Органически связанная вода растения

Свободная и связанная вода. Физиологическое значение отдельных фракций воды в растении

Подвижность, активность воды непосредственно зависят от ее состояния в клетке. С этой точки зрения в физиологии растений принято различать свободную и связанную воду.

Исследования последних лет позволяют прийти к выводу об от­сутствии резкой границы между различными формами связанной воды, а также между связанной водой и водой свободной.

По существу, вся имеющаяся в клетке вода находится в связи с веществами, входящими в состав клеточной стенки, протоплаз­мы и вакуолярного сока. Различны лишь форма и характер (проч­ность) этой связи, что обусловлено особенностями входящих в со­став клетки химических соединений, а также взаимодействием этих соединений.

К категории связанной воды относят следующие фракции воды:

а) связан­ную-осмотически (удерживаемая осмотически активными веществами, т.е. гидратносвязанная). Частицы осмотически связанной воды являются наиболее активными участниками физиологических процессов. На содержание осмотически связанной воды влияет, соответственно, количество находящихся в клетке раст­воренных веществ;

б) коллоидносвязанную (гидратносвязанная), которая включает интрамицеллярную воду, находящуюся внутри коллоидной системы (в том числе и иммобилизированную воду), и интермицеллярную воду (находится на поверхности коллоидов и между ни­ми). Коллоидносвязанная вода наименее подвижна и составляет наиболее стабильную часть водных запасов клетки, обеспечивающую устойчивость последнего в неблагоприятных условиях существования. Содержание коллоидносвязанной воды зависит от содержания гидрофильных биоколлоидов и степени их гидратации, которая в свою очередь связана с их водоудерживающей силой;

3) гидрофобно-стабилизированную (главным образом в мембранах).

Вода удерживается в клетках за счет осмоса и набухания биоколлоидов.

Физиологи условно понимают под связанной водой ту, которая не замерзает при понижении температуры до—10 °С. Всякое связывание молекул воды (добавление растворенных веществ, гидрофобные взаимодействия и др.) уменьшает их энергию. Именно это лежит в основе снижения водного потенциала клетки по сравнению с чистой водой.

Капиллярно-поглощенная (пространственно-стабилизированная) вода находится в клеточных стенках и сосудах проводящей системы. Это наиболее подвижная форма, которую относят к категории свободной воды. Свободной называют воду, сохранившую все или почти все свойства чистой воды. Свободная вода легко передвигается, вступает в различные биохимические реакции, испаряется в процессе транспирации и замерзает при низких температурах.

Клеточные стенки содержат две фракции капиллярно-поглощенной воды: подвижную и малоподвиж­ную. Малоподвижная вода находится в микрокапиллярных пространствах, а так же удерживается водородными связями на микрофи­бриллах целлюлозы. Подвижная фракция составляет значительную часть воды, находится в крупных капиллярных простран­ствах между микрофибриллами целлюлозы и легко перемещается.

Первое место по концентрации воды в клетке (около 98 %) занимает вакуоль. В вакуолярном соке соли, сахара и органиче­ские кислоты находятся в растворе, а белки, таннины и слизи составляют гидрофильную коллоидную фракцию ва­куолей. В вакуолярном клеточном соке преобладает вода, удерживаемая сравнительно низкомолекулярными соединениями (осмотически-связанная) и свободная вода.

Содержание воды в цитоплазме может достигать 95 % от массы цитоплазмы. Основной вид гидрофильных коллоидов в цитоплазме — белки. Вода, находящаяся на расстоянии до 1 нм от поверхности белковой молекулы, связана прочно и не имеет правильной гексагональной структуры (коллоидно-связанная вода). В самой цитоплазме имеется вода свободная, коллоидно- и осмотически-связанная. Кроме того, в протоплазме имеется определенное количество ионов, а следовательно, часть воды осмотически связана.

Пластиды, митохондрии и ядра отделены от ци­топлазмы собственными мембранами. Их объем изменяется под действием осмотических сил. Содержание воды в х л о р о пластах и митохондриях обычно меньше, чем в цитоплазме (в хлоропластах около 50 %), что связано с присутствием в них большого количества липидов и липофильных веществ.

Наименьшее содержание воды характерно для клеточных стенок (30-50 %). Клеточные стенки обладают значительной гигроско­пичностью благодаря в основном высокой ги­дрофильности их пектиновых и целлюлозных компонентов. В связи с этим в оболочке растительной клетки вода главным образом коллоидно-связанная. Пере­движение воды вне проводящих пучков происходит главным образом по клеточным стенкам.

Вода в растениях находится во всех органах и тканях, образуя непрерывную фазу. Высокое содержание воды характерно для вегетативных органов зеленых растений. В ходе индивидуального развития органа обычно наблюдается снижение водоудерживающей способности коллоидов протоплазмы, что приводит к уменьшению содержания воды в тканях. Низкое содержание воды характерно для семян, спор грибов.

Источник

Свободная и связанная влага в пищевых продуктах

Введение

Вода — важная составляющая пищевых продуктов. Она присутствует и разнообразных растительных и животных продуктах как клеточный и внеклеточный компонент, как диспергирующая среда и растворитель, обусловливая их консистенцию и структуру и влияя на внешний вид, вкус и устойчивость продукта при хранении. Благодаря физическому взаимо­действию с белками, полисахаридами, липидами и солями, вода вносит значительный вклад в текстуру пищи.

Количество воды в пищевых продуктах влияет на их качество и сохраняемость. Скоропортящиеся продукты с повышенным содержанием влаги без консервирования длительное время не сохраняются. Вода, содержащаяся в продуктах, способствует ускорению в них химических, биохимических и других процессов. Продукты с малым содержанием воды лучше сохраняются.

Многие виды пищевых продуктов содержат большое количество вла­ги, что отрицательно сказывается на их стабильности в процессе хране­ния. Поскольку вода непосредственно участвует в гидролитических про­цессах, ее удаление или связывание за счет увеличения содержания соли или сахара тормозит многие реакции и ингибирует рост микроорганиз­мов, таким образом удлиняя сроки хранения продуктов. Важно также от­метить, что удаление влаги путем высушивания или замораживания существенно влияет на химический состав и природные свойства.

Свободная и связанная влага в пищевых продуктах

Вода в пищевых продуктах играет, как уже отмечалось, важную роль, т. к. обусловливает консистенцию и структуру продукта, а ее взаимодей­ствие с присутствующими компонентами определяет устойчивость про­дукта при хранении.

Общая влажность продукта указывает на количество влаги в нем, но не характеризует ее причастность к химическим, биохимическим и микроби­ологическим изменениям в продукте. В обеспечении его устойчивости при хранении важную роль играет соотношение свободной и связанной влаги. Связанная влага — это ассоциированная вода, прочно связанная с раз­личными компонентами — белками, липидами и углеводами за счет хи­мических и физических связей. Свободная влага — это влага, не связанная полимером и доступная для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций. Рассмотрим некоторые примеры.

При влажности зерна 15 — 20% связанная вода составляет 10 — 15%. При большей влажности появляется свободная влага, способствующая уси­лению биохимических процессов (например, прорастанию зерна).

Плоды и овощи имеют влажность 75 — 95%. В основном, это свобод­ная вода, однако примерно 5% влаги удерживается клеточными коллоидами в прочно связанном состоянии. Поэтому овощи и плоды легко вы­сушить до 10 — 12%, но сушка до более низкой влажности требует приме­нения специальных методов.

Большая часть воды в продукте может быть превращена в лед при —5°С, а вся — при — 50°С и ниже. Однако определенная доля прочно свя­занной влаги не замерзает даже при температуре —60°С.

«Связывание воды» и «гидратация» — определения, характеризующие способность воды к ассоциации с различной степенью прочности с гидрофильными веществами. Размер и сила связывания воды или гидрата­ции зависит от таких факторов, как природа неводного компонента, со­став соли, рН, температура.

В ряде случаев термин «связанная вода» используется без уточнения его смысла, однако пред­лагается и достаточно много его определений. В соответствии с ними свя­занная влага:

—характеризует равновесное влагосодержание образца при некоторой температуре и низкой относительной влажности;

—не замерзает при низких температурах (—40°С и ниже);

—не может служить растворителем для добавленных веществ;

—дает полосу в спектрах протонного магнитного резонанса;

—перемещается вместе с макромолекулами при определении скорости седиментации, вязкости, диффузии;

—существует вблизи растворенного вещества и других неводных веществ и имеет свойства, значительно отличающиеся от свойств всей массы воды в системе.

Указанные признаки дают достаточно полное качественное описание связанной воды. Однако ее количественная оценка по тем или иным при­знакам не всегда обеспечивает сходимость результатов. Поэтому боль­шинство исследователей склоняются к определению связанной влаги только по двум из перечисленных выше признаков. По этому определе­нию, связанная влага — это вода, которая существует вблизи растворен­ного вещества и других неводных компонентов, имеет уменьшенную мо­лекулярную подвижность и другие свойства, отличающиеся от свойств всей массы воды в той же системе, и не замерзает при — 40°С. Такое опре­деление объясняет физическую сущность связанной воды и обеспечива­ет возможность сравнительно точной ее количественной оценки, т.к. вода, незамерзающая при — 40°С, может быть измерена с удовлетворительным результатом (например, методом ПМР или калориметрически). При этом действительное содержание связанной влаги изменяется в зависимости от вида продукта.

Причины связывания влаги в сложных системах различны. Наибо­лее прочно связанной является так называемая органически связанная вода. Она представляет собой очень малую часть воды в высоковлажных пищевых продуктах и находится, например, в щелевых областях белка или в составе химических гидратов. Другой весьма прочно связанной водой является близлежащая влага, представляющая собой монослой при большинстве гидрофильных групп неводного компонента. Вода, ассо­циированная таким образом с ионами и ионными группами, является наиболее прочно связанным типом близлежащей воды. К монослою при­мыкает мультислойная вода (вода полимолекулярной адсорбции), обра­зующая несколько слоев за близлежащей водой. Хотя мультислой — это менее прочно связанная влага, чем близлежащая влага, она все же еще достаточно тесно связана с неводным компонентом, и потому ее свой­ства существенно отличаются от чистой воды. Таким образом, связан­ная влага состоит из «органической», близлежащей и почти всей воды мультислоя.

Кроме того, небольшие количества воды в некоторых клеточных сис­темах могут иметь уменьшенные подвижность и давление пара из-за на­хождения воды в капиллярах. Уменьшение давления пара и активности воды (a_w) становится существенным, когда капилляры имеют диаметр меньше, чем 0,1µ м. Большинство же пищевых продуктов имеют капил­ляры диаметром от 10 до 100 μм, которые, по-видимому, не могут замет­но влиять на уменьшение a_w в пищевых продуктах.

В пищевых продуктах имеется также вода, удерживаемая макромолекулярной матрицей. Например, гели пектина и крахмала, растительные и животные ткани при небольшом количестве органического материала могут физически удерживать большие количества водых.

Хотя структура этой воды в клетках и макромолекулярной матрице точно не установлена, ее поведение в пищевых системах и важность для качества пищи очевидна. Эта вода не выделяется из пищевого продукта даже при большом механическом усилии. С другой стороны, в техноло­гических процессах обработки она ведет себя почти как чистая вода. Ее, например, можно удалить при высушивании или превратить в лед при замораживании. Таким образом, свойства этой воды, как свободной, не­сколько ограничены, но ее молекулы ведут себя подобно водным моле­кулам в разбавленных солевых растворах.

Именно эта вода составляет главную часть воды в клетках и гелях, и изменение ее количества существенно влияет на качество пищевых про­дуктов. Например, хранение гелей часто приводит к потере их качества из-за потери этой воды (так называемого синерезиса). Консервирование замораживанием тканей часто приводит к нежелательному уменьшению способности к удерживанию воды в процессе оттаивания.

В таблицах 1 и 2 описаны свойства различных видов влаги в пи­щевых продуктах.

Таблица 1 — Категории свободной влаги в пищевых продуктах

Свойства	Свободная	Вода в макромолекулярной матрице
Общее описание	вода, которая может быть легко удалена из продукта. Вода—вода –водородные связи преобладают. Имеет свойства, похожие на воду в слабых растворах солей. Обладает свойством свободного истечения	вода, которая может быть удалена из продукта. Вода- вода—водородные связи превалируют. Свойства воды подобны воде в разбавленных солевых растворах. Свободное истечение затруднено
матрицей геля или ткани
Точка замерзания	несколько ниже по сравнению с чистой водой
Способность быть растворителем	Большая
Молекулярная подвижность по сравнению с чистой водой	несколько меньше
Энтальпия парообразования по сравнению с чистой водой	без существенных изменений
Содержание в расчете на общее содержание влаги в продуктах с высокой влажностью (90% Н20),%	96%
Зона изотермы сорбции	вода в зоне III состоит из воды, присутствующей в зонах I и II, + вода, добавленная или удаленная внутри зоны III
в отсутствие гелей и клеточных структур эта вода является свободной, нижняя граница зоны III нечеткая и зависит от продукта и температуры	в присутствии гелей или клеточных структур вся вода связана в макромолекулярной матрице. Нижняя граница зоны III нечеткая и зависит от продукта и тем­пературы
Обычная причина порчи пищевых продуктов	высокая скорость большинства реакций, рост микроорганизмов

Таблица 2 — Категории связанной влаги в пищевых продуктах

Источник

Свободная и связанная влага в пищевых продуктах

Свободная и связанная влага в пищевых продуктах

Вода в пищевых продуктах играет важную роль, так как обусловливает консистенцию и структуру продукта, а ее взаимодействие с присутствующими компонентами определяет устойчивость продукта при хранении.

Общая влажность продукта указывает на количество влаги в нем, но не характеризует ее причастность к химическим, биохимическим и микробиологическим изменениям в продукте. В обеспечении его устойчивости при хранении важную роль играет соотношение свободной и связанной влаги.

Связанная влага – это ассоциированная вода, прочно связанная с различными компонентами – белками, липидами и углеводами за счет химических и физических связей.

Свободная влага – это влага, не связанная полимером и доступная для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций.

Большая часть воды в продукте может быть превращена в лед при -5°С, а вся – при -50°С и ниже. Однако определенная доля прочно связанной влаги не замерзает даже при температуре -60°С.

Большинство исследователей склоняются к следующему определению связанной влаги: связанная влага – это вода, которая существует вблизи растворенного вещества и других неводных компонентов, имеет уменьшенную молекулярную подвижность и другие свойства, отличающиеся от свойств всей массы воды в той же системе, и не замерзает при –40°С. Такое определение объясняет физическую сущность связанной воды и обеспечивает возможность сравнительно точной ее количественной оценки, так как вода, незамерзающая при –40°С, может быть измерена с удовлетворительным результатом (например, методом ПМР или калориметрически).

Причины связывания влаги в сложных системах различны. Наиболее прочно связанной является так называемая органически связанная вода. Она представляет собой очень малую часть воды в высоковлажных пищевых продуктах и находится, например, в щелевых областях белка или в составе химических гидратов. Другой весьма прочно связанной водой является близлежащая влага, представляющая собой монослой при большинстве гидрофильных групп неводного компонента. Вода, ассоциированная таким образом с ионами и ионными группами, является наиболее прочно связанным типом близлежащей воды. К монослою примыкает мультислойная вода (вода полимолекулярной адсорбции), образующая несколько слоев за близлежащей водой. Хотя мультислой – это менее прочно связанная влага, чем близлежащая влага, она все же еще достаточно тесно связана с неводным компонентом, и потому ее свойства существенно отличаются от чистой воды. Таким образом, связанная влага состоит из «органической», близлежащей и почти всей воды мультислоя.

Кроме того, небольшие количества воды в некоторых клеточных системах могут иметь уменьшенные подвижность и давление пара из-за нахождения воды в капиллярах. Уменьшение давления пара и активности воды (аw) становится существенным, когда капилляры имеют диаметр меньше, чем 0,1 µм. Большинство же пищевых продуктов имеют капилляры диаметром от 10 до 100 µм, которые, по-видимому, не могут заметно влиять на уменьшение аw в пищевых продуктах.

В пищевых продуктах имеется также вода, удерживаемая макромолекулярной матрицей. Например, гели пектина и крахмала, растительные и животные ткани при небольшом количестве органического материала могут физически удерживать большие количества воды.

Хотя структура этой воды в клетках и макромолекулярной матрице точно не установлена, ее поведение в пищевых системах и важность для качества пищи очевидна. Эта вода не выделяется из пищевого продукта даже при большом механическом усилии. С другой стороны, в технологических процессах обработки она ведет себя почти как чистая вода. Ее, например, можно удалить при высушивании или превратить в лед при замораживании. Таки образом, свойства этой воды, как свободной, несколько ограничены, но ее молекулы ведут себя подобно водным молекулам в разбавленных солевых растворах.

Именно эта вода составляет главную часть воды в клетках и гелях, и изменение ее количества существенно влияет на качество пищевых продуктов. Например, хранение гелей часто приводит к потере их качества из-за потери этой воды (так называемого синерезиса). Консервирование замораживанием тканей часто приводит к нежелательному уменьшению способности к удерживанию воды в процессе оттаивания.

Источник