Tekst dr. ir. Cor van den Berg Lid redactieraad RCC Koude & Luchtbehandeling Conservering voedingsmiddelen door koudeketens ULO-bewaring: tussen gisting en verbranding Deze aflevering in de serie bijdragen over voedselbehoud door koudeketens gaat in op de werking van ULO (ultra low oxygen) bewaring als conserveringsmethode voor fruit en andere tuinbouwproducten. Deze vergaand geoptimaliseerde vorm van gasbewaring realiseert voor veel appels en peren een superieur kwaliteitsbehoud en verlenging van de houdbaarheid tot bijna een jaar. D it wordt bereikt door de juiste lage bewaartemperatuur te combineren met een zeer laag zuurstofgehalte (0,8 tot 1,7 volume%) en een licht verhoogd koolzuurgehalte in de omringende atmosfeer, waarin liefst ook de ontstane ethyleen (afrijpingshormoon) wordt afgevoerd. De levensprocessen die op celniveau in het fruit nog actief aanwezig zijn, worden hierdoor gestuurd op een minimaal stofwisselingsniveau, met als gevolg een langdurige houdbaarheid. Naoogstverliezen Fruit onder ULO bewaring kan enige malen langer goed worden gehouden dan uitsluitend onder koeling. Door zijn bederfelijkheid en de aard van productie zijn de naoogstverliezen van fruit vaak hoog. Geschat wordt dat deze verliezen wereldwijd kunnen oplopen tot 75 procent, sterk afhankelijk van het soort fruit en locatie. Met naoogstverlies wordt bedoeld de hoeveelheid fruit die na de oogst onverkoopbaar is geworden voordat het de consument of de fruitverwerkende industrie bereikt. De meest serieuze verliezen treden meestal op in minder ontwikkelde landen, juist daar waar deze verliezen het hardst aankomen. Omdat de toepassing van koude, met name koeling tot juist boven het productvriespunt, de meest productvriendelijke methode van conservering is, zou goede koeltechniek een uitkomst zijn om naoogstverliezen verder te beperken. Overigens is bij de koeling van fruit voorzichtigheid geboden. Veel tropische en subtropische fruitsoorten zijn gevoelig voor vormen van lage temperatuur bederf. Dit betekent dat ze niet afgekoeld mogen worden tot beneden 10 tot 12 C, anders kunnen zwartgrijs verkleuring, bitterheid en smaakverlies het gevolg zijn. Dit geldt voor onder meer avocado, mango en banaan. Levend product De biologische ontwikkeling van fruit kent achtereenvolgens de stadia van: vruchtzetting, vruchtvorming en groei (volume- en gewichttoename), gevolgd door rijping (kleuring, smaakontwikkeling, zacht worden) die al of niet via 21
RCC Koude & luchtbehandeling een zogeheten climacterium overgaat in scenescentie (overrijp worden en afsterving, bruinverkleuring, smaakverlies, rotting van binnen uit). Climacterische vruchten (peer, banaan) kenmerken zich door een korte periode van maximale rijpheid, die gepaard gaat met een sterke opleving van de stofwisseling vlak voor de afsterving. Niet-climacterische vruchten (citrus) kennen deze opleving niet en zijn langer houdbaar. Het oogstmoment van fruit is belangrijk en dient goed gekozen te zijn met het oog op het verdere ketenverloop van het fruit. Hierbij wordt de smaak meestal gecompromitteerd ten bate van de houdbaarheid, want de beste smaak heeft altijd een aan de boom afgerijpte vrucht die kort daarna wordt geconsumeerd. Voor een lange houdbaarheid ligt het juiste oogstmoment kort nadat het fruit volgroeid is en de afrijping nog niet is begonnen. Stress Doordat de vrucht afgesneden is van de moederplant is er geen toevoer meer van water en voedingsstoffen en ontstaat er langzamerhand stress om te overleven. De respiratie of ademhaling gaat door en spreekt hiervoor nu de eigen reserves aan, zuurstof wordt opgenomen en koolzuurgas afgestaan en de uitdroging vangt aan, mede doordat de ontstane verbrandingswarmte afgevoerd moet worden. Tijdens bewaring loopt het suikergehalte langzaam terug; vochtverliezen hoger dan 8 gew% kunnen de kwaliteit ernstig aantasten. Een geoogste vrucht of ander tuinbouwproduct kan worden beschouwd als een bioreactor in contact met zijn omgeving waarmee het zuurstof, koolzuur en waterdamp uitwisselt en de verbrandingswarmte wordt afgegeven. Belangrijk voor het langdurig vers houden van deze producten is vanzelfsprekend dat de respiratieactiviteit voortgaat op een zo laag Respiratie en gaswisseling van fruit en groente. Fysische transportfactoren en verschijnselen. mogelijk peil, daar anders de vrucht zichzelf te snel verbruikt. Een principeschema van de fysische transportverschijnselen die hierbij een rol spelen is weergegeven in bovenstaande figuur. Dergelijke schema s worden in het onderzoek gebruikt om fruitbewaring theoretisch te beschrijven. De ontstane koolzuur wordt als maat voor de respiratie gebruikt. Gasbewaring Om een lage respiratie van fruit effectief te bereiken, was, tot aan de komst van ULO bewaring zo n 20 jaar geleden, gekoelde opslag van het product bij verhoogde relatieve vochtigheid (ca 90 procent) ongeveer de enige methode voor appels, peren en veel ander fruit. Het effect van temperatuurverlaging boven het vriespunt is dat per 10 celsiusgraden de respiratie ongeveer drie maal vermindert. Door de toepassing van koeling alleen kon vroeger het aanbod van appels en peren tot aan het voorjaar worden verlengd. Daarnaast was reeds langer bekend dat bij appel- en perensoorten verhoging van koolzuur en verlaging van zuurstofgehalte in de bewaaratmosfeer de bewaarduur met enkele maanden kon verlengen. Niet zelden ging dit ten koste van smaakveranderingen en 22 JANUARI 2013 106 e JAARGANG
vatbaarheid voor bewaarziekten. Een gewijzigde gassamenstelling in de omringende atmosfeer bij de fruitbewaring werd voor het eerst commercieel toegepast in de USA, na 1919. Er werd toen geëxperimenteerd om fruittransport van zuid naar noord over grote afstanden en gedurende langere tijd mogelijk te maken. Bij toeval was rond 1900 gevonden dat groene bananen in spoorwagons op weg van Midden- Amerika naar de USA voortijdig afrijpten als ze in de buurt waren van carbidlampen. Later bleek dat het als bijproduct ontstane ethyleengas van de lampen hiervoor verantwoordelijk was. Ethyleen werkt als rijpingshormoon voor vruchten en bloemen. Na 1945 werd de CA (Controlled Atmosphere) of gasbewaring met hogere koolzuur en lagere zuurstofgehaltes toegepast. Met wisselend succes. CA bleek nogal soortspecifiek te werken en gevoelig te zijn voor allerlei omstandigheden. Zo zijn hogere koolzuurniveaus notoire veroorzakers van schade door bewaarziekten en smaakveranderingen in het fruit. Maximaal te tolereren gasniveaus lopen sterk uiteen. Anjou-peren, abrikozen en kropsla verdragen koolzuurgasniveaus tot 1-2 procent, terwijl pruimen, vijgen, suikermaïs en spinazie wel 20 procent kunnen verdragen. Na enige geslaagde experimenten met zeer lage zuurstofgehaltes, 25 jaar geleden, is de ULO bewaarmethode ontwikkeld. tuinbouwproducten wordt ULO met winst toegepast. Analyse van de werking van ULO laat zien dat slim wordt ingespeeld op de stofwisselingprocessen van het te bewaren fruit. Het gebied van zuurstofgehalten waarbinnen ULO optimaal werkt, is smal, zoals wordt geïllustreerd door onderstaande figuur, die metingen weergeeft uit een Wagenings onderzoek. Een smalle marge van 0,8 tot 1,7 procent zuurstof in de bewaaratmosfeer geeft de laagste verbranding en zo de langste bewaarduur. De vorming van koolzuurgas ( ) berust op twee elkaar opvolgende, cyclisch werkende stofwisselingsprocessen: de Glycolyse (gisting of fermentatie) en de Krebs- of citroenzuurcyclus. Deze cycli breken in opvolgende enzymatische reacties de basissuiker glucose af. Deze verbinding met zes koolstof atomen (C6), wordt aldus verbrand tot koolzuur, water en energie. De wordt uitgestoten en de energie wordt in de vorm van de energierijke verbinding ATP getransporteerd in het plantenweefsel. De anaerobe Glycolyse of gisting, die geen zuurstof (O 2 ) gebruikt, verandert de C6 glucose in twee C2 suikers, twee moleculen en 2 ATP. Vervolgens zet de aerobe Krebs cyclus de C2 suikers om in vier moleculen en 38 ATP, en gebruikt hiervoor wel O 2. De Glycolyse wordt gehinderd door O 2 en stopt geheel Hoe werkt ULO bewaring? ULO is dus een speciale geoptimaliseerde variant van de genoemde CA gasbewaring. Voor appels en peren is de methode snel populair geworden omdat het de bewaartijd verlengde tot bijna een jaar, hetgeen betekende dat de aanvoer van vers fruit vrijwel zonder seizoensinvloeden mogelijk werd; bijgevolg ook een sterke demping van de fluctuatie in handelsprijzen voor fruit over het jaar. Op steeds meer land- en Respiratieve koolzuurgasproductie door Elstar en Jonagold appels en spruiten als functie van het zuurstoggehalte. 23
RCC Koude & luchtbehandeling bij zuurstofspanningen van 3 tot 4 procent. De Krebs cyclus daarentegen is afhankelijk van O 2 en versnelt sterk bij toenemende O 2 -gehalten. De gemeten respiratiecurve in de figuur is dus een resultante van de samenwerking van de Glycolyse en de Krebs cyclus, dus van gisting en verbranding. In wezen volgt de ULO methode de natuur in de winter waar vissen onder het ijs, kikkers in de modder en dieren in winterslaap hun stofwisseling terugbrengen op vergelijkbare wijze tot puur overlevingsniveau. Smaakvernietiging Een zuurstofvrije omgeving is desastreus voor bewaring van fruit omdat het vruchtweefsel dan geheel overgaat op gisting en zijn suikervoorraad versneld afbreekt om voor overleving maar energie te krijgen. Alcohol en andere C2 afvalproducten hopen zich hierbij op en vernietigen de smaak van het fruit. Bij 1 procent O 2 is de gisting tot een fractie verminderd en komen de oxidatieve reacties van de Krebs cyclus weer op gang. Deze laatste nemen eerst snel en daarna afnemend toe met de stijging van het O 2 -gehalte tot normale proporties in lucht (20,95 procent). Rond het minimale niveau van 1,3 procent O 2 vertoont het geproduceerde een minimum en wordt de ULO-bewaring gestuurd; het precieze niveau is fruitsoort- en soms jaarafhankelijk. Jonagold appels worden bewaard tot eind juli bij 1 C, 4 procent en 1,1 procent O 2. Een houdbaarheid van negen maanden dus; bij alleen mechanische koeling is dit ruim drie maanden en onder ouderwetse CA-scrub omstandigheden 6,5 maand. De figuur geeft ook aan de globale invloed van het -niveau op de respiratie. Daarnaast kan nog enige winst worden behaald door sporen ethyleen uit de bewaaratmosfeer te verwijderen teneinde een beginnende afrijping van fruit verder te vertragen. ULO bewaring van andere producten is verder in ontwikkeling. Winsten in kwaliteit en bewaarduur zijn inmiddels bekend van veel climacterische fruitsoorten (pruim, avocado, banaan) en van groentes als winterwortels, witlof, kool, asperges en ook bloembollen. Daarnaast heeft ook de verpakkingstechnologie van verse groente en fruit geprofiteerd van ULO kennis; de gekoelde bewaring van consumentenporties kan aanmerkelijk worden verlengd door lage zuurstofspanningen aan te brengen binnen de verpakking. ULO bewaarcellen in de praktijk zijn Principeschema van een ULO bewaarcel. 24 JANUARI 2013 106 e JAARGANG
grote ruimten die gasdicht en goed geïsoleerd moeten zijn, en beschikken over veilige installaties met meet- en regelsystemen voor het binnen nauwe grenzen constant houden van de temperatuur, vochtigheid en gassamenstelling. Door toepassing van internet kunnen bewaarcellen tegenwoordig op afstand worden bewaakt. Technologie, schaalvergroting en rendement hebben bepaald dat ULO bewaring in de praktijk wordt uitgevoerd met capaciteiten van meerdere honderden tonnen fruit per bewaarcel. Het fruit wordt gestapeld in kubieke meter kratten met voldoende ruimte voor gaswisseling van het fruit. De figuur op pagina 24 geeft het principeschema van een ULO bewaarcel weer met enige richtwaarden voor appels en peren. Bewaarcellen zijn uitgerust met apparatuur voor koeling en luchtcirculatie. Overdruk Een toevoer van stikstof zorgt voor een kleine overdruk die geëgaliseerd wordt door kleppen voor overdruk en onderdruk en gebufferd door een balgballon of bufferlong bovenop de bewaarcel. Gebruikte O 2 wordt aangevuld door een beluchtingsventilator. Stikstof wordt gegenereerd uit lucht door moleculaire filtratie of zuurstofadsorptie. Voor de afvoer van de respiratie gebruikte men vroeger meestal natronloog dat bindt tot natriumcarbonaat; tegenwoordig is dit meestal een scrubber met actieve kool. In moderne installaties kan ethyleen worden afgevangen via katalytische verbranding en warmteterugwinning. Gewoonlijk wordt het fruit gewassen voordat de bewaarcel ermee wordt gevuld. Hierbij moet ook gesorteerd worden want de vruchthuid mag niet beschadigd zijn omdat een beschadigde vrucht een haard van infectie is. De foto toont zo n schimmelinfectiehaard in een krat met Elstar appels bij de ontlading van een ULO bewaarcel. Bij Krat met Elstar appels met schimmel infectiehaard na ULO bewaring. het wassen en drogen van het fruit daalt de temperatuur reeds enige graden. Na inslag van het fruit in de cel wordt de partij verder luchtgekoeld; tegelijkertijd daalt het zuurstofgehalte van de ingesloten atmosfeer door de fruit ademhaling. Bij de opening van een ULO bewaarcel na de bewaarperiode is grote voorzichtigheid geboden vanwege het lage zuurstofniveau; de cel kan pas betreden worden na goede verluchting. Samenvatting ULO Bewaring, tussen Gisting en Verbranding Dit artikel in de serie over conservering van voedingsmiddelen door koudeketens behandelt de ULO (ultra-low-oxygen) bewaring bij laag zuurstofgehalte van fruit en andere tuinbouwproducten. Deze ruim twintig jaar oude en inmiddels veel toegepaste methode is een optimalisatie van de vroegere Controlled Atmosphere (CA) bewaring. Appels en peren kunnen hiermee langdurig tot bijna een jaar worden bewaard onder behoud van hun eetkwaliteit, waardoor seizoenfluctuaties in de aanvoer deels tot het verleden behoren. Door handhaving van een lage temperatuur juist boven het vriespunt en het zuurstofgehalte in de bewaarcel rond 1,3 vol% wordt de ademhaling geminimaliseerd. Dit zuurstofniveau zorgt ervoor dat enerzijds geen gisting optreedt en anderzijds de verbranding minimaal is, zodat het fruit zijn reserves maar heel langzaam verbruikt. Uitvoering in de praktijk vindt plaats in grootschalige bewaarcellen die enkele honderden tonnen fruit bevatten. Summary ULO Storage, between Fermentation and Combustion In this paper in the series on cold chain food preservation, describes ULO storage of fruits at very low oxygen levels. This technique which was developed about 20 years ago, is an optimization of the older Controlled Atmosphere storage technique. Pears and apples can thus be stored for almost one year making possible a nearly season independant stream of fruits. Average storage conditions are: temperature just above freezing point, oxygen level around 1,3 % and a few % of carbondioxide. This keeps respiration as low as possible; it prevents fermentation and minimizes combustion of fruit reserves. ULO storage units in practice contain several hundreds of tonnes of fruit. 25