martes, 25 de junio de 2013

Atmósferas controladas. Regulación postcosecha

Eficacia de las atmósferas controladas  en potenciar la calidad de  vegetales frescos. 

Las atmósferas controladas, AC,  se han desarrollado, como coadyuvantes del frío, con el objetivo de incrementar, en general, el periodo comercial de conservación de productos vegetales y en particular en aquellas especies muy perecederas y sensibles a las bajas temperaturas.La AC actúan directamente sobre el procesos de maduración permiten utilizar temperaturas más elevadas en especies muy sensibles a las bajas temperaturas (Chilling injury)





En general las atmósferas controladas permiten triplicar los tiempos de conservación respecto a la conservación frigorífica tradicional. Las reacciones enzimáticas asociadas a la maduración; respiración, síntesis autocatalítica de etileno, hidrólisis de almidón, catabolismo o síntesis de ácidos orgánicos, síntesis de enzimas responsables del ablandamiento y degradación o síntesis de pigmentos, etc.., se retardan por efecto de los bajos niveles de O2 y elevados de CO2.

Sin embargo en un mundo globalizado, en la actualidad, ya no es prioritario prolongar los periodos de conservación y sí aplicar tecnologías poco agresivas con el producto y respetuosas con el medio ambiente, en una aplicación secuencial o dinámica, que permitan potenciar la calidad del producto en recolección  para una buena comercialización.

Regulación de procesos

En el día diagrama 1 se pueden observar los factores que inciden directamente sobre la actividad de los procesos fisiológicos postcosecha de productos vegetales


Diagrama 1. factores que inciden sobre la actividad de los procesos fisiológicos en postcosecha

Factores propios del producto como la especie y la variedad (genoma) y condiciones ecológicas y agrotécnicas de cultivo. Así mismo el grado de madurez en recolección es un parámtro decisivo en los procesos postcosecha y además es un factor sobre el que podemos actuar en función de los objetivos comerciales previstos

La intensidad de los cambios dependerán directamente de su naturaleza (genoma), grado de desarrollo en recolección y de las condiciones ambientales. es evidente que actuar sobre la naturaleza del vegetal es complicado (plantas transgénicas) y nuestra capacidad de actuar sobre los procesos fisiológicos se limita a controlar el grado de desarrollo en recolección y modificar las condiciones ambientales.

Regular la temperatura y humedad relativa con el fin de controlar sin alterar (enfermedades) los procesos fisiológicos post-recolección y retardar el desarrollo de microorganismos, especialmente hongos, es el objetivo prioritario de la conservación frigorífica, si además controlamos los gases activos (CO2 y O2) del medio generamos las atmósferas controladas, AC,  de altísima eficacia en controlar los procesos fisiológicos postcosecha en frutas y hortalizas.

De estos procesos fisiológicos post-recolección el de maduración es que ha sido más profundamente analizado, y los resultados obtenidos han sido esenciales para el desarrollo de las modernas tecnologías post-recolección. Los estudios más exhaustivos se han orientado en relacionar la maduración con los patrones de respiración y de etileno.

El esclarecimiento de los mecanismos bioquímicos asociados a la maduración ha permitido tanto definir nuevos índices objetivos de madurez y calidad como desarrollar nuevas tecnologías para optimizar la conservación y comercialización de frutosy hortalizas al estado fresco.

Los avances tecnológicos alcanzados en la mejora de la conservación de frutos han sido aplicados, con mayor o menor eficacia, para controlar otros procesos fisiológicos diferentes al de maduración y más específicos: floración (coliflor, alcachofa y brécol), elongación (espárragos), brotación (tubérculos y bulbos), germinación (semillas), etc.

Aun cuando la aplicación a nivel comercial de las AC se inicia en la década de los años 50, no es hasta finales de la década de los años 60 cuando comienza a tener una importancia comercial significativa, especialmente en frutos de pepita (manzana y pera).

Desde la década de de los años 70 las tendencias en su aplicación han sufrido importantes modificaciones. Desde las atmósferas controladas tradicionales (sin control del etileno) hasta las atmósferas controladas con control riguroso del nivel de etileno (<5 ppm), pasando por los pretratamientos con elevados niveles de CO2 (>15%) o con muy bajos niveles de O2(<1%).

A nivel comercial las atmósferas controladas han sido aplicadas tanto para retardar la maduración, prolongar el periodo de conservación, como para acelerar los procesos metabólicos (maduración acelerada o desverdización) con el fin de reducir el tiempo de maduración y comercializar los frutos fuera de época.

Fundamentos

La eficacia de las atmósferas controladas depende tanto de factores intrínsecos (especie, variedad, grado de madurez en recolección, etc..) como extrínsecos (temperatura, nivel de O2, CO2, etc..). Es por tanto evidente que el conocimiento de los 'puntos críticos' (tolerancia), en función de la especie, variedad y grado de madurez en recolección, es fundamental para seleccionar las tecnologías postcosecha.

Diagrama 2. Fundamentos fisiológicos de las atmósferas controladas, AC.
Control de los procesos fisiológicos postcosecha.


En el diagrama 2 se pueden observar los efectos fisiológicos de las AC tanto retardando como acelerando el metabolismo de productos vegetales en postcosecha.

Al ser cámaras estancas y cargadas de vegetales, para regular los gases activos, se alcanzan, a baja temperatura, elevadas humedades relativas y por tanto las pérdidas de agua por transpiración, pérdidas de peso, son prácticamnete nulas.

En general, la atmósfera controlada previene el envejecimiento del fruto, y lo mantiene fisiológicamente más joven que en condiciones normales para una misma edad cronológica.

Los bajos niveles de O2 reducen la respiración y la acumulación de energía metabólica (ATP) necesaria para los procesos de síntesis propios del proceso de maduración, amén de que la síntesis de etileno (hormona) es muy exigente en oxígeno.

Paralelamente el CO2 es un inhibidor competitivo del etileno es decir aunque exista en el medio etileno, el CO2 ocupado los sitios activos (locus catalíticos) de numerosas enzimas y evita el efecto estimulador del etileno y en especial en los mecanismos asociados a los cambios de color y ablandamiento de los frutos.

Evidentemente si las condiciones ambientales modificadas son capaces de desactivar los procesos fisiológicos tambien adecuadamente modificadas podrán estimular la actividad fisiológica y, por tanto acortar los tiempos de maduración (maduración acelerada) para producir frutos extratempranos con fines comerciales (desverdización).

Las AC son una herramienta muy eficaz en postcosecha de productos vegetales frescos para retardar o acelerar procesos fisiológicos aumentando los niveles de O2, o bien los muy elevados niveles de CO2 para eliminar fenoles (astringencia) por ejemplo en caqui. La flexibilidad de las AC en su aplicación tanto a nivel fisiológico,  activando o inhibiendo, como controlando el desarrollo de numerosas especies microbianas hace que sea la tecnología mas utilizada en la actualidad a nivel mundial e incluso en otros alimentos diferentes a los vegetales.

Control de la respiración
 
Los primeros trabajos realizados cen AC confirmaron que los bajos niveles de O2 y elevados de CO2 reducían la respiración, y retardaban y reducían el máximo climatérico en manzana y pera.

El descenso de la intensidad respiratoria retardaba la pérdida de hidratos de carbono (sustratos de reserva y respiratorios) y prolongaba significativamente el periodo de conservación comercial respecto a la conservación frigorífica tradicional.

En trabajso realizados en chirimoya (fruto subtropical muy perecedero) hemos observado la eficacia de las atmósferas controladas; bajo O2 y elevado CO2, sobre la intensidad respiratoria durante al conservación a 8ºC (figura 1). Se puede observar que el aumento de la concentración de CO2 del 0 al 6% implica un descenso profundo de la respiración;  de 30 a 15mg de CO2·Kg-1·h-1. 

Este descenso a la mitad de la actividad respiratoria puede interpretarse como que el 6% CO2 "podría" duplicar el tiempo de conservación a 8ºC respecto al 0% de CO2, siendo constante en un 3% el contenido de O2 en la atmósfera. 

 
Figura 1. Efecto de las AC enriquecidas en CO2 sobre la respiración de chirimoya cv "Fino de Jete"

La reducción de la intensidad respiratoria es considerada como el primer efecto beneficioso para retardar el deterioro de la calidad de productos vegetales.

El efecto de las atmósferas controladas sobre la respiración sucede en otras especies diferentes a los frutos, así en cabezas de ajo fresco de las variedades Morado y Blanco se puede observar en la figura 2 los efectos del O2 y CO2 sobre la respiración.


Figura 2. Efecto de los bajos niveles de O2 o elevados de CO2 sobre sobre la respiración de 
cabezas de ajo de los cvs "Blanco" y "Morado".

El descenso del nivel de oxígeno del 21% (Control) al 1.5 y 0.5% implica un drástico descenso de la actividad respiratoria reduciendo  sus  valores medios de 8mg de CO2·Kg-1·h-1 a niveles del 6 y 4 mg de CO2 ·Kg-1·h-1 , respectivamente, en la variedad de ajo Morado. En la variedad de ajo Blanco se observan descensos similares al alcanzar el 0.5% de O2.

El aumento del contenido de CO2 del 0% al 5 y 12% , manteniendo constante el O2 en el 3% implica un drástico descenso de la actividad respiratoria alcanzando en la atmósfera con el 12% de CO2 niveles muy inferiores a los observados en el 0.5% de O2. Valores de medios de respiración  de 4mg de CO2 en el 0.5% de O2 desciende por debajo de  2mg de CO2·Kg-1·h-1 en bulbos conservados en el 12% de CO2, después de 120 días de conservación a 0.5ºC.

En general, las condiciones de atmósfera controlada (bajo nivel de O2 y elevado de CO2) producen un descenso del cociente respiratorio (CR), debido, posiblemente, a un incremento de la fijación del CO2 en los ácidos orgánicos. La reducción del CR produce un retraso de la maduración y senescencia de frutos, asi como de otrso procesos como al brotación de bulbos. Asimismo, se reduce significativamente el calor de respiración de forma que puede suponer un ahorro de energía importante del 30% respecto a la conservación frigorífica .

Regulación de la producción de etileno

La biosíntesis de etileno es dependiente del oxígeno, de forma que en condiciones anaerobias cesa su síntesis, aunque puede recuperar su capacidad al transferir los frutos a condiciones ambientales. Se ha comprobado que en condiciones anaerobias se acumula el ACC, confirmando que la conversión de ACC en etileno es una reacción directamente dependiente de la concentración de oxígeno.

La producción de etileno es directamente proporcional a la concentración de oxígeno en el medio. Niveles de oxígeno excesivamente bajos, <1%, pueden bloquear la síntesis de etileno de forma irreversible, perdiendo la capacidad de reanudar su síntesis después de transferir a condiciones ambientales.

El incremento del nivel de CO2 en la atmósfera reduce significativamente la producción de etileno en pera cv 'Bosc'. Elevados niveles de CO2 inhiben la producción de etileno y se acumula el ACC, evidenciándose que el CO2inhibe la enzima responsable de la conversión de ACC en etileno, ACC-oxidasa, en manzana.

Atribuyen el efecto del CO2 sobre la producción de etileno a que el CO2 es un inhibidor competitivo de la acción del etileno. El antagonismo entre CO2 y etileno ha sido demostrado. La autocatalítica síntesis de enzimas responsables de la biosíntesis de etileno, ACC-sintasa y ACC-oxidasa, pueden inhibirse por el efecto antagónico del CO2.

En manzana pretratada con elevados niveles de CO2 confirman una reducción de la acumulación de ACC y un descenso del nivel de etileno interno respecto al del medio ambiente. Este descenso de la síntesis de etileno está relacionado directamente con la retención de la firmeza del fruto.

Elevados niveles de CO2 que sin duda inhiben la acción del etileno, reducen el metabolismo general y retrasan el inicio de la maduración. En manzana 'Golden Delicious' se ha confirmado el efecto beneficioso de las AC en retardar el ablandamiento. El incremento del nivel de CO2 del 2 al 5% supone incrementar en 2 meses el período comercial de conservación de manzana cv 'Golden Delicious'.
 
En la mayoría de las especies de frutos el control del nivel de etileno interno es decisivo para optimizar su conservación, ya que el etileno es la causa final del inicio del proceso de maduración. 

En las cámaras de AC, mantener bajos niveles de etileno es un objetivo prioritario ya que aunque la producción es muy baja al ser la camaras estancas se acumula el C2H4 y puede lacanzar niveles actividad fisiológica. Se han observado en cámaras de AC y prolongados periodos de conservación (frutos de pepita) niveles muy elevados de  C2H4 próximos a 1000 ppm, e incluso superiores.

Asimismo, la acumulación de etileno en las cámaras de AC puede ser un factor limitante de la 'cohabitación' de especies productoras y sensibles al etileno en cámaras de conservación polivalentes de las Centrales Hortofrutícolas. 


Figura 3. Efecto de las AC sobre la producción de etileno  de chirimoya cv "Fino de Jete".

En las figuras 3 y 4 se puede observar la relación directa entre la producción de etileno y el ablandamiento de chirimoya afectados ambos parámetros por diferentes niiveles de CO2 en atmósferas controladas con el 3% de O2 y durante la conservación a 8ºC.

Figura 4. Efecto de las AC sobre la firmeza  de chirimoya cv "Fino de Jete".

Hay que tener en consideración que aun cuando en el medio el nivel de etileno pueda ser bajo en los tejidos internos puede haberse superado el nivel 'umbral' que induce la maduración. Por ello, es de especial interés conocer la evolución del contenido interno de etileno, en función de la especie, en condiciones de AC y aplicar tecnologías que permitan reducir su nivel a valores inferiores a 5 ppm.

Lógicamente la aplicación de estas tecnologías, que eliminan el etileno por oxidación mediante medios físicos o químicos, se justifica siempre que su aplicación sea anterior al inicio de la síntesis autocatalítica, ya que tratamientos posteriores serán inacapaces de reducir el contenido interno de etileno. La reducción del nivel de etileno en las cámaras de AC se ha confirmado como una práctica beneficiosa para retardar el ablandamiento de los frutos y prolongar el período comercial de conservación en AC.


Regulación del metabolismo de carbohidratos

En especies con elevado contenido de almidón en recolección la hidrólisis de polisacáridos de reserva podría ser un primer paso para estimular la respiración de los frutos y activar la síntesis de ATP y los procesos de síntesis propios del proceso de maduración. La acumulación de azúcares solubles sencillos y la conversión en ácidos orgánicos provocan una disponibilidad  elevada de sustratos respiratorios. estos mecanismo de hidrólisis son controlados eficazmente por las tecnologías de AC (bajos nivelñes de O2).

En numerosas especies de frutos, la degradación de ácidos orgánicos se reduce significativamente en condiciones de AC. Ensayos realizados en pera y manzana han puesto de manifiesto que el control de la pérdida de acidez es debida a la reducción de la pérdida de málico por efecto de los bajos niveles de O2y elevados de CO2. Sin embargo, otros ácidos, cítrico, tartárico, pirúvico, etc.., también son afectados marcadamente por las atmósferas controladas. 
    Figura 5. Evolución de sacarosa durante al conservación a 8ºC tratada
     con diferentes niveles de CO2

En chirimoya se puede observar el efecto del aumento del contenido de CO2 en la atmósfera sobre el contenido de sacarosa, glucosa y fructosa durante la conservación a 9ºC. Se confirma que los elevados niveles de CO2 retardan la acumulación de sacarosa respecto al control. El 20% de CO2 es la AC más eficaz en controlar la hidrólisis de almidón y por tanto acumulación de sacarosa en postcosecha (figura 5)

La conservación en AC generalmente mantiene mejor el sabor y aroma de la mayoría de los productos vegetales. Sin embargo, excesivos tiempos de conservación en AC pueden producir la aparición de sabores extraños, debido a la acumulación de alcoholes y aldehidos. 

En periodos de conservación prolongados o en condiciones de anaerobiosis, pueden manifestarse alteraciones del sabor y aroma que conducen a una pérdida irreversible de la calidad.

En manzana se ha comprobado que en ciertas condiciones de AC el tiempo de conservación es un factor crítico para el pleno desarrollo del aroma. Tiempos prolongados, en bajos niveles, 1.5-2% de O2 impiden que se alcancen los niveles adecuados de los compuestos volátiles (acetato de butilo, acetato de hexilo) responsables del aroma del fruto maduro, incluso después de transferir a condiciones normales.


En general, los bajos niveles de O2 reducen drásticamente todos los procesos de hidrólisis y oxidativos (respiración) y la síntesis de hormonas (etileno). Los elevados niveles de CO2 inciden más directamente sobre los mecanismos  metabólicos asociados con la síntesis autocatalítica de etileno como son los cambios de color y ablandamiento de los frutos, al ser un inhibidor competitivo. 

Así mismo  los elevados niveles de CO2 controlan el desarrollo de microrganismos tanto por mantener el fruto en un estadio más joven (integridad de la barreras) como por su efecto directo sobre el desarrollo fúngico (efecto fungistásico).

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