Общая характеристика режимов.

Материалы предыдущих лекций были посвящены анализу взаимодействия живых организмов зерновой массы, представляющих систему с абиотической средой, окружающей зерно. Взаимосвязь между отдельными свойствами и процессами, протекающими в зерновой массе при хранении, их зависимость от основных факторов среды и комплексное воздействие на качество и состояние зерна определяют режимы хранения зерна.

Изучение зерновых масс как объектов хранения показало, что важнейшими факторами, влияющими на их состояние и сохранность, являются:

1) влажность зерновой массы и окружающей ее среды;

2) температура зерновой массы и окружающей ее среды;

3) доступ воздуха к зерновой массе (степень ее аэрации).

Эти факторы положены в основу режимов хранения зерновых масс. В мировом хозяйстве и у нас используют три следующих режима:

1) хранение зерновых масс в сухом состоянии, т.е. с влажностью до критической;

2) хранение зерновых масс в охлажденном состоянии, т.е. когда температура понижена до пределов, оказывающих значительное тормозящее влияние на все жизненные функции компонентов зерновой массы;

3) хранение зерновых масс без доступа воздуха, т.е. в герметическом состоянии.

В дополнение к этим трем режимам применяют различные технологические приемы, обеспечивающие сохранность зерновых масс. К ним относят сушку зерна, очистку от примесей, активное вентилирование атмосферным и искусственно охлажденным воздухом, обеззараживание, химическое консервирование, применение излучений.

Возможность применения того или иного режима хранения определяется климатическими условиями региона хранения зерна, типом зернохранилищ и их вместимостью, техническими возможностями предприятия, целевым назначением зерна и его качеством, экономической целесообразностью применения того или иного режима и отдельных приемов.

Так, в южных районах с сухим климатом целесообразно хранить в сухом состоянии, так как его влажность при уборке часто бывает ниже или в пределах критической. Не теряются затраты на сушку зерна. В условиях средней и северной полосы СНГ, где уборка урожая часто проходит в ненастную погоду и влажность зерна достигает 20-25 %, необходимо сушить или охлаждать зерно. Иногда наилучшей технологической и экономической эффективности достигают при комплексном применении режимов: сухое зерно хранят в охлажденном состоянии.

I. Хранение зерна в сухом состоянии базируется на принципе ксероанабиоза.

Режим хранения зерна в сухом состоянии основан на пониженной физиологической активности многих компонентов зерновой массы при недостатке в них воды. Зерно злаковых и бобовые с влажностью 12-14 %, не зараженные вредителями, при правильной организации хранения будут находится в состоянии анабиоза. Устойчивость зерновой массы с влажностью до критической объясняется тем, что физиологические процессы в ней проявляются в форме слабого дыхания, не имеющего практического значения. Влага в такой зерновой массе прочно связана с веществами зерна и недоступна для микроорганизмов, вредителей и для активизации ферментов зерна. В сухой зерновой массе из-за недостатка влаги прекращается развитие клещей и жизнедеятельность некоторых насекомых. Таким образом, зерновая масса с влажностью 12-14 %, не имеющая признаков заражения вредителями-насекомыми, при правильной организации хранения в складе или элеваторе будет находится в анабиотическом состоянии. Режим хранения зерна в сухом состоянии наиболее приемлем для долгосрочного хранения зерновых масс. Опыт показал, что зерновые массы, хорошо подготовленные к хранению (очищенные от примесей, обеззараженные и охлажденные) можно хранить без перемещения в силосах элеваторов 2-3 года и в складах 4-5 лет.

Надежность режима хранения зерна в сухом состоянии привела к широкому распространению в мировой практике и в нашей стране различных методов сушки зерна для снижения его влажности перед закладкой на хранение.

Продолжительность высушивания и эффект влагоотдачи зависят как от самого объекта сушки (семян той или иной культуры), так и от состояния и свойств агента сушки, т.е. той среды, которая обладает значительной влагоемкостью.

Установлено, что влагоотдающая способность семян различна. Она зависит не только от их размеров, но и анатомических особенностей. При всех прочих условиях зерно гречихи обладает большей влагоотдающей способностью, чем зерно пшеницы, которое в свою очередь обладает большей влагоотдающей способностью, чем зерно кукурузы.

Наиболее низкой влагоотдающей способностью обладают семена бобовых и среди них кормовых бобов (в 5-7 раз медленнее, чем пшеницы). Чем плотнее и менее пористы оболочки и остальные части зерновки или семени, тем меньше их влагоотдающая способность. На это свойство влияют и размеры семени. У крупных семян масса их содержимого, приходящаяся на единицу поверхности (через которую испаряется влага), значительно больше, чем у мелких.

Влагу удаляют одним из следующих приемов: применение в качестве агента сушки нагретого воздуха или смеси топочных газов с воздухом – тепловой метод сушки; использованием сухого воздуха атмосферы, т.е. воздуха с низкой относительной влажностью – метод воздушной сушки; обогреванием зерновой массы солнечными лучами – метод солнечной сушки.

Биохимические изменения. При хранении зерна в сухом состоянии, при котором отсутствуют видимые проявления жизни, обозначено как анабиоз. Различают анабиоз полный и неполный, при котором процессы обмена веществ в организме протекают очень слабо. По отношению к зерну и семенам масличных культур применяют еще термин «хозяйственный анабиоз», т.е. неполный анабиоз, в состоянии которого семена сохраняют свои хозяйственные качества как посевной материал и как сырье для переработки.

При оптимальных условиях зерно может сохранять свои свойства в течении 10 лет. Проведенными исследованиями установлено, что после длительного хранения в зерне пшеницы не изменилось содержание белка, так как дыхательный газообмен был слишком мал, чтобы повлиять на содержание углеводов и тем самым изменить соотношение этих компонентов. Практически не изменилось содержание суммы глобулинов и общее содержание жира. Вместе с тем заметно повысилось количество свободных жирных кислот.

При хранении овса не обнаружено заметного изменения содержания глюкозы, фруктозы, мальтозы и сахарозы.

Исследование липидной фракции показало, что наблюдаются ее окислительные изменения, снижается количество каротиноидных пигментов и токоферолов. При длительном хранении зерна снижается всхожесть вследствие естественных процессов старения организма. Прекращается транскипция РНК и репликация ДНК. Зародыш овса, хранившегося в течение семи лет, проявляет пониженную способность к синтезу простых белков.

Длительное хранение (60-80 лет) вызывает денатурацию белка.

Влияние тепловой сушки на микрофлору зерна и вредителей хлебных запасов. Многочисленные исследования показали: не оказывает существенного стерилизующего действия, т.е. не приводит к массовой гибели организмов. В результате тепловой сушки происходят лишь некоторые изменения в количественном и качественном составе микрофлоры и ее состоянии. Эти изменения зависят от исходной влажности зерна, состояния самой микрофлоры (наличия вегетативных клеток или спор), температуры агента сушки, температуры и продолжительности нагревания зерновых масс.

Сушку всех партий зерна нормального качества со свойственной ему эпифитной микрофлорой следует рассматривать как процесс, в результате которого повышается концентрация субстрата (зерна) и удаляется свободная вода, в связи с чем понижается жизнедеятельность зерна и микроорганизмов.

При сушке зерна с активным развитием микроорганизмов и началом самосогревания, обильная микрофлора в значительной степени подвергается действию агента сушки и, следовательно, наблюдается сильное снижение общей численности микроорганизмов, в том числе плесневых грибов.

При достижении температуры агента сушки 400 °С количество бактерий снижается в 3 раза. Такое снижение происходит не только в результате тепловых воздействий, но и удалением микроорганизмов с поверхности зерна потоками агента сушки.

Значительно большее влияние оказывает тепловая сушка на клещей и насекомых, находящихся в зерновой массе.

Кроме указанных приемов, зерно сушат, используя в качестве сорбентов хлористый кальций, сульфат натрия, силикагель и другие вещества, обладающие большой сорбционной способностью. Известна тепловая сушка с применением вакуума, сушка токами высокой частоты, инфракрасными лучами и искусственно охлажденным и обезвоженным воздухом. Однако эти способы распространены еще ограниченно.

Обязательным условием применения любого способа сушки является сохранение всех технологических качеств зерна, а в посевном материале – и его жизнеспособности. Поэтому любую сушку надо проводить с учетом физических свойств зерновой массы.

Основным способом сушки зерна в системе хлебопродуктов, в АО и совхозах является тепловая. В сельском хозяйстве также распространена воздушно-солнечная и химическая сушка (с использованием сульфата натрия).

Тепловая сушка.

Предельно допустимая температура нагрева зерна и агента сушки зависит от многих причин: 1) род зерна; 2) целевое назначение зерна; 3) исходная влажность зерновой массы; 4) конструкция зерносушилок.

1) Семена разных культур обладают различной термоустойчивостью. Так, при сушке ржи продовольственного назначения допустимая температура нагрева зерна – 60 °С, у пшеницы – 50 °С. Для фасоли – 30 °С, у которой при сушке легко теряется прочность оболочки. Повышение температуры нагрева зерна риса и кукурузы приводит к образованию в зерновке трещин.

2) Целевое назначение – для партий посевного материала для сохранения жизнеспособности семян применяют более легкие режимы сушки. Температура нагрева семян в зависимости от их рода, исходной влажности и типа зерносушилок колеблется в пределах 25-30-48 °С.

3) Температура агента сушки и нагрева зерна зависит от его исходной влажности, так как с увеличением содержания свободной воды в зерне снижается его физическая и технологическая термоустойчивость. Это положение приводит к необходимости в начальный период процесса сушки применять более мягкие режимы.

4) Большое значение в установлении режимов сушки имеет конструкция зерносушилок, время пребывания в сушильной камере зерна.

При использовании зерносушилок зерновая масса перед сушкой должна быть очищена от примесей и однородна по влажности. Необходимо помнить, что, проводя тепловую сушку в зерносушилках, не следует его пересушивать, т.е. удалять влаги больше, чем это рекомендуется для хранения. Избыточное удаление влаги технологически не оправдано и лишь значительно удорожает процесс сушки.

В сельском хозяйстве распространены сушилки трех типов: шахтные, барабанные и напольные.

II. Хранение зерна в охлажденном состоянии.

Основано на том, что при пониженных температурах жизнедеятельность зерна основной культуры, семян сорных растений, микроорганизмов, насекомых и клещей резко снижается или приостанавливается совсем. Благодаря низкой теплопроводности зерновой массы ее охлажденное состояние можно сохранить в течение года в элеваторах и более шести месяцев в складах.

Консервирующее действие на зерновую массу оказывает температура около 10-5 °С.

Этот режим стремятся применять во всех странах, где только возможно достаточное естественное охлаждение.

Если учесть, что зерновая масса любого состояния по влажности хорошо сохраняется и при температурах выше нуля (5-10 °С), то можно на большей территории России хранить зерно почти весь год при пониженных температурах. Кроме того, применение активного вентилирования позволяет эффективно использовать для этого перепады температуры воздуха в течение суток.

Хранение в охлажденном состоянии является одним из средств, обеспечивающих сокращение потерь зерна. Даже при хранении сухого зерна его охлаждение дает заметный дополнительный эффект и увеличивает степень консервирования сухой зерновой массы.

В зависимости от влажности и температуры зерновой массы предельные сроки ее благополучного хранения без применения каких-либо методов обработки резко различны. (Бесспорно, охлаждение зерновой массы во время уборки в средней полосе при температуре зерна 25-40 °С, а температура в ночные часы снижается до 12-15 °С, то, используя активное вентилирование в ночное время позволяет снизить температуру до ~15 °С и тем самым повысить устойчивость при хранении, это мероприятие особенно важно для предотвращения быстрого развития в зерновой массе вредителей.)

Отмечено, что при хранении влажного зерна в охлажденном состоянии могут выживать полевые грибы и даже размножаться вместе с плесенями в течение ~7 месяцев периода хранения.

Для уменьшения количества плесневых грибов в конце хранения исходное количество должно быть небольшим, а условия хранения должны быть неблагоприятны для микроорганизмов. Для этого необходима температура около 3-5 °С. При этой температуре и влажности зерна ячменя 19-22 % рост интенсивности грибов в хранилище был минимальным и не превышал 2-7 % в течение 5-7 месяцев. Поэтому в этих условиях возникновение самосогревания за счет роста грибного мицелия проблематично. Однако после первоначального охлаждения зерна требуется еще периодическое охлаждение, чтобы не возникла угроза самосогревания.

Из амбарных вредителей устойчивостью к низким температурам обладают хлебные клещи. Мучной клещ и обычный волосатый клещ встречаются в тонком слое зерна в Канаде при колебании температур от 1 до -18 °С. Однако снижение температуры до 0-5 °С исключает сильную зараженность вороха зерна. Насекомые в этот период сохраняются лишь в виде личинок и куколок, которые не могут мигрировать, а лишь сохраняются весь период хранения.

Отмечено, что клещи лучше сохраняются и выживают в верхних слоях зерна. При исследовании силосов элеватора установлено, что на глубине 0,6 м в 1 кг зерна было ~4000 при влажности 19-20 % и температуре 11 °С, а на глубине 5 м ~60 при тех же условиях.

Следовательно, охлаждение зерновой массы снижает возможность развития амбарных вредителей, и, естественно, качество зерна.

Поэтому на большей части СНГ можно создавать условия хранения зерна в охлажденном состоянии, применяя активное вентилирование и используя суточные перепады температуры. Охлаждение используют для временного хранения партий сырого и влажного зерна. Охлаждение дает дополнительный консервирующий эффект при хранении сухой зерновой массы.

В системе хлебопродуктов принято считать охлажденными только партии с температурой в насыпи не более 10 °С.

Охлаждение до 0° или небольшой минусовый (-5 °С) также обеспечивает его сохранность. Более значительное охлаждение (промораживание) технически не оправдано и экономически невыгодно, так как может вызвать снижение всхожести зерна с повышенной влажностью при температуре 10-12 °С. Кроме того, чрезмерное охлаждение не позволяет избежать верхового самосогревания зерновой массы, возникающего из-за резкого перепада температур в ее насыпи при переходе с зимних на весенне-летние условия.

Способы охлаждения зерна: пассивное и активное.

Пассивное охлаждение применяют для всех партий зерна, когда температура воздуха ниже температуры зерновой массы.

При этом способе температуру зерновой массы снижают, проветривая зернохранилища, устраивая приточно-вытяжную вентиляцию.

На хлебопекарных предприятиях зерно охлаждают, открывая окна, двери в складах, в башне, надсилосном и подсилосном помещениях элеватора.

Пассивное охлаждение медленно, постепенно, послойно охлаждает зерновую массу, так как воздух циркулирует у поверхности насыпи, а зерновая масса обладает плохой тепло- и температуропроводностью.

Для него используют естественную приточно-вытяжную вентиляцию.

Пассивное охлаждение рекомендуют лишь для зерна сухого и средней сухости. Медленное охлаждение зерновой массы с повышенной влажностью и значительной температурой (20 °С и более) при высоте слоя более 1 м не ликвидирует опасность самосогревания. Это необходимо учитывать в практической работе.

Несмотря на недостатки этого метода, он принят во всей системе заготовок, т.к. при наличии огромных масс зерна он всегда приносит значительную пользу, не требуя при этом расхода механической энергии и больших затрат труда.

Активное охлаждение – это «перелопачивание», пропуск зерна через нории, зерноочистительные машины, сушилки, конвейеры и активное вентилирование.

Перелопачивание – старый и примитивный метод охлаждения. Зерновую массу перебрасывают с одного места на другое лопатами из дерева, фанеры или легкого металла. Оно применимо лишь в крайних случаях, когда нет возможности охладить зерно более совершенными и экономически более выгодными средствами. Значительно больший эффект охлаждения, с меньшими затратами труда дает перемещение зерновых масс на транспортерах, при помощи последовательно установленных конвейеров, или через зерноочистительные машины, снабженные вентиляторами. При этом чем длиннее путь движения зерна, тем больше оно соприкасается с воздухом и тем интенсивнее охлаждается. Перемещение зерна транспортирующими механизмами должно проводиться в условиях, обеспечивающих наибольший доступ холодного воздуха. При хранении зерна в силосах элеватора зерно перемещают из одного силоса в другой с пропуском через зерноочистительные машины.

Возможно комбинированное охлаждение зерновых масс на транспортерах с одновременным использованием зерноочистительных машин.

Наиболее прогрессивный метод охлаждения – активное вентилирование зерна. Это принудительное продувание воздухом зерновой массы. находящейся в покое, т.е. без перемещения. Воздух, нагнетаемый вентиляторами, вводится в зерновую массу через систему каналов или труб и пронизывает ее в различных направлениях.

Активное вентилирование основано на скважистости зерновой массы. При правильной и достаточной по объему подаче воздуха может быть обеспечена полная многократная смена воздуха межзерновых пространств. Зная состояние зерновой массы, ее физические свойства, а также свойства нагнетаемого воздуха, можно достичь весьма благоприятных результатов. Так, применяя холодный воздух, можно очень быстро. за несколько часов, охладить всю зерновую массу и тем самым ее консервировать. Это особенно важно, если надо ликвидировать процесс самосогревания. Используя сухой воздух с различной температурой, можно снизить относительную влажность воздуха межзерновых пространств и даже подсушить зерно, что также понизит его физиологическую активность. Периодическое продувание семенного зерна способствует сохранению его всхожести, а продувание свежеубранного зерна сухим теплым воздухом – его послеуборочному дозреванию.

Применяя активное вентилирование, можно также обеспечить предпосевной тепловой обогрев семян. Используя установки для активного вентилирования, можно при необходимости легко и быстро осуществить дегазацию зерновых масс после их обработки фумигантами, а некоторые установки – даже для частичного обеззараживания. Охлаждение зерновых масс активным вентилированием имеет еще одно преимущество: исключается травмирование зерна, что всегда происходит во время пропуска зерновых масс через зерноочистительные машины.