Лекции по "Пищевой химии"

 

Рис. 9. Типы пластид

 

Хлоропласты (рис. 10) — окрашены в зелёный цвет, т.к. содержат хлорофилл. Это органеллы фотосинтеза. Внутри хлоропластов имеются мембранные образования в форме дисков — тилакоиды, которые группируются в стопки — граны. Продолжения тилакоидов, называемые ламеллами, соединяют граны между собой. Внутреннее пространство хлоропластов заполнено бесцветной стромой, которая аналогична матриксу митохондрий. В тилакоидах протекает световая фаза фотосинтеза, а в строме — темновая фаза (цикл Кальвина).

 

Рис. 10. Строение хлоропласта

 

Хромопласты — окрашены в жёлтый, красный или оранжевый цвет, что обусловлено накоплением в них каротиноидов. Присутствие в клетках хромопластов определяет окраску осенних листьев, лепестков цветков, зрелых плодов.

Лейкопласты — не окрашены. Они выполняют запасающую функцию. В зависимости от того, какие именно питательные вещества накапливаются, различают три вида лейкопластов: амилопласты, протеинопласты и элайопласты. В амилопластах происходит биосинтез и накопление крахмала, в протеинопластах — запасание белков, в элайопластах накапливаются капельки жиров.

2. Вакуоль — окруженный одной мембраной, называемой тонопластом, большой пузырь, заполненный клеточным соком — водным раствором большого количества органических и неорганических соединений (рис. 11).

 

Рис. 11. Вакуоль

 

Вакуоль служит резервуаром воды, местом скапливания конечных продуктов обмена веществ, а также вместилищем ряда запасных веществ. Она поддерживает тургорное давление растительной клетки и может занимать более половины объёма зрелой клетки.

Вкус овощей, фруктов, ягод и т.д. — это вкус клеточного сока.

 

Функции клеточного компартмента

 

1. Пространственная и временнáя координация всех обменных процессов.

2. Организация полиферментных систем, обеспечение синхронности их действий.

3. Поддержание постоянства внутриклеточной среды.

4. Изменение обменных процессов  в ответ на внешнее воздействие,  саморегуляция.

5. Секреция продуктов из клетки  и наоборот.

6. Обеспечение системы контактов  между клетками и тканями.

7. Иммунитет.

8. Регуляция перекисных процессов.

 

Уровни  защиты клетки от окислительных процессов

 

Клетка боится разрушения мембран, т.к. в этом случае нарушается внутренняя структурная организация клетки и она погибает. В ней перестают протекать процессы, присущие живой клетке, хотя её химический состав при этом не изменяется.

Для клеточных мембран наиболее опасны окислительные процессы. Так, разрушение мембран может произойти вследствие окисления полиненасыщенных жирных кислот, которые в составе фосфолипидов участвуют в построении мембран. В результате в гидрофобных «хвостах» фосфолипидов появляются гидрофильные группы гидроперекисей, которые вызывают изменение пространственной ориентации «хвостов», разрыхление или даже разрыв фосфолипидного бислоя и, как следствие, нарушение биологических функций мембран. Именно перекисным повреждением клеточных мембран объясняется токсичность переокисленных липидов.

Клетка имеет несколько уровней  защиты от окислительных процессов.

1. Антикислородная защита. Кислород, как известно, является сильным окислителем, однако он используется для дыхания каждой клеткой живого организма. Кислород доставляется в организм из воздуха.

Перемещение газов происходит всегда в направлении от зоны их высокой концентрации (давления) к зоне низкой концентрации (давления). Если в некотором объёме имеется смесь газов, то давление каждого газа (парциальное давление) равняется давлению, при котором находится данный газ, когда он в данном объёме один.

Давление кислорода достигает  минимального уровня, когда он поступает  в митохондрии клетки. Способность митохондрий снижать внутриклеточное парциальное давление кислорода обусловлена работой расположенной здесь дыхательной системы.

Таким образом, антикислородная защита клетки заключается в её способности поддерживать низкое парциальное давление кислорода.

2. Антирадикальная защита. Свободные радикалы — это частицы, содержащие неспаренные электроны, поэтому они очень агрессивны и способны разрушать клетки. Образование свободных радикалов может происходить под воздействием высоких температур, электромагнитного излучения, радиации. Поэтому, например, злоупотреблять приёмом пищи, разогретой в СВЧ-печах (микроволновых печах), не следует.

В клетках содержатся соединения, получившие название антиокислителей, или антиоксидантов, которые связывают или разрушают свободные радикалы. Это витамины А, Е, С, восстановленный глутатион, цистеин.

3. Антиперекисная защита. Этот уровень защиты клетки от окислительных процессов заключается в функционировании в ней ферментной системы пероксисом, разлагающей перекиси.

 

Биохимические основы хранения растительного сырья

 

Растительное сырьё может быть представлено либо жизнеспособными объектами — зерном, семенами, овощами, фруктами, либо объектами с разрушенной (перемолотой) клеточной структурой, например мукой. То, в каком состоянии следует хранить растительное сырьё, в жизнеспособном или в перемолотом, определяется интенсивностью и характером протекания происходящих в нём процессов.

1. Процессы, происходящие в сырье с неразрушенной клеточной структурой.

В растительном сырье с неразрушенной  клеточной структурой — зерне, картофеле, сахарной свёкле, овощах, фруктах и  т.п. протекают обменные процессы, оказывающие негативное влияние на качество сырья. Интегральным показателем, определяющим интенсивность протекания обменных процессов в жизнеспособном сырье, является интенсивность дыхания, которую чаще всего выражают в миллиграммах СО₂, выделенного 100 граммами сухих веществ сырья за 24 часа. Баланс биохимических превращений, происходящих при дыхании, выражается суммарным уравнением:

 

C₆H₁₂O₆   +   6O₂                     6CO₂   +   6H₂O   +   686 ккал/моль

 

Как следует из суммарного уравнения дыхания, при хранении жизнеспособного растительного сырья в нём может происходить ряд существенных изменений.

Во-первых, дыхание сопровождается биологическими потерями — уменьшением массы растительного сырья вследствие того, что в этом процессе расходуются углеводы, которые превращаются в CO₂ и H₂O. Следовательно, хранить растительное сырьё без потерь невозможно, и уменьшение его массы может достигать очень больших величин, в особенности у сочного сырья (именно поэтому сахарная промышленность работает сезонно) и у проросшего зерна — солода. Таким образом, очевидно, что необходимо хранить сырьё так, чтобы потери, происходящие вследствие дыхания, были минимальными.

Во-вторых, дыхание сопровождается изменением состава воздушной среды, окружающей растительное сырьё, вследствие поглощения O₂ и выделения CO₂. Причём, изменение состава воздуха в хранилище может быть довольно значительным. Известны случаи, когда в хранилищах зерна концентрация CO₂ изменялась от 0,03 % (обычное содержание углекислого газа в атмосфере) до 13 %. Прежде всего, это опасно для обслуживающего персонала. Кроме этого, при отсутствии O₂ в зерне начинается процесс спиртового брожения, в результате чего накапливается этиловый спирт. Он оказывает отравляющее воздействие на зародыш, который быстро погибает, а это значит, что теряется жизнеспособность зерна. Его уже нельзя использовать как семенной материал. Также, увеличивается расход сырья на получение энергии, за счёт того, что процесс диссимиляции начинает протекать менее эффективно.

В-третьих, при дыхании выделяется влага. С повышением влажности создаются благоприятные условия на поверхности сырья для жизнедеятельности микроорганизмов, например плесневых грибов, которые тоже дышат, и таким образом способствуют ещё большему возрастанию интенсивности дыхания.

В-четвёртых, при дыхании  происходит выделение тепла, т.к. не вся освобождающаяся при аэробном распаде углеводов энергия аккумулируется в виде молекул АТФ, часть её рассеивается в виде тепла. Если зерно, например, плохо проветривать, то тепло может накапливаться, т.е. будет идти процесс его самосогревания, причём температура зерновой массы может достигать большой величины — 70–75 °C. В таких условиях зерно буквально обугливается, а зерновая масса теряет сыпучесть и превращается в тёмный монолит. Такое зерно нельзя использовать ни в качестве семенного материала, ни для пищевых целей. Чтобы предупредить или прервать процесс самосогревания, нужно снизить температуру и влажность зерновой массы, для чего проводят её интенсивную вентиляцию, перелопачивание и т.п.

Выделение влаги и тепла, вызываемое дыханием растительного сырья, может являться причиной дальнейшего усиления дыхания. Температура и влажность — важнейшие факторы, от которых зависит интенсивность дыхания.

Например, зерно пшеницы  с влажностью 15,5 % дышит в 2–4 раза интенсивнее, чем сухое (с влажностью меньше 14 %), а с влажностью, превышающей 17 % — в 20–30 раз интенсивнее. Сухое зерно, по сравнению с влажным, имеет ничтожную интенсивность дыхания (рис. 12).

Интенсивность дыхания  растительного сырья резко возрастает при появлении в нём свободной  влаги, т.к. это вызывает увеличение активности гидролитических и дыхательных  ферментов, а следовательно, и увеличение расходования сухих веществ. Влажность, при которой в сырье появляется свободная влага и резко возрастает интенсивность его дыхания, называют критической. Для каждого вида сырья величина критической влажности устанавливается соответствующим ГОСТом.

При повышении температуры  до определённого уровня (50 °C) интенсивность дыхания растительного сырья возрастает (рис. 13). Однако дальнейшее повышение температуры приводит к резкому снижению интенсивности дыхания, что связано с нарушением нормального строения и функционирования протоплазмы клеток сырья, с инактивированием ферментов и, в конечном счёте, с отмиранием тканей.

 

                                                                                   w = 22 %

 

 

                                                                                                               w = 18 %

 

                                                                                                             

                                                                                                            w = 16 %

                                                                                                              w = 14 %

                                                                                                                                        

                    5      10     15      20        w, %                                               50                       t, °C   

            Рис. 12. Влияние влажности на                             Рис. 13. Влияние температуры на

                          дыхание зерна пшеницы                                       дыхание зерна пшеницы

                                                                                                при различной влажности

 

Чтобы при хранении растительного  сырья не происходило усиление процесса дыхания, необходимо хранить его в сухом состоянии при влажности ниже критической и при низкой температуре (2–4 °C), хорошо проветривать помещение для удаления накапливающихся в нём водяных паров и понижения его температуры, а также по возможности перемешивать хранящееся сырьё.

2. Процессы, происходящие в сырье с разрушенной клеточной структурой.

В случае разрушения клетки нарушается скоординированность протекающих в ней процессов. В сырье с разрушенной клеточной структурой решающую роль начинают играть нежелательные окислительные и гидролитические процессы. Это связано с тем, что, во-первых, благодаря высокой дисперсности сырья открывается свободный доступ кислорода ко всем компонентам клеток и происходит их окисление, и, во-вторых, вследствие разрушения структуры лизосом высвобождаются содержащиеся в них гидролитические ферменты, что вызывает автолиз — саморастворение компонентов клеток под воздействием их собственных гидролаз.

Таким образом, обменные процессы в клетках полностью нарушаются и сырьё становится не хранимым в прежних условиях. Разрушенная система больше не поддаётся регулированию, т.к. принцип биологического регулирования полностью нарушен. Эта система не имеет и общего критерия для своей характеристики.

 

 

Наименее устойчивой фракцией пищевого сырья является липидная фракция. Деградация жиров в сырье с неразрушенной клеточной структурой и в сырье с разрушенной клеточной структурой протекает по-разному.

Деградация жиров в неразрушенной клетке:

 

          липаза                                          β-окисление                  О          цикл Кребса