Respiração e efeitos da composição da atmosfera

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1 Respiração e efeitos da composição da atmosfera Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita Pós-graduação em Fruticultura Instituto Superior de Agronomia Domingos P. F. Almeida Taxas de respiração Classe Muito baixa Baixa Moderada Alta Muito alta Extremamente alta Respiração a 5 ºC (mg CO 2.kg -1.h -1 ) < >60 Produtos Nóz, avelã, castanha, amêndoa, tâmara Maçã, citrinos, uva, kiwi, cebola, batata Damasco, banana, cereja, pêssego, nectarina, pêra, ameixa, figo, couve, canoura, alface, pimento, tomate Morango, framboesa, amora, couveflor, abacate Alcachofra, feijão-verde, couve-de- Bruxelas, flores cortadas Espargo, brócolo, cogumelos, ervilha fresca, espinafre, milho-doce

2 Teor de açúcares em frutos Fruto Total Glucose Frutose Sacarose (% peso fresco) Abacate 0,4 Lima 0,7 Tomate 2,8 1,6 1,2 Pêra 10,0 2,4 7,0 1,0 Maçã 11,6 1,7 6,1 3,6 Ananás 12,3 2,3 1,4 7,9 Uva 14,8 8,2 7,3 Tâmara 61,0 32,0 23,7 8,2 Kays(1997)

3 Conversões de carbohidratos Amido Glucose Sacarose 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?

4 Invertase Sacarose + H 2 O glucose + frutose Hidrólise irreversível. 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)

5 Sacarose sintase Sacarose + UDP 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 proteína) 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.

6 Glicólise e fermentação alcoólica Glicose ATP Hexoses-P F-1,6-BiP e Trioses-P ADP ATP Fosfofructocinase ADP NAD + Etanol Piruvato cinase ADP ATP ADP ATP Compostos C3 fosforilados Piruvato NADH + H + CO 2 Condições anaeróbicas Condições aeróbicas Acetaldeído Ciclo TCA Regulação da glicólise Fosfofrutocinase (PFK, EC ) Frutose-6-P + ATP Frutose-1,6-BiP+ ADP+ Pi PFK PPi-fosfofrutocinase (PPK, EC ) Frutose-6-P + PPi Frutose-1,6-BiP+ Pi PPK Piruvato cinase (PK, EC ) Fosfoenolpiruvato + ADP Piruvato + ATP PK

7 Ciclo dos ácidos tricarboxílicos Piruvato Acetil-CoA Citrato Complexo I UQ CO 2 NADH NAD + Oxaloacetato Malato Fumarato FADH 2 FAD NAD + NADH Succinato cis-aconitato NAD + NADH Isocitrato α-cetoglutarato GDP GTP CO 2 CO 2 Composição Ácidos orgânicos Málico Cítrico Tartárico Oxálico Isocítrico Quínico Uva, maçã, pêra, banana, pêssego, ameixa, cereja, brócolo, cenoura, alface, cebola Citrinos, ananás, morango, figo, hortícolas de folhas, tomate, batata Uva (~málico) Espinafre Amora Kiwi O teor em ácido málico decresce durante o amadurecimento O teor em açúcar aumenta (geralmente)

8 Oxidação do malato CO 2 Enzima málica Piruvato Piruvato desidogenase Malato Acetil-CoA Malato desidrogenase CO 2 Oxaloacetato PEP Citrato sintase Citrato Transporte de electrões NADH Complexo II (Succinato desidrogenase) Complexo I (NADH desidrogenase) ADP + Pi ATP UQ Complexo III (Citocromo bc 1 ) 0,5 ADP + 0,5 Pi 0,5 ATP Oxidase Alternativa Citocromo c Complexo IV (Citocromo oxidase) ADP + Pi ATP O 2

9 Efeito do etileno e cianeto na taxa de respiração Libertação de O 2 em µl.g -1.h -1 Produto Controlo Etileno Cianeto Maçã Abacate Limão Batata Beterraba Cenoura Kays(1997) Cadeia de transporte de electrões na célula vegetal (Siedow & Umbach, 1995)

10 Velocidade relativa % total Regulação do metabolismo em função da carga energética AMP ATP CE = ATP+ 0,5 ADP ATP + ADP+ AMP ADP Catabolismo Carga energética Adenilato cinase ATP+ AMP 2ADP Anabolismo Carga energética Relação entre a carga energética e a incidência de acidentes fisiológicos internos em pêra (Saquetet al, 2003)

11 Quociente respiratório Substrato Glucose Equação da respiração C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O QR 1,0 Ácido málico C 4 H 6 O O 2 4 CO H 2 O 1,3 Ácido esteárico C 18 H 36 O O 2 18 CO H 2 O 0,7 Fermentação C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 6 O + 2 CO H 2 O >> 1 Classificação de frutos com base no padrão respiratório durante o amadurecimento Climactérico Abacate Ameixa Banana Carambola Damasco Diospiro Feijoa Figo Fruta pão Goiaba Kiwi Litchi * Maçã Manga Maracujá Meloa Mirtilo Nectarina Papaia Pêra Pêssego Tomate Não-climactérico Amora Ananás Azeitona Caju Cereja Kumquat Laranja Lima Limão Malagueta Melancia * Morango Pimento Tomateiro arbóreo Toranja Uva

12 Órgãos Climactéricos Janela de Oportunidade Tamanho Respiração Órgãos Não-climactéricos (Exemplo da uva) Pintor Tamanho Respiração

13 O papel do climactérico respiratório? Energia necessária para a síntese de novas enzimas associadas ao amadurecimento Mas... As necessidades são inferiores à energia produzida durante o climactérico Frutos não-climactéricos É possível dissociar o climactérico respiratório de algumas alterações associadas ao amadurecimento Resposta ao etileno? Hipótese da quase-autonomia da mitocôndria? Efeito da concentração de O 2 na taxa de respiração Libertação de CO 2 em mg.kg -1.h -1 Temperatura (ºC) Produto Ar 3% O 2 Ar 3% O 2 Ar 3% O 2 Espargo Couve-Bruxelas Morango Couve-flor Alface Pepino Batata-primor Cenoura Tomate Batata Cebola Kays(1997)

14 Oxidases de elevado Km e de baixo Km v V K = max m + Equação de Michaelis-Menten [ S] [ S] V v = K max 1 2 [ S] [ S] + V max ½.V max K m [S] K 1/2 K m aparente Oxidases de baixo Km Citocromo c oxidase K 1/2 = 0,25 5 % O 2 Aumenta com a temperatura

15 Exemplos de oxidases (e oxigenases) de elevado Km Polifenol oxidase (PPO) o-di-hidroxifenois + O 2 o-benzoquinonas + H 2 O Lipoxigenase (LOX) OOH Motivo cis-cis-1,4-pentadieno R-CH=CH-CH2-CH=CH-R + O 2 R-CH-CH-CH2-CH=CH- R Ácido linoleico (18:2 9, 12) e linolénico ACC oxidase (ACO) ACC + ½ O 2 C 2 H 4 + CO 2 + HCN Oxidase alternativa Concentrações recomendadas de O 2 e de CO 2 para algumas hortaliças (Saltveit, 2003)

16 Concentrações recomendadas de O 2 e de CO 2 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?

17 Etapas para a determinação da concentração de O 2 óptima (Saltveit, 2003) Respiração de alface e danos provados pela anaerobiose em atmosferas com diferentes concentrações de O 2 Nota: no caso da alface o limite inferior do nível de O 2 pode ser mais baixo do que o valor que induz fermentação pois os benefícios da redução do acastanhamento enzimático são maiores do que os efeitos indesejáveis no aroma. (Saltveit, 2003)

18 Atmosfera prática de segurança e os benefícios da redução do O 2 Morango K 1/2 (20 ºC) = 1,0 kpao 2 Fermentação < 1,2 kpao 2 Maçã pré-climactérica + MCP K 1/2 (22 ºC) = 1,0 kpao 2 Fermentação < 1,5 kpao 2 Maçã amadurecimento K 1/2 (22 ºC) = 9,0 kpao 2 Fermentação < 2,5 kpao 2 Regra de Van t Hoff e Q 10 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 o C na temperatura. 10 R T2 T1 2 Q10 = R 1 Intervalo de temperatura (ºC) Valores do Q

19 Respiração: resumo C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O kcal C 6 H 12 O 6 O 2 CO 2 H 2 O Moles Massa (g) Atmosfera controlada e modificada Fisiologia e Tecnologia Pós-colheita Pós-graduação em Fruticultura Instituto Superior de Agronomia Domingos P. F. Almeida

20 Atmosfera controlada Vantagens Inconvenientes Produtos que beneficiam da utilização comercial da AC/AM Variáveis que podem ser controladas 1. Duração do armazenamento 2. Temperatura 3. Humidade relativa 4. Concentração de O 2 5. Concentração de CO 2 6. Concentração de etileno

21 Evolução das recomendações para a maçã Cox s Orange Pippin a 3,5 ºC em Inglaterra O 2 (%) CO 2 (%) Duração armazenamento (semanas) Data aproximada < ,25 < < (In Thompson, 1998) Problemas na determinação da composição óptima da atmosfera Variabilidade biológica Tecnologia de sensores e controladores Parâmetros mutuamente exclusivos

22 Elementos de uma câmara de AC (além da câmara frigorífica) Revestimento estanque Dispositivos de: Regulação da concentração de CO 2 Regulação da concentração de O 2 Limitação das variações de pressão Válvulas Balão de compensação Analisadores CO 2 O 2 Eventualmente Gerador de N 2 Sistema informático de gestão da atmosfera Colocação em regime Fecho da câmara quando estabelecido o equilíbrio térmico Redução do nível de O 2 Respiração (lento) Purga com N 2 (rápido) Elevação do nível de CO 2 Respiração

23 Sistemas de produção de N 2 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) Filtro molecular com carvão activado que retém o oxigénio (Mazollier & Millet, 2002)

24 Membranas de fibras ocas (Wills et al., 1998; Mazollier & Millet, 2002) Controlo do O 2 Adição de O 2 Ar atmosférico Remoção de O 2 Limites de tolerância Concentração < 2%: 0,15% Concentração > 2%: 0,30%

25 Controlo do CO 2 Adição de CO 2 Respiração Botijas Gelo seco (durante o transporte) Redução do CO 2 Sistemas não renováveis Cal Ca( OH ) 2 + CO2 CaCO3 + H2O Capacidade: 1 kg cal absorve 0,4 kg CO 2 Sistemas renováveis Carvão activado Filtro molecular: Silicato de aluminio cálcio Tolerância: 0,5% Sistemas hipobáricos Armazenamento a pressão < p atm Cálculo da concentração de O 2 p p = DPV 21 câmara O2 pexterior Pressões Variável: mmhg Vantagem Remoção do etileno Problema Controlo da perda de água Manter o ar com humidade relativa ~100%

26 Controlo da câmara Analisador de CO 2 : Infravermelhos Analisador de O 2 : Paramagnético (Mazollier & Millet, 2002) Atmosferas modificadas Embalagem em atmosfera modificada (MAP) Geradas pelo produto de forma passiva Modificadas activamente

27 Atmosfera modificada (Moldão & Empis, 2000) Modificação da atmosfera H 2 O O 2 CO 2 Interior embalagem O 2 H 2 O CO 2

28 Permeabilidade de alguns filmes Filme Transmissão de vapor de água (g/m 2 /24 h) 38 ºC/90% HR Permeabilidade de filmes com 25 mm a 25 ºC (cm 3 /m 2 /24h/atm) O 2 N 2 CO 2 Polietileno PEbd Polietileno PEad Copolímero EVA