Как и все гидрофильные линейные полимеры, целлюлоза обладает склонностью к образованию элементарных фибрилл (из 40-60 молекул), в которых группы параллельно расположенных цепей макромолекул связаны между собой множеством водородных связей. Первичная фибрилла представляет собой наименьшее надмолекулярное звено целлюлозы. Первичные фибриллы целлюлозы образуются благодаря межмолекулярным взаимодействиям кислорода одной цепи и гидроксильной группы другой. Современная точка зрения на структуру целлюлозы имеет в своей основе теорию аморфно-кристаллического строения. Макромолекулы целлюлозы в первичных фибриллах образуют однородные высокоупорядоченные кристаллические зоны, которые чередуются с неоднородными менее упорядоченными аморфными зонами.

В кристаллических зонах целлюлозы существует трехмерный дальний порядок в расположении цепей целлюлозы. В аморфных участках дальний порядок отсутствует и сохраняется лишь общая продольная направленность цепей. В аморфных участках относительно легко могут происходить реакции целлюлозы с другими веществами. Наличием кристаллических областей обусловлена высокая механическая прочность и нерастворимость целлюлозы, тогда как набухание и высокая реакционная способность связана с более легкопроницаемыми для химических реагентов аморфными участками. Первичные фибриллы целлюлозы соединяются между собой с помощью водородных связей в микрофибриллы, которые являются основными звеньями строения волокон целлюлозы. Микрофибриллы состоят из нескольких первичных фибрилл, поперечное сечение их составляет примерно 100х200 А, длина - около 600 А. Целлюлозные волокна характеризуются индексом кристалличности. Этот показатель характеризует плотность упаковки целлюлозы и соотношение аморфных и кристаллических участков. Участки микрофибрилл, в которых ангидроглюкозные цепи располагаются в параллельных друг другу плоскостях, образуют кристаллы, называемые мицеллами. Межмицеллярные промежутки называются паракристаллическими и лишь они доступны для воды.

Между первичными фибриллами в микрофибрилле находится лигнин и гемицеллюлоза. Гетерогенность структуры целлюлозы, наличие кристаллических и аморфных областей, а также межфибриллярных капилляров приводит к тому, что волокна целлюлозы имеют макро - и микропоры. Пористая система в целлюлозе организована так, что проходит через всю ее структуру как сложная сеть каналов различного диаметра.

Гемицеллюлозы представляют собой гетерополисахариды, содержащие остатки различных гексоз, пентоз и их производных, со степенью полимеризации от 50 до 200. Гемицеллюлозы фракционируют на гемицеллюлозы А, экстрагируемые разбавленной щелочью (5-10 %), и гемицеллюлозы Б, экстрагируемые более концентрированной щелочью (17,5-24 %). В гидролизатах гемицеллюлоз различных растений идентифицируют следующие моносахара: глюкозу, галактозу, арабинозу, ксилозу, маннозу и уроновые кислоты [82, 83, 84]. Среди гемицеллюлоз наиболее распространены различные ксиланы (арабиноксиланы, глюкуроноксиланы, арабиноглюкуроноксиланы). В меньшем количестве встречаются маннаны (галактоманнаны, глюкоманнаны, глюкогалактоманнаны) и галактаны (арабиногалактаны и другие). У однодольных растений главным компонентом гемицеллюлоз являются ксиланы, в основе строения которых лежит β-1,4-ксилановый остов с ответвлениями, представляющими собой одиночные 4-0-метилглюкуронозильные остатки, связанные с С-2-атомами ксилозы остова. Арабиноглюкуроноксилан водородными связями соединен с цепями микрофибрилл целлюлозы. Водородные связи образуются за счет кислорода глюкозидных связей цепи ксилоглюкана и первичной гидроксильной группы глюкозного остатка при углеродном атоме целлюлозы. Арабиноглюкуроноксилан имеет боковые цепи из остатков уроновых кислот и нейтральных сахаров. Химические свойства гемицеллюлоз обусловлены наличием в мономерах ряда гидроксильных групп, карбоксильных групп и полуацетальной гликозидной связи. Часть этих группировок метоксилирована и ацетилирована (ксиланы, маннаны), часть образует сложноэфирные связи с другими компонентами клеточных стенок – лигнином, белками. Возможны простые эфирные ацетальные и другие связи. Арабиноксиланы эндосперма пшеницы, тритикале, овса, ячменя ковалентно связаны с феруловой кислотой.

В небольшом количестве в оболочках представлены пектиновые вещества и лигнин. Пектиновые вещества содержатся в зерне пшеницы в форме нерастворимого протопектина, который является цементирующим материалом, и в форме растворимого пектина. Главная цепь пектиновых веществ состоит из рамногалактурона, в котором остатки галактуроновой кислоты связаны между собой 1,4-гликозидными связями и с рамнозилом 1,2-гликозидными связями. Наличие рамнозы в цепи полисахарида нарушает линейную структуру макромолекул. К главной цепи ковалентно присоединены боковые цепи – арабинан, галактан или их комбинация. Карбоксильные и гидроксильные группы макромолекул рамногалактуронана обусловливают водосвязывающую способность пектиновых веществ.

Лигнин - один из важнейших компонентов растительной биомассы, основными его предшественниками являются, n-кумаровый, конифериловый и синаповый спирты. Макромолекула лигнина образуется в результате сочетания феноксильных радикалов. Большинство мономерных единиц связано прочными углеродными связями дифенильного или алкиларильного типа. Существующие простые эфирные связи, за исключением α- арилового простого эфира, тоже довольно устойчивы к гидролизу. Степень полимеризации лигнина значительно меньше, чем у целлюлозы и гемицеллюлозы и равна 3. Лигнин заполняет межфибриллярное пространство кристаллической структуры целлюлозы и тем самым в той или иной степени определяет доступность элементарной целлюлозы для ферментных комплексов [85, 86, 87].

В состав оболочек входят также в небольшом количестве белки. Белки оболочек представлены структурным арабиногалактановым гликопротеидом экстенсином, до 50 % аминокислот в котором составляет гидроксипролин, кроме того, этот белок обеднен метионином. Общее содержание углеводной части составляет около 45 % от массы гликопротеида, а по некоторым данным – даже 74 %. Углеводная часть белка представлена арабинотетраолигосахаридами, состоящими из остатков арабинозы, соединенных β-(1,2) и β-(1,3)-связями. Арабинотетраолигосахариды присоединены к гидроксильным остаткам гидроксипролина с помощью гликозидных связей. Вытянутые молекулы экстенсина образуют стержень, а тетрасахариды стабилизируют полипептидную цепь в конформации жесткого прута. На рисунке 1 представлена схема строения первичной клеточной стенки по Albersheim [88].

Поперечный и продольный слои плодовой оболочки связаны непрочно и при увлажнении между ними образуются пустоты.

Химические соединения, входящие в состав оболочек зерна, выполняют различные физиологические функции. Целлюлозные фибриллы представляют структурообразующий и каркасный элемент; гемицеллюлозы, и пектиновые вещества участвуют в процессе осморегуляции, адсорбции, при растяжении растительной клетки, и в формировании тургора; лигнин и структурные белки формируют физиологический и биохимический барьеры от микробиологической инфекции из-за структурной прочности и токсичности их для микроорганизмов.

Рисунок 1 – Строение первичной стенки растительной клетки (по Albersheim P.).

В настоящее время известны лишь основные черты взаимодействия различных полисахаридов и гликопротеидов в клеточных стенках. На поверхности микрофибрилл целлюлозы вероятно имеется ксилоглюкановый монослой, формирующийся за счет водородных связей. Вполне вероятно также нековалентное связывание целлюлозой определенной части глюкуроноарабиноксилана – другой гемицеллюлозы клеточных стенок. Обнаружены и ковалентные связи между ксилоглюкановыми цепями и пектиновыми полисахаридами. Наиболее значимый тип нековалентной связи осуществляется посредством ионов кальция. Ион кальция хелатирует карбоксильные группы четырех галактуронозильных остатков двух соседних полисахаридных цепей.

В клеточных стенках сосредоточены также слизистые вещества, которые являются продуктами нормального метаболизма растений и служат как пищевым резервом, так и веществами, удерживающими воду. Слизистые вещества злаков были выделены более 100 лет назад. В 1988 году O. Sullivan выделил из ячменя, пшеницы и ржи две фракции слизистых веществ ά- и β-амилан. Слизистые вещества называют также водорастворимыми пентозанами. По определению , под слизистыми веществами понимают группу водорастворимых гетерополисахаридов, состоящих, главным образом, из пентозанов и гексозанов, важнейшей особенностью которых является высокая вязкость водных растворов [82].

и установили, что по мере созревания зерна понижается количество водорастворимых пентозанов, так как они расходуются на образование гемицеллюлоз, а при прорастании зерна этот процесс протекает в обратном направлении. При частичном ферментативном гидролизе гемицеллюлозы разрушаются до водорастворимых пентозанов [89]. Структура молекул водорастворимых пентозанов имеет разветвленное строение. Пентозановая фракция слизистых веществ, состоящая из арабинозы и ксилозы, входит в группу растительных ксиланов, которые имеют ксилозную цепь с присоединенными цепями других нейтральных сахаров и уроновых кислот. Вторая фракция слизистых веществ, глюкозан, обозначаемая часто как β-глюкан, имеет неразветвленную цепь из остатков β-Д-глюкопиранозы, связанных в положении 1-3, 1-4 и, возможно, незначительно 1-6. Слизистые вещества уже при комнатной температуре поглощают до 800 % воды, образуя вязкие растворы. Вязкость растворов зависит от содержания пентозанов и количества белков в слизистых веществах.

Гидротермическая обработка растительного сырья приводит к деструкции некрахмальных полисахаридов. Наиболее устойчивым компонентом клеточных стенок является целлюлоза. При гидротермической обработке целлюлоза частично набухает и возрастает ее эластичность. Деструкция гемицеллюлоз начинается при температуре 70-80 ºС. Процессу подвергаются обе фракции гемицеллюлоз, образующиеся при этом растворимые продукты переходят в раствор [90]. Наряду со снижением количества общих гемицеллюлоз происходит увеличение содержания легкогидролизуемой фракции А за счет увеличения растворимости при тепловой обработке трудногидролизуемой фракции Б. Деструкция протопектина начинается при температуре 60 ºС. В процессе деструкции протопектина при гидротермической обработке происходит распад связей между цепями рамногалактуронана с другими компонентами клеточных стенок и гидролиз самих цепей макромолекул рамногалактуронана, что приводит к образованию растворимых продуктов деструкции с различной молекулярной массой. Деструкция пектиновых веществ и гемицеллюлоз приводит к нарушению всего полисахаридного комплекса матрикса клеточных стенок. Известно, что увеличение содержания слизистых веществ наблюдается не только при гидротермической обработке, но и при проращивании зерна злаковых культур в результате гидролиза гемицеллюлоз. При этом существенно снижается вязкость слизистых веществ, что обусловлено образованием низкомолекулярных продуктов. Для ускорения процесса деструкции некрахмальных полисахаридов и проведения его при более низких температурах можно использовать ферментные препараты целлюлолитического действия.

Ферментные препараты целлюлолитического действия содержат в своем составе ферменты, расщепляющие клеточные стенки: - гидролазы (эндоглюканазы, экзоглюканазы и глюкозидазы), а также окислительные и пектолитические ферменты. Эти ферменты осуществляют процесс мацерации структур клеточных стенок, который заключается в разрушении межмолекулярных связей между основными структурами комплекса клеточных стенок и в частичной фрагментации самих полимеров, что обеспечивает их солюбилизацию (высвобождение) и сопровождается образованием поли - и олигосахаридов. В дальнейшем происходит процесс деградации солюбилизованных молекул с образованием ди - и моносахаридов [91].

Высокоупорядоченная целлюлоза расщепляется при синергическом взаимодействии эндоглюканаз и целлобиогидролаз.

Эндоглюканазам принадлежит важнейшая роль в действии полиферментных систем, поскольку они первыми атакуют целлюлозу. Характерными свойствами эндоглюканаз является абсолютная специфичность к конфигурации расщепляемой гликозидной связи, неспособность гидролизовать полисахариды, содержащие обьёмный заместитель у атома углерода С-6, а также дисахариды. Следует отметить возможность расщепления 1,3-и 1,6-гликозидных связей, чередующихся с 1,4-связью. В качестве низкомолекулярных продуктов действия эндоглюканаз могут образовываться моно-, ди - и трисахариды. Оптимум действия эндоглюканаз составляет рН 4,0-5,5. Для эндоглюканаз характерно возрастание скорости каталитического расщепления олигосахаридов от димеров до гекса - или гептамеров. Целлобиогидролазы отщепляют целлобиозу (основной продукт) и глюкозу (минорный продукт) в процессе гидролиза целлюлозы или целлоолигосахаридов. Гидролиз гликозидной связи происходит с обращением аномерной конфигурации аглюкона невосстанавливающего конца целлюлозы или её фрагментов.

Целлобиогидролазы являются специфичными ферментами к β-1,4-гликозидной связи. Серия каталитических актов разрыва гликозидной связи может продолжаться лишь до появления первого карбоксиметильного заместителя, что сопровождается незначительным образованием восстанавливающих сахаров и сохранением неизменной вязкости раствора. Целлобиогидролазы ингибируются целлобиозой, а иногда глюкозой. Оптимум действия целлобиогидролаз лежит в кислой области, это же характерно и для изоэлектрической точки.

Основным продуктом действия экзоглюкозидаз являются моносахариды. Экзоглюкозидаза обладает способностью гидролизовать до глюкозы аморфную целлюлозу, n-нитрофенил, β-D-глюкозид, целлобиозу, целлотриозу, целлотетраозу и целлопентаозу.

Для глюкозидаз характерна широкая специфичность: они способны гидролизовать D-гликозидные связи между глюкозными и арильными, алкильными или углеводными остатками. β-глюкозидазы могут гидролизовать 1→2,1→3,1→4 и 1→6 гликозидные связи. У многих β - глюкозидаз отсутствует строгая специфичность к конфигурации гидроксильных групп у С-4 и С-5 атомов гексозидов и пентозидов. Гомогенные глюкозидазы делятся на 3 типа: β - глюкозидазы, гидролизующие дисахариды, глюконовые и аглюконовые части которых представлены одинаковыми сахаридными остатками (целлобиаза); арил-глюкозидазы, гидролизующие только глюкозиды, глюконами которых являются ариловые спирты (арил-в-D-глюкозидаза); β-глюкозидазы, обладающие широкой специфичностью к аглюкону и гидролизующие дисахариды, арилглюкозиды, олигосахариды. Основные отличия в свойствах β-глюкозидаз и экзоглюкозидаз заключаются в том, что первые быстрее гидролизуют более короткие олигосахариды, чем длинные, а также сохраняют аномерную конфигурацию расщепляемой связи; вторые быстрее гидролизуют более длинные олигосахариды, причем гидролиз сопровождается инверсией гликозидной связи. рН-оптимум действия β - глюкозидаз находится в слабокислой или нейтральной области.

Глубокий гидролиз целлюлозы осуществляется в результате согласованного действия полиферментной системы, состоящий из эндо - и экзодеполимераз и β -глюкозидаз. В настоящее время “базовой” моделью действия целлюлазного комплекса является следующая: эндоглюканаза гидролизует целлюлозу, осуществляя её деполимеризацию, диспергирование и в определенной степени разрушение кристаллической структуры. Одновременно происходит подготовка субстрата для действия целлобиогидролазы. Оба этих фермента в качестве растворимого продукта дают целлобиозу, которая под действием β-глюкозидазы (целлобиазы) гидролизуется до глюкозы. Глюкоза и целлобиоза могут образовываться под действием эндоглюканазы и целлобиогидралазы из целлоолигосахаридов.

Характерным свойством, присущим целлюлазному комплексу, является явление синергизма, выражающееся во взаимном увеличении скорости и глубины гидролиза целлюлозы до конечных продуктов при совместном действии ферментов целлюлазного комплекса по сравнению с индивидуальным действием этих компонентов [92].

Мягкий гидролиз целлюлозного комплекса может привести к изменению кристаллической структуры целлюлозы и к увеличению содержания слизистых веществ за счет гидролиза гемицеллюлоз [93].

Увеличение содержания слизистых веществ оказывает благоприятное воздействие на технологический процесс выработки ржаного и пшеничного хлеба [94]. Добавление слизистых веществ улучшает качество мякиша хлеба, делает его более эластичным. Функции слизистых веществ в хлебопечении заключаются в увеличении водопоглощения и в том, что слизистые вещества могут быть связаны с другими компонентами теста. Пластично-упругие свойства теста из ржаной муки определяются слизистыми веществами, а также другими гомо - и гетерополисахаридами. Добавление в тесто слизистых веществ замедляет процесс черствения хлеба, что обусловлено их способностью эффективно тормозить ретроградацию крахмала, и в большей степени ретроградацию амилопектиновой фракции. Слизистые вещества способны увеличить температуру клейстеризации крахмала до 94 ºС. При нагревании водно-мучных суспензий, конкурируя с клейстеризующимся крахмалом за воду, слизи могут снизить клейстеризацию крахмала и уменьшить его амилолиз.

Ферментные препараты целлюлолитического действия используют при гидролизе виноградной выжимки в виноделии, при получении пивоваренного ячменного солода и концентрата квасного сусла. В этих производствах применяются в качестве ферментных препаратов импортные препараты фирм «Quest» и «Noro Nordisk» (Вискозим, Целлюкласт, Бирзим, Зимафилт, Фунгамил супер, Пентопан Моно ВГ и другие) [95, 96], и отечественные препараты Целловиридин, Ксилаком, Целлоконингин, Целлокандином, Цитороземин и другие. Исследование специфичности действия препаратов показывает, что отечественные препараты имеют более широкий спектр действия, чем зарубежные, и эффективно расщепляют различные виды гемицеллюлоз, целлюлозные субстраты и разнообразные виды зернового сырья [97, 98].

Ферментные препараты целлюлолитического действия применяют при производстве хлеба из ржаной муки, смеси ржаной и пшеничной муки, а также хлеба с добавками отрубей и других компонентов с повышенным содержанием структурных полисахаридов. Гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз повышает количество сбраживаемых сахаров в тесте, что интенсифицирует процесс брожения. Расщепление целлобиозы приводит к снижению вязкости теста, что особенно важно при выпечке хлеба из ржаной муки. Повышается пористость и удельный объем хлеба, мякиш становится менее липким.

Имеются данные, о том, что ферментные препараты можно применять при производстве зернового хлеба [94].

Не смотря на широкий спектр исследований в области использования целлюлолитических ферментов и их субстратов до настоящего времени отсутствует комплексный подход в изучении изменения биохимических свойств сложных субстратов, таких как зерно злаковых культур, в процессе ферментативного гидролиза. Не исследованы вопросы, касающиеся роли биокатализаторов на основе целлюлаз, в миграции минеральных веществ в пределах сложных субстратов.

1.3. Микрофлора зерна и способы снижения его микробиологической обсемененности

Микрофлора зерна складывается из сапрофитных микроорганизмов, населяющих растения и свойственных каждому роду и виду, или фитопатогенных микроорганизмов, паразитирующих на растениях, или случайно попадающих на растения, или микроорганизмов, попадающих в зерновую массу во время уборки урожая и при обмолоте.

В зерне и зерновых продуктах обычно присутствуют бактерии, дрожжи, актиномицеты, плесневые грибы. Их видовой состав и количество зависят от климатических условий формирования зерна и от условий его хранения. Для своего развития микрофлора нуждается в определенном сочетании влажности продукта и температуры окружающей среды. Так грибы-ксерофиллы начинают развитие при 14-15 %-ной влажности зерна, гидрофиллы требуют 18 %-ной влажности зерна, а мезофиллы – 16 %-ной. К мезофиллам принадлежит большинство плесеней хранения. Аэробные микроорганизмы зерна при хранении составляют более 90 % всей микрофлоры [99].

Сапрофитные микроорганизмы преобладают на поверхности зерен, они нуждаются для развития в органических веществах. Среди сапрофитных микроорганизмов встречаются эпифиты, которые не паразитируют на растениях, не способны проникать внутрь неповрежденной оболочки растения и зерна, не требовательны к питательным веществам. Некоторые сапрофиты проникают во внутренние участки (под оболочку) зерна, образуя субэпидермальную микрофлору, которая сохраняется там длительное время, а при наличии благоприятных условий развивается на зерне. Субэпидермальной микрофлорой в первую очередь атакуется зародыш зерна, так как он содержит большое количество питательных веществ в легкоусвояемой форме [100]. Доказано, что изменение качества зерна при хранении вызывают только сапрофитные и некоторые полупаразитные микроорганизмы. Причем существенные изменения состояния зерновой массы сапрофиты вызывают при благоприятных для них условиях хранения. Основные представители сапрофитных бактерий зерна относятся к родам Ervinea и Pseudomonas. В партиях свежеубранного зерна на долю Ervinea herbicola приходится до 92-95% всего количества бактерий. Они не разрушают зерно, и столь значительное их количество служит показателем хорошего качества зерна, его свежести. Плесневые грибы и кокки - антагонисты и вытесняют Ervinea herbicola из среды обитания. Ее исчезновение свидетельствует о нежелательных микробиологических процессах в зерновой массе.

Наиболее распространенной инфекцией муки и зерна является заражение споровыми бактериями рода Bacillus, которые попадают при сборе зерна и помоле. В процессе выпечки хлеба вегетативные клетки этих бактерий погибают, а споры остаются и при благоприятных условиях прорастают. Развивается картофельная болезнь, в результате которой в хлебе накапливаются продукты реакций распада белков и углеводов - декстрины, амиды и другие. Хлеб приобретает резкий специфический запах и становится непригодным в пищу [101].

При хранении зерновой массы значительно увеличивается относительное содержание спорообразующих бактерий (до 60-90 %), отличающихся большой термоустойчивостью. Дрожжи при определенных условиях способствуют появлению так называемого амбарного запаха. Они выявляются во влажном зерне.

Плесневые грибы - вторая по значимости группа микроорганизмов, населяющих зерновую массу (1-2 %). При благоприятных условиях находящиеся в зерне споры плесневых грибов прорастают, образуя мицелий и органы плодоношения. На зерне появляются колонии плесеней, хорошо видимые невооруженным глазом. Поскольку плесневые грибы развиваются за счет органических веществ зерна, то это сопровождается потерями массы зерна, ухудшением его качества или полной порчей. При плесневении в зерне увеличивается доля олеиновой кислоты и снижаются доли биологически ценных компонентов – линолевой и линоленовой жирных кислот, фосфолипидов, токоферолов, каратиноидов. Особую опасность грибная инфекция причиняет человеческому организму. В последнее время микологические инфекции по сравнению с бактериальными и вирусными становятся более агрессивными. Многие виды микроскопических грибов вызывают микозы, аллергические заболевания, микотоксикозы человека.

На начальных этапах развития зерно поражается «полевыми грибами» родов Alternaria, Helminthosporium, Fusarium. При хранении зерновых культур происходит перераспределение состава микрофлоры, обсеменяющей зерно. Постепенно представители «полевой микрофлоры» вытесняются «плесенями хранения» Как известно, основные потери при хранении зерна происходят при участии плесневых грибов родов Penicillium, Aspergillus, Mucor, Rhizopus. В отличие от «полевых грибов» - гидрофилов, многие виды «плесеней хранения» нетребовательны к влаге (ксерофилы) и могут развиваться при влажности, совпадающей с нижним стандартным уровнем зерна.

«Плесени хранения» способны развиваться в широком диапазоне температур. Вследствие высокой ферментативной активности, нетребовательности к влаге, способности к выживанию в условиях повышенных и низких температур, при недостатке кислорода и избытке углекислоты в окружающей среде – «плесени хранения» играют главную роль в ухудшении качества и порче зерна и продуктов его переработки.

Плесневение хлеба происходит в результате развития плесневых грибов родов Aspergillus (A. flavus, F. fumigatus, A. niger, A. ochraceus), Mucor (M. mucedo, M. pusilus, M. spinosus), Penicillium (P. oristosum, P. expansum), Rhizopus nigricans, Geotrichum candidum [102].

Оболочки являются механическим барьером зерна против микроорганизмов. Однако после уборки 20-50% зерен пшеницы и 50-90% зерен ржи имеют механические повреждения. Как известно, накопление микрофлоры в зерновой массе зависит от содержания испорченных и травмированных зерен.

Известно достаточно много способов снижения микробиологической обсемененности зерна. Среди них различают физические (термические и лучевые), химические (окислители, фумиганты, инактиваторы ферментов и микотоксинов) и биологические. Прежде, чем использовать какой-либо способ обеззараживания зерна, его подвергают поверхностной очистке от пыли, примесей, вредных микроорганизмов, содержащихся на оболочках.

Наиболее широко распространено в настоящее время применение химических веществ. В литературных источниках указано, что двуокись серы и ее производные обладают антимикробными свойствами. Они активно действуют на плесневые грибы, дрожжи и аэробные бактерии и значительно меньше влияют на анаэробные бактерии. Многие химические вещества, как неорганические (соли меди, серебра; окислители: хлорная известь, перманганат калия, перекись водорода; щелочи и кислоты: гидроксид натрия, серная, фтористоводородная, борная кислоты; некоторые газы: угарный, сероводород), так и органические (спирты, альдегиды, фенолы) замедляют рост микроорганизмов или вызывают их гибель. К химическим консервантам предъявляются определенные требования: они должны иметь разрешение на применение в пищевых продуктах, не должны влиять на органолептические свойства продукта, иметь широкий спектр действия, не взаимодействовать с основными компонентами продукта и другие. Действие химических консервантов зависит от концентрации, температуры и степени заражения продукта [103].

Вводимый в зерновую массу порошкообразный пиросульфит натрия (1,0-1,2 %) обладает значительным консервирующим действием, вплоть до способности прекращать процесс самосогревания. Пиросульфит натрия проявляет в основном антибактериальное действие в отношении бактерий родов Bacillus, Pseudomonas. Действие против плесневых грибов и дрожжей выражено слабо.

Исследована возможность использования метацида в качестве консерванта при хранении зерна пшеницы, В условиях различной концентрации препарата, влажности и сроков хранения установлено угнетающее действие метацида на микрофлору зерна. Наиболее сильно метацид влияет на бактерии, в том числе спорообразующие и снижает заболеваемость хлеба картофельной болезнью.

В настоящее время найдено много хороших ингибиторов плесневых грибов, оказывающих сильное влияние даже в малых концентрациях. Так, сильным угнетающим действием не только на плесени, но и на всю микрофлору и жизнедеятельность зерна обладает хлорпикрин. Введением его паров в зерновую массу можно даже прекратить ее самосогревание. Достаточно сильно угнетает плесневые грибы дихлорэтан. Весьма эффективными оказались тиомочевина и 8-оксихинолинсульфат. Токсическое действие тиомочевины на зерно пшеницы весьма незначительно. Химические способы дезинфекции зерна осуществляют также с помощью органических кислот (пропионовой, бензойной, сорбиновой, молочной, лимонной) и их солей.

Совместное использование пропионовой кислоты и ультразвука приводит к стерилизации зерна, что позволяет повысить его микробиологическую чистоту при хранении.

Бензойная кислота и ее соли даже в небольших количествах тормозят рост аэробных микробов, тогда как для подавления дрожжевых и плесневых грибов необходимы более высокие концентрации. Она встречается в растениях, как в свободном виде, так и в виде эфиров или амидов. Эффективные концентрации бензойной кислоты 0,1-0,4 %.

Сорбиновая кислота и ее соли в последние годы разрешены почти во всех странах в качестве консервантов в концентрациях от 0,01 до 1,2 %.

Уксусная кислота снижает микробиологическую обсемененность зерна при производстве хлеба. Установлено, что внесение 0,5 % уксусной кислоты в замочную воду позволяет снизить обсемененность зерна на 60 %.

Лимонная кислота не обладает токсичностью и канцерогенностью, применяется в качестве консерванта и является средством регулирования технологического процесса в хлебопечении.

Янтарная кислота имеет большие перспективы для применения в пищевой промышленности, так как обладает мощным антиоксидантным действием. Ее антиоксидантные свойства связывают с хорошей окисляемостью, что предотвращает перекисное окисление липидов. На организм человека янтарная кислота оказывает оздоровительное действие, не вызывая побочных эффектов и привыкания, так как стимулирует выработку энергии в клетках, усиливает клеточное дыхание, способствует усвоению кислорода клетками, тканями и органами. Янтарная кислота рекомендуется как средство повышения иммунитета, предотвращения заболевания атеросклерозом и другими болезнями, в основе развития которых лежит перекисное окисление липидов. Янтарная кислота является универсальным промежуточным метаболитом, образующимся при реакциях взаимопревращения белков, углеводов и липидов. Норма потребления янтарной кислоты – 0,3 – 0,5 г/сутки.

Установлено, что применение лимонной и янтарной кислот при различных уровнях рН среды существенно повышает активность ферментов и сбраживающую способность дрожжей.

Применение молочной кислоты в хлебопечении обусловлено селективным бактериостатическим действием, высокими диффузионными свойствами, способностью улучшать физиологическое состояние дрожжей, регулировать рН и текстуру теста, повышать ферментативную активность дрожжей и предупреждать развитие в хлебе картофельной палочки [104].

В России запатентован способ производства зернового хлеба, предусматривающий замачивание зерна в воде в присутствии ионов серебра в концентрации 0,15-0,35 мг/л. Присутствие ионов серебра позволяет уничтожить многие микроорганизмы, при этом активность дрожжей не снижается.

Физические способы дезинфекции заключаются в том, что пищевой продукт подвергают физическому воздействию, которое препятствует росту микроорганизмов. Самые известные физические методы – воздействие нагреванием, холодом и различные виды облучения.

Термические методы дезинфекции являются энергоемкими, требуют дорогостоящего оборудования и не всегда обеспечивают необходимый уровень деконтаминации. Термодеструкция при высокотемпературной обработке также приводит к снижению потребительских свойств продукта.

Для повышения эффективности тепловой и химической деконтаминации рекомендуют гидрокавитационную гомогенизацию водно-зерновых масс аппаратами роторно-пульсационного типа.

К физическим способам дезинфекции относятся микроволновая стерилизация, ионизирующие облучения, УФ-лучи, токи СВЧ, ИК - облучение зерна.

Отдельные группы микроорганизмов проявляют различную устойчивость к ионизирующим излучениям. По-видимому, наиболее устойчивыми к действию ионизирующих излучений являются грибы. В целом установлено, что лучи Рентгена и гамма-лучи при действии на зерно пшеницы снижают численность микрофлоры. Под действием ионизирующих излучений структурные элементы клеток микроорганизмов изменяются, что приводит к снижению их физиологической активности.

Эффект стерилизации зависит также от дозы облучения и влажности зерна. Так по данным ВНИИЗ, при дозе облучения в 1 млн. р. зерно пшеницы, имевшее влажность 16 %, хранилось в течение 3 месяцев без признаков плесневения, а с влажностью 20 % и 25 % покрывалось плесенью через несколько дней. Параллельно с изучением действия различных излучений на микрофлору зерна, насекомых и клещей, ведутся исследования по выяснению влияния этих способов стерилизации на пищевые и технологические свойства зерна, а также на его жизнеспособность [105].

Радиационные методы стерилизации, использующие ионизирующие облучения и принципиально решающие проблему дезинфекции зерна, увеличения сроков хранения, вызывают глубокие модификации его химической структуры и приводят к образованию побочных соединений.

изучено влияние электрохимической активации воды при замачивании зерна на изменение микрофлоры зерна и хлеба. С целью бактерицидного эффекта для обработки зерна используется электрохимически обработанный раствор хлорида натрия в анодной камере диафрагменного электролизера с рН 2-2,5, ОВП мВ и содержанием активного хлора 0,03-0,05 % при экспозиции 1-3 часа. Такая обработка зерна позволяет снизить контаминацию зерна на 97 %.

Получено авторское свидетельство на способ обезвреживания зерна УФ-лучами, предусматривающий обработку зерна дозой 125-146 Вт·час/м2 в течение 30-35 минут. Толщина слоя обрабатываемого зерна от 1 зерновки до 1,5 см. В результате обработки снижалась общая обсемененность зерна микроорганизмами и содержание пестицида 2,4-ДА до 25 % от исходного уровня загрязнения [106].

Ультрафиолетовое излучение сплошного спектра в диапазоне 230-310 нм при помощи ртутных, амальгамных, импульсных ксеноновых ламп и установки НПО «ЛИТ» на всех этапах пищевого производства обладает явно выраженным бактерицидным действием и производит активную инактивацию микроорганизмов.

В литературе также имеются данные о влиянии СВЧ-полей на микрофлору. Кафедрами «Хранение зерна и технология комбикормов» и «Биотехнология» МГУПП проводятся исследования по изучению изменений микрофлоры зерна после обработки его в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ). При нагреве зерна до 50-55°С в течение нескольких секунд достигался 80-85 % эффект обеззараживания, который возрастал почти до 100 % после обработки при температуре выше 80°С. Такая обработка предложена для фуражного зерна с целью стерилизации [107]. Использование СВЧ-энергии не только позволяет снизить микробиологическую обсемененность зерна, но и улучшить показатели качества зерна пшеницы, кукурузы и других культур [108].

Запатентован способ подавления обсемененности хлебных продуктов различными бактериями, грибами и вирусами, преимущественно патогенными штаммами. Способ предусматривает обработку продуктов газообразной смесью, содержащей 15 % озона и газ из группы следующих газов: азот, углекислый газ, аргон, ксенон и неон, пропускаемый со скоростью 0,001-100 л/с при 0-10 °С и относительной влажности до 100% в течение 1 секунды – 10 часов под давлением 0,1-20 бар [109].

Возможно применение ультразвуковой обработки зерна в процессе отмывки с целью дезинфекции и уничтожения микрофлоры на поверхности зерна. Основным фактором бактерицидного действия является поле давлений акустической кавитации. Доказано, что даже за то небольшое время, в течение которого происходит непосредственный контакт зерна с водой при отмывке (до 5 секунд), его можно полностью обеззаразить. Ультразвуковая обработка также позволяет получить бактерицидный эффект непосредственно, через озвученную воду, в том числе и в отношении возбудителей картофельной болезни [110].

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8