Storability of broccoli - investigations of optical monitoring, chlorophyll degradation and predetermination in the field

  • Abstract Broccoli (Brassica oleracea var. italica) is a highly perishable crop. The aim of the work presented here is to find ways to predict storability of broccoli shortly after harvest. Several methods are examined regarding their suitability for predicting broccoli storability. The non-destructive, optical measuring devices used in this work represent some of the common methods used for scientific quality assessment (color determination, chlorophyll fluorescence analysis). In addition, spectral data from diffuse reflection measurements, from both spot measurements and hyperspectral images, was evaluated. The generative development of broccoli curds was studied using diameters both of single buds and of whole curds, and was related to subsequent storability. The concentrations of the chlorophylls a and b, green chlorophyll catabolites chlorophyllide a (Chlide), pheophytin a (Pheoin), pheophorbide a (Pheoide) and carotenoids ß-carotene (ß-Car), lutein (Lut), neoxanthin (Nx) and violaxanthin (Vx) were determined in floral buds ofAbstract Broccoli (Brassica oleracea var. italica) is a highly perishable crop. The aim of the work presented here is to find ways to predict storability of broccoli shortly after harvest. Several methods are examined regarding their suitability for predicting broccoli storability. The non-destructive, optical measuring devices used in this work represent some of the common methods used for scientific quality assessment (color determination, chlorophyll fluorescence analysis). In addition, spectral data from diffuse reflection measurements, from both spot measurements and hyperspectral images, was evaluated. The generative development of broccoli curds was studied using diameters both of single buds and of whole curds, and was related to subsequent storability. The concentrations of the chlorophylls a and b, green chlorophyll catabolites chlorophyllide a (Chlide), pheophytin a (Pheoin), pheophorbide a (Pheoide) and carotenoids ß-carotene (ß-Car), lutein (Lut), neoxanthin (Nx) and violaxanthin (Vx) were determined in floral buds of broccoli through the use of high pressure liquid chromatography (HPLC). The goal was to determine if chlorophyll catabolites may function as indicators of broccoli storability and, furthermore, to relate the concentrations of photosynthetic pigments to the color change of broccoli during storage. In order to investigate effects from the field on the subsequent storability of broccoli, cultivation methods were altered. Plants were partly covered with covers of different materials, which affected the quantity and quality of incident global radiation. The application of fertilizers was specifically varied in one broccoli batch. Additionally, the influence of climatic events on the shelf life of broccoli was analyzed by querying an established database. The non-destructive indexes that proved to be most sensitive to changes during storage were the levels of photosynthetic efficiency (Fv/Fm, ΦPSII), the CIELAB color space coordinate on a blue to yellow scale (b*) and the inflection point of reflection spectra in the transition region from dark red to infrared electromagnetic wavelength range (REIP). However, based on parameter sensitivity, the prediction of value levels after four days of storage at 16 °C and high relative humidity (RH) (~ 95 %) was unfeasible. Quality indexes that changed on the same storage day did not necessarily end up at the same value level. Additionally, values of both Fv/Fm and ΦPSII did not adequately reflect the quality status of broccoli when different harvest batches were compared. In hyperspectral images, early quality changes were effectively rated based on Euclidean distances within broccoli curds and were displayed using reflection intensities at three wavelengths within the visible electromagnetic spectrum as RGB channels. The observed variation within broccoli curds was related to differences in the degree of senescence of single floral buds. However, the diameters of floral buds did not correspond to a rating of storability. In contrast, curd diameters within individual harvest batches were related to subsequent yellowing. The yellowing of broccoli was based on the decomposition of chlorophyll, which unmasked the carotenoids present. No accumulation of chlorophyll catabolites was found during storage. A trend towards rapidly increasing chlorophyll a/b ratios was observed in a broccoli batch with particularly high storability. Different N-fertilization of broccoli curds closely corresponded both with values of initial lightness L* of the CIELAB color space (R² = 0.70) and normalized difference vegetation index NDVI (R² = 0.73). Yet, N-fertilization had no impact on further storability. A negative impact on storability was observed when the spectrum of incident radiation on the field was temporarily reduced by using plastic covers with limited transmittance (λ = 400-500 nm). In a similar way, an increased number of hours with high solar radiation intensity (> 600 W m-2) during cultivation had a negative impact on broccoli storability (R² = 0.47). The impact of high irradiation partly corresponded with temperatures higher than 25 °C (R² = 0.29). A strong predetermination of curd storability was observed based on the water availability for broccoli plants in the last two weeks before harvest (R² = 0.71). A successful prediction of broccoli storability is therefore most likely to be conducted by looking at effects during cultivation. For early non-destructive evaluation of the current quality status of broccoli, both the parameter b* and the spectral index REIP were highly suitable. Therefore, through the help of monitoring systems throughout cultivation (database of climate and cultivation incidents) in combination with reflection-based, hand-held devices during storage, the prediction and rating of broccoli storability can certainly be improved.zeige mehrzeige weniger
  • Zusammenfassung Brokkoli (Brassica oleracea var. italica) besitzt nach der Ernte nur eine geringe Haltbarkeit. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine Vorhersage der Haltbarkeit von Brokkoli zum baldmöglichsten Zeitpunkt nach der Ernte zu erreichen. Hierfür wurde zum einen untersucht, inwiefern sich nicht-destruktive, optische Messungen für eine Haltbarkeitsvorhersage eignen. Die optischen Messungen gehörten teilweise zu gängigen Methoden der Qualitätsbeurteilung in der wissenschaftlichen Analytik (Farbbestimmung, Chlorophyllfluoreszenzanalyse). Zusätzlich wurden auch Auswerteverfahren von Messungen diffuser Reflexion angewandt, die sowohl als punktuelle Messung als auch in Form von Hyperspektralbildern durchgeführt wurden. Als weitere mögliche Indikatoren für die Haltbarkeitsvorhersage nach der Ernte wurde der generative Zustand von Brokkoli mittels Messungen von Knospendurchmessern in mikroskopischen Aufnahmen sowie von Durchmessern ganzer Köpfe bestimmt. Außerdem wurden die Konzentrationen von Chlorophyll a und b, vonZusammenfassung Brokkoli (Brassica oleracea var. italica) besitzt nach der Ernte nur eine geringe Haltbarkeit. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine Vorhersage der Haltbarkeit von Brokkoli zum baldmöglichsten Zeitpunkt nach der Ernte zu erreichen. Hierfür wurde zum einen untersucht, inwiefern sich nicht-destruktive, optische Messungen für eine Haltbarkeitsvorhersage eignen. Die optischen Messungen gehörten teilweise zu gängigen Methoden der Qualitätsbeurteilung in der wissenschaftlichen Analytik (Farbbestimmung, Chlorophyllfluoreszenzanalyse). Zusätzlich wurden auch Auswerteverfahren von Messungen diffuser Reflexion angewandt, die sowohl als punktuelle Messung als auch in Form von Hyperspektralbildern durchgeführt wurden. Als weitere mögliche Indikatoren für die Haltbarkeitsvorhersage nach der Ernte wurde der generative Zustand von Brokkoli mittels Messungen von Knospendurchmessern in mikroskopischen Aufnahmen sowie von Durchmessern ganzer Köpfe bestimmt. Außerdem wurden die Konzentrationen von Chlorophyll a und b, von dessen grünen Abbauprodukten Chlorophyllid a (Chlide), Pheophytin a (Pheoin), Pheophorbid a (Pheoide) sowie von den Carotinoiden ß-Carotin (ß-Car), Lutein (Lut), Neoxanthin (Nx) und Violaxanthin (Vx) in den Blütenknospen bestimmt. Der Hintergrund hierfür war die Prüfung einer Indikatorfunktion von Chlorophyllabbauprodukten für die weitere Haltbarkeit von Brokkoli sowie die Untersuchung des qualitätsmindernden Farbwechsels. Des Weiteren wurde die Bedeutung von Einflüssen während des Anbaus auf die Haltbarkeit von Brokkoli untersucht. Hierfür wurden verschiedene Pflanzenabdeckungen eingesetzt, die die Quantität und Qualität der eingestrahlten Globalstrahlung veränderten. Zusätzlich wurden die Düngegaben in einem Anbausatz gezielt variiert. Basierend auf Abfragen in einer erstellten Klimadatenbank wurde der Einfluss klimatischer Ereignisse während verschiedener Wachstumsphasen auf die Haltbarkeit eruiert. Sensibel gegenüber Veränderungen von Brokkoli während der Lagerung zeigten sich die photosynthetische Leistungsfähigkeit der Brokkoliköpfe (Fv/Fm, ΦPSII), der CIELAB-Skalenwert der blau-gelben Farbwahrnehmung (b*) sowie der Wendepunkt des Reflektionsspektrums im Übergangsbereich von sichtbarer dunkelroter zu infraroter elektromagnetischer Strahlung (REIP). Allerdings war auf der Basis der Sensibilität der Parameter keine Vorhersage des schlussendlichen Werteniveaus nach vier Tagen Lagerung bei 16 °C und hoher relativer Luftfeuchte (RH) (~ 95 %) möglich. Qualitätsindices, die sich ab dem gleichen Lagertag in verschiedenen Erntesätzen veränderten, zeigten nach vier Tagen wiederum eine unterschiedliche Höhe. Zudem spiegelte die Höhe der Werte der photosynthetischen Leistungsfähigkeit (Fv/Fm, ΦPSII) die Qualität der verschiedenen Erntesätze im Vergleich nur unzureichend wider. Unterschiede innerhalb von Brokkoliköpfen waren mithilfe von Euklidischen Distanzen in Hyperspektraldaten frühzeitig detektierbar und konnten durch den Einsatz von drei Wellenlängen im sichtbaren Bereich als RGB-Bild dargestellt werden. Obwohl die Unterschiede in den Bilddaten erkennbar auf der konsekutiven Seneszenz der einzelnen Blütenknospen beruhten, stellten deren Durchmesser keine Indikatoren für die weitere Haltbarkeit dar. Dagegen waren die Durchmesser ganzer Brokkoliköpfe innerhalb einzelner Erntesätze für die Haltbarkeit ausschlaggebend. Das Gelbwerden der Brokkoli beruhte auf dem Abbau von Chlorophyll, das die vorhandenen Carotinoide demaskierte. Es kam zu keiner Anreicherung von Chlorophyllabbauprodukten während der Lagerung, allerdings war ein Erntesatz mit sehr guter Haltbarkeit durch einen starken und kontinuierlichen Anstieg des Chlorophyll a/b Verhältnisses gekennzeichnet. Unterschiedliche N-Düngegaben korrespondierten sowohl mit dem Helligkeitswert L* des CIELAB Farbraums (R² = 0,70) als auch mit dem Vegetationsindex NDVI (R² = 0,73) von Brokkoliköpfen nach der Ernte. Dies stand jedoch nicht im Zusammenhang mit der weiteren Haltbarkeit. Während des Anbaus hatten sowohl eine temporäre Einschränkung der Lichtqualität durch Abdeckung mit lichtselektiven Folien (λ = 400 500 nm) als auch eine erhöhte Anzahl von Stunden mit starker Sonneneinstrahlung (> 600 W m-2) negative Auswirkungen auf die Haltbarkeit (R² = 0,47). Teilweise korrespondierten hohe Einstrahlungswerte mit Temperaturen über 25 °C (R² = 0,29). Maßgebliche Auswirkungen auf die Haltbarkeit von Brokkoli zeigte die Wasserverfügbarkeit in den letzten zwei Wochen vor der Ernte (R² = 0,71). Die Vorhersage der Haltbarkeit von Brokkoli kann daher mit hoher Wahrscheinlichkeit auf der Basis von Einflüssen aus dem Anbau durchgeführt werden. Zur schnellen nicht-destruktiven Beurteilung des aktuellen Qualitätszustandes eigneten sich insbesondere der Parameter b* sowie der spektrale Index REIP. Mithilfe geeigneter Monitoringsysteme während des Anbaus (Datenbank aus Klima- und Kulturdaten) und während der Lagerung (reflektionsbasierte Handgeräte) ist daher mit einer besseren Bestimmung sowie Vorhersage der Haltbarkeit zu rechnen.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Verfasserangaben:Theresa Kabakeris
URN:urn:nbn:de:kobv:186-opus4-128985
Schriftenreihe (Bandnummer):Bornimer Agrartechnische Berichte (98)
Verlag:Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e. V. (ATB)
Verlagsort:Potsdam
Dokumentart:Einzelveröffentlichung / Monografie
Sprache:Englisch
Erscheinungsjahr:2018
Jahr der Erstveröffentlichung:2018
Veröffentlichende Institution:Stadt - und Landesbibliothek Potsdam
Urhebende Körperschaft:Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e. V. (ATB)
Sonstige Beteiligte Körperschaft:Humboldt-Universität zu Berlin
Datum der Freischaltung:08.03.2018
Freies Schlagwort / Tag:Haltbarkeit, Brokkoli, Spektroskopie, Farbbestimmung, Freiland, Chlorophyllabbau
shelf life, broccoli, spectroscopy, colorimetry, outdoors, chlorophyll degradation
Seitenzahl:128 S.
Landkreise / Gemeinden:Potsdam / Potsdam, Stadt
DDC-Klassifikation:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Kollektionen :Institutionen / Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB) / Bornimer Agrartechnische Berichte
Lizenz (Deutsch):Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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