Строение клеточных стенок

Технологические свойства растительного сырья определяются, в основном составом и количественным содержанием углеводов клеточных стенок, их функциональным состоянием и особенностью строения.

Клеточные стенки – сложный и многослойный комплекс, состоящий из многих полимеров, в образовании которого основная роль принадлежит аппарату Гольджи клетки.

Срединная пластинка состоит, в основном, из гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Пол обе стороны от срединной пластинки две дочерние клетки образуют так называемую первичную оболочку, где между молекулами гемицеллюлоз и пектиновых веществ встроены фибриллы целлюлозы. Дальше она становится толще за счет наслоения дополнительных слоев биополимеров, которые образуют вторичную оболочку. Отличить первичную оболочку от вторичной очень трудно, но в последней содержится больше целлюлозы. Насквозь все структуры пронизывает изотропное межклеточное вещество матрикс и лигнин.

Гемицеллюлоза(полуклетчатка) – большая группа веществ, которые по характеру строения принадлежат к полисахаридам, по структурному значению определяют строение клетки растительной ткани, в технологическом аспекте определяет такие

Рис 6.3. Структура первичной клеточной стенки

1- микрофибрилла целлюлозы, 2- ксилоглюкан; 3 – главные

рамногалактуроновые цепи пектиновых веществ; 4 – боковые галактановые цепи пектиновых веществ; 5 – структурный белок с арабинозными тетрасахаридами; 6 6 - арабиногалактан

параметры как продолжительность технологической обработки, температура, способ обработки, параметры варочной среды (присутствие солей, рН среды), порядок закладки овощей.

Гемицеллюлоза – сложный по строению высокомолекулярный полисахарид, не растворимый в холодной воде, растворим в 10%-м растворе NaОН и легко гидролизуется под влиянием слабых растворов кислот.

По характеру мономеров различают гомогемицеллюлозу (ксилан, арабан, манан, галактан, которые при мягком гидролизе дают смесь мономеров) и гетерогемицеллюлозу - галактоарабан, арабаноксилан и т.д., т.е. вещества которые в процессе гидролиза дают смесь пентоз и гексоз. Гемицеллюлозы являются спутниками клетчатки, принадлежат к структурным углеводам клеточных стенок. Их содержание в овощах и плодах 0,1…0,7%. Благодаря значительному количеству гидроксильных групп гемицеллюлоза гидрофильна, удерживает воду в плодах и овощах, способна к гидратации (набухание высушенных овощей и фруктов). Гемицеллюлоза не переваривается в желудке, способна к набуханию в кишечнике.

Клетчатка (целлюлоза) – один из основных полисахаридов клеточной стенки, содержание которой составляет 0,3…3,0%. Повышенное содержание клетчатки в пастернаке (2,4%), хрене (2,8%), укропе (3,5%). Но ее содержание зависит от степени зрелости экземпляров. Среди ягод большим содержанием клетчатки отличается малина (5,1%), облепиха (4,7%).

Технологическая стойкость клетчатки, ее инертность в химическом плане, стойкость к действию ферментов обусловлена особенностями строения. Это линейный полисахарид (С₆ Н₁₀О₅)_n, построенный из остатков β-глюкозы, степень полимеризации – 300…12000 остатков. Целлюлоза характеризуется большой механической прочностью, что обуславливает изменение консистенции продукта при ее увеличении. Не растворима в воде, способна к гидролизу в жестких кислых условиях при кипячении с образованием глюкозы, что используется при получении гидролизного спирта.

Линейные полисахариды целлюлозы в растительной ткани скомпонованы в пучки, которые называются мицеллами.Мицеллы определенным образом ориентированы и погружены в непрерывную аморфную массу – матрикс,который состоит из гемицеллюлоз, пектиновых веществ и лигнина.

Будучи многоатомным соединением, клетчатка способна образовывать простые и сложные эфиры. Наибольшей значимостью для пищевой промышленности обладает способность целлюлозы образовывать метиловые эфиры.

Метилцеллюлоза (МЦ) характеризуется структурной, физиологической функцией, а так же способностью регулировать сенсорные чувства. Важным показателем МЦ является ее способность образовывать растворы заданной вязкости, изменение которой возможно в широких пределах введением таких корригирующих добавок как соль, сахар, спирт, крахмал. МЦ может образовывать и стабилизировать пены, эмульсии, суспензии, регулировать реологические, осмотические свойства пищевых систем. Физиологическая функция МЦ определяется ее принадлежностью к пищевым волокнам.

Технологическое значение имеет и натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (NаКМЦ), которая используется как загуститель, защитный коллоид и эмульгатор для прямых эмульсий «масло-вода».

Пектиновые вещества – являются очень важным компонентом клеточных стенок растительной ткани. Их содержание может колебаться в широких пределах. Понятие пектиновые вещества объединяет несколько самостоятельных веществ, растворимых и нерастворимых в воде.

Химический состав и содержание пектиновых веществ неодинаков в различных растениях, зависит от метеорологических условий, географической зоны, сортовой принадлежности, периода развития и возраста растения. Так, в яблоках и айве их содержится до 2%, грушах – 0,8%, косточковых культурах – от 0,5 до 2,3% Богаты пектином абрикосы, смородина, из овощей – морковь и перец, много их в кожице яблок.

Под термином “пектиновые вещества” объединяют пектиновые и пектовые кислоты, протопектин и пектин. В основе структуры пектиновых веществ, пектина и протопектина лежит пектиновая кислота.

Под пектинами, которые входят в состав клеточных стенок, подразумевают полимеры пектиновых кислот, карбоксильные группы которых в разной степени метоксилированы и нейтрализованы.

Рис. 6.4. Структура пектиновой молекулы (по Альберсхейму)

Протопектины - характеризуются нерастворимостью в воде и способны при гидролизе образовывать пектиновые кислоты. Протопектин имеет сложную разветвленную структуру.

Пектины – сложные биополимерные соединения, в которые наряду с галактуронами входят и нейтральные составные – арабинаны, галактаны, арабиногалактин. Пектин обладает желирующими свойствами, которые проявляются тем сильнее, чем больше в его молекуле метоксильных групп.

Таким образом, пектиновые вещества составляют, с одной стороны, часть пищевых волокон, с другой, определяют товароведные (лежкость) и технологические свойства растительной ткани. Пектиновые вещества, в том числе протопектин, характеризуются относительной стабильностью в процессе хранения. Их количественный состав, содержание, соотношение и взаимные превращения определяют индивидуальную консистенцию плодов и ягод. Так, в процессе хранения плоды и овощи способны дозревать, т.е. становиться более мягкими.

С точки зрения технологии состояние пектиновых веществ определяет многие технологические параметры и влияют на качественные показатели готового продукта.

В технологиях, связанных с термообработкой, в связи с особенностями состава, строения, содержания протопектина определяются как порядок внесения пищевых продуктов, так и условия их термообработки. Из вопроса строения растительной ткани определено, что основная часть пектиновых веществ размещена в срединных пластинках, тогда как стойкая к термообработке целлюлоза и гемицеллюлоза размещена по структуре достаточно равномерно. Поэтому трансформация протопектина в более или менее растворимый пектин снижает прочность клеточных структур в растительной ткани, что, наконец, при достижении определенных значений определяет понятие «консистенция» готового продукта. В общем, плане распад растительной ткани на отдельные клетки носит название мацерация.

Деструкция гемицеллюлоз. При тепловой кулинарной обработке овощей наряду и параллельно с деструкцией протопектина происходит деструкция гемицеллюлоз с образованием растворимых веществ. Гемицеллюлозы при тепловой обработке частично набухают, подвергаются гидролизу, что подтверждается накапливанием в отварах и готовых продуктах нейтральных сахаров – арабинозы, галактозы и др.

Исследования показывают, что степень деструкции гемицеллюлоз несколько уступает степени деструкции протопектина, однако она достаточно высокая и, по-видимому, оказывает заметное влияние на деструкцию клеточных стенок, содержащих значительное количество гемицеллюлоз.

Деструкция гемицеллюлоз начинается при более высоких температурах, чем деструкция протопектина (70…80^оС). При более высоких температурах процесс ускоряется. При понижении температуры гемицеллюлозы регенерируют и отдают часть воды, поглощенной при набухании и деструкции.

Деструкция экстенсина. Структурный белок клеточных стенок в процессе тепловой обработки подвергается деструкции с образованием растворимых продуктов. Деструкция экстенсина начинается при более низких температурах, чем протопектина и гемицеллюлоз. Так, при нагревании нарезанных корнеплодов в воде при температуре 50^оС в течение 1 часа отмечается заметное снижение количества оксипролина. Механическая прочность при этом снижается, а содержание протопектина практически не изменяется.

Интересно такое явление: если свеклу на протяжении часа варить, а потом положить в холодную воду, она так же размягчается. Это связано с тем, что при остывании корнеплодов набухшая целлюлоза и гемицеллюлоза частично восстанавливают структуру и выделяют поглощенную при набухании воду, в которой и растворяются продукты деструкции протопектина. Это может произойти только в том случае, когда температура внутри корнеплода была близка к 100 ⁰С, т.е. когда углеводы клеточных стенок и экстенсин уже подверглись определенной деструкции и для ее завершения и растворения продуктов деструкции необходимо дополнительное количество влаги. Эта влага поступает либо из клетки при дальнейшей варке свеклы, либо из набухших углеводов в результате их регенерации.

Описанный механизм деструкции компонентов клеточных стенок овощей при тепловой кулинарной обработке позволяет объяснить причины образования клейкого и тягучего картофельного пюре при протирании остывшего картофеля. В сваренном горячем картофеле оболочки клеток паренхимной ткани обладают достаточной прочностью и эластичностью и не разрушаются при приготовлении пюре. Ткань разрушается по резко ослабленным срединным пластинкам и готовое пюре имеет сухую рассыпчатую консистенцию.

При охлаждении вареного картофеля в результате уменьшения набухания клетчатки и гемицеллюлоз и растворимости продуктов деструкции гемицеллюлоз происходит определенное упорядочение элементов их нарушенной структуры, в результате эластичность клеточных стенок снижается, а жесткость (хрупкость) возрастает. Кроме того амилоза, перешедшая в срединные пластинки, ретроградирует, связь между клетками усиливается, жесткость студня внутри клейстеризованного крахмального зерна возрастает. И при механическом воздействии на клетки остывшего картофеля происходит разрушение клеток и зерен клейстеризованного крахмала и вытекающий из них клейстер придает структуре пюре нежелательную клейкость.