Etileno en la Maduración de Frutos

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Publicaciones Técnicas Técn icas Gerencia de Aplicaciones y Gases Especiales AGE (A.4)

El Gas Etileno y la Maduración de Frutos Sergio Molina. Productos del Aire de Guatemala. 41 Calle 6-27 zona 8. 01008 Guatemala. La utilización utilización de Etileno Etileno para inducir inducir la maduración maduración de frutos, frutos, abre una nueva puerta a la comercializació comercialización n de productos productos naturales naturales perecederos, perecederos, y asegura un suministro de frutas frutas y verduras verduras aún fuera de la temporada. temporada.

ASPECTOS GENERALES DE LA MADURACIÓN Y ALGUNAS DEFINICIONES La maduración post-cosecha de las frutas es una necesidad mundial que puede aplicarse al producto cortado anticipadamente ó cortado en su tiempo. Existen diversas técnicas que permiten no solamente alcanzar en corto tiempo una maduración homogénea y uniforme de las frutas, sino que al mismo tiempo mejorar las condiciones de comercialización (mayores tiempos de oferta y así mayores ventajas económicas). A nivel operativo y por razones de carácter práctico, los productos frutícolas y vegetales en general, se cortan antes de su maduración fisiológica. Esta práctica permite, por ejemplo, obtener el producto antes de su caída

prematura del árbol que lo sustenta, asegurar la preservación, evitar el desarrollo de enfermedades parasitarias o fisiológicas, y prevenir contusiones y golpes que impiden disponer de un producto procesable. La maduración durante el consumo, la cual no siempre coincide con la maduración fisiológica, es la que se logra en el transcurso del tiempo entre el almacenamiento preservado y/o la distribución comercial Es necesario por lo tanto enfatizar dos premisas de importancia tales como: a.

Las frutas son difíciles de recolectar en el tiempo tiempo de su maduración fisiológica.

b.

Las frutas se recolectan en tal estado de de maduración maduración que ellas en forma autónoma puedan alcanzar posteriormente, la maduración fisiológica, ó mejor aún, su maduración durante el consumo.

En forma tradicional, los tomates, por ejemplo, no se recolectan a 4/4 de su coloración roja, sino que en un estado en el cual empiezan a tornarse rosados. Las peras y manzanas se recolectan en su estado de color verdeamarillento ó amarillo-verdoso, para poder desarrollar su color amarillo ó rojo característico durante su apreciación por el consumidor. En los países productores los bananos se recolectan cuando están verdes y no muy dulces para asegurar su conservación durante el transporte, para convertirse en el fruto amarillo y dulce en el mercado destino. Los melocotones, ciruelas y melones se recolectan con la pulpa dura, la cual funde y endulza a posteriori . Algunas frutas llegan a las condiciones óptimas cuando aún no se han producido cambios externos indicativos de la maduración, como en el caso de algunos limones y naranjas que alcanzan la maduración de consumo (rendimiento de jugo, pH, cociente azúcar/pH, contenido vitamínico) cuando aún mantienen verde su pericarpio. Cuando la piel alcanza su color de maduración, la calidad alimenticia podrá haber disminuido considerablemente. Otras, por el contrario, se recolectan en un estado en el que se consideran no ingeribles por su alto contenido de taninos y sabor amargo, pero posteriormente a su cosecha se vuelven ingeribles, de sabor dulce, piel coloreada y pulpa suave. 41 CALLE 6-27 ZONA 8 – 01008 GUATEMALA, GUATEMALA, CENTRO AMERICA TEL (502) 421 0400 – FAX (502) 440 9666 – E-MAIL: Sergio Molina: [email protected].

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Maduración rápida Por lo anterior, se puede generalizar que la mayoría de las frutas se recolectan en el momento en el que no tienen aún los requerimientos de color, dureza, sabor, aroma y calidad nutricional que se necesitan para su consumo humano. Tales requerimientos se obtienen en el transcurso del tiempo de almacenamiento, procesamiento y distribución comercial.

La maduración rápida es la que se efectúa en cualquier sistema, aún con un producto cortado anticipadamente, pero que tiene todas los requerimientos físicos necesarios para alcanzar la maduración biológica completa.

Con el objetivo de unificar la terminología utilizada en esta disciplina de la Ciencia de Alimentos, Productos del Aire de Guatemala presentea a continuación las principales propuestas de definiciones de procesos de maduración en este campo técnico:

Pre-maduración La pre-maduración se efectúa antes de la preservación, el cambio de color de la cáscara ó el transporte del producto. Mediante este procedimiento se pretende obtener varios estados de maduración para disminuir la susceptibilidad propia del producto y algunas alteraciones de carácter fisiológico.

Desverdización Desverdización se refiere al conjunto de técnicas disponibles para obtener la desaparición del color verde dominante de algunos productos por medio de tecnología que involucra calor y etileno. Generalmente se aplica a aquéllos productos que estando maduros, no muestran aún el color típico deseado por el consumidor. La desverdización se ha requerido en mandarinas, tangerinas, naranjas de valencia, limones de verano y vegetales como el apio. La desverdización no se considera una técnica de maduración sino de cambio de pigmentación por medios químicos.

Post-maduración Denominada también maduración complementaria, es aquélla que se aplica a los productos, generalmente preservados en frigoríficos, con el objeto de alcanzar lentamente las características de presentación que exige el mercado.

Inicio de la maduración del tomate con Etileno

Maduración artificial Es el tipo de maduración que se lleva a cabo con aquellos productos que no han alcanzado el desarrollo fisiológico necesario para la maduración biológica autónoma. En Europa, y sobre todo en Italia, está prohibida la maduración artificial desde 1984, procediendo con la maduración rápida como única vía de recuperación de un fruto cortado verde. El operador de la maduración es quien, con base en parámetros de control, establece la habilidad de maduración natural espontánea de un fruto para someterlo al proceso rápido.

Maduración controlada Es fundamentalmente una maduración rápida efectuada en un cuarto frío, teniendo bajo control los siguientes factores fisicoquímicos: a.

Temperatura: Su magnitud está determinada por la especie a madurar, y puede permanecer constante a través del tratamiento (maduración isotérmica) ó disminuir rápidamente en el tiempo (maduración a doble temperatura). Este procedimiento permite detener considerablemente el suavizamiento de la pulpa del producto, aunque ya se hayan obtenido el color y otros requerimientos del mercado. De hecho, es posible entonces clasificar la dureza de la pulpa de acuerdo a la demanda tecnológica y comercial.

b.

Humedad: Debe mantenerse una humedad entre el 95 y 97 % para facilitar el proceso de ósmosis y

Los bananos se incluyen particularmente dentro de esta categoría ya que se cortan y preservan mediante condiciones de no maduración durante el transporte. Aún hoy en algunos lugares, la maduración complementaria se realiza durante el almacenamiento de los productos durante un período de tiempo a temperatura ambiente, siempre y cuando, no existan rangos muy grandes de temperatura.

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Publicaciones Técnicas Gerencia de Aplicaciones y Gases Especiales AGE (A.4) penetración mecánica del agua en la superficie del fruto, sin llegar a condensarse, y al mismo tiempo, que evite la deshidratación asociada a los procesos de refrigeración.. c.

Etileno: en forma gaseosa purificada de grado 2.5 (99.5%) ó 3.0 (99.9%) en dosis desde una cuantas partes por millón (v/v) hasta 1 a 2 % (v/v).

d.

Ventilación: Implica un reciclado homogéneo del aire a presión normal.

e.

Dióxido de Carbono: Deben mantenerse niveles lo más bajo posibles de CO 2 (menos del 1%) ya que éste detiene la maduración.

constante

y

Es importante eliminar, tanto como sea posible los compuestos volátiles y los gases secundarios de la transpiración vegetal (éteres, aldehídos, alcoholes) para evitar la oxidación de los poros y la opacificación de la cáscara de la fruta, sobre todo en algunas variedades de cítricos.

Maduración rápida controlada En la actualidad se continúan los estudios para lograr automatizar el proceso de maduración rápida controlada, con el objeto de obtener en forma eficaz los beneficios de la maduración controlada en tiempo sumamente cortos. La disponibilidad de una maduración rápida controlada permite al proveedor, anticiparse a la estación, obteniendo el privilegio de colocar fruto de calidad (productores tempranos) en los mercados nacionales y extranjeros, antes que sus competidores. Además, el productor no corre los riesgos metereológicos, las enfermedades (caída prematura anormal) ni sufre la complejidad de la clasificación por madurez.

Efectos del Etileno en la fisiología vegetal En términos generales, los principales efectos fisiológicos del etileno en los vegetales, aparte de la estimulación a la maduración de los frutos, consisten en su papel fundamental en el crecimiento de tallos, en el fenómeno de abscisión, en la apertura de las corolas y en la senectud de la planta cortada. El efecto del etileno exógeno es idéntico al efecto endógeno del etileno producido enzimaticamente a partir de la L-Metionina. La cascada natural de la maduración vegetal se inicia con la aparición de un máximo de etileno endógeno seguido por un incremento del intercambio gaseoso de la planta. La simulación de dicho máximo intracelular puede ser efectuada mediante la aplicación externa de etileno gaseoso que se difunde rapidamente hacia los sistemas vasculares del fruto cortado dando lugar al inicio natural

del proceso. Por el hecho de que algunos frutos y vegetales responden en forma intensa al estímulo de muy pequeñas cantidades de etileno del orden de las partes por millón (v/v) en el aire, se considera que este compuesto gaseoso es un metabolito hormonal vegetal.

PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL ETILENO El Etileno es un gas incoloro altamente inflamable a la temperatura y presión ambientales. El etileno es un sólido a temperaturas más bajas de –169.4 °C que es su punto de fusión, y se vaporiza a –103.8 °C que es su punto de ebullición a 1 atmósfera de presión. La densidad del gas en condiciones normales (0 °C y 1 atm) 1.261 kg/m 3, mientras que la densidad del líquido en su punto de ebullición es de 567.37 kg/m 3. 260 cm3 de etileno se disuelven en 1 litro de agua a 0 °C. Su fórmula química es C 2H4 con peso molecular de 28.0536 g/mol (85.63% de Carbono, 14.37% de Hidrógeno), y forma parte de la familia de los alquenos orgánicos, que se caracterizan por presentar hibridación sp2 y la presencia de un enlace σ y uno π entre dichos carbonos. Este doble enlace presente en el etileno es el que determina todo su comportamiento químico. El nombre sistemático IUPAC del etileno es el de Eteno. El Etileno es en condiciones de 1 atmósfera de presión y temperatura ambiente, un gas sumamente inflamable a concentraciones entre 2.7 y 36 % v/v en aire. Debido a que las concentraciones usadas para fines de maduración nunca superan el 1%, se le considera seguro en dicha aplicación. El etileno es inocuo a bajas concentraciones en el aire respirable, pero en la forma líquida en que se le encuentra dentro de los contenedores a presión puede producir la “quemadura criogénica” característica de todo los gases licuados. El etileno puede reaccionar en la forma típica de los hidrocarburos alifáticos insaturados, generando dióxido de manganeso con el permanganato potásico acuoso, decolorando el agua de bromo y sufriendo reacciones de adición electrofílica. Desde el punto de vista de la fisiología vegetal, el etileno es capaz de estimular una gran variedad de procesos fisiológicos a nivel genético activando los genes denominados Elementos de Respuesta al Etileno, los cuales conectan o desconectan otros genes que conducen a desarrollar los efectos observados en la planta. Todas las frutas que maduran a la exposición de etileno muestran una elevación característica de la velocidad de respiración antes de la fase de maduración propiamente


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Publicaciones Técnicas Gerencia de Aplicaciones y Gases Especiales AGE (A.4) dicha. Este tipo de frutos que se ven estimulados se denominan frutos climactéricos, mientras que aquéllos que no manifiestan ningún cambio en presencia de etileno se les denomina no climactéricos. Algunas frutas tales como manzanas, bananos, aguacates higos, mangos, melocotones, peras, tomates y otras, son productoras de etileno mostrando un pico agudo en su producción justo antes del proceso de maduración, convirtiéndose en autoestimuladoras del resto de frutos susceptibles. Esta característica permite explicar el dicho popular basado en la experiencia diaria de que “...una manzana podrida, pudre a las demás...”

ACCION FISIOLOGICA DEL ETILENO El rango de respuestas fisiológicas reguladas por el Etileno es sorprendentemente amplio, y ha sido descrito por Abeles et al (1992) y por Mattoo & Suttle (1991). En términos generales, el Etileno provoca la senectud de los órganos vegetales, influye en su crecimiento y actúa como una hormona del estrés, durante condiciones bióticas y abióticas de presión, presentando diversos efectos morfogénicos. Dentro del proceso de senectud, se ha investigado intensivamente la maduración inducida por Etileno de los frutos denominados climactéricos, debido a su trascendental importancia agronómica. En este tipo de frutas se incluyen manzana, banano, melón y tomate y se caracterizan por un sensible incremento de la síntesis de Etileno en su estado de madurez verde y por una consecuente alza en la respiración. La maduración de los frutos es una secuencia de eventos bioquímicos que traen como resultado la degradación de la clorofila, la formación de nuevos pigmentos, sabores y aromas, suavizamiento de la carne, y la eventual abscisión del fruto. Mientras que en la naturaleza estos procesos aseguran la dispersión de las semillas a través de los animales que las consumen, en la agricultura debe controlarse la velocidad de la maduración para evitar la putrefacción en el camino al consumidor. Antes del advenimiento de la Biotecnología, este requisito se cumplía, por ejemplo, removiendo el etileno en cámaras de almacenamiento hipobárico. En la actualidad la maduración de frutas puede controlarse mediante la manipulación de la síntesis y la sensbilidad de Etileno por la planta, utilizando técnicas moleculares. El Etileno regula otros procesos de senectud tales como la apertura de pétalos y hojas, y el envejecimiento de las flores, que son muy parecidos a los procesos fisiológicos de la maduración, los cuales también pueden ser

retrasados reduciendo la síntesis y la sensibilidad al Etileno. Dentro del gran número de proesos de crecimiento vegetativo, se encuentran, el crecimiento asimétrico del tallo y el peciolo, y la formación de la raiz apical. Tal respuesta es capaz de producir crecimiento agravitrópico ó proteger al ápex de las hojas jóvenes de las dicotiledóneas en el empuje de la raiz hacia el suelo. En términos generales, el Etileno inhibe la elongación de los tallos de las plantas terrestres, mientras que el efecto en las plantas acuáticas o semiacuáticas como el arroz, es completamente opuesto. Casi todas las condiciones de estrés vegetal hacen que las plantas biosinteticen y liberen Etileno. El papel del Etileno en la patología vegetal ha sido motivo de revisión e investigación por Hoffmann et al (1999), quien investigó la resistencia a diferentes patógenos de mutantes de soya intensivos en Etileno. Los resultados demostraron que el Etileno estimula o deprime la generación de la respuesta de defensa dependiendo del tipo de agente patógeno. Hoffmann sugirió que el Etileno ayuda a restringir la diseminación de la enfermedad causando el desprendimiento de las hojas en el momento en que la patología parece tener el control de la planta.

Desprendimiento de hojas por acción del Etileno del fruto maduro

Finalmente, el Etileno exhibe varios efectos morfogénicos en el desarrollo vegetal, tales como la promoción de la formación de raíces adventicias, y el desarrollo floral o su sincronización como sucede en las plantas de la familia Bromeliaceae . La importancia de este tipo de moléculas gaseosas inductoras en los procesos de desarrollo vegetal, puede complementarse a través de los siguientes hechos: a.

La maduración usualmente se inicia en una región de la fruta y posteriormente se difunde a otras. No existe una vía específica de transporte gaseoso o vascular para la propagación del factor de maduración, sino mas bien una


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Publicaciones Técnicas Gerencia de Aplicaciones y Gases Especiales AGE (A.4) difusión libre del Etileno de célula a célula a travésde las membranas y paredes celulares. b.

En algunas flores, la polinización induce la síntesis de Etileno en el estigma y el estilo (O’Neill 1997) causando el envejecimiento del periantio que ya ha cumplido su misión toda vez que la polinización se ha efectuado. Parte del Etileno generado, se difunde hacia la flor para provocar su envejecimiento y conducir a la formación del fruto, toda vez que su función atractora de los organismos polinizadores ha concluído también.

c.

Las plantas semiacuáticas que por alguna razón quedan completamente sumergidas, sintetizan Etileno que se acumula en los tallos, principalmente para propiciar su rápida elongación y permitirle a la planta mantener parte de su follaje por encima del agua expuesta al aire.

BIOSINTESIS DE ETILENO

Estructura Tridimensional del Acido 1-Amino-ciclopropan-1-carboxílico

Debido a que la acción fisiológica del Etileno se produce como consecuencia de la simple difusión gaseosa, la respuesta a su estímulo está determinada tanto por la producción endógena del mismo, como por el contacto exógeno del Etileno con la planta. El proceso endógeno es el que se produce naturalmente, mientras que el exogenamente inducido, puede ser controlado.

El patrón bioquímico propuesto explica la razón por la cual la maduración y los otros procesos estimulados por el Etileno, tienen una retroalimentación negativa con la presencia de dióxido de carbono, lo que sugiere que la eliminación del CO 2 producido dentro de las cámaras de maduración, puede desplazar el equilibrio hacia la producción endógena y al aumento del rendimieto de maduración.

Bioquimicamente, el Etileno se forma intracelularmente en el Ciclo de la Metionina, mediante la via de la S-Adenosil-LMetionina (AdoMet) para generar el aminoácido no proteico denominado acido 1-amino-ciclopropan-1carboxílico (ACC). Ambos procesos son enzimaticamente catalizados por las enzimas ACC sintetasa y la ACC oxidasa respectivamente. La última etapa implica el consumo de Oxígeno y la producción de Dióxido de Carbono y Acido Cianhídrico, junto con el Etileno.

La formación de HCN carece de importancia ya que su toxicidad fisiológica se ve inmediatamente neutralizada por la formación de glicósidos cianogenéticos, tanto en el proceso natural como en el inducido por acción exógena.

PRODUCCION DE ETILENO Y SENSIBILIDAD No todas las plantas tienen la misma capacidad para generar la misma intensidad de respuesta frente al estímulo hormonal del Etileno, ya sea en la producción espontánea o en los efectos de su administración exógena. La tabla siguiente, presenta un resumen de la producción y sensibilidad al Etileno, de diferentes plantas y productos agrícolas, y la temperatura a la cual ha sido observada la respuesta.

Producto Perecedero

Ciclo de la L-Metionina

Manzana Manzana Albaricoque Alcachofa Pera asiática Espárragos Aguacate (California) Aguacate (Tropical) Banano Judías verdes Ejote Endivia belga

T ºC

P

S

1.1 4.4 -0.5 0.0 1.1 2.2 3.3 10.0 14.4 0.0 7.2 2.2

5 5 4 1 4 1 4 4 3 2 2 1

4 4 4 2 4 3 4 4 4 3 3 3


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Publicaciones Técnicas Gerencia de Aplicaciones y Gases Especiales AGE (A.4) Mora Arándano Cranberry Pasas de Corinto Grosella Frambues de norteamérica Frambuesa Fresa Brócoli Col de Bruselas Col Melón Zanahoria Coliflor Apio Chirimoya Cereza ácida Cereza dulce Grosella china Berza Pepino Berenjena Escarola Frijol Higo Ajo Gengibre Pomelo Uva Legumbres y verduras en promedio Guayaba Rábano Kiwi Puerro Limón Lechuga Lima Mandarina Mango Hongos Nectarina Ocra Aceituna Cebolla seca Cebolla verde Naranja Naranja Papaya Paprika Pastinaca Perejil Melocotón Pera Pera Prickley Guisantes Pimiento Melón persa Piña Piña Plátano

-0.5 -0.5 2.2 -0.5 -0.5 -0.5 -0.5 -0.5 13.3 0.0 0.0 4.4 0.0 0.0 0.0 12.8 -0.5 -1.1 0.0 0.0 10.0 10.0 0.0 5.0 0.0 0.0 13.3 13.3 -1.1 0.0 10.0 0.0 0.0 0.0 12.2 0.0 12.2 7.2 13.3 0.0 -0.5 10.0 7.2 0.0 0.0 7.2 2.2 12.2 10.0 0.0 0.0 -0.5 1.1 5.0 0.0 10.0 10.0 10.0 5.0 14.4

2 2 2 2 2 2 2 2 3 1 1 4 1 1 1 5 1 1 2 1 2 2 1 3 3 1 1 1 1 1 2 1 2 1 1 2 1 1 3 2 4 2 2 1 1 1 1 4 2 1 1 4 4 0 2 2 3 2 3 2

2 2 2 2 2 2 2 2 3 4 4 3 2 4 3 4 2 2 4 3 4 2 3 2 2 2 2 3 2 4 3 2 4 3 3 4 3 3 4 3 4 3 3 2 3 3 3 4 2 2 4 4 4 2 3 2 4 2 2 4

Ciruela Granada Papa procesada Papa natural Calabaza Membrillo Remolacha Riubarbo Nabo Zapote Espinaca Güicoy (piel dura) Güicoy (piel suave) Pepino Maiz dulce Yuca Mandarina Tomate Miltomate Nabo Berro Sandía Flores en general P = Producción Endógena de Etileno S = Sensibilidad al Etileno Exógeno 0 = Ninguna 1 = Muy baja 3 = Mediana 4 = Alta

-0.5 5.0 10.0 4.4 12.2 -0.5 2.8 0.0 0.0 12.2 0.0 12.2 10.0 7.2 0.0 13.3 7.2 13.3 3.9 3.9 0.0 10.0 2.2

3 2 1 1 2 2 1 1 1 5 1 2 2 0 1 1 1 1 4 2 1 2 1

4 2 3 3 2 4 2 2 2 4 4 2 3 0 2 2 3 4 3 3 4 4 4

2 = Baja 5 = Muy alta

No existe aún una determinación cuantitativa de la producción endógena y la sensibilidad exógena al Etileno de uso práctico, por lo que la tabla cualitativa constituye la única guía tanto para determinar que tan facilmente un producto cortado puede ser sujeto de maduración controlada, como para determinar la magnitud de la eliminación de Etileno de las cámaras de almacenamiento en atmósfera controlada, usando filtros que lo transforman quimicamente, para prolongar su conservación. Stutte, G., ha establecido los umbrales de sensibilidad al etileno expresados en fracción micromolar (µmol/mol) de la siguiente manera: Respuesta biológica Umbral vegetal Umbral vegetal Maxima respuesta Media respuesta Umbral humano olfato SMAC humano LD50 en ratón Areas de trabajo

Exposición Crónica Periódica Periódica Periódica Periódico Crónica Periódica Crónica

µmol/mol 0.05 0.10 10.00 1.00 290 294 950,000 Sin regulación EPA

Las investigaciones realizadas con Etileno indican que no es carcinogénico para las ratas expuestas a inhalación, ni causa efectos carcinogénicos ni teratogénicos en el ser humano. Su vida media en el cuerpo humano es de 0.65 horas, y el proceso de absorción, metabolismo y


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Publicaciones Técnicas Gerencia de Aplicaciones y Gases Especiales AGE (A.4) exhalación describe una cinética de primer orden a nivel de las 50 ppm.

LA APLICACIÓN PRÁCTICA DEL ETILENO EN LOS PROCESOS POST-COSECHA La agroindustria utiliza etileno en dos formas particulares que dependen de la naturaleza del proceso que se desea realizar. Se dosifica por aspersión en los casos en los que se desea incrementar la floración vegetal, tanto en plantas ornamentales como en plantas productoras de frutos de interés comercial, y también por difusión en la atmósfera que rodea los frutos post-cosecha, encerrándolos en cámaras de ambiente controlado para iniciar y manejar su proceso fisiológico de maduración.

métodos han sido casi completamente sustituídos debido a ciertos contaminantes de ambos productos, son susceptibles de provocar riesgos a la salud de los consumidores de los productos madurados con él. Debido a que el Etileno es un gas incoloro y sus disoluciones acuosas no presentan olor o color significativo, es importante no solamente validar los procedimientos que con él se realizan, sino que también llevar un plan de seguridad relativo a su inflamabilidad (no significativa en ambientes abiertos o al aire l ibre). El proceso de aspersión, incluyendo los procedimientos de validación, se distribuye en las siguientes fases. 1.

Usos de Etileno por aspersión en los procesos agroindustriales Cuado se procede a realizar procesos post-cosecha, el Etileno se usa generalmente en forma gaseosa y en sistemas de cámaras herméticas con condiciones controladas en su interior. En las ocasiones en las que se aplica durante los períodos de floración (Bromeliáceas como la Piña y la Tilandsia), en las que el Etileno debe hacerse llegar in situ hasta la planta, en cultivos sobre tierra descubierta, generalmente se prepara una disolución de Etileno en agua, mediada por carbón activo para servir como fase estacionaria y sustrato acumulador de Etileno para la planta que lo recibe en sus hojas y raíces. La adsorción sobre carbón activo del etileno gaseoso disuelto en agua, permite una mayor concentración de Etileno por unidad de volumen, que su solución análoga solamente formada por agua. Sin embargo, algunos cultivos estéticamente sensibles a las manchas de carbón se aspersan con disoluciones eminentemente acuosas. En el caso particular de la estimulación de la floración, el etileno se hace llegar en una disolución acuosa saturada que se aplica en forma de aspersión, y que permita su introducción al interior del sistema vascular vegetal para favorecer la producción del meristemo floral. El desarrollo floral debe hacerse con la planta aún colocada en el suelo en su hábitat ideal. En los casos en los que es posible, se realiza en invernaderos de atmósfera controlada (tal como se hace con la maduración de frutos) a una concentración entre 100 y 1500 ppm (v/v) durante varios días, tratando de reproducir las condiciones óptimas de desarrollo en relación a sustrato, humedad, temperatura, irrigación, transpiración y nutrientes. Antes de la aparición de la tecnología de gases, el proceso se realizó con ayuda de productos químicos tales como el carburo de calcio (que produce acetileno que es metabolizado a etileno libre) ó los generadores in situ a base de acido cloroetilfosfónico. No obstante, estos

Preparación de una solución acuosa de Permanganato de Potasio (KMnO4) como indicador de validación. Preparación de una solución acuosa de Etileno para aspersión Validación experimental de la solución de Etileno para aspersión Aplicación de la solución acuosa de Etileno Evaluación final (Decisión de continuar o repetir la aspersión.

2. 3. 4. 5.

Preparación de una solución acuosa de Permanganato de Potasio La solución acuosa de Permanganato de Potasio tiene la finalidad de servir como control de la disolución del etileno en agua para dar como producto de la reacción química con él, etilén-glicol, el ión manganeso reducido y agua. La reacción química que se visualiza por la rápida desaparición del color violeta típico del ion permanganato, que se describe por la siguiente ecuación de oxidoreducción. 4MnO4 (violeta) + 12H+ + 5C2H4 → 4Mn+2(incoloro) + 6H2O + 5C 2H4O2 Ión Permanganato Etileno Ion Manganeso II Etilén-glicol −

La ecuación completa se describe a continuación: 4KMnO4 + 12HCl + 5C2H4 → 4MnCl2 + 4KCl + 6H 2O + 5C2H4O2

La solución acuosa de Permanganato de Potasio debe prepararse de forma analítica debido a la muy baja concentración que representa. Está diseñada para decolorarse completamente siempre y cuando la solución de Etileno para aspersión que se mezcla con ella, tenga una concentración mínima de 9% (v/v) de etileno. Cualquier indicación de cambio químico reflejará que la solución de Etileno se encuentra por el mismo nivel que su saturación, ó al menos será de un 9%. Procedimiento:


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Publicaciones Técnicas Gerencia de Aplicaciones y Gases Especiales AGE (A.4) En un balón aforado de 100 mL debidamente tarado, pesar 600 mg de Permanganato de Potasio, disolver y completar con agua hasta la marca del aforo (concentración 6000 mg/L). Con una pipeta volumétrica de 10 mL transferir una alícuota a otro balón aforado de 100 mL y llevar hasta la marca del aforo (concentración 600 mg/L). Esta segunda solución está lista para su uso.

Preparación de la solución de Etileno La saturación de Etileno en la fase acuosa, se produce al introducir en ella, la máxima cantidad de gas que puede disolverse a la temperatura de operación, que a 25 ºC es de 1 litro de fase gaseosa por cada 9 litros de solución final. El Etileno no es un gas muy soluble en agua, por lo que la saturación se producirá rapidamente. Si se dispone de un flujómetro, es posible calcular con mucha exactitud la cantidad de gas que se harán pasar por el agua, mediante la medición de tiempo durante un fujo dado Q. La expresión matemática que relaciona estas cantidades se define a continuación (si el volumen de agua en la que se va a disolver el etileno V agua se define en litros y el caudal de salida del flujómetro Q en litros por minuto, t s se expresará en minutos): Tiempo de saturación t s = (Vagua)(0.1222)/Q 0.1222 es un factor que proviene de la proporción de solubilidad Etileno:Agua (1:9) y el margen de incertidumbre de la temperatura ambiental de ±10%. Para un contenedor de aspersión estándar de 4 galones (15.14 litros), el tiempo de saturación a 25 ºC a un flujo de 1 litro por minuto sería: ts = 15.14 x 0.1222/1 = 1.85 minutos = 1 minuto 51 segundos (aproximadamente 2 minutos).

Procedimiento de validación de la solución inicial: En un vaso de precipitar de 250 mL, añadir con probeta 50 mL de la solución de permanganato de potasio y una gota de acido sulfúrico o clorhídrico concentrado. Agitar y observar que no se produzca alguna decoloración. Si el permanganato se decolora, iniciar nuevamente en un vaso de precipitar cuya limpieza esté debidamente garantizada. Añadir 50 mL de la solución de etileno proveniente del depósito de aspersión (debidamente purgado en sus primeros 250 ml). La mezcla permanganato-etileno debe decolorarse hasta una solución incolora o levemente naranja, en un tiempo no mayor de 2 minutos. Decoloraciones que se producen en tiempos mayores de 5 minutos sugieren nuevamente la pres encia de contaminación de la cristalería o niveles muy bajos de etileno disuelto.

1 minuto Violeta

3 minutos Naranja Casi incoloro

Aplicación del Etileno para floración Aunque se requieren diferentes dosificaciones de la solución de etileno según la planta a la que se desee aplicar, por lo general se utilizan alrededor de 50 a 100 mL de aspersión por planta previamente humedecida, que cubra la mayor parte de la planta y sobre todo en las divisiones del tallo. El procedimiento debe repetirse a los 7 días, para observar resultados en 14 días más (Tilandsia sp , Familia Bromeliaceae ). Evaluación final de la solución de Etileno

Procedimiento: Conectada al flujómetro por un lado, se introduce el lado opuesto de una manguera de material sintético en el fondo del contenedor de la solución a preparar, y se hace burbujerar etileno el tiempo calculado al caudal determinado para la saturación de la s olución.

Validación experimental de la solución de Etileno La solución de aspersión de Etileno es adecuada si su concentración es al menos del 10% (v/v). La solución de permanganato de potasio se decolora completamente cuando la concentración de etileno es superior al 9%, por lo que sirve de indicadora para asegurar que la aspersión se ha realizado en las condiciones mínimas de concentración y que existe suficiente etileno aún disuelto después de su ejecución.

Con la solución de aspersión sobrante, repetir el procedimiento de validación, para establecer que en el transcurso de la aspersión, la solución de etileno mantuvo su concentración adecuada. De ser así, la prueba debería de proporcionar el mismo resultado de decoloración completa. Si no hay decoloración del permanganato por la solución de etileno, no se puede demostrar que la concentración durante toda la aspersión se haya mantenido en 9% (v/v), por lo que se sugiere repetir el proceso. Procedimiento de tratamiento de Desechos líquidos Los desechos de la solución de etileno y de permanganato de potasio deben mezclarse para obtener un solo vertido y asegurar una reacción completa de ambos. Si hay un exceso de permanganato, lo que se evidencia por la coloración violeta en la


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Publicaciones Técnicas Gerencia de Aplicaciones y Gases Especiales AGE (A.4) solución, se adicionan 3 gotas de acido sulfúrico o clorhídrico concentrado y sullfito de sodio hasta observar la decoloración completa. El vertido pre-tratado de esta manera, puede ya incorporarse al proceso de tratamiento de aguas residuales de la empresa.

Usos de Etileno por difusión en los procesos agroindustriales post-cosecha El Etileno actúa por disolución en los fluidos vegetales y su distribución y fijación en receptores específicos de la planta y el fruto, en donde inicia la cascada de la maduración en aquellos productos post-cosecha que estén fisiológicamente preparados para hacerlo. Lo anterior significa que frutos cortados muy prematuramente podrán no madurar o hacerlo en forma defectuosa. El lote de fruta se coloca en una cámara de maduración a la temperatura especificada para el producto (generalmente entre 12 y 15 ºC), y a una humedad constante (usualmente 90 – 100% de humedad relativa) durante un período preliminar (6 a 12 horas) para estabilizar la temperatura de la pulpa. Posteriormente, se realiza una descarga de Etileno gaseoso a través de un flujómetro, durante un tiempo determinado (5 – 15 minutos) que se calcula de acuerdo al volumen neto de la cámara (volumen geométrico menos volumen ocupado por la carga de fruta) y la concentración esperada de Etileno. La hermeticidad de la cámara debe estar garantizada, para proceder a un contacto con Etileno de al menos 24 horas. Durante este período de tiempo puede colocarse dentro de la cámara un recipiente que contenga entre 10 y 20 litros de una solución de hidróxido de calcio (cal apagada) al 10% (m/v) que permita absorber el dióxido de carbono que se libera durante la maduración. La opción tecnológica es la recirculación del aire interior haciéndolo pasar por un filtro de hidróxido de calcio para retenern el CO 2 formado. Después de transcurridas las primeras 24 horas, se abre la cámara de maduración durante 30 minutos para asegurar la renovación completa del aire interior y la salida del Etileno excedente. Adicionalmente se puede colocar dentro de la cámara, un recipiente conteniendo 5 litros de una solución al 1% (m/v) de permanganato de potasio, que se encargará de absorber y eliminar químicamente cualquier residuo de Etileno dosificado o Etileno generado por el fruto. La opción tecnológica es la recirculación del aire interior haciéndolo pasar por un filtro de permanganato de potasio para convertir el etileno en etilén-glicol. Después de los 30 minutos de renovación aérea, se vuelve a cerrar la cámara de maduración y se deja que la misma proceda a la velocidad a la que la temperatura establecida determine, conforme a la programación de suministro.

La dosificación de etileno implica la adición de una cantidad suficiente de este gas para dar inicio a la maduración fisiológica, mediante la distribución del mismo en los tejidos del fruto, provocando así sus efectos hormonales. El fruto inicia su maduración y produce más etileno y dióxido de carbono como consecuencia de la ruta bioquímica descrita en el ciclo de la Metionina. El Dióxido de Carbono es un modulador negativo de la maduración inhibiéndola en la medida en que éste se acumula y concentra en la cámara. Es allí donde el filtro de Hidróxido de Calcio se hace importante, al absorber el Dioxido de Carbono y convertirlo en Carbonato de Calcio, secuestrándolo del ambiente interno e impidiendo que ejerza su retroalimentación negativa. Por otro lado, también el exceso de Etileno en contacto con la fruta madura provoca el envejecimiento de la misma, por lo que se hace determinante eliminar cualquier cantidad de etileno añadida o fisiológicamente formada que se difunda en la cámara de maduración. En ese momento cobra importancia el filtro de Permanganato de Postasio, que asegura la eliminación permanente del Etileno de la atmósfera interna de la cámara. El resto del proceso es una responsabilidad directa de la temperatura. En algunos casos, como el banano, la temperatura debe ser lo suficientemente baja para producir una maduración completa y homogénea. La tabla siguiente muestra las velocidades de maduración, en días, después de la dosificación de Etileno a diferentes temperaturas.

El manejo de la temperatura puede hacer de la maduración un proceso de solamente 4 días para entregas urgentes de producto en el punto óptimo de maduración para su consumo, o un proceso largo de 8 días que permite el transporte del producto a grandes distancias y aún así otro consumidor obtenerlo en el mismo punto óptimo de maduración. Para muchos consumidores es usual la experiencia de una maduración completa en tan


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Publicaciones Técnicas Gerencia de Aplicaciones y Gases Especiales AGE (A.4) sólo un par de horas, cuando colocan el banano, con color verde-amarillento, en la cajuela de los vehículos en épocas de verano o cuando hay altas temperaturas ambientales, y recogerlo posteriormente, para introducirlo a su hogar, completamente amarillo y en su punto ideal de maduración. El mantenimiento de las condiciones de humedad cumple dos funciones de importancia. Una de ellas es evitar la deshidratación del fruto como consecuencia del funcionamiento de los sistemas de enfriamiento, que provocarían la pérdida de propiedades organolépticas y envejecimiento prematuro del producto. La otra, es servir de fase móvil para el ingreso del etileno en los estomas y poros de la superficie de la cáscara para tomar parte en el ciclo fisiológico de inicio del proceso, debido a que por su naturaleza, el Etileno es relativamente hidrófobo, y por lo tanto su disolución en los tejidos vegetales se ve acelerada por la disolución que pueda provocarse en las microgotas de agua (casi 100% de humedad relativa).

TECNOLOGIAS ALTERNATIVAS QUE USAN GASES, PARA LOS PROCESOS DE MADURACION POSTCOSECHA

Debido a la reactividad del acetileno, la difusión a través de la membrana del pericarpio se hace bastante lenta, generando un proceso de maduración igualmente lento y heterogéneo, en función del grado de impedimento estérico que se produzca en la cáscara. La velocidad de maduración no depende de la cantidad de acetileno formada en la reacción, sino de que la cantidad de etileno biogenerada sea suficiente para iniciar la cascada de la maduración. No obstante, la temperatura juega un papel importante, acelerando o descelerando los procesos bioquímicos. Las maduraciones mas homogéneas y estéticas, se logran durante períodos relativamente largos de tiempo (4 a 5 días) a bajas temperaturas (4 a 10 ºC). En los casos de productos facilmente madurables, puede obtenerse una maduración homogénea en 24 horas a 20 ºC. Una de las grandes ventajas del uso de carburo de calcio para generar acetileno es la formación de hidróxido de calcio como subproducto, ya que éste hace reaccionar el dióxido de carbono formado en el proceso y lo elimina de la atmósfera circundante generando carbonato de calcio, eliminando la inhibición a la maduración que este gas provoca. La eliminación de dióxido de carbono de describe en la ecuación siguiente: CO2 + Ca(OH) 2

Carburo de Calcio. Ventajas y desventajas. El Carburo de Calcio es un agente precursor de un gas de maduración conocido como Acetileno. La generación de acetileno proveniente del carburo es espontánea en aquellos lugares en los que existe una alta humedad relativa, ya que la reacción química que sustenta su liberación, utiliza la humedad ambiental como fuente de agua, según la ecuación siguiente: CaC2 + 2H2O

C2H2 + Ca(OH) 2

→

El Acetileno se produce continuamente en pequeñas cantidades dependiendo del grado de humedad del aire que le rodea. Así, para un aire que contiene 500 mg H 2O/L aire (500 ppm p/v) puede obtenerse una concentración de Acetileno de 360 ppm p/v, consumiéndose (en un sistema cerrado) 1300 mg de Carburo industrial (68% pureza).

Desafortunadamente, el carburo de calcio presenta impurezas que lo hacen inapropiado para su uso en alimentos. Estas impurezas son intrínsecas al proceso de producción del carburo y por lo tanto, deberían ser eliminadas cuando acompañen al acetileno recién producido, mediante sistemas de purificación especiales. Las impurezas mas significativas en el acetileno generado son las siguientes:  





El acetileno ingresa al fruto mediante difusion por el pericarpio en donde activa la cascada de la maduración. El proceso requiere de un proceso previo por el cual el acetileno se convierte en etileno mediante la acción de enzimas acetileno-hidrogenasas, ya que el agente madurante real es el etileno formado en esta reacción bioquímica, según la ecuación siguiente: C2H2 + NADH + H + (Hidrogenasas)

C2H4 + NAD+

→

CaCO3 + H2O

→

Fosfina (PH3): Gas sumamente tóxico que se adsorbe en la superficie del pericarpio. Sulfuro de Hidrógeno (H 2S): Gas sumamente tóxico y de olor desagradable que se difunde dentro del fruto y provoca su putrefacción prematura. Metano (CH4): No tiene efectos significativos sobre el fruto o la salud humana en las cantidades en las que se produce. Arsina (AsH3): Gas sumamente tóxico. Sin embargo se produce solamente en cantidades traza y no se acumula en el fruto.

Una de sus principales ventajas para el pequeño productor frutícola es su bajo costo, de aproximadamente US$0.50/libra, como precio de venta al público. Una libra de carburo de calcio industrial puede generar hasta 0.108 metros cúbicos normales (equivalentes a 4.095 piés cúbicos estándar) de acetileno, suficientes para ajustar 1,080 metros cúbicos a una concentración de 100 ppm v/v.


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El procedimiento utilizado por los pequeños productores, es colocar el carburo a las condiciones de humedad ambientales, entre el ordenamiento de los contenedores de la fruta a madurar, cubriendo finalmente con un trozo de manta o lona para asegurar el contacto entre el acetileno y la planta. Como el carburo libera poco a poco el acetileno, no será necesario aislar el ambiente en cámaras selladas.

Etileno Gas. Ventajas y Desventajas El Etileno gaseoso se le obtiene de la deshidratación de alcohol etílico, proceso que compite en la formación de éter etílico y de sulfato de dietilo. Desde el punto de vista de la maduración de frutas, el Etileno se le puede obtener en forma contínua (como el acetileno proveniente del carburo de calcio) del producto comercial denominado Ethrel que aprovecha la hidrólisis del ácido 2-cloroetilfosfónico para generar Etileno, según se indica en la ecuación siguiente: H2PO3CH2−CH2Cl + H 2O

C2H4 + HCl + H 3PO4

→

El sistema Ethrel para con la producción de Etileno, es el análogo al Carburo de Calcio en la producción de Acetileno, con la desventaja de una producción contínua no necesariamente proporcional a los requerimientos de maduración. Las maduraciones con Etileno son generalmente mas rápidas debido a que el proceso de maduración se desencadena directamente, sin el paso previo de conversión de acetileno a etileno. Por lo tanto, a una misma temperatura, se logrará antes la maduración de frutas sometidas a las atmósferas de Etileno que a las de Acetileno, con una mayor homogeneidad del grado de maduración de todas las frutas. La ventaja de utilizar el Etileno envasado a presión, es que se pueden realizar aplicaciones por bacth sin la contínua producción de un gas inflamable que proporciona riesgos a la operación. La concentración de Etileno en la atmósfera de los cuartos de maduración permanece constante y muy por debajo de los límites de riesgo de inflamación (no mayor a 500 ppm v/v). El Etileno se le obtiene con grado de pureza del 99.5% mientras que el Acetileno proveniente del carburo de calcio se obtiene con 96% de pureza. Esta diferencia implica un menor número de impurezas, constituídas por otros hidrocarburos, en vez de las impurezas tóxicas para los alimentos que contiene el Acetileno.

El Etileno se distribuye en cilindros de alta presión que contienen 30 libras (13.6 Kg equivalentes a 414 scf ó 10.8 metros cúbicos normales), a 1200 psig de presión, a un precio al público de entre US$160 u US$170. Un cilindro de Etileno gas es capaz de ajustar 108,800 metros cúbicos a una concentración de 100 ppm v/v. La aplicación de Etileno se realiza dentro de cámaras refrigeradas o no, herméticas y con un homogeneizador gaseoso interno. Se vacía una cantidad conocida de Etileno de acuerdo a las dismensiones del recinto, con la ayuda de un flujómetro, de tal forma que se mide el tiempo de la descarga y posteriormente se hace el cálculo de la concentración. La cámara de maduración puede contener internamente depósitos de cal apagada (Hidróxido de Calcio) que absorben el dióxido de carbono formado. La velocidad de la maduración se controla mediante el ajuste de la temperatura. El Etileno puede ser utilizado, ya sea en forma artesanal ó altamente tecnificada de mejor manera que el Acetileno obtenido del carburo de calcio, debido a sus mejores características de inflamabilidad, pureza y discontinuidad de su emisión en las cámaras de maduración.

DISEÑO DEL SISTEMA DE MADURACION CON ETILENO GASEOSO COMPRIMIDO. El diseño del sistema de maduración utilizando Etileno comprimido en cilindros de 30 libras, implica realizar las consideraciones siguientes:     

Dimensiones de la cámara y garantía de su hermeticidad Sistemas internos de la cámara Cálculo de dosis Procedimientos operativos Logística de Despacho

Dimensiones de la cámara y garantía de su hermeticidad El cálculo de las dimensiones de la cámara depende fundamentalmente de la capacidad instalada de producción del fruto comercializado y de la velocidad de colocación en el mercado. Las cámaras deben tener dimensiones que aseguren que todo el producto a madurar o desverdizar, constituya un 40 a 50 % de su volumen total y que represente el flujo de producto a recibir en al menos 5 días, que es el período de tiempo mínimo que requiere el proceso completo. Si el volumen de producto es considerablemente grande, es prudente la construcción de varias cámaras que puedan procesar la maduración con 1 día de diferencia y obtener el fruto maduro o en proceso de maduración en lotes de 24 horas entre uno y otro, ya que la homogeneización de las


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Publicaciones Técnicas Gerencia de Aplicaciones y Gases Especiales AGE (A.4) condiciones de la atmósfera interna se vuelve más difícil con el aumento del volumen total, generando maduraciones heterogéneas que deben dedicar tiempo a la segregación entre fruto “madurado”y “no madurado”. Es usual la construcción de multicámaras modulares que aportan lotes de producto maduro diariamente. Al igual que las cámaras de refrigeración, las de maduración deben asegurar la hermeticidad completa, de manera que el Etileno dosificado no se pierda por difusión y no alcance las concentraciones mínimas requeridas por el fruto en su cadena de maduración. Mantener el Etileno dentro de la cámara en las primeras 24 o 48 horas (dependiendo de la sensibilidad de fruto) del proceso es el objetivo primordial de los sistemas artesanales o tecnificados.

Sistemas internos de la cámara

que se incrementa la probabilidad de los bioprocesos de fermentación exterior. Las cámaras requieren que el aire interno esté constantemente en movimiento, para homogeneizar la mezcla de gases internos lo más rápido posible. Lo anterior significa que la llegada de Etileno al fruto no se produzca solamente por difusión natural sino más bien forzada por recirculadores de aire que hagan llegar este gas a todos los rincones de la cámara. Generalmente el sistema recirculador está asociado al sistema de enfriamiento y al de mantenimiento de la humedad. Por otro lado, el dióxido de carbono generado por el fruto madurante, debe abandonarlo lo más rápido posible para no generar una retroinhibición al proceso fisiológico, lo cual se logra creando corrientes de aire dentro de la cámara, a través de ventiladores o recirculadores.

Adicionalmente al sistema de dosificación del Etileno (del cual se hablará posteriormente) el diseño debe incluir la instalación de sistemas o la cobertura de requerimientos relativos a temperatura, humedad, circulación de la atmósfera interna y filtros o trampas para gases no deseables. La literatura relativa al uso de Etileno, refiere temperaturas óptimas de operación para el proceso de acuerdo al tiempo y punto de maduración deseado, tanto para la fase de inicio, como para la fase de completación, que incluso deben mantenerse durante el transporte y colocación en anaquel. Como las temperaturas manejadas por las cámaras son generalmente inferiores a la temperatura ambiente, es indispensable la instalación de un sistema de refrigeración que permita seleccionar y mantener cualquier temperatura entre 5 y 25 ºC, con una precisión de ± 0.2 ºC. Temperaturas inferiores destruyen la integridad del mesocarpio, y superiores conducen a maduraciones sumamente rápidas que no permiten presentar el producto al consumidor en condiciones estéticas adecuadas. Los procesos para casi todas las frutas comerciales requieren de una humedad relativa considerablemente alta, entre 85 y 100%, cuya función principal es evitar la deshidratación que se asocia a los procedimientos de refrigeración que se fundamentan en la condensación de la humedad de la atmósfera interna para que a través del condensado sea posible también extraer calor de la cámara. La instalación de un humidificador que seleccione y mantenga la humedad relativa deseada es de gran importancia en el proceso. Los frutos madurados con bajos niveles de humedad, pierden rápidamente la turgencia natural, presentando pulpas y cáscaras arrugadas que disminuyen el valor estético y nutricional del producto, ya

Con Etileno

1 día Sin Etileno

Con Etileno 31 días Sin Etileno

Con Etileno 31 días Sin Etileno

Finalmente, se requiere de la instalación de sistemas que eliminen el dióxido de carbono formado en la primera fase de la maduración, asi como el exceso de Etileno de la segunda fase (Etileno dosificado más Etileno generado por el propio fruto), para evitar su envejecimiento prematuro.


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Publicaciones Técnicas Gerencia de Aplicaciones y Gases Especiales AGE (A.4) Existen filtros especiales para retención, transformación ó adsorción de estos gases (Etileno y Dióxido de Carbono), los cuales deben funcionar en forma secuencial de acuerdo a la fase en la que se encuentre el contenido de la cámara. El exceso de Etileno en la fase de complemento de la maduración conduce al rápido envejecimiento del fruto. A continuación se presentan fotografías que demuestran la calidad del fruto sometido a excesos de Etileno y aquéllos en los que este gas ha sido eliminado en la segunda fase de la maduración, mostrando una capacidad de retención de las propiedades organolépticas y nutricionales en ausencia de Etileno, después de iniciada la maduración. Con el objetivo de sustituir el uso de carburo de calcio, por sus implicaciones toxicológicas, para usar Etileno comprimido, existen simplificaciones significativas de los sistemas de maduración para ser utilizados en forma artesanal. La capacidad de manejo de la maduración se ve comprometida, pero los resultados pueden ser aprovechados en función de una estrategia de li derazgo de bajo costo. En estos casos, la cámara puede no ser hermética, pero si completamente cerrada, realizando dosificaciones de Etileno cada 4 a 6 horas en las primeras 24 horas. Se colocan trozos de papel periódico humedecido, para mantener la humedad relativa, y se hace funcionar un ventilador de pié para homogenerizar la atmósfera. Los filtros pueden ser sustituidos por un compresor de pecera que funcione dentro de la cámara, haciendo pasar el aire de la misma a través de las soluciones de cal hidratada (10%) y de permanganato de potasio (1%) que se introducen en recipientes de aproximadamente 5 galones de capacidad. El único control imprescindible es el de la temperatura, si se desea realizar una maduración lenta, aunque en fincas de temperaturas relativamente bajas, puede realizarse el proceso a temperatura ambiente, vigilando las especificaciones del producto constantemente.

Cálculo de la dosis de Etileno El cálculo de la dosis de Etileno parte de la concentración que se desea tener en la cámara, que generalmente se expresa en partes por millón expresadas en volumen (ppm v/v). Esta dimensional es equivalente a la de mL de Etileno por metro cúbico de cámara. Se asumen condiciones STP (temperatura y presión estándar, es decir P = 1 atmósfera y T = 70 ºF) La tabla siguiente presenta las dosis típicas de Etileno para diferentes frutos, con el objeto de definir la dosis de trabajo de acuerdo al producto a madurar o desverdizar.

Producto Aguacate Albaricoque Banano Ciruela Cítricos Kiwi Mango Manzana Melocotón Nectarina Papaya Pera Plátano Toronja Tomate

Proceso Maduración Maduración Maduración Maduración Desverdizado Maduración Maduración Maduración Maduración Maduración Maduración Maduración Maduración Desverdizado Maduración

mL Etileno/m3 100 – 200 100 – 200 50 – 150 100 – 150 3–7 100 – 200 100 – 200 150 – 250 50 – 150 100 – 200 50 – 150 100 – 200 200 – 300 5 – 10 100 – 200

El producto de la concentración requerida de Etileno expresada en mL/m 3 por el volúmen de la cámara en metros cúbicos, determina el volumen de Etileno que la cámara debe contener para iniciar el proceso de maduración, tal y como lo expresa la ecuación siguiente: VEtileno = Cr(ppm) x VCámara x 0.6 El factor 0.6 se origina del hecho de que las cámaras no deberán de ser llenadas más allá del 40% (factor 0.5 si el límite de capacidad de la cámara se establece en el 50%). El cálculo final está sujeto a varios ajustes que dependen del diseño final. Si se ha considerado la introducción de una solución ó lechada de cal de 5 galones de volumen, debe añadirse un volúmen muerto equivalente a la disolución de Etileno en dicho volúmen de agua (Vd = volúmen de solución en litros x solubilidad del Etileno en mL/L). Si la tubería de tansporte del gas desde su contenedor hasta la cámara es considerablemente grande (más de 5 metros), deberá ajustarse también un volúmen muerto correspondiente a la cantidad de Etileno que quedará atrapada en ella y no se difundirá en la cámara en forma aditiva al volumen calculado (Vm = π r2 L). La suma del volumen calculado más sus ajustes se ajusta finalmente a la temperatura de operación utilizando la ley general de los gases ideales (debido a que las cantidades son sumamente pequeñas) utilizando los equivalentes Kelvin de temperatura (K = ºC + 273.13). Posteriormente se selecciona una velocidad de flujo para la dosificación, que generalmente no supera los 5 a 10 litros por minuto. El cociente del volúmen calculado (expresado en litros) dividido por el flujo seleccionado de dosificación proporciona la cantidad de minutos que el fujómetro deberá estar abierto para entregar la cantidad de gas Etileno deseada. El sistema neumático implica la instalación de un regulador de presión a una presión máxima de 50 psig en la salida, y


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Publicaciones Técnicas Gerencia de Aplicaciones y Gases Especiales AGE (A.4) volumen de Etileno necesario para obtener la concentración esperada.

a continuación un flujómetro que pueda medir hasta 5 ó 10 litros por minuto. Una vez se ha dosificado el Etileno en la cámara, ésta se cierra y no se vuelve a abrir (si la hermeticidad está garantizada) hasta vencido el tiempo de la primera fase de la maduración de acuerdo a lo referido por la literatura según la fruta que se está madurando.

Vet (mL) = ppm Etileno x Vn (m3) Vet (L) = ppm Etileno x Vn(m3)/1000 15 mL Et/m3 x 73.3 m3 = 1100 mL Etileno ≡ 1.1 L 5.

Ejemplo de un cálculo de dosis.

Vdis = (0.1111 L Etileno/L solución) x 20 L solución Vdis = (0.1111) x 20 = 2.2 L

A continuación de presenta un ejemplo de cálc ulo de dosis para diseño y para operación en el desverdizado de toronja. Se desea construir una cámara de desverdización de toronja de 3.14 m de altura, 4.50 m de ancho y 8.65 m de largo, con control de dióxido de carbono por scrubber de hidróxido de calcio saturado de 20 llitros de capacidad. La instalación del cilindro con su regulador y flujómetro se realizará en el exterior de la cámara y del edificio que la contiene, y posee 22.35 m de longitud neta (hasta la válvula de dosificación) con un diámetro interno de ½ pulgada. La cámara es hermética y deberá operar a 20 ºC y 98% de humedad relativa, con etileno en las primeras 48 horas, y en ausencia de etileno posteriormente, garantizando un desverdizado homogéneo en 96 horas desde el inicio de la dosificación. La atmósfera interna se recirculará a través de un sistema de agitación y reciclado a un flujo de 50 LPM filtrando el aire antes de su reinserción en el scrubber de hidróxido de calcio en las primeras 48 horas, y en el scrubber de permanganato de potasio en las 48 horas restantes. La solubilidad del Etileno en agua a 20 ºC es de 0.1111 v/v.

V tub = πr2L V tub = 3.14159 x (0.00635)2 x 22.35 x 1000 V tub = 2.8 L 6.

Se calcula el volumen geométrico total Vg de la cámara (metros cúbicos) como el producto de largo x ancho x altura expresados en metros.

Vg = L x A x H Vg = 8.65 x 4.50 x 3.14 = 122.2 m3 2.

De acuerdo a la premisa de un llenado máximo del 40% de la cámara, se establece el volumen de carga Vc de la cámara como el producto de Vg x 0.4.

Vc = Vg x (% carga/100) Vc = 122.2 x 0.40 = 48.9 m3 3.

La diferencia Vg – Vc establece el volúmen neto de aire a dosificar con etileno.

Vn = Vg – Vc Vn = 122.2 – 48.9 = 73.3 m3 4.

Partiendo de la concentración requerida de Etileno en el volumen neto de la cámara de maduración, de 15 ppm, equivalentes a 15 mL Etileno/m 3 de cámara, se establece el

Se calcula entonces el volumen total de Etileno que consumirá el proceso de desverdización, como la sumatorio de los volúmenes de proceso, de disolución y de tubería (si se usa Etileno de pureza mayor al 99%, no es necesario corregir por la pureza del gas).

V = Vet + Vdis + Vtub V = 1.1 + 2.2 + 2.8 = 6.1 Litros 7.

Se selecciona un flujo de gas a fijar en el flujómetro entre 3 y 5 Litros/minuto (LPM), de manera que la dosificación pueda durar entre 30 segundos (0.5 mintuos) y 5 minutos. Usualmente se fija el flujo a 5 LPM y se calcula el tiempo que deberá mantenerse abierta la válvula del flujómetro, pudiendo excederse en ± 5%.

T(min) = V/Q T(min) = 6.1/5 = 1.2 ± 0.06 minutos T(seg) = 6.1/.083 = 73.2 ± 3.7 segundos

Calcular el tiempo de dosificación para un flujo de 3 litros por minuto de Etileno gaseoso, para lograr una atmósfera de 15 ppm de este gas. 1.

Se calculan los ajustes necesarios de acuerdo al volumen de etileno que se disuelve en el scrubber de Hidróxido de Calcio (Vdis) y al volumen muerto de la tubería de dosificación (Vtub) como volumen aditivo a Vet.

8.

Ajustar las condiciones de la cámara con el producto dentro, con 12 horas de anticipación a la dosificación de Etileno.

Procedimientos Operativos Cada usuario deberá establecer sus POE que involucren evaluación de procesos y seguridad industrial. Es importante que exista un sistema de distribución debidamente calculado e instalado por personal capacitado en instalaciones neumáticas, y que los procedimientos específicos no dejen lugar a dudas procedimentales, sobre todo en los puntos de apertura y cierre de la válvula del flujómetro, ya que un defecto de Etileno provocará maduraciones heterogéneas, y un exceso, pone en riesgo de inflamabilidad de toda la cámara, en el peor de los casos, y acelerará la senectud de los frutos en el caso más bonancible de sobredosificación. El procedimiento genérico se puede resumir de l a siguiente forma:


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1.

Iniciar la activación de la cámara para alcanzar la temperatura y humedad requerida por el fruto a procesar. Hacer funcionar el sistema de scrubber de permanganato de potasio, de manera que la cámara no contenga cantidades fitosensibles de etileno.

2.

Colocar la carga en la cámara y estimar el volumen que ocupa, o aproximar su llenado a un volumen del 40% del total de la cámara. Almacenar la fruta a procesar en la cámara durante 12 horas máximo, permitiendo el funcionamiento del scrubber de KMnO 4.

3.

Después del período de 12 horas, cambiar el funcionamiento del recirculador del aire al modo de scrubber de hidróxido de calcio.

4.

Manteniendo cerrada la válvula de dosificación cercana a la cámara, abrir la válvula del cilindro y fijar el regulador de presión a una presión de salida de aproximadamente 50 psig. Ajustar el nivel del flujómetro de manera que el centro del flotador indique el flujo deseado. Si la instalación ha sido construida satisfactoriamente, en pocos segundos el flujo se ajusta y posteriormente desciende a cero, ya que la presión se transmite hacia la tubería, pero no hay flujo de gas debido a que la válvula de dosificación está cerrada.

deberán ser la base para realizar los procesos de despacho y comercialización. 11.

Mientras el producto concluye su proceso hasta el punto de maduración deseado, deberá mantenerse dentro de la cámara cerrada, en las condiciones de temperatura y humedad consideradas para esta fase, debiendo hacerse operar el recirculador del aire en el modo de scrubber de hidróxido de calcio y de permanganato de potasio, para eliminar el dióxido de carbono producido en el proceso metabólico de la fisiología de la maduración y cualquier cantidad de Etileno producido endógenamente por el propio fruto. Adicionalmente puede usarse una atmósfera inerte de nitrógeno gaseoso para aquéllos frutos o productos que son susceptibles a la oxidación por el oxígeno del aire (aguacate).

Logística de Despacho La Tabla guía de maduración de banano que aparece en la página 9, indica un proceso de maduración para el punto óptimo al consumidor, de 8 días a 14.5 ºC. La logística de productos perecederos se simplifica al disponer de información de tal naturaleza, ya que permite planificar, con base en los tiempos de transporte y colocación en anaquel, la cantidad de días anticipados que el producto debe salir de la cámara de almacenamiento posterior a su maduración y bajo que número de punto debe obtenerse la maduración en la planta de procesamiento. El transporte debe cumplir con las mismas condiciones de temperatura, humedad y contenido de gases que están contenidos en la cámara, aunque no requiere de los sistemas de remoción de dióxido de carbono ni etileno.

5.

Lentamente abrir la válvula de dosificación y revisar que el flujómetro indique el flujo esperado. Accionar el cronómetro y cuando se haya cumplido con el tiempo de dosificación previamente calculado, cerrar la válvula de dosificación.

6.

Cerrar la válvula del cilindro y abrir la válvula de venteo o purga de la tubería para eliminar la presión dentro del regulador y del flujómetro.

7.

Revisar finalmente, que queden cerradas la válvula del cilindro, la válvula del regulador de presión, la válvula del flujómetro, la válvula de dosificación y la válvula de purga de la tubería.

8.

Si se dispone de un monitor de Etileno, revisar que la concentración se mantenga dentro de los niveles de ppm requeridos, ya sea por purga o redosificación complementaria. Dejar que el Etileno tenga contacto con el fruto durante 24 o 48 horas, según lo indiquen las especificaciones de maduración disponibles para cada producto. El proceso puede vigilarse mediante el uso de cámaras de video de circuito cerrado.

9.

Alcanzado el tiempo de la primera fase, la cámara deberá ser abierta totalmente para vaciar completamente el contenido gaseoso, o bien el sistema recirculador del aire deberá sustituir el aire interior por aire fresco, hasta que el monitor de oxígeno indique que existen niveles suficientes (más de un 18%) para que un operador pueda ingresar a la cámara. Verificar el grado de maduración o desverdización logrado, y si es necesario repetir la dosificación.

10.

Si los resultados son satisfactorios, se selecciona la temperatura de almacenamiento, que determinará el número de días que el producto tardará en llegar a su punto óptimo de madurez. Esta temperatura y este tiempo 41 CALLE 6-27 ZONA 8 – 01008 GUATEMALA, CENTRO AMERICA TEL (502) 421 0400 – FAX (502) 440 9666 – E-MAIL: Sergio Molina: [email protected].

Cada usuario deberá establecer, en coincidencia con sus proveedores y clientes, el punto de maduración adecuado al cual debe darse egreso de la cámara de maduración al producto, conforme al mercado que atiende.

[16]


EJEMPLOS GRAFICOS DEL PROCESO DE MADURACION Y DESVERDIZACION CON ETILENO GASEOSO COMPRIMIDO. Color de desverización de mandarina, naranja y toronja, junto a un monitor de Etileno

BIBLIOGRAFIA Molina, S. 2003. Etileno C 2H4 Monografía Agrícola. Publicaciones de Productos del Aire de Guatemala, S. A. 2 pp. Bleeker, A.; Kende, H. Ethylene: A Gaeous Signal Molecule in Plants. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2000, 16, 1-18 http://www.marathonproducts.copm/products/ethysen. html http://www.brancato.it/tecneng.htm http://www.bio.metu.edu.tr/e068741/project/eth.html Bleecker, A.; Kende, H. Ethylene: A gaseous signal molecule in plants. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 16, 1-18, 2000 Sutte, G. Ethylene. 2000. http://bioscience.ksc.nasa.gov/oldals/planet/ethyl.htm http://www.vetmed.ucdaivs.edu/msds/mf/amoco/files/ 01255000.html http://193.51.164.11/htdocs/Monographs/Vol60/M6001.htm Molina, S. 2004. Hoja de Datos de Seguridad de los Materiales MSDS. Etileno. Productos del Aire de Guatemala, S. A. Guatemala. Molina, S. 2002. Etileno y Floración. Publicaciones de Messer de Centroamérica, S. A. Guatemala. Molina, S. 2002. Ventajas y desventajas del uso de Etileno gaseoso como sustituto del Carburo de Calcio en el proceso de maduración acelerada de la fruta comercial. Publicaciones de Messer de Centroamérica, S. A. Guatemala.

Maduración de Peras Maduración de Tomates


Etileno en la Maduración de Frutos

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