Controlled Atmosphere

Wat is Controlled Atmosphere?

Controlled Atmosphere (CA) wordt toegepast om verse producten direct na de oogst te bufferen, waardoor ze langer beschikbaar zijn voor de markt tegen betere verkoopprijzen. Het is een bewaarmethode voor gasdichte koelcellen waarbij de zuurstof en kooldioxide concentratie, evenals de temperatuur en luchtvochtigheid, wordt geoptimaliseerd. CA wordt vaak gebruikt voor langdurige bewaring van appels, peren, kiwi’s en verschillende bessensoorten, maar ook voor bijvoorbeeld koolsoorten en sperzieboontjes. De combinatie van een veranderde gasatmosfeer en een verlaagde temperatuur voorkomen kwaliteitsverlies door rijping, uitdroging, en bewaarafwijkingen. Het zuurstofniveau wordt sterk verlaagd en koolstofdioxide juist zoveel mogelijk verhoogd. Buitenlucht bestaat voor ongeveer 78% uit stikstof (N2), 21% uit zuurstof (O2), 0,045% uit kooldioxide (CO2). CA verlaagt het zuurstofniveau naar 0,5-2,5%, afhankelijk van het soort product en de variëteit. CA-condities verlengen de bewaarduur van groenten en fruit met een factor 2 tot 4, waardoor appels bijvoorbeeld jaarrond bewaard kunnen worden, en bessensoorten verschillende maanden.

Om optimale CA-condities toe te kunnen passen, worden koelcellen gasdicht gemaakt en aangesloten op een CA-systeem dat bestaat uit een CO2-absorber, een N2-generator en een sturingssysteem om gascondities te meten en te regelen. CA cellen hebben een doorgaans een grootte van 100-1000 ton. Een gemiddelde opslagfaciliteit heeft 2-100 koelcellen. Blue Atmosphere ontwerpt, produceert, installeert en levert service voor CA apparatuur en sturingssystemen. Maar we treden ook op als consultant waar het gaat om koelsystemen van vers product, en de bouw van koelcellen.

De geschiedenis van CA fruitopslag

Het idee om groenten en fruit te bewaren is niet nieuw, noch is het gunstige effect van optimale gas condities tijdens opslag. De eerste experimenten met de opslag van gewassen in kuilen, grotten en kelders met beperkte ventilatie in het Verenigd Koninkrijk, bijvoorbeeld, verlengde de houdbaarheid al zeer duidelijk. Vroege wetenschappelijke studies in de 19e eeuw toonden aan dat fruit O2 verbruikt en CO2 afgeeft. Hieruit bleek ook dat fruit niet rijpt onder lage zuurstofwaarden, en dat het rijpen wordt hervat indien het fruit opnieuw werd onderworpen aan buitenlucht.

De eerste commerciële opslagfaciliteiten werden gebouwd in de late 19e eeuw in Frankrijk en het Verenigd Koninkrijk. De temperatuur werd met blokken ijs onder 1°C gehouden. Fruit kon zo maanden worden bewaard, maar toenemende CO2-waarden bleken fruit te beschadigen. De echte doorbraak kwam in 1927 toen Kidd en West de eerste uitgebreide en goed gedocumenteerde studies uitvoerden naar het effect van CO2 en O2 op fruit en groenten tijdens opslag. Ze noemden de nieuwe opslagtechniek ‘gas storage’ noemden. In 1945 werd door hen de term Controlled Atmosphere (CA) geïntroduceerd.

CA-opslag begon met het beheersen van CO2-niveaus. De opslagfaciliteit werd mechanisch gekoeld en CO2 werd ingesteld op een niveau dat cultivarafhankelijk was. Door ventilatie werd de overmaat CO2 uit een koelcel verwijderd, waardoor een evenwicht ontstond tussen de luchtsamenstelling in de opslagfaciliteit en de buitenatmosfeer. In deze systemen werd de hoeveelheid stikstof constant gehouden op 79% (kPa), hetzelfde als in normale lucht. Indien CO2 bijvoorbeeld werd vastgesteld op 3%, was O2 18%. In de huidige koelhuizen worden O2– en CO2-niveaus onafhankelijk van elkaar geregeld. CO2-absorbers werden geïntroduceerd, eerst kalk, en tegenwoordig actieve kool absorbers. Lucht van een koelcel wordt door een absorber geleid, en vervolgens wordt de gereinigde lucht teruggevoerd.

Het rijpen van het fruit

Rijping is een complex, natuurlijk proces dat uiteindelijk leidt tot verbeterde organoleptische eigenschappen van fruit. Het belangrijkste doel van het verlagen van de bewaartemperatuur en het toepassen van CA is dan ook om rijping en veroudering te onderdrukken, en de opslagduur te verlengen met behoud van alle kwaliteitskenmerken van een bepaald product, ook na bewaring (shelf life). Kidd en West ontdekten dat het begin van rijping in appels gepaard gaat met een sterke verhoging van de ademhaling, een fenomeen dat ze het climacterium noemden. In appels, zoals in veel andere climacterische vruchten, gaat deze climax gepaard met een piek in de ethyleenproductie. Ethyleen (C2H4) is een vluchtig plantenhormoon. In climacterische vruchten kunnen lage ethyleengehaltes (soms zo laag als 10 ppb, zoals in kiwi) al rijping initiëren. In reactie op ethyleen gaan vruchten van de pre-climacterische fase over naar de climacterische. De ademhalingssnelheid neemt toe, en het rijpingsproces vangt aan hetgeen zich uit in verzachting, kleurverandering en smaakontwikkeling. Niet-climacterische vruchten produceren echter weinig ethyleen, en ontwikkeling in deze vruchten wordt er niet door gestuurd (ze rijpen dus niet). Een kenmerk van climacterische vruchten is het feit dat de productie van ethyleen auto-katalytisch is. Deze autokatalyse wordt veroorzaakt door een ethyleenpiek (systeem I), die een grote toename van de ethyleenproductie (systeem II) tot gevolg heeft. Niet-climacterische vruchten missen systeem II, en dus de inductie van auto-katalytische ethyleenproductie. Enkele voorbeelden van climacterische en niet-climacterische vruchten worden gegeven in de onderstaande tabel.

Ethyleen wordt gesynthetiseerd uit het aminozuur methionine met 1-amino-cyclopropaan-1-carbonzuur (ACC) als intermediair. De synthese ervan vereist zuurstof en het wordt niet gevormd onder lage zuurstofwaarden. Toevoeging van CO2 aan de koelcel atmosfeer remt niet alleen de ademhaling, maar ook de ethyleenproductie, en dus de rijping. Van CO2 is ook bekend dat het de gevoeligheid van fruit voor ethyleen vermindert, en is een van de belangrijkste oorzaken van inwendig bruin worden van fruit.

Concluderend kunnen we stellen dat lage O2– en hoge CO2-concentraties beide dus een remmend effect op rijping en ethyleenproductie hebben. In cultivars met een hoge ethyleenproductiesnelheid kan het belangrijkste voordeel van CA het remmende effect op de synthese van ethyleen zijn. In cultivars met een lage ethyleenproductie kan CA werken als een remmer van zowel ethyleenproductie als ethyleengevoeligheid.

Huidige conditionering en bewaarafwijkingen

Tegenwoordig wordt ongeveer 80% van de appels en peren in Nederland onder CA bewaard, en CA-technologie is in alle fruit producerende landen te vinden. Fruit zoals peren, steenvruchten, blauwe bessen en aardbeien enkele dagen bewaard bij temperaturen van 0 tot 5°C verdragen O2-waarden tussen 0,5 en 1% (ook wel Ultra Low Oxygen, ULO, genoemd), terwijl appels deze niveaus voor veel langere periodes verdragen. Bij langdurige CA-opslag worden peren normaal gesproken bewaard bij circa 2-3% O2. Appels worden meestal opgeslagen bij 1-2% O2 vaak gecombineerd met CO2-waarden van 0,5-4%. De ademhalingssnelheid van fruit wordt verder verlaagd wanneer gewassen worden opgeslagen bij lagere O2-concentraties met toevoeging van CO2. In sommige gevallen, zoals bij kiwi-opslag, wordt daarnaast ethyleen actief verwijderd uit CA koelcellen.

Een bijwerking van laag O2 is de ophoping van ethanol en acetaldehyde tot concentraties die kunnen leiden tot smaakafwijkingen en schade. Ethanol is een eindproduct van een alternatieve, anaërobe manier van suikerverbranding, en acetaldehyde is een tussenproduct. Deze route wordt gisting of fermentatie genoemd. Fermentatie vindt plaats in het celsap en maakt geen gebruik van de mitochondriële ademhalingsketen. De aanvang van de fermentatie zou gebruikt kunnen worden als een functionele marker voor de laagst mogelijke O2-waarde tijdens bewaring. Praktijkproeven hebben aangetoond dat appels bij extreem lage O2-concentraties kunnen worden bewaard. In het zogenaamde Dynamic Control System (DCS), een soort interactieve ULO-opslag, worden lage O2-niveaus in de opslagfaciliteit gestuurd op basis van ethanolniveaus (conditionering op basis van productrespons). In de praktijk kan deze methode echter risicovol zijn, omdat ethanol door een deel van de vruchten kan worden geremetaboliseerd, wat betekent dat ethanol vaak geen betrouwbare indicator is. Alcohol kan ook ontstaan door andere processen, zoals rotting.

De CA-bewaring in praktijk wil de ademhaling van vers product naar het laagst mogelijke niveau brengen, zonder fermentatie te veroorzaken. Dit concept maakt gebruik van de Extinction Point-benadering (EP) genoemd. Deze benadering wordt gedefinieerd door de laagste O2-concentratie waarbij geen fermentatie plaatsvindt. Bij het vaststellen van juiste bewaarcondities speelt de biologische variatie van fruit met betrekking tot O2-tolerantie een belangrijke rol. Omdat ethanolsynthese waarschijnlijk nooit volledig kan worden uitgesloten, is het Anaërobe Compensatiepunt, ACP, gedefinieerd als de O2-concentratie waar de CO2-productie het laagst is, waarschijnlijk een beter concept.

De best mogelijke manier om het ACP te bepalen, is het meten van de ademhalingssnelheid in koelcellen. Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat deze methode goed werkt. De praktische implementatie is echter nog steeds een hindernis. Blue Atmosphere onderzoekt op dit moment een nieuwe manier om de ademhalingssnelheid te bepalen. We programmeren nieuwe software die de ademhaling meet en op basis hiervan de optimale, veilige O2-concentratie dynamisch instelt. Dit nieuwe, unieke besturingssysteem wordt gedreven door een wiskundig algoritme dat met Wageningen Universiteit (WUR) ontwikkeld wordt.