Страница:
Сорбция – поглощение водяных паров и газов телами. Зерно всех культурных растений, семена сорняков и вся зерновая масса способны интенсивно поглащать или, как принято говорить, сорбировать (от лат. sorbere – поглощать) различные газы и пары. Сорбционные свойства зерна высокие, что объясняется его капиллярно-пористой структурой и способностью отдельных биохимических веществ зерна поглощать и удерживать строго определенное количество воды. Система макро– и микрокапилляров зерна с высокой активностью стенок капилляров обеспечивает интенсивное поглощение и удерживание молекул воды.
Наибольшей гигроскопичностью в зерне пшеницы обладает зародыш, затем оболочка и эндосперм. Щуплые и мелкие зерна обладают большей гигроскопичностью, чем выполненные, крупные. Это связано с тем, что отношение зародыша к размеру зерновки и отношение площади поверхности к массе зерна у щуплых и мелких зерен значительно больше. Битые и деформированные при обмолоте зерна также обладают повышенной гигроскопичностью.
Из-за высокой сорбционной способности зерновых масс хранить их в помещениях, где находятся пахучие вещества, нельзя. Следует своевременно проводить очистку партий зерна, в которых обнаружены корзинки полыни, дикого чеснока, кориандра и др.
Гигроскопичность зерновых масс, т. е. способность поглощать и отдавать пары воды – одно из его важнейших физико-химических свойств, учитываемых при хранении зерна и семян.
Зерно и зерновая масса способны поглощать или отдавать пары воды, происходит процесс сорбции или десорбции влаги. Это явление получило название гигроскопичности. Десорбция воды происходит, если парциальное давление водяного пара в непосредственной близости от поверхности зерна больше, чем в окружающем воздухе. Скважистость зерновой массы, обеспечивающая ее проницаемость, дает возможность каждому зерну принимать активное участие в процессах сорбции и десорбции.
Процессы сорбции и десорбции воды находятся у зерна в состоянии динамического равновесия. Каждому значению парциального давления водяного пара, находящегося в воздухе, и температуры соответствует определенное количество сорбируемой или десорбируемой воды. Сухое зерно поглощает водяные пары до тех пор, пока не наступит так называемое гигроскопическое равновесие, т. е. прекратится обмен влаги между зерном и воздухом. Установившаяся влажность зерна при данных параметрах влажности и температуры воздуха называется равновесной.
Равновесная влажность для злаковых культур и гречихи колеблется в пределах 7-36 %. При относительной влажности 60–70 % и температуре воздуха 20 є С зерно пшеницы имеет влажность 13,4-14,8 % и будет сухим (табл. 6).
Таблица 6
Равновесная влажность зерна различных культур при температуре 12 – 25 є С, % на сырую массу (по данным Б. А. Кригер)
* Равновесная влажность при температуре 20 є С.
У гречихи наблюдается неравномерное распределение влаги в ее морфологических частях. Так, при относительной влажности воздуха 75–77 % влажность гидрофильной части целого зерна составляет 15,6-15,9 %, а влажность гидрофильных каллоидов зародыша достигает 16,5-17,0 %. Повышенная влажность гидрофильных коллоидов зародыша по сравнению с плодовой оболочкой объясняется различиями в химическом свойстве. В ядре содержится гидрофильного белка в 4,5 раза выше, чем в плодовой оболочке. Эту закономерность в распределении влаги в анатомических частях гречихи следует учитывать при закладке ее на хранение. Гречиху на длительное хранение с влажностью более 13,0-13,55 % засыпать не следует.
С явлением сорбции и десорбции зерном, колосом и соломой влаги во время уборки урожая зерновых культур сталкивается в поле комбайнер. Так, если в ночные часы выпадает роса, то хлебные валки за ночь впитывают влагу, становятся не пригодными для обмолота, но в хорошую погоду по истечении некоторого времени они подсыхают и уборка продолжается.
Исследования влажности зерна, взятого в различное время из бункера комбайна, также говорят об этом (табл. 7).
Таблица 7
Влияние времени суток в период уборки урожая пшеницы на количество зерна различной влажности
При одной и той же относительной влажности и температуре воздуха зерно различных культур имеет различную влажность, что непосредственно связано с его химическим составом и гидрофильностью входящего в его состав белка.
Особенно заметными эти различия становятся при высокой влажности воздуха. Так, при относительной влажности воздуха 85 %, равновесная влажность зерна кукурузы составляет 18,1 %, а гороха, богатого белком, – 19,0 %.
С сухим веществом зерна и семян выявлены различные формы связи воды. На основе термодинамического принципа о формах связи воды, предложенного П. А. Ребиндером, сухие коллоиды поглощают первые порции воды с тепловым эффектом, соответствующим энергии образования химической связи. В зерне это химически связанная вода, удаление ее нарушает молекулярную структуру тканей зерновки. Затем, с повышением обводненности коллоида, тепловой эффект прогрессивно уменьшается, т. к. молекулы воды, окруженные гидратационными оболочками электроотрицательных группировок коллоидов, начинают удерживаться силами электростатического притяжения.
Вода эта адсорбционно связанная, при ее удалении структура ткани зерновки нарушается, а при последующем увлажнении восстанавливается.
Установлено, что молекулы воды в периферических слоях водных оболочек слабо удерживаются, и их можно удалить даже при небольшом внешнем воздействии. Внедряющиеся при набухании молекулы воды раздвигают молекулы коллоидов и тем самым ослабляют силы взаимного притяжения между ними. С увеличением толщины гидратного слоя уменьшаются силы притяжения воды, набухание затормаживается. Эта вода – капиллярно связанная, осмотически удерживаемая, при тепловой сушке может быть удалена без нарушения молекулярной структуры тканей.
В зерне не вся связанная вода удерживается с одинаковой энергией, и ее определяют как свободную и связанную. Та часть воды, которая удерживается большой силой, является связанной, а удерживаемая меньшей – свободной. Химически и адсорбционно связанной в зерне является связанная вода, капиллярно связанной и осмотически удерживаемой – свободная. При появлении в зерне и семенах свободной воды возрастает активность ферментов, участвующих в дыхании, активизируется сам процесс дыхания.
Граница появления в зерне свободной воды, при которой наблюдается резкий скачок интенсивности дыхательных процессов, получила название критической влажности.
Ее величина зависит от вида зерна, анатомического строения и химического состава. Чем больше в зерне содержится крахмала и белка, тем выше критическая влажность. Она низкая у семян масличных культур, т. к. вода в них удерживается только нелипидной частью семянки (табл. 8).
Таблица 8
Критическая влажность зерна и семян злаковых, бобовых и масличных культур
Зерно и семена масличных культур, содержащие свободную воду в значении ниже критического, считаются сухими и пригодны для хранения.
Наибольшей гигроскопичностью в зерне пшеницы обладает зародыш, затем оболочка и эндосперм. Щуплые и мелкие зерна обладают большей гигроскопичностью, чем выполненные, крупные. Это связано с тем, что отношение зародыша к размеру зерновки и отношение площади поверхности к массе зерна у щуплых и мелких зерен значительно больше. Битые и деформированные при обмолоте зерна также обладают повышенной гигроскопичностью.
Из-за высокой сорбционной способности зерновых масс хранить их в помещениях, где находятся пахучие вещества, нельзя. Следует своевременно проводить очистку партий зерна, в которых обнаружены корзинки полыни, дикого чеснока, кориандра и др.
Гигроскопичность зерновых масс, т. е. способность поглощать и отдавать пары воды – одно из его важнейших физико-химических свойств, учитываемых при хранении зерна и семян.
Зерно и зерновая масса способны поглощать или отдавать пары воды, происходит процесс сорбции или десорбции влаги. Это явление получило название гигроскопичности. Десорбция воды происходит, если парциальное давление водяного пара в непосредственной близости от поверхности зерна больше, чем в окружающем воздухе. Скважистость зерновой массы, обеспечивающая ее проницаемость, дает возможность каждому зерну принимать активное участие в процессах сорбции и десорбции.
Процессы сорбции и десорбции воды находятся у зерна в состоянии динамического равновесия. Каждому значению парциального давления водяного пара, находящегося в воздухе, и температуры соответствует определенное количество сорбируемой или десорбируемой воды. Сухое зерно поглощает водяные пары до тех пор, пока не наступит так называемое гигроскопическое равновесие, т. е. прекратится обмен влаги между зерном и воздухом. Установившаяся влажность зерна при данных параметрах влажности и температуры воздуха называется равновесной.
Равновесная влажность для злаковых культур и гречихи колеблется в пределах 7-36 %. При относительной влажности 60–70 % и температуре воздуха 20 є С зерно пшеницы имеет влажность 13,4-14,8 % и будет сухим (табл. 6).
Таблица 6
Равновесная влажность зерна различных культур при температуре 12 – 25 є С, % на сырую массу (по данным Б. А. Кригер)
У гречихи наблюдается неравномерное распределение влаги в ее морфологических частях. Так, при относительной влажности воздуха 75–77 % влажность гидрофильной части целого зерна составляет 15,6-15,9 %, а влажность гидрофильных каллоидов зародыша достигает 16,5-17,0 %. Повышенная влажность гидрофильных коллоидов зародыша по сравнению с плодовой оболочкой объясняется различиями в химическом свойстве. В ядре содержится гидрофильного белка в 4,5 раза выше, чем в плодовой оболочке. Эту закономерность в распределении влаги в анатомических частях гречихи следует учитывать при закладке ее на хранение. Гречиху на длительное хранение с влажностью более 13,0-13,55 % засыпать не следует.
С явлением сорбции и десорбции зерном, колосом и соломой влаги во время уборки урожая зерновых культур сталкивается в поле комбайнер. Так, если в ночные часы выпадает роса, то хлебные валки за ночь впитывают влагу, становятся не пригодными для обмолота, но в хорошую погоду по истечении некоторого времени они подсыхают и уборка продолжается.
Исследования влажности зерна, взятого в различное время из бункера комбайна, также говорят об этом (табл. 7).
Таблица 7
Влияние времени суток в период уборки урожая пшеницы на количество зерна различной влажности
Особенно заметными эти различия становятся при высокой влажности воздуха. Так, при относительной влажности воздуха 85 %, равновесная влажность зерна кукурузы составляет 18,1 %, а гороха, богатого белком, – 19,0 %.
С сухим веществом зерна и семян выявлены различные формы связи воды. На основе термодинамического принципа о формах связи воды, предложенного П. А. Ребиндером, сухие коллоиды поглощают первые порции воды с тепловым эффектом, соответствующим энергии образования химической связи. В зерне это химически связанная вода, удаление ее нарушает молекулярную структуру тканей зерновки. Затем, с повышением обводненности коллоида, тепловой эффект прогрессивно уменьшается, т. к. молекулы воды, окруженные гидратационными оболочками электроотрицательных группировок коллоидов, начинают удерживаться силами электростатического притяжения.
Вода эта адсорбционно связанная, при ее удалении структура ткани зерновки нарушается, а при последующем увлажнении восстанавливается.
Установлено, что молекулы воды в периферических слоях водных оболочек слабо удерживаются, и их можно удалить даже при небольшом внешнем воздействии. Внедряющиеся при набухании молекулы воды раздвигают молекулы коллоидов и тем самым ослабляют силы взаимного притяжения между ними. С увеличением толщины гидратного слоя уменьшаются силы притяжения воды, набухание затормаживается. Эта вода – капиллярно связанная, осмотически удерживаемая, при тепловой сушке может быть удалена без нарушения молекулярной структуры тканей.
В зерне не вся связанная вода удерживается с одинаковой энергией, и ее определяют как свободную и связанную. Та часть воды, которая удерживается большой силой, является связанной, а удерживаемая меньшей – свободной. Химически и адсорбционно связанной в зерне является связанная вода, капиллярно связанной и осмотически удерживаемой – свободная. При появлении в зерне и семенах свободной воды возрастает активность ферментов, участвующих в дыхании, активизируется сам процесс дыхания.
Граница появления в зерне свободной воды, при которой наблюдается резкий скачок интенсивности дыхательных процессов, получила название критической влажности.
Ее величина зависит от вида зерна, анатомического строения и химического состава. Чем больше в зерне содержится крахмала и белка, тем выше критическая влажность. Она низкая у семян масличных культур, т. к. вода в них удерживается только нелипидной частью семянки (табл. 8).
Таблица 8
Критическая влажность зерна и семян злаковых, бобовых и масличных культур
2.4. Физиологические процессы, протекающие в зерне при хранении
Любая зерновая масса – это биологическая система с присущими ей свойствами проявления жизнедеятельности в виде послеуборочного дозревания, дыхания, прорастания и самосогревания. Эти процессы, происходящие в результате жизнедеятельности входящих в нее живых компонентов (зерно, семена сорняков, насекомые и клещи, микроорганизмы), получили название физиологических. Знание их сущности и умение регулировать в зерновой массе их интенсивность прохождения дает возможность обеспечить надежное хранение зерна и семян.
2.4.1. Дыхание зерна
Жизнедеятельность зерна и семян, представляющих собой автономные живые системы, невозможна без дыхания – диссимиляции органических веществ и окисления молекул запасных веществ до СО2, Н2О и энергии. Главное в дыхании – гликолиз, в результате него из каждой молекулы гексозы образуется по 2 молекулы пировиноградной кислоты, НАДН+Н+ и АТФ. Окисление гексозы до СО2 и Н2О через пировиноградную кислоту и далее через ди– и трикарбоновых кислот включает в себя несколько десятков реакций.
Первая стадия распада углеводов осуществляется как процесс с образованием пировиноградной кислоты и большого числа промежуточных продуктов, накоплением энергии в макроэргических связях 2 молекул АТФ и 2 молекул НАД Н2. Анаэробное дыхание происходит в зерновой массе без доступа кислорода воздуха, это процесс спиртового, молочного и масляно-кислого брожения. Суммарное уравнение:
С6Н12О6 2С2Н5ОН + 2СО2 + энергия.
Анаэробное (бескислородное – интрамолекулярное) дыхание сопровождается небольшим выделением энергии – 28,2 ккал (118 кДж) на 1 г молекулы израсходованной глюкозы (180 г). При анаэробном дыхании недоокисленные соединения отравляют зародыш, и семена теряют всхожесть. Скорость снижения в анаэробных условиях хранения всхожести в значительной степени определяется, по данным Е.Т. Гореловой, состоянием семян по влажности.
В аэробных условиях 2 молекулы НАДН + Н+ окисляются дегидрогеназой митохондрий, и из них образуются 4 молекулы АТФ. В этих условиях пировиноградная кислота поступает из цитоплазмы клетки в митохондрии и там окисляется до СО2 с образованием значительного количества АТФ.
Аэробное дыхание – высокоэкзергонический процесс, сопровождающийся большим выделением энергии, происходящий в соответствии с суммарным уравнением:
С6Н12О6 6СО2 + 6Н2О + энергия.
Аэробное дыхание происходит при достаточном доступе к хранящемуся зерну кислорода воздуха, при этом выделяются диоксид углерода, вода и энергия – 674 ккал (2821,9 кДж) на каждую грамм-молекулу (180 г) израсходованной глюкозы.
На состояние зерновых масс могут оказывать влияние конечные продукты диссимиляции органических веществ зерна, возникающие при аэробном процессе дыхания. В межзерновых пространствах зерновых масс в условиях недостаточного воздухообмена постепенно изменяется газовый состав – снижается содержание кислорода, накапливается СО2. При интенсивном дыхании выделяется вода, накапливаются водяные пары, повышается влажность зерна. Тепло, выделяющееся при интенсивном дыхании, как бы аккумулируется в зерновой массе, способствуя тем самым усилению процесса дыхания, в конечном счете может служить причиной порчи зерна от самосогревания.
О виде дыхания – аэробном или анаэробном – можно судить по величине дыхательного коэффициента – отношению объема, выделяемого при дыхании, СО2 к объему поглощенного О2. Дыхательный коэффициент выражается формулой:
К = СО2/О2.
У зерна, находящегося в оптимальных условиях хранения, дыхательный коэффициент обычно равен единице, что свидетельствует об аэробном типе дыхания. Коэффициент аэробного дыхания полностью соответствует приведенному выше уравнению аэробного дыхания. Дыхательный коэффициент сухого зерна на 0,2–0,3 % выше 1, т. к. в зародыше зерна в присутствии кислорода воздуха происходит аэробное дыхание. Зерно в процессе хранения использует кислород воздуха, СО2 накапливается и при отсутствии вентиляции увеличивается дыхательный коэффициент.
Семена подсолнечника, как правило, имеют невысокий дыхательный коэффициент, т. к. они, особенно при прорастании, помимо дыхания используют кислород воздуха на окисление жиров.
В практике хранения зерна и семян большое значение имеют вид дыхания и его интенсивность. От них зависят потери сухих веществ, увеличение влажности зерна, повышение температуры, содержание СО2 в межзерновых пространствах. Дыхание зерна характеризуют «интенсивностью дыхания зерна», измеряемой количеством СО2, выделенного единицей массы зерна в течение определенного промежутка времени.
Интенсивность дыхания зерновой массы зависит от многих абиотических и биотических факторов, таких как влажность, температура, ботанические особенности, доступ кислорода воздуха, послеуборочное дозревание, наличие в зерновой массе недозрелых, щуплых, травмированных и проросших зерен, а также от присутствия семян сорных растений.
Как отмечал в 30-х годах прошлого века крупный специалист в области «техники хлебного дела» М. П. Варакин, при увеличении влажности зерна с 11 до 30 % дыхание усиливается почти в 6000 раз, что и является причиной неустойчивости влажного зерна при хранении.
У сухого зерна интенсивность дыхания ничтожна, его успешно хранят. С повышением влажности и появлением в зерне свободной воды возрастает процесс дыхания.
В зерне при влажности выше критической создаются благоприятные условия для ферментативного гидролиза органических веществ, используемых в процессе дыхания. Снижая влажность зерна, мы понижаем интенсивность его дыхания, что обеспечивает его лучшую сохранность.
Большую роль в прохождении биохимических реакций имеет температурный режим. С повышением температуры ускоряется скорость прохождения реакций. Температурный фактор оказывает влияние и на интенсивность дыхания, которая зависит и от температуры, и от состояния зерна по влажности. Сухое зерно и семена не реагируют на температуру, и при повышенных температурах дыхание их остается ничтожным. Другая картина процесса дыхания наблюдается при повышении температуры у зерна и семян, «переступивших грань» критической влажности.
С ростом температуры у влажного зерна резко повышается интенсивность дыхания. Однако температуры оказывают катализирующее действие на дыхание до определенного предела (45–55 є С), при дальнейшем повышении температуры происходит прекращение физиологического процесса дыхания, идут химические окисления органических веществ зерна, и зерно как живой организм гибнет.
Действие пониженных температур на жизнедеятельность зерна и интенсивность его дыхания принципиально отличается. С понижением температуры интенсивность дыхания даже у зерна высокой влажности резко падает. У зерна, как видно из рис. 49, независимо от влажности при температуре 10 є С интенсивность дыхания крайне мала.
Рис. 49. Влияние температуры на интенсивность дыхания зерна (по В. Л. Кретовичу и А. П. Прохоровой) при влажности:
1 – 14 %; 2 – 16 %; 3 – 18 %; 4 – 22 %
В производственных условиях своевременное охлаждение зерна является эффективным мероприятием, обеспечивающим сохранность при временном хранении до сушки сырого зерна.
Итак, при хранении зерна и семян необходимо создавать условия для снижения интенсивности их дыхания до минимума за счет охлаждения или снижения влажности.
Первая стадия распада углеводов осуществляется как процесс с образованием пировиноградной кислоты и большого числа промежуточных продуктов, накоплением энергии в макроэргических связях 2 молекул АТФ и 2 молекул НАД Н2. Анаэробное дыхание происходит в зерновой массе без доступа кислорода воздуха, это процесс спиртового, молочного и масляно-кислого брожения. Суммарное уравнение:
С6Н12О6 2С2Н5ОН + 2СО2 + энергия.
Анаэробное (бескислородное – интрамолекулярное) дыхание сопровождается небольшим выделением энергии – 28,2 ккал (118 кДж) на 1 г молекулы израсходованной глюкозы (180 г). При анаэробном дыхании недоокисленные соединения отравляют зародыш, и семена теряют всхожесть. Скорость снижения в анаэробных условиях хранения всхожести в значительной степени определяется, по данным Е.Т. Гореловой, состоянием семян по влажности.
В аэробных условиях 2 молекулы НАДН + Н+ окисляются дегидрогеназой митохондрий, и из них образуются 4 молекулы АТФ. В этих условиях пировиноградная кислота поступает из цитоплазмы клетки в митохондрии и там окисляется до СО2 с образованием значительного количества АТФ.
Аэробное дыхание – высокоэкзергонический процесс, сопровождающийся большим выделением энергии, происходящий в соответствии с суммарным уравнением:
С6Н12О6 6СО2 + 6Н2О + энергия.
Аэробное дыхание происходит при достаточном доступе к хранящемуся зерну кислорода воздуха, при этом выделяются диоксид углерода, вода и энергия – 674 ккал (2821,9 кДж) на каждую грамм-молекулу (180 г) израсходованной глюкозы.
На состояние зерновых масс могут оказывать влияние конечные продукты диссимиляции органических веществ зерна, возникающие при аэробном процессе дыхания. В межзерновых пространствах зерновых масс в условиях недостаточного воздухообмена постепенно изменяется газовый состав – снижается содержание кислорода, накапливается СО2. При интенсивном дыхании выделяется вода, накапливаются водяные пары, повышается влажность зерна. Тепло, выделяющееся при интенсивном дыхании, как бы аккумулируется в зерновой массе, способствуя тем самым усилению процесса дыхания, в конечном счете может служить причиной порчи зерна от самосогревания.
О виде дыхания – аэробном или анаэробном – можно судить по величине дыхательного коэффициента – отношению объема, выделяемого при дыхании, СО2 к объему поглощенного О2. Дыхательный коэффициент выражается формулой:
К = СО2/О2.
У зерна, находящегося в оптимальных условиях хранения, дыхательный коэффициент обычно равен единице, что свидетельствует об аэробном типе дыхания. Коэффициент аэробного дыхания полностью соответствует приведенному выше уравнению аэробного дыхания. Дыхательный коэффициент сухого зерна на 0,2–0,3 % выше 1, т. к. в зародыше зерна в присутствии кислорода воздуха происходит аэробное дыхание. Зерно в процессе хранения использует кислород воздуха, СО2 накапливается и при отсутствии вентиляции увеличивается дыхательный коэффициент.
Семена подсолнечника, как правило, имеют невысокий дыхательный коэффициент, т. к. они, особенно при прорастании, помимо дыхания используют кислород воздуха на окисление жиров.
В практике хранения зерна и семян большое значение имеют вид дыхания и его интенсивность. От них зависят потери сухих веществ, увеличение влажности зерна, повышение температуры, содержание СО2 в межзерновых пространствах. Дыхание зерна характеризуют «интенсивностью дыхания зерна», измеряемой количеством СО2, выделенного единицей массы зерна в течение определенного промежутка времени.
Интенсивность дыхания зерновой массы зависит от многих абиотических и биотических факторов, таких как влажность, температура, ботанические особенности, доступ кислорода воздуха, послеуборочное дозревание, наличие в зерновой массе недозрелых, щуплых, травмированных и проросших зерен, а также от присутствия семян сорных растений.
Как отмечал в 30-х годах прошлого века крупный специалист в области «техники хлебного дела» М. П. Варакин, при увеличении влажности зерна с 11 до 30 % дыхание усиливается почти в 6000 раз, что и является причиной неустойчивости влажного зерна при хранении.
У сухого зерна интенсивность дыхания ничтожна, его успешно хранят. С повышением влажности и появлением в зерне свободной воды возрастает процесс дыхания.
В зерне при влажности выше критической создаются благоприятные условия для ферментативного гидролиза органических веществ, используемых в процессе дыхания. Снижая влажность зерна, мы понижаем интенсивность его дыхания, что обеспечивает его лучшую сохранность.
Большую роль в прохождении биохимических реакций имеет температурный режим. С повышением температуры ускоряется скорость прохождения реакций. Температурный фактор оказывает влияние и на интенсивность дыхания, которая зависит и от температуры, и от состояния зерна по влажности. Сухое зерно и семена не реагируют на температуру, и при повышенных температурах дыхание их остается ничтожным. Другая картина процесса дыхания наблюдается при повышении температуры у зерна и семян, «переступивших грань» критической влажности.
С ростом температуры у влажного зерна резко повышается интенсивность дыхания. Однако температуры оказывают катализирующее действие на дыхание до определенного предела (45–55 є С), при дальнейшем повышении температуры происходит прекращение физиологического процесса дыхания, идут химические окисления органических веществ зерна, и зерно как живой организм гибнет.
Действие пониженных температур на жизнедеятельность зерна и интенсивность его дыхания принципиально отличается. С понижением температуры интенсивность дыхания даже у зерна высокой влажности резко падает. У зерна, как видно из рис. 49, независимо от влажности при температуре 10 є С интенсивность дыхания крайне мала.
1 – 14 %; 2 – 16 %; 3 – 18 %; 4 – 22 %
В производственных условиях своевременное охлаждение зерна является эффективным мероприятием, обеспечивающим сохранность при временном хранении до сушки сырого зерна.
Итак, при хранении зерна и семян необходимо создавать условия для снижения интенсивности их дыхания до минимума за счет охлаждения или снижения влажности.
2.4.2. Послеуборочное дозревание зерна и семян
Начатый в колосе на материнском растении процесс созревания зерна и переход низкомолекулярных органических веществ в высокомолекулярные органические вещества – белки, углеводы, жиры – завершаются после уборки урожая.
Необходимость создания высокополимерных соединений, как предполагают ученые, вызвана тем, что низкомолекулярные метаболиты при отложении непосредственно в цитоплазме могли бы преждевременно использоваться в семенах, еще не достигших полной зрелости. Образование же высокополимерных запасных веществ означает перевод их в метаболически инертную форму, способную в наибольшей степени обеспечить сохранность этих веществ в клетках запасающих органов. Установлено, что повышение инертности достигается не только полимеризацией исходных продуктов, но и от более плотной упаковки за счет электростатических и водородных связей. Это можно видеть в четвертичной структуре запасных белков, а также в дополнительной стабилизации амилозных цепей в молекуле крахмала посредством водородных связей.
Созревание зерна в колосе заканчивается фазой технической спелости, когда оно становится пригодным к уборке и заготовке. Такое зерно уже почти полностью завершило процессы синтеза крахмала, белков и некоторых других органических соединений.
Однако зерно пшеницы, ячменя, ржи и других культур ко времени достижения полной, так называемой технической спелости, не достигает полной физиологической спелости семян. Процесс получения семенами в ходе прохождения в них сложных биохимических явлений наивысшей всхожести и хороших технологических качеств, за определенный период времени, получил название послеуборочного дозревания семян. В стандарте на «Состояние и свойство семян» (ГОСТ 20290-74) указывается, что под послеуборочным дозреванием семян следует понимать «биохимические процессы, происходящие в свежеубранных семенах некоторых видов и сортов растений, приводящие к нарушению покоя». Сложный комплекс биохимических явлений при послеуборочном дозревании направлен на продолжение биохимических процессов биосинтеза, начатых в колосе. Он характеризуется переходом низкомолекулярных органических веществ, накопленных в ходе фотосинтеза растения и налива зерна, в высокомолекулярные: полисахариды, белки и жиры.
В процессе послеуборочного дозревания ослабевает активность ферментов, снижается активность окислительно-восстановительных реакций.
Наряду с превращением низкомолекулярных легкорастворимых веществ в более сложные малорастворимые, при послеуборочном дозревании, как установили В.Л. Кретович и Т. И. Акимочкина, снижается активность таких ферментов, как каталаза, полифенолоксидаза, а также физиологически активных веществ в зародыше и эндосперме.
Длительность послеуборочного дозревания зависит от ряда факторов: вида культуры, сортовых особенностей, температуры и доступа кислорода воздуха к семенам.
В благоприятных условиях период послеуборочного дозревания заканчивается в разные сроки: у пшеницы за 1,0–1,5 месяца; у ржи за 10–15 дней; у овса за 20 дней, а у ячменя может закончиться через 6–8 месяцев. Практически не проходят периода послеуборочного дозревания семена кукурузы, после доведения их до базисной влажности они сразу же показывают высокую всхожесть, т. к. являются физиологически спелыми.
Короткий период послеуборочного дозревания у ржи, безусловно, является положительным явлением для хранения, но при ее уборке в ненастную осеннюю погоду, когда сроки уборки затягиваются, вышедшие из стояния покоя зерна ржи могут прорастать в скошенных валках. Это затрудняет подбор их комбайном, частично или полностью проросшее зерно плохо хранится, имеет низкие технологические качества.
Свежеубранные семена подсолнечника характеризуются, как правило, высокой влажностью и активностью ферментной системы, нередко наблюдается их порча. Такие семена не пригодны для хранения и только в процессе послеуборочной подработки (очистке от примесей и сушке) семена завершают процессы послеуборочного дозревания, становятся пригодными как для переработки, так и для длительного хранения. В определенных условиях в этот период масличность семян подсолнечника может увеличиваться. Это явление многие исследователи объясняют продолжающимся синтезом триацилглицеролов за счет находящихся в тканях ядра подвижных углеводов.
На продолжительность периода послеуборочного дозревания зерна влияет вид культуры, а также их сортовые различия. По данным Н. И. Козьминой, у озимых сортов пшеницы дозревание завершается за 1–2 месяца, а у сортов яровой пшеницы физиологическая зрелость наступает спустя 7–7,5 месяцев.
Свежеубранная зерновая масса нередко имеет высокую влажность. Снижая влажность, мы тем самым создаем условия для ускоренного дозревания зерна. Ускоряет прохождение послеуборочного дозревания своевременная сушка влажного зерна, она останавливает гидролитические процессы, замедляет дыхание.
На процессы завершения послеуборочного дозревания большое влияние оказывает температура. При раннем наступлении холодов в осеннее время процесс послеуборочного дозревания замедляется, зерно на хранение засыпают невызревшее, и этот факт необходимо учитывать. Исследования показали, что при дождливой холодной погоде у пшеницы замедляется прохождение XI и XII этапов органогенеза фаз налива и созревания зерновки, снижаются синтетические процессы, в зерновках не образуются конечные продукты синтеза. Семена такой пшеницы характеризуются пониженной энергией прорастания, являются физиологически недозрелыми, и в них длительное время идут процессы дозревания.
При температуре 15–25 є С послеуборочное дозревание завершается в оптимальные сроки. Отрицательное влияние на ход дозревания оказывает проведение активного вентилирования невызревших зерновых масс холодным воздухом. Для выведения семян из состояния покоя, завершения послеуборочного дозревания и повышения всхожести в семеноводстве успешно используют технологический прием – воздушно-тепловой обогрев семян перед посевом.
Послеуборочное дозревание быстрее завершается при достаточном доступе кислорода воздуха к зерну и семенам, т. е. при аэробном типе дыхания.
С этой точки зрения, наибольшая аэрация зерна и семян происходит в результате дозревания семян в валках при раздельной уборке и при временном хранении на токах в бунтах. Для этой цели эффективно систематически вентилировать свежеубранные семена теплым воздухом. Засыпать свежеубранные семена в герметичные силосы без вентиляции нежелательно, т. к. в них могут создаваться анаэробные условия. В таких силосах нет необходимых условий для завершения процесса послеуборочного дозревания – кислорода воздуха, отвода СО2 и водяных паров, а также выделяемого в процессе дыхания тепла.
На продолжительность дозревания семян подсолнечника, как считают В. Г. Щербаков и В. Г. Лобанов, помимо скорости обезвоживания, температуры и степени аэрации существенно влияют сортовые особенности семян. Дозревание скоро– и среднеспелых сортов подсолнечника проходит значительно быстрее, чем позднеспелых с большим вегетационным периодом. Высокомасличные сорта подсолнечника имеют более короткий период дозревания.
В дозревающих семенах подсолнечника уменьшается активность ингибиторов прорастания, растет воздухо– и водопроницаемость семенных и плодовых оболочек, резко снижается интенсивность обмена веществ, и такие дозревшие семена при оптимальных условиях могут сохраняться длительное время.
Следовательно, семена и зерно, завершившие процессы послеуборочного дозревания, имеют минимальный обмен веществ, низкую влажность, высокие технологические свойства и могут длительно храниться без потерь в количестве и качестве.
Необходимость создания высокополимерных соединений, как предполагают ученые, вызвана тем, что низкомолекулярные метаболиты при отложении непосредственно в цитоплазме могли бы преждевременно использоваться в семенах, еще не достигших полной зрелости. Образование же высокополимерных запасных веществ означает перевод их в метаболически инертную форму, способную в наибольшей степени обеспечить сохранность этих веществ в клетках запасающих органов. Установлено, что повышение инертности достигается не только полимеризацией исходных продуктов, но и от более плотной упаковки за счет электростатических и водородных связей. Это можно видеть в четвертичной структуре запасных белков, а также в дополнительной стабилизации амилозных цепей в молекуле крахмала посредством водородных связей.
Созревание зерна в колосе заканчивается фазой технической спелости, когда оно становится пригодным к уборке и заготовке. Такое зерно уже почти полностью завершило процессы синтеза крахмала, белков и некоторых других органических соединений.
Однако зерно пшеницы, ячменя, ржи и других культур ко времени достижения полной, так называемой технической спелости, не достигает полной физиологической спелости семян. Процесс получения семенами в ходе прохождения в них сложных биохимических явлений наивысшей всхожести и хороших технологических качеств, за определенный период времени, получил название послеуборочного дозревания семян. В стандарте на «Состояние и свойство семян» (ГОСТ 20290-74) указывается, что под послеуборочным дозреванием семян следует понимать «биохимические процессы, происходящие в свежеубранных семенах некоторых видов и сортов растений, приводящие к нарушению покоя». Сложный комплекс биохимических явлений при послеуборочном дозревании направлен на продолжение биохимических процессов биосинтеза, начатых в колосе. Он характеризуется переходом низкомолекулярных органических веществ, накопленных в ходе фотосинтеза растения и налива зерна, в высокомолекулярные: полисахариды, белки и жиры.
В процессе послеуборочного дозревания ослабевает активность ферментов, снижается активность окислительно-восстановительных реакций.
Наряду с превращением низкомолекулярных легкорастворимых веществ в более сложные малорастворимые, при послеуборочном дозревании, как установили В.Л. Кретович и Т. И. Акимочкина, снижается активность таких ферментов, как каталаза, полифенолоксидаза, а также физиологически активных веществ в зародыше и эндосперме.
Длительность послеуборочного дозревания зависит от ряда факторов: вида культуры, сортовых особенностей, температуры и доступа кислорода воздуха к семенам.
В благоприятных условиях период послеуборочного дозревания заканчивается в разные сроки: у пшеницы за 1,0–1,5 месяца; у ржи за 10–15 дней; у овса за 20 дней, а у ячменя может закончиться через 6–8 месяцев. Практически не проходят периода послеуборочного дозревания семена кукурузы, после доведения их до базисной влажности они сразу же показывают высокую всхожесть, т. к. являются физиологически спелыми.
Короткий период послеуборочного дозревания у ржи, безусловно, является положительным явлением для хранения, но при ее уборке в ненастную осеннюю погоду, когда сроки уборки затягиваются, вышедшие из стояния покоя зерна ржи могут прорастать в скошенных валках. Это затрудняет подбор их комбайном, частично или полностью проросшее зерно плохо хранится, имеет низкие технологические качества.
Свежеубранные семена подсолнечника характеризуются, как правило, высокой влажностью и активностью ферментной системы, нередко наблюдается их порча. Такие семена не пригодны для хранения и только в процессе послеуборочной подработки (очистке от примесей и сушке) семена завершают процессы послеуборочного дозревания, становятся пригодными как для переработки, так и для длительного хранения. В определенных условиях в этот период масличность семян подсолнечника может увеличиваться. Это явление многие исследователи объясняют продолжающимся синтезом триацилглицеролов за счет находящихся в тканях ядра подвижных углеводов.
На продолжительность периода послеуборочного дозревания зерна влияет вид культуры, а также их сортовые различия. По данным Н. И. Козьминой, у озимых сортов пшеницы дозревание завершается за 1–2 месяца, а у сортов яровой пшеницы физиологическая зрелость наступает спустя 7–7,5 месяцев.
Свежеубранная зерновая масса нередко имеет высокую влажность. Снижая влажность, мы тем самым создаем условия для ускоренного дозревания зерна. Ускоряет прохождение послеуборочного дозревания своевременная сушка влажного зерна, она останавливает гидролитические процессы, замедляет дыхание.
На процессы завершения послеуборочного дозревания большое влияние оказывает температура. При раннем наступлении холодов в осеннее время процесс послеуборочного дозревания замедляется, зерно на хранение засыпают невызревшее, и этот факт необходимо учитывать. Исследования показали, что при дождливой холодной погоде у пшеницы замедляется прохождение XI и XII этапов органогенеза фаз налива и созревания зерновки, снижаются синтетические процессы, в зерновках не образуются конечные продукты синтеза. Семена такой пшеницы характеризуются пониженной энергией прорастания, являются физиологически недозрелыми, и в них длительное время идут процессы дозревания.
При температуре 15–25 є С послеуборочное дозревание завершается в оптимальные сроки. Отрицательное влияние на ход дозревания оказывает проведение активного вентилирования невызревших зерновых масс холодным воздухом. Для выведения семян из состояния покоя, завершения послеуборочного дозревания и повышения всхожести в семеноводстве успешно используют технологический прием – воздушно-тепловой обогрев семян перед посевом.
Послеуборочное дозревание быстрее завершается при достаточном доступе кислорода воздуха к зерну и семенам, т. е. при аэробном типе дыхания.
С этой точки зрения, наибольшая аэрация зерна и семян происходит в результате дозревания семян в валках при раздельной уборке и при временном хранении на токах в бунтах. Для этой цели эффективно систематически вентилировать свежеубранные семена теплым воздухом. Засыпать свежеубранные семена в герметичные силосы без вентиляции нежелательно, т. к. в них могут создаваться анаэробные условия. В таких силосах нет необходимых условий для завершения процесса послеуборочного дозревания – кислорода воздуха, отвода СО2 и водяных паров, а также выделяемого в процессе дыхания тепла.
На продолжительность дозревания семян подсолнечника, как считают В. Г. Щербаков и В. Г. Лобанов, помимо скорости обезвоживания, температуры и степени аэрации существенно влияют сортовые особенности семян. Дозревание скоро– и среднеспелых сортов подсолнечника проходит значительно быстрее, чем позднеспелых с большим вегетационным периодом. Высокомасличные сорта подсолнечника имеют более короткий период дозревания.
В дозревающих семенах подсолнечника уменьшается активность ингибиторов прорастания, растет воздухо– и водопроницаемость семенных и плодовых оболочек, резко снижается интенсивность обмена веществ, и такие дозревшие семена при оптимальных условиях могут сохраняться длительное время.
Следовательно, семена и зерно, завершившие процессы послеуборочного дозревания, имеют минимальный обмен веществ, низкую влажность, высокие технологические свойства и могут длительно храниться без потерь в количестве и качестве.
2.4.3. Самосогревание зерновых масс
Высокая физиологическая активность зерновых масс при небрежном отношении к свежеубранному зерну с повышенной влажностью, начиная с первых моментов его поступления, может вызвать крайне нежелательные явления, связанные с потерей всхожести семян и снижением технологических, пищевых и кормовых достоинств зерна. Из-за отсутствия надлежащего контроля и ухода за зерновыми массами и вследствие протекающих в них физиологических и физических процессов у влажного и сырого зерна наблюдается повышение температуры до 55–65 є С, а в отдельных случаях до 75 є С и выше. Это физиологическое явление получило название самосогревания зерновых масс.
Под самосогреванием понимают повышение температуры зерновой массы вследствие как интенсивных физиологических процессов, самопроизвольного распада запасных веществ зерна, так и из-за крайне низкой теплопроводности зерновой массы. Различные зерновые культуры по-разному проявляют свою способность к самосогреванию. По этому признаку, т. е. подверженности к самосогреванию, все зерновые культуры, как считает М.Г. Голик, можно условно разделить на 4 группы: первая – культуры, слабо подвергающиеся самосогреванию (горох и кукуруза в початках); вторая – умеренно подвергающиеся самосогреванию (пшеница, рожь, ячмень, рис); третья – легко подвергающиеся самосогреванию (просо, овес, кукуруза в зерне); четвертая – сильно подвергающиеся самосогреванию (подсолнечник, соя и другие масличные культуры).
Состоящая из автономных живых систем зерновок и некоторого количества семян сорных растений зерновая масса при влажности свыше критической интенсивно дышит, выделяя при аэробном типе дыхания огромное количество тепла. Самосогревание возникает в результате проявления активной жизнедеятельности зерна основной культуры, зерен других культур, семян сорных растений, микроорганизмов, насекомых и клещей. На возникновение самосогревания огромное влияние оказывают физиологически активные семена сорняков. В практике хранения зерна чаще всего самосогревание наблюдается в свежеубранных зерновых массах, своевременно не прошедших очистку от примесей.
Интенсивность дыхания семян сорняков, как об этом свидетельствуют данные исследований А. И. Стародубцевой, чрезвычайно велика (табл. 9).
Таблица 9
Интенсивность дыхания в свежеубранной зерновой массе зерна пшеницы и семян сорных растений при температуре 19–22 °C
При интенсивном развитии в зерновой массе скапливающихся в ограниченных участках насыпи насекомых и клещей создаются предпосылки для самосогревания зерна.
Под самосогреванием понимают повышение температуры зерновой массы вследствие как интенсивных физиологических процессов, самопроизвольного распада запасных веществ зерна, так и из-за крайне низкой теплопроводности зерновой массы. Различные зерновые культуры по-разному проявляют свою способность к самосогреванию. По этому признаку, т. е. подверженности к самосогреванию, все зерновые культуры, как считает М.Г. Голик, можно условно разделить на 4 группы: первая – культуры, слабо подвергающиеся самосогреванию (горох и кукуруза в початках); вторая – умеренно подвергающиеся самосогреванию (пшеница, рожь, ячмень, рис); третья – легко подвергающиеся самосогреванию (просо, овес, кукуруза в зерне); четвертая – сильно подвергающиеся самосогреванию (подсолнечник, соя и другие масличные культуры).
Состоящая из автономных живых систем зерновок и некоторого количества семян сорных растений зерновая масса при влажности свыше критической интенсивно дышит, выделяя при аэробном типе дыхания огромное количество тепла. Самосогревание возникает в результате проявления активной жизнедеятельности зерна основной культуры, зерен других культур, семян сорных растений, микроорганизмов, насекомых и клещей. На возникновение самосогревания огромное влияние оказывают физиологически активные семена сорняков. В практике хранения зерна чаще всего самосогревание наблюдается в свежеубранных зерновых массах, своевременно не прошедших очистку от примесей.
Интенсивность дыхания семян сорняков, как об этом свидетельствуют данные исследований А. И. Стародубцевой, чрезвычайно велика (табл. 9).
Таблица 9
Интенсивность дыхания в свежеубранной зерновой массе зерна пшеницы и семян сорных растений при температуре 19–22 °C