Лекция 4: Физиологические процессы, происходящие в зерне

План

1.Дыхание зерна. Критическая влажность зерна. Газообмен в зерне

2.Послеуборочное дозревание. Долговечность зерна

3. Прорастание зерна

1. Нормальный процесс жизнедеятельности зерна и семян при хранении — дыхание. Кроме того, в свежеубранных семенах идут биохимические процессы, получившие по их практи­ческой значимости (физиологической и технологической) назва­ние послеуборочного дозревания. Наконец, при неправильной организации хранения зерновых масс наблюдается единичное или массовое прорастание зерен.

Зерна и семена для поддержания жизни получают необхо­димую им энергию в процессе диссимиляции запасных органиче­ских веществ, главным образом сахаров. Расходуемые сахара пополняются в результате гидролиза или окисления более слож­ных запасных веществ. В зернах, богатых крахмалом, последний расщепляется при участии ферментов до сахаров, в семенах масличных жиры (входящие в них жирные кислоты) окисляются до сахаров.

Диссимиляция сахаров (гексоз) происходит аэробно, то есть окислением, или анаэробно. С точки зрения организации хране­ния зерновых масс существенный интерес представляет изучение преобладающего вида диссимиляции, влияния процессов дисси­миляции на качество и состояние зерновых масс и факторов, влияющих на интенсивность процессов диссимиляции.

Виды дыхания.При хранении зерна и семян наблюдаются оба вида диссимиляции, конечный результат которой суммарно выражен следующими уравнениями:

С6H12Об + 60₂ = 6С0₂ + 6Н₂0 + энергия (2763,4 кДж); С₆Н₁₂О_б = 2С0₂ + 2С₂Н₅ОН + энергия (114,8 кДж).

Первое характеризует аэробный процесс диссимиляции — аэробное дыхание, когда наблюдается полное окисление гексозы (глюкозы) с выделением исходных продуктов фотосин­теза — диоксида углерода и воды. Второе — типичное уравнение спиртового брожения, то есть анаэробного процесса, когда гексоза расщепляется с образованием такого малоокислен-ного органического продукта, как этиловый спирт. При доста­точном доступе воздуха в зерне и семенах преобладает процесс аэробного дыхания, однако им свойственно и анаэробное дыха­ние, которое иногда рассматривают как приспособительный процесс зерна и семян к неблагоприятным условиям окружаю­щей среды.

Представление о типе дыхания можно получить по дыхатель­ному коэффициенту ДК = С0₂:0₂. При полностью аэробном дыхании, протекающем по первому уравнению, дыхательный коэффициент равен 1. При анаэробных процессах увеличивается количество выделяемого диоксида углерода (без потребления кислорода воздуха). Если часть кислорода семена расходуют не только непосредственно в процессе дыхания по приведенному первому уравнению, но и на другие нужды, например на окисле­ние жиров, дыхательный коэффициент меньше единицы. Это ха­рактерно для семян масличных культур. Величина дыхательного коэффициента у зерна злаковых и семян бобовых культур при хранении всегда больше единицы при низкой влажности зерна, приближается к единице у зерна влажностью 16...17 % и меньше единицы при влажности более 17 %.

Следствие дыхания.В результате диссимиляции в отдельных зернах и зерновой массе происходят следующие существенные изменения: потеря массы сухих веществ зерна; увеличение коли­чества гигроскопической влаги в зерне и повышение относитель­ной влажности воздуха межзерновых пространств; изменение состава воздуха межзерновых пространств; выделение тепла.

При окислении и разложении гексоз (главным образом глю­козы) происходит невозвратимая потеря сухих веществ зерна или семени. Величина данных потерь зависит от интенсив­ности дыхания. Поэтому изучение факторов, влияющих на интенсивность этого процесса, представляет большой интерес для организации борьбы с потерями физической массы.

Вода, выделяющаяся при дыхании, чаще всего удерживается зерном и зерновой массой, увеличивается ее влажность, что, в свою очередь, приводит к более интенсивному газообмену и создает предпосылки для развития микроорганизмов. Влагонасы-щенность воздуха межзерновых пространств может возрастать до предела и приводить к образованию конденсационной влаги на поверхности зерен — их «отпотеванию». Такие явления особенно характерны для свежеубранной зерновой массы с повы­шенной физиологической активностью.

Паровоздушная среда в зерновой массе при хранении претер­певает и другие изменения. В результате дыхания зерна выде­ляется диоксид углерода. Если хранящуюся зерновую массу не перемещают, то диоксид углерода как более тяжелый частично задерживается в межзерновых пространствах. Это отчетливо наблюдается во внутренних участках больших насыпей и особен­но в достаточно герметичных хранилищах. В зерновой массе создаются условия, вынуждающие клетки зерен и другие орга­низмы, способные к анаэробиозу, переходить на данный вид дыхания.

Продукт анаэробного дыхания — этиловый спирт. Он угне­тающе действует на жизненные функции клеток и приводит к потере жизнеспособности зерна.

В процессе диссимиляции освобождается энергия. При аэроб­ном дыхании полностью окисляется глюкоза с выделением тепла 2763,4 кДж на грамм-молекулу глюкозы. При анаэробном дыха­нии его выделяется всего 114,8 кДж, так как в этом случае глю­коза не расщепляется полностью до воды и диоксида углерода. В покоящихся зернах и семенах почти все тепло выделяется в окружающую среду. Образующееся в зерновой массе тепло вследствие ее плохой теплопроводности может задерживаться в ней и приводить к самосогреванию.

Таким образом, при дыхании зерна происходят потери массы сухого вещества, увеличивается влажность зерновой массы, изменяется состав воздуха межзерновых пространств и накапли­вается тепло. Все это приводит к необходимости организации хранения зерновых масс в условиях, сокращающих до минимума процессы дыхания.

Факторы, влияющие на интенсивность дыхания.Исходя из уравнений дыхания, интенсивность процесса выражают несколь­кими показателями: потерей массы сухих веществ (в миллиграм­мах или процентах); количеством тепла, выделяемого при дыха­нии (калориметрически); количеством поглощенного кислорода или выделенного диоксида углерода. Чаще всего интенсивность дыхания зерновой массы характеризуют количеством диоксида углерода (в миллиграммах или миллилитрах), выделенного 100 и 1000 г сухого вещества зерна за 24 ч. Для определения интен­сивности дыхания используют различные аппараты.

Интенсивность дыхания зерна и семян всех культур при хра­нении закономерно зависит от одних и тех же факторов, которые разделяют на две группы: влияющие на интенсивность дыхания в любой зерновой массе (к ним относят влажность, температуру и степень аэрации зерновой массы); имеющие существенное значение только при хранении отдельных партий зерна и выте­кающие из их специфических особенностей.

Критическая влажность зерна и семян. Чем зерно влажнее, тем интенсивнее оно дышит. Интенсивность дыха­ния очень сухих зерен (пшеницы, ржи, ячменя, овса, кукурузы и бобовых влажностью до 11...12% и высокомасличных влаж­ностью 4...5 %) ничтожна. Наоборот, очень сырое зерно (влаж­ностью более 30 %) и семена масличных (влажностью более 15...20 %), находящиеся в неохлажденном состоянии при свобод­ном доступе воздуха, теряют 0,05...0,2 % сухих веществ в сутки.

Такое положение хорошо объяснимо. Только при появлении в зерне или семенах свободной влаги резко возрастают актив­ность гидролитических и дыхательных ферментов, интенсивность дыхания, а следовательно, и расход сухих веществ.

Влажность, при которой в зерне появляется свободная влага и резко возра­стает интенсивность дыхания зерна и семян, называют крити­ческой.

Если выразить интенсивность дыхания зерна различных куль­тур в осях координат (при постоянной температуре 20 °С), то каждая из полученных кривых состоит как бы из двух частей: первая идет почти параллельно оси абсцисс с постоянным не­большим удалением от нее, вторая резко поднимается вверх. Переломная точка кривых совпадает с появлением в зернах и семенах свободной влаги и характеризует величину критиче-

ской влажности. Впервые такие кривые получили и объяснили профессора А. Р. Кизель и В. Л. Кретович (рис. 23) и американ­ский профессор Ч. Бэйли.

Величина критической влажности зерна и семян различных культур смещается в осях координат главным образом в связи с особенностями их химического состава (рис. 24), так как гра­ница появления свободной воды зависит от массы гидрофильных коллоидов. Если содержание гидрофильных коллоидов в зернах и семенах принять за 100 %, исключив из их массы часть, приходя­щуюся на жиры, то уровень критической влажности для зерен и семян любой культуры почти одинаковый (13...15%). На ри­сунках 25 и 26 приведены данные, характеризующие зависи­мость между влажностью семян масличных культур, количеством в них жира и интенсивностью дыхания. Величины критической влажности зерна и семян различных культур следующие (%):

Зерно и семена основных злаковых культур влажностью до 14 % (ниже критической) устойчивы. Их можно хранить в насы­пи большой высоты (до 30 м и более). Зерно средней сухости, находящееся на грани критической влажности, дышит примерно в два — четыре раза интенсивнее сухого, но у него малый газо­обмен, поэтому такое зерно достаточно устойчиво при хранении. Влажное зерно дышит в четыре — восемь раз интенсивнее сухо­го, сырое (влажностью свыше 17 %) — в 20..,30 раз энергичнее сухого. По мере дальнейшего увлажнения зерна и накопления в нем свободной воды интенсивность дыхания нарастает. Приводи­мые почти всеми авторами данные о большой интенсивности дыхания зерна и семян при высокой влажности, в сущности, характеризуют суммарную интенсивность дыхания зерновой массы, так как в данных условиях активно дышат и размножа­ются микроорганизмы.

Состав газовой среды. Интенсивность и характер. дыхания зерна и семян находятся в прямой зависимости от со­става окружающей газовой среды. Только в присутствии кисло­рода возможно их нормальное (аэробное) дыхание. Это прежде всего относится к семенам с влажностью, близкой к критической или выше ее. На жизнеспособность сухого зерна существенно не влияют даже большие концентрации диоксида углерода и полное отсутствие кислорода. Интенсивность дыхания у такого зерна ничтожно мала, и в его клетках почти не образуется про­дуктов анаэробного распада.

При длительном хранении зерновых насыпей без перемеще­ния и искусственного продувания в межзерновых пространствах иногда создаются условия для накопления диоксида углерода и потери кислорода. Это зависит от степени герметичности хра­нилища. Состав газовой среды чаще изменяется в зерновых массах, хранящихся *во внутренних силосах элеватора, соору­женных из монолитного железобетона, а также в фундаменталь­ных складах из камня, кирпича и железобетона с плотными полами (асфальтовыми и подобными им).

Таким образом, зерновые массы (основных зерновых и бобо вых) влажностью ниже крити­ческой на 2...3 % довольно дли­тельное время (до года) сохра­няют всхожесть и энергию про­растания без обмена состава воздуха в межзерновых про­странствах. Зерновые массы влажностью, близкой к крити­ческой и выше, при недостатке кислорода теряют посевные ка­чества в первые месяцы хра­нения (рис. 29).

Из факторов, имеющих зна­чение для отдельных партий зерна, необходимо отметить ботанические особенности, зре­лость, выполненность и круп­ность зерен, наличие травмиро­ванных и проросших зерен. В пределах уравненной крити­ческой влажности интенсивность дыхания зерна кукурузы, сорго, проса, овса и семян подсолнечника большая, чем зерна пшеницы, ржи, ячменя и семян бобовых культур. Некоторые отклонения существуют даже в пределах рода: зерно мягкой мучнистой пше­ницы дышит более энергично, чем зерно стекловидной и тем более твердой.

Примесь в партии зерна недозрелых зерен (зеленых, моро-зобойных и т. д.) резко увеличивает интенсивность дыхания даже при их низкой влажности. У щуплых зерен повышенная интенсивность дыхания по сравнению с нормально выполненны­ми. Повышенный газообмен свойствен травмированным и битым зернам, проросшим или начинающим прорастать. Таким образом, все зерновые массы, содержащие зерна и семена с указанными отклонениями, характеризуются повышенной интенсивностью ды­хания и менее стойки при хранении. Интенсивность дыхания семян сорных растений зависит от всех факторов, влияющих и на основное зерно.

2.При правильном хранении в зерновой массе не происходят нежелательные физиологические процессы, а, напротив, в первый период хранения свежеубранного зерна происходит его дальнейшее дозревание, которое заключается в повышении жизнеспособности семян, их всхожести и энергии прорастания. Отмечается также улучшение технологических качеств в небольших пределах: повышается качество сырой клейковины в зерне пшеницы, увеличивается выход масла при переработке маслосемян. Комплекс сложных биохимических процессов в зерне и семенах при хранении, приводящих к улучшению их посевных и технологических качеств, получил название послеуборочного дозревания.

В процессе послеуборочного дозревания происходят уменьшение содержания в зерне водорастворимых веществ, постепенное снижение активности ферментов, сокращение интенсивности дыхания, а также синтез сложных химических веществ (белков, крахмала, жиров). В результате зерно становится физиологически зрелым и вступает в состояние покоя, приобретая повышенную устойчивость при хранении. Послеуборочное дозревание происходит только в том случае, если синтетические процессы в семенах преобладают над гидролитическими. А для этого необходимо, чтобы зерно находилось в сухом состоянии (с влажностью ниже критической). Это главное условие для нормально протекающего процесса дозревания. В свежеубранном зерне с повышенной влажностью преобладание процессов гидролиза приводит не к уменьшению физиологической активности, а к ее дальнейшему росту. Семена не только не улучшают своих посевных качеств, но могут и снизить их. Послеуборочное дозревание в таких партиях зерна не происходит.

Важнейшим условием, обеспечивающим процесс послеуборочного дозревания, является также температура. Семена дозревают только в условиях положительной температуры и наиболее интенсивно при 15-30 ^оС. Поэтому в первый период хранения сухие свежеубранные семена не следует значительно охлаждать. Наиболее интенсивно послеуборочное дозревание протекает при активном доступе воздуха к семенам. Недостаток кислорода и накопление в зерновой массе диоксида углерода замедляют дозревание. При благоприятных условиях хранения процесс послеуборочного дозревания семян основных злаковых культур заканчивается в течение полутора-двух месяцев.

При организации хранения зерновых масс, прежде всего, возни­кает вопрос о возможных сроках их хранения.

Период, в течение которого зерно и семена сохраняют свои по­требительные свойства (посевные, технологические и продовольст­венные) называют долговечностью. Различают долговечность биологическую и хозяйственную. Под первой понимают тот промежуток времени, в течение которого в пар­тии или пробе сохраняются способными к прорастанию хотя бы единичные семена.

Большее значение для практики имеет хозяйственная долговеч­ность, т. е. тот период хранения семян, в течение которого их всхожесть остается кондиционной и отвечает требованиям госу­дарственного нормирования.

Технологическая долговечность — срок хранения товарных пар­тий зерна, обеспечивающий их полноценные свойства для исполь­зования на пищевые, кормовые или технические нужды.

Долговечность зерна и семян зависит от многих факторов, основ­ные из которых — принадлежность их к тому или иному ботаниче­скому виду, условия обработки (очистка, сушка, протравливание и т. д.) и хранения.

Большинство семян сельскохозяйственных растений относится к группе мезобиотиков, т. е. сохраняют всхожесть при благоприят­ных условиях хранения в течение 5—10 лет. Однако высокую всхо­жесть партии семян сохраняют чаще всего 3—5 лет.

Долговечность технологическая обычно значительно больше долговечности биологической и хозяйственной. Так, оценка мукомольно-хлебопекарных качеств партий пшеницы и ржи, хранив­шихся в складах от 7 до 10 лет, показала, что выход муки, расход энергии при помоле и качество печеного хлеба из зерна такого «возраста» не отличаются от показателей, полученных при перера­ботке зерна с малыми сроками хранения.

Можно считать также установленным, что сохранность мукомольно-хлебопекарных качеств зерна при долгосрочном хранении зависит от его исходных свойств и признаков. Так, сорта мягкой стекловидной пшеницы обладают большей устойчивостью, чем сорта мучнистые. Хорошо дозревшие партии зерна, подвергав­шиеся мягким режимам сушки и охлаждения, выдерживают 10-лет­ний и больший срок хранения без существенных изменений мукомольно-хлебопекарных качеств. Различные резкие воздействия (тем­пературные, механические и т. д.) способствуют старению зерна.

3. Прорастание. При хранении зерна и семян следует исключить их прорастание, которое совершенно недопустимо, так как сопровождается полной утратой семенных качеств и резким ухудшением технологических достоинств вследствие активного гидролиза запасных питательных веществ.

Прорастание (появление зародышевых корешков и зародышевого стебелька) сопровождается усиленным дыханием, выделением тепла, потерей массы сухого вещества (в течение 5 суток после начала прорастания зерно хлебных злаков теряет 4-5 % сухого вещества). Зерно при этом приобретает солодовый запах и сладкий вкус, то есть утрачивает свою свежесть.

Прорастание становится возможным в результате накопления зерном капельно-жидкой влаги (не менее 50 % от массы зерна), которая поступает в зерновую массу при нарушении правил перевозки и хранения (негерметичное хранилище: попадание в него атмосферных осадков через неисправную крышу, доступ грунтовых и талых вод через пол). Также капельно-жидкая влага образуется как конденсат при перепадах температур в различных участках зерновой массы вследствие явления термовлагопроводности – переноса влаги с потоками тепла (из теплых участков в холодные). Все эти процессы нельзя допускать при хранении зерна.

Литература:

1.Манжесов В.И., Попов И.А., Щедрин Д.С. Технология хранения растениеводческой продукции: учебное пособие. - Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ, 2009. - 249 с.

2.Вобликов Е.М. Технология элеваторной промышленности.- Санкт-Петербург: Лань, 2010. — 384 с.

3.Трисвятский Л.А., Лесик Г.В., Кудрина В.Н. Хранение и технология сельскохозяйственной продукции. - М.: Агропромиздат,1991. -415с.

4.Личко Н.М. Стандартизация и подтверждение соответствия сельскохозяйственной продукции.-М.: ДеЛи плюс, 2013.- 512с.