Changes in quality parameters during growth, cold storage and shelf life of ‘Conference’ pears: from orchard to consumer

Abstract

L'àrea de Lleida és una de les principals regions productores de pera del sud d'Europa, essent la ‘Conference’ la principal varietat de pera produïda. En els darrers 5 anys s'ha detectat una tendència decreixent en el consum de pera a Europa. Entre les raons de la disminució del consum reportat es troben els factors de qualitat, com la falta de gust i l’excessiva fermesa de la fruita, i la creixent exigència dels consumidors per productes lliures de químics. Aquests fets han promogut l’interès per comprendre els factors que afecten la evolució dels paràmetres de qualitat de la fruita durant el creixement en l’arbre, el període d’emmagatzematge en fred i la vida útil fins arribar al consumidor final. Durant el creixement en l’arbre, les condicions climàtiques i agronòmiques influeixen en la qualitat final de la fruita. Durant aquesta etapa, la fruita experimenta importants canvis morfològics i fisiològics fins a arribar a l'etapa de maduresa òptima en la collita, ja sigui en base una qualitat organolèptica o al potencial d’emmagatzematge. Desafortunadament, les tècniques més utilitzades per avaluar la qualitat en camp sovint es basen en mètodes destructius. A la primera part d'aquesta tesi (Part A), es descriuen aquests mètodes i s’investiguen les correlacions entre els mesuraments destructives i tecnologies modernes no destructives en pomes i peres, com l'espectrometria visible i els sensors acústics. Canvis en els paràmetres de qualitat es varen relacionar amb els canvis en la capacitat de producció d'etilè de les peres i amb la respiració. La forma i mida de la fruita es va digitalitzar mitjançant la tecnologia d’escaneig 3D. El diàmetre final del fruit es va predir un mes abans de la data òptima de collita. Els principals factors que causen la desvaloració comercial durant el període d'emmagatzematge en fred són la pèrdua de fermesa, el desenvolupament de sabors desagradables, l'aparició de trastorns fisiològics i la pèrdua de pes a causa de la deshidratació. Amb el creixent interès de disposar de fruita d'alta qualitat i lliures de químics durant tot l'any, la indústria alimentaria ha desenvolupat tècniques d'emmagatzematge capaces d’estendre la vida comercial de la fruita sense l'ús d’additius químics. Una de les tècniques recentment implementades és l’atmosfera controlada dinàmica (DCA). La qual consisteix a emmagatzemar la fruita en atmosferes baixes d'oxigen per alentir el metabolisme de la fruita i ajustar dinàmicament les concentracions de gasos en funció de l'estat fisiològic de la fruita. L'ús d'aquest tipus d'atmosfera requereix un control precís de la resposta fisiològica de la fruita, ja que el marge entre el punt de compensació anaeròbic i l’inici de la fermentació de la fruita és molt petit. Actualment es comercialitzen diferents tècniques de monitoratge de l'estat fisiològic de la fruita basades en l'anàlisi de l'evolució de la fluorescència de la clorofil·la, el mesurament continu del quocient respiratori, el contingut d'etanol, tant en la polpa de la fruita com en l'atmosfera de la cambra freda. Malgrat això, l'ús d'aquestes tècniques ha estat envoltat d'una certa controvèrsia, doncs els resultats no són sempre reproduïbles. En la Part B de la tesi es van dur a terme tres estudis durant el període d'emmagatzematge en fred de la fruita. En el primer estudi es va realitzar una comparació de tres tècniques comercials de monitoratge de DCA. En el segon estudi es va analitzar l'efecte sobre la qualitat final de la pera conservada sota diferents nivells baixos d'oxigen en fred i com tals condicions van afectar les emissions de compostos volàtils orgànics (VOC). Es va descobrir que la pera ‘Conference’ emmagatzemada durant 8 mesos sota tals condicions de DCA va mantenir la fermesa de la fruita pràcticament constant als valors observats en la collita. Les anàlisis periòdiques dels VOCs induïts durant l'emmagatzematge en fred van assenyalar que alguns d'ells podrien utilitzar-se com a indicadors de l'estat de la fruita i així poder regular les concentracions de gasos. El tercer estudi es va dedicar a la pèrdua de pes de la fruita durant l'emmagatzematge en fred. Es va desenvolupar un sistema per monitoritzar contínuament la pèrdua de pes i l'assentament de la fruita dins la cambra. Es va trobar una correlació entre la pèrdua de pes de la fruita i l'assentament de la massa de la fruita, obrint un nou camí al monitoratge continu de la pèrdua de pes. La Part C de la tesi inclou dos estudis sobre l'evolució de la qualitat de la fruita durant la vida útil, després del període d'emmagatzematge en fred. Durant aquest període, els canvis fisiològics es produeixen ràpidament, amb un estovament de la fruita i una pèrdua de les propietats de qualitat organolèptica. El primer estudi va tractar d'aclarir la relació entre els paràmetres mesurables de qualitat de la fruita i la satisfacció del consumidor proporcionada per l'anàlisi sensorial. Es va descobrir que els èsters i la fermesa de la fruita juguen un paper clau en la definició de l'acceptació del consumidor. La millor acceptació per part dels consumidors es va trobar al tercer dia de vida útil en peres emmagatzemades durant 8 mesos sota condicions de DCA. El segon estudi va analitzar la no uniformitat espacial dels processos de maduració en la polpa del fruit. La distribució espacial dels components bioquímics, l'activitat fisiològica i els VOC es va mesurar en diferents ubicacions de carn. Es va descobrir que el contingut de fructosa va disminuir cap a l’interior del fruit, des de la pell fins al cor, mentre que la glucosa i la sucrosa van augmentar. L’àcid màlic, junt amb la capacitat antioxidant i els compostos fenòlics totals (TPC), van mostrar un mínim en el punt mig entre la pell i el cor. També es va trobar que els VOC emesos de forma natural per les peres podrien aplicar-se com fungicides capaços d'inhibir els agents patògens de P. expansum i R. stolonifer. Els resultats d'aquesta tesi proporcionen informació detallada que pot ajudar a augmentar la qualitat de la fruita quan arriba al consumidor final.

El área de Lleida es una de las principales regiones productoras de pera del sur de Europa, siendo ‘Conference’ la principal variedad de pera producida. En los últimos 5 años se ha detectado una tendencia decreciente en el consumo de pera. Entre las razones de la disminución del consumo reportado se encuentran los factores de calidad, como la falta de sabor y la excesiva firmeza de la fruta, y la creciente exigencia de los consumidores de productos libres de químicos. Estos hechos promovieron el interés en comprender los factores que afectan la evolución de la calidad de la fruta sin el uso de productos químicos durante el crecimiento en árbol, el período de almacenamiento y la vida útil hasta el consumidor final. Durante el crecimiento en árbol, las condiciones climáticas y agronómicas influyen en la calidad final de la fruta. Durante esta etapa, la fruta experimenta importantes cambios morfológicos y fisiológicos hasta alcanzar la madurez óptima de cosecha, ya sea en base a una calidad organoléptica o potencial de almacenamiento. Desafortunadamente, las técnicas más comunes utilizadas para evaluar la calidad del fruto en campo a menudo se basan en métodos destructivos. En la primera parte de esta tesis (Parte A), se describen dichos métodos y se investigan las correlaciones entre las mediciones destructivas y las tecnologías modernas no destructivas en manzanas y peras, como la espectrometría visible y los sensores acústicos. Cambios en los parámetros de calidad se relacionaron con cambios en la capacidad de producción de etileno y con la respiración de la fruta. La forma y tamaño de la fruta fueron digitalizados mediante la tecnología emergente de escaneo 3D. El diámetro final se predijo con un mes de antelación a la fecha óptima de cosecha. Los principales factores que causan la pérdida de valor comercial durante el período de almacenamiento son la pérdida de firmeza, el desarrollo de sabores desagradables, la aparición de trastornos fisiológicos y la pérdida de peso debido a la deshidratación. Con el creciente interés de disponer de fruta de alta calidad y libres de aditivos sintéticos durante todo el año, la industria alimentaria ha desarrollado técnicas de almacenamiento capaces de extender la vida comercial de la fruta sin el uso de aditivos químicos. Una de las técnicas recientemente implementadas es la atmósfera controlada dinámica (DCA). Esta consiste en almacenar la fruta en atmósferas con bajas concentraciones de oxígeno para ralentizar el metabolismo de la fruta y luego ajustar dinámicamente las concentraciones de gases dependiendo del estado fisiológico de la fruta. El uso de este tipo de atmósferas requiere un control preciso de la respuesta fisiológica de la fruta, ya que el margen entre el punto de compensación anaeróbico y el comienzo de la fermentación de la fruta es muy pequeño. Actualmente, se dispone en el mercado de diferentes técnicas de monitoreo del estado fisiológico de la fruta, como el análisis de la evolución de la fluorescencia de la clorofila, la medición continua del cociente respiratorio, o el contenido de etanol tanto en la pulpa de la fruta como en la atmósfera de la cámara. Sin embargo, el uso de estas técnicas está rodeado de una cierta controversia, ya que los resultados no son siempre reproducibles. En la Parte B de esta tesis se realizaron tres estudios diferentes durante el período de almacenamiento en frío de la fruta. En el primero se efectuó una comparación entre tres técnicas de monitoreo de DCA. En el segundo se analizó el efecto de niveles bajos de oxígeno durante la conservación en la calidad final de la pera y cómo tales condiciones afectaron las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (VOCs). Se descubrió que la pera ‘Conference’ almacenada durante 8 meses bajo dichas condiciones de DCA mantuvo su firmeza casi a los valores observados en el momento de la cosecha. Análisis periódicos de los compuestos VOCs inducidos durante el almacenamiento en frío señalaron que algunos de ellos podrían usarse como indicadores del estado fisiológico de la fruta y ser utilizados para controlar la composición de los gases de la atmosfera. El tercer estudio se dedicó a analizar la pérdida de peso de la fruta durante el almacenamiento en frío. Se desarrolló un sistema para monitorizar continuamente la pérdida de peso y el asentamiento de la fruta dentro de la cámara. Se encontró una correlación entre la pérdida de peso y el asentamiento de la masa de la fruta, abriendo camino a una monitorización continua y simple de la pérdida de peso. La Parte C de esta tesis incluye dos estudios sobre la evolución de la calidad de la fruta durante la vida útil. Durante este período, los cambios fisiológicos se producen rápidamente, con un ablandamiento de la fruta y una pérdida de las propiedades de calidad organoléptica. El primer estudio analizó relaciones entre los parámetros medibles de calidad de la fruta y la satisfacción del consumidor proporcionada por el análisis sensorial. Se observó que los ésteres y la firmeza de la fruta juegan un papel clave en la definición de la aceptación del consumidor. La mejor aceptación por parte de los consumidores se encontró al tercer día de vida útil en peras almacenadas durante 8 meses bajo condiciones de DCA. El segundo estudio se encargó de estudiar la heterogeneidad espacial en la pulpa del fruto en los procesos de maduración. La distribución espacial de los componentes bioquímicos, la actividad fisiológica y los VOCs se midió en diferentes ubicaciones de la pulpa. Se encontró que el contenido en fructosa disminuyó hacia el interior del fruto, des de la piel hasta el corazón, mientras que la glucosa y la sacarosa aumentaron. El ácido málico, junto con la capacidad antioxidante y los compuestos fenólicos totales (TPC), tuvieron un mínimo en el punto medio entre la piel y el corazón. También se encontró que, algunos de los VOCs naturales emitidos por las peras podrían aplicarse como fungicidas, siendo capaces de inhibir el crecimiento de P. expansum y R. stolonifer. Los resultados de esta tesis proporcionan información detallada que pueden ayudar a aumentar la calidad de la fruta cuando llega al consumidor.

The area around Lleida is one of the main pear producing regions in southern Europe, being ‘Conference’ pear the main produced variety. Over the past 5 years, a decreasing trend in pear consumption in Europe has been reported. Among the reasons for the reported consumption decrease are quality factors, like the lack of flavor and excessive fruit firmness, and the growing consumer’s exigence of chemical free products. These facts promoted the interest in understanding the factors affecting the evolution of fruit quality parameters during on-tree growth, the cold storage period, and the shelf-life until the end consumers. During on-tree growth, both climatic and agronomic conditions influence fruit quality. During this stage, fruit undergoes important morphological and physiological changes until achieving the optimal maturity stage at harvest, either based on palatable quality or storage potential. Unfortunately, the most common techniques used to evaluate quality on the orchard are often based on destructive methods. In the first part of this thesis (Part A), such methods were described and correlations between destructive measurements and non-destructive modern technologies such as visible spectrometry and acoustic sensors were investigated both in apples and pears. Changes in quality parameters were related to changes in the fruit ethylene production capacity or fruit respiration. Using the emerging 3D scanning technology the shape and size of the fruit was digitized. The final fruit diameter was predicted one month in advance to the optimal harvest date. Main factors responsible for the loss of commercial value during the cold storage period are loss of fruit firmness, development of off-flavors, appearance of physiological disorders, and weight-loss due to dehydration. With the growing consumer’s demand for high quality and chemical-free fruit during all year round, the fruit industry has developed storage techniques capable of extending the commercial life of fruit without the use of chemicals. One of the recently implemented technique, known as dynamic controlled atmosphere (DCA), consists in cold storing the fruit under low oxygen atmospheres in order to slow down the fruit metabolism and then dynamically adjust the gases concentration depending on the fruit physiological state. The use of this type of atmospheres requires a precise control of the physiological response of the fruit, since the margin between the anaerobic compensation point and the beginning of fruit fermentation is very narrow. Different monitoring techniques of the physiological state of the fruit, such as analysis of the chlorophyll fluorescence evolution, continuous measurement of the respiratory quotient, and determination of ethanol content, both in fruit pulp and in the cold room’s atmosphere, are currently available on the market. However, the use of these techniques has been surrounded by a certain controversy since results are not always reproducible. In Part B of this thesis, three different studies were carried out during the fruit cold storage period. In the first study, a comparison of three commercially available DCA monitoring techniques was done. The second study assessed the effect of different low oxygen levels during cold-storage on the final pear quality and how these conditions affected the emission of volatile organic compounds (VOCs). It was found that ‘Conference’ pears stored for up to 8 months under such DCA conditions maintained the fruit firmness nearly to the values observed at harvest. Periodic analyses of the induced VOCs during the cold storage period pointed out that some of them could be used as indicators of the fruit’s physiological state in order to control the gas concentrations appropriately. The third study was dedicated to the fruit weight loss during cold storage. A system to continuously monitor weight loss and fruit settlement inside the cold room was developed. A quite simple correlation between fruit weight loss and fruit mass settlement was found, opening the way to a simple continuous monitoring of weight loss. Part C of this thesis includes two studies concerning the fruit quality evolution during shelf life after the cold storage period. In this period physiological changes occur rapidly, with a softening of the fruit and a loss of the organoleptic quality properties. The first study analyzed the relationship between measurable fruit quality parameters and the consumer’s satisfaction provided by sensory analysis. It was found that esters and fruit firmness play a key role in defining the consumer’s acceptance. The best consumer acceptance of pears stored under DCA for 8 months was found at day 3 of shelf life. The second study dealt with the spatial non-uniformity in the fruit flesh of the ripening processes. The spatial distribution of biochemical compounds, physiological activity and VOCs was measured at different flesh locations. It was observed that fructose content decreased inwards, from the skin to the core, while glucose and sucrose increased. Malic acid, together with antioxidant capacity and total phenolic compounds (TPC), had a minimum at mid-point in the flesh between skin and core. It was also found that naturally emitted VOCs could be applied as fungicides being able of inhibiting the growth of the pathogens P. expansum and R. stolonifer. Results from this thesis provide detailed insights that could help to increase the quality of the fruit reaching the final consumer.