Обеспечение микробиологической стабильности и безопасности зерна, продуктов его переработки и хлеба

На правах рукописи

Юсупова Галина Георгиевна

ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЗЕРНА, ПРОДУКТОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ И ХЛЕБА

Специальность 05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

Москва 2008

Работа выполнена: в проблемной лаборатории Красноярского государственного аграрного университета;

на кафедре «Процессы и аппараты перерабатывающих производств» Российского государственного аграрного университета – Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Цугленок Николай Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Цыганова Татьяна Борисовна

доктор технических наук, профессор

Богатырева Татьяна Глебовна

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор

Долгодворов Владимир Егорович

Ведущее предприятие: « Международная промышленная академия», г. Москва

Защита состоится марта 2009 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 220.043.05 ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. Тимирязева» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49. С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке имени Н.И. Железнова РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева.

Автореферат разослан февраля 2009 г

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Н.Н. Лазарев

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В условиях реформирования сельского хозяйства многие негативные процессы, сложившиеся на начальном его этапе, и приведшие к спаду производства продукции растениеводства, сохраняются и в настоящее время. Сократилось количество активных защитных мероприятий, что привело к ухудшению фитосанитарного состояния сельскохозяйственных угодий. В основных регионах производства товарного зерна, наряду с традиционными вредоносными заболеваниями (головневые, корневые гнили, мучнистая роса и др.) усилилось эпифитотийное развитие фузариоза колоса, желтой и бурой ржавчины, септориоза и бактериозов на пшенице, кукурузе и других злаковых культурах. В результате среднегодовые потери зерна составляют (10...30)% в зависимости от погодных условий.

В настоящее время устойчиво сохраняется тенденция к нарастанию численности и распространению большинства возбудителей болезней зерновых культур.

Вредоносность болезней зерна, вызванных возбудителями грибной и бактериальной этиологии, проявляется различно в зависимости от их вирулентности, восприимчивости растений и факторов внешней среды.

Среди возбудителей болезней, вызывающих явные и скрытые потери зерна, наиболее опасны микроскопические грибы и выделяемые ими микотоксины. Последние существенно влияют на безопасность зерна, продуктов его переработки, муки и хлеба.

Особую опасность грибная инфекция причиняет человеческому организму. Проблемы медицинской микологии 10…15 лет назад не возникали так остро. В настоящее время микологические инфекции по сравнению с бактериальными и вирусными становятся более агрессивными, многие виды микроскопических грибов вызывают микозы, аллергические заболевания, микотоксикозы у человека.

В последние годы особенно широкое распространение получило плесневение зерна, продуктов его переработки и хлеба, возникающее в результате как первичного, так и вторичного заражения грибами, относящимися к родам: Alternaria, Aspergillus, Mukor, Penicillium и др. При плесневении в зерне увеличивается доля олеиновой кислоты и снижаются доли биологически ценных компонентов, таких как, линолевая и линоленовая жирные кислоты, фосфолипиды, токоферолы, каратиноиды, нарушается соотношение полезных веществ, снижаются качество муки и пищевая ценность хлеба.

Мицелиальная пыль, попадая в муку и хлеб, приводит к изменению их традиционных запаха, вкуса и цвета, ухудшению потребительских характеристик и сенсорных показателей.

Наряду с микроскопическими грибами большую опасность для продуктов переработки зерна представляют спорообразующие бактерии рода Bacillus, вызывающие картофельную болезнь хлеба. Исключительная термоустойчивость их спор приводит к тому, что они сохраняют жизнеспособность в процессе выпечки хлеба, что представляет опасность, так как бактерии рода Bacillus могут вызывать у человека целый ряд заболеваний: артриты, эндокардиты, перитониты, менингиты. При развитии картофельной болезни под влиянием амилолитических и протеолитических ферментов бактерий образуются продукты распада белков и углеводов, придающие хлебу резкий специфический запах. Такой хлеб непригоден в пищу и на корм животным.

Нарастание численности бактерий рода Bacillus в зерне в виду высокой термостойкости их споровых форм отмечается в последние годы во многих регионах страны и требует срочных мер по выявлению очагов инфекции, разработки системы фитосанитарного мониторинга и мероприятий по предотвращению распространения возбудителей картофельной болезни.

Разработке новых технологий, способствующих получению качественного зерна и безопасной продукции свободной от микробных контаминантов, посвящены работы В.Е. Долгодворова, Р.Б. Кондратьева, В.А. Бутковского, Т.Б. Цыгановой, Р.Д. Поландовой, Т.Г. Богатыревой, А.П. Берестова, Л.Е. Айзикович, Л.Я. Ауэрман, Г.А. Егорова, Е.Д. Казакова, Н.П. Козьминой, В.Л. Кретович, Л.С. Львовой, Л.А. Трисвятского, И.Ф. Мерко,, М.Г. Евреинова, А.С. Гинсбурга, Л.Г. Прищепа, И.Ф. Бородина, Н.В. Цугленка и др.

Специфика оздоровления продовольственного зерна требует изменения приоритетов. Ранее использовались, в основном, химические соединения, получаемые в результате органического синтеза. Эти соединения, несмотря на их высокую активность против фитопатогенного комплекса, продолжительность действия на вредные микроорганизмы, универсальность, избирательность и эффективность, не могут быть использованы в современных условиях, поскольку накапливаются в зерне, муке и хлебе, снижая их безопасность для потребителя. Поэтому сложившаяся ситуация диктует необходимость более пристального внимания к физическим и биологическим методам воздействия на микрофлору зерна. Кроме того, для отраслей пищевой и перерабатывающей промышленности необходимы такие приемы, которые наряду с эффективным обеззараживанием обеспечат сохранение должных технологических свойств белково-протеиназного и углеводно-амилазного комплексов зерна и продуктов его переработки и улучшат физико-химические показатели продукции.

Потребность в разработке современных технологий обеззараживания зерна и продуктов его переработки привела к необходимости создания эффективных физического (электротермическое воздействие энергией СВЧ-поля) и биологического (использование сухих биоконцентратов) методов обработки.

Цель и задачи исследования

Цель диссертационной работы - разработка и обоснование высокоэффективного метода электротермического воздействия энергией СВЧ-поля и биологических средств (сухих биоконцентратов), обеспечивающих микробиологическую стабильность, безопасность, качество, технологические свойства зерна, продуктов его переработки и хлеба.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ имеющихся данных о фитосанитарном состоянии зерна, продуктов его переработки и хлеба, составе микрофлоры, оценить уровень вредоносности микроорганизмов и их влияние на качественные показатели, технологические свойства и микробиологическую безопасность зернового сырья и готовой продукции.

2. Сравнить существующие физические, биологические, химические методы и средства, используемые для обеззараживания зерна, продуктов его переработки и хлеба и обеспечения микробиологической стабильности и безопасности продукции.

3. Обосновать использование метода электротермического воздействия энергией СВЧ-поля для обезвреживания микроорганизмов в технологическом процессе обработки зерна, продуктов его переработки и производства хлеба.

4. Выявить стадию технологического процесса подготовки зерна к помолу, на которой использование метода электротермического воздействия дает максимальный эффект.

5. Определить эффективные режимы электротермического воздействия для разных групп микроорганизмов.

6. Разработать сухие бактериальные концентраты на основе пропионовокислых и ацидофильных бактерий, обладающие антагонистическими свойствами в отношении спорообразующих бактерий рода Bacillus.

7. Установить стадию технологического процесса производства хлеба и дозировки сухих бактериальных концентратов, позволяющие получить максимальный эффект от их применения.

8. Оценить влияние разработанных электротермического и биологического методов воздействия, обеспечивающих микробиологическую стабильность и безопасность зерна, продуктов его переработки и хлеба, на показатели качества и технологические свойства.

Научная новизна:

- Обосновано использование метода электротермического воздействия энергии СВЧ-поля и подтверждены теоретические положения данного метода для обезвреживания микроорганизмов в технологическом процессе обработки зерна, продуктов его переработки и производства хлеба;

- Адаптирована методика активного планирования эксперимента для метода электротермического обезвреживания микрофлоры зерна и продуктов его переработки;

- Определена стадия технологического процесса подготовки зерна к помолу для эффективного применения метода электротермического воздействия;

- Установлены закономерности влияния электротермического воздействия на микроорганизмы зерна, продуктов его переработки и хлеба;

- Установлены закономерности электротермического воздействия на качественные показатели и технологические свойства зерна, продуктов его переработки и хлеба;

- Определена кинетика деформации клейковины зерна и муки пшеницы в зависимости от входных параметров электротермического обезвреживания;

- Установлена динамика и кинетика изменения реологических свойств клейстеризованной водной суспензии из муки (пшеницы и кукурузы), отражающих состояние углеводно-амилазного комплекса в зависимости от входных параметров электротермического обезвреживания;

- Определены эффективные режимы электротермического воздействия энергии СВЧ-поля для обезвреживания различных групп микроорганизмов и разработаны практические рекомендации по применению данного метода;

- Разработаны биоконцентраты (сухие закваски для пшеничного хлеба) на основе пропионовокислых и ацидофильных бактерий;

- Определены антагонистические свойства этих биоконцентратов в отношении бактерий рода Bacillus;

- Установлены стадии технологического процесса производства хлеба и дозировки сухих биоконцентратов, позволяющие получить максимальный эффект от их применения;

- Исследовано влияние биоконцентратов на качественные показатели хлеба.

Практическая ценность полученных результатов:

- По результатам исследования разработаны рекомендации по реконструкции технологических линий очистки и подготовки зерна к помолу с целью его обеззараживания;

- Рекомендации приняты к внедрению на зерноперерабатывающих и пищевых предприятиях, в Государственной хлебной инспекции при Правительстве Российской Федерации по Челябинской области;

- Результаты исследования используют в учебном процессе высших учебных заведений (КрасГАУ, ЧГАУ, ЧелГУ, ЮУРГУ, РГТЭУ) при подготовке специалистов: биоэкологов, товароведов- экспертов, технологов по переработке зерна и производству пищевых продуктов, а также научных сотрудников. Часть материалов диссертации опубликована в книге “Методы и математические модели процесса обеззараживания зерна и продуктов его переработки”, допущенной Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов сельскохозяйственных высших учебных заведений.

На защиту выносятся:

- Схемы систематизации взаимосвязей, идентификации микроорганизмов и их вредоносности для зерна, продуктов его переработки и хлеба;

- Систематизация методов обеззараживания зерна, продуктов его переработки и хлеба;

- Теоретические основы совершенствования технологического процесса подготовки зерна к помолу за счет использования электротермического воздействия;

- Адаптированная методика активного планирования эксперимента для электротермического воздействия на микроорганизмы зерна и продуктов его переработки;

- Закономерности влияния энергии электротермического воздействия на микроорганизмы зерна, продукты его переработки и хлеба;

- Закономерности электротермического воздействия на качественные показатели и технологические свойства зерна и продуктов его переработки.

- Закономерности влияния биологических средств, обеспечивающих микробиологическую стабильность и безопасность зерна, на показатели качества хлеба.

Апробация работы.

Основные положения работы обсуждались на ежегодных научно-технических всероссийских, региональных и международных конференциях, совещаниях и семинарах: НИИ защиты растений (ВИЗР) (г. Ленинград, 1985 г.); ВНИИ ТВЧ (г. Ленинград, 1983…1985 гг.); МИИСП / МГАУ (г. Москва); ЧИМЭСХ / ЧГАУ (г. Челябинск); СХИ / КрасГАУ, (г. Красноярск, 1983…2004 гг.); Российский государственный торгово-экономический университет (г. Челябинск, 2003-2004 гг.); Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск, 2003-2004 гг.); ВИЭСХ, (г. Москва, 2003 г.); МГАУ, (г. Москва, 2006 г.); МПА, (г. Москва, 2007, 2008 гг.); ГНУ ВНИИМС Россельхозакадемии (г. Углич, 2008 г.); ГНУ ВНИИМП им. В.М. Горбатова (г. Москва, 2008 г.).

Публикации по теме диссертации: 63 работы, в том числе пять монографий, четыре патента на изобретения, 12 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы, включающего 310 наименований и приложения. Работа изложена на 290 страницах, содержит 108 рисунков, 46 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность работы, отражены вопросы реализации и апробации полученных результатов, определены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Анализ информационных источников по фитосанитарному состоянию и методам обеззараживания зерна и продуктов его переработки и хлеба. Рассмотрено современное состояние проблемы биологической безопасности пищевых продуктов, проанализировано фитосанитарное состояние продовольственного и фуражного зерна пшеницы, кукурузы и продуктов их переработки, также система обеззараживающих методов очистки и подготовки зерна к помолу. Отмечена невозможность разрешения задачи существующими способами.

В последние годы в России, наряду с существенным сокращением объемов производства зерновых культур, обостряется проблема снижения качества продовольственного зерна. Основные причины снижения биохимических, технологических и хлебопекарных свойств зерна, следующие:

1) сокращение в десятки раз объемов работ по защите растений от болезней, вредителей и сорняков;

2) отсутствие условий, необходимых для качественной послеуборочной обработки зерна в хозяйствах, недостаточное использование производственных мощностей элеваторов и хлебоприемных предприятий.

При хранении в зерне происходит интенсивный обмен веществ. Это приводит к старению и потерям, природа и интенсивность которых зависят от окружающей среды. Причины количественных и качественных потерь состоят в метаболических изменениях в самом зерне, в поражении его микроорганизмами.

Низкое качество зерна усложняет его хранение, переработку и влияет на качество готовой продукции - муки, хлеба. В настоящее время выявлен достаточно широкий перечень заболеваний, из числа особо вредоносных, распространение и развитие которых постоянно нарастает. Особую опасность для зерна и продуктов его переработки представляют гельминтоспориозно-альтернариозно-фузариозные инфекции, головневые заболевания, бактериозы, картофельная болезнь хлеба.

Для обеззараживания зерна и продуктов его переработки применяют различные методы (рис. 1). Систематизация практики применения этих методов позволяет выделить четыре этапа: обработку при селекции, выращивании культур и уборке урожая; при закладке зерна на хранение; в технологическом процессе его переработки; обеззараживание продуктов переработки зерна.

Для обеззараживания зерна и продуктов его переработки используют химические (окислители, фумиганты, инактиваторы ферментов и микотоксинов), физические (термические и лучевые) и биологические (микробиологические) методы.

Наиболее широко распространено в настоящее время применение химических веществ. Однако использование химических препаратов небезопасно для здоровья человека, поэтому необходим строгий санитарно-гигиенический контроль продукции растениеводства. Кроме того, малейшие отклонения от технологии их применения могут привести к значительному снижению эффективности обеззараживания. Наконец, есть целый ряд болезней зерна, по отношению к которым химический метод не может обеспечить достижения надлежащих результатов. Это относится, прежде всего, к ржавчинным и фузариозным болезням зерновых культур.

Рис. 1. Систематизация методов обеззараживания зерна и продуктов его переработки

Биологические методы предупреждения заболеваемости хлеба основаны, главным образом, на культивировании живых микроорганизмов непосредственно на хлебопекарном предприятии и потому имеют три общих недостатка: достаточно сложную технологию, длительное время приготовления препаратов (заквасок или жидких дрожжей) и значительные затраты на приобретение дополнительного оборудования и его обслуживание. Кроме того, биологические методы практически непригодны для хлебопекарных предприятий малой мощности, имеющих перерывы в суточном цикле работы.