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Postcosecha de Frutas y hortalizas

Respiración y transpiración

CAPITULO VII

RESPIRACIÓN DE FRUTAS Y HORTALIZAS

Azúcares  6O2  6CO2  Etileno  6H2O  Energía C6 H12O6 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------OBJETIVO: Dar a conocer los fundamentos de la respiración, como base los fundamentos para aplicar las tecnologías de conservación de frutas y hortalizas ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------7.1 RESPIRACIÓN La respiración se puede describir, de forma sencilla, como la degradación oxidativa de los productos más complejos normalmente presentes en las células, como el almidón, los azúcares y los ácidos orgánicos, a moléculas más simples, como el dióxido de carbono y el agua, con liberación de energía y otras moléculas que pueden ser utilizadas en las reacciones sintéticas que tienen lugar en las células (Wills et al., 1999). Los frutos, en general, se pueden clasificar en climatéricos y no climatéricos basándose en sus tasas respiratorias durante la

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maduración organoléptica. Los frutos climatéricos presentan un aumento repentino (pico climatérico) de su actividad respiratoria durante la maduración, mientras que los frutos no climatéricos exhiben un descenso gradual de su respiración durante la maduración (Seymour et al., 1993).

Figura 7.1: Respiración de un fruto

La respiración consiste en una oxidación de sustancias orgánicas ricas en energía. En presencia de oxigeno molecular la respiración es aeróbica y los productos finales de la combustión de la glucosa. Fundamentalmente, son, como es bien conocido, anhídrido carbónico, agua y calor. La reacción general de la respiración aeróbica se lleva a cabo gradualmente, en dos etapas glucolisis y reparación propiamente dicha (descarboxilacion oxidante del ácido pirúvico, reacciones del ciclo de Krebsy sistema transporte electrónico que se acopla con el fosforilacion oxidativa), en cada una de las cuales tienen lugar una serie de reacciones sucesivas catalizadas por los correspondientes enzimas. En ausencia de oxígeno la respiración es anaeróbica, se puede transformar en un proceso fermentativo y es mucho menos eficiente como productora de energia,. La respiración aeróbica es la que domina en los frutos y hortalizas recién recolectados, pero la respiración anaeróbica puede ser significativa en: frutos senescientes donde la permeabilidad a los gases de los tejidos se ve reducida; en especies conservadas en atmosferas con un contenido demasiado bajo en oxígeno o demasiado alto en anhídrido carbónico; en frutos que presenten alteraciones fisiológicas o en tejidos dañados o golpeados donde pueden producirse reacciones enzimáticas anormales. Respiración aeróbica

C6 H12O6  6O2  6CO2  6H2O  686 Kcal/mol glucosa

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C4 H 6O5  3O2  4CO2  3H2 O  450 Kcal/mol ácido málico Respiración aeróbica

C6 H12O6  2C2 H 5OH  2C2 O  28 Kcal/mol glucosa

etanol

Degradación oxidativa de materiales complejos normalmente presentes en la célula, tales como almidón, azúcares y ácidos orgánicos, en moléculas más simples hasta llegar a la emanación de bióxido de carbono y agua, con la producción concurrente de energía. Durante este proceso se forma una serie de intermediarios que mediante la energía (ATP) generada serán utilizados por la célula en reacciones de síntesis. La respiración puede ser dividida en tres fases: 1. Hidrólisis de polisacáridos en azúcares simples. en esta fase las proteínas y los lípidos también pueden servir como sustrato. 2. Oxidación de azúcares en piruvato vía la glucólisis. 3. Transformación aeróbica de piruvato y otros ácidos orgánicos en CO2 agua y energía mediante el ciclo de los ácidos tricarboxílicos y la fosforilación oxidativa.

La respiración es un proceso por el cual metabolitos (carbohidratos, proteínas y lípidos) son transformados en formas más simples para proveer las demandas energéticas que requiere la fruta para su actividad funcional vital, además para la síntesis de otros metabolitos secundarios importantes y que cumplen el papel nutraceútico en las frutas. Las tres etapas principales de este complejo proceso se muestran en la Figura 7.2 (Kader, 2002). Para la glucólisis es necesaria la energía de los enlaces fosfato de dos moléculas de ATP. Posteriormente se producen dos moléculas de NADH a partir de dos de NAD+ y cuatro de ATP a partir de cuatro de ADP, tal cómo se muestra en la ecuación 7.1 +

+

C6H12O6 + 2ATP + 4ADP + 2Pi + 2NAD => 2 C3H4O3 + 2ADP + 4ATP + 2NADH + 2H + 2H2O

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(7.1)

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Figura 7.2: Metabolismo general de la respiración (Fuente: Costa, 2008)

De esta forma, una molécula de glucosa se convierte en dos moléculas de ácido pirúvico. La ganancia neta, son dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH por molécula de glucosa. Aproximadamente el 40% de la energía libre desprendida por la oxidación de la glucosa se conserva en la conversión de ADP a ATP. En presencia de oxígeno, el ácido pirúvico entra en el ciclo de Krebs, donde se sintetiza más ATP y se transfieren más electrones y protones a las coenzimas. Estas coenzimas aceptoras de electrones transfieren su carga a la cadena transportadora de electrones a lo largo de la cual, paso a paso, los electrones caen a niveles inferiores de energía. A medida que esto ocurre, se fabrica más ATP. Figura 7.3 (William y Daphne, 2002).

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Figura 7.3: Oxidación de la glucosa (Fuente: Costa, 2008)

En ausencia de oxígeno, el ácido pirúvico se convierte en ácido láctico o etanol. Este proceso es conocido cómo fermentación o respiración anoxigénica, la cual no produce ATP, pero genera las moléculas de coenzima aceptoras de electrones, necesarias para que la glucólisis continúe, cómo se presenta en la Figura 7.4.

Figura 7.4: Rutas metabólicas para la respiración anoxigénica, con producción de etanol (A), y producción de ácido láctico (B) (Fuente: William y Daphne, 2002)

En la respiración, las moléculas de tres carbonos de ácido pirúvico producido por la glucólisis son degradadas a grupos acetilo de dos carbonos, que entran al ciclo de Krebs, donde en una serie de reacciones, el grupo acetilo de dos carbonos es oxidado completamente a dióxido de carbono (CO2); en el curso de la oxidación de cada grupo acetilo, se reducen cuatro aceptores de electrones (tres NAD+ y un FAD) y se forma otra molécula de ATP.

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En el ciclo de los ácidos tricarboxilicos o de Krebs, los carbonos donados por el grupo acetilo se oxidan a CO2 y los electrones pasan a los transportadores de electrones. Lo mismo que en la glucólisis, en cada paso interviene una enzima específica. La coenzima A es el nexo entre la oxidación del ácido pirúvico y el ciclo de Krebs. A modo de resumen: en el ciclo de Krebs se producen una molécula de ATP, tres moléculas de NADH y una molécula de FADH 2 que representan la producción de energía de este ciclo. Se necesitan dos vueltas del ciclo para completar la oxidación de una molécula de glucosa. Así, el rendimiento energético total del ciclo para una molécula de glucosa es dos moléculas de ATP, seis moléculas de NADH y dos moléculas de CO2, cómo se muestra en la Figura 7.5 (Pesarakli, 2002).

Figura 7.5: Ciclo de los ácidos tricarboxilicos o de Krebs (Fuente: Costa, 2008)

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De acuerdo al índice de respiración, definido cómo la tasa de producción de CO 2 por unidad de peso de fruta y por unidad de tiempo, y al comportamiento fisiológico en poscosecha, las frutas se pueden clasificar cómo climatéricas y no climatéricas (Kader, 2002); el CO2 extra durante el periodo climatérico procede de la descarboxilación del ácido málico que transita directamente a ácido pirúvico para iniciar de nuevo el ciclo. Durante el período climatérico las frutas adquieren la madurez de consumo. La Figura 7.6 muestra el comportamiento típico de la respiración en frutas climatéricas y no climatéricas.

Figura 7.6: Comportamiento respiratorio de frutas climatéricas y no climatéricas (Fuente: Adaptado de Planella, 1987)

La Tabla 7.1 relaciona una lista representativa de las frutas climatéricas y no climatéricas.

Tabla 7.1: Clasificación de algunas frutas de acuerdo a su índice de respiración y comportamiento en poscosecha. Frutas climatéricas Frutas no climatéricas Aguacate Carambolo Banano Cerezas Chirimoya Fresas Limón Guanábana Guayaba Mandarina Mango Mora Manzana Naranja Maracuyá Piña Papaya Tomate de árbol Zapote Uva (Fuente: Wills, 1999) De acuerdo a su índice de respiración, las frutas se pueden clasificar según la Tabla 7.2. Alberto L. HUAMANI HUAMANI

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Tabla 7.2: Clasificación de las frutas de acuerdo a su índice de respiración Clase Índice de respiración a 5°C (mg CO2/kg h) Muy baja 60 (Fuente: Kader, 2002)

En función del índice de respiración se ha establecido el calor desprendido por los vegetales, de acuerdo a las ecuaciones 7.2 y 7.3, importante para procesos de almacenamiento y cálculo de carga de refrigeración (Artes, 2007).

mgCO2 61,2  Kcal / 1000/ 24h kg h

(7.2)

mgCO2 220  BTU / Ton / 24h kg h

(7.3)

Se ha planteado la medida de la respiración a partir de la pérdida de sustrato, consumo de O2 y producción de CO2 (Saltveit, 1999). 7.2

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESPIRACIÓN

En almacenamiento para la prolongación de la vida útil en fresco de productos vegetales involucra el establecimiento de condiciones ambientales adecuadas que permitan controlar la velocidad de los procesos vitales (actividad respiratoria, transpiración, producción y acción de etileno) y reducir el riesgo de ataque de agentes microbianos causantes de enfermedades. De acuerdo con lo anterior, es importante tener presente todos los factores, y el efecto que éstos pueden tener, para conseguir el periodo máximo de vida útil de productos vegetales perecederos y reducir pérdidas postcosecha. Los factores incluyen: a) La naturaleza del producto (tipo de órgano vegetal, especie, variedad, metabolismo, estado de desarrollo o madurez, composición, susceptibilidad a enfermedades y fisiopatías). b) Acondicionamiento aplicado (lavado, tipo de aditivos y concentración, reguladores del crecimiento, películas o recubrimientos, enfriamiento, etc.) c) Condiciones de operación de las cámaras de almacenamiento (Temperatura, humedad relativa, circulación de aire, sanidad y purificación del aire, número, tipo de material y diseño de envases, patrón de estibamiento, concentración de gases como O2, CO2, C2H4.

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7.2.1 Factores internos a) Tipo de tejido El tipo de tejido o el órgano que estemos manejando afecta la intensidad respiratoria; las hojas respiran más intensamente que las frutas y estas a más intensidad que las raíces.

Tabla 7.3: Tasa de respiración de diversos frutos Producto mg CO2/kg h Curuba de castilla 490-600 Fresa 130-200 Granadilla 60-160 Lima Tahiti 40-60 Mango Tommy Atkins 60-95 Mora de castilla 110-160 Pimentón 53-58 Piña cayena lisa 50-60 Pitaya amarilla 20-80 Tangelo 30-55 Tomate de arbol 10-60 Uchuva 450-520 b) Frutos climatericos y no climatericos Los cambios en la respiracion de las frutas a través del tiempo desde su crecimiento hasta su senescencia marca la caracteristica de los dos tipos de frutos los llamados climatericos y no climatericos. Los frutos no climatericos durante la division celular tienen una actividad respiratoria muy alta la cual declina a medida que su etapa de división se completa, durante el crecimiento celular esta actividad continua disminuyendo a un ritmo menor el cual se conserva hasta su senescencia en donde se puede presentar un leve aumento de esta actividad. Los frutos climatericos mantienen el comportamiento de los no climatericos hasta cuando termina la etapa de crecimiento celular, en este momento la fruta esta en la etapa de maduracion, cuando esta etapa este terminando se inicia dentro de ella la maduración final (organoleptica o sensorial) que coincide con un aumento en la actividad respiratoria hasta completar la maduracion la que disminuye con el envejecimiento del fruto, este incremento en la respiracion, se denomina pico climaterico o sencillamente climaterio. Los frutos no climatéricos, después de cosechados, no tienen la capacidad de continuar con los procesos fisiológicos de madurez; los cambios que ocurren, son cambios causados por degradación o por efectos físicos como la deshidratación. En los productos climatericos los procesos fisiologicos son activados por el gas etileno (C2H4) y su produccion aumenta. En los productos climatericos, como respuesta a diferentes concentraciones ascendestes de etileno, el pico climaterico se desplaza hacia la isquierda de la

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grafica, activando prematuramentesu maduracion y en los productos no climatericos el pico presentado no es un climaterio sino una acelaración del metabolismo. Los productos climatéricos requieren de un manejo especial con el fin de evitar que el climaterio se active y lo lleve a la senescencia rápidamente perdiendo gran parte o la totalidad de su valor comercial.

Figura 7.7: Velocidad de respiración de los climaterios y no climaterios

c)

Tamaño

El área del producto en contacto con el oxígeno es directamente proporcional a la intensidad respiratoria. Esto hace que el tamaño del producto afecte la respiración de manera inversa, a mayor tamaño menor es la tasa de respiración debido a que a mayor tamaño es menor el área superficial (relación área/volumen), esto en algunos casos no es muy evidente porque hay frutas de tamaño grande que en el proceso de manejo, ellas mismas se magullan y se acelera la respiración confundiendo el criterio de tamaño. d) La edad o el estado de desarrollo del fruto Este factor influye directamente en la respiración. Normalmente los vegetales más jóvenes tienen mayor intensidad respiratoria y cuando el fruto está desarrollando la respiración depende de las características del mismo fruto esto es; si es climatérico o no. e)

El agua

El agua provee las condiciones de hidratación adecuadas a la acción enzimática. f)

Daños mecánicos y la sanidad

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Los daños mecánicos y la sanidad del producto afectan la actividad respiratoria aumentándola especialmente en la zona afectada, debido a la activación enzimática en dicha zona, o sea aumenta el área de contacto con el oxígeno. A medida que los frutos sufren daños ocurre un aumento en la liberación de CO2, pues las células próximas al punto dañado respiraran más intensamente y con ese aumento en la tasa respiratoria existe un incremento en la liberación de etileno acelerando el proceso de maduración y senescencia que disminuye la calidad y vida útil del fruto (Durigan et al., 2005a).

Figura 7.8: Frutas con daños mecánicos se incrementa la producción de CO2, etileno la respiración.

7.2.2 Factores externos a) Temperatura La temperatura es el factor externo más importante que afecta la respiración, este es el más usado para disminuir la actividad respiratoria y así aumentar la vida útil de la hortaliza o fruta. Al disminuir la temperatura la respiración disminuye, pero este manejo debe ser muy controlado por que los vegetales tienen sus límites de manejo; una temperatura extremadamente baja puede causar disturbios fisiológicos e incluso la muerte del tejido; igualmente ocurre cuando queremos acelerar la respiración para proporcionar las condiciones adecuadas para una maduración satisfactoria, si aumentamos la temperatura en exceso también deterioramos el vegetal; el caso es mantener con vida y en buen estado el vegetal que estemos comercializando o almacenando. Altas temperaturas: - La actividad de las enzimas de frutas y hortalizas declina por encima de 30 ºC, diferentes enzimas se inactivan da diferentes temperaturas. - Muchas siguen activas por encima de 35 ºC pero la mayoría pierde actividad por encima de 40 ºC.

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La exposición continua de algunas frutas climatéricas a temperaturas mayores de 30 ºC provoca la maduración de la porción carnosa sin que la fruta adquiera su color característico.

Por ejemplo los plátanos permanecen verdes, el tomate no acumula licopeno (pigmento rojo característico). Cuando se almacena a 35 ºC el metabolismo altera la membrana, se desintegra y se produce disrupción celular y rápido deterioro. Se puede producir una despigmentación generalizada y los tejidos pueden terminar con aspecto acuoso o traslucido. b) La composición de la atmosfera (O2 y CO2)

Figura 7.9: Efecto de la composición del aire en la respiración.

La atmósfera normal del aire tiene 21% de O2 y 0,03% de CO2 Si almacenamos a esta composición normal los productos tendrán una vida útil de post cosecha determinado solo por la temperatura y la humedad relativa. Si almacenamos en una atmósfera diferente podemos prolongar la vida útil del producto. La modificación atmosférica se basa fundamentalmente en controlar los niveles de oxígeno y anhídrido carbónico. No es necesario usar productos químicos para cambiar la composición atmosférica. Mediante medios físicos se puede disminuir el oxígeno y aumentar el anhídrido carbónico, las condiciones más usadas con este principio para peras y manzanas son aquellas que utiliza 25% de CO2 y 2-5% de O2 balanceado con N2. La composición de la atmosfera es otro factor externo que afecta la respiración, los gases que componen la atmosfera normal son el nitrógeno y el oxígeno en proporciones de 21%y 59% respectivamente dando cabida a otros gases en menores cantidades como el anhídrido carbónico, etileno y otros. El nitrógeno no participa en la respiración, es considerado como Alberto L. HUAMANI HUAMANI

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gas de relleno. El oxígeno O2 es el gas que permite la respiración aeróbica lo cual es normal, si le limitamos el suministro de este gas al vegetal, este disminuirá el proceso respiratorio. El anhídrido carbónico CO2 es un producto de la respiración. Si su concentración se aumenta en la atmosfera circundante, la respiración disminuirá. Las concentraciones límites de estos dos gases que permiten los vegetales dependen de la naturaleza del mismo vegetal, unos son más sensibles que otros a concentraciones externas. Estos conceptos son la base de los sistemas de almacenamiento de atmosfera controlada y modificada que han permitido lograr aumentar la vida útil de muchos vegetales. El etileno C2H4 que puede ser producido por el mismo vegetal actúa sobre el proceso respiración aumentándolo, este efecto se puede utilizar en forma conveniente para madurar o mejorar el aspecto de algunos frutos. Otro componente que tenemos en la atmosfera es el vapor de agua que constituye la humedad relativa indispensable como se mencionó anteriormente, siendo más crítica frente al fenómeno de la transpiración. Tabla 7.4: Clasificación de los frutos en función de la tasa respiratoria a 5ºC. Clase ml CO2/ Kg.h Producto Muy baja 60 Espárrago, champiñón, guisantes

Tabla 7.5: Valores promedio de distintos tipos de pimiento almacenados a 10°C Variedad de Tasa de respiración Pérdida de peso (%) pimiento (mg CO2/kg-h) Camelot 41,59 5,5 Aruba 56,15 15,6 Portos 24,63 6,3 Mandarín 30,29 8,3

c)

Calor de respiración

La energía química resultado del proceso de respiración, se convierte en energía calórica cuando no hay demanda de ella en alguna síntesis o en otro proceso del producto y lo denominamos calor de respiración. En postcosecha este calor es el responsable de aumento de la temperatura de los productos, por este motivo es indispensable encontrar la forma de retirar este calor, por este motivo es indispensable encontrar la forma de retirar este calor. La cantidad de calor de respiración producido por un lote de frutos o de hortalizas depende en forma directamente proporcional principalmentea la concentración de etileno y a su temperatura, siendo este último el más Alberto L. HUAMANI HUAMANI

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importante porque actúa como un autoactivador del proceso de respiración junto con el etileno que en el caso de las frutas y hortalizas productoras y sensibles a bajas concentraciones. Este calor s extraído por la maquina frigorífica en los transportes refrigerados y en los almacenes fríos, para mantener la temperatura de operación. La respiración de frutos y vegetales es un proceso que se puede resumir por la ecuación y que hace referencia a la oxidación de la glucosa (Mannapperuma y Singh, 1994; Yam y Lee, 1995; Song et al., 2002) y se esquematiza en la figura 7.5:

C6 H12O6  6O2  6CO2  6H2O  Energía d) Presencia del etileno El etileno (C2H4) es un compuesto volátil de dos carbonos producido de manera endógena por algunas plantas. Es la olefina más simple y es más ligera que el aire, se oxida con facilidad y es altamente inflamable. Este gas es una hormona vegetal producida en el proceso de maduración de los frutos y en cualquier tejido vegetal como respuesta al daño (Del Valle y Palma, 2002). A niveles tan bajos como de 0,1 μl induce la maduración y senescencia. El etileno se produce en las plantas superiores y su biosíntesis depende del estado de desarrollo de la planta, aumentando durante la abscisión de las hojas y senescencia de las flores. Se produce también por el estrés hídrico, enfermedades o bajas temperaturas (Vermeiren et al., 1999). El etileno también se produce después de lesión sobre los tejidos debido a la estimulación de ARN mensajero de la enzima ACC cintaza preexistente en la planta. La biogénesis del etileno es autocatalítica y el gas se libera rápidamente de los tejidos difundiéndose a través de los espacios intercelulares hacia fuera del tejido. Este hecho requiere de la eliminación del gas para evitar la rápida maduración del fruto. Los frutos climatéricos muestran un gran incremento en la producción de etileno durante la maduración. Entre los numerosos efectos fisiológicos del C2H4, se destacan los que afectan directamente la maduración, cómo son la estimulación de la respiración, la influencia en el metabolismo péctico, favoreciendo el aumento de pectinas solubles y por tanto la reducción de la dureza del endocarpio, degradación de la clorofila, despolimerización de polisacáridos de alto peso molecular, pérdida o disminución de ácidos, taninos y fenoles (Wills, 1984). Debido a ello, el C2H4 es el principal agente inductor de maduración en frutas climatéricas y puede causar la maduración prematura de algunos productos, se recomienda no transportar ni almacenar frutas y hortalizas de muy alta o alta producción de C2H4 con productos que son sensibles al mismo (Kader, 2002). Almohadillas de KMnO4, soportado sobre silica gel son normalmente utilizadas para absorber el C2H4 durante el transporte y almacenamiento de frutas al igual que la adecuada aireación para la remoción del aire concentrado de C2H4 (Linskens y Jackson, 1995). La capacidad que tiene el etileno de estimular la maduración depende de la sensibilidad del tejido. Por ejemplo, muchos frutos cortados de las plantas son más sensibles al etileno que cuando se encuentra unidos a ella. Existen otras hormonas reguladoras que actúan Alberto L. HUAMANI HUAMANI

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conjuntamente en la maduración de los vegetales como son las auxinas, citocininas, giberelinas y abscisinas. El etileno favorece la formación de isocoumarina y amargor en zanahorias, lignificación en especies del género Brassica, producción de fitoalexinas en cultivos enfermos, producción de metabolitos de estrés en papas, y otros (Watada 1986). También puede afectar el proceso de ablandamiento de un vegetal. El gas producido de manera endógena se acumula en algunos tejidos y podría activar enzimas capaces de hidrolizar la pared celular (celulasas y pectinasas) (Taiz y Zeiger, 1998). Uno de los principales efectos del etileno es la eliminación del color verde de los vegetales. La pérdida de color es uno de los parámetros más importantes de calidad de los productos vegetales (Abe y Watada, 1991). La pérdida de color se inicia si la planta se expone al etileno y su intensidad difiere con respecto al tiempo de exposición y tipo de vegetal. Se sabe que el etileno induce la activación de la enzima clorofilasa responsable de la degradación de clorofila. El uso de atmósfera modificada ayuda a controlar el color en los vegetales o frutas, probablemente mediante inhibición competitiva a la acción del etileno por elevadas concentraciones de CO2, y por inhibición en la síntesis de etileno por concentraciones reducidas de O2 En cuanto al efecto del etileno sobre los pigmentos de frutas y hortalizas existe muy poca evidencia de que afecte otros pigmentos diferentes a la clorofila (Abe y Watada 1991). Entre los principales efectos negativos de la acción del C2H4 en las frutas, se destacan los siguientes:    

Senescencia acelerada y amarillamiento en algunas frutas. Manchas en la epidermis. Pardeamiento en pulpa y semillas de algunas frutas y hortalizas. Acumulación de metabolitos (isocumarina en la zanahoria, que provoca amargor; terpenos en batata, pisantina en guisante).

Entre los principales efectos positivos de la acción del C2H4 en las frutas, se destacan los siguientes:  

Favorece la abscisión de frutas. En cítricos es útil para la desverdización de la epidermis y homogeneidad en la maduración (Lucangeli y Murray, 1998).

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e)

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Control de etileno

Inhibición del etileno. La síntesis del C2H4 puede ser inhibida por ácidos orgánicos cómo el ácido amino acético (AOA) y el ácido amino etoxi vinil glicina (AVG), los cuales impiden la acción de la enzima (ACC-Sintasa) (Yang y Hoffman, 1984). Esta enzima está constituida por una familia multigénica dependiente de fosfato piridosal cómo cofactor (Kevin et al. 2002). La Figura 7.10 muestra la estructura molecular de los ácidos amino acético (AOA) y amino etoxi vinil glicina (AVG).

A) Ácido amino acético (AOA)

B) Ácido amino etoxi vinil glicina (AVG)

Figura 7.10: Estructuras moleculares de los ácidos orgánicos inhibidores de la síntesis de etileno, ácido amino acético (A) y ácido amino etoxi vinil glicina (B) (Fuente: Retamales, 2007)

La producción de C2H4 durante la poscosecha se ha disminuido en frutas de manzanas, con el consecuente retraso de la maduración, por la aplicación de aspersiones de AVG en concentración de 500 mg/L (Halder-Doll y Bangerth, 1987). Para frutas de tomates se redujo la producción de C2H4 en la etapa de poscosecha, al igual que la síntesis de licopeno en el pericarpio, con la aplicación de AOA en concentración de 5 mM (Edwards et al. 1983). Otro agente utilizado para la inhibición de la síntesis de C2H4 que opera a nivel de la ACCOxidasa, es el ion cobalto (Co2+), el cual interviene sobre el cofactor que actúa sobre la enzima. También las temperaturas superiores a 35°C desnaturalizan la enzima ACC-Oxidasa, frenando su acción (Nuez, 1995). Para el caso específico de la enzima ACC-Oxidasa dependiente de O2, la anoxigenia limita su tarea cómo enzima formadora de etileno EFE (Bradford y Yang, 1980). El conocimiento del mapa genético de algunas especies destacando la Arabidopsis thaliana (L.) Heynh y el manejo genético de la estructura de la ACC-Sintasa cómo agente limitante en la producción de C2H4, ha permitido la aplicación de la biología molecular para alterar los procesos normales de maduración en frutas climatéricas, mediante mutagenesis o la introducción de genes antisentido que intervienen de manera directa en la producción de C2H4 y con ello prolongar la vida de anaquel de algunas especies (Benítez, 2005; Soares y Mello-Farias, 2006; Pang et al. 2007). La purificación y estudio de las propiedades de las enzimas involucradas en la síntesis de C2H4, cómo peso molecular y velocidad de reacción, entre otras, han sido realizadas por Kende, (1989). La Figura 7.20 muestra el comportamiento típico en poscosecha de frutas climatéricas frente a la actividad enzimática de la ACC-Sintasa, ACC-Oxidasa, concentración de ACC y producción de C2H4, donde se evidencia la relación creciente continua para la etapa de poscosecha (Shiomi et al. 1996). Alberto L. HUAMANI HUAMANI

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Figura 7.11: Evolución de la producción de etileno, concentración del ACC, actividad enzimática de la ACC-Sintasa y ACC-Oxidasa, para frutos de maracuyá (Passiflora edulis S.) durante el período de poscosecha almacenados a 25°C. Las barras verticales representan el error estándar de tres repeticiones (Fuente: Shiomi et al. 1996).

La Figura 7.12 muestra cómo temperaturas superiores a 35°C inhiben la actividad de la enzima ACC-Sintasa y consecuentemente la producción de C2H4 prolongando el proceso de maduración y extendiendo el período de poscosecha en frutas de kiwi (Actinidia chinensis Planch) (Antunes y Sfakiotakis, 2000).

A

B

Figura 7.12: Efecto de la temperatura sobre la producción de etileno (A) y actividad de la enzima ACC-Sintasa en frutas de kiwi (Actinidia chinensis Planch) (B) (Fuente: Antunes y Sfakiotakis, 2000)

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El etileno puede ser inhibido en su acción a través de iones Ag+, con la aplicación de nitrato de plata (AgNO3) o tiosulfato de plata (Ag (O3S2)23) siendo este último, el más utilizado por su menor toxicidad (Basolo et al. 1980; Ichimura et al. 2009), el cual interfiere con el cofactor proteico (Cu), requerido por las métalo proteínas receptoras de C2H4 (Nieves et al. 2007), otras sustancias han sido utilizadas para contrarrestar la acción del C2H4, destacando el uso del 1- Metilciclopropeno (1-MCP) (Ella et al. 2003; Cliff et al. 2009) cómo un inhibidor competitivo del C2H4 por el sitio activo de la proteína receptora. En frutas de anón (Annona squamosa L.) se aplicó 1-MCP, en concentraciones de 30, 90, 270 y 810 Nl/L durante 12 h y se almacenaron a 25°C por 4 días, encontrando que la firmeza de las frutas tratadas fue superior respecto al control (Benassi et al. 2003). Concentraciones de 1 μL/L de 1- MCP se utilizaron con el fin de mantener las características sensoriales en frutas de caquí (Diospyros chinensis Blume) y su relación con la concentración de taninos y la astringencia de las frutas durante la etapa de poscosecha ha sido valorada (Besada et al. 2007). La Figura 7.13: muestra la estructura química del 1- Metilciclopropeno.

Figura 7.13: Estructura del 1- Metilciclopropeno (Fuente: Daly y Kourelis, 2000)

El 2,5- Norbadieno (NBD), diazociclopentadieno (DACP) y el (CO2) también han sido catalogados cómo agentes inhibidores de la acción del C2H4 por ser competidores por el sitio activo, la Figura 7.14 presenta sus estructuras (Sisler y Yang, 1984; Verdugo y Riffo, 2003).

Figura 7.14: Estructura molecular del 2,5-Norbornadieno y del Diazociclopentadieno (Fuente: Beyer et al. 1987; Crabtree y Fajarnés, 1997) Otros agentes oxidantes quelantes de C2H4 se han utilizado para su remoción y contrarrestar su acción sobre la maduración de las frutas, siendo el permanganato de potasio (KMnO4), el más ampliamente usado, mediante aplicación en soportes o vehículos absorbentes, cómo sílica gel, alumina y diferentes tipos de arcillas (Abeles et al. 1992). En frutas de kiwi se ha aplicado con fines de retardar la maduración (Ben-Aire y Sonego, 1985). La luz ultravioleta, el carbón activado, oxidantes catalíticos y almacenaje hipobárico, han sido también usados para disminuir la acción del C2H4 (Yang et al. 2009).

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127

Postcosecha de Frutas y hortalizas

7.3

Respiración y transpiración

MEDICIÓN DE LA RESPIRACIÓN

7.3.1 Medida de la respiración a partir del consumo de sustrato Considerando la glucosa cómo el sustrato consumido, se puede establecer que 180 g de este carbohidrato son necesarios para producir 264 g de CO2, estimando la siguiente relación para el cálculo de la respiración, según las ecuaciones 7.4 y 7.5 (Saltveit, 1999).

C 6 H 12 O6  6O 2

 6CO 2  6H 2 O  686 Kcal/mol

180g

264g

 g  mgCO2   Perdida de peso * 103 * 68 kg h  kg h 

(7.4)

 g  mgCO2   % perdida peso  *106 * 68 kg h  100g h 

(7.5)

Donde: las constantes numéricas 10-3*68 y 10-6*68 valores para transformar los mg CO2 producidos en g de glucosa consumidos cómo producto de la respiración por kg o 100 g de producto por hora (Salveit, 1999).

7.3.2 Medida de la respiración por consumo de oxigeno (O2) El O2 es consumido por los tejidos durante la respiración y esta disminución puede ser utilizada para cuantificar la respiración oxigénica. Se debe tener en cuenta la concentración de O2 del aire y la permeabilidad de los materiales de empaque empleados en la experimentación.

7.3.3 Medida de la respiración por producción de energía Consiste en medir el calor desprendido por la reacción de la respiración, sabiendo que 1 mg CO2/kg-h produce 2,55 cal que equivale a una producción de calor de 61,2 Kcal/ton*día (220 BTU/ton•día). Durante los procesos de respiración, la producción de energía proviene de la oxidación de las propias reservas. Azúcares y otros metabolitos. Una vez cosechado, el producto no puede reemplazar estas reservas que se pierden y la velocidad con que disminuyen es un factor de importancia en la duración de la vida post-cosecha, por lo que la caracterización de la respiración es requerida para el diseño de almacenamientos idóneos que extiendan la vida útil del producto. Alberto L. HUAMANI HUAMANI

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C6 H12O6  6 O 2  6CO2  6H2 O  674 Kcal 180 g

264g

674 Kcal

(7.6)

1. Calor necesario = Calor del producto (del campo) + calor de respiración 2. Calor del producto = masa de la fruta x Cp x ΔT

Tabla 7.6: Evolución de calor de respiración de frutas y vegetales

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Respiración y transpiración

Tabla 7.8: Evolución de calor de respiración de frutas y vegetales (continuación)

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Respiración y transpiración

Tabla 7.9: Evolución de calor de respiración de frutas y vegetales (continuación)

Como en la mayoría de las reacciones químicas la generación de calor de las frutas y vegetales es una función exponencial de la temperatura absoluta (Toledo, 1991):

Q  a expbT 

(7.7)

Q y a tienen dimensiones de energía generada por unidad de masa. Durante el enfriamiento la tasa de respiración decrece a medida que la temperatura disminuye. El calor total emitido para un periodo de enfriamiento entre dos temperaturas es: Alberto L. HUAMANI HUAMANI

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Postcosecha de Frutas y hortalizas T2

T2

T1

T1

Respiración y transpiración

QT   QdT  a  exp(bT )dT (7.8)

El valor medio del calor de respiración, calculado un cambio de temperatura desde T1, hasta T2 en un intervalo de tiempo ∆t es: T2

Q

QT  t

a  exp(bT )dT T1

t

(7.9)

Si la velocidad de enfriamiento depende linealmente del tiempo,

T  T1  mt

m

T1  T2 t

Reemplazando en las ecuaciones y tomando límites entre 0 y ∆t se llega a la ecuación que determina el calor medio generado en el tiempo ∆t:

Q

a exp(bT1 ) 1  exp( bT1  T2  bT1  T2 

(7.10)

La expresión anterior proporciona el calor medio generado en el tiempo ∆t (Toledo, 1991) Una primera aproximación, que subvalora la carga térmica a retirar durante el almacenamiento cuando el material se enfría desde una temperatura inicial T, a una final T2 en un tiempo At sería la de utilizar, para una temperatura media de (T, + T2) /2, el valor más alto leído - o interpolado- de la información de la tabla 7.10.

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Respiración y transpiración

Tabla 7.10: Calor de respiración de frutas y vegetales en aire

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Respiración y transpiración

7.3.4 Medida de la respiración por producción de dióxido de carbono (CO2) Pequeños cambios en la producción de CO2 son cuantificables, la mayoría de las medidas de la respiración usan este método (SHU-HUA y JIE, 2007), donde la producción de CO2 procedente de la respiración del vegetal, se impulsa a una solución de carácter básico (normalmente NaOH) de concentración conocida, neutralizando parte de la misma, por diferencia de concentraciones y utilizando la estequiometría apropiada se calcula la cantidad de H2CO3 producido y con esto se determina la cantidad de (CO2) procedente de la fruta durante una hora de evaluación, los resultados se expresan en (mg CO2/kg•h). La determinación puede ser en sistema estático o dinámico, siendo más recomendable este último. El análisis del gas (CO2) puede hacerse por titulación, por cambio de color usando un espectrofotómetro, por técnicas electrónicas de análisis de gases y por cromatografía gaseosa Saltveit, 1999). Se ha propuesto un modelo dinámico para la medida de la respiración de productos agrícolas, donde se describe la relación de consumo de O2 (rO2 en μmol/kg-s) de acuerdo a la ecuación 7.11 (Hertog et al. 1998).

rO2 

vm O2 * O2 

  CO2  kmO2 * 1  kmcCO2  

    O2  * 1  CO2    kmuCO2  

   

(7.11)

Donde:

[O2], [CO2]= Son concentraciones en (%) Vm = Es la máxima relación de consumo de oxígeno en (μmol/ kg.s) O2 Km = Es la constante de Michaelis-Menten para el consumo de oxígeno en (%) O2

Kmc

CO2

= Es la constante de Michaelis-Menten para la inhibición competitiva de (O2) por

el consumo de (CO2) en (%) Kmu = Es la constante de Michaelis-Menten para la inhibición no competitiva de (O2) CO2

por el consumo de (CO2) en (%)

Este modelo ha sido aplicado para la medida de la respiración en varios productos biológicos (Song et al. 1992; Renault et al. 1994; Hertog et al. 1998; Peppelenbos et al. 1998). La producción de CO expresada en (V 2

CO2

μmol/kg.s) cómo resultado de la fermentación

oxidativa se puede escribir de acuerdo a la ecuación 7.12.

rCO2  RQOx * rO2 

vm CO2 ( f ) 1

O2 

(7.12)

kmcCO2 ( f )

Donde: Alberto L. HUAMANI HUAMANI

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Respiración y transpiración

RQOX: representa el cociente de respiración (relación entre el CO2 producido y el O2 consumido) VmCO2 (f): es la producción máxima de CO2 en (μmol/kg.s), KmcO2 (f):es la constante de Michaelis-Menten para la inhibición competitiva de la producción de CO2 en (%) (Peppelenbos et al. 1996).

Lammertyn et al. (2003) modelaron el proceso de la respiración en frutas aplicando la segunda ley de Fick’s y la cinética de reacción de Michaelis-Menten, involucrando el concepto de inhibición competitiva del CO2. El modelo fue validado con éxito para predecir el intercambio de gases y la concentración de O2 y CO2 en las frutas, en función de la atmósfera de almacenamiento. Otro aspecto de interés en la tasa de respiración de los productos agrícolas, es el coeficiente de temperatura Q10, el cual representa una medida logarítmica de la tasa de cambio de la respiración en un sistema biológico, como consecuencia del aumento de la temperatura 10°C. Para el cálculo del Q10 se utiliza la ecuación 7.8.

 10   

R  T2 T1  Q10  2 R1

(7.13)

Donde: R2 = Representa la tasa de respiración para la Temperatura T2 R1= Representa la tasa de respiración para a la Temperatura T1 Establecido el factor Q10 se puede calcular teóricamente la tasa de respiración de los productos vegetales para diferentes temperaturas, mediante una aplicación apropiada de la Ecuación (7.14). La respiración no sigue un comportamiento ideal, por lo tanto el factor Q10 puede variar considerablemente con la temperatura, usualmente el Q10 es más pequeño a temperaturas más altas y más alto a temperaturas más bajas (Urbano et al. 2005). Para productos biológicos cómo las frutas, este factor oscila entre 1 y 4, la Tabla 7.11 muestra los intervalos de valores generales para Q10 cómo función de la temperatura. Tabla 7.11. Efecto de la temperatura sobre la velocidad de respiración y el factor Q10 Temperatura °C Velocidad relativa Factor Q10 de respiración 0-10 1,0 3,0 11-20 3,0 2,5 21-30 7,5 2,0 31-40 15,0 1,5 > 40 22,5 (Fuente: Adaptada de Brecht y Weichmann, 2003)

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Respiración y transpiración

Existe para la respiración de los productos agrícolas el cociente respiratorio (QR), consistente en una magnitud fisiológica que ofrece un indicador cualitativo de la naturaleza de las combustiones respiratorias. Se define cómo la relación entre la cantidad de CO2 producido y la cantidad de O2 absorbido en un tiempo dado, por una misma masa de materia (ecuación 7.14).

QR 

CO2 producido O2 consumido

(7.14)

El valor teórico del QR varía según la naturaleza del metabolito utilizado en la combustión respiratoria y la concentración de O2 dentro de la estructura molecular, tal cómo se muestra en las siguientes reacciones; para un ácido orgánico, un carbohidrato y un lípido.

Ácido orgánico (Ácido málico): C4H6O5 + 3 O2 → 4CO2 + 3H2O;

QR= 1,33

Glúcido (Glucosa): C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O;

QR = 1

El QR de los sustratos proteícos es cercano a la unidad (Gonzáles, 2001).

7.3.5 Métodos para determinar experimentalmente la velocidad de respiración de frutas y hortalizas En el caso de AM se requiere tener un conocimiento preciso de las velocidades de consumo de O2 (rO2) y evolución de CO2 (rCO2) para poder calcular las concentraciones óptimas de dichos gases dentro del empaque, existen tres métodos para medir experimentalmente la velocidad de respiración que son descritos ampliamente por Fonseca et al.(2002): 1.

El sistema estático o cerrado. En este caso un contenedor de sello hermético de volumen conocido es llenado con el producto y cerrado, quedando con una composición gaseosa interna igual a la atmosférica. Se miden los cambios en concentración de O 2 y CO2 durante un cierto tiempo y estos se usan para estimar la velocidad de respiración usando las siguientes ecuaciones:

rO2 

O

2 ini



 O2 fin *V

100 * M * t fin  tini 

rCO2 

CO

2 ini

(7.15)



 CO2 fin * V

100 * M * t fin  tini 

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(7.16)

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Donde (O2) in y (CO2) in son las concentraciones iniciales de O2 y CO2; (O2)f y (CO2)f son las concentraciones finales de O2 y CO2 ; V es el volumen libre en el contenedor; M es la masa del producto; *(tf – tin) es la diferencia entre el tiempo final y el inicial; se divide entre 100 porque las concentraciones están en % . Entre sus limitantes se encuentra que es difícil estimar con exactitud el volumen libre del contenedor, que el aumento en la concentración de CO2 y disminución de O2 puede afectar la velocidad de respiración del producto, y que no se puede determinar la respiración para una mezcla de gases. 2.

El sistema con flujo. En este sistema el producto se coloca en un contenedor impermeable a través del cual fluye una mezcla de gases a velocidad constante y la velocidad de respiración se calcula de la diferencia absoluta en la concentración de gas a la entrada y a la salida cuando el sistema alcanza el estado estacionario, usando las siguientes ecuaciones:

rO2 

O2in  O2 sa * F

(7.17)

100* M

rCO2 

CO2 sa  CO2in * F

(7.18)

100 * M

Donde (O2) in y (CO2 )in son las concentraciones a la entrada de O2 y CO2; (O2 )sa y (CO2 )sa son las concentraciones a la salida de O2 y CO2 ; F en m3/seg es el flujo y M es la masa de producto usada. En este método es difícil determinar el flujo y éste debe ser cuidadosamente elegido para poder medir con exactitud la diferencia en concentraciones del gas, además este método no es exacto en el caso de bajas velocidades de respiración. 3.

El sistema permeable. Un empaque de dimensiones y permeabilidad de película conocidas es llenado con producto y se calculan las concentraciones de O2 y CO2 al estado estacionario y se realiza un balance de masa para estimar la velocidad de respiración con las ecuaciones (7.19) y (7.20):

rO2 

PO2 * A * O2 in  O2 sa 

rCO2 

(7.19)

100 * L * M PCO2 * A * CO2 sa  CO2 in 

(7.20)

100 * L * M

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Respiración y transpiración

Donde PO2 y PCO2 son los coeficientes de permeabilidad para O2 y CO2 respectivamente; A es el área superficial; L es el grosor de la película; M es la masa del producto. Este es el método menos exacto ya que existen más variables que en los otros dos como las dimensiones y permeabilidad del empaque, es más difícil medir el volumen libre y se requiere más tiempo para alcanzar el equilibrio (Fonseca et al., 2002). 7.3.6 Evaluación del índice de respiración en algunos productos agrícolas Muchas investigaciones se han realizado para determinar el índice de respiración de los productos agrícolas (Liu et al. 2004; Ozdemir et al. 2005; Hagenmaier, 2005; Park et al. 2006; Vicente et al. 2006; Hernandez et al. 2009), al igual que para clasificar los vegetales en cuanto a su comportamiento climatérico o no climatérico (Archbold y Pomper, 2003; Bautista et al. 2005), igualmente ha sido de interés evaluar la respiración durante la maduración de las frutas cómo índice de medida de la evolución de su vida útil en poscosecha (Paull, 1996; Sean y King, 2002; Márquez et al. 2007; Xu et al. 2009). La Figura 7.15 muestra el comportamiento típico para la respiración cómo función de la temperatura.

Figura 7.15. Influencia de la temperatura en la respiración (Fuente: Hurni et al. 2008)

Algunos autores han modelado el comportamiento respiratorio de frutas de banano (Musa paradisiaca L.) para diferentes temperaturas, estableciendo los volúmenes de producción de CO2, tal cómo se muestra en la Tabla 7.12 (Bhande et al. 2008),

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Respiración y transpiración

Tabla 7.12. Tasa respiratoria del banano (Musa paradisiaca L.) en función de la temperatura Temperatura de Tasa de respiración almacenamiento en °C en (ml CO • kg-1•h-1) 2

10 15 20 25 30 (Fuente: Bhande et al. 2008)

26,13 34,22 38,52 44,31 56,43

Hagger et al. (1992) propone un modelo de respiración basado en cinética enzimática tipo Michaelis – Menten y el método de sistema cerrado para generar curvas de respiración de frutas y hortalizas, Song et al. (1992) usa este mismo modelo para predecir el comportamiento de los productos dentro de empaques semipermeables. En ambos trabajos el ajuste del modelo resulta ser bueno para los productos probados. Este planteamiento describe los cambios en concentración de O2 y CO2 en función del tiempo con las siguientes ecuaciones (7.21 y 7.22) obtenidas a partir de un análisis de regresión nolineal. 0 1 2 3 4 6 7 8 14 16 17 18 20 21 22 0 1.85 2.02 3.92 9.14 10.41 11.13 16.26 17.25 23.19 24.53 27.65 28.14 28.96 20.81 19.92 18.59 17.64 14.74 15.21 15.22 12.04 9.35 5.56 5.91 4.54 3.45 2.94

O2  21

CO2 

t  A1 * t  B1 C1

(7.21)

t  A2 * t  B2 C2

(7.22)

Donde (O2 ), (CO2 ) = concentraciones de oxígeno y bióxido de carbono (%) t = tiempo (h) A,B,C = son valores constantes

Las velocidades de respiración (consumo de O2 y producción de CO2 ) de acuerdo al tiempo se calculan sustituyendo las derivadas de las ecuaciones 7.21 y 7.22 (ecuaciones 7.23 y 7.24) en las ecuaciones 7.25 y 7.26 respectivamente.

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Respiración y transpiración

dO2 1C   C   A1 * C1 * t *  A1 * t  B1  1   A1 * t  B1  1 dt

(7.23)

dCO2 1C   C    A2 * C 2 * t *  A2 * t  B2  2   A2 * t  B2  2 dt

(7.24)

 dO  M O2 * P *V rO2   2   dt  100* R * M * T 

(7.25)

 dCO2  M CO2 * P *V rCO2     dt  100* R * M * T 

(7.26)

Donde rO2 y rCO2 = velocidad de consumo de O2 y producción de CO2 respectivamente (mg/kg h) M O2 y M CO2 = peso molecular de O2 y CO2 (kg /mol) P = presión (Pa) V = volumen libre (ml) R = constante de los gases (6,236e4 ml mmHg / mol K o 8,314 J/mol K) M = peso del producto (kg) T = temperatura (K) Posteriormente a partir de las velocidades de respiración calculadas con las ecuaciones 7.24 y 7.26 se estiman los parámetros de la ecuación de Michaelis – Menten (ecuación 7.27) usando una regresión lineal múltiple.

rO2 

vmO2 * %O2 

 %CO2    * %O2  kmO2  1    kmu CO2  

(7.27)

Una vez obtenidos los parámetros de respiración, la concentración de gases en función del tiempo en empaques semipermeables se calcula con las siguientes ecuaciones (45 y 46).

En la medida en que se pueda controlar la respiración, se aumenta la vida útil del vegetal; por lo tanto, muchos investigadores se han dedicado a explorar este campo, siendo la disminución de la temperatura de almacenamiento, el principal medio para reducir la tasa de respiración de los productos agrícolas (Carmona, 2001; Archbold y Pomper, 2003). Alberto L. HUAMANI HUAMANI

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Respiración y transpiración

La Figura 7.16 muestra la ralentización de la tasa de respiración cómo función de la temperatura de almacenamiento en poscosecha para papaya americana (Asimina triloba L.).

Figura 7.16: Disminución de la respiración en función de la temperatura para frutas de papaya americana (Asimina triloba L.) (Fuente: Archbold y Pomper, 2003)

Además de la refrigeración cómo mecanismo de disminución de la tasa respiratoria, se han explorado algunas otras técnicas para reducir este proceso fisiológico en las frutas, la aplicación de recubrimientos o películas de poco impacto, algunas de ellas comestibles, han mostrado resultados favorables (Baldwin et al. 1999; Pérez-Gago et al. 2005; Rojas-Grau et al. 2007; Márquez et al. 2009). La Figura 7.17 presenta el efecto de aplicar un recubrimiento comestible, basado en pectina, sobre la respiración en frutas de aguacate (Persea Americana Mill), es claro cómo este parámetro fisiológico se ve disminuido por la acción del recubrimiento (Maftoonazad et al. 2007).

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Respiración y transpiración

Figura 7.17: Efecto del recubrimiento comestible sobre frutas de aguacate (Persea americana Mill) (Fuente: Maftoonazad et al. 2007)

En resumen la respiración de los productos agrícolas se encuentra regida por la siguiente expresión: C6 H 12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6H2O + 686 Kcal • mol

-1

Donde una molécula de C6H12O6 es oxidada, lo cual significa que 180 g de sustrato (1 mol) más 192 g de O2 (6 moles), producen la formación de 264 g de CO2 (6 moles), 108 g de agua (H2O) (6 moles) y liberan 686 Kcal/mol equivalente a 2.872 KJ/mol, ésta es una reacción exergónica, con una energía libre negativa y representa la respiración oxigénica. Esto significa que por cada mol de O2 absorbido de 32 g, se producen 114 Kcal de energía, necesaria para llevar a cabo todos los procesos y cambios metabólicos de la fruta durante su maduración (Lencki, 2004). La Figura 7.18 A y B muestra para una fruta climatérica y una no climatérica el comportamiento respiratorio típico durante la etapa de poscosecha a 20°C de temperatura. Puede apreciarse cómo las frutas climatéricas presentan un pico respiratorio el cual normalmente coincide con su punto de sazón o madurez de consumo (Figura 7.10A), mientras que las frutas no climatéricas presentan tendencia decreciente continua durante su período de poscosecha (Figura 7.10B) (Wills, 1999). Para frutas de algunas especies de Annonaceas cómo chirimoya (Annona cherimola M.) se ha encontrado una tasa de respiración de 220 mL de CO2/k h a los tres días de estar almacenada a 22°C y un comportamiento típico de una fruta climátérica (Paull, 1996).

Figura 7.18: Tasa de respiración para una fruta climatérica (aguacate) (A), y para una fruta no climatérica (fresa) (B) (Fuente: Ritenour et al. 1997 y Nei et al. 2005), respectivamente En frutas de guanábana se ha determinado el índice de respiración bajo condiciones controladas, encontrando un pico de respiración de 298,8 mg de CO2/k h en el periodo climatérico (De Lima et al. 2003). Para otros cultivares de guanábana se han determinado iíndices crecientes para la respiración en la etapa de pscosecha con valor de 162 mL de CO2/k h para el día 5 (Bruinsma y Paull, 1984); Frutas de Annona cherimola Mill. fueron estudiados, Alberto L. HUAMANI HUAMANI

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Postcosecha de Frutas y hortalizas

Respiración y transpiración

encontrando un comportamiento climatérico con un pico respiratorio para el día 3 de poscosecha, equivalente a 220 mg de CO2/k h (Alique Y Zamorano, 2000).

7.4

EJERCICIO RESUELTO

1. Ejercicio de calor de respiración: Determine el calor que es necesario suministrar para el enfriamiento 1 ton de aguacate. La temperatura interior es de 22ºC y la exterior de 5ºC. Calor necesario para enfriar la fruta de 22ºC hasta 5ºC a una tasa de 1ºC/h 1. Calor necesario = Calor del producto (del campo) + calor de respiración 2. Calor del producto = masa de la fruta x Cp x ΔT Solución Calor del producto (Calor de campo extraído): Considerando una tonelada de aguacate Temperatura interior = 22ºC Temperatura exterior = 5ºC Temperatura media = (22+5)/2=13,5°C Calor específico del aguacate = 0,72 Kcal / Kg.ºC Calor de respiración a 20ºC = 11,1 Kcal / Kg. día Calor de respiración a 15.5ºC = 8,5 Kcal / Kg. día Calor de respiración a 5ºC = 3,66 Kcal / Kg. día Calor de respiración promedio = 11.1 + 8.5 + 3.66 / 3 = 7.75 Kcal / Kg.día (Multiplicar por masa de producto) Calor del producto = (masa)(Cp)(ΔT) = 1000(0.72)(22-5) = 12,240 Kcal/día

2. Ejercicio de calor de respiración: Se desea calcular el calor producido por una tonelada de mora que se enfría desde 25°C hasta 5°C en 24 horas. Temperatura media: (25+5)/2=15°C Calor de respiración (de Tabla 15°C) = 214 Vatios/Ton Estimar el calor producido por la mora: Solución

214 Vatios 3600s Ton * 24h * *  1,85x107 J Ton h kg Determinar el calor con este nuevo método. En la tabla 2 , para la mora a = 35,34 ; b = 0,133

Q

35,34 * exp(0,133* 25) 1  exp(0,133* 25  5  341,49Vatios / Ton 0,133* 25  5

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Respiración y transpiración

Q  341,49 Vatios / Ton La carga térmica total será: Vatios 3600s * Ton * 24h *  2,95x107 Julios Ton h 7 Q  2,95x10 Julios

Q  341,49

Esta información también puede utilizarse para determinar la producción de gas carbónico debida a la respiración: el valor, en vatios/ton que se determine o se tome de la información bibliográfica se divide por 5,9 y se obtendrán los mi de CO2 /Kg. hr de la tasa de respiración media (o a una temperatura determinada, según se trate) del material vegetal. 3. Determinar las constantes a parir de los datos de respiración xdatar=[0 1 3 4 5 6 7 8 9 10.5 11 12 23.5 24.5 27.5 28.5 29.5 30.5 32.5... 47.5 49.5 50.5 51.5 52.5 53.5 54.5 56.5 57.5 58.5 59.5 60.5 61.5... 62.5 71 72 74 75 77 78 80 81 82 83 95 96 97 98 99 100 101 102]; mol_CO2r =[0 0 1.32 1.53 1.72 1.92 2.21 2.45 2.58 2.86 3.03 3.16 4.77 4.84 5.17 5.27 5.40 5.68 6.38... 8.31 9.10 9.20 9.35 9.67 9.77 10.12 10.27 10.69 11.11 11.44 11.63 11.76 11.83... 13.12 13.69 13.91 13.39 13.67 13.94 14.65 14.80 15.35 15.44 18.10 18.31 18.38 18.45... 18.85 19.15 19.07 19.71]; mol_O2r =[21.05 20.64 20.60 20.12 20.22 20.82 20.95 20.23 20.66 18.71 19.00 18.48 17.09... 16.84 16.66 16.98 16.83 16.57 16.73 13.00 12.36 12.40 12.78 10.94 10.55 10.64 11.78... 10.50 9.64 12.74 11.05 10.31 9.43 8.49 7.40 6.72 7.06 8.03 7.47 5.48 6.79 5.81 5.29... 4.80 4.51 4.06 4.29 3.19 3.14 3.31 3.42]; Solución Programa RESPIRA.m clc clear close all %DATOS EXPERIMENTALES DE RESPIRACION xdatar(tiempo),mol_CO2r;mol_O2r xdatar=[0 1 3 4 5 6 7 8 9 10.5 11 12 23.5 24.5 27.5 28.5 29.5 30.5 32.5... 47.5 49.5 50.5 51.5 52.5 53.5 54.5 56.5 57.5 58.5 59.5 60.5 61.5... 62.5 71 72 74 75 77 78 80 81 82 83 95 96 97 98 99 100 101 102]; % Tiempo (h) mol_CO2r =[0 0 1.32 1.53 1.72 1.92 2.21 2.45 2.58 2.86 3.03 3.16 4.77 4.84 5.17 5.27 5.40 5.68 6.38... 8.31 9.10 9.20 9.35 9.67 9.77 10.12 10.27 10.69 11.11 11.44 11.63 11.76 11.83... 13.12 13.69 13.91 13.39 13.67 13.94 14.65 14.80 15.35 15.44 18.10 18.31 18.38 18.45... 18.85 19.15 19.07 19.71];

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Postcosecha de Frutas y hortalizas

Respiración y transpiración

mol_O2r =[21.05 20.64 20.60 20.12 20.22 20.82 20.95 20.23 20.66 18.71 19.00 18.48 17.09... 16.84 16.66 16.98 16.83 16.57 16.73 13.00 12.36 12.40 12.78 10.94 10.55 10.64 11.78... 10.50 9.64 12.74 11.05 10.31 9.43 8.49 7.40 6.72 7.06 8.03 7.47 5.48 6.79 5.81 5.29... 4.80 4.51 4.06 4.29 3.19 3.14 3.31 3.42]; %Calculos constantes A, B y C por regresion no lineal % PARA CO2 %x0=[0,1,1] fprintf('Resultado para CO2r: ') [x,resnorm]=lsqcurvefit(@(x,xdatar) xdatar./(x(1)*xdatar+x(2)).^x(3),[0,1,1],xdatar,mol_CO2r)% Cálculo de CO2 CO2r=xdatar./(x(1)*xdatar+x(2)).^x(3); % PARA O2 %x0=[0,0.9,1] fprintf('Resultado para O2r:') [x1,resnorm]=lsqcurvefit(@(x1,xdatar) 21xdatar./(x1(1)*xdatar+x1(2)).^x1(3),[0,0.9,1],xdatar,mol_O2r)% Cálculo de O2 O2r=21-xdatar./(x1(1)*xdatar+x1(2)).^x1(3); %Graficando los porcentajes de CO2 producido y O2 consumido figure(1) hold on box on plot(xdatar,CO2r,xdatar,mol_CO2r,'*',xdatar,O2r,xdatar,mol_O2r,'*') xlabel('Tiempo (h)') ylabel('Concentración CO2, O2 (%) ') title('Concentración CO2, O2 (%) en funcion del tiempo') legend(' %CO2 Ajustado','%CO2 Experimental','%O2 Ajustado','%O2 Experimental') %CALCULO DE TASA DE RESPIRACION (derivadas) dCO2=-x(1).*x(3)*xdatar.*(x(1)*xdatar+x(2)).^(-1-x(3))+ (x(1)*xdatar+x(2)).^(-x(3)); dO2=x1(1).*x(3)*xdatar.*(x1(1)*xdatar+x1(2)).^(-1-x1(3))- (x1(1)*xdatar+x1(2)).^(-x1(3)); figure(2) hold on box on X=0:5:max(xdatar); dCO2_t=-x(1).*x(3)*X.*(x(1)*X+x(2)).^(-1-x(3))+ (x(1)*X+x(2)).^(-x(3)); dO2_t=x1(1).*x(3)*X.*(x1(1)*X+x1(2)).^(-1-x1(3))- (x1(1)*X+x1(2)).^(-x1(3)); plot(xdatar,dCO2,X,dCO2_t,'*',xdatar,dO2,X,dO2_t,'*') xlabel('Tiempo (h)') ylabel('dCO2, dO2 (%) ') title('Velocidad de respiracion dCO2, dO2 (%) en funcion del tiempo') legend(' %dCO2 Ajustado','%dCO2 Experimental','%dO2 Ajustado','%dO2 Experimental') Resultados Alberto L. HUAMANI HUAMANI

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Postcosecha de Frutas y hortalizas

Respiración y transpiración

Resultado para CO2r: Solver stopped prematurely. lsqcurvefit stopped because it exceeded the function evaluation limit, options.MaxFunEvals = 300 (the default value). x= 1.0e+03 * 4.1048 -3.8679

0.0001

resnorm = 18.9179 Resultado para O2r: Solver stopped prematurely. lsqcurvefit stopped because it exceeded the function evaluation limit, options.MaxFunEvals = 300 (the default value). x1 = -0.0003

1.3665

5.9409

resnorm = 30.5817

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Postcosecha de Frutas y hortalizas

Respiración y transpiración

Concentración CO2, O2 (%) en funcion del tiempo 25 %CO2 Ajustado %CO2 Experimental %O2 Ajustado %O2 Experimental

Concentración CO2, O2 (%)

20

15

10

5

0

0

20

40

60 Tiempo (h)

80

100

120

7.5 EJERCICIOS PROPUESTOS

1. Ejercicio de calor de respiración: Los frutos naranjas fueron almacenados en cámara frigorífica con una temperatura de 6° C y humedad relativa de 86%, en períodos de 10, 20 y 30 días. Y se obtuvieron los siguientes valores de pérdida de peso por transpiración. Tiempo de almacenaje (días) 10 20 30

Deshidratación (% pérdida de peso) 1,06 1,47 2,60

a) Estimar el calor producido en un mes de almacenamiento y el costo de energía consumida en el mes de almacenamiento y comparar el costo con la pérdida de peso. b) Qué medidas debe tomar en cuenta para no tener pérdidas de peso 2. Realice un programa en Matlab Guide, para predecir las condiciones de la sala de empacado a partir de datos de temperatura y cantidad de producto.

7.6

RESUMEN

Alberto L. HUAMANI HUAMANI

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Postcosecha de Frutas y hortalizas

Respiración y transpiración

El contenido de este capítulo fundamenta la transpiración de punto de vista bioquímico y físico matemático, determinando a través de ecuaciones matemáticas la predicción de pérdida de peso, condiciones de almacenamiento y empacado de las frutas y hortalizas. En la respiración se tiene el fundamento bioquímico, físico y modelamiento de la respiración considerando la ecuación de Michelis-Mente, aplicando métodos numéricos de sistema ecuaciones diferenciales ordinarias a través del modelo de Runge-Kutta de cuarto orden en Microsoft de Matlab.

7.7

BIBLIOGRAFIA

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Respiración y transpiración

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