Respiração e efeitos da composição da atmosfera

Respiração e efeitos da composição da atmosfera

Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita Pós-graduação em Fruticultura

Instituto Superior de Agronomia Domingos P. F. Almeida

Taxas de respiração

Espargo, brócolo, cogumelos, ervilha fresca, espinafre, milho-doce

>60 Extremamente alta

Alcachofra, feijão-verde, couve-de- Bruxelas, flores cortadas

40 – 60 Muito alta

Morango, framboesa, amora, couve- flor, abacate

20 – 40 Alta

Damasco, banana, cereja, pêssego, nectarina, pêra, ameixa, figo, couve, canoura, alface, pimento, tomate 10 – 20

Moderada

Maçã, citrinos, uva, kiwi, cebola, batata

5 – 10 Baixa

Nóz, avelã, castanha, amêndoa, tâmara

<5 Muito baixa

Produtos Respiração

a 5 ºC (mg CO₂.kg^-1.h^-1) Classe

Teor de açúcares em frutos

1,0 7,0

2,4 10,0

Pêra

Sacarose Frutose

Glucose Total

Fruto

8,2 23,7

32,0 61,0

Tâmara

7,3 8,2

14,8 Uva

7,9 1,4

2,3 12,3

Ananás

3,6 6,1

1,7 11,6

Maçã

1,2 1,6

2,8 Tomate

0,7 Lima

0,4 Abacate

(% peso fresco)

Kays (1997)

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 ?

Invertase

Sacarose + H

O 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)

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 O₂(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.

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 TCA

Condições aeróbicas

Acetaldeído CO

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)

Pi ADP BiP

- 1,6 - Frutose ATP

P - 6 - Frutose

PFK

 + +

→

 +

ATP Piruvato

ADP iruvato

Fosfoenolp +  →

+

i BiP - 1,6 - Frutose PPi

P - 6 -

Frutose + ←  →

 + P

Ciclo dos ácidos tricarboxílicos

Citrato

cis-Aconitato

Isocitrato α-Cetoglutarato Succinato

Fumarato Oxaloacetato

Malato Piruvato Acetil-CoA

CO

CO

CO

NAD⁺ NADH NAD⁺ NADH NADH

NAD⁺

FADH₂ FAD

GDP UQ GTP

Complexo I

Composição

Ácidos orgânicos

O teor em ácido málico decresce durante o amadurecimento O teor em açúcar aumenta (geralmente)

Kiwi Quínico

Amora Isocítrico

Espinafre Oxálico

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

Oxidação do malato

Piruvato

Malato Acetil-CoA

Oxaloacetato CO

Citrato

Malato desidrogenase

Enzima málica

Piruvato desidogenase

Citrato sintase

CO

PEP

Transporte de electrões

NADH

Complexo I (NADH desidrogenase)

Complexo III (Citocromo bc

) Complexo II

(Succinato desidrogenase) UQ

Citocromo c Complexo IV (Citocromo oxidase)

O

ADP + Pi ATP

0,5 ADP + 0,5 Pi 0,5 ATP

ADP + Pi ATP

Oxidase Alternativa

Efeito do etileno e cianeto na taxa de respiração

30 20

12 Cenoura

24 22

11 Beterraba

14 14

3 Batata

21 16

7 Limão

150 150

35 Abacate

18 16

6 Maçã

Cianeto Etileno

Controlo Produto

Libertação de O

em µL.g

.h

Kays (1997)

Cadeia de transporte de electrões na célula vegetal

(Siedow & Umbach, 1995)

Regulação do metabolismo em função da carga energética

Carga energética

Velocidade relativa

Anabolismo

Catabolismo

Carga energética

% total

ATP AMP

ADP

AMP ADP

ATP

ADP CE ATP

+ +

= + 0 , 5

ADP AMP

ATP + ← → 2

Adenilato cinase

Relação entre a carga energética e a incidência de acidentes fisiológicos internos em pêra

(Saquet et al, 2003)

Quociente respiratório

>> 1 C

H

O

2 C

H

O + 2 CO

+ 2 H

O

Fermentação

0,7 C

H

O

+ 26 O

18 CO

+ 18 H

O

Ácido esteárico

1,3 C

H

O

+ 3 O

4 CO

+ 3 H

O

Ácido málico

1,0 C

H

O

+ 6 O

6 CO

+ 6 H

O

Glucose

QR Equação da respiração

Substrato

Classificação de frutos com base no padrão respiratório durante o amadurecimento

Maracujá Meloa Mirtilo Nectarina Papaia Pêra Pêssego Tomate

Amora Ananás Azeitona Caju Cereja Kumquat Laranja Lima Limão Malagueta Melancia ^* Morango Pimento

Tomateiro arbóreo Toranja

Uva Abacate

Ameixa Banana Carambola Damasco Diospiro Feijoa Figo Fruta pão Goiaba Kiwi Litchi^* Maçã Manga

Não-climactérico

Climactérico

Tamanho

“Janela de Oportunidade ”

Respiraç ão

Órgãos Climactéricos

Órgãos Não-climactéricos

(Exemplo da uva)

Tamanho

Respiraç ão Pintor

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 O

na taxa de respiração

86 127 45

52 12

15 Morango

Temperatura (ºC)

4 8

4 7

2 3

Cebola

4 6

3 4

5 6

Batata

12 30

6 15 -

- Tomate

25 33

11 19

7 13

Cenoura

30 40

18 20

10 10

Batata-primor

10 15

8 13 5

6 Pepino

45 80

25 31

15 16

Alface

60 126 45

45 14

20 Couve-flor

70 90

35 50

14 17

Couve-Bruxelas

75 127 45

63 25

28 Espargo

3% O₂ Ar

3% O₂ Ar

3% O₂ Ar

20 10

Produto

Kays (1997)

Libertação de CO

em mg.kg

.h

Oxidases de elevado Km e de baixo Km

Equação de Michaelis-Menten

[ ] [ ] ^S

K S v V

m

+

=

V_max

[S]

K_m

½.V_max

[ ] [ ] ^S

K S v V

= +

12 max

K_1/2– K_maparente

Oxidases de baixo Km

• Citocromo c oxidase

• K

= 0,25 – 5 % O

• Aumenta com a temperatura

Exemplos de oxidases (e oxigenases) de elevado Km

• Polifenol oxidase (PPO)

•

O

• Lipoxigenase (LOX)

• Motivo cis-cis-1,4-pentadieno

• R-CH=CH-CH2-CH=CH-R’ + O₂àR-CH-CH-CH2-CH=CH- R’

• Ácido linoleico (18:2 ∆9, 12) e linolénico

• ACC oxidase (ACO)

• ACC + ½ O

C

H

+ CO

+ HCN

• Oxidase alternativa

OOH

(Saltveit, 2003)

Concentrações recomendadas de O

e de

CO

para algumas hortaliças

Concentrações recomendadas de O

e de CO

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?

Etapas para a determinação da concentração de O ₂ óptima

(Saltveit, 2003)

Respiração de alface e danos provados pela anaerobiose em atmosferas com diferentes concentrações de O

(Saltveit, 2003)

Nota: no caso da alface o limite inferior do nível de O₂pode ser mais baixo do que o valor que induz fermentação pois os benefícios da redução do acastanhamento enzimático são maiores do que os efeitos indesejáveis no aroma.

“Atmosfera prática de segurança” e os benefícios da redução do O

Morango

K_1/2(20 ºC) = 1,0 kPa O₂ Fermentação < 1,2 kPa O₂

Maç ã pré-climactérica + MCP K_1/2(22 ºC) = 1,0 kPa O₂

Fermentação < 1,5 kPa O₂ Maç ã amadurecimento K_1/2(22 ºC) = 9,0 kPa O₂ Fermentação < 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

C na temperatura.

Regra de Van’t Hoff e Q ₁₀

1 2

10

1 2 10

T T

R Q R

−

 

 

=

1.0-1.5 30-40

1.5-2.0 20-30

2.0-2.5 10-20

2.5-4.0 0-10

Valores do Q

Intervalo de temperatura

(ºC)

Respiração: resumo

C

H

O

+ 6 O

à 6 CO

+ 6 H

O + 686 kcal

108 264

192 180

Massa (g)

6 6

6 1

Moles

H₂O CO₂

O₂ C₆H₁₂O₆

Atmosfera controlada e modificada

Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita

Pós-graduação em Fruticultura

Instituto Superior de Agronomia

Atmosfera controlada

• Vantagens

• Inconvenientes

• Produtos que beneficiam da utilização comercial da AC/AM

Variáveis que podem ser controladas

1. Duração do armazenamento 2. Temperatura

3. Humidade relativa

4. Concentração de O

5. Concentração de CO

6. Concentração de etileno

Evolução das recomendações para a maçã Cox’s Orange Pippin a 3,5 ºC em Inglaterra

1986 33

<1 1

1980 31

<1 1,25

1965 27

<1 2

1935 21

5 3

1920 16

5 16

- 13

0 21

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

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 O

• Respiração (lento)

• Purga com N₂ (rápido)

• Elevação do nível de CO

• Respiração

Sistemas de produção de N ₂

• Vantagens

• Rápida colocação em regime

• Desvantagens

• Custo de investimento

• Custo de funcionamento

• Sistemas

• PSA –

• Membranas fibras ocas

PSA – Pressure Swing Adsorption

(Wills et al., 1998)

(Mazollier & Millet, 2002)

Filtro molecular com

carvão activado que retém o oxigénio

Membranas de fibras ocas

(Wills et al., 1998; Mazollier & Millet, 2002)

Controlo do O ₂

• Adição de O

• Ar atmosférico

• Remoção de O

• Limites de tolerância

• Concentração < 2%: ±0,15%

• Concentração > 2%: ±0,30%

Controlo do CO ₂

• Adição de CO

• Respiração

• Botijas

• Gelo seco (durante o transporte)

• Redução do CO

• Sistemas não renováveis

• Cal

Capacidade: 1 kg cal absorve 0,4 kg CO₂

• Sistemas renováveis

• Carvão activado

• Filtro molecular: Silicato de aluminio cálcio

• Tolerância:

O H CaCO CO

OH

Ca ( )

+

→

+

Sistemas hipobáricos

• Armazenamento a pressão < p

• Cálculo da concentração de O

• Pressões

• Variável: 40-380 mmHg

• Vantagem

• Remoção do etileno

• Problema

• Controlo da perda de água

• Manter o ar com humidade relativa ~100%

exterior câmara

O

p

DPV

p p 21

2

×

= −

Controlo da câmara

Analisador de CO

: Infravermelhos Analisador de O

: Paramagnético

(Mazollier & Millet, 2002)

Atmosferas modificadas

• Embalagem em atmosfera modificada (MAP)

• Geradas pelo produto de forma passiva

• Modificadas activamente

Atmosfera modificada

(Moldão & Empis, 2000)

H

O

CO

O

H

O O

CO

Interior embalagem

Modificação da atmosfera

Permeabilidade de alguns filmes

Permeabilidade de filmes com 25 µm a 25 ºC

(cm³/m²/24h/atm)

50000 4900

12500 40-60

Copolímero EVA

7600 650

2600 Polietileno 7-10

PEad

42000 2800

7800 Polietileno 18

PEbd

CO₂ N₂

O₂ Transmissão

de vapor de água (g/m²/24 h) 38 ºC/90% HR Filme