Appunti di fisiologia e qualita dei prodotti ortofrutticoli

Fisiologia post raccolta e qualità dei prodotti ortofrutticoli

La fisiologia intro e il funzionamento frigorifero

Quando il vegetale viene staccato dalla pianta ha solo output e nessun input, subendo così un deperimento e la successiva senescenza. Da un punto di vista ambientale e nutrizionale bisogna rallentare questo fenomeno al fine di fornire al consumatore il massimo potere nutrizionale.

La freschezza di un prodotto ortofrutticolo può essere mantenuta dalle celle frigorifere alla cui base vi è un funzionamento frigorifero: il freddo è la tecnologia principale di conservazione e il funzionamento di questo impianto si basa sulla gestione termica di un fluido che passa dallo stato liquido a quello gassoso; per cambiare di stato ha bisogno di energia e sfrutta il calore ambientale, refrigerando. Il fluido più adatto è l’ammoniaca ma a causa della sua tossicità non è più impiegata, mentre per i frigoriferi domestici si utilizzano dei liquidi particolari (NB l’acqua non va bene come fluido refrigerante!).

Il circuito frigorifero è diviso in due zone, una ad alta pressione e una a bassa pressione e parte da un compressore che comprime, raffreddando, il fluido sotto forma di gas, facendolo passare allo stato liquido (aumento di pressione). Quindi lo immette in un condensatore, dove si raccoglie, al quale segue una valvola a espansione che, se aperta, permette l’ingresso del liquido nel circuito a bassa pressione, evaporando. Per evaporare, questo liquido ha bisogno di energia che preleva dall’ambiente sotto forma di calore mentre scorre nella serpentina retrostante il frigo; una volta che è tutto evaporato rientra nel compressore e ricomincia il ciclo.

Nei freezer ci sono altri termostati che regolano la temperatura a -18°C e devono essere sbrinati frequentemente poiché il ghiaccio costituisce un ottimo isolante: per farlo si deve svuotare e spegnere, quindi si pone all’interno una pentola di acqua bollente e una volta sbrinato si accende e si riempie nuovamente.

Il frigorifero rappresenta la fonte di contaminazione più frequente per gli alimenti, in particolare dove c’è il punto di raccolta dell’acqua che sgocciola (brodo colturale di eventuali patogeni).

La fisiologia post-raccolta

La fisiologia post-raccolta è una scienza pragmatica (si adatta e cambia idee affinché sia il più proficua possibile) che si occupa delle modificazioni fisiologiche e biochimiche che avvengono durante la maturazione e la senescenza delle specie ortofrutticole economicamente interessanti. Le sue caratteristiche principali sono che:

• È centrata su prodotti agricoli.
• Dipende da ciò che è avvenuto prima, in campo o in serra. Oggi si sceglie di coltivare una varietà piuttosto che un’altra perché sopporta bene il trasporto, il lavaggio ecc.
• Rappresenta la soluzione ai problemi che si presentano basandosi su forti ricerche di base.
• È un ottimo esempio di scienza multidisciplinare che collabora anche con la tecnologia e divulgazione tecnica al fine di informare anche il consumatore.

Tra le competenze di un fisiologo rientrano la conoscenza di come la pianta cresce e si sviluppa e di cosa le accade dopo la raccolta. Inoltre deve preoccuparsi anche di cosa avviene in fase di lavorazione (es. ciliegino tagliato per la IV gamma potrebbe essere soggetto a imbrunimento). I fattori condizionanti sono l’ambiente, la temperatura (condiziona le reazioni biologiche), umidità relativa, luce e composizione atmosferica, tutte in funzione ovviamente della cultivar (ovvero varietà appartenenti a una stessa specie ma selezionate dall’ingegneria genetica al fine di ottenere miglioramenti).

Cenni storici

L’uomo è diventato stanziale quando ha scoperto le potenzialità del seme e dell’allevamento degli animali. Dopo la scoperta di alcuni eventi come essiccazione, affumicamento, fermentazione, oleificazione si sono trasformati prodotti facilmente deperibili in prodotti facilmente conservabili ma per molti secoli non si sono conosciute le cause che regolavano questi processi e pertanto non venivano controllati.

Si dovette aspettare fino al 1860 quando Pasteur scoprì la scienza microbiologica e si cominciarono a controllare i parametri dei diversi processi fino all’ottenimento di un prodotto standard. Con la sempre crescente urbanizzazione è diventato di importanza via via sempre maggiore far arrivare i cibi nei centri abitati nelle migliori condizioni possibili.

La fisiologia post-raccolta ricopre anche un’importanza economica poiché dal 1985 la FAO non finanzia più i progetti agricoli se questi non prevedono una fase di post-raccolta, in quanto il prodotto deperirebbe molto più in fretta. Le tecniche post-raccolta sono volte a portare a tavole cibo con un buon potenziale nutrizionale e a diminuire gli sprechi alimentari. Buttare via un prodotto, infatti, comporta un’ingente perdita economica in quando per la sua produzione vengono impiegati manodopera, terreni, impianti ecc. A livello mondiale si ha circa il 40% degli scarti e il punto critico di tutta la filiera è rappresentato dalla vendita al dettaglio (il piccolo commerciante non è esperto in materia di conservazione).

Il prodotto può andare perduto a causa di modificazioni al prodotto stesso (l’avvizzimento è la causa principale) aumentando così i costi (materiale, energia, smaltimento) e provocando rincari sul prezzo al consumatore. Le cause sono diverse e possono essere dovute a:

• Fattori endogeni: respirazione, traspirazione ecc.
• Fattori ambientali: temperatura, umidità relativa ecc.
• Patogeni: funghi, batteri e infestanti.

Queste perdite si contengono selezionando varietà adatte, stabilendo il corretto momento di raccolta (il prodotto non deve essere né sovramaturo né eccessivamente acerbo), effettuando una selezione preliminare e una prerefrigerazione, tramite una corretta lavorazione e conservazione, un confezionamento idoneo e un trasporto consono al prodotto (es trasporto aereo per prodotti ad alto valore aggiunto). Il punto vendita deve vendere prodotti freschi e il consumatore deve essere educato a conservare correttamente.

La respirazione

Quali sono gli aspetti fisiologici che caratterizzano un frutto o un ortaggio una volta staccato dalla pianta? Fintanto che è attaccato alla pianta vi è un interscambio dinamico con l’ambiente, una volta staccato diventa un sistema isolato la cui sopravvivenza è limitata all’utilizzo di sostanze di riserva, in relazione con le caratteristiche ambientali, per poter durare più o meno a lungo. La conoscenza degli aspetti fisiologici è di grande importanza per la gestione del prodotto post raccolta. La finalità primaria è ridurre al minimo il deperimento di questo prodotto, ovvero ridurre al minimo le perdite di valore nutrizionale (si tratta di alimenti nutrizionali interessanti e importanti dal momento che non si possono acquisire in altro modo, a meno che non si utilizzino integratori ecc).

L’aspetto fisiologico per noi più importante è il controllo della respirazione, reazione alla base della vita che prevede il riciclo del carbonio nella biosfera a dare 6CO₂ + 6H₂O + 673 kcal/mol delle quali 38 ATP e 392 kcal. La respirazione produce quindi energia per la vita fornendo ATP, energia chimica utilizzabile per altri processi biologici MA ciò che avanza viene disperso come calore nell’ambiente, ambiente nel quale noi conserviamo questi prodotti. Stando alla legge di Van’t Hoff qualunque reazione biologica aumenta la sua velocità all’aumentare della temperatura e per questo motivo i prodotti raccolti aumenteranno la velocità di respirazione consumando più velocemente il glucosio (che è stoccato nei vegetali sotto forma di amido), aumentano le reazioni di tipo enzimatico (intenerimento, attività cellulari ecc) e il prodotto, essendo ormai un sistema isolato, consuma molto rapidamente tutte le sostanze di riserva che gli avrebbero garantito una durata un po’ più lunga. Per questo motivo si deve conservare refrigerato in un frigorifero che deve essere dimensionato in modo da eliminare questo calore/kg di frutta (nel caso di stoccaggio a livello industriale si effettua anche un recupero di calore utilizzato per altre attività).

La respirazione viene definita come un “insieme di reazioni ossidative e produttrici di energia per la materia vivente”. È un processo di vita fondamentale, difatti è una delle reazioni che si interrompe solo in condizioni estreme (per es. può avvenire anche in ambienti con l’1% di O₂ ambientale, che equivale allo 0.2% nella cella) e si basa sulle due leggi della termodinamica:

1. L’energia né si crea né si distrugge: tutta l’energia contenuta nei substrati si ritrova nei prodotti (CO₂, H₂O e Q); la respirazione avviene dapprima nel citoplasma ove il glucosio, in ambiente anaerobico, viene trasformato in acido piruvico, poi nelle creste mitocondriali avviene il ciclo di Krebs e la successiva catena di trasporto degli elettroni. Quest’ultima fase avviene in ambiente aerobico. Ogni 180g di glucosio vengono ossidati 192g di O₂ a dare i prodotti. NB: questa è una reazione molto inefficiente in quanto la resa in ATP è solo del 41%! Il motivo principale è perché deve avere un margine di recupero che le permetta di avvenire anche nelle condizioni più estreme.
2. L’entropia di un sistema aumenta nel tempo: gli esseri viventi sono in continuo scambio dinamico con l’ambiente che tende a diminuire il livello di entropia (grado di disordine) del sistema. In realtà, essendo il nostro prodotto un sistema isolato dall’ambiente, tranne un minimo di scambio gassoso, l’entropia aumenta.

Il sistema è così inefficiente perché a 25°C l’ossidazione del glucosio rende 673 kcal e una molecola di ATP ne contiene 7.4 kcal, quindi 7.4x38=281.2 kcal; ne restano 392 e nel trasporto degli elettroni, ogni coppia elettronica potrebbe perdere 56 kcal producendo così 8 ATP (56:7.4=8) MA ci sono solamente tre punti in cui il ΔG è superiore a 7.4 kcal per produrre una molecola di ATP (laddove è inferiore non vi è energia sufficiente alla produzione della molecola). L’energia eccedente viene dispersa sotto forma di calore.

In caso ci siano situazioni che compromettano la respirazione tradizionale come per es la mancanza di O₂ può subentrare un’altra respirazione conosciuta come “respirazione anaerobica” che è molto interessante, anche detta fermentazione o lievitazione. Questa è alla base di molti processi della tecnologia alimentare, utilizzati nel corso dei millenni per conservare gli alimenti MA per noi rappresenta un problema. L’ossidasi terminale nella catena di trasporto degli elettroni è il citocromo A/A3 che ha un’elevatissima affinità per l’ossigeno e lavora bene a basse concentrazioni e basse temperature; a concentrazioni inferiori allo 0.2% il sito non è più saturato e per mantenere la stessa fornitura energetica di 38 ATP subentra la decarbossilazione del piruvato che produce etanolo, anidride carbonica, 2 ATP e prodotti secondari (in genere aldeidi e chetoni). Per mantenere una fornitura energetica equivalente, quindi, il processo dovrà essere 19 volte più veloce della respirazione aerobica.

All’aumentare della CO₂ si ha una riduzione del consumo di O₂ e la produzione di off flavours: per noi è importante evitarla perché l’etanolo è una sostanza molto tossica e lesiva delle strutture cellulari che porta ad avere un prodotto imbrunito e maleodorante. Tuttavia utilizziamo molto la riduzione dell’O₂ e l’aumento della CO₂ per ridurre al minimo il metabolismo e il consumo delle sostanze di riserva e per prolungare la vita post raccolta tramite per esempio frigoriferi ad atmosfera controllata.

Gli aspetti tecnologici della respirazione interessano tantissimo chi si occupa di conservazione poiché dal momento che la respirazione è un processo che consuma le sostanze di riserva, se riesco a ridurla a livelli minimali mantiene più a lungo la freschezza e le componenti nutrizionali interessanti nel prodotto. Vi è quindi la necessità di ridurre al minimo questa reazione e in secondo luogo di misurarla e controllarla (misurando la CO₂ prodotta/l’O₂ consumato nell’unità di tempo tramite un sistema computerizzato che spesso riequilibra anche le atmosfere; prima si effettuava un prelievo dell’atmosfera nelle celle e tramite una reazione con solfato di bario si poteva dosare velocemente la quantità di CO₂ presente nell’ambiente). La misurazione può essere effettuata valutando:

• Il consumo dei substrati: valutando per esempio la perdita di peso (180g di glucosio producono 264g CO₂), misurando con metodi analitici la diminuzione dell’amido oppure la quantità di acqua prodotta che però è irrisoria rispetto alla quantità di acqua persa per traspirazione. Questo sistema quindi non è normalmente attuato e richiede metodi analitici troppo sofisticati (si usa solitamente per lavori di laboratorio).
• L’aumento dei prodotti: valutando la CO₂ prodotta che risulta anche più facile ed economica da un punto di vista strumentale rispetto alla valutazione dell’O₂ consumato. La misura della CO₂ si può effettuare con un sistema statico oppure un sistema dinamico; il primo prevede l’apposizione del prodotto in un contenitore con una data Ci (CO₂), dopo un certo tempo si preleva l’atmosfera e si valuta la Cf con un sistema adatto. Questo è un sistema molto comodo ma un po’ impreciso perché al variare della composizione atmosferica varia anche l’andamento della respirazione (è ok per tempi brevi come per es. un’ora). Per questo solitamente si utilizza il sistema dinamico, ovvero nel contenitore circola un flusso d’aria di cui viene misurata la % in ingresso e in uscita e per differenza di CO₂ si valuta l’entità della respirazione.
• Misurazione del calore prodotto: è un sistema piuttosto oneroso, utilizzato solitamente nel campo della zoologia per valutarne l’efficienza della dieta.
• Estrazione dei mitocondri e misura della loro respirazione: solo per studi fisiologici.

I risultati si esprimono in volume di gas prodotto o consumato per unità di peso per unità di tempo (es. mg CO₂/g ora).

Fattori che influenzano la respirazione

1. Interni: genotipo, parte della pianta, stadio di sviluppo, substrato respiratorio, fattori preraccolta (es. mele ad alto contenuto di Ca hanno attività respiratoria più bassa rispetto a mele a basso contenuto di Ca. Es. frutto immaturo respira meno rispetto a un frutto maturo). È importante notare che ogni frutto ha un’attività respiratoria specifica, per es. i frutti tropicali hanno in genere attività respiratoria molto elevata essendo cresciuti in un ambiente molto caldo (metabolismo molto attivo per compensare ambiente ostile); specie cresciute invece in climi temperati hanno attività respiratorie insitamente più basse.
2. Esterni: temperatura, composizione atmosferica, etilene, stress fisici (es. l’attività respiratoria si riduce al ridursi della temperatura fino a portarsi a valori minimi, qualunque sia la specie). Esiste inoltre una sinergia tra l’abbassamento di temperatura e di O₂ e permette di ridurre l’attività respiratoria MA esistono comunque specie più o meno adatte a questo tipo di maturazione (es. mele si conservano molto bene, per pesche comunque si ha degradazione rapida).

Lo scambio gassoso della reazione cellulare della respirazione incontra degli ostacoli: la respirazione avviene nelle creste mitocondriali ma la CO₂ prodotta deve passare attraverso pareti cellulari/cere cuticolari/peli tomentosi e altre numerose barriere che anche noi poniamo nella gestione normale (imballaggi, contenitori ecc).

Al fine di tenere sotto controllo questa reazione ci sono due dati:

1. Quoziente respiratorio (QR): dato che il frigorista tiene sempre sotto controllo e rappresenta il rapporto fra la CO₂ prodotta e l’O₂ consumato. Se il substrato è il glucosio si ha una reazione equimolecolare e il QR=1 (normalmente è il quoziente respiratorio della maggior parte dei prodotti ortofrutticoli); se il substrato sono acidi organici si utilizzerà meno energia al fine di ossidarne i legami rispetto al glucosio, per cui serve meno O₂ e il QR>1; nel caso dei lipidi questi hanno legami che richiedono un’energia maggiore per essere ossidati e si avrà bisogno di più O₂ per ossidare una molecola di un acido grasso e il QR<1. Questi valori ci permettono di capire quale substrato sta utilizzando il prodotto per compiere la respirazione: se per esempio il QR di una patata non è più 1 significa che le sostanze di riserva sono già azzerate e il prodotto è in velocissimo deperimento; nel caso degli agrumi, invece, la quantità di acidi organici è maggiore rispetto al contenuto di amido e un QR>1 non è preoccupante; idem per olive o avocado nel caso QR<1. Il quoziente respiratorio, quindi, è un parametro utile per monitorare la regolarità del processo respiratorio del vegetale in conservazione.
2. Q₁₀: indica la variazione di qualunque reazione biochimica (in questo caso la respirazione) al variare della temperatura. Si basa sulla legge di Van’t Hoff, la quale afferma che mediamente la velocità delle reazioni biochimiche raddoppia o triplica ogni aumento di 10°C di temperatura, secondo l’equazione: Q₁₀ = (R₂/R₁)^{10/(T₂-T₁)} ove R₂ = velocità della reazione alla