Frontiers for Young Minds

Zanim spojrzymy na to, jak kontrolować dojrzewanie owoców, zobaczmy, jak dojrzewają owoce

Jak rosną rośliny rodzące owoce, owoce gromadzą wodę i składniki odżywcze z rośliny i wykorzystują te składniki odżywcze do tworzenia swojego miąższu i nasion. Większość rosnących owoców początkowo zapewnia ochronę rozwijającym się nasionom. Na tym etapie owoce są zazwyczaj twarde i nieatrakcyjne dla drapieżników – w tym dla nas! Po rozwinięciu się nasion i wzroście owoców, właściwości owoców zmieniają się, aby uczynić je bardziej atrakcyjnymi dla potencjalnych konsumentów, takich jak zwierzęta, ptaki i ludzie. Zmiany te obejmują najczęstsze sposoby, dzięki którym oceniamy, czy owoc jest dojrzały, czy nie, w tym cechy zewnętrzne, takie jak miękkość w dotyku i cechy wewnętrzne, takie jak słodycz. Owoce zmieniają również kolor w miarę dojrzewania. Dzieje się tak z powodu rozpadu zielonego pigmentu zwanego chlorofilem, wraz z tworzeniem i gromadzeniem innych pigmentów odpowiedzialnych za czerwone, fioletowe lub niebieskie odcienie (antocyjany), lub jaskrawo czerwone, żółte i pomarańczowe odcienie (karotenoidy), aby wymienić tylko kilka.

Po pierwsze, jak regulowana jest miękkość owoców? Miękkość lub jędrność owocu zależy od stanu jego ścian komórkowych. Ściany komórkowe otaczają każdą komórkę roślinną i składają się ze sztywnej warstwy cukrów, zwanych polisacharydami, które otaczają błonę plazmatyczną każdej komórki (rysunek 1). Trzy główne polisacharydy ściany komórkowej to celuloza, hemiceluloza i pektyny. Celuloza składa się z setek cukrów glukozowych połączonych razem w długi łańcuch; hemicelulozy to również długie łańcuchy cukrów, ale w przeciwieństwie do celulozy mogą zawierać wiele różnych rodzajów cukrów, takich jak glukoza, ksyloza, galaktoza i mannoza, a zamiast liniowych mają strukturę rozgałęzioną; pektyny to również długie rozgałęzione łańcuchy cukrów, ale w tym przypadku cukrami są kwas galakturonowy, ramnoza, galaktoza i arabinoza. Gdy ściana komórkowa zaczyna się rozpadać, owoce stają się bardziej miękkie. Rozpad ściany komórkowej następuje, gdy białka zwane enzymami rozpuszczają te ważne polisacharydy ściany komórkowej. Aktywność tych enzymów jest bezpośrednio związana z trwałością i strukturą owocu. Na miękkość owoców wpływa również ciśnienie płynu wewnątrz błony plazmatycznej (tzw. ciśnienie turgorowe). Ciśnienie turgorowe utrzymuje owoce w stanie jędrności, tak jak ciśnienie powietrza w balonie utrzymuje balon w stanie jędrności. Po dojrzeniu lub zbiorach, owoce tracą płyn (wodę), co powoduje spadek ciśnienia turgorowego, przez co owoce się kurczą. W owocach takich jak truskawki, gdy owoce stracą 6-10% płynu, nie wyglądają już dobrze i mogą nie być zbierane przez konsumentów.

Przedyskutujmy teraz, w jaki sposób dojrzewanie owoców wydobywa ich smak – szczególnie słodycz. Podczas dojrzewania owoców następuje wzrost rozkładu skrobi wewnątrz owocu, a co za tym idzie wzrost ilości cukrów prostych, które mają słodki smak, takich jak sacharoza, glukoza i fruktoza. Proces ten jest szczególnie widoczny w bananach w miarę ich dojrzewania. Zielone banany nie mają w ogóle słodkiego smaku, a im bardziej są dojrzałe, tym słodszy jest ich smak. W miarę dojrzewania zmniejsza się również kwasowość owoców oraz zawartość gorzkich substancji roślinnych, takich jak alkaloidy. Wreszcie, dojrzewając owoce wytwarzają złożone związki, które uwalniają się do otaczającego powietrza, nadając dojrzałym owocom przyjemny aromat.

Dzięki tym zmianom owoce dojrzewają i stają się słodkie, kolorowe, miękkie i smaczne. To dobrze dla rośliny, że inwestuje swoje zasoby w owoce i ich dojrzewanie, ponieważ dojrzałe owoce przyciągają konsumentów, którzy pomagają nasionom rozprzestrzeniać się daleko i szeroko, co jest ważne dla przetrwania i odrastania rośliny.

Jak możemy powstrzymać owoce przed dojrzewaniem podczas przechowywania i transportu?

Poważnym problemem związanym z dojrzałymi owocami jest to, że nie trwają one zbyt długo zanim zaczną się psuć. Utrata jędrności i produkcja cukrów związana z dojrzewaniem może również sprawić, że owoce staną się podatne na patogeny takie jak bakterie i zepsucie. Nadmierne zmiękczenie owoców jest główną przyczyną ich psucia się podczas transportu, szczególnie w przypadku owoców tropikalnych, takich jak mango i banany. Psucie się owoców może być zredukowane poprzez szybki transport świeżych owoców lub poprzez spowolnienie ich dojrzewania. Istnieje kilka sposobów na spowolnienie dojrzewania owoców. Jednym ze sposobów spowolnienia dojrzewania jest obniżenie temperatury. Zazwyczaj stosuje się temperatury powyżej zera. Mimo że wszystkie owoce można zamrozić, po rozmrożeniu wiele z nich traci smak i konsystencję i staje się bardzo mięsiste. Wyjątkiem są maliny, które często można znaleźć zamrożone w sklepie spożywczym. Zazwyczaj, aby zamrozić owoce, najpierw kroi się je na małe kawałki, a po rozmrożeniu można z nich zrobić puree lub smoothie. Dobrą wiadomością jest to, że zamrażanie zachowuje wartości odżywcze owoców. Niektóre owoce, takie jak banany, mogą być uszkodzone przez chłodzenie i to ogranicza to podejście. Dlatego właśnie nie wkładamy bananów do lodówki! Innym sposobem na spowolnienie dojrzewania jest kontrolowanie atmosfery wokół owoców, głównie poprzez zwiększenie poziomu dwutlenku węgla i zmniejszenie poziomu tlenu. Owoce potrzebują tlenu do dojrzewania, więc jeśli w atmosferze jest mniej tlenu, owoce będą dojrzewać wolniej. Ostatnim sposobem na spowolnienie dojrzewania jest zablokowanie działania etylenu. Etylen jest hormonem niezbędnym do rozpoczęcia dojrzewania owoców i można go zablokować za pomocą związków syntetycznych, takich jak 1-metyl-cyklo-propen (1-MCP). 1-MCP jest również stosowany do utrzymania świeżości kwiatów ciętych.

Gaz etylenowy może być stosowany do regulacji dojrzewania owoców

Etylen jest gazem i jest znany jako „hormon dojrzewania owoców”. Każdy owoc ma pewien poziom produkcji etylenu w ciągu całego cyklu życia. Jednak w niektórych owocach poziom etylenu wzrasta, gdy owoce zaczynają dojrzewać. Na podstawie reakcji na etylen podczas dojrzewania, owoce można podzielić na dwie główne grupy. Pierwsza grupa to owoce klimakteryczne, w których dojrzewaniu towarzyszy gwałtowny wzrost stężenia etylenu. Owoce te mogą również reagować na zewnętrzny etylen poprzez zwiększenie tempa dojrzewania. Należą do nich owoce mięsiste, takie jak pomidor, awokado, jabłko, melon, brzoskwinia, kiwi i banan. Druga grupa to owoce nieklimakteryczne, w których produkcja etylenu nie wzrasta podczas dojrzewania. Owoce te mogą jednak dojrzewać, jeśli są wystawione na działanie zewnętrznego źródła etylenu, takiego jak dojrzewający owoc klimakteryczny. Należą do nich truskawki, winogrona i owoce cytrusowe. Skupimy się na dojrzewaniu owoców klimakterycznych, na które wpływ ma etylen.

W przypadku owoców klimakterycznych ekspozycja na początkowe, niewielkie stężenie etylenu powoduje, że owoce produkują większe ilości etylenu, aż do osiągnięcia szczytowego stężenia. Ten wzrost stężenia etylenu powoduje wzrost metabolizmu owocu i wywołuje zmiany w owocu, które występują podczas dojrzewania. Dojrzewanie owoców klimakterycznych może być zatem spowolnione przez zmniejszenie ilości etylenu wytwarzanego przez owoce lub przez blokowanie działania etylenu. Opisane powyżej metody spowalniania dojrzewania działają w ten sposób, ponieważ generalnie niskie temperatury zmniejszają metabolizm w owocach. Kontrolowana atmosfera ogranicza ilość tlenu wokół owoców, a tlen jest potrzebny do produkcji etylenu. Działanie etylenu jest hamowane przez dwutlenek węgla oraz przez 1-MCP. Inną metodą spowolnienia dojrzewania jest usunięcie etylenu ze środowiska przechowywania poprzez zastosowanie materiałów pochłaniających etylen, takich jak nadmanganian potasu. Gdy owoce dotrą do miejsca przeznaczenia, można je dojrzewać poprzez ekspozycję na gaz etylenowy.

Wpływ etylenu na dojrzewanie zależy od wielu czynników. Owoce muszą być wystarczająco dojrzałe, aby mogły skutecznie reagować na etylen. U gatunków bardzo wrażliwych, takich jak kantalupa czy banan, etylen natychmiast stymuluje dojrzewanie, ale im bardziej niedojrzały owoc, tym większe stężenie etylenu jest potrzebne, aby spowodować dojrzewanie. W przypadku mniej wrażliwych gatunków, takich jak pomidory czy jabłka, traktowanie etylenem skraca czas dojrzewania. Niektóre owoce, takie jak awokado, nie dojrzewają, gdy są przymocowane do drzewa i stopniowo zwiększają swoją wrażliwość na etylen w miarę upływu czasu od zbioru.

Dlaczego zgniłe jabłko psuje cały koszyk? Jak ta wiedza może nam pomóc?

Wszystkie rośliny produkują etylen podczas swojego cyklu życiowego. Produkcja etylenu może wzrosnąć nawet 100-krotnie lub więcej podczas poszczególnych etapów – na przykład w odpowiedzi na ranę. Starożytni Egipcjanie nacinali figi, aby zwiększyć ich dojrzewanie, ponieważ etylen produkowany przez zranioną tkankę owocu wywoływał reakcję dojrzewania. Podobnie, starożytni Chińczycy palili kadzidła w zamkniętych pomieszczeniach z przechowywanymi gruszkami, ponieważ etylen był uwalniany jako produkt uboczny palenia kadzideł. Powiedzenie „jedno złe jabłko może zepsuć cały koszyk” opiera się na uwalnianiu etylenu z gnijących jabłek, który przyspiesza dojrzewanie innych jabłek wokół gnijącego jabłka.

Etylen jest komercyjnie wykorzystywany do dojrzewania owoców po ich zerwaniu. Owoce takie jak pomidor, banan i gruszka są zbierane tuż przed rozpoczęciem dojrzewania (zazwyczaj w twardym, zielonym, ale dojrzałym stadium). Daje to czas na przechowywanie i transport owoców do odległych miejsc. Gdy owoce dotrą do miejsca przeznaczenia, dojrzewanie odbywa się w kontrolowanych warunkach. Zazwyczaj odbywa się to w specjalnie skonstruowanych dojrzewalniach, w których panuje optymalna temperatura dojrzewania, wilgotność i stężenie etylenu. Te specjalne warunki sprawiają, że owoce dojrzewają w stałym tempie. W supermarketach można spotkać te owoce jako „Ripe 'n' Ready” . Zwykle do dojrzewania owoców stosuje się niskie stężenie etylenu, ponieważ tylko w ten sposób można pobudzić naturalną reakcję owoców na dojrzewanie. Zanim owoce poddane działaniu etylenu trafią do konsumenta, etylen zastosowany w celach komercyjnych znika, a owoce produkują swój własny etylen. Zarówno etylen, jak i inny powszechnie stosowany środek dojrzewający, jasmonian metylu, nie są toksyczne dla ludzi, ale są stosunkowo drogie.

Spróbuj tego w domu!

Zrozumienie wpływu etylenu na świeże produkty może być pomocne w dojrzewaniu owoców w naszej własnej kuchni.

• Jeśli masz w domu niedojrzałe awokado lub inne owoce, spróbuj umieścić je w papierowej torbie z dojrzewającym bananem. Przyspieszy to dojrzewanie awokado, ponieważ etylen wydzielany przez dojrzewającego banana wywoła reakcję klimakteryczną w awokado. Ta strategia działa najlepiej, gdy dojrzewający owoc jest jednym, który emituje wysokie stężenie etylenu, takie jak jabłko, gruszka, banan lub owoc męczennicy .
• Spróbuj umieścić zieloną cytrynę z dojrzewającym bananem w papierowej torbie, jak powyżej, i zobacz, co się stanie z kolorem cytryny. Etylen jest również używany do „pozbawiania zieleni” cytrusów, poprzez wywołanie rozkładu zielonego pigmentu (chlorofilu), co powoduje pomarańczowe i żółte zabarwienie skórki. Nie powoduje to utraty smaku, ponieważ jest to tylko kontynuacja naturalnego procesu roślinnego.

Jeśli spróbujesz tych rzeczy, pamiętaj, że dojrzewanie najlepiej przeprowadzać w temperaturze pokojowej, około 20°C, ponieważ niskie temperatury mogą dezaktywować ważne enzymy dojrzewania owoców. Najlepiej więc próbować tego poza lodówką.

Glosariusz

Ściana komórkowa: Złożona struktura, składająca się głównie z polisacharydów, która otacza komórki roślinne i zapewnia im strukturę i sztywność.

Polisacharyd: Cząsteczka składająca się z długich łańcuchów cukrów, takich jak glukoza, połączonych ze sobą w łańcuchy liniowe lub rozgałęzione.

Celuloza: Polisacharyd występujący w ścianie komórkowej, składający się z długich liniowych łańcuchów glukozy.

Hemicelulozy: Grupa polisacharydów występujących w ścianie komórkowej. Są to długie, rozgałęzione łańcuchy cukrów, do których powszechnie zalicza się glukozę, ksylozę, arabinozę, galaktozę i mannozę.

Pektyny: Grupa polisacharydów występujących w ścianie komórkowej. Są to długie, rozgałęzione łańcuchy cukrów, które zwykle zawierają kwas galakturonowy, ramnozę, galaktozę i arabinozę.

Etylen: Gaz (C2H4) wytwarzany przez rośliny i znany jako „hormon dojrzewania”, który stymuluje dojrzewanie owoców.

Oświadczenie o konflikcie interesów

Autorzy oświadczają, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek komercyjnych lub finansowych powiązań, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

Brady, C. J. 1987. Fruit ripening. Annu. Rev. Plant Physiol. 38, 155-178. doi:10.1146/annurev.pp.38.060187.001103