Растительная ткань имеет клеточную структуру. Клетки бывают различной формы: овальные, круглые, многоугольные. Размер их измеряется десятками микрон. Клетки могут плотно прилегать одна к другой и даже быть склеенными между собой с помощью межклеточного вещества или прилегать не по всему периметру, образуя пустоты, межклеточные пространства, заполненные воздухом.
Межклеточное вещество, цементирующее растительную ткань, состоит из протопектина. В ряде случаев для размягчения ткани ее обрабатывают таким образом, чтобы нерастворимый (в холодной воде) протопектин превратился в растворимую форму. При этом цементирующее вещество растворяется и клетки отклеиваются.
Каждая клетка имеет оболочку, весьма прочную, ограниченно растяжимую, являющуюся каркасом клетки, панцирем, придающим клетке определенную форму и предохраняющим от механических повреждений нежные, жизненно важные элементы клеточной структуры, находящиеся под ней.
Клеточная оболочка состоит в основном из клетчатки и некоторого количества протопектина. Она имеет мелкопористую структуру и не является сплошной. В ней имеются мельчайшие отверстия, каналы, через которые, однако, свободно могут в одну и другую сторону проходить молекулы воды и растворенных в воде веществ, а также клеточный сок в целом. Как принято говорить, клеточная оболочка является проницаемой.
Клеточная оболочка взрослой растительной клетки выстлана изнутри тончайшей слизевидной тканью цитоплазменной мембраны, которая свободно прилегает к оболочке (прижимается давлением клеточного сока) и образует как бы вторую, внутреннюю оболочку клетки. Внутренняя полость клетки называется вакуолью и заполнена клеточным соком.
В некоторых вилах растительной ткани от цитоплазменной оболочки во все стороны отходят цитоплазменные нити — плазмодесмы, которые пересекают внутреннюю полость в разных направлениях и даже проходят через клеточную оболочку в соседнюю клетку, пронизывая насквозь всю клеточную ткань.
Носительницей жизни клетки является цитоплазменная оболочка, состоящая в основном из белковых веществ и некоторого количества жироподобных веществ, называемых липоидами. Когда говорят, что клетка дышит, питается и размножается, это означает, что дышит, питается я размножается цитоплазма.
Особое значение для жизни клетки, а также для технологии ряда пищевых производств имеет структура цитоплазменной мембраны. Она, как и клеточная оболочка, является не сплошной, а пористой. Но если клеточную оболочку можно назвать микропористой, то цитоплазменная мембрана является ультрамикропористой. Отверстия в ней настолько малы, что через них могут проходить (да и то с некоторым усилием) молекулы небольших размеров, например молекулы воды. Более же крупные молекулы, например, таких веществ, как сахара я соли, через поры цитоплазмы пройти не могут. Таким образом, цитоплазменная оболочка проницаема для воды и непроницаема для растворенных в воде веществ, или, как принято говорить, она полупроницаема.
Полупроницаемость цитоплазменной оболочки осложняет протекание диффузионных и физических процессов в пищевых производствах и обязательно должна приниматься во внимание при построении технологического процесса производства.
Представим себе, что в стакан налили некоторое количество крепкого раствора сахара, а затем осторожно прилили слабый раствор сахара. Если проделать эту операцию так, чтобы не взболтать и не перемешать растворы, то слабый раствор сахара, плотность которого меньше крепкого, ляжет поверх последнего, не смешиваясь с ним. Пробные краники, расположенные в соответствующих по высоте зонах, позволят отобрать несколько капель сахарных растворов, необходимых для определения концентрации сахара. Анализы покажут, что, действительно, в нижнем слое концентрация сахара составляет 60%, в верхнем — 10%. С течением времени, благодаря закону диффузии, в силу которого молекулы сахара будут самопроизвольно перемещаться из слоя с большей концентрацией в слон с меньшей концентрацией, верхний слой будет постепенно обогащаться сахаром, а концентрация сахара в нижнем слое будет уменьшаться. Так будет продолжаться до тех пор, пока концентрация сахара в обоих случаях не уравняется и в данном случае не станет равной примерно 35%.
Если теперь поместить в стакан с 60%-ным раствором сахара плодовую клетку, в соке которой содержится 10% сахара, то «нормальная» диффузия, при которой молекулы сахара перемешались бы, как в предыдущем примере, из крепкого раствора внутрь клетки, здесь произойти не может из-за того, что цитоплазменная оболочка клетки непроницаема для сахара. Но так как диффузия является законом природы, она будет осуществляться в отношении того вещества, для которого цитоплазменная мембрана не является помехой, т. е. воды. При этом в соответствии с законом диффузии вода будет перемешаться от места с большей ее концентрацией к месту с меньшей концентрацией, т. е. из клетки наружу, поскольку концентрация воды в клетке 90%, а в сахарном растворе — 40%. Таким образом, выравнивание концентраций здесь будет происходить за счет перемещения молекул растворителя, а не растворенного вещества. При этом клеточный сок будет сгущаться, а наружный сироп разбавляться. Такая диффузия, осложненная наличием полупроницаемой перегородки, называется осмосом. В данном случае получается, что наружный крепкий сахарный раствор будет осмотическим путем «выкачивать» воду из клетки.
Поскольку цитоплазменная оболочка не приклеена к наружной клеточной оболочке, объем цитоплазменного мешочка по мере осмотического отсасывания из него воды уменьшается, и цитоплазма начинает отслаиваться от клеточной оболочки сначала по углам клетки, а потом по всему периметру. Чем крепче наружный раствор, тем большее количество влаги будет отсасываться из клетки, тем больше будет съеживаться цитоплазменный мешочек, пока он не соберется где-то в середине клетки в виде сморщенного комочка. Этот процесс съеживания цитоплазмы называется плазмолизом. В плазмолизованном состоянии клетка является нежизнедеятельной. Она не погибает, но нормальные ее функции приостанавливаются, и в таком состоянии между жизнью и смертью она может находиться чрезвычайно долго, не проявляя никакой активности. Если учесть, что все сказанное здесь о растительной клетке можно полностью отнести к бактериальной клетке, то становится ясным, что, создав в пищевом продукте высокую концентрацию сахара или соли, можно вызвать плазмолиз микробных клеток и тем самым предохранить продукты от бактериальной порчи, что и применяется в практике консервирования.
Если теперь поместить плазмолизованную клетку в чистую воду, то процесс пойдет в обратном направлении. Теперь клетка будет жадно всасывать воду и цитоплазменный мешочек будет увеличиваться до тех пор, пока плотно не прижмется к наружной клеточной оболочке. Последняя является ограниченно растяжимой и при наступлении предела ее растяжения поступление воды в клетку прекратится, а сама она будет находиться в напряженном состоянии, называемом тургор. В клетке возникает давление, которое по роду вызвавшего его процесса называется осмотическим.
Поскольку поведение веществ в растворенном состоянии во многом подчиняется газовым законам, постольку и осмотическое давление можно рассчитать по характеристическому уравнению для газов: pV = RT, где р — давление, кПа; V — объем данного раствора, в котором растворен 1 гмоль данного вещества, л; R — газовая постоянная [8,314∙103 Дж/(кмоль∙К)]; Т — температура, К. Отсюда p = RT:V.
Например, требуется рассчитать осмотическое давление, которое может вызвать 4%-ный раствор свекловичного сахара при 15 °С. Подстановка значений R и Т не требует особых вычислений, V требуется рассчитать. V — это количество литров данного 4%-ного раствора сахара, в котором растворен 1 гмоль этого вещества. 1 гмоль сахарозы С12Н22О11 составляет 342 г. Можно с некоторой погрешностью принять, что 4%-ный раствор сахара — это такой раствор, в 1 л которого находится 40 г сахара. Тогда искомая величина V находится из пропорции 1 л—40 г к V л—342 г. откуда V=342/40 = 8,55 л, а р = 8,314∙103∙(273+15)/8,55 ≈ 300 кПа (≈ 3 атм).
Если учесть, что раствор сахара был весьма слабым (4%-ным), то полученное давление следует оценить как весьма высокое.
В практике пищевых производств приходится иметь дело с гораздо более концентрированными растворами, порядка 60—70% и более, следовательно, осмотическое давление, которое они могут вызвать, измеряется десятками атмосфер. Нужно только понимать, что в самом растворе сахара никакого осмотического давления нет, каким бы крепким он ни был, а есть только осмотический потенциал, т. е. возможность возникновения давления, если такой раствор войдет в соприкосновение с полупроницаемой системой, например, если в него погрузить плод или если в него попадут микробные клетки. Тогда на границе раствор — полупроницаемая мембрана осмотический потенциал будет реализован и возникнет не потенциальное, а реальное давление, величину которого можно не только рассчитать, но и измерить.
При рассмотрении настоящего примера видно, что на величину осмотического давления влияют массовая концентрация и молекулярная масса данного вещества. Действительно, в примере величина V = 8,55 л получена как частное от деления 342 (молекулярная масса сахара М) на 40 г (массовая концентрация его в данном растворе G). Таким образом, в общем виде V=M/G. При подстановке этого выражения в формулу для расчета осмотического давления получим p = (G/M)∙RT.
Отсюда видно, что осмотическое давление прямо пропорционально массовой концентрации данного вещества и обратно пропорционально его молекулярной массе. Следовательно, при одной и той же массовой концентрации осмотическое давление будет больше для тех веществ, у которых меньше молекулярная масса. Так, например, осмотический потенциал 4%-ного раствора поваренной соли должен быть примерно в 6 раз (молекулярная масса 58) больше, чем 4%-ного раствора свекловичного сахара.
Осмотические процессы не только играют роль в ряде пищевых производств, но и сами составили предмет нового технологического процесса, получившего название «обратный осмос». Сущность его заключается в следующем. Если в сосуд, разделенный вертикальной перегородкой, изготовленной из полупроницаемого материала (пленки из синтетических полимеров), налить в одну половину фруктовый сок, содержащий 10% сахара, а в другую — чистую воду, то вода в силу осмотического давления будет всасываться в ту половину, где находится сок, и уровень жидкости в этой половине сосуда повысится. Это схема обычного, прямого осмоса. Если теперь приложить к той части сосуда, где находится сок, давление, скажем, с помощью насоса, большее того, под которым вода осмотически прокачивается в процессе прямого осмоса, то вода потечет в обратном направлении, т. е. в ту половину, где находится чистая вода. Это и будет так называемый обратный осмос. При этом сок сгущается, концентрация сахара в нем увеличивается. Этот способ концентрирования фруктовых соков выгодно отличается от обычных тепловых приемов, в процессе которых затрачивается много энергии и ухудшается качество продукции.
Свойство полупроницаемости цитоплазменных оболочек клеток не следует понимать слишком упрощенно как наличие в мембране физически оформленных капиллярных каналов стабильного сечения. Полупроницаемость цитоплазменных мембран связана с физико-химической структурой их и с той ролью, которую они играют в физиологии растений.
Выше отмечалось, что цитоплазма состоит из белковых веществ и липоидов. Несмотря на крайне ничтожную толщину цитоплазменной оболочки, в ней все же различают 3 слоя: верхний, граничащий с воздухом, средний и нижний, граничащий с вакуолью клетки, заполненной клеточным соком. Структура, состав и свойства этих слоев неодинаковы.
Липоиды, являющиеся поверхностно-активными веществами, скапливаются в поверхностных слоях цитоплазменной мембраны, образуя строго ориентированные и плотно прилегающие друг к другу моно — и бимолекулярные ряды. При этом в наружном, верхнем, слое, называемом плазмалеммой, молекулы липоидов обращены своим гидрофобным концом наружу, к воздуху, который является гидрофобным веществом. Получается мономолекулярный ряд, своего рода «частокол» выстроенных в строгом порядке и прилегающих друг к другу молекул, зазоры между которыми и являются теми капиллярами микросечения, о которых речь шла выше. Именно сквозь щели этого «частокола» из липоидов и не могут «пробраться» крупные молекулы растворенных в соке веществ, но могут проходить, да и то с некоторым усилием, молекулы воды.
Еще более непроницаемым является нижний, внутренний слон цитоплазменной оболочки, называемый тонопластом. Он также образован ориентированными молекулами липоидов, но в обратном порядке — гидрофильными концами наружного ряда к клеточному соку (водному раствору запасных веществ клетки), а гидрофобными концами к гидрофобным концам молекул второго, примыкающего к наружному, ряда поверхностно-активных веществ. Получается очень мало проницаемый двойной липоидный слой.
Средний слой, называемый мезоплазмой, состоит из беспорядочно расположенных и находящихся в хаотическом движении молекул белковых веществ. Этот слой является проницаемым.
Исключительно важным для понимания биологических особенностей клетки, влияющих на технологический процесс консервирования пищевых продуктов, является тот факт, что свойство полупроницаемости не является стабильным атрибутом клетки. Оно присуще только живой, здоровой, неповрежденной цитоплазме и даже для этой последней тоже не является вполне постоянным. Полупроницаемость клетки, пусть в небольших пределах, непрерывно меняется, поскольку непрерывно изменяются и условия в окружающей клетку среде. Изменяются, например, температура воздуха, его состав, освещенность и многие другие факторы. Цитоплазма, как носитель жизни клетки, чутко реагирует на малейшие изменения внешней среды. Она непрерывно поглощает кислород из воздуха, выделяет наружу углекислоту; вещества цитоплазмы реагируют друг с другом и с веществами, проникающими в клетку извне; в ней непрерывно происходят процессы обратимой коагуляции, пептизации, коацервации и расслаивания. В результате этих процессов проницаемость цитоплазменных мембран непрерывно изменяется, поры ее пульсируют, становясь то больше, то меньше.
Но если уровень нестабильности клеточной проницаемости для живой, здоровой цитоплазмы не слишком высок и колеблется вокруг какого-то среднего значения, то картина совершенно меняется, если клетка подвергается неблагоприятным внешним воздействиям: механическим травмам, обработке высокими или низкими температурами, ионизирующим излучением и другим экстремальным факторам. На такие воздействия клетка реагирует комплексом однотипных изменений, свидетельствующих о ее раздражении.
Представим себе цитоплазменную мембрану в виде пленки, натянутой на прямоугольный каркас грани клеточной оболочки. Эта пленка пронизана тысячами тончайших капиллярных каналов и является полупроницаемой. Если теперь к цитоплазменной мембране поднести нагретый до высокой температуры предмет — горящую спичку, раскаленный металлический прут и т. п., то она испытает болевое ощущение, раздражение, подобное тому, которое испытывают животные. Но в отличие от животных, у которых раздражение воспринимается особой нервной тканью, цитоплазма воспринимает болевые ощущения всей своей поверхностью и, следовательно, доза полученного цитоплазменной мембраной раздражения пропорциональна площади ее поверхности.
Животное, получив сигнал от периферической нервной системы в головной или спинной мозг, может избавиться от раздражения, вызванного прикосновением к горячему предмету, отойдя от него или отдернув лапу. Цитоплазменная же мембрана, будучи хотя и живым, но лишенным разума комочком материи, не способным к тому же передвигаться, может умерить болевое раздражение лишь одним единственным путем — сократив инстинктивно площадь своей поверхности. А так как масса цитоплазменной мембраны G пропорциональна произведению площади поверхности пленки S на ее толщину δ и является величиной постоянной [G = f(Sδ) =const], то уменьшение S должно обязательно приводить к увеличению δ, т. е. к образованию сгустков.
Нужно сказать, что стремление к самопроизвольному сокращению площади поверхности коллоидных растворов вытекает из 2-го закона термодинамики и действует независимо от того, прилагается к системе раздражающий фактор, или нет.
Применительно к данному примеру с цитоплазменными мембранами, по-видимому, можно воспользоваться одной из формулировок 2-го закона термодинамики, которая гласит о том, что каждая природная система стремится к своему равновесному состоянию, при котором запас свободной энергии минимален. А так как свободная энергия А пропорциональна площади поверхности S(A=KS), то получается, что в каждой природной системе имеется самопроизвольное стремление к уменьшению своей свободной энергии, что достигается путем сокращения площади поверхности.
Подходит в данном случае и та формулировка 2-го закона, в которой отмечается, что все естественные процессы являются переходом от менее вероятных к более вероятным состояниям. А так как упорядоченные, строго ориентированные структуры на поверхностных слоях цитоплазмы менее вероятны, чем хаотически расположенные молекулы в глубинных слоях, то и этот момент приводит к самопроизвольному сокращению площади поверхности с находящимся на нем упорядоченным слоем липоидов.
Таким образом, применительно к коллоидно-растворенным веществам сокращение площади поверхности вызывает сближение коллоидных мицелл, слипание их, укрупнение, в результате чего создаются предпосылки для коагуляции.
Подобное сгущение частиц, образование узелков, сгустков происходит в десятках тысяч точечных участков поверхности цитоплазменной мембраны. Эти узелки оттягивают от себя белковую массу вещества цитоплазменной пленки и, следовательно, между этими узелками будут образовываться пустоты, поры значительно большего диаметра, чем те, которые были в мембране до раздражающего ее воздействия. Таким образом, клеточная проницаемость под влиянием раздражающих факторов должна возрастать.
Сказанное хорошо уясняется из схемы:
So = Sδ + Sn = const.
где So — общая площадь поверхности «рамки», на которую «натянута» цитоплазменная мембрана; Sδ — площадь поверхности белковых веществ, образующих массу цитоплазменной мембраны; Sn — суммарная площадь поверхности пор в цитоплазменной пленке.
Поскольку общая площадь поверхности «рамки» So — величина постоянная, то ясно, что уменьшение площади поверхности белкового тела цитоплазмы Sδ должно приводить к возрастанию доли площади поверхности, приходящейся на поры Sn.
Итак, каким бы раздражителем ни подействовать на цитоплазму — механическим повреждением, высокой температурой, электрическим током и т. п., реакция ее на эти разные раздражители оказывается всегда одинаковой: вязкость ее возрастает, степень дисперсности коллоидно-растворенных веществ уменьшается, коллоидные мицеллы слипаются в крупные агрегаты, между которыми образуются большие проходы. Начавшаяся коагуляция приводит к увеличению клеточной проницаемости.
Если теперь источник раздражения убрать и если раздражение при этом не достигло критического порога, то происшедшие изменения становятся обратимыми: сгустки рассасываются, поверхность пор затягивается, проницаемость уменьшается и достигает первоначального небольшого значения.
Но если критический порог раздражения был превзойден, то происходит необратимая коагуляция коллоидов цитоплазмы, сопровождаемая предельным возрастанием клеточной проницаемости, разрывом цитоплазменной оболочки и гибелью клетки. При этом вещества, находящиеся внутри клетки и растворенные в клеточном соке, высвобождаются и через разорванную цитоплазменную мембрану легко выходят вместе с соком наружу. Таким образом, с физико-химической точки зрения гибель живой ткани заключается в коагуляции коллоидов цитоплазменной оболочки клеток.
Можно привести много примеров из повседневной практики, которые показывают губительное воздействие на живую ткань ряда энергичных физических воздействий, вызывающих резкое увеличение клеточной проницаемости. Так, если погрузить кусочек красной свеклы или лист красной капусты в холодную воду, то даже при длительной выдержке вода окрашиваться не будет либо окрасится очень слабо: живая, неповрежденная цитоплазма не выпускает окрашенного сока из клетки. Но стоит свеклу или капусту нагреть до 60—70 °С, как цитоплазма гибнет, красящие вещества из ткани начинают свободно выходить и вода окрашивается. Другим примером может служить яблоко (или другой плод), оттаявшее после замораживания, из которого сок легко вытекает при слабом надавливании или даже самопроизвольно. Это явление также объясняется нарушением структуры цитоплазменной оболочки, происшедшим под влиянием замерзания.
На этом свойстве убитых клеток выпускать наружу заключенные в них питательные вещества основываются многие процессы в пищевых производствах, такие, как экстракция свекловичной стружки горячей водой в диффузионных аппаратах на сахарных заводах, предварительная обработка плодов до прессования на плодоконсервных предприятиях и др.
Источник: Б.Л. Флауменбаум, С.С. Танчев, М.А. Гришин. Основы консервирования пищевых продуктов. Агропромиздат. Москва. 1986