effetti fisiologici indotti dalle condizioni di conservazione: temperatura e atmosfera controllata

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Effetti fisiologici indotti dalle condizioni di conservazione: Temperatura e Atmosfera controllata Temperatura La temperatura è il fattore ambientale più importante per la conservazione dei prodotti ortofrutticoli. Come rispondono i prodotti alla temperatura ? Dobbiamo distinguere i prodotti tra quelli: sensibili al chilling (chilling- sensitive);

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Effetti fisiologici indotti dalle condizioni

di conservazione:

Temperatura e Atmosfera controllata

Temperatura

La temperatura è il fattore ambientale più

importante per la conservazione dei prodotti

ortofrutticoli.

Come rispondono i prodotti alla temperatura ?

Dobbiamo distinguere i prodotti tra

quelli:

sensibili al chilling (chilling-

sensitive);

insensibili al chilling (chilling-

insensitive);

Figura Ec 3Risposte dei prodotti alla temperatura

La temperatura ideale di conservazione per

i prodotti:

chilling-sensitive: 10-14 °C

chilling-insensitive: 0-4 °C

Queste temperature riducono tutto il

metabolismo, quindi, anche i processi

caratteristici della maturazione

(respirazione, etilene: produzione e

sensibilità, softening, produzione di aromi,

ecc);

2

se questi processi non sono controllati

inducono una precoce riduzione della

qualità dei prodotti.

Come agisce la temperatura ?

La temperatura influenza la velocità delle

reazioni

enzimatiche ( k ).

Generalmente la velocità delle reazioni

enzimatiche aumenta con la temperatura,

naturalmente entro i limiti in cui gli

enzimi sono stabili.

3

La relazione che lega la velocità

specifica di una reazione (k) alla

temperatura è evidenziata nell’equazione

di Arrhenius:

k = ka e- (Ea/RT)

k = velocita di una reazione

ka = fattore di frequenza (numero di collisioni tra atomi,

molecole o ioni nell’unità di tempo).

Ea = energia di attivazione;

T = temperatura assoluta (Kelvin)

R = costante dei gas

Una via alternativa, per esprimere la

dipendenza delle reazioni dalla

4

temperatura, è il Q10 (quoziente di

temperatura).

Il Q10 è stato molto usato negli studi

relativi alla biochimica degli

alimenti.

La velocità della maggior parte delle

reazioni enzimatiche raddoppia

approssimativamente per ogni aumento di

temperatura di 10 °C.

Il quoziente di temperatura, Q10:

k (t + 10 °C) Q10 =

k t °C

5

Quindi con l’incremento della

temperatura i processi legati alla

maturazione sono più veloci con una

accelerazione della deperibilità dei

prodotti.

Q10 e deperibilità

Potremo scrivere l’equazione del Q10

considerando la deperibilità:

tasso di deperibilità (t + 10°C)Q10 =

tasso di deperibilità a t °C

Q10 e shelf-life

Il Q10 può essere calcolato anche per

la diversa shelf-life di un prodotto ad

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una temperatura e ad una temperatura

più alta di 10 °C.

Considerato che il tasso di

deperibilità è inversamente

proporzionale alla shelf-life avremo:

shelf-life a t °C Q10 =

shelf-life (t + 10 °C)

Se riporto in un grafico la shelf-life

vs la temperatura ottengo una linea

retta ma solo nel range di temperatura

compresa tra 10 e 20 °C.

Esempio:

7

- shelf-life di un prodotto: 10 settimane

a 10 °C;

- shelf-life di un prodotto: 5 settimane a

20 °C

10Q10 = = 2

5

I valori di Q10 sono generalmente alti

( 4-7) tra 1 – 10 °C ;

e bassi (2-3) per temperature sopra a

10 °C.

Alti valori di Q10 sono indice di shelf-

life più lunga senza perdita di qualità.

Con valori alti di Q10 significa che

l’energia di attivazione necessaria per

8

le singole reazioni enzimatiche è più

alta, di conseguenza tutto il

metabolismo rallenta.

Figura Ec 4Relazione tra temperatura e shelf-life

Negli studi che riguardano la

determinazione della shelf-life il primo

step è quello di individuare un processo

che abbia un effetto più marcato di altri

sulla perdita di qualità di un prodotto e

che possa essere misurato.

9

Per i prodotti freschi la respirazione è

uno dei processi che influenza più di

altri la qualità di un prodotto.

Effetto della Temperatura sulla

respirazione

Tra i processi della maturazione la

respirazione è quello più influenzato

dalla temperatura.

Figura Ec 5Relazione tra temperatura e respirazione

10

Nella figura si nota che ai due estremi di

temperatura

< 10 °C e > 50 °C

la riduzione dell’attività respiratoria è

dovuta in entrambi i casi alla diminuzione

della velocità delle reazioni enzimatiche

(riduzione Vmax) ottenuta però con due

diversi meccanismi:

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a) > 50 °C la riduzione della Vmax è

dovuta alla denaturazione delle

molecole enzimatiche.

b) < 10 °C la riduzione della Vmax è

dovuta alla diminuzione dell’energia

cinetica delle molecole di substrato.

In altre parole, l’energia di

attivazione necessaria per le singole

reazioni enzimatiche è più alta con la

conseguente diminuzione della velocità

dell’intero processo.

12

Evidenze sperimentali molto recenti (2002)

hanno dimostrato che gli enzimi respiratori

più sensibili alla basse temperature sono:

- NADH deidrogenasi interna ed esterna;

- ATP sintetasi;

Temperatura e trattamenti possibili in post-

raccolta:

1. Cooling per la rimozione del “calore di

campo”;

2. Cooling durante la conservazione;

3. Trattamenti pre-conservazione con alte temperature;

13

1. Cooling per la rimozione del “calore di

campo”

Dopo la raccolta i prodotti sono più

sensibili ai cambiamenti di temperatura,

quindi è auspicabile un loro rapido cooling.

Il cooling dei prodotti in post-raccolta ha

come obiettivo quello di:

a) Ridurre rapidamente la respirazione;

b) Minimizzare la perdita di acqua;

c) Ridurre lo sviluppo dei funghi

patogeni;

14

Il calore prodotto dalla respirazione

provoca l’aumento della temperatura nei

prodotti;

esempio:

frutti di ciliegio raccolti e lasciati

a temperatura ambiente aumentano la

temperatura di 1 °C ora.

In particolare, per i piccoli frutti

(ciliegie, lamponi, mirtillo, ecc.) un

rapido raffreddamento dopo la raccolta è

essenziale per preservarne la qualità.

I metodi impiegati per il cooling sono:

a) Idrocooling;

b) Cooling con aria forzata fredda;

15

a) Idrocooling : può essere effettuato per

immersione o a doccia.

La temperatura dell’acqua dovrebbe essere

tra 0-0.5 °C.

L’idrocooling è generalmente utilizzato

per i “tree-fruits” (mele, pere, ecc) e i

meloni.

Non adatto per l’uva e i piccoli frutti

poiché l’acqua che rimane sulla superficie

favorisce la deperibilità.

La durata dell’idrocooling dipende:

16

dal diametro dei frutti e dal flusso di

acqua;

esempio: per prodotti di piccolo

come le ciliegie ca. 10 min,

per i meloni ca. 1 ora.

b) Cooling con aria forzata, fredda e umida

( 80% di UR)

Impiegato per gli ortaggi, fiori recisi,

uva e piccoli frutti.

In confronto all’idrocooling

l’abbassamento di temperatura dei prodotti

è più lento e può indurre in alcuni casi

una perdita eccessiva di acqua se l’UR

dell’aria non è ben controllata.

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La durata del trattamento dipende dal

flusso di aria, dalla temperatura

dell’aria e dal diametro dei prodotti

trattati.

Delayed cooling: La maggior parte dei

prodotti trae beneficio,

in termini di qualità, da un rapido

“cooling”,

con due eccezioni: il kiwi e le

pesche-nettarine.

Questi frutti dopo la raccolta devono

essere lasciati a temperatura ambiente per

qualche giorno.

18

Per quale motivo?

Kiwi: Problema dei marciumi causato dalla

Botrytis cinerea.

Se il frutto è lasciato per 24-72 ore a

temperatura ambiente (ottimo tra 10-20 °C)

e poi raffreddato a 10 °C, le cellule

prossime al taglio del picciolo riescono a

produrre suberina e fenoli creando una

barriera fisica che impedisce l’ingresso

alle spore/ife della Botrytis..

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Nettarine: le cvs late-ripening sono sensibili

alle basse

temperature normalmente utilizzate

nella conservazione.

Dopo 1-2 settimane a 0 °C sviluppano

una fisiopatia denominata “woolliness”

or “mealiness” (lanoso o farinoso).

Tutto o parte del mesocarpo (parte

edule) si presenta inizialmente

disidratato e poco succoso (lanoso),

successivamente diventa farinoso.

Esternamente questi frutti sono

normali.

20

Questa fisiopatia è causata dall’anormale

metabolismo delle pectine.

Figura Ec 6Danni da chilling in pesche e nettarine

Si verifica uno sbilanciamento

nell’attività di due enzimi:

la poligalatturonasi (PG) e la pectin

metil esterasi (PME).

PG: sensibile alle basse temperature;

PME: poco-sensibile alle basse

temperature;

Figura Ec 7 Attività di PG e PME in pesche conservate

a O°C (from Zhou et al., 2000)

21

Le pectine sono de-esterificate (per

attività della PME) ma non depolimerizzate

(per bassa attività della PG).

Le pectine de-esterificate legano gli ioni

Ca2+ presenti nell’apoplasto.

Il pectato di Ca2+ richiama acqua dalle

cellule formando un gel (polpa lanosa).

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Successivamente (a temperatura ambiente)

le pectine sono idrolizzate dalla PG

portando alla formazione della polpa

farinosa.

Per la prevenzione di questa fisiopatia i

frutti sono lasciati dopo la raccolta a

temperatura ambiente per 36-48 ore prima di

essere raffreddati a 0 °C.

In questa fisiopatia è stato dimostrato

anche il coinvolgimento dell’etilene.

I frutti lasciati a temperatura

ambiente per 36-48 ore mantengono la

capacità di produrre etilene durante la

23

conservazione iniziando il normale

processo di ripening.

Al contrario i frutti conservati dopo

la raccolta a O°C perdono la capacità

di produrre etilene dopo poche

settimane di conservazione.

Questa fisiopatia è stata osservata in altri

prodotti come pomodoro, agrumi, avocado e

mele.

Anche questi frutti traggono beneficio da

un abbassamento graduale della

temperatura.

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Con questo accorgimento questi prodotti

possono essere conservati a temperature

inferiori dalla norma senza indurre danni

da chilling.

2. Cooling durante la conservazione

Le basse temperature hanno effetto sulla

postharvest-life dei prodotto perché

riducono drasticamente tutto il metabolismo,

in particolare la respirazione.

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Anche la produzione, la sensibilità

(recettori) all’etilene e il softening

sono rallentati.

Con una bassa temperatura è più facile

controllare l’UR (> 80 %) dell’ambiente e

quindi evitare perdite di acqua dal

prodotto.

Una perdita di acqua del 3-5 % ha

effetti visibili (appassimento) su

molti prodotti

Inoltre le basse temperature inibiscono la

crescita e lo sviluppo

dei funghi patogeni.

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Ottimo di temperatura durante la conservazione

(indicativo),

0-3 °C: frutti pomaceae e drupaceae, kaki (bacca).

6-8 °C: frutti poco-sensibili al

chilling,

10-14 °C: frutti sensibili al chilling,

E’ utile ricordare che a queste temperature

il processo di ripening è ridotto NON

arrestato.

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3. Trattamenti pre-conservazione con alte

temperature

Temperature utilizzate tra 35-38 °C fino a

65 °C.

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Obiettivo primario del trattamento è quello

di:

a) Eliminare eventuali insetti presenti (disinfestazione)

b) Controllare lo sviluppo dei funghi

patogeni.

Le alte temperature sostituiscono i

trattamenti chimici nel controllo degli

insetti e dei funghi.

Successivamente si è visto che le alte

temperature inducevano effetti positivi sui

prodotti trattati.

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In particolare:

c) Inducono la resistenza alle basse

temperature (i danni da chilling nei

prodotti sono ridotti);

d) Influiscono positivamente sul processo

di ripening e quindi sul mantenimento

della qualità dei prodotti:

Inibizione della sintesi di etilene

(inattivazione di ACC ossidasi);

Softening più lento rispetto al

controllo;

Altri effetti positivi indotti

(colore, de-greening, composti

volatili, ecc) sono in relazione alla

specie

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e alle cvs.

I metodi impiegati per questo trattamento sono:

Acqua calda: 50-65 °C per 10-20 sec ad un

max di 10 min (immersione o spray);

Vapor acqueo a 40-50 °C;

Aria calda: circa 36 °C per alcune ore o giorni (2-3);

Con quale meccanismo questi trattamenti

riducono il danno

da chilling?

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Le alte temperature inducono:

La formazione di heat-shock-proteins (HSPs).

Le piante sintetizzano numerose HSPs (15-

20 kDa) classificate in 4 classi in

relazione alla loro localizzazione:

Classe I e II, citoplasma;

classe III, organelli;

classe IV, reticolo endoplasmico.

Le HSPs si aggregano formando complessi

proteici, range tra 200-800 kDa, sono

questi complessi quelli ritenuti

fisiologicamente attivi.

Questi complessi proteici di HSPs hanno la

capacità di proteggere le cellule dagli

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effetti negativi indotti dal chilling

(Sabehat et al., 1998).

Adattamento a livello delle membrane.

In particolare viene modificata la

composizione lipidica delle membrane

cellulari e organellari: (Lurie et al.,

1997)

aumento dei fosfolipidi, diminuzione

degli steroli (C 27-30), quindi il rapporto

tra steroli/fosfolipidi diminuisce.

Nei fosfolipidi aumentano gli acidi

grassi insaturi.

33

Gli acidi grassi più diffusi nelle piante

sono:

Insaturi C: 18 ( 1 = ) ac.

oleico

(doppi legami cis) C: 16 ( 2 = ) ac.

linoleico

C: 16 ( 3 = ) ac. Linolenico

Saturi C : 16 ac.

palmitico

C : 18 ac.

stearico

Il doppio legame nella catena crea una

piegatura e questo previene un eccessivo

impacchettamento del doppio strato

lipidico (Trigliceride + 1 ac grasso

saturo e 1 insaturo).

34

Il risultato è una grande fluidità della

membrana, che ha un ruolo cruciale nella

funzione di questa struttura.

La fluidità delle membrane è molto

influenzata dalla temperatura.

Piante più resistenti alle basse

temperature hanno una % più elevata di

acidi grassi insaturi.

Esempio: frutti di pomodoro

Acidi grassi Frutti nontrattati

%

Frutti trattatiad A. T.

%Palmitico 32Stearico 5

35

Oleico 8Linoleico 47 Aumentano

questi acidi

grassi

Linolenico 9

Quando i trattamenti con alte temperature non

sono effettuati razionalmente possono

provocare danni sui prodotti molto simili ai

danni da chilling:

- imbrunimenti interni ed esterni;

Figura Ec 8Danni da chilling: imbrunimenti interni ed esterni

in pere e mele

- ingiallimenti (degr. clorofilla);

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- formazione di infossature detta anche

“butteratura” (pitting); (Lurie et al.,

1998).

Figura Ec 9Danni da chilling: butteratura nelle mele

- Sviluppo di off-flavours;

Gli imbrunimenti sono dovuti all’azione delle

polifenolo ossidasi (PPO) sui fenoli

rilasciati dal vacuolo dopo il chilling.

Un particolare tipo di imbrunimento esterno

osservato nelle mele,pere e banane è chiamato

“scottatura superficiale” (superficial scald).

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Figura Ec 10Danni da chilling: scottatura superficiale in pere

e mele

Il composto che causa questa fisiopatia è

l’ -farnesene, un terpene a 15 atomi di

C.

Questo composto a seguito di stress da

chilling si accumula nei fosfolipidi delle

membrane delle cellule dell’epidermide.

I prodotti di ossidazione del farnesene

provocano la rottura delle membrane,

esterne (plasmalemma) e interne

(tonoplasto) alle cellule, con lo sviluppo

del caratteristico imbrunimento

superficiale.

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Le cvs più sensibili a questa fisiopatia

devono essere conservate a temperature

superiori a 5 °C.

Warming-temperature

Con l’obiettivo di prevenire e/o ridurre i

danni da chilling sui prodotti i

ricercatori hanno testato l’effetto che ha

l’interruzione del cooling durante la

conservazione:

Warming-temperature utilizzate sono state

diverse e comprese

tra 7 °C (per 10-15 giorni) e 20 °C (per

2-3 giorni)

successivamente di nuovo cooling.

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Le warming-temperature sono risultate

efficaci nel ridurre i danni da chilling

(pesche, pesche-nettarine, susine, ecc).

I prodotti delle diverse specie e/o cvs

rispondono in modo diverso alle basse

temperature.

La conoscenza dei processi metabolici che

risultano totalmente o parzialmente

bloccati, modificati o alterati dalle

basse o alte temperature è di fondamentale

importanza per riuscire a migliorare la

tecnologia in post-raccolta e quindi

preservare più a lungo la qualità dei

prodotti.

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