Procesy fizjologiczne związane z dojrzewaniem owoców
Świeże owoce i warzywa zarówno w okresie wegetacji jak i po zbiorze są żywymi organizmami i podlegają procesom oraz przemianom charakterystycznym dla tego typu organizmów.
Jednym z najważniejszych procesów jest oddychanie.
Owoce i warzywa charakteryzujące się wysokim tempem oddychania zwykle wykazują potencjalnie krótszy okres przechowywania niż produkty o niskim tempie oddychania.
Najczęściej dla scharakteryzowania poszczególnych gatunków owoców i warzyw pod kątem intensywności oddychania podaje się tempo produkcji dwutlenku węgla w określonej temperaturze.
Procesy fizjologiczne związane z dojrzewaniem owoców
Oddychanie
Klasyfikacja wybranych produktów ogrodniczych pod względem intensywności oddychania
Klasa |
Tempo produkcji C02 w temp. 5°C [mg C02kg-1h-1] |
Produkt |
Bardzo niska |
<5 |
orzechy, daktyle |
Niska |
5-10 |
jabłka, cytrusy, winogrona, kiwi, cebula |
Średnia |
10-20 |
morele, banany, wiśnie, brzoskwinie, nektaryny, gruszki, śliwki, figi, pomidor, sałata, kapusta, marchew |
Wysoka |
20-40 |
truskawki, maliny, awokado, kalafior |
Bardzo wysoka |
40-60 |
brukselka |
Ekstremalnie wysoka |
>60 |
szparagi, brokuły |
Wg. Kader A.A., Kasmire R.F., Mitchel G.F., Reid M.S., Sommer N.F., Thompson J.F.1985. Postharvest Technology of Horticultural Crops. Special Publicaton 3311
Procesy fizjologiczne związane z dojrzewaniem owoców
Oddychanie - biochemia
Głównymi związkami zapasowymi roślin wyższych są węglowodany, tłuszcze i białka. Aby mogły stać się substratami w procesie oddychania muszą zostać przekształcone w formy prostsze, małocząsteczkowe.
Skrobia to najczęściej występująca substancja zapasowa. W wyniku jej enzymatycznej hydrolizy powstają cząsteczki glukozy.
Tłuszcze hydrolizowane są przez lipazy do glicerolu i kwasów tłuszczowych, które z kolei ulegają rozpadowi na dwuwęglowe fragmenty octanowe.
Białka są hydrolizowane za pomocą enzymów proteolitycznych do aminokwasów, które z kolei po deaminacji są włączane jako substraty do cyklu oddechowego.
Procesy fizjologiczne związane z dojrzewaniem owoców
Oddychanie - Glikoliza
Reakcje glikolizy przebiegają w cytoplazmie komórek.
Dwa kluczowe enzymy biorące w niej udział to fosfofruktokinaza (PFK) i kinaza pirogronianowa (PK).
W wyniku procesu glikolizy z każdej cząsteczki glukozy powstają dwie cząsteczki ATP (adenozynotrifosforan) i dwie cząsteczki NADH (dinukleotyd nikotynamidoadeninowy).
Powstający w wyniku glikolizy pirogronian jest substratem w dalszych reakcjach oddychania tlenowego, zachodzących w mitochondriach.
Procesy fizjologiczne związane z dojrzewaniem owoców
Oddychanie - Cykl Krebsa
Dwie cząsteczki pirogronianu, powstające w wyniku glikolizy jednej cząsteczki heksozy, ulegają w mitochondriach serii dziewięciu następujących po sobie enzymatycznych reakcji. W ich wyniku pirogronian rozkłada się na niskoenergetyczne końcowe produkty oddychania - dwutlenek węgla i wodę.
W cyklu Krebsa z każdej cząsteczki pirogronianu powstaje jedna cząsteczka FADH2 (zredukowana forma dinukleotydu flawinoadeninowego) i cztery cząsteczki NADH (zredukowana forma dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego).
Procesy fizjologiczne związane z dojrzewaniem owoców
Oddychanie - system transportu elektronów
System transportu elektronów, zachodzący na membranach w mitochondriach obejmuje produkcję ATP z wysokoenergetycznych FADH2 i NADH.
Proces syntezy ATP (z udziałem ADP i nieorganicznego fosforanu) nazywamy fosforylacją oksydacyjną, a wiele enzymatycznych związków transportujących elektrony i protony wodoru nosi nazwę łańcucha oddechowego.
Procesy fizjologiczne związane z dojrzewaniem owoców
Oddychanie
Proces oddychania dostarcza nie tylko energii uwalnianej z utlenianych związków oraz magazynowanej w formie ATP, ale również jest źródłem wielu związków, które mogą być wykorzystywane przez roślinę do syntezy wielu substancji które pośrednio lub bezpośrednio wpływają na kształtowanie cech jakościowych owoców i warzyw.
Czynniki wpływające na intensywność oddychania
Na intensywność oddychania podczas okresu wegetacyjnego wpływa szereg czynników środowiskowych, tj. światło, stresy (chemiczne, wodne), regulatory wzrostu, porażenie przez patogeny oraz dojrzałość owoców.
Do najważniejszych czynników pozbiorczych wpływających na oddychanie należy zaliczyć: temperaturę, skład atmosfery przechowalniczej i mechaniczne uszkodzenia.
Czynniki wpływające na intensywność oddychania
Temperatura
Temperatura należy do najważniejszych czynników wpływających na trwałość pozbiorczą świeżych owoców i warzyw, ponieważ
bezpośrednio wpływa na szybkość reakcji biologicznych.
Zgodnie z regułą Van't Hoffa, przy każdorazowym wzroście temperatury o 10°C, szybkość reakcji chemicznych wzrasta 2-3
krotnie.
Współczynnik Van't Hoffa (Q10) w wyższej temperaturze jest zwykle niższy niż w niższej temperaturze i może przykładowo wynosić w zakresie 0-10°C od 2,5 do 4,0, a w zakresie 30-40°C tylko od 1,0 do 1,5 (wg Hardenburga i in).
W przypadku układów biologicznych reguła Van't Hoffa sprawdza się w zakresie temperatur gwarantujących aktywność fizjologiczną. Aktywność enzymów rośnie wraz ze wzrostem temperatury, jednakże po przekroczeniu temperatury krytycznej następuje denaturacja termiczna białek i ich aktywność gwałtownie spada.
Czynniki wpływające na intensywność oddychania
Temperatura
Zmiany szybkości oddychania [mg C02 kg1h*1] wybranych gatunków owoców
w zależności od temperatury.
Temperatura |
o°c |
4-5° C |
10°C |
15-16°C |
20-21°C |
25-27°C |
Czereśnie |
5 |
7,5 |
16 |
37,5 |
80,5 |
101,5 |
Brzoskwinie |
4,5 |
12 |
- |
35 |
30 |
- |
Śliwki |
2,5 |
6,5 |
9 |
12 |
22 |
49,5 |
Jabłka letnie |
4,5 |
8 |
17 |
24,5 |
30,5 |
- |
Jabłka jesienne |
3 |
6 |
8,5 |
14,5 |
20 |
- |
Czynniki wpływające na intensywność oddychania
Temperatura
Wzrost temperatury przyspiesza przebieg procesów metabolicznych w owocach. Wpływa to istotnie na ograniczenie ich trwałości przechowalniczej. Przyjmując, że relatywna trwałość przechowalnicza w 0°C wynosi 100, wzrost temperatury do 10°C powoduje ograniczenie relatywnej trwałości do ok. 30. Dalszy wzrost temperatury o 10°C powoduje niemal 90% ograniczenie relatywnej trwałości przechowywanego produktu (USDA Handbook 66).
W praktyce zakres zmian temperatury przechowywania nie powodujący uszkodzenia produktu ogrodniczego zależy od gatunku i odmiany.
Optymalna temperatura przechowywania maksymalnie ogranicza tempo procesów metabolicznych, ale nie powoduje uszkodzeń produktu.
Czynniki wpływające na intensywność oddychania
Skład atmosfery przechowalniczej
Dla prawidłowego przebiegu procesu oddychania potrzebny jest tlen. Przyjmując, że utlenieniu ulega jedna cząsteczka glukozy, reakcja przebiega według następującego równania:
6 C02 + 6H20 + 686 kcal/mol
Zgodnie z zasadami kinetyki chemicznej, obniżenie stężenia tlenu (substratu) i zwiększenie stężenia dwutlenku węgla (produktu) w atmosferze otaczającej owoc spowoduje przesunięcie równowagi reakcji w kierunku substratów, co będzie skutkowało obniżeniem intensywności oddychania.
Czynniki wpływające na intensywność oddychania
Skład atmosfery przechowaIniczej
Jak wynika z powyższych rozważań najsilniejsze ograniczenie tempa oddychania owoców (również ograniczenie procesów metabolicznych) następuje przy możliwie wysokim stężeniu dwutlenku węgla i niskim stężeniu tlenu w atmosferze otaczającej owoce.
Bezpieczny zakres stężeń dwutlenku węgla i tlenu w atmosferze przechowalniczej zależy od gatunku i odmiany. Przykładowo dla jabłek stężenie tlenu może wahać się praktycznie od 1% do 21%, a stężenie dwutlenku węgla od 0% do 5%.
Przekroczenie bezpiecznego zakresu stężeń, zarówno w górę jak i w dół, może być przyczyną uszkodzeń owoców.
Czynniki wpływające na intensywność oddychania
Dojrzałość
Intensywność oddychania zależy przede wszystkim od rodzaju rośliny, organu i tkanki oraz ich wieku. Różnice pomiędzy wybranymi gatunkami zostały przedstawione na wstępie prezentacji. Z reguły tempo oddychania organów i tkanek młodszych jest wyższe niż starszych. Najczęściej owoce i warzywa przeznaczane do przechowywania zbierane są przed osiągnięciem pełnej dojrzałości, a co za tym idzie ich intensywność oddychania nadal pozostaje na wysokim poziomie.
Czynniki wpływające na intensywność oddychania
Dojrzałość
Podział owoców i warzyw ze względu na charakter dojrzewania.
NIEKLIMAKTERYCZNE
czereśnie
borówki
pomarańcze
truskawki
ogórki
wiśnie
winogrona
ananas
papryka
cytryny
KLIMAKTERYCZNE
jabłka
brzoskwinie
śliwki
awokado
figi
mango
gruszki
nektary
pomidory
banany
morele
kiwi
Powyższa klasyfikacja owoców i warzyw pozwala na przewidywanie zmian cech jakościowych i dojrzewania produktów ogrodniczych w czasie przechowywania.
Czynniki wpływające na intensywność oddychania
Dojrzałość
Niekiedy zdarza się, że charakter dojrzewania niektórych owoców (kiwi, gruszki azjatyckie) lub warzywa (ogórek) może zmieniać się z klimakterycznego na nieklimakteryczny lub odwrotnie.
Wystąpienie klimakteryki wskazuje na osiąganie pełnej dojrzałości owoców lub warzyw i jest stymulowane przez pojawiający się etylen.
Etylen stymuluje oddychanie tkanek roślinnych. Pojawienie się klimakterycznego wzrostu etylenu wprowadza owoc w nieodwracalny proces dojrzewania. Produkcja etylenu katalizowana jest przez wytwarzany etylen (proces autokatalityczny).
Przebieg zmian intensywności oddychania, produkcji etylenu, wzrostu owoców oraz potencjalnej długości okresu przechowywania przedstawia następujący wykres.
Dojrzewanie owoców klimakterycznych
Znajomość procesów przedstawionych na wykresie pozwala na określanie optymalnego terminu zbioru ; owoców klimakterycznych przeznaczanych do f długotrwałego przechowywania
Wyznaczenie optymalnego pod względem fizjologicznym terminu zbioru owoców klimakterycznych polega na znalezieniu wskaźników, które pozwoliłyby przeprowadzić zbiór, gdy owoce pozostają w minimum klimakterycznym.
Zbyt wczesny zbiór sprzyja wystąpieniu chorób fizjologicznych i powoduje, że owoce są nie w pełni ukształtowane.
Zbyt późny zbiór znacznie ogranicza potencjalną długość okresu przechowywania nawet w optymalnych warunkach dla danego gatunku i odmiany.
Wpływ etylenu na dojrzewanie owoców
Etylen jest hormonem roślinnym i uczestniczy w regulacji wielu procesów wzrostu i rozwoju roślin. Szlaki sygnalizacyjne tego hormonu aktywuje pięć receptorów, zlokalizowanych w błonach siateczki śródplazmatycznej.
Etylen jest węglowodorem nienasyconym o wzorze CH2=CH2. Jest on gazem bezbarwnym o charakterystycznym zapachu (praktycznie bezzapachowy w stężeniach na poziomie działania hormonalnego).
Występuje powszechnie w przyrodzie
Jest aktywny biologicznie w bardzo niskich stężeniach (ppm lub PPb)
Wpływ etylenu na dojrzewanie owoców
Klasyfikacja wybranych produktów ogrodniczych pod względem produkcji etylenu
Klasa |
Tempo produkcji C^H4 w temp. 20°C [mg C2H4 kg*1h'1] |
Produkt |
Bardzo niska |
<0,1 |
Szparagi, kalafior, wiśnia, owoce cytrusowe, winogrona, truskawki, warzywa liściowe, korzeniowe, ziemniaki, większość ciętych kwiatów |
Niska |
0 1 o |
Jeżyny, borówki, melony, żurawina, ogórki, maliny, oliwki, daktyle, ananas, |
Średnia |
1,0-10,0 |
Banany, figi, mango, pomidory |
Wysoka |
10,0-100,0 |
Jabłka, morele, awokado, kiwi (dojrzałe), nektaryny, papaja, brzoskwinie, gruszki, śliwki |
Bardzo wysoka |
>100 |
Owoce pasiflory |
wg. Kader A.A., Kasmire R.F., Mitchel G.F., Reid M.S., Sommer N.F., Thompson J.F.1985. Postharvest Technology of Horticultural Crops.
Wpływ etylenu na dojrzewanie owoców
W tkankach wegetatywnych, w owocach nieklimakterycznych i w niedojrzałych (przed osiągnięciem minimum klimakterycznego) owocach klimakterycznych zawartość etylenu w atmosferze otaczającej owoce hamuje jego syntezę w owocach.
W dojrzałych owocach klimakterycznych (po osiągnięciu wzrostu klimakterycznego) etylen katalizuje swoją syntezę. Proces ten nosi nazwę autokatalicznej produkcji etylenu.
Po rozpoczęciu klimakterycznej produkcji etylenu następuje również klimakteryczny wzrost tempa oddychania. Procesy te prowadzą do szybkiego dojrzewania i przejrzewania owoców. Raz rozpoczętego procesu dojrzewania owoców klimakterycznych nie można zatrzymać, a regulację tempa dojrzewania owoców prowadzi się zwykle opóźniając wejście owoców w fazę klimakteryki.
Szlak metaboliczny etylenu
Rośliny produkują etylen z aminokwasu metioniny (M) poprzez S-adenozylometioninę (SAM) i kwas 1- aminocyklopropano-1-karboksylowy (ACC). Proces ten katalizowany jest przez szereg enzymów z których kluczową rolę odgrywają syntaza ACC i oksydaza ACC.
Synteza etylenu zachodzi w obecności tlenu a jednym produktów reakcji jest dwutlenek węgla.
Zgodnie z zasadami kinetyki chemicznej, zmieniając stężenie tlenu i dwutlenku węgla można regulować szybkość biosyntezy etylenu etylenu. Spadek stężenia tlenu i wzrost dwutlenku węgla hamuje syntezę tego hormonu.
Stymulujacy wpływ etylenu
Etylen stymuluje następujące procesy:
Syntezę etylenu w dojrzałych owocach klimakterycznych
Dojrzewanie owoców klimakterycznych i niektórych nieklimakterycznych
Syntezę antocyjanów w dojrzewających owocach
Degradację chlorofilu i żółknięcie
Kwitnienie u niektórych roślin, np. ananasów
Tworzenie strefy odcinającej w szypułkach
Procesy defoliacji i starzenia
Kiełkowanie nasion
Przełamanie dominacji wierzchołkowej
Inkubacyjny wpływ etylenu
Etylen hamuje następujące procesy:
Syntezę etylenu w tkankach wegetatywnych I nieklimakterycznych owocach
Kwitnienie i rozwój kwiatów u większości roślin
Transport auksyn
Podziały i wzrost wydłużeniowy komórek
Wpływ etylenu na dojrzewanie owoców
W zależności od rodzaju produktu ogrodniczego i stadium jego dojrzałości, działanie etylenu może być zarówno korzystne jak i szkodliwe.
W przypadku działania szkodliwego należy dążyć do ograniczenia dostępu etylenu do wrażliwego produktu ogrodniczego.
Istotnym źródłem etylenu są dojrzewające owoce.
Czynniki wpływające na ograniczenie produkcji etylenu przez owoce
W celu zabezpieczenia wrażliwych na etylen produktów ogrodniczych przed jego szkodliwym działaniem należy:
chronić produkty przed mechanicznymi uszkodzeniami
jak najszybciej obniżyć temperaturę produktów po zbiorze
utrzymywać atmosferę otaczającą produkty wolną od etylenu
zapewnić prawidłową wentylację powietrzem wolnym od etylenu
oddzielać produkty o wysokiej produkcji etylenu od wrażliwych na jego działanie
Czynniki wpływające na ograniczenie produkcji etylenu przez owoce
W celu zabezpieczenia wrażliwych na etylen produktów ogrodniczych przed jego szkodliwym działaniem należy:
usuwać etylen z atmosfery przechowalniczej wykorzystując płuczki etylenowe (KMn04, promieniowanie UV, dopalacze katalityczne)
hamować syntezę etylenu poprzez utrzymywania niskiego stężenia tlenu i wysokiego dwutlenku węgla w atmosferze przechowalniczej i/lub stosowanie inhibitorów jego biosyntezy (np. aminoetoksywinyloglicyny - AVG, która jest inhibitorem syntazy ACC)
Czynniki wpływające na ograniczenie wrażliwości owoców na etylen
W celu ograniczenia wrażliwości owoców na etylen należy:
przechowywać owoce w najniższej z możliwych temperaturze
stosować inhibitory działania etylenu, np. 1-metylocyklopropen (1-MCP) który blokuje receptory etylenu i jest bardzo efektywny w utrzymaniu wysokiej jakości przechowywanych owoców
wykorzystywać odmiany o zablokowanej recepcji etylenu metodami inżynierii genetycznej
Znaczenie procesu oddychania w przechowalnictwie
Poza wspomnianym wcześniej bezpośrednim związkiem pomiędzy intensywnością oddychania a potencjalną trwałością produktów ogrodniczych podczas przechowywania, oddychanie pełni istotną rolę w następujących procesach:
Zmniejszenie zawartości substratów
Syntetyzowanie nowych związków
Wytwarzanie energii cieplnej
Istotne znaczenie ma również możliwość oceny zachodzących procesów na podstawie współczynnika oddechowego RQ.
Znaczenie procesu oddychania w przechowalnictwie
Jak już wcześniej wspomniano, w procesie oddychania wykorzystywane są różnego rodzaju substraty. Ich utrata może bezpośrednio wpływać na jakość produktu. Może to znaleźć odzwierciedlenie np. w zmianie smaku lub utracie suchej substancji.
Syntetyzowanie nowych związków jest szczególnie ważne w przypadku produktów ogrodniczych, które do przechowywania zbierane są nim osiągną pełne walory konsumpcyjne. Dotyczy to między innymi pomidorów i bananów oraz kwiatów ciętych.
Znaczenie procesu oddychania w przechowalnictwie
Znajomość wielkości produkcji energii cieplnej podczas procesów oddychania jest bardzo istotna, ponieważ musi zostać uwzględniona w bilansie cieplnym komory przechowalniczej.
W obliczeniach bilansu cieplnego dla komory przechowalniczej przyjmuje się, że dobowa produkcja ciepła przez tonę owoców wynosi 61,2 kcal na każdy 1 mg C02 wydzielony przez kilogram produktu w ciągu godziny.
Współczynnik oddechowy RQ obliczany jest jako stosunek wydzielonego w procesie oddychania C02 do zużytego w tym procesie 02. Ilość C02 i 02 może być wyrażona w molach lub objętościowo.
Znaczenie procesu oddychania w przechowalnictwie
Współczynnik oddechowy w zależności od wykorzystywanego w procesie oddechowym substratu może przyjmować wartości od około 0,7 do ponad 1.
Jeżeli substratem jest glukoza, to zgodnie z równaniem
C6Hi206 + 602
RQ= 6C02/602, czyli 1
Jeżeli substratem są związki bogate w tlen, np kwasy organiczne, to dla kwasu jabłkowego mamy
C4H6O5 + 302
RQ= 4C02/302, czyli 1,35
Jeżeli substratem są związki tłuszczowe (uboższe w tlen, bogatsze w wodór i węgiel) to np. dla kwasu stearynowego otrzymamy
^18^36^2 + 2602
RQ= 18C02/2602, czyli 0,69
Metody pomiaru tempa oddychania i produkcji etylenu
Pomiar tempa oddychania i produkcji etylenu można mierzyć w sposób dynamiczny lub statyczny.
W obu przypadkach produkt zostaje zamknięty w szczelnym pojemniku. W systemie dynamicznym przez pojemnik przepływa powietrze lub inna mieszanina gazów ze stałą znaną szybkością. Pomiar tempa oddychania i produkcji etylenu polega na porównaniu stężenia obu mierzonych gazów na wejściu i wyjściu z pojemnika przy uwzględnieniu szybkości przepływu gazu i masy produktu.
W systemie statycznym zamyka się owoc w szczelnym pojemniku i po określonym czasie pobiera się próbkę gazu znad owocu. Znając czas akumulacji, masę próbki i objętość naczynia oblicza się tempo produkcji etylenu i dwutlenku węgla.
Procesy fizjologiczne związane z dojrzewaniem owoców
Oddychanie
Klasa |
Tempo produkcji C02 w temp. 5°C [mg C02kg1h-1] |
Produkt |
Bardzo niska |
<5 |
orzechy, daktyle |
Niska |
5-10 |
jabłka, cytrusy, winogrona, kiwi, cebula |
Średnia |
10-20 |
morele, banany, wiśnie, brzoskwinie, nektaryny, gruszki, śliwki, figi, pomidor, sałata, kapusta, marchew |
Wysoka |
20-40 |
truskawki, maliny, awokado, kalafior |
Bardzo wysoka |
40-60 |
brukselka |
Ekstremalnie wysoka |
>60 |
szparagi, brokuły |
Klasyfikacja wybranych produktów ogrodniczych pod względem intensywności oddychania