Physiological responses of 'Jonagold' apple (Malus domestica Borkh.) following postharvest 1-Methylcyclopropene (1-MCP) application

Abstract

Storage technologies such as controlled atmosphere (CA) storage and recently 1-Methylcyclopropene (1-MCP) treatments have led to an all-year-round global supply of high qualitative apple fruit. As a consequence, pressure of competition between several apple growing areas is increasing and in the same way consumers demands and expectations for apple fruit quality. However, throughout storage fruit quality is generally preserved at a high level whereas conditions at several points throughout the distribution chain are often not adequate for fresh commodities. It is critically important to maintain consistently high fruit quality throughout the marketing period to the final consumer and that fruit quality at the point of sale meets consumer requirements. Although decision for purchasing apple fruit is mainly due to appearance and firmness, consumer are increasingly concerned about nutritional quality and health-protecting compounds in foods. The plant hormone ethylene influences many of the ripening processes in climacteric fruit such as apple. Several storage conditions, such as reduced storage temperatures, controlled storage atmospheres with low O2- and elevated CO2-concentrations and recently 1-MCP treatments are known methods to minimize ethylene biosynthesis, ethylene sensitivity and responses of harvested climacteric fruit and by that to slow metabolic changes during ripening. 1-MCP is an effective tool for maintaining fruit quality during storage and post-storage handling. 1-MCP, a synthetic unsaturated cyclic olefin, is thought to act as a competitive substance to ethylene, occupying the ethylene receptor site so that ethylene cannot bind. In general, 1-MCP is able to counteract ripening effects triggered by ethylene during and after storage by blocking its action in fruit rather than inhibiting its production. The present research project consists of three studies. The aim of the first study was to determine the effect of 1-MCP treatment, storage condition and ?duration on apple fruit quality and consumer acceptability. The second part of the study focused on the effect of 1-MCP treatment, storage condition and ?duration on climacteric characteristics of apple fruit. The effect of 1-MCP treatment, storage condition and ?duration on antioxidant capacity of apple fruit was studied in the third part of the research. ?Jonagold? apple fruit were picked at commercial maturity in 2004, 2005 and 2006. Fruit were treated with 1-MCP on the day of harvest (0 days after harvest, 0 DAH) in 2004 and 7 DAH in 2005 and 2006 and stored the following day either in cold storage, CA- or ultra low oxygen- (ULO) storage. Fruit was held in cold storage prior to commencement of storage in 2005 and 2006. After 2, 4 and 6 months in 2004/05, 3, 6 and 9 months in 2005/06 and 3 and 5 months in 2006/07 fruit samples from each storage atmosphere ± 1-MCP were removed. Fruit quality parameters were assessed after harvest, commencement of storage and after each sample removal in 2004/05, 2005/06 and 2006/07 following 10 days shelf-life at 20°C. Consumer preference mapping was performed after 3 and 5 months of cold- and ULO-storage in 2006/07. Shelf-life respiration rate and fruit ethylene production was measured after harvest, commencement of storage and after each sample removal in 2004/05 and 2005/06, respectively. In 2005/06 ATP and ADP concentration was additionally determined. Nutritional quality and health-protecting compounds were examined by means of ascorbic acid concentration (L-AA), phenolic compounds and total non-enzymatic antioxidant capacity in 2005/06 following 10 days shelf-life after harvest, commencement of storage and after each sample removal. The results of the first part of the study showed that fruit quality generally decreased during storage and shelf-life depending on 1-MCP treatments, storage condition and ?duration. However, 1-MCP delayed ripening more and maintained fruit quality better than CA- or even ULO-storage alone. In consumer preference mapping most consumers, regardless of age or gender, preferred the 1-MCP treated fruit from ULO-storage. This effect was particularly seen when fruit were stored longer. Though sensory evaluation studies are time-consuming and there might be some flaws and difficulties to generate representative results from consumer taste panels, they are a useful tool to assess food quality and consumer preference. The results of the second part of the study proved that 1-MCP is a potent antagonist in terms of reducing and delaying ethylene production and respiratory rise. Although CA- and ULO-storage reduced ethylene production significantly in ?Jonagold? apples, 1-MCP treatment inhibited ethylene biosynthesis and accompanied respiration rate more than CA- and ULO-storage alone. The present study clearly shows that apple fruit shall be exposed as soon as possible to 1-MCP treatment and appropriate storage conditions after harvest for achieving a maximum effect on reduction of climacteric characteristics and maintenance of postharvest and post-storage apple fruit quality. L-AA concentration significantly decreased during storage, irrespective of storage condition and 1-MCP treatment. At commencement of storage L-AA concentration in 1-MCP treated fruit was higher than in untreated control fruit. However, following 9 months of storage L-AA concentration was lower in all 1-MCP treated fruit when compared with untreated fruit. Vitamin C equivalent phenolic concentration and vitamin C equivalent antioxidant capacity (VCEAC) decreased after 6 months of storage and gradually increased again after 9 months of storage. 1-MCP treatment had no effect on phenolics and VCEAC, respectively. In general, the results of the third part of the study showed that the nutritional value of apple fruit was not influenced by 1-MCP and storage condition.

Lagertechnologien wie CA-Lagerung (controlled atmosphere) und seit einiger Zeit Behandlungen mit 1-Methylcyclopropene (1-MCP) haben weltweit zu einem ganzjährigen Angebot an qualitativ hochwertigen Äpfeln geführt. Daraus folgt ein erhöhter Konkurrenzdruck zwischen den einzelnen Anbaugebieten und in gleicher Weise steigen auch die Ansprüche und Erwartungen der Konsumenten an die Qualität der Äpfel. Obwohl die Fruchtqualität während der Lagerung auf einem hohen Level erhalten werden kann, sind die Bedingungen in der weiteren Vermarktungskette nicht immer optimal für frische pflanzliche Erzeugnisse. Es ist besonders wichtig, dass die hohe Fruchtqualität auf dem gesamten Weg der Vermarktung ununterbrochen bis zum Endkonsumenten erhalten wird. Obwohl die Kaufentscheidung bei Äpfeln hauptsächlich vom Aussehen sowie der Festigkeit beeinflusst wird, sind die Konsumenten zunehmend interessiert am gesundheits- und ernährungsphysiologischen Wert der Nahrungsmittel. Das Pflanzenhormon Ethylen beeinflusst viele Reifeprozesse in klimakterischen Früchten, wie bei Apfel. Verschiedene Lagerbedingungen, wie reduzierte Lagertemperaturen und die Veränderung der Lageratmosphäre (CA-/ULO-Lagerung) sowie die Behandlung mit 1-MCP sind bekannte Methoden um Ethylensynthese, -empfindlichkeit und -wirkung bei geernteten klimakterischen Früchten zu reduzieren und so die Stoffwechselprozesse während der Reife zu verzögern. 1-MCP ist ein effektives Mittel zur Erhaltung der Fruchtqualität während der Lagerung sowie der nachfolgenden Vermarktung. 1-MCP, ein synthetisches, ungesättigtes, zyklisches Olefin, ist eine mit Ethylen konkurrierende Substanz, die die Rezeptoren besetzt, so dass Ethylen nicht andocken kann. Die Fähigkeit von 1-MCP, dem Reifeprozess entgegenzuwirken, ist mehr einer verhinderten Wirkung, als einer reduzierten Produktion von Ethylen zuzuschreiben. Das vorliegende Projekt besteht aus drei einzelnen Studien. Das Ziel der ersten Studie war es, den Einfluss einer 1-MCP-Behandlung und verschiedener Lagerbedingungen auf die Apfelfruchtqualität sowie die Akzeptanz dieser Früchte beim Konsumenten zu untersuchen. Der zweite Teil der Studie befasste sich mit den Auswirkungen einer 1-MCP-Behandlung und verschiedenen Lagerbedingungen auf die klimakterischen Merkmale bei Apfel. Im dritten Teil des vorliegenden Projektes wurde der Einfluss einer 1-MCP-Behandlung in Kombination mit verschiedenen Lagerbedingungen auf die antioxidative Kapazität von Äpfeln untersucht. ?Jonagold?-Äpfel wurden in den Jahren 2004, 2005 und 2006 in einem für Langzeitlagerung üblichen Reifezustand geerntet. Nach der Behandlung mit 1-MCP am Tag der Ernte in 2004 und 7 Tage nach der Ernte in 2005 und 2006 wurden die Früchte am folgenden Tag im Kühllager, CA- bzw. ULO-Lager eingelagert. Nach 2, 4 und 6 Monaten in 2004/05 und nach 3, 6 und 9 Monaten in 2005/06 sowie nach 3 und 5 Monaten in 2006/07 wurden aus jedem Lager ± 1-MCP Früchte entnommen. Fruchtqualitätsfaktoren wurden nach der Ernte, Einlagerung sowie nach jeder Probenahme jeweils nach 10 Tagen Nachlagerung (20°C) in allen drei Versuchsjahren analysiert. Zusätzliche Verkostungen wurden nach 3 und 5 Monaten Kühl- bzw. ULO-Lagerung in 2006/07 durchgeführt. Die Atmungsrate sowie die Ethylenproduktion der Früchte wurde nach der Ernte, Einlagerung sowie nach jeder Probenahme in 2004/05 und 2005/06 gemessen. In 2005/06 wurden zusätzlich die ATP und ADP-Konzentrationen bestimmt. Zur Bestimmung der gesundheits- und ernährungsphysiologisch wertvollen Bestandteile wurden in 2005/06 die Vitamin C-Konzentration, die Gesamtphenole sowie die Vitamin-C äquivalente antioxidative Kapazität (VCEAC) der Äpfel 10 Tage nach der Ernte, Einlagerung sowie nach jeder Auslagerung analysiert. Die Ergebnisse der ersten Studie zeigten, dass die Fruchtqualität grundsätzlich nach Lagerung und Shelf-life in Abhängigkeit von 1-MCP-Behandlung und Lagerbedingungen abnimmt. Die meisten Konsumenten, unabhängig von Alter und Geschlecht, bevorzugten die mit 1-MCP behandelten und im ULO-Lager gelagerten Früchten. Dieser Effekt war besonders deutlich nach längerer Lagerung festzustellen. Sensorische Untersuchungen sind sehr zeitaufwändig und es kann schwierig sein, bei Konsumentenbefragungen repräsentative Ergebnisse zu erhalten. Dennoch sind sie ein hilfreiches Mittel, um Qualität und geschmacklichen Wert der Früchte sowie die Ansprüche und Zufriedenheit der Konsumenten zu ermitteln. In der zweiten Studie konnte festgestellt werden, dass 1-MCP die Ethylenproduktion sowie den Atmungsanstieg bei Apfel deutlich reduziert und verzögert. Obwohl die Ethylenproduktion von ?Jonagold?-Äpfeln auch durch CA- und ULO-Lagerung signifikant reduziert wurde, verminderte eine Behandlung mit 1-MCP die Ethylenbiosynthese sowie den Atmungsanstieg stärker als CA- und ULO-Lagerung allein. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen deutlich, dass es besonders wichtig ist, die Äpfel möglichst bald nach der Ernte mit 1-MCP zu behandeln und einzulagern. Nur so kann ein maximaler Effekt auf die klimakterischen Parameter sowie die Erhaltung der Fruchtqualität während und nach der Lagerung erzielt werden. Unabhängig von Lageratmosphäre und 1-MCP-Behandlung war während der Lagerung von ?Jonagold?-Äpfeln eine signifikante Reduktion der Vitamin C-Gehalte festzustellen. Obwohl die Vitamin-C-Konzentration in den mit 1-MCP-behandelten Früchten bei der Einlagerung höher war als in den unbehandelten Kontrollfrüchten, war nach 9 Monaten Lagerung im Vergleich zu den Kontrollfrüchten in allen mit 1-MCP behandelten Früchten eine niedrigere Vitamin C-Konzentration festzustellen. Gesamtphenolkonzentration und VCEAC verringerten sich während der ersten 6 Lagermonate, um dann nach 9 Monaten Lagerung wieder anzusteigen. Die Behandlung mit 1-MCP und verschiedene Lagerkonditionen hatten keinen Einfluss auf Phenole und VCEAC.