Optimizing pome fruits storage

Abstract

Horticultural perishables are prone to fast deterioration and high losses. As the volume of production increases, further challenges are imposed to preserve these valuable foods in terms of quantity and quality. Accelerated development in science and applied technologies has helped to radically prolong the useful post-harvest life of horticultural produce. Notable success has been achieved with apples and pears as a result of their comparatively higher storability. Effective procedures and techniques have been developed to handle these fruits, including pre- and post-harvest physical and chemical treatments, in conjunction with the cutting-edge storage systems. However, certain procedures cannot be universally applicable. Considerations such as genotypic differences, climatic variations, and production factors necessitate adaptation of post-harvest practices to accommodate changing variables. This thesis describes the findings of experiments conducted as a contribution to advance preservation practices for apples and pears. Furthermore, we sought to investigate the biological actions underlying changes in fruit quality during storage and how these were influenced by various treatments. The first experiment was conducted to preserve the quality of late-harvested ‘Galaxy’ apples during extended storage. The effects of 1-methylcyclopropene (1 MCP) treatment and storage conditions on postharvest quality were analysed. Alongside quality measures, indicators like ethylene production, respiration rate, 1 aminocyclopropane-1-carboxylic acid oxidase (ACO) activity, and membrane permeability were assessed. After 7 months storage and 7 days shelf-life, apples subjected to 1-MCP and controlled atmosphere (CA) exhibited reduced ethylene production, respiration rate, and ACO activity compared to untreated or regular atmosphere counterparts. The combination of controlled atmosphere and pre-storage 1 MCP was the most effective in lowering ACO activity. Irrespective of conditions, 1 MCP curtailed ethylene production, respiration rate, and ACO activity during shelf-life, maintaining fruit firmness and slowing acidity loss. Only controlled atmosphere preserved quality and minimized disorders for optimally harvested apples, not late-harvested ones. None of the treatments maintained late-harvested apples quality after long-term storage plus shelf-life. The second experiment evaluated the effects of two ethanol vapor doses (250 or 500 ppm) or 1 MCP (650 ppb) with or without ethylene application (150 ppm) on the metabolism and quality of the apple cultivars ‘Elstar’ and ‘Nicoter’, over 14 d of holding at room temperature (20 ± 2 °C). For both cultivars studied, ethanol vapor treatments, especially 500 ppm, slowed the ripening of apples and inhibited the effect of applied ethylene on the ethylene production and respiration, but not as much as the 1 MCP treatment in ‘Nicoter’ apples. Ethanol application also resulted in higher succinate, malate and total organic acids concentrations. Ethanol application significantly reduced the sucrose conversion to glucose and fructose, while the ethanol + ethylene treatment resulted in high total sugars, fructose and sorbitol concentration after 14 d at 20 °C. The ethanol application (500 ppm) also affected conversion of succinate to fumarate, suggesting the succinate dehydrogenase activity as one possible action point of ethanol on the apple fruit metabolism. The combination of ethanol + ethylene treatments had a different response as compared to their isolated application, affecting sugars and organic acids metabolism differently. Fruit treated with ethanol vapor maintained lower electrolyte leakage, higher flesh firmness, greener color and had more sound fruit. However, its application increased the pyruvate decarboxylase (PDC) and alcohol dehydrogenase (ADH) activity and also enhanced acetaldehyde and ethyl acetate accumulation, but in concentrations below the odor threshold reported in the literature. The 1-MCP treatment increased decay incidence compared to the other treatments, reducing the amount of sound fruit in ‘Nicoter’ apples, but allowed higher acidity maintenance after 14 d holding at room temperature. There was no incidence of external and internal physiological disorders in either of the cultivars. In a third experiment, we explored the effects of the interaction between controlled atmosphere and 1-MCP treatment on ‘Alexander Lucas’ pears in storage, aiming to minimize internal storage disorders. Following treatment with 1-MCP at 300 ppb, the fruit were stored either at -0.5 or 1.0 °C in regular air or in CA (2.0 kPa O2 plus <0.7 kPa CO2). After six months of storage, superficial scald did not develop in fruit. The highest occurrence of flesh browning (72.2 %) was observed in air-stored fruit at -0.5 °C without 1-MCP treatment. Storage in regular air at 1.0 °C combined with 1-MCP resulted in 88.8 % sound fruit. Conversely, 1-MCP increased the incidence of flesh and core browning under CA conditions. Both 1-MCP and CA maintained greener skin color and higher titratable acidity. No significant differences were found for fruit firmness, total soluble solids and ascorbic acid content between the treatments. In conclusion, the quality of ‘Alexander Lucas’ pear was best maintained during six months storage under regular air at 1.0 °C combined with 300 ppb 1-MCP treatment.

Gartenbauliche Produkte zeigen im Nacherntebereich einen charakteristisch schnellen Qualitätsabbau und hohe Anfälligkeit für Verluste und Ausfälle. Mit steigenden Produktionsmengen ist es zunehmend herausfordernd, eingelagerte Früchte hinsichtlich Quantität und Qualität zu erhalten. Die Forschung und Entwicklung angewandter Nachernte-Technologien konnten in der Vergangenheit dazu beitragen, die Haltbarkeit gartenbaulicher Produkte erheblich zu verlängern. Insbesondere bei den Kernobstarten Äpfeln und Birnen konnten in dieser Hinsicht bedeutende Erfolge erzielt werden, was zum Teil auf ihr vergleichbar höheres Lagerpotential zurückzuführen ist. Unterschiedliche Verfahren, Techniken und Ansätze wurden in der Vergangenheit mit dem Ziel der Qualitätserhaltung von Früchten entwickelt. Dies umfasst physikalische und chemische Behandlungen im Vor- und Nacherntebereich, in Verbindung mit dem Einsatz moderner Lagersysteme. Nicht jedes Verfahren ist allerdings universell anwendbar. Genotypische Aspekte sowie der Einfluss der Klima- und Produktionsbedingungen erfordern eine Anpassung der Nach-Ernte Praktiken, um stetig wandelnden Variablen gerecht zu werden. Diese Arbeit beschreibt die Erkenntnisse unterschiedlicher Studien, durchgeführt mit dem Ziel einen Beitrag zur Weiterentwicklung und Verbesserung des Nach-Ernte Managements von Äpfeln und Birnen zu leisten. Zudem wurden die biologischen Hintergründe untersucht, die für Veränderung der Fruchtqualität während der Lagerung ursächlich sind, und inwieweit diese von Behandlungen und Lagerbedingungen beeinflusst werden. In der ersten Studie wurde die Qualitätserhaltung von spät geernteten Äpfeln der Sorte ‚Galaxy‘ während der Langzeitlagerung untersucht. Dabei wurden insbesondere die Auswirkungen von 1-Methylcyclopropen-(1-MCP)-Anwendungen sowie der Lagerbedingungen auf die entscheidenden Qualitätsparameter evaluiert. Für diese ganzheitliche Bewertung wurden neben qualitätsdefinierenden Parametern zudem die Ethylen Produktionsrate, die Atmungsaktivität, die Aktivität des Enzyms -Aminocyclopropan-1-carboxylsäure-Oxidase (ACO)-Aktivität sowie die Membran Permeabilität analysiert. Nach 7 Monaten Langzeitlagerung und einer simulierten Vermarktungsphase von 7 Tage, zeigte Äpfel die mit 1-MCP behandelt wurden oder unter kontrollierter Atmosphäre (CA) gelagert waren, eine vergleichbar niedrigere Ethylen Produktionsrate, Atmungsaktivität und ACO-Aktivität, als unbehandelte oder aus dem Kühllager stammende Äpfel. Es zeigte sich, dass die Kombination aus CA und 1-MCP Anwendung am effektivsten die ACO-Aktivität reduzierte. Unabhängig von den Lagerbedingungen verringerte 1-MCP die Ethylenproduktion, Atmungsrate und ACO-Aktivität während der simulierten Vermarktungsphase und verlangsamte den Festigkeitsabbau und den Säureverlust. Die Lagerung unter CA-Bedingungen ermöglichte es die Qualität der optimal geernteten Äpfel in einem akzeptablen Bereich zu halten und physiologische Lagerschäden zu vermeiden. Dies war jedoch nicht der Fall bei dem spät geernteten Fruchtmaterial. Es konnte festgestellt werden, dass keine der getesteten Lagerbedingungen in Kombination mit 1-MCP Anwendung, die Fruchtqualität spät geernteter ‚Galaxy‘ Äpfel während einer Langzeitlagerung und Vermarktungsphase erhalten können. Die zweite Studie untersuchte die Auswirkungen von Ethanol Behandlungen in unterschiedlichen Dosierungen (250 oder 500 ppm) sowie von 1-MCP (650 ppb), in Kombination mit oder ohne Ethylen (150 ppm), auf den Stoffwechsel und die Qualität der Apfelsorten 'Elstar' und 'Nicoter' über einen Zeitraum von 14 Tagen bei Raumtemperatur (20 ± 2°C). Ethanol Behandlungen verlangsamten bei beiden Sorten, insbesondere bei höheren Dosierungen, die Reife der Äpfel und hemmten die Wirkung des exogen angewendeten Ethylens auf die Atmungsintensität und die Ethylen Produktionsrate der Früchte. Bei 'Nicoter' Äpfeln war diese Wirkung jedoch schwächer ausgeprägt als die 1 MCP Behandlung. Ethanol Behandlungen resultieren in höheren Konzentrationen von Succinat, Malat sowie der Gesamtheit organischer Säuren. Ethanol-Anwendungen limitierten die Umwandlung von Saccharose in Glucose und Fructose, wohingegen die Kombination Ethanol + Ethylen nach den 14 Tagen zu einem höheren Gehalt löslicher Trockensubstanz sowie von Fructose und Sorbitol führte. Ethanol Anwendungen in höheren Konzentrationen beeinflussten zudem die Umwandlung von Succinat zu Fumarat. Dies deutet darauf hin, dass Ethanol im Stoffwechsel der Äpfel bei der Succinat-Dehydrogenase-Aktivität eingreift. Kombinierte Ethanol + Ethylen Behandlungen resultieren in einer unterschiedlichen Reaktion im Vergleich zur isolierten Anwendung. Mit Ethanol behandelten Früchte wiesen eine niedrigere Membran Permeabilität, höhere Fruchtfleischfestigkeiten, eine grünere Grundfarbe der Schale auf und waren seltener von Lagerschäden betroffen. Allerdings verstärkten Ethanol Anwendungen die Aktivität von Pyruvat-Decarboxylase (PDC) und Alkohol Dehydrogenase (ADH) und verstärkte somit die Akkumulation von Acetaldehyd und Ethylacetat. Jedoch wurden in der Literatur beschriebene kritische Schwellenwerte für eine Beeinflussung der Fruchtsensorik nicht überschritten. 1-MCP Anwendungen erhöhten den Fäulnisbefall im Vergleich zu anderen Behandlungen und reduzierte den Prozentsatz intakter Früchte bei 'Nicoter', verbesserte allerdings den Erhalt organischer Säuren. Es wurden keine externen und internen physiologischen Störungen bedingt durch die Behandlungen in beiden Sorten festgestellt. In einer dritten Studie wurde das Zusammenspiel von CA-Bedingungen und 1 MCP Behandlungen bei der Birnensorte 'Alexander Lucas' untersucht, mit dem Ziel die Bildung von inneren Schäden der Früchte während der Lagerung zu minimieren. Nach 1-MCP Behandlung (300 ppb) wurden die Früchte bei -0,5 und 1,0 °C in Normaltatmosphäre oder CA-Bedingungen (2,0 kPa O2 und <0,7 kPa CO2) gelagert. Nach einer Langzeitlagerung von 6 Monaten wurde im Fruchtmaterial keine Schalenbräune beobachtet. Fälle von Fleischbräune wurden vermehrt bei Früchten aus der Kühllagerung bei -0,5 °C ohne 1 MCP-Behandlung beobachtet. Kühllagerung bei 1,0°C in Kombination mit 1-MCP resultierte im höchsten Anteil gesunder Früchte mit 88,8%. Umgekehrt erhöhte 1-MCP unter CA-Bedingungen das Auftreten von Fruchtfleisch und Kernbräune. Sowohl 1-MCP Anwendungen als auch CA-Bedingungen resultierten in einer grüneren Schalenfarbe und einem höheren Gehalt titrierbarer Säuren. Hinsichtlich der Fruchtfestigkeit, der gesamten löslichen Trockensubstanz und des Ascorbinsäure-Gehalts wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den Behandlungen festgestellt. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass die Qualität der 'Alexander Lucas'-Birne während einer sechsmonatigen Lagerung bei Normalatmosphäre und einer Temperatur von 1,0 °C in Kombination mit einer Behandlung mit 300 ppb 1-MCP am besten erhalten werden konnte.