Innovative development and validation of nanomaterials as ethylene adsorbers to extend the shelf-life of horticultural commodities

Abstract

[SPA] El objetivo fue proporcionar herramientas alternativas para extender la vida útil de productos hortofrutícolas, preservando sus cualidades fisicoquímicas y sensoriales. Particularmente, nos enfocamos en el desarrollo de sachets de eliminación de C2H4 a base de KMnO4 para el envasado activo de productos hortofrutícolas frescos. Para optimizar la eliminación de C2H4 mediante KMnO4, se tataron las arcillas sepiolita (SP) y montmorillonita (MMT) química y físicamente para usarlas como soportes del material adsorbente. Los materiales resultantes se caracterizaron mediante difracción de rayos X, análisis termogravimétrico, microscopía electrónica de transmisión y de barrido, y técnicas de adsorción-desorción de nitrógeno. Los resultados mostraron que la protonación con HCl a baja concentración mejoró las propiedades superficiales de ambas arcillas, sin dañar su estructura. El KMnO4 fue satisfactoriamente incorporado en las dos arcillas, pero el proceso de carga de KMnO4 en SP dio lugar a una transformación de fase. La MMT tratada con ácido y cargada con KMnO4 reveló una capacidad de eliminación de C2H4 de 10.16 mL g-1 a 22 °C, mientras que la SP cargada con KMnO4 (SK) mostró una capacidad de 9.82 Ml g-1. Posteriormente, las arcillas obtenidas se incorporaron en envases que contenían frutos de arándano, albaricoque o tomate cherry. Como control se utilizaron productos envasados sin adsorbedores de C2H4. Se evaluó el efecto de las arcillas modificadas en arándanos a 2 y 10 °C bajo envasado en atmósfera modificada (MAP); albaricoques a 2 y 15 °C en condiciones de MAP y envasado en aire ambiente, respectivamente; y tomates a 11 °C + 3 days a 22 °C en envasado en aire ambiente. Durante el almacenamiento se registró la pérdida de peso, firmeza, contenido de sólidos solubles totales (SSC), color, acidez titulable (TA), pH, calidad microbiológica y parámetros sensoriales. Según los resultados, ambas arcillas modificadas fueron eficaces en reducir las concentraciones de C2H4 en los envases. La MMT modificada extendió la vida útil del arándano reduciendo la incidencia de hongo, sin afectar los atributos restantes. En los albaricoques, SK disminuyó los cambios en peso, TA, SSC/TA e incidencia de hongos, mostrando la calidad sensorial más alta. Los albaricoques almacenados a 15 °C mostraron menor aumento en los valores de C* y pH, así como reducidos cambios de SSC. En tomate, SK llevó a menor pérdida de peso, sin alterar los otros parámetros. El efecto de combinar SK y timol se ensayó adicionalmente en tomates cherry. Se demostró que SK es tan bueno como el timol para reducir el moho gris, pero usarlos juntos puede incrementar la susceptibilidad de la fruta a Botrytis cinerea. En conclusión, los adsorbedores de C2H4 desarrollados tienen un gran potencial en el envasado activo de productos hortofrutícolas frescos.

[ENG] This PhD Thesis aimed to provide alternative tools to extend the shelf-life of horticultural commodities, preserving their physicochemical and sensory qualities. Particularly, we firstly focused on the development of KMnO4-based C2H4 scavenging sachets for active packaging of fresh fruit. To improve the C2H4 removal activity of KMnO4, the minerals sepiolite (SP) and montmorillonite (MMT) were chemically and physically treated to be used as KMnO4 supports. The resulting materials were physicochemically characterized using Xray diffraction, thermogravimetric analysis, transmission electron microscopy, scanning electron microscopy and nitrogen adsorption-desorption techniques. The results showed that protonation with HCl at a low concentration was effective in improving the surface properties of both SP and MMT, without damaging their structure. On the other hand, KMnO4 was successfully incorporated by the two assayed clays, but the KMnO4 loading process on SP resulted in a phase transformation. The KMnO4-loaded acid-treated MMT revealed an C2H4 removal capacity of 10.16 mL g-1 at 22 °C, while the KMnO4-loaded acidtreated SP revealed a capacity of 9.82 mL g-1. Subsequently, the obtained modified clays were incorporated into packages containing blueberry, apricot or cherry tomato fruit in order to be validated. Fruit packed without C2H4 scavengers were used as a controls. The effect of the modified clays was evaluated on the quality attributes of blueberries at 2 and 10 °C under modified atmosphere packaging (MAP); apricots at 2 and 15 °C under MAP and air packaging conditions, respectively; and tomatoes at 11 °C + 3 days at 22 °C (simulation of commercialization at 22 ºC) under air packaging conditions. Weight loss, fruit firmness, skin colour, total soluble solids content (SSC), titratable acidity (TA), pH, microbiological quality and sensory parameters were monitored during storage. According to results, both modified clays were efficient to reduce in-package C2H4 concentrations generated by the plant products. The modified MMT extended the blueberry shelf-life by reducing the fungal incidence, while the rest of quality attributes were not affected. In apricots, the KMnO4-loaded SP (SK) allowed less weight loss, TA decrease, SSC/TA ratio increase, and fungal incidence, while maintained the highest sensory quality. Moreover, the 15 °C–stored apricots also showed less pH and higher C* colour coordinate, as well as reduced SSC changes. In cherry tomato, SK resulted in a delayed weight loss, without disturbing the other monitored quality parameters. The effect of combining SK and thymol was further assayed in cherry tomatoes. SK was shown to be as good as thymol in reducing grey mould but using them together can induce the fruit susceptibility to Botrytis cinerea. Conclusively, the developed C2H4 scavengers have a great potential in active packaging of fresh horticultural produce.