Лекция 3. Физиологические процессы, происходящие в зерновых массах при хранении

Аннотация. Рассматриваются вопросы долговечности семян, дыхания, послеуборочного дозревания, прорастания. Дана характеристика факторов, влияющих на эти процессы и их значение для сохранности зерновых масс.

Ключевые слова: долговечность, аэробное дыхание, анаэробное дыхание, дыхательный коэффициент, критическая влажность, послеуборочное дозревание, покой, синтез, гидролиз.

Рассматриваемые вопросы:

1. долговечность зерна и семян при хранении;

2. дыхание зерна и семян;

3. послеуборочное дозревание;

4.прорастание.

Модульная единица 3.Жизнедеятельность зерна и семян.

Цель изучения модульной единицы: раскрыть физиологические процессы, протекающие в зерновой массе, которые необходимо учитывать при послеуборочной обработке зерна, транспортировке и хранении.

Задачи: изучить физиологические процессы, такие как долговечность, дыхание, послеуборочное дозревание и прорастание.

3.1. Долговечность зерна и семян. Процессами жизнедеятельности зерна и семян при хранении являются: долговечность зерна и семян при хранении, дыхание, послеуборочное дозревание, прорастание.

Существенный интерес в хранении и рациональном использовании каждой партии семян и зерна представляет вопрос о допустимых сроках хранения зерновых масс различных культур.

Период, в течение которого зерно семена сохраняют свои потребительские свойства (семенные, технологические и продовольственные) называют долговечностью. Долговечность партий семян будет намного меньше, чем долговечность технологическая. В семеноведении различают долговечность биологическую и хозяйственную.

Под биологической долговечностью понимают тот промежуток времени, в течение которого хотя бы единичные семена сохраняют способность к прорастанию. Большее значение для практики имеет хозяйственная долговечность, т.е. тот период хранения семян, в течение которого они остаются кондиционными по всхожести.

Технологическая долговечность это срок хранения товарных партий зерна, в течение которого сохраняются их свойства для использования на пищевые, фуражные или технические нужды.

Долговечность зерна и семян зависит от многих факторов, из которых основными являются: принадлежность к ботаническому виду, условий выращивания, созревания, обработки (очистка, сушка, протравливание и т.п.) и хранения. Семена всех растений в зависимости от их биологической долговечности условно разделяют на три группы: микробиотики, мезобиотики и макробиотики. Первые сохраняют всхожесть от нескольких дней до трех лет. Вторые – от 3 до 15 лет, и третьи – от 15 лет и более. Большинство семян с.х. растений относятся к группе мезобиотиков и сохраняет всхожесть при благоприятных условиях хранения в течение 5 – 10 лет. При хранении сухих семян при условиях пониженных температур их биологическая долговечность обычно бывает больше. Существенный интерес в хранении и рациональном использовании каждой партии семян и зерна представляет вопрос о допустимых сроках хранения зерновых масс различных культур. При хранении сухих семян при условиях пониженных температур их биологическая долговечность обычно бывает больше. Среди полевых культурных растений наибольшей долговечностью обладают семена бобовых культур (фасоль, кормовые травы и др.), овса, сорго и пшеницы. Менее долговечны семена ржи, проса, тимофеевки и голозерного овса. В настоящее время нет исчерпывающего объяснения причин потери семенами жизнеспособности при длительном хранении. Наиболее вероятной причиной считают явление дегенерации белков. Отмечено, что потеря жизнеспособности семенами идет параллельно с коагуляцией белков. Предполагают, что потеря всхожести семян связана с постепенной дегенерацией хроматина в клеточном ядре, что приводит к нарушению процессов, регулирующих деление клеток. Как правило, сокращение долговечности наблюдается в результате неблагоприятных воздействий при обработке и хранении. Технологическая долговечность зерна, используемого для многих целей, обычно намного больше долговечности биологической и хозяйственной. Оценка партий зерна ржи и пшеницы, хранившихся в складах от 7 до 10 лет, по мукомольно-хлебопекарным качествам показало, что выход муки, расход энергии при помоле и качество печеного хлеба, полученного из зерна такого возраста, не отличаются от показателей, получаемых при переработке зерна с малыми сроками хранения. Считается также, что мукомольно-хлебопекарные качества зерна при долгосрочном хранении зависят от его исходных свойств и признаков. Так, мягкие стекловидные сорта пшеницы обладают большей устойчивостью, чем мягкие мучнистые. Хорошо дозревшие, высушенные до влажности ниже критической с использованием мягких режимов сушки и охлажденные парии зерна выдерживают хранение в течение 10 лет и более без существенных изменений мукомольно-хлебопекарных качеств. Различные резкие воздействия (температурные, механические и т.п.) способствуют старению зерна. С удлинением срока хранения крупяных культур ядро становится более хрупким и уменьшается выход доброкачественной крупы.

3.2. Дыхание зерна и семян.

Процесс дыхания. Физиологически – это процесс, обеспечивающий жизнь. Зерна и семена для поддержания жизни получают необхо­димую им энергию в процессе диссимиляции запасных органиче­ских веществ, главным образом сахаров.

Виды дыхания. Диссимиляция сахаров (гексоз) происходит аэробно, то есть окислением, или анаэробно. При хранении зерна и семян наблюдаются оба вида диссимиляции, конечный результат которой суммарно выражен следующими уравнениями:

С_бН₁₂О_б + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + Тепловая энергия ;

С_бН₁₂О_б = 2СО₂ + 2С₂Н₅ОН +Тепловая энергия

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 малоокислен­ного органического продукта, как этиловый спирт. Представление о типе дыхания можно получить по дыхатель­ному коэффициенту ДК = vСО₂ : vO₂. При полностью аэробном дыхании, протекающем по первому уравнению, дыхательный коэффициент равен 1. Наличие анаэробных процессов увеличивает количество выделяемого диоксида углерода. В этом случае ДК>1. В тех случаях, когда семена расходуют часть кислорода не только в процессе дыхания, но и на другие цели, например, на окисление жиров, ДК<1. Примером могут служить семена масличных культур. ДК зависит от многих факторов: вида зерна и семян, направленность протекающих в них процессов, доступа воздуха к зерновой массе, ее влажности и др. В условиях хранения зерна в складах и особенно в элеваторах величина ДК зерновой массы будет меняться в зависимости от газообмена между зерновой массы и наружным воздухов. При ограниченном воздуха внутрь зерновой массы по мере использования кислорода воздуха межзерновых пространств и накопления диоксида углерода в клетках будет усиливаться анаэробное дыхание, и возрастать ДК. Если оценивать виды дыхания зерна с производственной точки зрения, то при хранении продовольственного и кормового зерна преимущество следует отдать анаэробному дыханию, т.к. в этом случае выделяется значительно меньше тепла, в связи с недостаточным притоком кислорода зерно дышит менее интенсивно. Этот вывод послужил одним из положений для обоснования режима хранения зерновых масс без доступа воздуха.

Следствия дыхания. Анализ приведенных выше уравнений показывает, что дыхание зерновой массы сопровождается потерей массы сухих веществ зерна вследствие расходования гексоз, увеличением коли­чества гигроскопической влаги в зерне и повышением относитель­ной влажности воздуха межзерновых пространств, изменением состава воздуха межзерновых пространств, выделением тепла.

Величина потерь массы сухих веществ зависит от интенсив­ности дыхания – чем оно интенсивнее, тем больше потери. Поэтому изучение факторов, влияющих на интенсивность этого процесса, представляет большой интерес для организации борьбы с потерями физической массы.

Факторы, влияющие на интенсивность дыхания. 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) и имеющих, существенное значение только при хранении отдельных партий зерна и выте­кающие из их специфических особенностей. Решающее значение для приведения зерновой массы в стойкое состояние имеют факторы первой группы.

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 культур (влажностью более 15%.), находящиеся в неохлажденном состоянии при свобод­ном доступе воздуха, теряют 0,05...0,2 % сухих веществ в сутки.

Усиление интенсивности дыхания зерновой массы с увеличением ее влажности обусловлено ослаблением связи сорбированной воды с зерном и изменением уровня ее активности. По мере увеличения влажности в клетках зерна появляется капиллярная влага, т.е. слабо или совсем не удерживаемая крахмалом и белками. 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 капиллярная влага и резко возра­стает интенсивность дыхания зерна и семян, называют крити­ческой. Кривая критической влажности показана на рис. 2.4. Величина критической влажности зерна и семян различных культур неодинаковая, что связано с особенностями их химического состава (рис.2.5),так как гра­ница появления свободной воды зависит от содержания гидрофильных коллоидов.

Меньшие значения критической влажности у семян масличных культур по сравнению с зерном злаковых объясняются значительным содержанием в этих семенах липидов – гидрофобных веществ, не способных связывать влагу. Величины критической влажности зерна и семян различных культур следующие, (%):

Гороха, фасоли, вики, чечевицы, кормовых бобов, семян кормовых трав (бобовых) 15...16

Пшеницы, ржи, ячменя, семян злаковых кормовых трав 14,5...15,5

Кукурузы, проса, сорго, лука-чернушки, столовой свеклы 12,5...14

Подсолнечника среднемасличного, рапса, моркови 10...11

Огурцов 9,5...10,5

Капусты 9...10

Подсолнечника высокомасличного и клещевины 6...8

Установлено, что при относительной влажности воздуха примерно равной 75 % в зернах и семенах устанавливается равновесная влажность, которая равна критической. При достижении такой относительной влажности воздуха и при оптимальной температуре активизируется жизнедеятельность не только зерна, но и микроорганизмов. Следовательно, для того чтобы влажность зерновой массы была ниже критической относительная влажность в хранилище должна быть 70 % и ниже.

В межгосударственных стандартах на зерно и семена приведены четыре состояния по влажности: сухое, средней сухости, влажное и сырое. Их необходимо учитывать при размещении зерна на хранение.

Для снижения жизнедеятельности зерна и семян их необходимо хранить в сухом состоянии, т.е. при влажности на 1...2 % ниже критической.

Температура зерновой массы. С повышением температуры интенсивность дыхания .зерна при хранении увели­чивается. В определенном интервале температур увеличение подчиняется правилу Вант-Гоффа (повышение температуры на каждые 10^оС увеличивает интенсивность дыхания в 2...3 раза). При высоких температурах (50°С и более) интенсивность дыхания снижается вследствие разрушения веществ, входящих в состав клеток зерна (белков, ферментных систем и др.). Это хорошо иллюстрируют данные В. Л. Кретовича и А. П. Прохоровой.

При пониженных температурах газообмен резко снижается и не наблюдается скачок, характерный для критической влаж­ности. При температуре 0 и 10°С интенсивность дыхания зерна даже влажностью 18 % ничтожна. Приведенные данные показывают исключительное значение пониженных (до 10°С) температур для сохранения зерна. Низкая температура консервирует даже влажное и сырое зерно.

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.

Таким образом, зерновые массы (основных зерновых и бобовых культур) 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.

В условиях длительного хранения зерновых масс без перемещения и продувания в меж­зерновых пространствах накапливается диоксид углерода и убы­вает кислород. Наибольшее количество диоксида углерода накапливается на глубине 10... 15 м, т. е. в средней части силоса. Такое же явление на­блюдается при хранении зерна в складах, наибольшее количе­ство диоксида углерода обнаруживается внутри насыпи на глубине 1,5 ...3 м. Падение концентрации диоксида углерода и на­копление кислорода в зерновой массе относятся ко времени естественного охлаждения зерновой массы в зимний период при открывании верхних люков силосов. Концентрация диоксида уг­лерода в воздухе межзерновых пространств зависит от степени герметичности хранилища.

Недостаток кислорода и присутствующий диоксид углерода действуют весьма угнетающе лишь на зерно повышенной влаж­ности. Установлено, что на жизнеспособность сухого зерна даже большие концентрации диоксида углерода и полное отсутствие кислорода длительное время существенного влияния не оказы­вают. По-видимому, это объясняется и тем, что интенсивность дыхания сухого зерна ничтожно мала и в его клетках почти не образуется спирт. Проницаемость оболочек зерна для газов на­ходится в прямой зависимости от влажности: чем меньше влаж­ность, тем менее газопроницаемы оболочки.

Особенно много работ по изучению влияния доступа воздуха к зерновой массе на происходящие в ней физиологические процессы при хранении было проведено в Ростовском и Московском научно-исследовательских институтах зерна в процессе изучения режимов активного вентилирования.

Показано влияние доступа кислорода на ин­тенсивность дыхания семян сои влажностью 19,1%. Недостаточный обмен воздуха в зерновой массе, наблюдае­мый в практике хранения при слабом ее вентилировании, так­же и по тем же причинам приводит к снижению интенсивности дыхания, а часто и жизнеспособности зерна с повышенной влажностью. Для иллюстрации приведем данные И. М. Рашутина и А. Я. Бахарева о хранении зерна в условиях теплого воздуха и при ограниченном числе обменов воздуха межзерновых пространств. Отмечено, что ка­тастрофически снижаются всхожесть и энергия прорастания уже в первый месяц хранения. Показано влияние доступа кислорода на ин­тенсивность дыхания семян. При прак­тически полном отсутствии кислорода и содержании семян в атмосфере азота даже при 40°С газообмена не наблюдалось.

Приведенные данные показывают, что для сохранения по­севных качеств зерна влажностью выше 13...15% для злаковых культур необходим постоянный, хотя бы замедленный или силь­ный периодический обмен воздуха в зерновой массе. На прак­тике для этого снижают высоту насыпи зерна в складе или при­меняют активное вентилирование.

Многочисленные исследования, проведенные в ВИР (Всесо­юзном институте растениеводства, ныне Всероссийский институт растениеводства), показали, что длительное хранение семян генетического фонда растительных ресурсов ми­ра лучше всего проходит при содержании семян в герметических условиях с влажностью 7... 9% для пшеницы, 6...7% для ржи, 6... 8 % для ячменя, 7... 9 % для кукурузы, 5... 9 % для риса, 6... 8 % для проса, 5... 6 % для сорго, могара, чумизы и льна, 9% — для сои, 10... 11 % для фасоли, 2...5 % для подсолнечни­ка и 2...4% для клещевины. Образцы этих семян хранят при пониженных температурах.

Сухие семена пшеницы (влажностью до 14%) можно ус­пешно хранить в силосах элеваторов. Хранение сухого овса тре­бует периодического перемещения или продувания. Опытами в производственных условиях В. В. Макаров установил, что при хранении в силосах элеваторов в течение от одного года до двух лет без перемещения сухое зерно пшеницы сохраняет всхожесть и энергию прорастания. Жизнеспособность зерна со­храняется по всей глубине засыпанной зерновой массы.

Таким образом, зерно продовольственного и кормового на­значения можно хранить в производственных условиях с досту­пом и без доступа воздуха. Семена злаковых и бобовых культур с влажностью выше 14 % необходимо хранить только с доступом; воздуха. Однако общение с воздухом влажного и сырого зерна» продовольственного и кормового назначения целесообразно" лишь в случаях, когда в результате воздействия воздуха будет снижена влажность или температура зерновой массы.

Особенности состояния и качества зерна. Из факторов, имеющих зна­чение для отдельных партий зерна, необходимо отметить ботанические особенности, зре­лость, выполненность и круп­ность зерен, наличие травмиро­ванных и проросших зерен.

Состояние зрелости. Недозрелые зерна и семена обладают значительно большей интенсивностью дыхания, чем нормально вызревшие. Зерновая масса, в которой содержится много недозрелых семян, очень не­устойчива и легко подвер­гается порче. Недозрелые семена в первый период, хранения имеют повышен­ную влажность, энергично дышат и являются благо­приятной средой для микро­организмов и клещей.

К недозрелым зернам; относятся и морозобойные, т. е. захваченные на корню морозом. Такие зерна име­ют повышенную интенсив­ность дыхания и нестойки при хранении. Особенно это заметно в партиях, содер­жащих много зерен, повреж­денных морозом.

Данные А. П. Прохоровой показы­вают, что сухая зерновая масса, но содержащая зерна, по­врежденные морозом, имеет повышенную интенсивность ды­хания.

Имеются также данные, показывающие, что партии морозобойного зерна влажностью до 15 % в зимний период сохра­нялись без особых изменений, но с наступлением тепла в них нарастала кислотность, и появлялся амбарный запах. При влаж­ности выше 16 % зерно еще осенью при относительно теплой погоде утрачивало свежий запах и начинало плесневеть. Про­цесс самосогревания в морозобойном зерне возникает и разви­вается очень быстро.

Наблюдения за партиями морозобойного зерна с понижен­ной влажностью также показывают их меньшую стойкость при хранении. В этих партиях наблюдались случаи массового са­мосогревания после двух и более лет хранения.

Условия уборки и транспортирования урожая. Неблагоприятные погодные условия при уборке урожая резко снижают стойкость зерновых масс при хранении. Так, зерна, подмоченные при уборке или во время транспортирования, даже после их высушивания обладают в дальнейшем повышенной интенсивно­стью дыхания по сравнению с зернами с такой же влажностью, не подвергавшимися увлажнению. Зерна, прошедшие началь­ную стадию прорастания на корню, в снопах, ворохах или в процессе перевозки, а затем высушенные, также обладают по­вышенной интенсивностью дыхания. Меньшая стойкость подмо­ченных и начавших прорастать зерен является следствием ак­тивации ферментов в начальных стадиях прорастания и разви­тия на зерне микроорганизмов.

Выполненность и крупность зерна. Выделив из массы щуп­лые зерна, можно убедиться, что они дышат значительно ин­тенсивнее, чем выполненные и крупные. Несмотря на большой срок хранения и низкую влажность зерновой массы, щуплые зерна, по сравнению с выполненными, дышат более ин­тенсивно примерно на 25 %. Объясняется это наличием у них сравнительно большей активной поверхности, чем у зерен вы­полненных. Кроме того, обладая большей гигроскопичностью, щуплые зерна обычно более влажные, чем выполненные. Та­ким образом, партии, содержа­щие много щуплых зерен, при всех прочих равных условиях хранения всегда менее стойки. Целостность зерен. Наруше­ние целостности зерен — повреж­дение их оболочек, дробление на части и т.п. — приводит к увели­чению интенсивности дыхания. Объясняется это явлением меха­нического раздражения клеток, большой пораженностью битых зерен микроорганизмами, нако­нец, более свободным доступом воздуха к тканям. Удаление ме­тодами очистки битых и повреж­денных зерен увеличивает стой­кость всей партии при хранении. Ботанические особенности зер­на. Интенсивность дыхания зер­на при хранении зависит также от его ботанических особенно­стей. Установлено, что при одинаковых условиях хранения наи­большая энергия дыхания наблюдается у сортов кукурузы», имеющих крупный зародыш. Интенсивность дыхания зерна мяг­кой пшеницы выше, чем твердой.

Итак, зерновая масса, содержащая много неполноценных зерен (недозрелых, морозобойных, щуплых, дробленых, подмо­ченных), начавших прорастать и с другими дефектами, обла­дает повышенной интенсивностью дыхания, менее устойчива при хранении и требует особенно тщательного наблюдения за ней.