Введение

Трава, дающая съедобные зерна.

Зерновая культура – это трава, выращиваемая ради съедобных зерен. Зерновые – самые распространенные сельскохозяйственные культуры в мире и, следовательно, основные продукты питания. К ним относятся рис, пшеница, рожь, овес, ячмень, просо и кукуруза. Съедобные зерна из других семейств растений, такие как гречка и киноа, называются псевдозерновыми. Большинство зерновых культур – однолетние растения, дающие один урожай с каждой посадки, хотя рис иногда выращивают как многолетнее. Зимние сорта достаточно морозостойки, чтобы их можно было высаживать осенью, они впадают в спячку зимой и собираются весной или в начале лета; весенние сорта высаживают весной и собирают в конце лета. Термин «зерновые» происходит от имени римской богини урожая и плодородия, Цереры. Зерновые культуры были одомашнены в эпоху неолита, около 8000 лет назад. Пшеница и ячмень были одомашнены в Плодородном полумесяце, рис – в Восточной Азии, а сорго и просо – в Западной Африке. В XX веке продуктивность зерновых культур значительно возросла благодаря «Зеленой революции». Этот рост производства сопровождался расширением международной торговли, при которой некоторые страны производят значительную часть зернового обеспечения для других стран. Зерновые употребляют в пищу непосредственно в виде цельного зерна, обычно в вареном виде, или их перемалывают в муку для производства хлеба, каш и других продуктов. Зерновые содержат много крахмала, что позволяет ферментировать их для получения алкогольных напитков, таких как пиво. Зерноводство оказывает значительное воздействие на окружающую среду и часто осуществляется в интенсивных монокультурах. Экологический вред можно уменьшить, используя устойчивые методы, снижающие воздействие на почву и улучшающие биоразнообразие, такие как безотвальная обработка почвы и севооборот.

Происхождение

Пшеница, ячмень, рожь и овёс собирались и употреблялись в Плодородном полумесяце в раннем неолите. На стоянке Охало II в Израиле были обнаружены зёрна злаков возрастом 19 000 лет, с обугленными остатками дикой пшеницы и ячменя. В тот же период земледельцы в Китае начали выращивать рис и просо, используя искусственные наводнения и пожары как часть агротехнического комплекса. Использование улучшителей почвы, включая навоз, рыбу, компост и золу, по-видимому, началось рано и развивалось независимо в различных регионах мира, включая Месопотамию, долину Нила и Восточную Азию. Злаки, ставшие современными ячменем и пшеницей, были одомашнены около 8000 лет назад в Плодородном полумесяце. Просо и рис были одомашнены в Восточной Азии, а сорго и другие виды проса – в Западной Африке к югу от Сахары, преимущественно в качестве корма для скота. В этих сельскохозяйственных регионах религия часто формировалась под влиянием божеств, связанных с зерном и урожаем. В месопотамском мифе о сотворении мира эпоха цивилизации начинается с богини зерна Ашнан. Римская богиня Церера покровительствовала земледелию, зерновым культурам, плодородию и материнству; термин «зерновые» происходит от латинского cerealis, «зерновые», изначально означавшего «относящийся к [богине] Церере». Несколько богов древности совмещали функции, связанные с сельским хозяйством и войной: хеттская богиня Солнца Аринна, ханаанский Лахму и римский Янус. Сложные цивилизации возникали там, где зерновое земледелие создавало излишки, позволяя отчуждать часть урожая у земледельцев и концентрировать власть в городах.

Биология

Зерновые – это травы семейства Poaceae (Злаки), производящие съедобные зерна. Зерно зерновых культур ботанически представляет собой кариопсис – плод, у которого семенная оболочка сращена с перикарпием. Травы имеют стебли, полые за исключением узлов, и узкие очередные листья, расположенные в два ряда. Нижняя часть каждого листа охватывает стебель, образуя влагалище. Лист растет от основания листовой пластинки, что является адаптацией, защищающей растущую меристему от вытаптывания животными. Цветки обычно обоеполые, за исключением кукурузы, и преимущественно ветроопыляемые (анемофильные), хотя насекомые иногда также участвуют в опылении. К наиболее известным зерновым культурам относятся кукуруза, рис, пшеница, ячмень, сорго, просо, овес, рожь и тритикале. Некоторые другие зерна в обиходе называют зерновыми, хотя они не относятся к семейству злаков; к этим псевдозерновым культурам относятся гречиха, киноа и амарант.

Культивирование

Все зерновые культуры выращиваются схожим образом. Большинство из них однолетние, поэтому после посева их собирают лишь однажды. Зерновые культуры, адаптированные к умеренному климату, такие как ячмень, овес, рожь, спельта, тритикале и пшеница, называются озимыми зерновыми. Те, которые предпочитают тропический климат, такие как просо и сорго, называются зерновыми теплого сезона. Озимые зерновые, особенно рожь, а затем ячмень, отличаются высокой зимостойкостью; они лучше всего растут в довольно прохладную погоду и прекращают рост, в зависимости от сорта, при температуре выше примерно. Зерновые теплого сезона, напротив, требуют жаркой погоды и не переносят заморозки. Озимые зерновые можно выращивать в высокогорьях тропиков, где они иногда дают несколько урожаев в год. Хотя некоторые сорта выращиваются на сухих землях. Другие зерновые теплого климата, такие как сорго, приспособлены к засушливым условиям. Озимые зерновые в основном выращиваются в умеренных зонах. Эти зерновые часто имеют как озимые сорта для осеннего посева, зимней спячки и раннего летнего сбора урожая, так и яровые сорта, высеваемые весной и собираемые в конце лета. Озимые сорта имеют преимущество в использовании воды, когда она в изобилии, и позволяют получить второй урожай после раннего сбора. Они цветут только весной, поскольку нуждаются в вернализации – воздействии холода в течение определенного, генетически заданного периода. Яровые культуры растут, когда теплее, но меньше дождей, поэтому им может потребоваться орошение. Фузариоз колоса, вызываемый грибком Fusarium graminearum, является серьезным ограничением для многих зерновых культур. Другие неблагоприятные факторы – вредные насекомые и дикие животные, такие как грызуны и олени. В традиционном сельском хозяйстве некоторые фермеры применяют фунгициды или пестициды.

Уборка урожая

Годовые злаки отмирают после созревания семян и высыхают. Уборка начинается, когда растения и семена достаточно высохнут. В механизированных сельскохозяйственных системах уборка производится комбайном – машиной, которая за один проход по полю срезает стебли, а затем обмолачивает и очищает зерно. В традиционных сельскохозяйственных системах, преимущественно в странах Глобального Юга, уборка может осуществляться вручную с использованием таких инструментов, как косы и зерновые ворошилки. Злаки также используются в ремеслах, например, при строительстве из самана или соломенных блоков.

Предварительная обработка и хранение

Если зерно не полностью сухое при уборке, например, в дождливую погоду, хранимое зерно может быть испорчено плесневыми грибами, такими как Aspergillus и Penicillium. Этого можно избежать, искусственно высушив зерно. После этого его можно хранить в зерновом элеваторе или силосе для последующей продажи. Зернохранилища необходимо строить таким образом, чтобы защитить зерно от повреждений, наносимых вредителями, такими как птицы и грызуны, питающиеся семенами. В развивающихся странах переработка может осуществляться традиционными методами, в ремесленных мастерских, как, например, производство тортильи в Центральной Америке. Большинство зерновых культур можно перерабатывать различными способами. Переработка риса, например, позволяет получать цельнозерновой или шлифованный рис, а также рисовую муку. Удаление зародыша увеличивает срок хранения зерна. Некоторые зерна подвергают соложению – процессу активации ферментов в семени, вызывающему прорастание и превращение сложных крахмалов в сахара перед сушкой. Эти сахара можно извлекать для промышленного использования и дальнейшей переработки, например, для производства промышленного спирта или рисового вина. В XX веке были разработаны промышленные процессы, основанные на химической модификации зерна для использования в других областях. В частности, кукурузу можно модифицировать для получения пищевых добавок, таких как кукурузный крахмал и кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы.

Влияние

Производство зерновых культур оказывает значительное воздействие на окружающую среду. Обработка почвы может приводить к эрозии и увеличению поверхностного стока. Ирригация требует больших объемов воды, а ее забор из озер, рек или подземных вод может иметь множество негативных экологических последствий, таких как понижение уровня грунтовых вод и засоление водоносных горизонтов. Производство удобрений вносит вклад в глобальное потепление, а их применение может вызывать загрязнение и эвтрофикацию водоемов. Земледелие потребляет большое количество ископаемого топлива, что приводит к выбросам парниковых газов, способствующих глобальному потеплению. Применение пестицидов может наносить вред диким животным, в том числе пчелам.

Смягчения

Некоторые негативные последствия выращивания зерновых культур можно смягчить, изменив методы производства. Обработку почвы можно сократить, перейдя на безотвальную обработку, например, прямым посевом семян зерновых, или разрабатывая и высаживая многолетние сорта культур, что исключает необходимость ежегодной вспашки. Рис можно выращивать как переросший урожай (растущий из пней);

Использование удобрений и пестицидов может быть снижено в некоторых поликультурах, когда на одном поле одновременно выращивают несколько культур. Использование азотных удобрений, произведенных из ископаемого топлива, можно уменьшить, совмещая посевы зерновых с бобовыми культурами, которые фиксируют азот. Выбросы парниковых газов можно дополнительно сократить за счет более эффективного орошения или использования методов сбора воды, таких как контурные канавы, снижающие потребность в орошении, а также путем селекции новых сортов культур.

Прямые потребления

Некоторые злаки, такие как рис, требуют минимальной подготовки перед употреблением человеком. Например, для приготовления простого вареного риса сырой шлифованный рис промывают и отваривают. Такие продукты, как каши и мюсли, могут состоять преимущественно из цельных злаков, особенно овса, в то время как коммерческие завтрачные хлопья, такие как гранола, могут быть сильно переработаны и содержать добавленный сахар, масла и другие ингредиенты.

Продукты на основе муки

Зерновые можно измельчать для получения муки. Пшеничная мука – основной ингредиент хлеба и макаронных изделий. Кукурузная мука имеет важное значение в Мезоамерике с древних времен, например, в мексиканских тортильях и тамалес. Ржаная мука входит в состав хлеба в центральной и северной Европе, а рисовая мука широко используется в Азии. Зерно состоит из крахмалистого эндосперма, зародыша и отрубей. Цельнозерновая мука содержит все эти компоненты, а белая мука лишена части или всего зародыша и/или отрубей. Зерновые также используются для производства алкогольных напитков путем ферментации. Например, пиво производится путем заваривания и брожения крахмала, преимущественно из зерновых – чаще всего из ячменя. В Азии производят рисовые вина, такие как японское сакэ; около 9000 лет назад в Китае делали ферментированное вино из риса и меда.

Корм для животных

Зерновые культуры и сопутствующие им побочные продукты, такие как сено, регулярно используются для кормления сельскохозяйственных животных. К наиболее распространенным зерновым культурам, используемым в качестве корма, относятся кукуруза, ячмень, пшеница и овес. Влажное зерно может быть обработано химическим способом или преобразовано в силос; механически раздроблено или плющено и храниться в герметичной таре до использования, либо храниться в сухом виде при влажности менее 14%. В коммерческих целях зерно часто смешивают с другими ингредиентами и прессуют в кормовые гранулы.

Цельнозерновые и переработанные

В качестве цельного зерна, зерновые культуры обеспечивают организм углеводами, полиненасыщенными жирами, белками, витаминами и минералами. После переработки, при удалении отрубей и зародыша, остается лишь крахмалистый эндосперм. В некоторых развивающихся странах зерновые культуры составляют большую часть ежедневного питания. В развитых странах потребление зерновых умеренное и разнообразное, но всё ещё значительное, преимущественно в виде рафинированных и переработанных зерен.

Баланс аминокислот

Некоторые зерновые культуры бедны незаменимой аминокислотой лизином, что заставляет вегетарианские культуры сочетать свой рацион из зерновых с бобовыми для получения сбалансированного питания. Однако многие бобовые испытывают недостаток в незаменимой аминокислоте метионине, которой в изобилии содержатся в зерновых. Таким образом, сочетание бобовых и зерновых обеспечивает вегетарианцам полноценный рацион. Примеры таких сочетаний включают дал (чечевицу) с рисом у южных индийцев и бенгальцев, фасоль с кукурузными тортильями, тофу с рисом и арахисовое масло с цельнозерновым пшеничным хлебом (в виде сэндвичей) в различных культурах, включая Америку. При кормлении животных количество сырого протеина, определяемое в зерновых, выражается как концентрация сырого протеина в зерне.

Сравнение основных зерновых культур

+ Питательные ценности некоторых основных зерновых культур на 45 г порции
Ячмень Кукуруза Пшено Овёс Рис Рожь Сорго Пшеница
Энергия ккал 159 163 170 175 165 152 148 153
Белок г 5.6 3.6 5.0 7.6 3.4 4.6 4.8 6.1
Жиры г 1.6 1.9 3.1 1.4 0.7 1.6 1.1 -
Углеводы г 33 35 31 30 31 34 32 32
Клетчатка г 7.8 3.3 3.8 4.8 1.6 6.8 3.0 4.8
Кальций мг 153 42 44 116 15 15 -
Железо мг 1.6 1.5 1.3 2.1 0.6 1.2 1.5 1.6
Магний мг 60 57 51 80 52 50 74 65
Фосфор мг 119 108 128 235 140 149 130 229
Калий мг 203 129 88 193 112 230 163 194
Натрий мг 5 6 2 1 1 -
Цинк мг 1.2 0.8 0.8 1.8 1.0 1.2 0.7 1.9
Тиамин (B1) мг 0.29 0.17 0.19 0.34 0.24 0.14 0.15 0.19
Рибофлавин (B2) мг 0.13 0.09 0.13 0.06 0.04 0.11 0.04 0.05
Ниацин (B3) мг 2.1 6 0.4 2.9 1.9 1.7 3.0 -
Пантотеновая кислота (B5) мг 0.1 0.2 0.4 0.6 0.7 0.7 0.2 0.4
Пиридоксин (B6) мг 0.1 0.1 0.2 0.05 0.2 0.1 0.2 0.2
Фолиевая кислота (B9) мкг 9 11 38 25 10 17 9 19

Товары производства и торговли

Зерновые культуры составляют крупнейший объем товарных ресурсов в мире по тоннажу, независимо от того, как измеряется производство. Спекуляции, а также другие факторы, влияющие на производство и поставки, приведшие к финансовому кризису 2007–2008 годов, вызвали резкий рост цен на зерно в период мирового продовольственного кризиса 2007–2008 годов. Другие сбои, такие как изменение климата или изменения в поставках и транспортировке, связанные с военными действиями, могут усугубить продовольственную незащищенность; например, российское вторжение в Украину в 2022 году нарушило поставки украинской и российской пшеницы, что привело к глобальному продовольственному кризису в 2022 году, особенно сильно затронувшему страны, сильно зависящие от пшеничной муки.