Моделирование зараженности зерновой массы микрофлорой
advertisement
УДК 664.72:543 [Малеева О.Л.], к.т.н., доцент кафедры товароведения и экспертизы товаров Краснодарского филиала РГТЭУ Амбарцумян Л.И., к.т.н., доцент кафедры товароведения и экспертизы товаров Краснодарского филиала РГТЭУ Губа Е.Н., к.т.н., доцент кафедры товароведения и экспертизы товаров Краснодарского филиала РГТЭУ Брикота Т.Б., к.т.н., доцент кафедры товароведения и экспертизы товаров Краснодарского филиала РГТЭУ Малахова М.Л., ст. преподаватель кафедры товароведения и экспертизы товаров Краснодарского филиала РГТЭУ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАРАЖЕННОСТИ ЗЕРНОВОЙ МАССЫ РИСА МИКРОФЛОРОЙ ПРИ ХРАНЕНИИ MODELING INFECTED GRAIN RICE MICROFLORA MASS STORAGE Аннотация: тепловыделение в зерне зависит температуры, влажности зерна и концентрации не только от текущей кислорода в межзерновом пространстве, но и от степени зараженности микрофлорой. Степень зараженности зерновой массы микрофлорой сильно влияет на срок безопасного хранения зерна. Следовательно, для более адекватного моделирования процессов при хранении зерна, может возникнуть необходимость учитывать в модели влияние степени зараженности зерновой массы микрофлорой. Для моделирования начальных стадий самосогревания зерновой массы риса, с вычислением функции тепловыделения, а также для моделирования процесса самосогревания зерновой массы риса, с учетом роста зараженности микрофлорой и ее вклада в тепло- и влаговыделение, предложена краевая задача тепломассообмена с соответствующими начальными и граничными условиями и замыкающими соотношениями. Abstract: the thermal emission in grain depends not only on the current temperature, humidity of grain and concentration of oxygen in intergrain space, but also from contamination degree microflora. Degree of contamination of grain weight microflora strongly influences term of safe storage of grain. Therefore, for more adequate modeling of processes at grain storage, there can be a need to consider in model influence of degree of contamination of grain weight by microflora. For modeling of initial stages of self-warming of grain weight of rice, with thermal emission function evaluation by data, and also for modeling of process of self-warming of grain weight of rice, taking into account contamination growth by microflora and its contribution in warm and vlagovydeleny, the regional task heat and mass transfer with the corresponding entry and boundary conditions and closing ratios is offered. Ключевые слова: самосогревание зерновой массы, микрофлора, рис, зараженность, моделирование. Keywords: self-warming of grain weight, microflora, rice, contamination, modeling. Рис – ценнейший пищевой продукт. По калорийности, легкости усвоения, вкусовым свойствам, а также по товарным достоинствам рис занимает одно из первых мест среди крупяных культур. Рисом питается больше половины населения земного шара. Особенно большое количество риса производят в Китае, Индонезии, Таиланде, Бангладеш. В России большая часть риса-зерна заготавливается в районах Северного Кавказа (Краснодарский край занимает ведущее место), Приморского края и в Низовьях Волги. В пищевом отношении зерно риса является весьма ценным сырьем и широко используется во многих странах для производства продуктов питания. В организме человека рис переваривается в несколько раз быстрее, чем другие крупы, причем на этот процесс затрачивается сравнительно небольшое количество энергии. Коэффициент усвояемости рисовой крупы самый высокий - 95,9. Калорийность ее 3594 калории - она лишь немного уступает пшенице, калорийность которой составляет 3610. Важнейшими факторами, влияющими на сохранность зерна и его товароведнотехнологические характеристики, являются: влажность зерна, относительная влажность воздуха, температура зерновой массы и окружающей среды, доступ воздуха к зерновой массе, микробиологическая обсеменѐнность, заражѐнность вредителями, продолжительность хранения и ряд других. Сложность процессов в зерновой массе при хранении оставляют актуальной проблему противодействия неблагоприятным изменениям качества и пищевой ценности зерна. Главной целью управления процессом хранения зерна является отсутствие ухудшения показателей качества зерна. Анализ современного уровня теоретического описания совокупности процессов, протекающих при хранении зерновой массы риса, показал, что не получил должного развития подход, учитывающий температурновлажностный режим как комплекс взаимосвязанных нестационарных пространственнонеоднородных полей. Описание зерновок риса, представляющих собой живой организм, только физическими законами без учѐта биохимического фактора, очень ограничено. Для изучения возможной длительности хранения риса, причин образования трещин в зерне и ряда других необходим учѐт нестационарности и градиентов полей температуры и влаги в зерне и межзерновом пространстве. Для правильной организации борьбы со всеми видами потерь и ухудшением качества зерна, создания эффективной техники и систем управления хозяйствами зернохранилищ, необходимо применение математического моделирования процессов выделения и распространения тепла и влаги в зерновой массе, а также процессов газообмена и жизнедеятельности живых компонентов зерновой массы. Зерновой массой принято называть совокупность зерен основной культуры, различных фракций примесей минерального и органического происхождения, микроорганизмов и воздуха межзерновых пространств. Кроме этих постоянных компонентов в отдельных партиях зерна встречаются насекомые и клещи. Свойства зерновых масс, определяющие их качество как объекта хранения можно подразделить на: физико-механические — геометрическая форма и размеры зерновок, удельная плотность, скважистость, сыпучесть, масса 1000 зерен; физико-химические — теплофизические свойства, сорбционные и гигроскопические свойства; физиологические свойства — интенсивность дыхания отдельных компонентов зерновой массы, активность ферментных систем, состояние плодовых оболочек и т.д. К характеристикам зерновой массы также относят состав и содержание в ней примесей, зараженность микроорганизмами, клещами и насекомыми. Рис-зерно отличается рядом специфических особенностей, которые выдвигают особые требования к его послеуборочной обработке, хранению и технологической переработке. Установлено, что даже в пределах одной метелки зерновки риса обладают индивидуальными особенностями, связанными с их разнокачественностью. Разнокачественность зерновок обусловлена наследственностью, условиями внешней среды и особенно их местоположением на растении и связанной с этим разной степенью обеспеченности питательными веществами. Метелка риса цветет неодновременно. Ее цветение начинается от вершины рисовой зерновки и постепенно идет вниз. В такой же последовательности идет и процесс созревания. Разница в созревании отдельных зерен составляет 5-7 дней и более, а в пределах растения - 15-20 дней. Наблюдения за динамикой созревания показали, что в интервале между 10 и 20 днями после цветения преобладающая часть зерновок находится в фазе молочной, а к 35-45 дням - полной спелости. Недозревшие зерновки характеризуются более активным ферментативным комплексом, высокой мучнистостью, хрупкостью. Разнокачественность зерновок является одной из причин повышенной физиологобиохимической активности свежеубранной зерновой массы и ее пониженной стойкости при хранении. Другая особенность риса-зерна – повышенная обсемененность микроорганизмами, вследствие его высокой питательной ценности. Основную часть бактериальной микрофлоры составляют неспороносные палочки рода Pseudomonas, представленные эпифитной бактерией Ps. herbicola, иногда достигающей 90-98% от общего количества бактерий. Преобладание этой формы в бактериальной флоре зерна указывает на его свежесть. В небольшом количестве встречаются спорообразующие бактерии Bacillus Subtilis и Bacillus mesentericus. Грибная флора свежеубранного риса-зерна представлена главным образом грибами Alternaria и Cladosporium. Влажность зерна, относительная влажность воздуха, температура окружающей среды и продолжительность хранения количественный состав микрофлоры. значительно влияют на видовой и Во время хранения влажного риса-зерна при повышенных температурах его первоначальная микрофлора вытесняется плесенями хранения родов Penicillium и Aspergillus. Причем наиболее активно развиваются последние. Видовой состав микрофлоры риса-зерна близок к микрофлоре других злаковых культур, а количественный – значительно превосходит их. При неблагоприятных условиях хранения большое количество микроорганизмов ведет к заметному усилению физиолого-биохимических процессов и в первую очередь интенсивности дыхания зерновой массы, вследствие чего происходит самосогревание зерна риса. Развивающиеся при этом плесневые грибы являются продуцентами ферментов – гидролаз, они вызывают активный гидролиз запасных веществ, изменяя биохимические и технологические свойства эндосперма риса-зерна. Микроорганизмы, развивающиеся на зерне, не только ухудшают его свойства, но и образуют токсические вещества. Плесени хранения при развитии на зерне и других пищевых продуктах способны вырабатывать более 200 микотоксинов. Причем, необрушенные зерна риса более устойчивы к поражению плесневыми грибами и, следовательно, к накоплению в них афлатоксинов, Aspergilus flavus практически не поражает рисовые зерновки, не имеющие механических повреждений. Исключительно важную роль в процессах послеуборочной обработки и хранения играют также сорбционные свойства зерновки и зерновой массы, а именно процессы дыхания зерновой массы. Зерно представляет собой живой организм; в созревшем зерне свою жизнедеятельность продолжают клетки эмбриона и алейронового слоя. Для поддержания своей жизнедеятельности они извлекают энергию главным образом из реакции диссимиляции сахаров, запас которых пополняется в результате гидролиза или окисления более сложных запасенных веществ (для пшеницы — крахмала). Этот процесс называется дыханием зерна. Интенсивность дыхания зерновой массы является интегральным показателем ее физиологического состояния. Она представляет собой суммарный эффект от дыхания собственно зерна, дыхания компонентов примесей, вредителей, микрофлоры и насекомых. Хотя при дыхании зерновой массы происходит множество взаимосвязанных химических процессов, их конечный результат может быть представлен в упрощенном виде окислением гексозы: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O. (1) При недостатке кислорода зерно и микроорганизмы получают необходимую для жизни энергию из реакции брожения: C6H12O6 = 2CO2 + 2C2H5OH. (2) Следствием дыхания зерновой массы является тепло- и влаговыделение в ней. В реакции (1) при распаде одного моля гексозы выделяется 2870 кДж энергии, а в реакции (2) — 234 кДж. Е.А. Агрономов, В.И. Калмыков, Л.А. Трисвятский и многие другие приводят экспериментальные подтверждения того, что в процессе прорастания семян большая часть высвободившейся энергии участвует в росте и дифференцировании тканей, а в покоящихся зернах практически все тепло выделяется в окружающую среду. Выделяемой или поглощаемой энергией в других процессах, идущих в зерновой массе можно пренебречь. Реакция аэробного дыхания для зерна является более предпочтительной, т.к. в ней для получения того же количества энергии, что и в реакции анаэробного дыхания, расходуется гораздо меньше гексозы, кроме того, образующийся этиловый спирт угнетает жизненные функции живых организмов. На это прямо указывают и результаты опытов по Я.Я. Никитинского, в которых зерно длительное время находившееся в анаэробных условиях теряло всхожесть. С понижением температуры интенсивность дыхания зерна резко падает. Даже в зерне с повышенной влажностью при температуре до 10С не наблюдается резкой интенсификации дыхания, характерной для критической влажности зерна, что используется при хранение зерновых масс в охлажденном состоянии. Критическая влажность отчетливо проявляется начиная с 18С. Интенсивность дыхания зерновой массы достигает максимума при 50–55С, при более высоких температурах жизненные процессы в зерне угнетаются и интенсивность дыхания падает. В многочисленных работах выявлено, что, как и интенсивность дыхания самого зерна, так и степень зараженности микроорганизмами зависит от температуры и влажности зерновой массы. Как и во всяком другом организме вода в зерне является средой, при участии которой совершаются реакции обмена веществ. Зерно относится к капиллярно- пористым коллоидным системам, для которых характерны различные формы связи влаги с материалом, обуславливающие подвижность воды. Влажность материала, при которой происходят конформационные превращения органических макромолекул, структурная перестройка воды и появление несвязанных молекул воды, следствием чего является усиление биохимических превращений, называется критической влажностью. Для пшеницы критической является влажность 14,5–15,5%. Зерно с влажностью на грани критической дышит в 2–4 раза интенсивней сухого, при дальнейшем повышении влажности интенсивность дыхания зерновой массы возрастает экспоненциально, по сообщению – 30 раз и более. На сохранность качества зерна при хранении зерновой массы негативное влияние оказывает процесс самосогревания. Контроль состояния зерновой массы при хранении осуществляется с помощью термометрии, которая позволяет обнаруживать активную фазу процесса самосогревания, часто сопровождаемую опасным неуправляемым ростом температуры, что в конечном итоге приведет к ухудшению качества зерна. Известно, что при самосогревании и порче зерна происходит смена его микрофлоры [5]. Проведены опыты по самосогреванию зерна, пораженного только какой-либо одной культурой плесневых грибов, что позволяет оценить вклад каждой из них в повышение температуры при самосогревании. Экспериментально установлены оптимальные для жизнедеятельности и критические режимы температуры, влажности, содержания кислорода для всех основных видов микроорганизмов, живущих в зерновой массе пшеницы [3, 5]. Описаны процессы смены одних микроорганизмов другими с изменением температуры, влажности и содержания кислорода [3, 5]. При благоприятных для развития микроорганизмов условиях (температура не менее 20С, влажность больше критической, наличие кислорода) они начинают интенсивно развиваться и становятся наиболее существенным источником объемного тепловыделения в зерновой массе. Особенно большой интенсивностью дыхания и тепловыделения обладают плесневые грибы. Как показали исследования [1], между дыханием и интенсивностью тепловыделения присутствует корреляционная связь, что можно использовать для косвенной оценки теплового режима хранения зерна. Кратковременное хранение при неудовлетворительных условиях заметно влияет на потенциальную продолжительность хранения зерна. Зерно, до некоторой степени зараженное плесенями хранения, если хранить его в условиях, допускающих дальнейший рост грибов, будет заражаться еще сильнее и терять качество быстрее, чем здоровые семена, в тех же условиях. Таким образом, тепловыделение в зерне зависит не только от текущей температуры, влажности зерна и концентрации кислорода в межзерновом пространстве, но и от степени зараженности микрофлорой. Степень зараженности зерновой массы микрофлорой может быть различной, что сильно влияет на срок безопасного хранения зерна. Следовательно, для более адекватного моделирования процессов при хранении зерна, может возникнуть необходимость учитывать в модели влияние степени зараженности зерновой массы микрофлорой. Каждый из множества видов плесневых грибов, живущих в зерновой массе, имеет свою зависимость интенсивности жизнедеятельности от внешних условий – температуры, относительной влажности воздуха межзернового пространства, его химического состава, доступности питательных веществ. Однако, конечный результат множество взаимосвязанных химических процессов, происходящих при дыхании зерновой массы, может быть представлен в упрощенном виде окислением гексозы [4]: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 2870 кДж/моль (3) При недостатке кислорода зерно и грибы получают необходимую для жизни энергию из реакции брожения: C6H12O6 = 2CO2 + 2C2H5OH + 234 кДж/моль (4) Реакция (4) является менее благоприятной для живых компонентов зерновой массы, однако и при отсутствии кислорода происходит рост микрофлоры. Было бы неоправданно усложнять модель отслеживанием динамики популяции каждого из возможных видов микроорганизмов, поэтому их суммарное влияние в источниках тепла и вещества было решено учитывать с помощью скалярной величины, характеризующей меру зараженности зерна микрофлорой b. Значение b является характеристикой зараженности зерновой массы с точки зрения скорости потребления микроорганизмами ее питательных веществ, т.е. чем более потребляет популяция какого-либо вида микроорганизмов, тем больше ее вклад в b. Стерильному зерну соответствует b=0, зараженность b 1м 3 считалась «нормальной» для зерна, поступившего на хранение. Обозначим s1 – скорость потребления гексозы микрофлорой при b = 1м–3 по реакции окисления, s2 – по реакции брожения, моль/с. Скорость роста зараженности связана с интенсивностью потребления гексозы: f m f m s1 , s2 . Для моделирования изменения динамики зараженности была выбрана модель Бараного-Робинсона: b f m s1 , s2 1 b bmax b . t (5) Вследствие недостатка экспериментальных данных, в расчетах было решено использовать линейную зависимость скорости роста микрофлоры зерна fm [1/с] от скорости реакции окисления гексозы микрофлорой s1 [моль/с] и скорости реакции брожения s2 [моль/с]: f m kb1 s1 kb 2 s2 . (6) К сожалению, неизвестны количественные зависимости s1 и s2 от содержания кислорода в межзерновом пространстве, известно только, что при уменьшении концентрации кислорода интенсивность реакций брожения возрастает, а реакции окисления – падает. Поэтому s1 и s2 подбирались так, чтобы при b=1 и атмосферной концентрации кислорода тепловыделение соответствовало известным данным [1]. Достаточного количества экспериментальных данных для количественной идентификации влияния концентрации диоксида углерода и этилового спирта на жизнедеятельность микрофлоры зерновой массы не опубликовано. Скорости реакции были приняты в виде произведения функций от режимных параметров, как и в [6]. si f SO.i o f ST .i Ta f S .i , (7) f SO.1 3.88 105 2.828 o0.83 , (8) f SO.2 3.88 105 0.2 exp 90 o f ST .1 f ST .2 0.3 1 5.1 Ta 39 1 0.7 1 2.5 Ta 40 1 4 (9) 0.04 1 6 Ta 67 1 f S .1 f S .2 0.5 2 4 Тепловыделение, 2 6 , 1 260 1.03 . связанное 4 с (10) жизнедеятельностью микроорганизмов, рассчитывается по формуле (Рисунок 1): Q2 b s1 2.87 106 b s2 0.234 106 . (11) Рис.1. Тепловыделение микроорганизмов, рассчитанное по (11) при b 3м . а – зависимость тепловыделения от температуры, б – от относительной влажности межзернового воздуха, в – от концентрации кислорода в межзерновом пространстве. -3 Рис.2. Функции f SO.1 o и f SO.2 o в (4). Таким образом, для моделирования начальных стадий самосогревания зерновой массы риса, с вычислением функции тепловыделения по данным [1], а также для моделирования процесса самосогревания зерновой массы риса, с учетом роста зараженности микрофлорой и ее вклада в тепло- и влаговыделение, предложена краевая задача тепломассообмена с соответствующими начальными и граничными условиями и замыкающими соотношениями. Литература: 1. Изотова А.И. Установление интенсивности тепловыделения при хранении зерна: Диссертация канд. техн. наук. – М.: МТИПП, 1973. – 144 с. 2. Михаловский Н.П., Подъяпольская О.П. Влияние аэрации зерна на состояние его микрофлоры. Микрофлора зерна и ее изменение в зависимости от условий хранения. М.: Изд. технической и экономической литературы по вопросам заготовок, 1955. (Труды ВНИИЗ, выпуск XXX). – С. 50 – 78. 3. Подъяпольская О.П., Мирзоева В.А. Микрофлора пшеничного зерна и ее изменения под влиянием влажности и температуры. // Микрофлора зерна и ее изменение в зависимости от условий хранения. М.: Изд. технической и экономической литературы по вопросам заготовок, 1955. (Труды ВНИИЗ, выпуск XXX). – С.13 – 40. 4. Трисвятский Л.А. Хранение зерна. – М.: Агропромиздат, 1986. – 350 с. 5. Халабуда Т.В. Роль плесневых грибов в процессе самосогревания зерна. // Вопросы хранения зерновых запасов. М., 1953. (Труды ВНИИЗ, выпуск XXV, С.33-55. 6. Wilson M.T. A model for predicting mould growth and subsequent heat generation in bulk stored grain. // Journal of Stored Products Research 35 (1999). 1 - 13.
