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.