Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Rastlinná výroba / Ovocie

Udržení nízké koncentrace etylenu ve velkokapacitní chladírně větráním venkovním vzduchem

09-06-2022
prof. Ing. Jan Goliáš, DrSc. | golias@mendelu.cz
Mendelova univerzita v Brně

Posklizňové uložení jablek v chladírně má přímou návaznost na výskyt etylenu nejprve ve vnitřní atmosféře plodu a jeho difuzí přes slupku do vnějšího prostředí, v níž je koncentrace snadno zaznamenatelná jako externí hodnota, která je homogenizována na průměrné hodnoty  při vnitřní cirkulaci vzduchu.

Fyziologické účinky etylenu na uložené plodiny v chladírně

Etylen indukuje zrání, odkvétání, stárnutí plodů, ztrátu chlorofylu, oddělování listů, fyziologická onemocnění jako je chladový stres. Během vývoje rostliny se jeho obsah zvyšuje, stejně tak činností mnohých mikrorganismů, zejména plísní. V přírodě vzniká hořením organických hmot (slámy, trávy), čehož se intuitivně využívalo při následném dozrávání plodů. V atmosféře se nachází v koncentraci 1 – 5 nl/l v neznečistěných venkovských oblastech a v rozmezí 30 – 700 nl/l v městských aglomeracích, v 17 – 35 nl/l ve skladech supermarketů a 60 nl/l ve skladech a distribučních centrech. V koncentracích vyšších než 13 nl/l byl stanoven na květinových burzách a v koncentracich 0,1- 2,0 nl/l ve sklenících s balící technologií. V hypobarické atmosféře se oddaluje nástup klimakterického minima a minimální obsah O2 ve vnitřní atmosféře plodu významně zpomaluje produkci etylenu.

Graf 1

Graf 1: Biogeneze etylenu z aminokyseliny methioninu s vedlejší drahou přes kyselinu 1-aminocyklopropanovou  (ACC), Saltveit 1999

Biosynthesa etylenu začíná v methioninovém cyklu (Yangův cyklus, 1987), v němž recykluje 5-methyladenosin na methionin. ACC syntheasa je specifická pro SAM (S adenosylmethionine) a vzniká meziprodukt ACC (amino-1-cyklopropan-1-karboxylová kyselina), z níž se uvolňuje etylen. Tato sloučenina limituje produkci etylenu v methioninovém cyklu. Vliv teploty na produkci etylenu je exponenciální podle vztahu

vzorec 1 (1)

kde Gt je pro produkce etylenu při dané teplotě (ml/kg.h), Go je produkce etylenu při 0°C (ml/kg.h), b je teplotní koeficient (°C-1) a t je teplota (°C). Optimální teplota pro produkci etylenu pro jablka je 32°C a pro rajčata 27°C. V nižší teplotě je Q10 pro produkci etylenu 2,7-2,8. Vliv etylenu na dýchání byl zkoumán z mnoha fyziologických hledisek. Aplikovaný etylen podporuje dýchání klimakterických plodů. Mechanismus účinku etylenu na dýchání byl obsáhle studován, ale přesto není zcela jasný. Stres etylenu se vyvolá vnějším činitelem, na který rostlinné pletivo reaguje zpravidla zvýšenou produkcí endogenního etylenu. Elicitory jsou mechanické, fyzikální a mikrobní, jako je vnější poranění, dělení pletiva, záření, plesnivění, insekticidní napadení, mrznutí pletiva, chladový stres, nahodilá vysoká teplota, období sucha, zaplavení vodou, plísňové exudáty, vysoká koncentrace chloridu vápenatého, siřičitany, kyselé siřičitany, SO2, ozon, NH3, NaCl, pesticidy a polutanty. 

Nízká produkce etylenu v jablkách

Etylen má v  klimakterických plodech, jako jsou jablka, významné postavení, které se odvozuje z klimakterické křivky zrání. Bude-li plod sklizňově zralý, pak se předpokládá jen nevýznamná biogeneze v biochemickém cyklu přeměny aminokyseliny methioninu. Pokud už etylen vznikne, pak se nejprve hromadí ve vnitřní atmosféře plodu v koncentracích, které nepřekračují 0,1 ppm (0,1 ml/l). Dalším zráním na stromě nebo ve vyšší teplotě po odtrhnutí plodu se koncentrace etylenu ve vnitřní atmosféře plodu významně zvyšuje, v horší variantě až o dva logaritmické řády. Zpomalení produkce etylenu vlivem nízké chladírenské teploty je možné předvídat, ale současně se musí změřit vhodnou analytickou metodou v ambientní atmosféře. Zavedením plynné směsi s velmi nízkým obsahem kyslíku se sice zpomalí biogenese etylenu v plodu, avšak u plodů, které už jsou ve fázi pokročilé klimakterické fáze, je účinek kyslíku málo efektivní proto, že zrání je spojeno s novou tvorbou nebo přestavbou bílkovinných micel, která tvoří místa vazby etylenu z vnějšího prostředí (exogenní ethylen). Technologicky se má dbát na přesnou sklizeň plodů a omezení všech způsobů zdržování dopravy a manipulace před vložením do chladírenské komory s nastavenou konečnou teplotou skladování. Druhé opatření se dotýká skladování odrůd jablek vždy samostatně, protože odrůdy zpravidla mají různou produkci etylenu.

Přítomnost etylenu v atmosféře chladírenské komory

Jablka jako klimakterický typ ovoce produkují etylen i při doporučené teplotě, která u odrůd jablek, necitlivých na chladový stres, může nastat při 0,5 °C. I v těchto podmínkách uložení, později po lag fázi, jsou známy relativně vysoké koncentrace etylenu. Senzorické rozpoznání nelze odhadovat čichem protože, etylen jako jednoduchý nenasycený uhlovodík je nevonný. Čichové vjemy zprostředkují vonné látky z chemických skupin alkoholů, aldehydů, ketonů a esterů, které se tvoří souběžně při zrání jablek. Nastane-li varianta, že při vstupu do komory zaznamenáme příjemnou vůni jablek, pak se z ní může odvodit i vyšší podíl etylenu v atmosféře. Posklizňové uložení jablek v chladírně má přímou návaznost na výskyt etylenu nejprve ve vnitřní atmosféře plodu a jeho difuzí přes slupku do vnějšího prostředí, v níž je  koncentrace je snadno zaznamenatelná jako externí hodnota, která je homogenizována na průměrné hodnoty  při vnitřní cirkulaci vzduchu. Pohyb vzduchu v celém objemu chladírenské komory se získá jeho nasáváním do výparníku, prostřednictví výparníkového ventilátoru, takže průchodem přes výparník se vzduchu nejen ochlazuje, ale při jeho opuštění se  při lineární rychlosti, která zpravidla dosahuje 10 m/s a musí se dopravit až na protilehlou stěnu chladírenské komory, kde už dosahuje jen polovičních hodnot. Odražená vzduchová masa se znovu vrací do prostoru mezi velkoobjemové bedny, odebírá dýchací teplo z plodiny, ale také homogenizuje koncentraci etylenu ještě předtím, než je znovu nasáta do výparníku.

Etylen volný a uvnitř velkoobjemové bedny (VOB)

Ve zpracovaném modelu se započítá celkový objem etylenu obsažený  ve volné prostoru chladírenské komory obsahující přímo promíchávaný objem v prostoru mezi VOB, který zajišťuje odvod tepla z plodiny na výparník. Nepřímo promýchávaný objem se ustavuje uvnitř VOB v prostorách mezi uloženými jablky. Bude-li ve velkokapacitní komoře uloženo 651 ks VOB s hmotností jablek 330 kg/VOB, pak při objemu VOB 0,803 m3 a jejich počtu v komoře asi 651 ks vytváří nepřímo promíchávaný objem Vf.

Výpočet větrání pro přímo promíchávaný objem a nepřímo promíchávaný objem

Při znalosti produkce etylenu na jednotku hmoty (G), hmotě jablek (W), objemové průtokové rychlosti větracího vzduchu (F) , c0t představující počáteční koncentraci etylenu na počátku větrání, součtu objemů pro Vd+Vf (promíchávaný objem Vd) a pro nepromíchávaný objem Vf) a dobu větrání t dostaneme pro ct  koncentraci etylenu ve volném prostoru vztah, kde platí, že a se blíží 1, pak konstanta úměrnosti ve vztahu (2) nebude ovlivňovat výslednou koncentraci etylenu.

vzorec 2 (2)

Při výpočtu potřeby větrání z hodnot koncentrace etylenu zřeďovací efekt vznikl nuceným odsáváním, přičemž čerstvý vzduch se přiváděl do prostoru výparníku, kde přebytečná vlhkost zkondenzovala  na jeho trubkovém systému. Současně vnitřní atmosféra cirkulovala, takže prostor mimo velkoobjemové bedny (VOB) s jablky byl promíchávaný. Na základě teoretického modelu lze předpokládat, že průběh koncentrace etylenu v promíchávaném prostoru komory v závislosti na době větrání lze popsat empirickou rovnicí

vzorec 3 (3)

Koncentrace etylenu c  v empirické rovnici vyjadřuje exponenciální pokles, který je ve vztahu (3) uvedený třemi parametry.  V empirické rovnici výraz A představuje počáteční koncentraci etylenu na počátku větrání  snižovanou součinem produkce etylenu skladovanými jablky s jejich hmotnosti a objemovou rychlosti větracího vzduchu. Hodnoty  (- a.t)  jsou v empirické rovnici  v průběhu doby větrání (t)  závislé součtu celkového objemu vzduchu (přímo promíchávaného vzduchu a objemu  vzduchu ve velkoobjemových obalech (VOB). V průběhu větrání je tento součin exponenciálně klesající až do rovnovážného stavu c.

Koncentrace etylenu v ustáleném stavu

Dlouhodobým přiváděním venkovního vzduchu provedené odsáváním z komory (hodnota F) v rovnici (2), se při hermetičnosti komory dosáhlo  zřeďovacího efektu až na hodnoty etylenu, které nemohly být nulové, ale dosáhly koncentrace etylenu (GW/F), z níž vyplývá, že hmotnost jablek (W) a rychlost tvorby etylenu na jednotku hmoty, jako složka trvale vytvářející produkci etylenu je souběžně snižována zřeďovacím účinkem přiváděného vzduchu (F mx3/h). Ustálenou koncentrace etylenu po delší době odsávání umožňuje odvodit z osmi až deseti měření. Ve sledované komoře bylo na počátku registrováno 208,3 t jablek odrůdy Golden Delicious. Při předpokládané ztrátě 5.3 % na hmotnosti v období měření (únor) se může se předpokládat hmotnost 197,3 t jablek. Bude-li se brát v úvahu průměrná rychlost  odsávání F, pak nejnižší ustálená koncentrace etylénu (GW/F) dosahuje hodnot 12,7 ul/l. Shoda ustálených koncentrací předpokládaných při regresi experimentálních dat je ve dvou případech 12,8 ul/l a jednou 10,5 ul/l. Také shoda ustálených koncentrací při regresi je stejná jako hodnoty zjištěné z analytických dat plynovou chromatografií. Tímto srovnáním etylenu ve velkokapacitní chladírenské komoře a  jeho plynově chromatografickým stanovením se  se potvrdil navržený model větrání.                                                                                         

Zobecnění výpočtových vztahů

Pro zřeďování plynné složky lze použít koncepce poločasu větrání (t0,5), z niž plyne, že pokles koncentrace na polovinu každé počáteční hodnoty je pro danou funkci cf (t) konstantní. Vyneseme-li exp (Ft[/Vf+Vd)] vůči době chodu větracího zařízení  a vyznačíme-li příslušné t0,5, pak prakticky po pěti poločasech bude předpokládaná koncentrace  jen o 3 % vyšší než teoreticky vypočítaná. Z grafického znázornění (osa y- teplota- (°C)  osa x poločas zchlazení t0,5)  vyplývá, že t0,5 bude 0,75 hodiny, tedy k efektivnímu odvětrání etylenu dostačuje 3,75 h.

Soustavné větrání venkovním vzduchem

V konvenčních chladírnách je možné hladinu etylenu udržovat na minimální hranici soustavným větráním venkovním vzduchem. Snižování etylenu během větracího cyklu má exponenciální průběh. Pokles koncentrace závisí na efektivním objemu komory, který je formulovaný jako rozdíl objemů prázdné komory a vlastních jablek a efektivní průtokové rychlosti  větracího vzduchu. Plynný prostor uvnitř velkoobjemové bedny není během odsávacího cyklu přímo promývaný a plynné složky se uvolňují do promývaného prostoru difuzí. V diskutovaném modelu větrání se předpokládá velká rychlost difuze etylenu vrstvou jablek do promíchávaného prostoru, kde a se blíží 1, že koncentrace etylenu v nepromíchávaném a v promíchávaném prostoru jsou shodné. Správnost tohoto předpokladu potvrzuje shoda s předpokládanou hodnotou c a hodnotou zjištěnou analyticky. Odvětrání etylenu komory je možné jen do ustálené koncentrace, která je dána bilancí mezi produkcí etylenu skladovanými plody a rychlostí odsávání. Ustálená koncentrace ve výpočtu je předpokládána na úrovni 12,8 ul/l, skutečná pak na 12,7 ul/l, odvozená z produkce etylenu měřeného na separátních vzorcích jablek.

Závěr pro větrání venkovním vzduchem

Pro chladírenskou komoru je přítomnost etylenu typická a jeho koncentrace se musí zásadně snižovat soustavným přívodem venkovního vzduchu, který představuje hmotu vzduchu, němž je obsah etylenu nulový. Teprve nové technologie, které v ambientní atmosféře snižují kyslík na hladinu 1,0 %  (ULO) a DCA dynamicky řízená atmosféra  (dynamic controlled atmosphere), která hodnoty 0,4 % O2 dosáhne až  35 dnů. Obě technologie vyžadují úplnou hermetičnost chladírenské komory. Tato se musí před zahájením skladovací sezony přímo změřit.  Nová technologie (DCA) není u nás zavedena pro velkokapacitní chladírny, i když v Jižní Tyrolsku převládá nad technologií ULO. Pro jablka skladovaná v DCA je koncentrace etylenu ve vnitřní atmosféře hermetické komory zanedbatelná a nemůže zrychlit zrání jablek, stejně tak jako limitně nízký obsah kyslíku. Jen pro úplnost tématu o odstraňování etylenu, by měl být čtenář informovaný o tom, že etylen by se odstraňoval katalytickou oxidací, pokud by to bylo technologicky nutné.