Клетки могут прилегать друг к другу не по всему периме­тру, образуя пустоты, межклеточные пространства, заполнен­ные воздухом (рис. 3.2).

В зрелой клетке вакуоль достаточно увеличена - масса кле­точного сока достигает 40-90 %. Под давлением клеточного сока цитоплазма свободно прилегает к наружной оболочке в виде тонкого слоя - цитоплазменной мембраны (ЦПМ) и об­разует как бы вторую, внутреннюю оболочку клетки.

Носительницей жизни клетки является цитоплазменная оболочка, состоящая в основном из белковых веществ и неко­торого количества жироподобных веществ, называемых липои­дами. Когда говорят, что клетка дышит, питается и размножа­ется, это означает, что дышит, питается и размножается цито­плазма.

Особое значение для жизни клетки, а также для технологии ряда пищевых производств имеет структура цитоплазменной мембраны. Отверстия в ней настолько малы, что через них мо­гут проходить молекулы небольших размеров, например моле­кулы воды. Более же крупные мо­лекулы, например сахара и соли, через поры цитоплазмы пройти не могут. Таким образом, цитоплаз­менная оболочка проницаема для воды и непроницаема для раство­ренных веществ. Принято гово­рить, что она полупроницаема. По­лупроницаемость цитоплазменной оболочки осложняет протекание ряда процессов в пищевых произ­водствах и должна приниматься во внимание при построении техно­логического процесса.

Представим себе, что в стакан на­лили некоторое количество креп­кого раствора сахара (60 %-ного), а затем осторожно прилили равное количество слабого раствора сахара (например, 10 %-ного). В соответствии с законом диф­фузии молекулы сахара будут перемещаться из слоя с большей концентрацией в слой с меньшей концентрацией, пока концен­трация сахара не уравняется (рис. 3.3, а). Но если поместить в стакан с 60 %-ным раствором сахара плодовую клетку (рис. 3.3, б), в соке которой содержится 10 % сахара, то молекулы сахара не перемещаются из крепкого раствора внутрь клетки, так как цитоплазменная оболочка клетки непроницаема для молекул сахара.

Диффузия осуществляется в отношении того вещества, для которого цитоплазменная мембрана проницаема - т.е. для воды. В соответствии с законом диффузии вода будет переме­щаться от места с большей ее концентрацией к месту с мень­шей концентрацией, т.е. из клетки наружу, поскольку концен­трация воды в клетке 90 %, а в сахарном растворе - 40 %.

Выравнивание концентраций происходит за счет перемеще­ния молекул растворителя, а не растворенного вещества. При этом клеточный сок будет сгущаться, а наружный сироп раз­бавляться. Такая диффузия, осложненная наличием полупро­ницаемой перегородки, называется осмосом. В данном случае получается, что крепкий сахарный раствор будет осмотиче­ским путем выкачивать воду из клетки.

По мере осмотического отсасывания из клетки воды содер­жимое «цитоплазменного мешочка» уменьшается (рис. 3.4). Ци­топлазма начинает отслаиваться от клеточной оболочки сначала по углам клетки, а потом по всему периметру. Чем крепче на­ружный раствор, тем большее количество влаги будет отсасы­ваться из клетки, тем больше будет сжиматься цитоплазма. Этот процесс «съеживания» цитоплазмы называется плазмолизом.

В плазмолизованном состоянии клетка является нежизнеде­ятельной. Она не погибает, но нормальные ее функции прио­станавливаются.

Все сказанное о растительной клетке можно полностью от­нести к микробной клетке. Создав в пищевом продукте высо­кую концентрацию сахара или соли, можно вызвать плазмолиз микробных клеток и тем самым предохранить продукты от бактериальной порчи.

Если поместить плазмолизованную клетку в чистую воду, то процесс пойдет в обратном направлении. Клетка будет всасы­вать воду, а цитоплазменный мешочек будет увеличиваться до тех пор, пока плотно не прижмется к наружной клеточной обо­лочке. Последняя является ограниченно растяжимой, и при на­ступлении предела ее растяжения поступление воды в клетку прекратится, а сама она будет находиться в напряженном состо­янии, называемом тургор. В клетке возникает давление, которое по роду вызвавшего его процесса называется осмотическим.

Так как поведение веществ в растворенном состоянии во многом подчиняется газовым законам, то и осмотическое дав­ление р можно рассчитать по характеристическому уравнению для газов:

pV=RT,                                                    

где р - давление, кПа; V - объем раствора данной концентра­ции, в котором растворен 1 граммоль данного вещества, л; R - газовая постоянная [8,314 -10 ³ Дж/(кмоль-К)]; Т - температу­ра, °К,

или

Например, требуется рассчитать осмотическое давление, которое может вызвать 4 %-ный раствор сахарозы при темпе­ратуре 15 °С.

В первую очередь требуется рассчитать V- количество ли­тров данного 4 %-ного раствора сахара, в котором растворен 1 гмоль этого вещества. 1 гмоль сахарозы C₁₂H₂₂O_u составля­ет 342 г. Можно с некоторой погрешностью принять, что 4 %-ный раствор сахара - это такой раствор, в 1 л которого находится 40 г сахара. Тогда искомая величина V находится из пропорции

1 л - 40 г
V л - 342 г,

отсюда V = 342/40 = 8,55 л; p = 8,3 1 4-10³-(273+15)/8,55~300кПа (~3 атм).

Если учесть, что раствор сахара был весьма слабым (4 %), то полученное давление следует оценить как высокое. В прак­тике пищевых производств приходится иметь дело с гораздо более концентрированными растворами, порядка 60-70 %, ос­мотическое давление, которое они могут вызвать, измеряется десятками атмосфер.

Однако следует понимать, что в самом растворе сахара ни­какого осмотического давления нет, каким бы крепким он ни был, а есть только осмотический потенциал, т.е. возможность возникновения давления, если такой раствор войдет в сопри­косновение с полупроницаемой системой, например, если в него погрузить плод или если в него попадут микробные клет­ки. Тогда на границе раствор - полупроницаемая мембрана ос­мотический потенциал будет реализован и возникнет не потен­циальное, а реальное давление, величину которого можно не только рассчитать, но и измерить.

В рассмотренном случае величина V = 8,55 л получена как частное от деления 342 (молекулярная масса сахара М) на 40 г (массовая концентрация его в данном растворе G). Таким об­разом, в общем виде V = M/G. При подстановке этого выраже­ния в формулу для расчета осмотического давления получим

Отсюда видно, что осмотическое давление прямо пропор­ционально массовой концентрации данного вещества и обрат­но пропорционально его молекулярной массе. Следовательно, для создания равного осмотического давления раствор сахара должен иметь большую концентрацию, чем раствор соли. При одной и той же массовой кон­центрации осмотическое давле­ние будет больше для тех ве­ществ, у которых меньше моле­кулярная масса. Например, ос­мотический потенциал 4 %-ного раствора поваренной соли при­мерно в 6 раз больше, чем осмо­тический потенциал 4 %-ного раствора сахарозы.

Осмотические процессы учи­тываются при организации технологических процессов. При­мером может служить приготовление варенья из небланширо­ванных ягод черноплодной рябины, в результате чего получа­ют сморщенные сухие ягоды и количество сиропа, превышаю­щее оговоренные стандартом 50 %.

Осмотические процессы сами составляют предмет нового технологического процесса, получившего название обратный осмос. Сущность его заключается в следующем. В сосуд, раз­деленный вертикальной перегородкой (рис. 3.5, а), изготовлен­ной из полупроницаемого материала (пленки из синтетических полимеров), наливают в одну половину фруктовый сок, содер­жащий 10 % сахара, а в другую - чистую воду. Вода в силу осмотического давления будет всасываться в ту половину, где находится сок, и уровень жидкости в этой половине сосуда по­высится.

Если теперь приложить к той части сосуда, где находится сок, давление (рис. 3.5, б), большее, чем то, под которым вода осмотически прокачивается в процессе прямого осмоса, то вода потечет в обратном направлении, т.е. в ту половину, где находится чистая вода. Это и будет так называемый обратный осмос. При этом сок сгущается, концентрация сахара в нем увеличивается. При таком способе концентрирования фрукто­вых соков затрачивается меньше энергии и повышается каче­ство продукции.

Полупроницаемость цитоплазменной мембраны связана с ее физико-химической структурой и с той ролью, которую она играет в физиологии растений.

По химическому составу цитоплазма состоит из белковых веществ и липоидов. В ней различают три слоя (рис. 3.6).

Липоиды, являющиеся поверхностно-активными вещества­ми, скапливаются в поверхностных слоях цитоплазменной мембраны, образуя строго ори­ентированные и плотно приле­гающие друг к другу моно- и бимолекулярные ряды. При этом в наружном (верхнем) слое, называемом плазмалеммой, молекулы липоидов обра­щены своим гидрофобным концом наружу, к воздуxy, ко­торый является гидрофобным веществом. Получается мономолекулярный ряд из выстроен­ных в строгом порядке и прилегающих друг к другу молекул (палочки с кружочками на рис. 3.6). Через зазоры-капилляры из липоидов между молекулами не могут «пробраться» круп­ные молекулы растворенных в соке веществ, но могут прохо­дить молекулы воды.

Еще более непроницаемым является нижний, внутренний слой ЦПМ, называемый тонопластом. Он также образован молекулами липоидов, но ориентированными гидрофильными концами наружного ряда к клеточному соку (водному раствору запасных веществ клетки), а гидрофобными концами к гидро­фобным концам молекул второго, примыкающего к наружно­му, ряда поверхностно-активных веществ. Получается мало­проницаемый двойной липоидный слой. Средний слой, назы­ваемый мезоплазмой, состоит из беспорядочно расположенных и находящихся в хаотическом движении молекул белковых ве­ществ. Этот слой является проницаемым.