Przechowalnictwo i przetwórstwo

Transkrypt

1 34 Przechowalnictwo i przetwórstwo CIEMNA PLAMISTOŚĆ POUSZKODZENIOWA MIĄŻSZU BULW ZIEMNIAKA (CPP) prof. dr hab. Kazimiera Zgórska IHAR PIB, Zakład Przechowalnictwa i Przetwórstwa Ziemniaka w Jadwisinie Serock, k.zgorska@ihar.edu.pl U szkodzenia mechaniczne bulw są najtrudniejszymi do uniknięcia wadami skórki i miąższu, powstającymi pod wpływem czynników techniczno-środowiskowych. Wynikają one z nadmiernego mechanicznego obciążenia bulwy w czasie zbioru na elementach roboczych maszyn kopiących i sortujących, w czasie transportu i przechowywania oraz konfekcjonowania. Uszkodzenia są wypadkową wielu czynników: biologicznych, związanych z cechami genetycznymi odmiany; środowiskowych (warunki klimatyczno- -glebowe i agrotechniczne); technicznych, związanych z konstrukcją maszyn (Lutomirska 2004). Zmechanizowanie prac w procesie uprawy, zbioru i obróbki sprawiło, że problem uszkodzeń mechanicznych bulw stał się bardzo istotny (Marks 2009), ponieważ prowadzą one do pogorszenia jakości surowca oraz produktów końcowych (smażonych, suszonych i mrożonych), co wiąże się z dużymi stratami ekonomicznymi. Według Johnsona i innych (2003) całkowite straty przemysłu przetwórstwa ziemniaków w Wielkiej Brytanii z tego tytułu wynoszą ok. 30 mln funtów rocznie, a w USA ok. 300 mln dolarów. Jedną z najważniejszych cech jakości bulw ziemniaka jest ich odporność na zewnętrzne i wewnętrzne uszkodzenia mechaniczne (Zgórska 1989, Struik 2006, Marks 2009). Baritelle i inni (2000) przedstawili szczegółową klasyfikację zewnętrznych i wewnętrznych uszkodzeń bulw (rys. 1). Rys. 1. Główne typy uszkodzeń bulw ziemniaka (Baritelle i in. 2000, Gancarz 2010)

2 35 Fotografie 1-4 przedstawiają różne typy uszkodzeń (autorem wszystkich zdjęć w pracy jest Z. Czerko). a Fot. 1. Uszkodzenia zewnętrzne pęknięcia skórki b Fot. 4 a,b. Ciemna plamistość pouszkodzeniowa Fot. 2. Pęknięcia wewnątrz miąższu bulw Fot. 3. Nekrozy Ciemna plamistość pouszkodzeniowa (CPP) CPP miąższu bulw jest następstwem naruszenia struktury komórki na skutek urazu mechanicznego lub stresu fizjologicznego (Storey 2007). Darvill i Abersheim (1984) zaliczyli CPP do tzw. elicytorów abiotycznych indukujących reakcje obronne roślin. Uszkodzenia bulw pociągają za sobą gwałtowny proces degradacji lipidów i utlenianie uwodnionych kwasów tłuszczowych tworzących wolne rodniki (m.in. Yamaguchi i in. 1985; Johnson i in. 2003). Przypuszcza się, że zdegradowane i utlenione lipidy są głównymi dostarczycielami wolnych rodników tlenowych (Johnson 2002). Rodniki (O 2, OH ) mogą degradować pektyny i biorą udział w procesach lignifikacji oraz suberynizacji (powstawania nekroz). Destrukcja błon komórkowych prowadzi do uwolnienia enzymów hydrolitycznych, peroksydaz i fenylooksydaz, które są katalizatorami reakcji ciemnienia (Krzysztofik 2001, Johnson 2002). Głównym substratem

3 36 reakcji ciemnienia są związki fenolowe, a szczególnie wolna tyrozyna (Johnson 2002). Utlenianie tyrozyny prowadzi do powstawania chinonów, a wskutek uszkodzenia komórek lub niekorzystnych czynników środowiska (stres wodny, temperatura) następuje polimeryzacja chinonów do ciemno zabarwionych melanin (CPP). Odporność na CPP jest skorelowana z zawartością tyrozyny w bulwach (Stevens, Devellar 1996; Johnson 2002). W części przystolonowej bulwy jest o ok. 25% więcej tyrozyny niż w wierzchołkowej i dlatego ta część jest bardziej podatna na powstawanie CPP (Corsini i in. 1999). W czasie dojrzewania i przechowywania ziemniaków zwiększa się poziom tyrozyny w bulwach i według większości badaczy wzrasta podatność na CPP (Stevens, Davellar 1996; Corsini i in. 1999; Johnson i in. 2003). Pod wpływem urazu mechanicznego (uderzenia) po 2 godzinach wzrasta aktywność oksydazy polifenolowej katalizującej reakcje ciemnienia, a po 14 godzinach aktywność tego enzymu zmniejsza się. Świadczy to o tym, że reakcja prowadząca do powstawania CPP rozpoczyna się bardzo szybko (Johnson 2002, Final Report 2007). Czynniki wpływające na powstawanie CPP Odmiana. Wyniki wielu badań zagranicznych i krajowych wskazują, że CPP zależy w największym stopniu od cech genetycznych odmiany (m.in. Aeppli 1979; Zgórska 1989; Corsini i in. 1999; Zgórska, Frydecka-Mazurczyk 2000; Final Report 2007; Gancarz 2010). Badania prowadzone w Wielkiej Brytanii wykazały, że wśród odmian mających duże znaczenie gospodarcze można wyodrębnić 3 grupy różniące się podatnością na CPP (Final Report 2007): mało podatne (indeks CPP 8-7) Cara, Maris Piper, Nadine, Estima, King Edward; średnio podatne (indeks CPP 5) Desirée, Record; bardzo podatne (indeks CPP 4-3) Russet Burbank, Navan, Saturna. Domański i inni (2007), badając 48 odmian, stwierdzili dość wysoki stopień uwarunkowania genetycznego tej cechy, co wskazuje, że pula genowa grupy odmian o małej podatności na CPP (Vineta, Pirol, Denar, Vitara, Impala, Andromeda, Rosalind, Augusta, Kolia, Kuklik i Bila) może być wykorzystana do podniesienia tolerancji na CPP w nowych populacjach hodowlanych. Badania puli genetycznej odmian odpornych i nieodpornych na CPP rozpoczęto w latach m.in. właśnie w Wielkiej Brytanii (Final Report 2007). W Zakładzie Przechowalnictwa i Przetwórstwa Ziemniaka IHAR-PIB w Jadwisinie prowadzi się ciągłe badania podatności odmian na CPP. Do tej pory wykazano w nich, że z reguły odmiany skrobiowe cechują się dużą podatnością, co jest związane z wysoką zawartością suchej masy, czyli z mniejszym uwodnieniem tkanki. Wyniki badań z poprzednich lat przedstawiono w pracy Zgórskiej i Frydeckiej-Mazurczyk (2000). Wśród odmian ocenianych w latach wyodrębniono 4 grupy różniące się podatnością na CPP (tab. 1). Grupa odmian Podatność odmian ziemniaka na CPP (ocena średnia, 2 lata badań) Podatność na CPP I mało podatne (indeks CPP 19,9) II średnio podatne (indeks CPP 20-39,9) Odmiana Tabela 1 Michalina, Viviana, Stasia, Carrera, Altesse, Sagitta, Tetyda, Etola Almera, Jutrzenka, Ingrid, Elanda, Ametyst, Cyprian III podatne (indeks CPP 40-69,9) Aruba, Wiarus, Finezja, Ametyst IV bardzo podatne (indeks > 70) Tukan, Sekwana, Zuzanna, Kuras Źródło: badanie własne niepublikowane (podatność odmian oceniano po uszkodzeniu bulw na wytrząsarce)

4 37 Stan fizjologiczny bulw. Podatność na CPP zwiększa się w czasie wzrostu bulw wraz z ich dojrzewaniem. Bulwy niedojrzałe są bardziej podatne na uszkodzenia zewnętrzne, natomiast dojrzałe na CPP (Laerke, Christiansen 2002; Corsini i in. 1999; Pavek i in. 1985). Prawdopodobnie jest to związane z grubością perydermy. Bulwy o grubszej skórce są mniej podatne na uszkodzenia zewnętrzne, natomiast wykazują większą skłonność do CPP (Frydecka-Mazurczyk, Zgórska 1990; Krzysztofik 2001). W czasie przechowywania podatność bulw na CPP zwiększa się (Zgórska 1989, Mc Garry i in. 1996), chociaż niektórzy autorzy uważają, że po przechowaniu nie ulega zmianie (Laerke, Christiansen 2002). Duże znaczenie ma poziom uwodnienia bulw. Bulwy z obniżonym turgorem są bardziej podatne (Hughes 1980, Smittle i in. 1974). Na rysunku 2 przedstawiono wpływ uwodnienia bulwy na CPP i inne uszkodzenia tkanki (wg Smittle i in., cyt. Gancarz 2010). Rys. 2. Wpływ uwodnienia bulwy na ciemną plamistość i inne uszkodzenia tkanki W wyniku działania siły zewnętrznej w pierwszej kolejności odkształca się tkanka wewnętrzna, co prowadzi do powstania CPP (Krzysztofik 2001). Zwiększenie energii powyżej określonej wartości w zależności od odmiany, temperatury i turgoru nie nasila CPP, lecz powstają inne typy uszkodzeń, np. zgniecenia, pęknięcia (Gancarz 2010). Dużą podatność bulw na CPP obserwuje się zwłaszcza wiosną w czasie wzrostu kiełków. Temu procesowi towarzyszą wzmożone przemiany biochemiczne oraz intensywna transpiracja i oddychanie (Frydecka-Mazurczyk 1979, Effmert 1988). Zwiększa się wówczas przepuszczalność błon komórkowych wskutek słabszego nasycenia tkanek bulwy wodą (utrata turgoru). W bulwach fizjologicznie starszych z obniżoną zawartością wody (>10%) powstaje tzw. plamistość fizjologiczna (fot. 5). Fot. 5. Ciemna plamistość fizjologiczna Cechy morfologiczne. Znaczenie w powstawaniu CPP ma wielkość i kształt bulw. Bulwy większe są bardziej podatne (Baritelle i in. 2000). Według Marksa (2009) zależy to od rodzaju obciążeń; duże bulwy są bardziej

5 38 podatne na uszkodzenia w wyniku obciążeń dynamicznych, mniej natomiast w wyniku statycznych. Na rodzaj uszkodzeń wpływa promień krzywizny bulwy. Im jest on mniejszy, tym większa podatność na uszkodzenia wewnętrzne (Mohsenin 1986). Temperatura bulw w czasie zbioru ma wpływ na powstawanie CPP. Optymalna wynosi ok. 16 o C i nie powinna być niższa niż 10 C. Przy niższych, np. 4-5 C, obserwuje się wzrost zarówno uszkodzeń zewnętrznych, jak i wewnętrznych, natomiast mniej CPP (Corsini i in. 1999). Nawożenie mineralne. Nie stwierdzono istotnego wpływu nawożenia azotem i fosforem na CPP (Zgórska 1989, Final Report 2007). Koncentracja potasu w bulwach w końcowym okresie wzrostu również nie wpływała istotnie, chociaż przy małej jego zawartości obserwowano wzrost podatności na CPP. Z innych badanych makroelementów wymienia się magnez, który zwiększa intensywność ciemnienia, a tym samym CPP, oraz miedź, natomiast cynk redukuje podatność (Johnson 2002). Wapń jest pierwiastkiem stabilizującym błony komórkowe, może więc ograniczać CPP, chociaż nie udowodniono jego istotnego wpływu (Final Report 2007, Johnson 2002). Przedstawiony powyżej, w uproszczeniu, wpływ nawożenia oraz innych kationów na CPP wyraźnie wykazuje, że wrażliwość bulw nie może być opisana pojedynczymi czynnikami, gdyż należy uwzględnić wpływ tych pierwiastków m.in. na zawartość suchej masy, tyrozyny czy aktywność oksydazy polifenolowej. Metody uszkadzania bulw Opierają się na określeniu wytrzymałości mechanicznej tkanki bulwy na obciążenia statyczne lub dynamiczne. W metodach statycznych najczęściej stosuje się następujące urządzenia: penetrometr wahadłowy (Gall 1968, Noble 1985, Laerke i in. 2002); aparat uderzeniowy Fallrohre (Aeppli 1979, Baumgartner i in. 1983, Zgórska 1989); detektor uszkodzeń Lisman Bruiser (Final Report 2007). Wszystkie uszkadzają bulwy z określoną energią właściwą i umożliwiają obijanie ich w miejscu najbardziej wrażliwym na CPP, tzn. w części przystolonowej. W metodach dynamicznych używa się następujących urządzeń: bęben obrotowy (Weber i in. 1980), bęben heksagonalny (Domański i in. 2007), wytrząsarka do ziemniaków obijarka (Zgórska 2010, Laerke i in. 2002). Są one wykorzystywane w zakładzie przetwórczym do oceny partii ziemniaków. Nie są to metody bardzo dokładne, ale umożliwiają szybką ocenę wrażliwości bulw na CPP. Do testów dynamicznych można również zaliczyć swobodny spadek bulw z określonej wysokości na płytę żeliwną lub porcelanową standardowo stosowany w badaniach owoców i warzyw (CHMI Constant Height Multiple Impact). Polega on na kilkakrotnym zrzucaniu obiektu ze stałej wysokości (Gancarz 2010). Podatność bulw na ciemną plamistość określa indeks CPP, który wg Baumgartnera i innych (1983) ma następujący wzór: Indeks CPP = x 1 + 2x 2 + 3x x 4 + 5x 5 5n x 100 gdzie: x 1 -x 5 liczba bulw z ciemnymi plamami w skali 1-5 (1 plamy do 3 mm w głąb miąższu, 5 powyżej 10 mm), n liczba bulw w próbie. Laerke i Christiansen (2002) zaproponowali wzór z mniejszą liczbą klas uszkodzeń: Indeks CPP = 0,3 n 1 + 0,6 n 2 + n 3 n x 100

6 39 gdzie: n liczba bulw w próbie, n 1 liczba bulw z plamami 1,7-3,4 mm w głąb miąższu, n 2 liczba bulw z ciemnymi plamami 3,4-5,1 mm, n 3 liczba bulw z ciemnymi plamami > 5,1 mm Metody oceny predyspozycji odmian do powstawania CPP Wieloletnie badania w Wielkiej Brytanii (Johnson 2002, Final Report 2007) wykazały, że w wyniku stresu mechanicznego w bulwach ziemniaka powstają aktywne rodniki ponadtlenkowe głównie O 2 i OH. Ponadto bulwy uszkodzone akumulują grupy karbonylowe białek, które indukują powstawanie wolnych rodników. Stwierdzono wysoce istotną korelację między wolnymi rodnikami tlenowymi a wrażliwością wskutek innych stresów abiotycznych (Bhattacharjee 2005). Ilość aktywnych rodników oznaczono, stosując odczynnik 2,3-bis(2methyl-4-n-5-sulfofenol)-2H-tetrazolium-5-carboxanilide. W wyniku reakcji powstaje formazon, którego barwę można oznaczyć kolorymetrycznie. Zoptymalizowano przebieg reakcji w zależności od ph i temperatury. Szczegółowy opis można znaleźć w pracy Johnsona (2002). W Final Report (2007) zaproponowano wykorzystanie testu w praktyce. Ujednolicono metodę uszkodzeń za pomocą detektora Lishman Bruiser, metodę pobierania oraz dokładny opis metody oznaczania wolnych rodników tlenowych. Opracowano gotowe zestawy do oznaczeń. Przeprowadzono prognozowanie podatności na CPP w warunkach polowych przed zbiorem ziemniaków. Testy były wykonywane na plantacjach ziemniaków do przetwórstwa. Metodę wprowadzono do praktyki po sprecyzowaniu metod pobierania reprezentatywnych prób ziemniaków oraz standaryzacji wszystkich urządzeń, w tym kolorymetru. Inną metodę zaproponował Gancarz (2010) wyznaczanie indeksu ciemnej plamistości na podstawie badań mikrostruktury tkanki rdzenia zewnętrznego bulwy bezpośrednio po zbiorze. Autor wykazał, że tkanki rdzenia z ciemną plamistością wywołaną w teście mechanicznym mają mniejsze komórki w porównaniu z pozostałym obszarem. W badaniach wykorzystano technikę makroskopową i wizualną analizę tekstury. Informację ilościową o wielkości komórek oparto na wycechowaniu metody wizualnej analizy tekstury obrazów makroskopowych. Podsumowanie Ciemna plamistość pouszkodzeniowa jest przyczyną strat jakościowych i finansowych. CPP powstaje wskutek mechanicznego uszkodzenia błon komórkowych (bez rozerwania ścian komórkowych), co powoduje tworzenie się wolnych rodników tlenowych i reakcję enzymatycznego ciemnienia. CPP w największym stopniu zależy od cech genetycznych odmiany. Cecha ta jest modyfikowana przez stan fizjologiczny bulw (utrata turgoru, starzenie się). Do oceny podatności bulw na CPP są stosowane metody statyczne i dynamiczne. Metody dynamiczne są mniej dokładne, ale umożliwiają szybką ocenę podatności partii ziemniaków. Tworzenie się wolnych rodników tlenowych oraz wielkość komórek tkanki rdzenia zewnętrznego w miejscu, gdzie powstała CPP, mogą służyć do określenia predyspozycji odmian na CPP w poszczególnych latach. Literatura 1. Aeppli A Einfluss von Sorte, Erntetermin und Standort auf die Blauempfindlich Keit. Diss. ETH Zuerich; 2. Baritelle A. L., Hyde G. M., Thornton R., Bajema R A classification system for impact related defect in potato tubers. Am. J. Potato Res. 77: ; 3. Baumgartner M., Keller E. R., Schweidemann F. F Versuch einen Characteriesierung von Blaustabilität und Blaulabilität bei der Kartoffel durch Knolleneigenschaften. Potato Res. 26: 15-30; 4. Bhattacharjee S Reactive oxygen species and oxidative burst. Roles in stress, senescene and signal transduction in plants. Curr. Sci. 89: ; 5. Corisini D., Stark J., Thornton M Factors contributing to the Blackspot bruise potential of Idaho potato fields. Am. J. Potato Res. 76: ; 6. Darvill A. G., Albersheim P Phytoalexina and their elicitors. Ann. Rev. Plant Physiol. 39: ; 7. Domański L., Michalak K., Zimnoch-Guzowska E Zróżnicowanie podatności na ciemną plamistość pouszkodzeniową bulw. Biul. IHAR 246: ; 8. Effmert B Wasser-

7 40 zustand der Kartoffelknollen und Ihre Neigung zur Schwarzfleckigkeit. Symp. Akad. Landwirtschaft wissenschaf, DDR, Halle 3: ; 9. Final report Enhanced prediction of susceptibility to mechanical damage in harvested and storage potato tubers. Projekt: Sustainable Arable no CSA 6320/LK0931; 10. Frydecka-Mazurczyk A Oddychanie oraz związane z nim zmiany biochemiczne w czasie wzrostu i przechowywania bulw ziemniaka. Rozpr. dokt. Inst. Ziemn. Bonin; 11. Frydecka-Mazurczyk A., Zgórska K Zależność między grubością perydermy a wielkością ubytków naturalnych w czasie przechowywania bulw ziemniaka. Biul. Inst. Ziemn. 40: 41-50; 12. Gall M Ein Beitrag zur Bestimmung der technologischen Eigenschaften von Kartoffelnollen. Habilitationschrift. Rostock Uniwersitet; 13. Gancarz M Wpływ wielkości i kształtu komórek bulwy ziemniaka na ciemną plamistość pouderzeniowa. Rozpr. dokt. Inst. Agrofizyki PAN Lublin; 14. Hughes J. C Role of tuber properties in determining susceptibility of potatoes to damage. Ann. Appl. Biol. 96: ; 15. Johnson S. M Biochemical studies on black spot bruising in potato. Pr. Dokt. Durham Un Johnson S. M., Doherty S. J., Croy R. R. D Biphasic superoxide generation in potato tubers. Aselfamplifying response to stress. Plant Physiol. 131: ; 17. Krzysztofik B Wpływ wybranych czynników na budowę anatomiczną i odporność bulw na mechaniczne uszkodzenia. Inż. Rol. Rozpr. hab. 7(27): 88 s.; 18. Laerke P. E., Christiansen J Black spot bruise susceptibility of potato tubers during growth and storage determined by two different test methods. Potato Res. 45: ; 19. Lutomirska B Wady zewnętrzne bulw. Raport Rolny 6 (59), Marks N Mechaniczne uszkodzenia bulw ziemniaka. DRUKKROL Kraków; 21. McGarry A., Hole C. C., Drew R. L. K., Parson N Internal damage in potato tubers. Critical review. Postharvest Biol. and Technol. 8: ; 22. Mohsenin N. N Physical properties of plant and animal materials. Gordon and Breach Sci. Publishers. New York; 23 Pavek J., Carisini D., Nissley F A rapid method for determining black spot susceptibility of potato clones. Am. Potato J. 62: ; 24. Smitlle S. A., Thornton R. E., Peterson C. L., Dean B. B Harvesting potatoes with minimum damage. Am. Potato J. 66: ; 25 Stevens L. H., Devellar E Isolation and characterization of black spot pigments from potato tubers. Phytochemistry 42: ; 26. Storey R. M. J The Canon of Potato Science: 44. Damage and Bruising. Potato Res. 50: ; 27. Struik P.C Trends in agricultural science with special reference to research and development in the potato sector. Potato Res. 29: ; 28. Yamaguchi R., Kojiman M., Katok., Ueno Y Lipoxygenase catalysed oxygenation of monobalactosyl-dilinolenoglycerol in dipalmitoyl phosphatidylcholine liposomes. Agric. Biol. Chem. 49: ; 29. Zgórska K Biologiczne i ekologiczne czynniki warunkujące podatność bulw ziemniaka na powstawanie ciemnej plamistości pouszkodzeniowej. Rozpr. hab. 40/89. Bonin; 30. Zgórska K., Frydecka-Mazurczyk A Czynniki wpływające na ciemną plamistość pouszkodzeniową bulw ziemniaka. Biul. IHAR 213: Podkarpacka kaszanka ziemniaczana Składniki: 8 dużych surowych ziemniaków 2 ziemniaki ugotowane, 20 dag wieprzowiny 2 ząbki czosnku, 2 jajka, 1 cebula 10 dag tłuszczu, sól, pieprz, cienkie naturalne jelito Ziemniaki obrać i zetrzeć na drobnej tarce. Mięso i cebulę drobno pokroić i przesmażyć na tłuszczu. Ugotowane ziemniaki dokładnie rozgnieść, połączyć ze startymi oraz mięsem z cebulą, jajkami i rozgniecionym czosnkiem. Doprawić do smaku solą i pieprzem i wyrobić na jednolitą masę. Dobrze oczyszczone jelito napełnić masą i gotować min w osolonej wodzie. Podawać na gorąco z podsmażoną cebulą. H. Szymanderska za: W. Nowacki, Ziemniaki cenne warzywo w polskiej tradycji kulinarnej, Multico Warszawa 2010