Химический состав растительных клеток

Лекция 1

ТРАДИЦИОННОЕ РАСТИТЕЛЬНОЕ СЫРЬЕ

Общая характеристика и классификация растительного сырья

Растительное сырье - растительные организмы (как целые растения, так и отдельные их части - корни, стебли, почки, цветки, плоды), используемые человеком в различных отраслях промышленности. В зависимости от цели применения различают растительное сырье пищевое, кормовое, лекарственное, техническое (эфиромасличное, красящее, дубильное и др.).

Пищевое растительное сырье используют в качестве основного ингредиента, а также как вкусо-ароматическую добавку в производстве традиционных продуктов питания (хлебных и кондитерских изделий, спирта, вина, соков и др.). Для создания специализированных продуктов питания - диетических и лечебно-про­филактических продуктов, в том числе биологически активных добавок (БАД) возможно применение лекарственных растений различной функциональной направленности.

Различают две группы пищевого растительного сырья: культивируемое и дикорастущее. Каждая из этих групп включает сырье плодовоовощное и травянистое. К культивируемому сырью также относят зерно и продукты его переработки. Культивируемое сырье (зерновое и плодоовощное) может быть традиционным и генетически модифицированным.

На 80 % растения состоят из углеводов. Углеводы растений широко используются человеком в пищу, являясь для него основным источником энергии. Главные усваиваемые углеводы в питании человека - крахмал (примерно 80 % всех потребляемых человеком углеводов) и сахароза. Растения являются источниками пищевых волокон, объединяющих неперевариваемые углеводы (клетчатка, пектин, гемицеллюлоза, инулин, гумми, слизи). Растения — основной поставщик витаминов для человека.

В производстве продуктов питания крахмал, пектиновые вещества, клетчатка используются в качестве структурообразователей. Насыщенность жирами семян масличных культур - до 60 % сухого вещества (СВ) - делает их ценнейшим сырьем для производства масел, используемых в пищевых и промышленных целях. Традиционными источниками для производства белковых продуктов растительного происхождения служат соя и пшеница.

Химический состав растительных клеток

Клетка - элементарная живая система, основная структурная единица растительных и животных организмов, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.

1. Пищевые волокна представляют собой большую группу веществ различной химической природы, к которым относятся клетчатка (целлюлоза), гемицеллюлоза, гумми (камеди), пектины, а также крахмал и не являющийся углеводом лигнин. Термин «пищевые волокна» (англ, dietary fibers) был введен при изучении компонентов растительных клеток и их использовании в лечебных диетах.

Клетчатка (целлюлоза) — самое распространенное вещество на Земле, за счет фотосинтеза ее образуется около 100 млрд тонн в год. Она является основ­ным компонентом клеточных стенок растений и содержится в древесине, оболоч­ках семян, льне, конопле, хлопчатнике и других однолетних растениях, в морских и пресноводных водорослях. Очень редко встречается целлюлоза в бактериях и животных, например в некоторых ракообразных и улитках. В химическом отно­шении целлюлоза представляет собой полимер глюкозы, молекулы которой соединены между собой гликозидными связями. При кипячении с концентрированной серной кислотой целлюлоза полностью превращается в глюкозу.

Слизи и гумми - группа коллоидных полисахаридов, к которой принадлежат растворимые в воде углеводы, образующие чрезвычайно вязкие и клейкие раство­ры. Типичные представители этой группы – гумми, выделяемые в виде наплы­вов вишневыми, сливовыми или миндальными деревьями в местах повреждения стволов и ветвей. Слизи в большом количестве содержатся в льняных семенах и зерне ржи.

Пектиновые вещества представляют собой высокомолекулярные соединения углеводной природы, содержатся в большом количестве в ягодах, фруктах, клуб­нях и стеблях растений. В растениях пектиновые вещества присутствуют в виде нерастворимого протопектина, представляющего собой соединение метоксилиро- ванной полигалактуроновой кислоты с галактаном и арабаном клеточной стенки. Протопектин переходит в растворимый пектин лишь после обработки раз­бавленными кислотами или под действием фермента протопектиназы, а также в результате процесса созревания плодов.

Крахмал представляет собой химически индивидуальное вещество. В расте­ниях он находится в виде крахмальных зерен, различающихся по своим физичес­ким свойствам и химическому составу. Углеводная часть крахмала состоит из полисахаридов двух типов, различаю­щихся по своим физическим и химическим свойствам, - амилозы и амилопектина. При кипячении с кислотами крахмал гидролизуется до глюкозы. Под действием ферментов амилаз происходит ферментативное осахарива­ние крахмала - он гидролизуется до мальтозы. В качестве промежуточных про­дуктов при гидролизе крахмала образуются полисахариды разной молекулярной массы - декстрины.

Лигнин - продукт растительного происхождения, наиболее устойчивый и широко распространенный органический полимер в природе - занимает вто­рое место после целлюлозы. В настоящее время лигнин является одним из самых крупных промышленных отходов. Мономерными блоками лигнина являются производные фенилпропана - фенилпропаноидные спирты. Точное химическое строение лигнина до сих пор не выяснено из-за большой сложности его молекулы.

2. Белки (протеины) - биологические азотсодержащие полимерные соединения, мономерными единицами которых являются L-аминокислоты.

Содержание белков в растительных организмах колеблется в широких пре­делах. В вегетативных органах культурных растений (стеблях, листьях, корнях, клубнях и т. п.) белки составляют 5-10 % сухой массы, в зернах злаковых культур (ячмень, пшеница, рожь, кукуруза и др.) - 10-20 %, в зернах бобовых и мас­личных культур (горох, подсолнечник, соя и др.) - 25-35 % сухой массы. Мас­совая доля азота в белках из различных биологических объектов составляет 15­18 %. Например, белки зерен пшеницы и ячменя содержат по 17,5 % азота, белки риса - 16,8 %, белки молока - 15,7 % азота.

Белки и их производные — важная составная часть каждого живого организ­ма, им принадлежит ведущая роль во всех процессах и явлениях жизни. По своей химической природе белками являются все биологические катализато­ры химических реакций в клетке - ферменты. Пищевая ценность белков связана с наличием в них незаменимых аминокислот.

3. Липиды. Среди веществ группы липидов различают: собственно жиры, воски, стероиды, липофильные пигменты и амфипатические липиды. Общее свойство всех липидов - высокая гидрофобность. Липиды растворяются в эфире, бензине, бензоле. Собственно жиры являются сложными эфирами трех­атомного спирта глицерина и высших карбоновых кислот. Высокомолекулярные жирные кислоты представляют собой длинные углеводородные цепочки с насыщенными или нена­сыщенными связями. От степени насыщенности жирных кис­лот зависит консистенция жира: чем выше степень ненасыщенности, тем более жидким при нормальных условиях будет жир (масло). Собственно жиры отличаются очень высокой калорийностью. Насыщенность жирами семян масличных культур делает их ценнейшим сырьем для производства масел, использующихся в пищевых и промышленных целях.

Воски - наиболее гидрофобные вещества из всех липидов, представляют со­бой сложные эфиры одноатомных высокомолекулярных спиртов (от 22 до 32 ато­мов углерода) и высших жирных кислот с числом углеродных атомов от 24 до 36.

Стероиды имеют в основе своего строения конденсированные структуры из четырех углеводородных циклов, представляющих собой высокомолекулярные спирты или их сложные эфиры. Эти гидрофобные вещества играют определенную роль в структуре клеточных мембран, стероидную природу имеют витамины груп­пы D (эргостерол). Наиболее богаты стероидами дрожжи и плесневые грибы.

Липофильные пигменты. К этой группе относятся растворимые в органичес­ких растворителях пигменты (хлорофиллы и каротиноиды). Хлорофиллы - пиг­менты растений зеленого цвета

Каротиноиды - жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого и красно­го цветов. Они входят в состав хлоропластов и хромопластов незеленых частей растений (цветков, плодов, корнеплодов). В зеленых листьях их окраска маскиру­ется хлорофиллом. С разрушением хлорофилла — осенью или при неблагоприят­ных условиях — связано пожелтение листьев.

Амфипатические липиды. Основное отличие этой группы заключается в том, что ее представители обладают двойственными свойствами: как гидрофобностью, так и гидрофильностью. Наиболее часто в растениях встречаются гликолипиды, сульфолипиды и фосфо­липиды.

Гликолипиды в качестве гидрофильного компонента содержат остаток галак­тозы. В сульфолипидах галактоза связана с остатком серной кислоты. В молеку­лах фосфолипидов с одним из гидроксилов глицерина взаимодействует ортофос­форная кислота, к которой присоединяется какое-либо гидрофильное соединение (азотистые основания холин, этаноламин; аминокислота серин).

4. Красящие и дубильные вещества

Красящие вещества растений представлены флавоноидами, каротиноидами, хлорофиллами и т. д. В растениях они содержатся в различных частях культурных и дикорастущих растений и придают им определенный цвет

Флавоноиды входят в группу, включающую такие кра­сящие вещества растений, как антоцианы, флавоны, флавонолы и др. Флавоноиды можно рассматривать как производные флавана.

Антоцианы окрашивают плоды, листья, лепестки цветов в самые разнооб­разные оттенки — от розового до черно-фиолетового.

Агликоны антоцианов называют антоцианидинами. Из антоцианидинов наи­более широко распространен в растениях цианидин. Например, красящее веще­ство василька цианин представляет собой 3,5-дигликозид цианидина. Флавоны — желтые красящие вещества, обычно встречаются в виде гликози- дов.

Флавонолы — тоже желтые красящие вещества, чрезвычайно широко рас­пространены в растениях.

Самое важное свойство многих фенольных соединений — их участие в окис­лительно-восстановительных реакциях. Производные фенольных соединений в виде убихинонов переносят водород (электрон) в дыхательной цепи, локали­зованной в митохондриях. Убихиноны встроены в дыхательную цепь на участке между флавопротеидами и цитохромной системой.

Многие фенольные соединения являются антиоксидантами и находят все бо­лее широкое применение в пищевой промышленности для стабилизации жиров.

Дубильные вещества - это полимеры фенольной природы, которые содер­жат некоторые растения; названы так, поскольку позволяют дубить невыделан­ную шкуру, превращая ее в кожу. Эта способность дубильных веществ основана на их взаимодействии с коллагеном (белком кожных покровов животных), при­водящем к образованию устойчивой поперечносвязанной структуры. Несмотря на многообразие синтетических дубителей, растительные дубильные вещества не потеряли своего важного значения, так как они необходимы для получения кожи высокого качества.

5. Минеральные вещества

Растения способны поглощать из окружающей среды практически все элементы периодической системы Д. И. Менделеева. Причем многие рассеянные в земной коре элементы накапливаются в растениях в значительных количествах и включа­ются в природный круговорот веществ, в частности в круговорот редких элемен­тов. Однако для нормальной жизнедеятельности самого растительного организма требуется лишь небольшая группа элементов.

Четыре элемента - углерод (С), кислород (О), водород (Н), азот (N) — на­зываемые органогенами, составляют 95 % сухой массы растительных тканей, 5 % приходится на зольные вещества. Зольными веществами называют входя­щие в растение минеральные элементы, содержание которых обычно определя­ют в тканях после сжигания органического вещества растений. В семенах количество золы составляет в среднем 3 %, в корнях и стеблях — 4-5 %, в листьях — 5-15 %. Меньше всего золы в мертвых клетках древесины (около 1 %). Как правило, чем богаче почва и чем суше климат, тем больше в растениях зольных элементов.

5. 1. Макроэлементы - химические элементы, содержание которых в живых орга­низмах составляет больше 0,001 %.

Азот (N) составляет около 1,5 % сухой массы растений. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, липидных компонентов мембран, фотосинтетичес­ких пигментов, витаминов и других жизненно важных соединений. Основными усвояемыми формами азота являются ионы нитрата (NO3) и аммония (NH4).

Фосфор (Р) содержится в количестве 0,2-1,2 % сухой массы растения. Фосфор - обя­зательный компонент таких важнейших соединений, как нуклеиновые кислоты, фосфопротеиды, фосфолипиды, фосфорные эфиры, нуклеотиды, принимающие участие в энергетическом обмене (АТФ, НАД, ФАД и др.), обмене витаминов.

Сера (S) содержится в растительных тканях в количестве 0,2-1,0 % сухой мас­сы. Сера, как и фосфор, поступает в растение в окисленной форме, в виде аниона SO⁴. Сера принимает активное участие в многочисленных реакциях обмена ве­ществ. Почти все белки содержат серосодержащие аминокислоты — метионин, цистеин, цистин. Другая важная функция серы в растительном организме - поддержание оп­ределенного уровня окислительно-восстановительного потенциала в клетке, необ­ходимого для нормального функционирования всех ферментных систем.

Калий (К) содержится в растениях в количестве около 1 % (в расчете на су­хую массу). В клетках присутствует в ионной форме и не входит ни в одно органическое соединение. В наибольшем количестве калий сосредоточен в молодых растущих тканях, характеризующихся высоким уровнем обмена веществ. Калий участвует в регуляции вязкости цитоплазмы, повышении гидратации ее коллоидов и водоудерживающей способности; он служит основным противо­ионом для нейтрализации отрицательных зарядов неорганических и органичес­ких анионов.

Кальций (Са) входит в состав растений в количестве 0,2 % СВ. Поступает в растение в виде иона Са²⁺, накапливается в старых органах и тканях. В клетках большое количество кальция связано с пектиновыми веществами клеточной стенки. При недостатке этого элемента клеточные стенки ослизняются. Важная роль принадлежит ионам кальция в стабилизации структуры мембран, регуляции ионных потоков и биоэлектрических явлениях.

Магний (Mg) содержится в растительных тканях в количестве около 0,2 % су­хой массы. Особенно много магния в молодых растущих частях растения, а также в генеративных органах и запасающих тканях. Магний поступает в растение в ви­де иона Mg²⁺. Магний активирует ряд ферментных систем: РДФ-карбоксилазы, фосфоки- наз, АТФ-аз, енолаз, ферментов цикла Кребса, пентозофосфатного пути, спирто­вого и молочнокислого брожения. Магний также активирует процессы транспор­та электронов при фотофосфорилировании. Mg²⁺ необходим для формирования рибосом и полисом, для активации аминокислот и синтеза белков. Он активирует ДНК- и РНК-полимеразы, участвует в образовании определенной пространствен­ной структуры нуклеиновых кислот.

Железо (Fe) входит в состав растений в количестве 0,08 % сухой массы. По­ступает в растение в виде Fe³⁺. Роль железа в большинстве случаев связана с его способностью к обратимым окислительно-восстановительным превращениям и участию в транспорте электронов. Железо участвует в электронно-транспортной цепи (ЭТЦ) фотосинтетического и окислительного фосфорилирования (цитохромов, ферредоксина), является компо­нентом ряда оксидаз (цитохромоксидазы, каталазы, пероксидазы).

5.2.Микроэлементы относятся к группе незаменимых питательных элементов, со­держание которых в растительных тканях измеряется тысячными и стотысяч­ными долями процента. Несмотря на то, что микроэлементы требуются в очень малых количествах, в их отсутствие нормальная жизнедеятельность становится невозможной.

Медь (Сu) поступает в растение в виде иона Си²⁺. Медь входит непосредственно в состав ряда ферментных систем, относящих­ся к группе оксидаз, таких как полифенолоксидаза, аскорбатоксидаза. Большая часть меди (75 % от общего содержания в листе) концентри­руется в хлоропластах. Медь активирует ряд ферментов, в частности нитратредуктазу и протеазы, то есть влияет на азотный обмен; участвует в гормональной регуляции растений.

Марганец (Мn) поступает в растение в виде ионов Мn³⁺, активирует фер­менты, катализирующие реакции цикла Кребса (дегидрогеназы яблочной и ли­монной кислот), а также участвующие в окислении важнейшего фитогормона — ауксина (индолилуксусной кислоты - ИУК). Нормальное протекание фотосинтеза также требует присутствия Мn.

Цинк (Zn) поступает в растение в виде иона Zn²⁺, входит в состав фермента карбоангидразы, катализирующей гидратацию СО² в Н₂С0₃:

В качестве кофактора Zn участвует в синтезе растительного гормона ауксина Цинк также является активатором ряда фер­ментов гликолиза (гексокиназы, альдолазы, триозофосфатдегидрогеназы) и пен- тозофосфатного пути (дегидрогеназ глюкозо-6-фосфата и фосфоглюконата).

Молибден (Мо) поступает в растение в составе аниона МоО⁴ и концентриру­ется в молодых растущих частях. Он входит в активный центр нитратредук­тазы — фермента, восстанавливающего нитраты, а также является компонентом активного центра нитрогеназы бактероидов, фиксирующих атмосферный азот в клубеньках бобовых. Как металл-активатор, молибден необходим в реакциях аминирования и переаминирования, для включения аминокислот в пептидную цепь, функционирования различных фосфатаз. Он оказывает влияние на уровень накопления аскорбиновой кислоты.

Бор (В) поступает в растение в виде аниона борной кислоты. Это один из наиболее важных микроэлементов, особенно для двудольных растений. При его недостатке нарушаются синтез, превращение и транспорт углеводов, формирова­ние репродуктивных органов, гибнут меристематические клетки и деградирует проводящая система растений.