respiração e efeitos da composição da atmosferadalmeida.com/poscolheita/isa2005/aula2-respiracao...
TRANSCRIPT
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
1
Respiração e efeitos da composição da atmosfera
Fisiologia e Tecnologia Pós-colheitaPós-graduação em FruticulturaInstituto Superior de Agronomia
Domingos P. F. Almeida
Taxas de respiração
Espargo, brócolo, cogumelos, ervilha fresca, espinafre, milho-doce
>60Extremamente alta
Alcachofra, feijão-verde, couve-de-Bruxelas, flores cortadas
40 – 60Muito alta
Morango, framboesa, amora, couve-flor, abacate
20 – 40Alta
Damasco, banana, cereja, pêssego, nectarina, pêra, ameixa, figo, couve, canoura, alface, pimento, tomate
10 – 20Moderada
Maçã, citrinos, uva, kiwi, cebola, batata
5 – 10Baixa
Nóz, avelã, castanha, amêndoa, tâmara
<5Muito baixa
ProdutosRespiraçãoa 5 ºC
(mg CO2.kg-1.h-1)
Classe
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
2
Teor de açúcares em frutos
1,07,02,410,0Pêra
SacaroseFrutoseGlucoseTotalFruto
8,223,732,061,0Tâmara
7,38,214,8Uva
7,91,42,312,3Ananás
3,66,11,711,6Maçã
1,21,62,8Tomate
0,7Lima
0,4Abacate
(% peso fresco)
Kays (1997)
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
3
Conversões de carbohidratos
• Amido à Glucose
• Sacarose à glucose + frutose
Transporte fotoassimilados
• A sacarose é o açúcar de transporte na maioria das plantas.
• Sintetizada do citosol das células mesófilo.
• Translocada no floema.
• Utilizada nas células receptoras.
• Mas alguns frutos não acumulam sacarose.
• Para onde vai a sacarose ?
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
4
Invertase
Sacarose + H2O à glucose + frutose
• Hidrólise irrevers ível.
• Existem diversas formas de invertase, presentes em diversos compartimentos celulares:
• Neuta• Citoplasma
• Ácida• Vacúolo• Parede celular - Fracamente associada• Parede celular - Fortemente associada
Invertase (mRNA e actividade) durante o desenvolvimento do bago de uva
(Boss & Davies, 2001)
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
5
Sacarose sintase
Sacarose + UDP ßà UDP-glucose + frutose
Reacção reversível, mas in vivo, a enzima cataliza a degradação da sacarose.
Originalidades da mitocôndria vegetal
Semelhante à dos animais em:• Morfologia • Composição de fosfolípidos nas membranas• Cadeia de transporte de electrões via citocromo oxidase e
fosforilação oxidativa• Ciclo TCA
Diferente no que diz respeito a:• Taxa de consumo de O 2 (por unidade de prote ína) muito
maior nas mitocôndrias vegetais• Capacidade para oxidar NADH na ausência de citocromo c• Oxidação de ácidos gordos é muito baixa ou nula nas
mitocôndrias vegetais• Oxidação de ácidos orgânicos importante. Ciclo TCA pode ser
alimentado por malato.
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
6
Glicólise e fermentação alcoólica
Glicose
Hexoses-P
F-1,6-BiP e Trioses-P
Compostos C3 fosforilados
Piruvato
ATP
ADP
ATP
ADP
NAD+
NADH + H+
ADP
ATP
ADP
ATP
Ciclo TCACondições aeróbicas
AcetaldeídoCO2
Etanol
Condições anaeróbicas
Fosfofructocinase
Piruvato cinase
Regulação da glicólise
• Fosfofrutocinase (PFK, EC 2.7.1.11)
• PPi-fosfofrutocinase (PPK, EC 2.7.1.90)
• Piruvato cinase (PK, EC 2.7.1.40)
PiADPBiP-1,6-FrutoseATPP-6-Frutose PFK ++→+
ATPPiruvatoADPiruvatoFosfoenolp PK +→+
iBiP-1,6-FrutosePPiP-6-Frutose PPK P+ →←+
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
7
Ciclo dos ácidos tricarboxílicos
Citrato
cis-Aconitato
Isocitrato
α-Cetoglutarato
Succinato
Fumarato
Oxaloacetato
Malato
Piruvato Acetil-CoA
CO2
CO2
CO2
NAD+
NADH
NAD+
NADH
NADHNAD+
FADH2
FAD
GDPGTP
UQ
Complexo I
ComposiçãoÁcidos orgânicos
O teor em ácido málico decresce durante o amadurecimentoO teor em açúcar aumenta (geralmente)
KiwiQuínico
AmoraIsocítrico
EspinafreOxálico
Uva (~málico)Tartárico
Citrinos, ananás, morango, figo, hortícolas de folhas, tomate, batata
Cítrico
Uva, maçã, pêra, banana, pêssego, ameixa, cereja, brócolo, cenoura, alface, cebola
Málico
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
8
Oxidação do malato
Piruvato
Malato Acetil-CoA
Oxaloacetato
CO2
Citrato
Malato desidrogenase
Enzima málica
Piruvato desidogenase
Citrato sintase
PEPCO2
Transporte de electrõesNADH
Complexo I(NADH desidrogenase)
Complexo III(Citocromo bc1)
Complexo II(Succinato desidrogenase)
UQ
Citocromo c
Complexo IV(Citocromo oxidase)
O2
ADP + Pi
ATP
0,5 ADP + 0,5 Pi
0,5 ATP
ADP + Pi
ATP
Oxidase Alternativa
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
9
Efeito do etileno e cianeto na taxa de respiração
302012Cenoura
242211Beterraba
14143Batata
21167Limão
15015035Abacate
18166Maçã
CianetoEtilenoControloProduto
Libertação de O2 em µL.g-1.h-1
Kays (1997)
Cadeia de transporte de electrões na célula vegetal
(Siedow & Umbach, 1995)
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
10
Regulação do metabolismo em função da carga energética
Carga energética
Vel
ocid
ade
rela
tiva
Anabolismo
Catabolismo
Carga energética
% to
tal
ATPAMP
ADP
AMPADPATPADPATP
CE++
+=
5,0
ADPAMPATP 2→←+Adenilato cinase
Relação entre a carga energética e a incidência de acidentes fisiológicos internos em pêra
(Saquet et al, 2003)
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
11
Quociente respiratório
>> 1C6H12O6 à 2 C2H6O + 2 CO2 + 2 H2OFermentação
0,7C18H36O2 + 26O2 à 18 CO2 + 18 H2OÁcido esteárico
1,3C4H6O5 + 3 O2 à 4 CO2 + 3 H2OÁcido málico
1,0C6H12O6 + 6 O2 à 6 CO2 + 6 H2OGlucose
QREquação da respiraçãoSubstrato
Classificação de frutos com base no padrão respiratório durante o amadurecimento
MaracujáMeloaMirtiloNectarinaPapaiaPêraPêssegoTomate
AmoraAnanásAzeitonaCajuCerejaKumquatLaranjaLimaLimãoMalaguetaMelancia *
MorangoPimentoTomateiro arbóreoToranjaUva
AbacateAmeixaBananaCarambolaDamascoDiospiroFeijoaFigoFruta pãoGoiabaKiwiLitchi *
MaçãManga
Não-climactéricoClimactérico
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
12
Tamanho
“Janela de Oportunidade”
Respiração
Órgãos Climactéricos
Órgãos Não-climactéricos(Exemplo da uva)
Tamanho
Respiração
Pintor
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
13
O papel do climactérico respiratório?
• Energia necessária para a síntese de novas enzimas associadas ao amadurecimento
• Mas... • As necessidades são inferiores à energia produzida
durante o climactérico• Frutos não-climactéricos• É possível dissociar o climactérico respiratório de
algumas alterações associadas ao amadurecimento
• Resposta ao etileno?• Hipótese da quase-autonomia da
mitocôndria?
Efeito da concentração de O2 na taxa de respiração
8612745521215Morango
Temperatura (ºC)
484723Cebola
463456Batata
1230615--Tomate
25331119713Cenoura
304018201010Batata-primor
101581356Pepino
458025311516Alface
6012645451420Couve-flor
709035501417Couve-Bruxelas
7512745632528Espargo
3% O2Ar3% O2Ar3% O2Ar
20100Produto
Kays (1997)
Libertação de CO2 em mg.kg-1.h-1
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
14
Oxidases de elevado Km e de baixo Km
Equação de Michaelis-Menten
[ ][ ]SKSV
vm +
= max
Vmax
[S]Km
½.Vmax
[ ][ ]SKSV
v+
=2
1
max
K1/2 – Km aparente
Oxidases de baixo Km
• Citocromo c oxidase• K1/2 = 0,25 – 5 % O2
• Aumenta com a temperatura
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
15
Exemplos de oxidases (e oxigenases) de elevadoKm
• Polifenol oxidase (PPO)• o-di-hidroxifenois + O2 à o-benzoquinonas + H2O
• Lipoxigenase (LOX)• Motivo cis-cis-1,4-pentadieno• R-CH=CH-CH2-CH=CH-R’ + O2 à R-CH-CH-CH2-CH=CH-
R’
• Ácido linoleico (18:2 ∆9, 12) e linolénico
• ACC oxidase (ACO)• ACC + ½ O2 à C2H4 + CO2 + HCN
• Oxidase alternativa
OOH
(Saltveit, 2003)
Concentrações recomendadas de O2 e de CO2 para algumas hortaliças
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
16
Concentrações recomendadas de O2 e de CO2 para hortaliças que apresentam diferenças na mesma espécie
(Saltveit, 2003)
Atmosfera controlada
1929 Atmosfera controlada comercial
1965 “Low oxygen” (2%)
1978 “Ultra low oxygen” (1,2%)
Será possível encontrar uma composição da atmosfera óptima?
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
17
Etapas para a determinação da concentração de O2 óptima
(Saltveit, 2003)
Respiração de alface e danos provados pela anaerobiose em atmosferas com diferentes concentrações de O2
(Saltveit, 2003)
Nota: no caso da alface o limite inferior do nível de O2 pode ser maisbaixo do que o valor que induz fermentação pois os benefícios da reduçãodo acastanhamento enzimático são maiores do que os efeitos indesejáveis no aroma.
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
18
“Atmosfera prática de segurança” e os benefícios da redução do O2
MorangoK1/2 (20 ºC) = 1,0 kPa O2Fermentação < 1,2 kPa O2
Maçã pré-climactérica + MCPK1/2 (22 ºC) = 1,0 kPa O2Fermentação < 1,5 kPa O2
Maçã amadurecimentoK1/2 (22 ºC) = 9,0 kPa O2Fermentação < 2,5 kPa O2
Dentro do intervalo de temperaturas relevantes do ponto de vista fisiológico, a velocidade das reacções biológicas aumenta 2 a 3 vezes por cada aumento de 10 oC na temperatura.
Regra de Van’t Hoff e Q10
12
10
1
210
TT
RR
Q−
=
1.0-1.530-40
1.5-2.020-30
2.0-2.510-20
2.5-4.00-10
Valores do Q10Intervalo de temperatura (ºC)
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
19
Respiração: resumo
C6H12O6 + 6 O2 à 6 CO2 + 6 H2O + 686 kcal
108264192180Massa (g)
6661Moles
H2OCO2O2C6H12O6
Atmosfera controlada e modificada
Fisiologia e Tecnologia Pós-colheitaPós-graduação em FruticulturaInstituto Superior de Agronomia
Domingos P. F. Almeida
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
20
Atmosfera controlada
• Vantagens
• Inconvenientes
• Produtos que beneficiam da utilização comercial da AC/AM
Variáveis que podem ser controladas
1. Duração do armazenamento2. Temperatura3. Humidade relativa4. Concentração de O2
5. Concentração de CO2
6. Concentração de etileno
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
21
Evolução das recomendações para a maçã Cox’s Orange Pippin a 3,5 ºC em Inglaterra
198633<11
198031<11,25
196527<12
19352153
192016516
-13021
Data aproximada
Duração armazenamento
(semanas)
CO2
(%)O2
(%)
(In Thompson, 1998)
Problemas na determinação da composição óptima da atmosfera
• Variabilidade biológica
• Tecnologia de sensores e controladores
• Parâmetros mutuamente exclusivos
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
22
Elementos de uma câmara de AC (além da câmara frigorífica)
• Revestimento estanque
• Dispositivos de:• Regulação da concentração de CO2
• Regulação da concentração de O2
• Limitação das variações de pressão• Válvulas• Balão de compensação
• Analisadores• CO2• O2
• Eventualmente• Gerador de N2• Sistema informático de gestão da atmosfera
Colocação em regime
• Fecho da câmara quando estabelecido o equilíbrio térmico
• Redução do nível de O2
• Respiração (lento)• Purga com N2
(rápido)
• Elevação do nível de CO2
• Respiração
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
23
Sistemas de produção de N2
• Vantagens• Rápida colocação em regime
• Desvantagens• Custo de investimento• Custo de funcionamento
• Sistemas• PSA – Pressure Swing Adsorption• Membranas fibras ocas
PSA – Pressure Swing Adsorption
(Wills et al., 1998)
(Mazollier & Millet, 2002)Filtro molecular com carvão activado que retém o oxigénio
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
24
Membranas de fibras ocas
(Wills et al., 1998; Mazollier & Millet, 2002)
Controlo do O2
• Adição de O2• Ar atmosférico
• Remoção de O2
• Limites de tolerância• Concentração < 2%: ±0,15%• Concentração > 2%: ±0,30%
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
25
Controlo do CO2
• Adição de CO2
• Respiração• Botijas• Gelo seco (durante o transporte)
• Redução do CO2
• Sistemas não renováveis• Cal
Capacidade: 1 kg cal absorve 0,4 kg CO2
• Sistemas renováveis• Carvão activado• Filtro molecular: Silicato de aluminio cálcio
• Tolerância: ±0,5%
OHCaCOCOOHCa 2322)( +→+
Sistemas hipobáricos
• Armazenamento a pressão < patm
• Cálculo da concentração de O2
• Pressões• Variável: 40-380 mmHg
• Vantagem• Remoção do etileno
• Problema• Controlo da perda de água• Manter o ar com humidade relativa ~100%
exterior
câmaraO p
DPVpp
212
×−=
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
26
Controlo da câmara
Analisador de CO2: InfravermelhosAnalisador de O2 : Paramagnético
(Mazollier & Millet, 2002)
Atmosferas modificadas
• Embalagem em atmosfera modificada (MAP)
• Geradas pelo produto de forma passiva
• Modificadas activamente
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
27
Atmosfera modificada
(Moldão & Empis, 2000)
H2OCO2
O2
H2O CO2O2
Interiorembalagem
Modificação da atmosfera
Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia
28
Permeabilidade de alguns filmes
Permeabilidade de filmes com 25 µm a 25 ºC(cm3/m2/24h/atm)
5000049001250040-60CopolímeroEVA
760065026007-10PolietilenoPEad
420002800780018PolietilenoPEbd
CO2N2O2
Transmissão de vapor de
água (g/m2/24 h)
38 ºC/90% HRFilme