Контролируемое проращивание зерновых культур - безопасный способ технологии новых сырьевых ингредиентов

Растущий спрос со стороны потребительского рынка на цельнозерновые сырьевые ингредиенты и высококачественные пищевые продукты послужил стимулом для развития научных исследований и инновационных технологий при создании пищевых продуктов с улучшенными натуральными вкусовыми характеристиками в сочетании с ограниченным количеством применяемых улучшителей и обогатителей различной химической природы [3, 7].

Актуальность научной проблемы обусловлена существующей в настоящее время сложной ситуацией снижения качества зерновых культур и их профицитом, что диктует необходимость системного подхода в разработке технологических приемов и решений, позволяющих получить безопасные сырьевые ингредиенты с высокой добавленной стоимостью.

Особое внимание в Стратегии повышения качества пищевой продукции в Российской Федерации до 2030 г. направлено на разработку современных технологий производства пищевых ингредиентов, позволяющих получать продукты нового поколения с заданными характеристиками качества, соответствующие принципам здорового питания.

Среди всех проблем, определяющих безопасность как зернового сырья, так и продуктов их переработки микробиологическое заражение – это одна из основных причин. В настоящее время остро стоит вопрос необходимости обеспечения качества и безопасности пищевых цельнозерновых сырьевых ингредиентов за счет применения эффективных и безопасных технологий обеззараживания.

С целью обеспечения безопасности продовольственного зерна применяются различные методы обеззараживания, конечной целью которых является поддержание безопасности, свежести и пищевых свойств сырьевых ингредиентов и конечных продуктов. Наиболее часто используется и достаточно хорошо описаны микроволновые, радиочастотные, инфракрасные способы воздействия. К числу новых технологий можно отнести методы, не оказывающие термического воздействия, такие как холодное плазменное излучение, озонирование и нанотехнологии, которые стали объектом наших исследований с точки зрения эффективности [1, 2, 4–6, 8–13].

Целью настоящего исследования являлось получение безопасных сырьевых ингредиентов из зерна пшеницы, ячменя и овса путем проращивания и обоснование возможности их встраивания в систему пищевых продуктов.

Объекты и методы исследований

• –    пшеница мягкая яровая ( Triticum aestivum L. ) сорта Любава, ГОСТ 9353-2016 Пшеница. Технические условия;

• –    зерно ячменя ( Hdrdoum ), сорта Челябинец 1, ГОСТ 28672-2019 Ячмень. Технические условия;

• –    зерно овса ( Avena satfva ), сорта Спринт 2, ГОСТ 28673-2019 Овес. Технические условия.

Все образцы были выращены в степной зоне Брединского муниципального района Челябинской области РФ, которая относится к зоне критического земледелия. Годы проведения исследований (2018–2020 гг.) значительно отличались по метеорологическим условиям, что типично для данного региона. Отбор проб зерна проводили согласно требованиям ГОСТ 13586.3-2015.

Органолептические показатели исследуемых образцов зерновых культур определяли согласно ГОСТ 9353-2016, ГОСТ 28672-2019 и ГОСТ 28673-2019.

Натуру исследуемых образцов зерновых культур определяли согласно ГОСТ 108402017.

Микробиологические показатели: КМА-ФАнМ, КОЕ/г – по ГОСТ 10444.15-94, БГКП (колиформы) – ГОСТ 31747-2012; Дрожжи, КОЕ/г и Плесени, КОЕ/г – по ГОСТ 10444.122013.

Для обеззараживания поверхности зерновых культур использовали воздействие холодным плазменным излучением (далее по тексту ХПИ) согласно следующим условиям: разность потенциалов 10 кВ, частота 50 Гц, плазмообразующее вещество – воздух при нормальных условиях, время обработки 10 минут.

Проращивание зернового сырья осуществлялось в контролируемых условиях, предварительно проводилось промывание зерновой массы, а затем следующие технологические процессы – замачивание и проращивание отобранных проб зерна пшеницы, ячменя, овса. Общая длительность процесса составляла 16– 48 часов, температура воды – 20–22 °С. Окончание процесса фиксировали по длине ростка (длина ростка 1–1,5 мм), после чего зерно высушивали до влажности 12–14 % в условиях принудительной конвекции воздуха при температуре 30–40 °С.

Для установления наличия Афлатоксина В1 применяли методику качественного определения, согласно методу AACC 45-15.01. Для исследования были получены модельные образцы зерновых культур: исходное зерно выдерживали в заведомо провокационных условиях при температуре (26 ± 2) °C при влажности окружающей среды (95 ± 5) % в течение 24 часов. По истечении времени выдержки влажность образцов зерна достигала (20 ± 2) %, в ходе визуального осмотра видимых изменений (потемнений поверхности зерна, развития мицелия плесеней и др.) отмечено не было.

Опытные образцы цельносмолотого зернового ингредиента получали в лабораторных условиях путем размола высушенного пророщенного зерна пшеницы, ячменя и овса, который проводился с применением мельницы модели ЛМТ-2. Качество помола оценивали по контролю гранулометрического состава с применением метода лазерного динамического светорассеяния согласно ААСС 55-40.01.

Влажность образцов цельносмолотой муки из пророщенных зерновых культур оценивали согласно ГОСТ 9404-88.

Все измерения проводились в трехкратной параллельной повторности. Статистическая обработка результатов проводилась при вероятности 0,95.

Результаты и их обсуждение

Для оценки эффективности процесса обеззараживания зерновых масс с использованием метода ХПИ на первом этапе работ проводился входной контроль качества по расширенной номенклатуре, результаты которого, включая показатели безопасности исследуемых образцов зерновых культур представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты входного контроля качества и безопасности исследуемых образцов зерновых культур

Наименование показателей	Фактическое значение показателей исследуемых образцов
	Зерно пшеницы сорта Любава	Зерно ячменя сорта Челябинец 1	Зерно овса сорта Спринт 2
Состояние	В здоровом, не греющемся состоянии
Цвет	Свойственный здоровому состоянию данной зерновой культуры
Запах	Свойственный здоровому состоянию данной зерновой культуры
Натура, г/л	772–799	656–667	789–899
Влажность, %	11,9–13,9	11,8–12,5	11,3–12,9
Сорная примесь, %	0,77–1,16	0,98–1,26	0,54–0,62
КМАФАнМ, КОЕ/г	2,5×103	1,9×103	2,4×103
БГКП (колиформы)	Не обнаружены в 1,0 г
Дрожжи, КОЕ/г	Менее 10	Менее 10	Менее 10
Плесени, КОЕ/г	45	40	35

На основании полученных результатов оценки качества можно утверждать, что для каждой зерновой массы отмечены свои отклонения.

Так, образцы зерна пшеницы сорта Любава соответствуют требованиям ГОСТ 93532016, зерно можно отнести к 4 классу. По микробиологический показателям зерновая масса соответствует требованиям ТР ТС 021/2011. Вместе с тем, натура зерна пшеницы имеет значительную разнородность, диапазон значений составляет 772–799 г/л, но при этом достаточно высоки, что свидетельствует о хорошей выполненности зерна, отсутствии воздушных прослоек между отдельными структурными элементами и высокой плотности эндосперма.

Образцы зерна ячменя сорта Челябинец 1 согласно входному контролю возможно отнести к первому классу (значения показателя «Натура» находятся в диапазоне 656–667 г/л), по микробиологический показателям соответствует требованиям ТР ТС 021/2011.

Образцы зерна овса сорта Спринт 2 согласно требованиям ГОСТ 28673-2019 соответствует первому классу (значения показателя «Натура» находятся в диапазоне 789– 899 г/л), по микробиологический показателям не имеет отклонений и соответствует требованиям ТР ТС 021/2011.

Учитывая, что микробиологическая чистота имеет наиболее важное значение для оценки безопасности зерновых культур особенно в условиях ведения процессов проращивания, была определена главная линия экспериментальных исследований, направленная на контроль активности токсигенных плесеней потенциальных источников накопления Афлатоксина В1.

Повышенная влажность и температура при проращивании способствуют активации эпифитной микрофлоры зерна и тем самым делая его опасным для использования в качестве сырьевых ингредиентов. Из представленных выше данных видно, что отобранные образцы зерновых культур соответствуют требованиям ТР ТС 021/2011, что позволяет их использовать в качестве сырья для проращивания. Необходимо отметить, что количество плесневых грибов имеет предельные значения, что может вызвать интенсивный рост плесневых грибов при увлажнении зерновых культур.

Результаты качественного определения наличия плесневых грибов и продуктов их метаболизма (Афлатоксина В1) согласно методу AACC 45-15.01 до и после воздействия холодного плазменного излучения (ХПИ) представлены на рис. 1.

Визуальное наблюдение интенсивности желто-зеленого свечения у образцов зерновых культур после холодного плазменного излучения, находящихся в провокационных условиях, значительно отличается от контрольных об-

Длительность хранения в провокационных условиях, часы

• ■ Зерно пшеницы контроль             ■ Зерно пшеницы после ХПИ

Зерно ячменя контроль                ■ Зерно ячменя после ХПИ

• □ Зерно овса контроль                  □ Зерно осва после ХПИ

Рис. 1. Характерный вид результатов качественного определения наличия афлатоксина В1 (по количеству люминесцирующих зерен), согласно методу AACC 45-15.01 контроль и после холодного плазменного излучения (ХПИ)

разцов. Так, характерное свечение после 72 часов хранения можно отметить не более чем у 10 % зерен, а через 120 часов – 12 %. Полученные результаты люминесценции свидетельствуют о наличии таких плесневых грибов, как A. flavus или A. parasiticus . Тогда как у образцов после обработки ХПИ люминесценция значительно снижена и визуализируется у гораздо меньшего количества зерен [14–18].

Так, через 72 часа хранения у образцов зерна пшеницы после 10 минут воздействия холодным плазменным излучением можно наблюдать характерную для Афлатоксина В1 люминесценцию у не более чем 8 % зерен, а через 120 часов – 12 %, что отражает минимальную интенсивность активности токси-генных плесеней A. flavus или A. parasiticus . После 10 минут воздействия холодного плазменного излучения на зерно ячменя и овса было зафиксировано заметное снижение количества люминесцирующих зерен к 72 часам хранения, при этом через 120 часов данный показатель также не имел динамики роста, что характеризует выраженный эффект обеззараживающего действия на данные виды токси-генных плесеней.

Понимая, что использование ХПИ для снижения общей обсемененности зерновых масс может быть весьма перспективным для создания асептических технологий в пищевой индустрии, важно оценить его влияние на технологическую пригодность обработанного сырья и продуктов его переработки [19, 20].

Результаты определения органолептических показателей, влажности и микробиологических показателей цельносмолотой муки из зерновых культур представлены в табл. 2.

Из представленных данных видно, что органолептические и физико-химических показатели образцов практически мало отличаются. Влажность всех трех образцов минимальная, что позволит при хранении минимизировать развитие токсигенных плесеней. Микробиологические показатели находятся на минимальных значениях, в то время как были созданы провокационные для развития патогенной микрофлоры условия в процессе проращивания.

Несмотря на положительные результаты оценки предпочтительно хранить полученные сырьевые ингредиенты в условиях вакуума, так как цельносмолотая мука по составу идентична зерну, содержит все его компоненты, включая липидную фракцию, что определяет риски процессов окисления. Экспериментально отмечено, что цельносмолотая мука быстрее прогоркает, чем сортовая, хотя в ней содержатся токоферолы.

Таблица 2

Результаты определения органолептических, физико-химических и микробиологических показателей цельносмолотой муки (ЦСМ) из пророщенных зерновых культур

Наименование показателей качества	Цельносмолотая мука из пророщенного зерна
	Пшеницы	Ячменя	Овса
Вкус	Приятный, выраженный зерновой, слегка сладковатый без посторонних привкусов
Запах	Приятный зерновой, слабовыраженный сладковатый, без посторонних запахов
Цвет	Выраженный кремовый, неоднородный, с присутствием оболочечных частиц коричневого цвета
Влажность, %	12,3 ± 0,3	11,5 ± 0,4	11,9 ± 0,3
КМАФАнМ, КОЕ/г	2,5×102	1,5×102	0,8×102
БГКП (колиформы)	Не обнаружено в 0,01 г
Дрожжи, КОЕ/г	Менее 10	Менее 10	Менее 10
Плесени, КОЕ/г	20	10	15

Важно отметить, что данный вид сырьевых ингредиентов обладает достаточно высокой антиоксидантной активностью в целом, поэтому хранение в условиях вакуума позволит максимально сохранить свойства продукта до его использования.

Как отмечалось раньше, гранулометрический состав полученных сырьевых ингредиентов имеет особое значение их технологической пригодности при производстве пищевых продуктов.

Односортный помол пророщенных образцов зерновых культур проводили по сокращенной схеме технологического процесса, с исключением традиционных процессов. Результаты оценки распределения гранулометрического состава частиц в цельносмолотой муке из образцов пророщенного зерна пшеницы, ячменя и овса представлены на рис. 2.

Полученные данные свидетельствуют, что для цельносмолотой муки из зерна пшеницы наблюдалось большее количество частиц размеров более 104 ± 15 мкм (77,4 %), а частиц размером менее до 100 ± 15 мкм всего 22,5 %. Тогда как для цельносмолотой муки из зерна ячменя количество частиц размеров более (104 ± 15) мкм (81,3 %), а частиц размером менее до (100 ± 15) мкм всего 18,7 %. Для цельносмолотой муки из зерна овса количество частиц размеров более (104 ± 15) мкм (67,4 %), а частиц размером менее до (100 ± 15) мкм всего 32,6 %.

Таким образом, анализ полученного массива экспериментальных данных позволяет сказать, что применение ХПИ при переработке зерновых культур обеспечивает высокую эффективность процесса обеззараживания в отношении токсигенной микрофлоры при сохранении технологической пригодности зерновой массы. Высокий уровень обеззараживающего действия достигается при следующих параметрах ведения процесса: разность потенциалов 10 кВ, частота 50 Гц, плазмообразующее вещество – воздух при нормальных условиях, время обработки 10 минут.

Важно отметить, что данный способ эффективен в технологиях переработки зерновых культур с применением процесса проращивания, особенно для этапа замачивания, подразумевающего создание агрессивных условий для развития токсигенной микрофлоры.

На основании представленного массива данных удалось доказать безопасность и технологическую пригодность ХПИ для получения безопасных сырьевых ингредиентов – цельносмолотой муки из пророщенного зерна пшеницы, ячменя и овса.

Проект реализуется победителем Конкурса на представление грантов преподавателям магистратуры благотворительной программы «Стипендиальная программа Владимира Потанина» Благотворительного фонда Владимира Потанина, договор № ГСГК-0032/21 от 16.07.2021.

Размер частиц муки, мкм

—*  ЦСМ из зерна пшеницы--•-- ЦСМ из зерна ячменя

- -> - ЦСМ из зерна овса

Рис. 2. Результаты определения гранулометрического состава частиц цельносмолотой муки из пророщенных образцов зерна пшеницы, ячменя и овса