Мицелиальная контаминация пищевого сырья и пути ее устранения

На сегодняшний день низкое качество зерна является одним из главных факторов, сдерживающих развитие солодовенной промышленности. Причиной низкого качества зерна ячменя является высокая восприимчивость культуры к комплексу фитопатогенных микроорганизмов. Вредоносность микроорганизмов, заражающих зерно ячменя, многократно возрастает из-за образования в нем токсинов, опасных для здоровья человека и животных [1–3].

Для подъема и становления солодовенной промышленности решающее значение имеет создание и освоение новых, эффективных, экологически безопасных, прогрессивных методов, основанных на энерго- и ресурсосбережении и обеспечивающих значительное повышение выхода и качества готовой продукции. Одним из таких методов являются методы электрофизического воздействия, в частности сверхвысокочастотный нагрев [9–11].

Зерно ячменя поражается микроорганизмами еще в процессе вегетации и созревания. Состав микроорганизмов, обсеменяющих свежеубранное зерно, разнообразен и представлен в основном бактериями (до 90…98 %), небольшим количеством мицелиальных грибов (менее 1…4 %), а также вирусами, дрожжами и актиномицетами. Общее количество микроорганизмов в 1 грамме све-жеубранного ячменя составляет в среднем 106 клеток [1, 4, 5].

Состав микрофлоры зерна в количественном и качественном отношениях постепенно изменяется при уборке, перевозке и хранении. На начальных этапах развития зерно ячменя поражается «полевыми грибами» (Alternaria, Fusarium, Bipolaris, Cladоsporium), бактериальной микрофлорой (Pseudomonas, Bacillus) и в незначительном количестве дрожжами. На зерне можно обнаружить и актиномицеты. При хранении зерна происходит перераспре- деление состава микрофлоры, обсеменяющей зерно. Постепенно представителей «полевых грибов» вытесняют «плесени хранения». В эту группу входят грибы родов Penicillium, Aspergillus, Mucor, Phizopus [6–8].

Микроорганизмы, обсеменяющие зерно ячменя, не только отрицательно влияют на жизнеспособность зародыша, но и приводят к изменению химического состава зерна. Под воздействием продуктов жизнедеятельности микроорганизмов в зерне ячменя происходят биохимические процессы, которые приводят к изменению белково-углеводного баланса, появлению большого количества низкомолекулярных белков, повышению кислотности. При далеко зашедших процессах плесневения зерно ячменя теряет блеск, темнеет, приобретает неприятный запах. В таком зерне можно обнаружить токсические вещества, образуемые некоторыми штаммами мицелиальных грибов: афлатоксины, цитринин, охратоксин, зеа-раленон и др. [1, 6]. По этой причине зерновая масса может стать непригодной для производства солода и пива.

Для обеззараживания зерна ячменя с целью снижения обсемененности его микроорганизмами, снижения потерь ценных веществ, улучшения качества применяют химические, биологические, биохимические и физические методы воздействия. Однако применительно к пищевым продуктам они не могут рассматриваться как удовлетворительные, поскольку небезопасны в экологическом отношении, приводят к существенному и нежелательному изменению физико-химических и биологических свойств обрабатываемых объектов, некоторые из них весьма энергоемки, требуют дополнительных затрат и имеют ограниченную область применения и, самое главное, не позволяют получить экологически чистую продукцию [12].

Альтернативой вышеперечисленным методам является применение электромагнитного поля сверхвысокой частоты, воздействие которого на инфицированный объект позволяет не только снизить обсемененность зерна ячменя микроорганизмами, улучшить качество готовой продукции, но и самое главное, получить безопасную в экологическом отношении продукцию [9–11].

Целью наших исследований являлось исследование эффективности применения энергии СВЧ-поля при производстве солода. Наши исследования заключались в изучении степени влияния некоторых факторов воздей- ствия СВЧ-поля (экспозиции и скорости нагрева) на развитие мицелиальных грибов.

Необходимо отметить высокий процент зараженности грибной инфекцией сырья, отобранного для производства солода. В контрольных образцах он составлял от 50 до 78 %.

В ходе анализа фитопатогенного комплекса зерна ячменя пивоваренного, был установлен его родовой состав. Наиболее часто в группе «плесеней хранения» встречаются возбудители родов Penicillium, Aspergillus, Mucor, Rhizopus.

Грибы родов Aspergillus и Penicillium являются главными источниками поражения и гибели зародыша зерна ячменя . Они способствуют не только разрушению покровных тканей, запасных веществ зерна, но и ухудшению его качества в результате выделения продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. При хранении зерна ячменя с влажностью, превышающей критическую, количество зерен, инфицированных грибами рода Aspergillus, возрастает до 40…100 % [1, 2, 8]. При этих же условиях происходит гидролиз крахмала, обусловленный повышением активности собственных ферментов и действием ферментов мицелиальных грибов, а также наблюдается заметное снижение растворимости белковых фракций. Потери крахмала в зерне ячменя под действием грибов рода Aspergillus могут достигать 15…45 %.

Аммиак, образующийся в результате биохимических процессов, ингибирует развитие зародыша, блокирует ростовые процессы, что приводит к потере зерном жизнеспособности [4]. В результате этого зерно ячменя становится непригодным для производства солода, поэтому не рекомендуется хранить зерно ячменя даже короткое время при повышенной влажности, в противном случае в зерновой массе начинается процесс самосогревания. Кроме того, развитие грибов видов Aspergillus flavus и Aspergillus fumigatus приводит к наибольшим потерям белкового азота, в этом случае отмечается максимальная убыль общего азота, накопление продуктов гидролиза белков [7]. Aspergillus flavus образуют округлые конидиаль-ные головки ярко-желтого цвета. Грибы вида Aspergillus fumigatus характеризуются образованием конидиальных головок серо-седого цвета, плотно скученных.

Экспериментальные данные по влиянию СВЧ-энергии на зараженность зерна ячменя грибами рода Aspergillus представлены в табл. 1.

Таблица 1

Влияние параметров СВЧ-поля на зараженность зерна ячменя пивоваренного возбудителями рода Aspergillus

№ варианта	Режимы воздействия СВЧ-поля		Температура нагрева зерна ячменя t , °С	Зараженность зерна ячменя, %
	экспозиция обработки τ , с	скорость нагрева Vt , °С/с
1	90	0,8	78	0
2	30	0,8	35	0
3	90	0,4	52	2
4	30	0,4	30	2
5	90	0,6	63	0
6	30	0,6	33	6
7	60	0,8	62	0
8	60	0,4	48	4
9	60	0,6	55	2
10	Контроль (воздействию СВЧ-поля не подвергался)		23	15

На основании экспериментальных данных построены графические зависимости зараженности зерна ячменя пивоваренного грибами рода Aspergillus в зависимости от параметров воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (рис. 1).

Анализируя графические зависимости зараженности зерна ячменя пивоваренного грибами рода Aspergillus, можно отметить, что при минимальных нагрузках СВЧ-поля наблюдается значительное снижение заражен- ности зерна ячменя (от 15 до 2 %) даже при температуре нагрева его до 30 °С.

При увеличении нагрузки СВЧ-поля, независимо от экспозиции обработки, происходит нагрев зерна и в то же время интенсивное испарение влаги, которое приводит к активному развитию микроорганизмов. Максимум зараженности наблюдается при скорости нагрева 0,5 °С/с.

При дальнейшем увеличении скорости нагрева (свыше 0,5 °С/с) наблюдается тенден-

Рис. 1. Зараженность зерна ячменя пивоваренного грибами р. Aspergillus в зависимости от параметров СВЧ-поля

ция к снижению зараженности зерна ячменя пивоваренного по данному роду патогенов. При увеличении скорости нагрева (до 0,8 °С/с), независимо от времени обработки, зараженность зерна грибами рода Aspergillus резко снижается и приближается к нулевой отметке за счет мгновенного нагрева зерна.

Таким образом, быстрый и полный обеззараживающий эффект по данному роду патогенных грибов наблюдается при скорости нагрева 0,8 °С/с и экспозиции 60…90 с, но при этом необходимо учитывать, что такие нагрузки СВЧ-поля могут привести к гибели самого зерна.

Наиболее эффективными режимами обеззараживания зерна ячменя пивоваренного от грибов рода Aspergillus можно считать следующие: варианты со скоростью нагрева 0,4 °С/с и экспозицией обработки 60…90 с, а также варианты со скоростью нагрева 0,6…0,8 °С/с и экспозицией обработки 30…90 с.

Плесени хранения рода Penicillium можно обнаружить на зерне ячменя, влажность которого находится в равновесии с относительной влажностью воздуха (65…90 %), а также на зерне ячменя пониженного качества. Заражение зерна ячменя грибами рода Penicillium происходит при хранении с влажностью ниже 15 % [9, 10]. В качестве первичного прививочного материала могут служить споры грибов, находящиеся на поверхности зерен, а также грибницы, расположенные под оболоч- кой у небольшого числа зерен. Источником первичной инфекции могут быть воздух и пыль зернохранилищ, которые содержат большое количество спор.

Грибы рода Penicillium оказывают отрицательное воздействие на качество зерна, вызванное действием токсических продуктов метаболизма плесеней (аммиака, цитринина и др.): вызывают гибель зародыша, снижают жизнеспособность зерна, способствуют разрушению покровных тканей и запасных веществ зерна. На таком зерне наблюдается так называемое вялое плесневение [1, 6, 7], которое характеризуется медленным нарастанием плесневой микрофлоры и ее внедрением во внутренние ткани зерновки. Начальный период развития плесеней на зерне ячменя протекает внешне незаметно, и его качество ухудшится прежде, чем появятся явные признаки порчи.

Наибольшую опасность представляют собой микотоксины, вырабатываемые грибами этого рода, поэтому обработка зерна ячменя электромагнитным полем сверхвысокой частоты становится важным профилактическим моментом с целью сохранения его солодовенных (технологических) качеств.

Данные по реакции грибов рода Penicil-lium на воздействие СВЧ-поля отображены на рис. 2.

Даже при «слабых» режимах воздействия СВЧ-поля (скорости нагрева 0,4 °С/с и экспозиции 30 с) наблюдается обеззараживающий зараженность грибами рода Penicillium, %

• □    6,00-7,00

• □    5,00-6,00

• □    4,00-5,00

• □    3,00-4,00

• □    2,00-3,00

• □    1,00-2,00

• □ 0,00-1,00

  

  скорость нагрева, С/с

  
  

Рис. 2. Зараженность зерна ячменя пивоваренного грибами р. Penicillium в зависимости от параметров СВЧ-поля эффект по этой грибной инфекции: зараженность снижается в два раза по сравнению с контролем и составляет 6 %. При увеличении скорости нагрева, независимо от экспозиции обработки, наблюдается снижение зараженности зерна ячменя пивоваренного грибами рода Penicillium.

В дальнейшем зараженность сохраняет свою тенденцию к снижению независимо от выбранной скорости нагрева. Зерно ячменя пивоваренного практически освобождается от грибной инфекции при скорости нагрева 0,4 °С/с и экспозиции обработки 90 с. Полное обеззараживание по этому роду грибной инфекции наблюдается при скорости нагрева 0,8 °С/с и экспозиции обработки 90 с. Однако при таких жестких режимах воздействия СВЧ-поля снижается основной показатель физиологической полноценности ячменя пивоваренного: жизнеспособность (до 65 %).

Таким образом, обеззараживающий эффект по этому роду грибной инфекции будут проявлять следующие режимы СВЧ-воздействия: скорость нагрева 0,4 °С/с и экспозиция обработки 90 с, а также скорость нагрева 0,6…0,8 °С/с и экспозиция обработки 30…60 с.

Мукоровые грибы родов Mucor и Rhizopus приводят к снижению жизнеспособности зерна (до 59 %), если оно хранится в течение года и имеет влажность 18…20 %. Солод, полученный из зерна ячменя, пораженного этими грибами, вызывает фонтанирование пива [4].

При исследовании реакции зерна ячменя пивоваренного на зараженность его плесеня- ми хранения в зависимости от параметров воздействия СВЧ-поля были обнаружены только грибы рода Mucor (табл. 2).

По результатам проведенных исследований и данным регрессионного и дисперсионного анализов получено уравнение регрессии, с помощью которого установлена взаимосвязь параметров СВЧ-поля и зараженности зерна ячменя от мукоровой инфекции (рис. 3).

Экспериментальные данные по влиянию СВЧ-поля на зараженность грибами этого рода показывают, что грибы рода Mucor проявляют чрезвычайную устойчивость к температурному воздействию. Выбранные режимы воздействия лишь снижают пораженность зерна ячменя до 12 % и не позволяют полностью освободиться от данной инфекции. Однако графические зависимости (см. рис. 3) показывают, что можно наблюдать тенденцию к снижению зараженности зерновок ячменя. Этот эффект наблюдается сильнее при экспозиции обработки 30…60 с и различных скоростях нагрева.

При увеличении экспозиции обработки до 90 с, независимо от скорости нагрева, наблюдается снижение зараженности зерна ячменя пивоваренного грибами рода Mucor (до 17…31 %), в то же время снижается его жизнеспособность. Для того, чтобы полностью освободить зерно ячменя пивоваренного от этой грибной инфекции и сохранить его жизнеспособность, необходимо увеличить экспозицию обработки, но при этом скорость нагрева оставить минимальной. Исследованиями Г.Г. Юсуповой (2004) было подтверждено,

Таблица 2

Влияние СВЧ-энергии на зараженность зерна ячменя пивоваренного возбудителями рода Mucor

№ варианта	Режимы воздействия СВЧ-поля		Температура нагрева зерна ячменя t , °С	Зараженность зерна ячменя, %
	экспозиция обработки τ , с	скорость нагрева Vt , °С/с
1	90	0,8	78	17
2	30	0,8	35	20
3	90	0,4	52	31
4	30	0,4	30	34
5	90	0,6	63	23
6	30	0,6	33	26
7	60	0,8	62	12
8	60	0,4	48	24
9	60	0,6	55	14
10	Контроль (воздействию СВЧ-поля не подвергался)		23	49

Рис. 3. Зараженность зерна ячменя пивоваренного грибами р. Mucor в зависимости от параметров СВЧ-поля

что эффективными режимами воздействия являются следующие: скорость нагрева 0,24…0,4 °С/с и экспозиция обработки 240…360 с [10].

Таким образом, обработка зерна ячменя СВЧ-полем при скорости нагрева 0,6…0,8 °С/с и экспозиции обработки 60…90 с вызывает обеззараживающий эффект практически по всем видам грибной инфекции, температура нагрева зерна при этом составляет 60…70 °С. Кроме того, эффективное обеззараживающее действие оказывают и другие параметры СВЧ-поля:

• -    для возбудителей рода Penicillium область эффективного обеззараживающего действия находится в интервале значений: скорость нагрева 0,4 °С/с, экспозиция обработки 90 с, температура нагрева 55 °С и скорость нагрева 0,6…0,8 °С/с, экспозиция обработки 30…60 с, температура нагрева 32…62 °С (зараженность снижается в 2…6 раз, вплоть до полного обеззараживания);

• -    для возбудителей рода Aspergillus эффективной является температура от 47 до 52 °С и от 32 до 77 °С при следующих режимных параметрах: скорости нагрева 0,4 °С/с и экспозиции 60…90 с; скорости нагрева 0,6…0,8 °С/с и экспозиции обработки 30…90 с соответственно (зараженность снижается в

• 3…8 раз, вплоть до полного обеззараживания);

• - для возбудителей рода Mucor, выдерживающих высокую температуру 85…90 °С, эффективное обеззараживающее действие оказывают скорость нагрева 0,24…0,4 °С/с, экспозиция обработки 240…360 с при температурах от 65 до 85 °С (зараженность снижается в 1,4…4 раза).

В целом можно отметить, что развитие мицелиальных грибов на зерне ячменя в процессе хранения и производства солода можно устранить или значительно снизить при использовании энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты. Обработка СВЧ-полем позволяет наряду с обеззараживанием зерна интенсифицировать процесс получения солода и улучшить его качество.