Studies on the dynamics of browning and its application in the estimation of apple flesh freshness

Physical methods were applied for objective monitoring of apple freshness on the basis of measurements of the activity of the pathway of enzymatic oxidation with phenolics participation, activated by mechanical bruising. Spectrophotometric analysis of apple flesh browning and measurements in apple flesh by means of the redox electrode were applied as objective measures of the biological activity of tissue after bruising. The created model of browning was verified on apples in consumption maturity. The description of changes in flesh freshness was performed for apples of over thirty cultivars originating from a cultivar experiment, after two long-term periods of normal cold storage at 3-6 C, 89-95% RH. Tested material was characterized by considerable variability, e.g. flesh firmness: 10-40 N (by flat penetrometer 0 7.9 mm and standard deviation for cultivar s = 2-6 N ,), total soluble solids 10-16 Brix, and intercellular spaces 17-50%, content in the flesh (per 100 g) of chlorogenic acid 3-25 mg, epicatechine 7-45 mg, and phloretin-xyloglucoside 0.5-7 .5 m g. The new parameters may find application in quality assessment of stored apples and of fresh cut apple products. Changes caused by enzymatic browning in UV-Vis spectra (250-450 nm) and increase in the content of brown pigments in the flesh ( 440 nm band) were expressed by differences in diffuse absorbance A= log(1 /R), where R is the reflectance of apple flesh. Chemometric analysis showed a close relation between the content of HPLC determined phenolics in the flesh, time-dependent UV-Vis reflectance spectra and the potential of redox electrode inserted in the flesh, all collected at the flesh-air phase boundary. The analysis also showed a time-course hierarchy in substrate transformations at the non-enzymatic stage of the browning reaction, and - in the spectra - bands characteristic for phenolics. The possibility of creating freshness indexes on the basis of analysis of bruised apple flesh was demonstrated - concentrations of polyphenols in apple flesh were estimated on the basis of time-dependent spectrophotometric spectra. The effects of enzymatic browning, with participation of oxygen from the intercellular spaces, were registered with the kinetic method from the first 1-3 minutes in UV (approx. 275 nm), and after 6-12 minutes the strong effects were observed in visible violet (365-390 nm). A close relation was shown between the potential of redox electrode inserted in apple flesh (E₀= 420-580 m V) and kinetic measurements after 3-4 min in bands of 260 nm and 275 nm, and of the saturation potential on redox electrode (E_f= 510-650 m V) in visible violet. A model of browning of mechanically bruised fresh apple tissue was proposed. The first stage is a reaction controlled by excess content of the PPO enzyme in the flesh, and the second is non-enzymatic oxidation of polyphenols, coupled e.g. with chlorogenic acid, dependent on oxygen from the intercellular spaces. For the practical estimation of changes in freshness and over-ripening of apples in storage, the scheme of browning was simplified and a first-order kinetics model was applied relative to melanin pigments absorbing in the band of 440 nm. The model includes the effect of varied ripeness of the fruits and of the period of storage. Different periods of storage and various levels of fruit ripeness (within consumption ripeness) had a bearing on the activity of biological mechanisms and on the response of fruits to bruising. What remained constant was the half-life of browning (t_1/2 = 5-45 min), characteristic for cultivars, which increased only in the case of apple flesh slicing under water. The biological activity of substrates decreased in over-ripening apples, described as a decrease in the browning rate of the wedges sliced in air (υ = 0.003-0.035 Abs min-1, s = 0.002-0.017 Abs min-1) and also of wedges sliced under water (υ = 0.001-0.02 Abs min-1). The flesh of over-ripening apples was characterized by higher diffuse absorbance, determined in freshly sliced apple flesh (A₀ = 0.2-0.5 Abs, s = 0.01-0.3 Abs), and by lower increase in diffuse absorbance (A_f = 0.05 -0.35 Abs, s = 0.03 -0.1 Abs) till reaching the final equilibrium of browning. It was observed that in fresh tissue browning developed in the direction of recreating protective barriers against organic radicals and oxygen. Another characteristic feature of fresh apple flesh is reduced browning rate by half, after slicing under water and rinsing of cell contents. Browning continues and there is only a slight decrease in the cultivar-characteristic value of flesh absorbance attained at sill browning - A₀ + A_f. This does not change the kinetic constant of enzymatic browning of apple flesh (K_M= 0.23 Abs under normal environmental conditions). Likewise, reduced temperature of apple flesh and surface-effect PPO inhibitors cause only a reduction in the browning rate and extend the colour stability of sliced wedges (colour stability t_0.08 = 2-80 m in, defined as time of absorbance increase to 0.08 Abs under normal conditions, when sliced in air). The studies show that apple flesh browning can be treated as a varietal feature. Analysis indicates that estimation of apple freshness is related with over-ripening and as well as with enzymatic activity of phenolics in the tissue, with repair mechanisms in apple flesh, and with authentic nutritional value of apples. Physical measures of biological activity of tissue as a response to bruising due to slicing or puncture can be used as freshness indices of apples and of sliced apples.

METADATA IN OTHER LANGUAGES:

Polish

Studia nad dynamiką brązowienia i jej wykorzystaniem w ocenie świeżości miąższu jabłek

ocena świeżości, polifenole, jakość owoców, spektrofotometria odbiciowa, elektroda redoks

Zastosowano fizyczne metody do obiektywnego monitorowania świeżości jabłek, w których wykorzystano pomiary aktywności procesu enzymatycznego utleniania, z udziałem polifenoli, po mechanicznym uszkodzeniu miąższu . Użyto analizy spektrafotometrycznej do badań kinetyki brązowienia miąższu oraz pomiarów potencjału elektrody redoks w miąższu jako miar aktywności biologicznej tkanki. Utworzono model brązowienia i zweryfikowano przydatność jego parametrów do opisu zmian świeżości jabłek o dojrzałości konsumpcyjnej. Zbadany materiał pochodził z ponad trzydziestu odmian z doświadczenia odmianowego po długim przechowywaniu w komorach chłodniczych. Cechowała go bardzo duża zmienność, którą oceniono jędrnością 10-40 N (pomiar przebijakiem ø 7,9 mm, odchylenie standardowe dla odmiany –s= 2-6 N), zawartością ekstraktu 10-16% (s= 0,5-2%), objętością przestrzeni międzykomórkowych 17-50% i zawartością w 100 g miąższu kwasu chiorogenowego 3-25 mg, epikatechiny 7-45 mg i ksyloglukozydu floretyny 0,5-7,5 mg. Nowe parametry mogą znaleźć zastosowanie w ocenie jakości jabłek przechowywanych i produktów ze świeżo ciętych jabłek. Zmiany wywołane enzymatycznym brązowieniem w widmach UV-Vis (250-450 nm) i przyrost zawartości brązowych barwników w miąższu (pasmo 440 nm) wyrażano przyrostem absorbancji rozproszonej A= log(1/R), gdzie R – jest reflektancją tkanki. Analiza chemometryczna wykazała ścisły związek zawartości palifenoli oznaczonych HPLC w miąższu z widmami odbiciowymi UV-Vis czasowo rozdzielonymi, które uzyskano na granicy faz miąższu i powietrza, oraz ich związek z potencjałem elektrody redoks wbitej w miąższ. Analiza ponadto wykazała zróżnicowanie czasowe w przemianach substratów na nieenzymatycznym etapie reakcji brązowienia, a w widmach, charakterystyczne pasma dla substratów fenolowych. Stwierdzono, że możliwe jest tworzenie wskaźników świeżości jabłek z analizy uszkadzanego miąższu , co wynika z wykonanego oszacowania stężeń palifenoli w miąższu na podstawie widm spektrafotometrycznych czasowo rozdzielonych. Efekty enzymatycznego brązowienia, w których uczestniczył tlen z przestrzeni międzykomórkowych, rejestrowano metodą kinetyczną od 1-3 min w ultrafiolecie (ok. 275 nm), a po 6-12 min, efekt ten obserwowano w widzialnym fiolecie 365-390 nm. Wykazano ścisły związek potencjału elektrody redoks wbitej w miąższ (E₀ = 420-580 m V) z pomiarami kinetycznymi po 3-4 min w pasmach 260 nm i 275 nm, oraz potencjału wysycenia na elektrodzie redoks (E_f= 510-650 m V) z pomiarami kinetycznymi w widzialnym fiolecie. Zaproponowano opis brązowienia uszkodzonej mechanicznie świeżej tkanki, w którym pierwszy etap jest szybką reakcją związaną z nadmiarem enzymu PPO w miąższu, a drugi to faza nieenzymatycznego, sprzężonego np. z kwasem chlorogenowym, utleniania palifenoli zależna od tlenu w przestrzeniach międzykomórkowych. Do praktycznej oceny zmian świeżości i przejrzewania przechowywanych jabłek uproszczono opis brązowienia i zastosowano model kinetyki I-rzędu względem barwników melaninowych absorbujących światło w paśmie 440 nm. Uwzględnia on zróżnicowanie dojrzałości owoców i okresy przechowywania jabłek. Stwierdzono, że w świeżych owocach po zróżnicowanym okresie przechowywania i przy zróżnicowanej dojrzałości owoców (w dojrzałości konsumpcyjnej) stale aktywne są mechanizmy biologiczne w reakcji na uszkodzenie. Tę aktywność charakteryzuje stały i charakterystyczny dla każdej odmiany jabłek czas połówkowy brązowienia miąższu ( ty, = 5-45 min), który wzrasta jedynie przy cięciu miąższu pod wodą. Maleje aktywność biologiczna substratów w jabłkach przejrzewających określana malejącą szybkością początkową brązowienia miąższu cząstek wyciętych z jabłek w powietrzu (υ = 0,003-0,035 Abs • min^-1, s= 0,002-0,017 Abs • min^-1), a także malejącą szybkością brązowienia cząstek wyciętych pod wodą (υ = 0,001-0,02 Abs • min^-1). Miąższ cząstek z jabłek przejrzewających charakteryzuje się wyższą absorbancją rozproszoną, którą określa się na miąższu świeżo wyciętym z jabłek (A₀ = 0,2-0,5 Abs, s= 0,01-0,3 Abs), a także mniejszym przyrostem absorbancji (A_f= 0,05-0,35 Abs, s = 0,03-0, 1 Abs ), co następuje przy osiąganiu wysycenia brązowienia miąższu. Zaobserwowano, że w świeżym miąższu proces brązowienia postępuje w kierunku utworzenia bariery ochronnej przed rodnikami organicznymi i przed tlenem. Następną cechą charakterystyczną świeżego miąższu jest obniżenie szybkości brązowienia o połowę, po wycięciu go pod wodą i wypłukaniu z treści komórkowej, lecz wtedy tylko nieznacznie maleje charakterystyczna dla każdej odmiany, absorbancja miąższu osiągana po wysyceniu brązowienia – A₀ +A_f i nie zmienia się stała kinetyczna reakcji brązowienia miąższu (K_M = 0,23 Abs w normalnych warunkach otoczenia). Podobnie, obniżenie temperatury miąższu lub powierzchniowe inhibitory PPO, obniżają jedynie szybkość brązowienia i wydłużają trwałość barwy wyciętych cząstek (trwałość - t_0,08 = 2-80 min, def. jako czas przyrostu absorbancji do 0,08 Abs w normalnych warunkach otoczenia i przy cięciu w powietrzu). Z wykonanych badań wynika, że brązowienie miąższu jabłek można traktować jako cechę odmianową, a analiza wskazuje na związek oceny świeżości z przejrzewaniem i z aktywnością enzymatyczną palifenoli w tkance, oraz na jej związek z mechanizmami naprawczymi w miąższu i autentyczną wartością odżywczą jabłek. Za obiektywne miary świeżości jabłek i ciętego miąższu mogą służyć fizyczne miary aktywności biologicznej tkanki jako reakcja na uszkodzenie w wyniku cięcia lub przebicia.

Submit your paper

Information for Authors

eISSN:	2300-6730
ISSN:	1234-4125