Respiração e efeitos da composição da atmosferadalmeida.com/poscolheita/ISA2005/Aula2-Respiracao e AC.pdf · Respiração e efeitos da composição da atmosfera Fisiologia e Tecnologia

Domingos Almeida • 2005 •Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita • Pós-graduação em Fruticultura • Instituto Superior de Agronomia

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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


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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)


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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 ?


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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)


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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.


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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+ →←+


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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


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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


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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)


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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)


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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


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Tamanho

“Janela de Oportunidade”

Respiração

Órgãos Climactéricos

Órgãos Não-climactéricos(Exemplo da uva)

Tamanho

Respiração

Pintor


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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


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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


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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


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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?


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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.


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“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)


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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


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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


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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


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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


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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


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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%


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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

×−=


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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


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Atmosfera modificada

(Moldão & Empis, 2000)

H2OCO2

O2

H2O CO2O2

Interiorembalagem

Modificação da atmosfera


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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

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