Проницаемость стенки свекловичной клетки
9-05-2017, 15:22
Для понимания процесса извлечения сахара из свеклы необходимо знать не только ее химический состав, но и особенности ее микроскопической структуры.
Свекловичный корень состоит главным образом из паренхимной ткани (до 75%), клетки которой содержат практически весь сахарный раствор.
Все внутреннее пространство клетки занимает цитоплазма, в которой находятся вакуоли, наполненные клеточным соком, органоиды (пластиды) и запасные питательные вещества. Включения, входящие в цитоплазму, окружены протоплазмой, представляющей собой мембрану, состоящую из белка.
Характерной особенностью клеток растительных тканей является наличие в них плотной оболочки (стенки), которая состоит в основном из прочной, нерастворимой в горячей воде клетчатки, а также пектиновых веществ.
Оболочки клеток «склеиваются» между собой слоем межклеточного вещества, которое образует срединную пластину. Основным веществом срединной пластины являются протопектины.
Стенка растительной клетки, по современным представлениям, - это надмолекулярная структура, отдельные компоненты которой держатся вместе за счет межмолекулярных взаимодействий, в которых доминируют водородные связи.
По своей конструкции стенка клетки может быть уподоблена автомобильной покрышке. При этом механическую основу стенки (ее «корд») составляют микрофибриллы целлюлозы - пучки тесносвязанных линейно макромолекул, а цементирующим материалом служат полисахариды других классов (гемицеллюлозы и пектиновые вещества).
Стенка растительной клетки состоит из нескольких слоев. В ней различают первичную стенку, составляющую наружный слой клетки, и вторичную стенку, состоящую из внутреннего, среднего и внешнего слоев.
В первичной стенке микрофибриллы не имеют определенной ориентации и переплетены в беспорядочную сеть.
Во внешнем слое вторичной стенки они образуют две системы параллельных линий, пересекающихся под прямым углом, и образующих таким образом правильную («Декартову») сетку.
В среднем слое вторичной стенки микрофибриллы параллельны друг другу и почти параллельны оси цилиндра.
Наконец, во внутреннем слое вторичной стенки микрофибриллы также параллельны, но ориентированы к оси. Такая сложная композиция обеспечивает исключительно высокие прочностные характеристики стенки растительной клетки.
Установлено, что микрофибриллы представляют собой агрегаты из нескольких так называемых элементов фибрилл, в которых молекулы целлюлозы вытянуты продольно, а в поперечном направлении плотно упакованы в высоко упорядоченную кристаллическую структуру.
Помимо строго упорядоченных кристаллических участков, в нативных микрофибриллах имеются также и аморфные (или, по крайней мере, менее упорядоченные) участки, где целлюлозные цепи упакованы менее плотно и более подвижны относительно друг друга. Внутрь этих участков может проникать и растворитель, и реагент, может происходить набухание. В результате образуются локальные геле-вые структуры с большим содержанием жидкой фазы, соприкасающейся со всеми или большинством молекул целлюлозы. Благодаря такой структуре имеются поры, или капилляры, свободно сообщающиеся друг с другом, образуя ряд переходов. Через эти поры сообщаются и протоплазмы соседних клеток. Наличие таких пор объясняет проницаемость стенок растительных клеток, их участие в передвижении веществ, необходимых для жизни и роста растений, и роль в ряде технологических процессов.
На проницаемость клеточной оболочки, кроме ее субмикроскопического строения, существенное влияние оказывает гидрофильность ВМС, входящих в состав стенок. Так, извлечение из оболочек клеток ряда гидрофильных веществ (пектинов, пентозанов) приводит к падению гидрофильности всей системы и понижению проницаемости клеточной стенки. Обезвоживание гидрофильных ВМС происходит и при повышении температуры, особенно при величине выше 75°С.
Изменение проницаемости, вызываемое температурой, оказывает влияние на величину коэффициента диффузии сахарозы из свекловичной ткани. Так, в диапазоне температур 50...60°С тепловое воздействие не сказывается на изменении проницаемости клеток свекловичной ткани. В диапазоне температур 60...75°С коэффициент диффузии возрастает в течение 10...15 мин, а затем несколько уменьшается. При температуре тепловой обработки выше 75°С максимальное значение коэффициента диффузии достигается в течение 2...3 мин, а затем через определенный промежуток времени уменьшается.
В производственных условиях при проведении процесса экстрагирования при температурах не выше 72...75°С величина коэффициента диффузии сахарозы с повышением температуры возрастает.
Величина коэффициента диффузии сахарозы из свекловичной стружки может быть определена из эмпирического уравнения:
Карташов А.К. и Коваль Е.Т. предложили оценивать проницаемость клеток свекловичной ткани по величине степени относительного плазмолиза клеток. Она вычисляется как отношение количества сахара извлекаемого из стружки к общему количеству сахара в ней. То есть эта величина представляет собой относительное количество клеток, из которых сахар способен диффундировать после соответствующей обработки стружки (механической, тепловой, электрической и т. д.).
Экспериментально установлено, 100%-я степень плазмолиза, т.е. необходимая денатурация протоплазмы, наступает при температуре 70...80°С в течение 1,5...2 мин (при длине 100 г стружки 11...23м).
Следует иметь в виду, что степень плазмолиза лишь косвенно характеризует диффузионные свойства свеклы, так как эта величина не учитывает проницаемость стенки клетки, которая после денатурации протоплазмы остается основным препятствием для экстрагирования вещества из растительной ткани.
Свекловичный корень состоит главным образом из паренхимной ткани (до 75%), клетки которой содержат практически весь сахарный раствор.
Все внутреннее пространство клетки занимает цитоплазма, в которой находятся вакуоли, наполненные клеточным соком, органоиды (пластиды) и запасные питательные вещества. Включения, входящие в цитоплазму, окружены протоплазмой, представляющей собой мембрану, состоящую из белка.
Характерной особенностью клеток растительных тканей является наличие в них плотной оболочки (стенки), которая состоит в основном из прочной, нерастворимой в горячей воде клетчатки, а также пектиновых веществ.
Оболочки клеток «склеиваются» между собой слоем межклеточного вещества, которое образует срединную пластину. Основным веществом срединной пластины являются протопектины.
Стенка растительной клетки, по современным представлениям, - это надмолекулярная структура, отдельные компоненты которой держатся вместе за счет межмолекулярных взаимодействий, в которых доминируют водородные связи.
По своей конструкции стенка клетки может быть уподоблена автомобильной покрышке. При этом механическую основу стенки (ее «корд») составляют микрофибриллы целлюлозы - пучки тесносвязанных линейно макромолекул, а цементирующим материалом служат полисахариды других классов (гемицеллюлозы и пектиновые вещества).
Стенка растительной клетки состоит из нескольких слоев. В ней различают первичную стенку, составляющую наружный слой клетки, и вторичную стенку, состоящую из внутреннего, среднего и внешнего слоев.
В первичной стенке микрофибриллы не имеют определенной ориентации и переплетены в беспорядочную сеть.
Во внешнем слое вторичной стенки они образуют две системы параллельных линий, пересекающихся под прямым углом, и образующих таким образом правильную («Декартову») сетку.
В среднем слое вторичной стенки микрофибриллы параллельны друг другу и почти параллельны оси цилиндра.
Наконец, во внутреннем слое вторичной стенки микрофибриллы также параллельны, но ориентированы к оси. Такая сложная композиция обеспечивает исключительно высокие прочностные характеристики стенки растительной клетки.
Установлено, что микрофибриллы представляют собой агрегаты из нескольких так называемых элементов фибрилл, в которых молекулы целлюлозы вытянуты продольно, а в поперечном направлении плотно упакованы в высоко упорядоченную кристаллическую структуру.
Помимо строго упорядоченных кристаллических участков, в нативных микрофибриллах имеются также и аморфные (или, по крайней мере, менее упорядоченные) участки, где целлюлозные цепи упакованы менее плотно и более подвижны относительно друг друга. Внутрь этих участков может проникать и растворитель, и реагент, может происходить набухание. В результате образуются локальные геле-вые структуры с большим содержанием жидкой фазы, соприкасающейся со всеми или большинством молекул целлюлозы. Благодаря такой структуре имеются поры, или капилляры, свободно сообщающиеся друг с другом, образуя ряд переходов. Через эти поры сообщаются и протоплазмы соседних клеток. Наличие таких пор объясняет проницаемость стенок растительных клеток, их участие в передвижении веществ, необходимых для жизни и роста растений, и роль в ряде технологических процессов.
На проницаемость клеточной оболочки, кроме ее субмикроскопического строения, существенное влияние оказывает гидрофильность ВМС, входящих в состав стенок. Так, извлечение из оболочек клеток ряда гидрофильных веществ (пектинов, пентозанов) приводит к падению гидрофильности всей системы и понижению проницаемости клеточной стенки. Обезвоживание гидрофильных ВМС происходит и при повышении температуры, особенно при величине выше 75°С.
Изменение проницаемости, вызываемое температурой, оказывает влияние на величину коэффициента диффузии сахарозы из свекловичной ткани. Так, в диапазоне температур 50...60°С тепловое воздействие не сказывается на изменении проницаемости клеток свекловичной ткани. В диапазоне температур 60...75°С коэффициент диффузии возрастает в течение 10...15 мин, а затем несколько уменьшается. При температуре тепловой обработки выше 75°С максимальное значение коэффициента диффузии достигается в течение 2...3 мин, а затем через определенный промежуток времени уменьшается.
В производственных условиях при проведении процесса экстрагирования при температурах не выше 72...75°С величина коэффициента диффузии сахарозы с повышением температуры возрастает.
Величина коэффициента диффузии сахарозы из свекловичной стружки может быть определена из эмпирического уравнения:
Карташов А.К. и Коваль Е.Т. предложили оценивать проницаемость клеток свекловичной ткани по величине степени относительного плазмолиза клеток. Она вычисляется как отношение количества сахара извлекаемого из стружки к общему количеству сахара в ней. То есть эта величина представляет собой относительное количество клеток, из которых сахар способен диффундировать после соответствующей обработки стружки (механической, тепловой, электрической и т. д.).
Экспериментально установлено, 100%-я степень плазмолиза, т.е. необходимая денатурация протоплазмы, наступает при температуре 70...80°С в течение 1,5...2 мин (при длине 100 г стружки 11...23м).
Следует иметь в виду, что степень плазмолиза лишь косвенно характеризует диффузионные свойства свеклы, так как эта величина не учитывает проницаемость стенки клетки, которая после денатурации протоплазмы остается основным препятствием для экстрагирования вещества из растительной ткани.