Scheda programma d'esame
FISIOLOGIA DELLA PRODUZIONE E DELLA POST RACCOLTA
LORENZO MARIOTTI
Anno accademico2018/19
CdSPRODUZIONI AGROALIMENTARI E GESTIONE DEGLI AGROECOSISTEMI
Codice015EE
CFU6
PeriodoPrimo semestre
LinguaItaliano

ModuliSettore/iTipoOreDocente/i
FISIOLOGIA POST-RACCOLTABIO/04LEZIONI64
LORENZO MARIOTTI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Al termine del corso lo studente avrà acquisito le conoscenze necessarie per comprendere i cambiamenti dei prodotti vegetali durante la fase di post raccolta e le tecniche per migliorare la conservazione dei prodotti orto-floro-frutticoli. La comprensione di queste conoscenze sarà acquisita attraverso lo studio di processi fisiologici fondamentali a livello biochimico-molecolare: Metabolismo degli zuccheri e degli acidi organici, metabolismo respiratorio, produzione di etilene, softening, cambiamento del colore, cambiamenti fisiologici indotti dalla canservazione.  Le esercitazioni di laboratorio saranno un supporto cruciale per l’acquisizione di queste conoscenze da parte dello studente

 

Knowledge

By the end of the course, the student will have acquired the necessary knowledge to understand the changes of the plant products during the post-harvest phase and the techniques to improve the conservation of the products. The understanding of this knowledge will be acquired through the study of fundamental physiological processes at the biochemical-molecular level: Metabolism of sugars and organic acids, respiratory metabolism, ethylene production, softening, color change, physiological changes induced by conservation. The laboratory exercises will be a crucial support for the acquisition of this knowledge by the student

Modalità di verifica delle conoscenze

L’accertamento delle conoscenze sarà svolto al termine di ciascun argomento trattato a lezione mediante la discussione in classe degli aspetti rilevanti e l'utilizzo di casi pratico-applicativi.

 

Assessment criteria of knowledge

The assessment of knowledge will be carried out at the end of each topic covered in class through the discussion in class of the relevant aspects and the use of practical-applicative cases.

Capacità

Al termine del corso, lo studente avrà acquisito un’adeguata preparazione non solo per il superamento dell’esame ma anche alcune tecniche analitiche per la determinazione della qualità dei prodotti orto-frutticoli e il funzionamento di strumenti utilizzati per analisi chimiche.

 

Skills

By the end of the course, the student will have acquired an adequate preparation not only for passing the exam but also some analytical techniques for determining the quality of the fruit and vegetable products and the functioning of instruments used for chemical analysis.

Modalità di verifica delle capacità

Discussione in classe al termine delle lezioni e delle esercitazioni di laboratorio.  

 

Assessment criteria of skills

Disscussion in class at the end of the lessons and laboratory exercises.

Comportamenti

Alla fine del corso lo studente, con le conoscenze acquisite, potrà affrontare problematiche relative allo conservazione dei prodotti agrari. L’esperienza di laboratorio gli potrà fornire gli strumenti di base per comprendere come affrontare tali problematiche.

 

Behaviors

By the end of the course, the student, with the acquired knowledge, will be able to face problems related to the conservation of agricultural products. The laboratory experience will provide him the basic tools for understand how to adress these problems.

Modalità di verifica dei comportamenti

Durante la discussione in classe e/o di laboratorio verrà valutato il comportamento dello studente di fronte alle problematiche poste dal docente. Al termine dell’esercitazione di laboratorio verrà valutato il grado di accuratezza e precisione dell’attività svolta.

 

Assessment criteria of behaviors

During the class and / or laboratory discussion, the student's behavior will be evaluated in relation to the problems posed by the teacher. At the end of the laboratory exercise the degree of accuracy and precision of the activity carried out will also be evaluated.

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Per affrontare l’insegnamento di fisiologia della post-raccolta e della produzione è consigliato avere le conoscenze di: Ecofisiologia vegetale.

 

Prerequisites

In order to tackle the teaching of post-harvest physiology and production is recommended to have the knowledge of: Plant physiology.

Programma (contenuti dell'insegnamento)

Introduzione

Produzione mondiale dei prodotti ortofrutticoli: dati statistici. La fisiologia dei prodotti ortofrutticoli e la necessità di una tecnologia post-raccolta.

Caratteristiche chimiche e qualità dei prodotti

Componenti chimici: acqua, carboidrati, proteine, lipidi, acidi organici, vitamine, sali minerali, composti volatili e prodotti secondari. Qualità dei prodotti: metodologie distruttivee non-distruttive per la valutazione della qualità.

Processi biochimici, fisiologici e molecolari della maturazione e senescenza

Il ciclo vitale dei prodotti: crescita, maturazione e senescenza. Principali cambiamenti durante il processo di maturazione dei frutti: composizione carboidrati e acidi organici, metabolismo respiratorio, produzione di etilene, “softening”, colore e composti volatili.

Composizione carboidrati e acidi organici. zuccheri traslocati ai sinks. Metabolismo degli zuccheri nei sinks: i "cicli futili" nel metabolismo del saccarosio. Produzione di acidi organici e loro metabolismo: ruolo della PEP carbossilasi. Casi di studio (pesco e pomodoro).

Metabolismo Respiratorio. la respirazione durante il ciclo vitale dei prodotti. Frutti climaterici e non climaterici: le basi fisiologiche del picco climaterico, la funzione dell'ossidasi alternativa. Casi di studio (mele e pomodoro).

Produzione di etilene. Processi fisiologici indotti da etilene. Sintesi dell'etilene durante la maturazione dei frutti: controllo primario della sintesi, gli enzimi chiave: ACC sintasi e ACC ossidasi; sistema I (autoinibitorio) e II (autocatalitico); controllo secondario della sintesi di etilene; fattori esterni che controllano la sintesi di etilene; relazione tra respirazione climaterica e sintesi di etilene; recettori dell'etilene e trasduzione del segnale. Processi di maturazione dipendenti e indipendenti da etilene in frutti climaterici e non climaterici. Etilene e conservazione: i ciclopropeni, rimozione di etilene negli ambienti chiusi, applicazione di etilene. Etilene e senescenza fiorale.

Il "softening". composizione della parete: polisaccaridi cellulosici, non-cellulosici (emicellulosa e pectine) e proteine. La struttura tridimensionale della parete. I componenti strutturali della parete che subiscono modifiche durante il softening: pectine e emicellulosa. Gli enzimi che metabolizzano le pectine: eso-endopoligalatturonasi (PG), pectato liasi (PL), pectinmetilesterasi (PME), b-galattosidasi, altri enzimi. Le caratteristiche dei frutti di pomodoro antisenso per PG. Gli enzimi che metabolizzano l'emicellulosa: endo b-1,4 glucanasi (EGasi), xiloglucan endo-transglicosidasi (XET), glicosidasi, espansine (EXP). Metabolismo delle pectine e emicelluosa con meccanismo non-enzimatico:  radicali dell'ossigeno, il pH dell'apoplasto. Processo di softening: cronologia degli eventi. Softening e turgore cellulare. Casi studio: il pomodoro DFD, i mutanti di pomodoro per la cutina.

Il colore. pigmenti coinvolti: carotenoidi, clorofilla e flavonoidi (antocianine). Carotenoidi: caroteni e xantofille. Biosintesi da mevalonato o da una via indipendente (Rohmer o MEP pathway). Regolazione della biosintesi di licopene in frutti di pomodoro: geni isolati [deoxi-xilulosio 5-P sintasi (DXS) e fitoene sintasi (PSY1)], regolazione della trascrizione. Strategie biotecnologiche per aumentare il contenuto di carotenoidi.

Clorofilla. transizione dei cloroplasti in gerontoplasti durante il catabolismo della clorofilla. Enzimi coinvolti nel catabolismo: clorofillasi, clorofillide b reduttasi, Mg-dechelatasi, feoforbite a ossigenasi (PaO), e RCC reduttasi. I mutanti "stay-green": ruolo della PaO nel catabolismo della clorofilla. Organizzazione intracellulare degli enzimi coinvolti del catabolismo. Catabolismo della clorofilla nei frutti in maturazione.

Flavonoidi (antocianine). le principali antocianidine e antocianine nei frutti. La biosintesi delle antocianine. Altri fattori che influenzano il colore delle antocianine: pH vacuolo, co-pigmentazione, concentrazione antocianine, chelazione con ioni metallici, antico-pigmentazione, proteine di trasporto del tonoplasto. La biosintesi delle antocianine nell'uva. Antocianine nei fiori: la rosa blu.

Produzione di composti volatili. I composti chimici responsabili del sapore: composti volatili e non-volatili. Biosintesi composti volatili: metabolismo degli acidi grassi (b-ossidazione, la via della lipossigenasi, la biosintesi dei lattoni), metabolismo degli aminoacidi (precursori diretti e indiretti) e dei carboidrati (la via isoprenica).

Processi fisiologici indotti dalla conservazione

Effetti della temperatura, atmosfera controllata e modificata sulla conservazione dei prodotti. Temperatura: effetti delle basse e alte temperature sulla “postharvest-life” dei prodotti. L'addolcimento (cold sweetening) indotto dalle basse temperature in tuberi di patata. Eventi biochimici e molecolari dell'addolcimento. Metodologie alternative per la conservazione dei tuberi di patata: impiego del carvone.

Atmosfera controllata e modificata: effetti della composizione dei gas (O2 e CO2) dell'ambiente di conservazione sulla "postharvest-life" dei prodotti. Effetti dell'atmosfera controllata sul metabolismo respiratorio, sulla sintesi di etilene e sul metabolismo dei prodotti secondari.  Relazione tra Km apparente e “fermentation threshold”; la “safe working atmosphere”.

I prodotti di IV gamma (fresh-cut products)

Tipologie di prodotto. Alterazioni: nel colore, nella consistenza, sviluppo di sapori e odori indesiderati. Alterazioni nel colore: a) degradazione clororofilla, carotenoidi e antocianine; b) inbrunimento enzimatico, enzimi responsabili: PPO, PAL e perossidasi. Controllo dell’imbrunimento enzimatico: metodi chimici e fisici.

Fisiologia della produzione

Lo stato dell'agricoltura mondiale e le strategie future per aumentare la produzione agricola: a) fermare l’espansione dell’agricoltura; b) colmare il divario di produzione fra le aree; c) aumentare l’efficienza delle risorse impiegate; d) incrementare la % di produzione agricola da destinare all’alimentazione umana. Produzione agricola e obiettivi prioritari del miglioramento genetico: aumento dei fattori nutrizionali; resistenza a patogeni (funghi e virus); tolleranza a stress abiotici: siccità, salinità e alte temperature; aumento dell’efficienza fotosintetica. I componenti della produzione genetica potenziale.

Esercitazioni di laboratorio

  1. Determinazione dell'acido ascorbico in tessuti vegetali freschi e bolliti;
  2. Qualità dei prodotti: consistenza, pH e acidità titolabile, solidi solubili;
  3. Determinazione di zuccheri riducenti e di amido in banana in relazione alle condizioni di conservazione;
  4. Determinazione del contenuto di licopene in frutti di pomodoro. Le antocianine dei frutti.
  5. Determinazione del contenuto di fenoli totali con il reagente FOLIN-CIOCALTEU.
  6. Estrazione e determinazione dell’attività di polifenolo ossidasi in banana.
  7. Analisi di metaboliti volatili in frutti di agrumi con la GC-MS: curva di calibrazione con lo standard e determinazione quali-quantitativa;
Syllabus

Introduction

World production of fruit and vegetables: statistical data. The physiology of fruit and vegetables and the need for post-harvest technology.

Chemical characteristics and product quality

Chemical components: water, carbohydrates, proteins, lipids, organic acids, vitamins, mineral salts, volatile compounds and secondary products. Quality of products: destructive and non-destructive methodologies for quality assessment.

Biochemical, physiological and molecular processes of maturation and senescence


The life cycle of products: growth, maturation and senescence. Main changes during the fruit ripening process: carbohydrate and organic acid composition, respiratory metabolism, ethylene production, "softening", color and volatile compounds.


Composition of carbohydrates and organic acids: sugars translocated to the sinks. Metabolism of sugars in sinks. Production of organic acids and their metabolism: role of PEP carboxylase. Case studies (peach and tomato).


Respiratory metabolism: breathing during the life cycle of products. Climacteric and non-climacteric fruits: the physiological bases of the climacteric peak, the function of alternative oxidase. Case studies (apples and tomato).


Ethylene production: Physiological processes induced by ethylene. Synthesis of ethylene during fruit ripening: primary control of synthesis, key enzymes: ACC synthase and ACC oxidase; system I (autoinibitorio) and II (autocatalytic); secondary control of ethylene synthesis; external factors controlling the synthesis of ethylene; relationship between climacteric respiration and ethylene synthesis; ethylene receptors and signal transduction. Aging processes dependent and independent of ethylene in climacteric and non-climacteric fruits. Ethylene and conservation: cyclopropenes, ethylene removal in closed environments, ethylene application. Ethylene and floral senescence.

The "softening": wall composition: cellulose, non-cellulosic polysaccharides (hemicellulose and pectins) and proteins. The three-dimensional structure of the wall. The structural components of the wall that undergo changes during softening: pectin and hemicellulose. The enzymes that metabolize pectins: exo-endopoligalatturonase (PG), pectate lyase (PL), pectinmetylesterase (PME), b-galactosidase. The characteristics of antisense tomato fruit for PG. Enzymes that metabolize hemicellulose. Pectin and hemicellular metabolism with non-enzymatic mechanism: oxygen radicals. Softening process: chronology of events. Softening and cellular turgor. Case studies: the DFD tomato, the cutin tomato mutants.

Color: pigments involved: carotenoids, chlorophyll and flavonoids (anthocyanins). Carotenoids: carotenes and xanthophylls. Biosynthesis from mevalonate or from an independent way (Rohmer or MEP pathway). Regulation of lycopene biosynthesis in tomato fruits: regulation of transcription. Biotechnological strategies to increase carotenoid content.

 

Chlorophyll: transition of chloroplasts into gerontoplasts during chlorophyll catabolism. Enzymes involved in catabolism: chlorophyllase, chlorophyllide b reductase, Mg-dechelatase, oxygenase phosphoritis (PaO), and RCC reductase. The "stay-green" mutants: role of the PaO. Intracellular organization of the enzymes involved in catabolism. Catabolism of chlorophyll in ripening fruits.

Flavonoids: the main anthocyanidins and anthocyanins in the fruits. The biosynthesis of anthocyanins. Other factors that influence the color of anthocyanins: pH vacuole, co-pigmentation, anthocyanin concentration, chelation with metal ions, ancient pigmentation, protein transporting the tonoplast. The biosynthesis of anthocyanins in grapes. Anthocyanins in the flowers: the blue rose.

Production of volatile compounds: The chemical compounds responsible for the taste: volatile and non-volatile compounds. Biosynthesis of volatile compounds: metabolism of fatty acids, metabolism of amino acids and carbohydrates.

 

Physiological processes induced by conservation


Effects of temperature, controlled and modified atmosphere on product conservation.

Temperature: effects of low and high temperatures on the "postharvest-life" of products. Cold sweetening induced by low temperatures in potato tubers. Biochemical and molecular events of sweetening. Alternative methods for the storage of potato tubers: use of the carvone.


Controlled and modified atmosphere: effects of the composition of the gases (O2 and CO2) of the conservation environment on the "postharvest-life" of the products. Effects of the controlled atmosphere on respiratory metabolism, on the synthesis of ethylene and on the metabolism of secondary products. Relationship between apparent Km and "fermentation threshold"; the "safe working atmosphere".


The products of IV gamma (fresh-cut products):product types. Alterations: color, consistency, development of undesired flavors and odors. Alterations in color: a) degradation of chlorophyll, carotenoids and anthocyanins; b) enzymatic browning, responsible enzymes: PPO, PAL and peroxidase. Control of enzymatic browning: chemical and physical methods.

 

Physiology of production


The state of world agriculture and future strategies to increase agricultural production: a) stop the expansion of agriculture; b) closing the production gap between the areas; c) increase the efficiency of the resources used; d) increase the% of agricultural production to be used for human consumption. Agricultural production and priority objectives of genetic improvement: increase in nutritional factors; resistance to pathogens (fungi and viruses); tolerance to abiotic stress: drought, salinity and high temperatures; increase in photosynthetic efficiency. The components of potential genetic production.

 

Laboratory exercises


  1. Determination of ascorbic acid in fresh and boiled plant tissues;
    2. Quality of the products: consistency, pH and titratable acidity, soluble solids;
    3. Determination of reducing sugars and starch in bananas in relation to storage conditions;
    4. Determination of the content of lycopene in tomato fruits. Anthocyanins of fruits.
    5. Determination of total phenol content with FOLIN-CIOCALTEU reagent.
    6. Extraction and determination of polyphenol oxidase activity in banana.
    7. Analysis of volatile metabolites in citrus fruits with GC-MS: calibration curve with the standard and quali-quantitative determination;

 

Bibliografia e materiale didattico

Materiale didattico

  • Materiale didattico delle lezioni fornito dal docente, incluse le schede per le esercitazioni di laboratorio.
  • Wills et al. - Postharvest: an Introduction to the Physiology and Handling of Fruit, Vegetables and Ornamentals. CAB international (2007).
  • Paliyath et - Postharvest biology and technology of fruits, vegetables and flowers. Wiley-Blackwell (2008).
  • Knee M. - Fruit quality and its biological basis. Sheffield Academic Press (2002).
  • Kays and Paull - Postharvest biology. Exon press (2004)
  • Pessarakli M. - Handbook of Plant and Crop Physiology. CRC Press (2014).

 

Bibliography

Teaching materials

  • Teaching material of the lessons provided by the teacher, including the sheets for laboratory exercises
  • Wills et al. - Postharvest: an Introduction to the Physiology and Handling of Fruit, Vegetables and Ornamentals. CAB international (2007).
  • Paliyath et - Postharvest biology and technology of fruits, vegetables and flowers. Wiley-Blackwell (2008).
  • Knee M. - Fruit quality and its biological basis. Sheffield Academic Press (2002).
  • Kays and Paull - Postharvest biology. Exon press (2004)
  • Pessarakli M. - Handbook of Plant and Crop Physiology. CRC Press (2014).
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Modalità d'esame

L'esame può essere sostenuto sia con una prova scritta sia con una prova orale.La prova scritta e orale consistono in una serie di domande inerenti gli argomenti del corso, incluse le esercitazioni di laboratorio. L'esame è superata se si acquisisce una votazione pari a 18/30.

La prova scritta si svolge in un'aula con una durata minima di 2 ore.

Per chi volesse migliorare la valutazione acquisita con la prova scritta, il colloquio verterà su tutto il programma

 

Assessment methods

The exam can be supported either with a written test or an oral test.The written and oral exam consists of a series of questions concerning the topics of the course, including laboratory exercises. The exam is passed if a vote of 18/30 is acquired.

The written test takes place in a classroom with a minimum duration of 2 hours.

For those who want to improve the evalutation acquired with the written test, the interview will focus on the entire program

Ultimo aggiornamento 12/10/2018 10:27