического действия, применяемых с целью ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов, приводящего к снижению содержания токсических элементов и радионуклидов в зерне злаковых культур;
- формулировка концепции механизма снижения содержания токсических элементов в зерновом сырье;
- исследование состава микрофлоры зерна пшеницы, ржи и тритикале и влияния растительного сырья (шишки хмеля, луковица чеснока, плоды рябины обыкновенной, корень хрена, цедра апельсина), используемого при замачивании зерна, на жизнедеятельность типовых штаммов микроорганизмов, развивающихся при хранении;
- изучение динамики изменения некоторых биохимических показателей зерна, морфологии и микроструктуры его составных частей в процессе набухания и прорастания под действием карбогидраз и фитазы;
- обоснование оптимальных доз биокатализаторов на основе целлюлаз и параметров ферментативного гидролиза в технологии зерновых хлебобулочных изделий;
- разработка способа повышения безопасности зернового сырья, основанного на совместном действии ферментных препаратов целлюлолитического действия, буферных растворов и растительного сырья, обладающего антимикробными свойствами, применяемых при замачивании зерна;
- разработка технологических решений для применения ферментных препаратов целлюлолитического действия и растительного сырья, обладающего антимикробными свойствами в технологии зерновых хлебобулочных изделий;
- определение показателей качества, пищевой ценности и безопасности разработанных зерновых хлебобулочных изделий;
- определение экономической эффективности разработанных зерновых хлебобулочных изделий, опытно-промышленная апробация и внедрение основных результатов исследований в хлебопекарном производстве.
Научная концепция. В основу разработки научных основ и способов повышения безопасности зернового сырья в технологии хлебобулочных изделий положена научная гипотеза, заключающаяся в целесообразности совместного использования биокатализаторов на основе целлюлаз, буферных растворов и растительного сырья, обладающего антимикробным действием, на стадии подготовки зернового сырья, приводящего к формированию зерновой массы с пониженным содержанием токсических элементов, радионуклидов и микроорганизмов и к получению хлебобулочных изделий повышенной безопасности, качества и пищевой ценности.
Научные положения, выносимые на защиту:
- концепция механизма снижения содержания токсических элементов в зерновом сырье путем обработки зерна биокатализаторами на основе целлюлаз;
- результаты экспериментальных исследований изменения некоторых биохимических показателей зерна, морфологии и микроструктуры его составных частей в процессе набухания и прорастания под действием карбогидраз и фитазы;
- способы повышения безопасности зернового сырья и продуктов на его основе с учетом снижения содержания тяжелых металлов, радионуклидов и микроорганизмов;
- научно-обоснованные технологические решения по созданию хлебобулочных изделий из целого нешелушенного зерна пшеницы, ржи и тритикале повышенных безопасности и пищевой ценности на основе использования в их рецептурах биокатализаторов на основе целлюлаз и растительного сырья, обладающего антимикробным действием.
Научная новизна работы. Предложена концепция механизма снижения содержания токсических элементов в зерновом сырье путем обработки биокатализаторами на основе целлюлаз, с осуществлением ферментативного гидролиза, приводящего к мацерации структур оболочек, деструктуризации и фрагментации полимеров, увеличению диаметра пор, солюбилизации продуктов гидролиза и десорбции ионов. Показано, что применение совместно с биокатализаторами на основе целлюлаз цитратного буфера или буфера на основе янтарной кислоты (рН 4,5) и водных экстрактов шишек хмеля, луковицы чеснока, плодов рябины обыкновенной, корня хрена, цедры апельсина, обладающих антимикробным действием, а также промывание проточной водой зерна после обработки, способствует образованию подвижных комплексов металлов с органическими кислотами, флавоноидами и другими соединениями и выносу их за пределы твердой фазы.
Обоснованы параметры ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов оболочек зерна под действием биокатализаторов на основе целлюлаз (оптимальные дозы ферментных препаратов, продолжительность замачивания, гидромодуль) с точки зрения снижения содержания токсических элементов и для использования в технологии зерновых хлебобулочных изделий.
Экспериментально установлено, что в процессе десорбции свинца, кадмия, никеля и хрома основная роль принадлежит ферменту -глюканазе в комплексе с целлобиогидролазой. Расширены представления об эффективности действия отдельных ферментов, входящих в состав отечественных препаратов на скорость процесса гидролиза фитина.
Получены новые данные об изменении морфологии, микроструктуры зерна пшеницы, ржи и тритикале, а также о динамике изменения некоторых биохимических показателей зерна в процессе набухания и прорастания при применении ферментных препаратов целлюлолитического действия.
Показано, что отечественный промышленный препарат серии «Целловиридин Г20х» (продуцент Trichoderma reesei) и лабораторный препарат на основе фитазы F 4.2B (P-215) FD-UF, продуцент Penicillium canescens (ИБФМ РАН) превосходят по эффективности действия в технологии зерновых хлебобулочных изделий препараты от зарубежных производителей ферментов: Pentopan 500 BG, Fungamyl Super AX, Biobake – 721.
Разработаны способы повышения безопасности зернового сырья с учетом снижения содержания тяжелых металлов, радионуклидов и микроорганизмов и научно обоснованы технологические решения по применению биокатализаторов на основе целлюлаз и экстрактов растительного сырья, обладающего антимикробным действием в технологии зерновых хлебобулочных изделий повышенных безопасности, качества и пищевой ценности.
Новизна технологических решений подтверждена 8 патентами Российской Федерации на изобретения.
Практическая значимость работы.
Дано технологическое обоснование производства зерновых хлебобулочных изделий повышенных безопасности, качества и пищевой ценности.
Разработаны технологии хлебобулочных изделий из целого нешелушенного зерна пшеницы, ржи и тритикале на основе использования препаратов карбогидраз и фитазы совместно с водными экстрактами растительного сырья, обладающего антимикробным действием, для модификации структурных полисахаридов периферических частей зерновки с целью уменьшения содержания токсических элементов, снижения прочности оболочек для улучшения степени дисперсности зерновой массы и уменьшения степени микробиологической обсемененности зерна, что позволит получить хлеб, обладающий повышенной безопасностью и пищевой ценностью, а также органолептическими и физико-химическими показателями качества не ниже, чем у зернового хлеба, производимого по ГОСТ 25832-89.
Разработаны и утверждены пакеты технической документации на новые виды зерновых хлебобулочных изделий: хлеб зерновой «Стимул» ТУ 9114-157-02069036-2003, ТИ 02069036-157, РЦ 02069036-157, «Изделия хлебобулочные зерновые пшенично-ржаные» ТУ 9113-205-02069036-2006, ТИ 02069036, РЦ 02069036, хлеб зерновой пшенично-ржаной «Семейный» ТУ 9113-204-02069036-2006, ТИ 02069036-124, РЦ 02069036-124, хлеб зерновой «Трапезный» ТУ № 9113-21-0206903-2007, хлеб зерновой пшеничный «Колос» ТУ 9114–228–02069036.
Проведена промышленная апробация разработанных зерновых хлебобулочных изделий на следующих предприятиях: ОАО «Орловский хлебокомбинат», ОАО «Железногорский хлебозавод», ООО «Нива хлеб», ОАО «Орелоблхлеб» «Колпнянский хлебозавод», участок хлебопечения комбината общественного питания ОрелГТУ.
Получены санитарно-эпидемиологические заключения органов санэпидемслужбы Минздрава РФ на производство новых видов продуктов.
Разработанные автором научные положения и практические решения нашли применение при организации научно-исследовательской работы студентов и аспирантов, результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре «Технология хлебопекарного, кондитерского и макаронного производства» Орловского государственного технического университета при изучении дисциплин «Биокаталитические процессы в пищевых технологиях», «Безопасность пищевого сырья и продуктов питания», «Экологические основы производства и хранения зерна», «Пищевая микробиология», «Технология хлебобулочных и макаронных изделий».
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях: «Продукты питания, пищевые добавки, упаковка» (Москва – 1998), «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания» (Орел – 1998, 1999, 2000, 2003, 2008), «Прогрессивные пищевые технологии - третьему тысячелетию» (Краснодар - 2000), «Пищевые продукты двадцать первого века» (Москва – 2001), «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг» (Орел – 2001, 2002, 2004, 2007, 2009), «Состояние биосферы и здоровье людей» (Пенза - 2001), «Наука – образование – производство в решении экологических проблем» (Уфа – 2002), «Здоровье – питание – биологические ресурсы» (Киров – 2002), «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств» (Барнаул - 2006), «Техника и технология пищевых производств» (Могилев – 2007), «Актуальнi проблеми харчування: технологiя та обладнання, органiзацiя i економiка» (Святогiрськ – Донецьк – 2007), «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (Одесса – 2007, 2009), «Пищевые технологии, качество и безопасность продуктов питания» (Иркутск – 2007), «Food science, engineering and technologies 2007» (Пловдив – 2007), «Формирование инновационной системы экономики и образования в условиях глобализации» (Воронеж – 2008), «Инновационные технологии в пищевой промышленности» (Пятигорск – 2008), «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж – 2009), «Хлебобулочные, кондитерские и макаронные изделия XX века» (Краснодар - 2009), «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семей – 2010),V Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва – 2009), а также Всероссийских Конгрессах зернопереработчиков и хлебопёков «Нивы России» (Барнаул – 2001, 2003), Всеросийских научно-практичеких конференциях: «Современные проблемы экологии» (Москва - Тула – 2006) и «Перспективы агропромышленного производства регионов России в условиях реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК» (Уфа – 2006). Разработанные изделия были представлены на XIII Международной специализированной торгово-промышленной выставке «Пекарня – Макароны – Интерсладости - 2008» (Москва, ВВЦ, 8-11 апреля 2008 г. г.).
Публикации. По теме данного исследования опубликовано 107 работ, в том числе 22 статьи в реферируемых ВАК журналах, 13 статей в других научных журналах и сборнике научных трудов, 3 монографии, получено 8 патентов на изобретения. В список публикаций, приведенный в конце автореферата, тезисы докладов, опубликованные в сборниках трудов конференций и конгрессов, не включены.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, главы, посвященной материалам и методам исследования, семи глав, в которых приведены результаты и их обсуждение, выводов и списка использованной литературы (437 наименований). Объем диссертации составляет 371 страницу, в том числе 102 рисунка и 73 таблицы.
Личное участие автора. Личный вклад соискателя заключается в постановке задач, проведении экспериментов и теоретического анализа, в статистической обработке, интерпретации и публикации полученных результатов, формулировке новых закономерностей, а также в участии в разработке технической документации на новые виды хлебобулочных изделий и их промышленной апробации на предприятиях отрасли.
Микрофлора зерна и способы снижения его микробиологической обсемененности
Микрофлора зерна складывается из сапрофитных микроорганизмов, населяющих растения и свойственных каждому роду и виду; фитопатогенных микроорганизмов, паразитирующих на растениях; случайно попадающих на растения; микроорганизмов, попадающих в зерновую массу во время уборки урожая и при обмолоте.
В зерне и зерновых продуктах обычно присутствуют бактерии, дрожжи, актиномицеты, плесневые грибы. Их видовой состав и количество зависят от климатических условий формирования зерна и от условий его хранения. Для своего развития микрофлора нуждается в определенном сочетании влажности продукта и температуры окружающей среды. Так грибы-ксерофиллы начинают развитие при 14-15%-ной влажности зерна, гидрофиллы требуют 18%-ной влажности зерна, а мезофиллы - 16%-ной. К мезофиллам принадлежит большинство плесеней хранения. Аэробные микроорганизмы зерна при хранении составляют более 90% всей микрофлоры [39, 185, 186, 267, 268, 305]. Сапрофитные микроорганизмы преобладают на поверхности зерен. Среди них встречаются эпифиты, которые не паразитируют на растениях, не способны проникать внутрь неповрежденной оболочки растения и зерна, не требовательны к питательным веществам. Некоторые сапрофиты проникают во внутренние участки (под оболочку) зерна, образуя субэпидермальную микрофлору, которая сохраняется там длительное время, а при наличии благоприятных условий развивается на зерне. Субэпидермальной микрофлорой в первую очередь атакуется зародыш зерна, так как он содержит большое количество питательных веществ в легкоусвояемой форме [61, 68, 172, 187, 201]. Изменение качества зерна при1 хранении вызывают только сапрофитные и некоторые полупаразитные микроорганизмы при благоприятных для их развития условиях хранения. Основные представители сапрофитных бактерий зерна относятся к родам Ervinea и Pseudomonas. В партиях свежеубранного зерна на долю- Ervinea herbicola приходится до 92-95% всего количества бактерий. Они не разрушают зерно, и столь значительное их количество служит показателем хорошего качества зерна, его свежести. Плесневые грибы и кокки - антагонисты и вытесняют Ervinea herbicola из среды обитания. Ее исчезновение свидетельствует о нежелательных микробиологических процессах в зерновой массе. Наиболее распространенной инфекцией муки и зерна является заражение споровыми бактериями рода Bacillus, которые попадают при сборе зерна и помоле. При хранении зерновой массы значительно увеличивается относительное содержание спорообразующих бактерий (до 60-90%). В процессе выпечки хлеба вегетативные клетки этих бактерий погибают, а споры остаются и при благоприятных условиях прорастают. Развивается картофельная болезнь, в результате которой в хлебе накапливаются продукты реакций распада белков и углеводов - декстрины, амиды и другие. Хлеб приобретает резкий специфический запах и становится непригодным в пищу [39, 191,367,368]. Плесневые грибы - вторая по значимости группа микроорганизмов, населяющих зерновую массу (1-2%). При благоприятных условиях находящиеся в зерне споры плесневых грибов прорастают, образуя мицелий и органы плодоношения. На зерне появляются колонии плесеней, хорошо видимые невооруженным глазом. Поскольку плесневые грибы развиваются за счет органических веществ зерна, то это сопровождается потерей массы зерна, ухудшением его качества или полной порчей. При плесневении в зерне увеличивается доля олеиновой кислоты и снижаются- доли биологически ценных, компонентов — линолевой, и линоленовой жирных кислот, фосфолипидов, токоферолов, каратиноидов. Особую опасность грибная инфекция причиняет человеческому организму. Многие виды микроскопических грибов вызывают микозы, аллергические заболевания, микотоксикозы человека [270, 319].
На начальных этапах развития зерно поражается «полевыми- грибами» родов Alternaria, Helminthosporium, Fusariitm.; При хранении зерновых культур происходит перераспределение состава микрофлоры, обсеменяющей зерно. Постепенно представители «полевой микрофлоры» вытесняются «плесенями хранения» Как известно, основные потери при хранении зерна происходят при участии плесневых грибов родов Penicillium, Aspergillus, Mucor, Rhizopus. В отличие от «полевых грибов» - гидрофилов, многие виды «плесеней, хранения» нетребовательны к влаге и могут развиваться при влажности, совпадающей с нижним стандартным уровнем зерна.
«Плесени хранения» способны развиваться в широком диапазоне температур. Вследствие высокой ферментативной активности, нетребовательности к влаге, способности к выживанию в условиях повышенных и низких температур, при недостатке кислорода и избытке углекислоты в окружающей среде — «плесени хранения» играют главную роль в ухудшении качества и порче зерна и продуктов его переработки [39, 68, 187]. Плесневение хлеба происходит в результате развития плесневых грибов родов Aspergillus (A. flavus, F. fumigatus, A. niger, A. ochraceus), Mucor (М. mucedo, М. pasilus, М. spinosus), Penicillium (P. oristosiun, P. expansum), Rhizopus nigricans, Geotrichum candidum [30, 327, 335]. Дрожжи при определенных условиях способствуют появлению так называемого амбарного запаха. Они выявляются во влажном зерне. Оболочки являются механическим барьером зерна против микроорганизмов. Однако после уборки 20-50% зерен пшеницы и 50-90% зерен ржи имеют механические повреждения. Как известно, накопление микрофлоры в зерновой массе зависит от содержания испорченных и травмированных зерен [195]. Известно достаточно много способов снижения микробиологической обсемененности зерна. Среди них различают физические (термические и лучевые), химические (окислители, фумиганты, инактиваторы ферментов и микотоксинов) и-биологические. Перед использованием какого-либо способа обеззараживания, зерно подвергают поверхностной очистке от пыли, примесей, вредных микроорганизмов, содержащихся на оболочках [358] Наиболее широко- распространено в настоящее время применение химических веществ. В литературных источниках указано, что двуокись серы и ее производные обладают антимикробными свойствами. Они активно действуют на плесневые грибы, дрожжи и аэробные бактерии и значительно меньше влияют на анаэробные бактерии. Многие химические вещества, как неорганические (соли меди, серебра; окислители: хлорная известь, перманганат калия, перекись водорода; щелочи и кислоты: гидроксид натрия, серная, фтористоводородная, борная кислоты; некоторые газы: угарный, сероводород), так и органические (спирты, альдегиды, фенолы) замедляют рост микроорганизмов или вызывают их гибель [68].
Влияние ферментных препаратов целлюлолитического действия на динамику изменения влажности зерна в процессе замачивания
Потенциальную опасность для здоровья человека представляют концентрации токсичных элементов в диапазоне 0,51 — 1,00 ДУ (ПДК) [16, 81]. В этом диапазоне в зерне пшеницы преимущественно накапливается кадмий. Широко известно, что кадмий - элемент чрезвычайной токсичности. Соли кадмия обладают мутагенными и концерогенными свойствами и представляют потенциальную генетическую опасность. Кадмий обладает сильным сродством к сульфгидрильным группам некоторых соединений. Вследствие геохимического родства с цинком, кадмий может конкурировать с ним за дисульфидные и сульфгидрильные группы растительных и животных белков и ферментов [192, 356, 369]. Различия в содержании кадмия в зерне пшеницы различных сортов составляют 2,2-5,2 раз. Содержание элемента превышало ПДК в зерне всех исследуемых сортов пшеницы в Л ,25 - 6,5, в зерне1 ржи - в 2,5-3,2 раз. Зерно тритикале содержало кадмий в количестве значительно ниже ПДК.
Поступление свинца в организм человека по пищевым цепям ведет к расстройству нервной системы. Свыше 90% свинца попадает в организм человека с пищей. Избыток свинца в крови человека подавляет деятельность мозга, почек и мышц. Для разных сортов пшеницы содержание свинца в зерне варьирует в пределах от 0,185 до 0,495 мг/кг, различиям между сортами при этом составляют 1,4-2,7 раз. Содержание свинца в зерне ржи было выше 0,51 ПДК.
Никель необходим для живых организмов в очень малых количествах. При загрязнении продуктов питания никелем ухудшается зрение, происходит заболевание полости рта и толстой кишки [320]. Различия в содержании никеля в зерне пшеницы в зависимости от сортов составляют 2,5 - 5 раз:
Хром, прежде всего, связан с углеводным обменом. Он предотвращает образование атеросклеротических «бляшек». Недостаток хрома повышает содержание холестерина и сахара, вызывает отвердение артерий. Человеку необходимо в день 200 мкг хрома [138, 369]. В зерне пшеницы содержание хрома колеблется от 0,150 до 0,236 мг/кг. Наибольшим накоплением свинца; никеля и кадмия характеризуется: зерно пшеницы сортов Колос Дона, и Саратовская Белая. В зерне этих сортов никель содержится в-количествах выше ПДК. Для исследованных сортов.ржш наблюдается накопление всех рассматриваемых токсических элементов в . концентрации сверх 0,51 ПДК [151, 152].
Медь и цинк являются биогенными элементами, без которых невозможны многие биохимические реакции. Недостаток биогенных элементов в рационе питания человека может привести к задержке роста и развития снижению иммунитета, нарушению костеобразования, кроветворения и психической деятельности. Вг то же времяпри: избытке: указанных химических элементов? возможны также отрицательные реакции живых организмов, такие как, поражение печени, анемия и?другие:
Медь — в организме человека образует комплексы с аминами; ж соединениями, серы, способствует синтезу гемоглобина кррвщ, ускоряет . формирование эритроцитов; восстановление костною ткани,, усиливает; действие инсулина, препятствует распаду гликогена в печени. Медь способствует синтезу витаминов В і, С, Р, РР и Е. Ири недостатке меди-нарушаются: процессы образования костей вследствие ненормального: усвоения кальция? ш фосфора. Суточная потребность, организма человека т меди,составляет 2-5 :мг.
Цинк входит в:; состав более чем 200 ферментов, обладает регулирующим, действием в процессах: кроветворения, обмене углеводов, белков; жиров, энергетическом: обмене, в окислительно-восстановительных процессах и регулирует функции половых желез. Цинк: усиливает действие инсулина, снижающего уровень сахара в крови больных диабетом. Суточная: потребность - 12 - 50 мг. Результаты: проведённых исследований показали, что в зерне пшеницы содержание меди варьирует от 1,72 до 2,38 мг/кг, цинка от,20,8 до 23,5 мг/кг, в зерне ржи составляет в среднем Ъ\2. и 23,7 мг/кг соответственно. Полученный разброс данных связан с генетическими особенностями растений. Учитывая физиологические нормы, согласно которым недостаточным в растительной продукции считается содержание меди менее 2 мг/кг можно говорить о недостатке меди в пробах из зерна пшеницы некоторых сортов (Саратовская Белая и Колос Дона) и в пробе зерна тритикале. Физиологической нормой цинка является его содержание в растениях выше 10 мг/кг. Следовательно, по количеству цинка зерно пшеницы, ржи и тритикале соответствует принятым нормам. При обобщении приведенных результатов исследования содержания тяжелых металлов в зерне злаковых культур различных сортов не учитывались особенности агрохимического производства, виды почв и климатические условия произрастания растений. Полученные данные о загрязнении зерна отдельных сортов злаковых культур выявили необходимость проведения исследования в- отдельно взятом базовом хозяйстве, в качестве которого использовали КП «Фатневское» Волховского района Орловской области, попавшего в результате аварии на Чернобыльской АЭС в зону радиоактивного загрязнения с плотностью до 15 Ku/км . Хозяйство расположено вдали от промышленных предприятий и его сельскохозяйственные угодья не испытывают непосредственного влияния техногенного воздействия. Уровни накопления тяжёлых металлов в зерне ряда злаковых культур в условиях производственных посевов базового хозяйства приведены в таблице 3.5.
Полученные результаты в целом соответствуют общим закономерностям, установленным для накопления макро- и микроэлементов в хозяйственно полезных частях растений и отражают существующие различия в химических свойствах и биологической роли металлов, а также видовых особенностях растений.
Изучение влияния растительных добавок на микробиологическую обсемененность зерна при замачивании
Замачивание зерна приводит к начальной стадии прорастания -набуханию. Вследствие поглощения воды коллоиды набухают и; объем зерна увеличивается на 45%. Возможен перенос биологически активных соединений (витаминов, минеральных веществ, свободных аминокислот и других) из одной части зерновки в другую [302].
С увеличением влажности растет и масса зерна. При погружении зерна в воду создается разность концентраций воды внутри и снаружи зерновки, вследствие чего вода начинает проникать через, оболочку. При замачивании зерна пшеницы, ржи и тритикале влажность образцов с использованием ферментных препаратов целлюлолитического действия выше, чем в контрольном варианте. При использовании ферментных препаратов зерно пшеницы набирает влажность более 41 % за 12 часов, а контрольный образец - за 13 часов. При замачивании зерна ржи с использованием- ферментных препаратов целлюлолитического действия оно набирает влажность более 40% за 14 часов, тогда как влажность зерна ржи, замоченного выводе, за 16 часов достигает значения 40,4%. Динамику поглощения воды зерном пшеницы, ржи и тритикале определяет состав ферментных комплексов препаратов. При замачивании зерна тритикале в растворе ферментного препарата Целловиридин Г20х зерно достигает влажности 45% за 9 часов [122, 123, 127]. Таким образом, применение биокатализаторов на основе целлюлаз ускоряет процесс влагонакопления зерном злаковых культур. Рациональная продолжительность замачивания зерна пшеницы и тритикале (12 часов) и ржи (16 часов) при температуре 50С и рН 4,5, обеспечивает как снижение содержания токсических элементов, так и достижение влажности зерновой массы достаточной длягпроведения операции диспергирования.
С помощью метода электронной сканирующей микроскопии былш изучены поперечные срезы нативного зерна пшеницы, ржши тритикале после замачивания в воде и в растворах ферментных препаратов Целловиридин-Г20х, Biobake 721, Pentopan 500 BG, Fungamil Super AX и на основе фитазы, (замачивание осуществляли при оптимальных условиях: рН 4,5 , температура 50 С, гидромодуль 1:1,5, продолжительность 12 часов для зерна пшеницы и тритикале и 16 часов для зерна ржи). Препараты срезов зерна пшеницы рассматривали с увеличением х27. На рисунке 4.24 представлен общий вид среза нативного зерна пшеницы 111 влажностью 12,4%. Зерновка представляет собой компактную структуру, оболочки плотно прижаты к другим анатомическим частям зерна. При рассмотрении зерна пшеницы после замачивания в воде в течение 12 часов /1/ можно заметить, что в отдельных местах зерновки плодовая оболочка отделилась от семени. Трубчатый слой плодовой оболочки представляет собой отдельные группы клеток, поэтому плодовая оболочка непрочно соединена с семенной и отделяется, если зерно было увлажнено.
В области щитка под действием воды произошло образование углублений. Внутренние части зерна из-за насыщения водой имеют более рыхлую консистенцию.
Для всех образцов зерна пшеницы, обработанных ферментными препаратами целлюлолитического действия, характерно более выраженное отслоение плодовых оболочек от зерновки по сравнению с зерном, замоченным в воде. Различия, обнаруживаемые на поперечных срезах зерновки после воздействия ферментных препаратов, обусловлены составом ферментных комплексов препаратов и их активностью.
Наиболее мягкое действие оказывает ферментный препарат Целловиридин Г20х 121. Под влиянием этого препарата периферические слои плодовой оболочки зерна незначительно отделяются от зерновки. В целом зерно приобретает несколько искаженные очертания, оболочки размягчаются. В-области щитка углубление увеличивается в диаметре.
Под действием ферментных препаратов Biobake 721 /3/, Fungamil Super АХ /5/, Pentopan 500 BG /6/, плодовая оболочка равномерно отделяется от семенной части и приобретает более жесткую структуру. Вероятно набор ферментов, входящих в комплекс препаратов импортного производства в преобладающем количестве включает экзогликаназы, которые отщепляют по моносахариду от нередуцирующего конца основных или боковых цепей полисахаридов. В основном это ферменты «дебранчинга», которые предположительно ужесточают, а не размягчают клеточные стенки [422]. При воздействии препарата Fungamil Super АХ /5/ плодовая оболочка приобретает вид плотного кожуха, имеет разломы, трещины на поверхности. Аналогичные изменения плодовых оболочек зерна характерны для действия препарата Pentopan 500 BG. Разнообразный вид зерновки после воздействия ферментных препаратов обусловлен их ферментным составом и активностью. При обработке зерна препаратом на основе фитазы /4/ наблюдается равномерное отслоение оболочки, как в случае с Целловиридином Г20х, она выглядит более размягченной [164].
Особенности изменения белково-протеиназного комплекса зерна в условиях применения ферментных препаратов целлюлолитического действия при замачивании
Нативное зерно тритикале отличалось от зерна пшеницы и ржи несколько повышенным содержанием восстанавливающих Сахаров. При замачивании зерна тритикале в воде количество восстанавливающих Сахаров за 12 часов возросло в 5,5 раз, а при применении ферментного препарата Целловиридин Г20х для замачивания зерна при оптимальных условиях для действия ферментного комплекса препарата (рН 4,5; температура 50 С) за 12 часов замачивания количество восстанавливающих Сахаров в пересчете на глюкозу увеличилось в 5,9 раз [132, 165].
Для оценки деструкции целлюлозосодержащего комплекса периферических частей зерновки с помощью жидкостного хроматографа Agilent 1100 был определен состав низкомолекулярных продуктов гидролиза в зерне пшеницы и тритикале после 12 часового гидролиза и зерне ржи после 16 часового замачивания с биокатализаторами на основе целлюлаз. Разделение смеси Сахаров проводили на анионообменной колонке с привитой аминофазой с последующим электрохимическим детектированием. В таблице 4.7 представлены результаты анализа продуктов гидролиза некрахмальных полисахаридов в зерне пшеницы.
Изменение матрикса клеточных стенок в периферийных частях зерновки злаковых культур под действием воды и целлюлолитических ферментных препаратов сопровождается нарушением химической структуры образуемой системы. Произошел гидролиз гликозидных связей в молекулах полисахаридов, частично разрушились узлы каркаса матрикса, образовались веществ с низкой молекулярной массой и высокой растворимостью.
Отсутствие в экстрактах зерна пшеницы целлобиозы говорит о том, что в результате гидролиза некрахмальных полисахаридов клеточных стенок под действием различных ферментных препаратов целлюлолитического действия не происходит накопления этого олигосахарида. Целлюлазы отечественных препаратов Целловиридина Г20х и на основе фитазы представляют собой слабо адсорбирующиеся на субстрате ферменты. В их состав входят эндоглюканаза и целлобиогидролаза, которые атакуют легкогидролизуемые аморфные участки целлюлозы.
Так как слабо адсорбирующиеся ферменты плохо гидролизуют кристаллическую целлюлозу, следует ожидать, что за 12 часов гидролиза аморфные участки подвергаются химическим преобразованиям. Образовавшаяся в результате гидролиза легкогидролизуемой целлюлозы целлобиоза, успевает за это время под действием целлобиогидролазы, входящей в состав ферментов и внутренних факторов зерна (собственных ферментов) разрушиться с образованием конечного продукта гидролиза глюкозы. В экстрактах зерна ржи целлобиоза присутствует (0,01-0,03 г/л). Ее количество определяется видом ферментного препарата. Наибольшее количество целлобиозы 0,03 г/л обнаруживается в экстракте зерна ржи, обработанного ферментным препаратом Fungamil Super АХ. Так как слабо адсорбирующиеся ферменты плохо гидролизуют кристаллическую целлюлозу, следует ожидать, что за 12 часов гидролиза аморфные участки подвергаются химическим преобразованиям. Образовавшаяся в результате гидролиза легкогидролизуемой целлюлозы целлобиоза, успевает за это время под( действием целлобиогидролазы, входящей в состав ферментов и внутренних факторов зерна (собственных ферментов) разрушиться с образованием конечного продукта гидролиза - глюкозы. В экстрактах зерна ржи целлобиоза присутствует (0,01-0,03 г/л). Ее количество определяется видом ферментного препарата. Наибольшее количество целлобиозы 0,03 г/л обнаруживается в экстракте зерна ржи, обработанного ферментным препаратом Fungamil Super АХ. 139 Содержание в экстрактах зерна пшеницы и ржи арабинозы (0,01-0,04 г/л) и ксилозы (0,01-0,02 г/л) свидетельствует о происходящих в цепях арабиноксилана биохимических процессах, обусловленных наличием в составе ферментного комплекса препаратов гемицеллюлаз, гидролизующих гликозидные связи. Содержание глюкозы в экстрактах зерна пшеницы и ржи уменьшается в вариантах с применением ферментных препаратов целлюлолитического действия(0,34-0,38 г/л для зерна пшеницы, и 0,92-0,95 г/л для зерна ржи) по сравнению с нативным зерном (0,43 г/л для зерна пшеницы и 1,09 г/л для зерна ржи). Вероятно, это связано с расходованием глюкозы в качестве дополнительного питания при эмбриональном- пробуждении зародыша. Исключение составляет вариант с использованием ферментного препарата Fungamil Super АХ. В экстрактах зерна пшеницы и ржи, обработанных этим препаратом, содержание глюкозы составило 0,49 г/л для пшеницы и 1,03 г/л для ржи. Высокое содержание глюкозы по сравнению с другими вариантами зерна, обработанными ферментными препаратами, обусловлено составом ферментного препарата. В состав Fungamil Super АХ входит а-амилаза, которая?корректирует процесс гидролиза крахмала эндосперма.
Количество фруктозы в экстрактах зерен также убывает в вариантах с использованием ферментных препаратов. Фруктоза также используется, как и глюкоза в процессах дыхания зерна. Процессы дыхания в зерне злаковых культур, как известно, интенсифицируются уже в условиях так называемой «критической влажности», которая для зерна пшениц составляет 13,6-14,2%, ржи- 12,5-13;8%, тритикале - 14,5-15,0%) [68, 141]. После замачивания зерна пшеницы-в течение 12 часов и зерна ржи в течение 16 часов влажность зерна достигает 40-42% и биохимические процессы к этому времени стабилизируются.
