• No results found

Cell wall compositional differences between mealy and non-mealy ‘Forelle’ pear (Pyrus communis L.)

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Cell wall compositional differences between mealy and non-mealy ‘Forelle’ pear (Pyrus communis L.)"

Copied!
174
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

   

Cell

Disse

 wall co

mealy 

ertation pres

omposit

and no

(Pyrus

E sented for th Univ Promot Co‐prom Fa

tional di

n‐mealy

s comm

by  Elke Monika March 2 he degree of at the  versity of Ste ter: Prof. Ma moter: Dr. D aculty of Agr

ifferenc

y ‘Forel

unis L.)

a Crouch  2011 f Doctor of H   ellenbosch  arius Huysam Deirdre Holc riSciences 

ces betw

le’ pear

Horticultura mer roft 

ween 

r  

al Sciences 

(2)

Declaration 

 

By  submitting  this  thesis/dissertation  electronically,  I  declare  that  the  entirety  of  the  work 

contained therein is my own, original work, and that I have not previously in its entirety or in part 

submitted it for obtaining any qualification. 

 

 

Signature:  

 

 

 

 

 

 

Date: December 2010 

Copyright © 2011 Univesity of Stellenbosch

 

 

All rights reserved 

(3)

 

SUMMARY    

Mealiness,  a  soft,  dry  textural  disorder  of  ‘Forelle’  pear  (Pyrus  communis  L.),  is  a  problem  for  the  South  African  fruit  export  industry.  Soft,  dry  textural  disorders  seem  to  be  related  to  changes  in  cell  wall  breakdown.  The  aim  of  this  work  was,  therefore,  to  investigate  the  occurrence  of  mealiness‐associated  changes in the cell wall and elucidate the mechanism by which mealiness occurs in ‘Forelle’ pear, as well as  to characterise cell wall changes occurring during normal ripening.  

Mealy  ‘Forelle’  tissues  had  significantly  lower  total  galacturonic  acids  associated  with  the  middle  lamella  (water‐  and  CDTA‐soluble  fractions).  The  water‐soluble  pectin  of  mealy  tissues  was  depolymerised  at  an  earlier  stage  of  ripening.  The  widespread  disintegration  of  cell‐to‐cell  adhesion  in  mealy  cell  walls  only,  suggests that the middle lamella and the plasmodesmata are more broken down. In mealy ‘Forelle’ tissues  there  was  no  indication  of  less  broken  down  high  molecular  weight  polyuronides  in  the  CDTA  fraction,  normally associated with these dry, soft textures. The pectins from mealy tissues were more broken down  and both mealy and non‐mealy tissue polyuronides depolymerised. Furthermore, there was a lack of light  toluidine  staining  in  the  larger  air  spaces,  which  would  indicate  such  water‐insoluble  pectins.  These  data  suggest  that  the  formation  of  high  molecular  weight  pectate  gels  is  unlikely  in  mealy  ‘Forelle’  pear.  The  slight  increase  in  the  galactose  content  in  mealy  tissues  in  CDTA‐  and  Na2CO3‐soluble  fractions  and  slight 

decrease in the 1 M KOH glycan fraction during later stages of ripening (6+11, 9+7, 9+11; weeks at ‐0.5°C  plus  days  at  15°C)  may  indicate  that  galactose  loosely  interlinked  into  the  glycan  fraction  broke  down  sooner  for  mealy  tissues.  This  didn’t  increase  molecular  size  profiles  in  the  CDTA  fraction.  Arabinose  content  was  slightly  higher  in  the  4 M  KOH  fraction  and  slightly  lower  in  mealy  tissues  of  water‐  and  CDTA fractions. This did not influence the molecular weight of the glycans compared to those in the non‐ mealy tissues. ‘Forelle’ data therefore seem to be more congruent with a decrease in intercellular adhesion  as the mechanism by which mealiness occurs, rather than the formation of high molecular weight pectins  taking up the cellular fluid. 

‘Forelle’  pear  water‐soluble  pectin  content  increases  with  increased  ripening.  High  amounts  of  water‐ soluble  pectin  and  low  amounts  of  Na2CO3‐soluble  pectin  suggests  that  solubilisation  of 

rhamnogalacturonan‐I pectins must have taken place during early ripening (at a fruit firmness of > 4.7 kg  (7.9mm  tip).  Galactose  and  glucose  in  the  pectin  fraction  dramatically  decreased  after  fruit  ripened  to  a  firmness of 4.5 kg, whereafter they remained unchanged. This was also the period in which fruit softened  the most and the biggest increase in pectin water‐solubility occurred. It is not known whether these events  are coincidental, or linked causally. Rhamnose and arabinose extractability increased in the water fraction  and  xylose,  fucose  and  mannose  increased  in  glycan  fractions  with  ripening.  The  biggest  changes  in 

(4)

 

polyuronide  solubilisation  and  depolymerisation  occurred  in  water‐  and  CDTA  fractions  between  storage  and ripening durations of 3+7 (4.7 kg) and 6+4 (2.7 kg).  

OPSOMMING   

Melerigheid, ʼn sagte droë tekstuur afwyking van ‘Forelle’ pere (Pyrus communis L.), is ʼn probleem vir die  Suid  Afrikaanse  vrugte  uitvoerbedryf.  Sagte,  droë  tekstuur  afwykings  blyk  betrekking  te  hê  op  selwandafbraak  veranderinge.  Die  doel  van  die  studie  was  dus  om  die  melerigheid‐geassosieerde  veranderinge  in  die  selwand  te  ondersoek,  sowel  as  om  vas  te  stel  wat  die  meganisme  betrokke  is  by  melerigheid ontwikkeling in ‘Forelle’ pere. Die selwand veranderinge gedurende normale rypwording is ook  gekarakteriseer.  

Melerige  ‘Forelle’  weefsel  het  betekenisvol  laer  totale  galakturoonsuur  wat  geassosieer  is  met  die  middellamella (water‐ en CDTA‐oplosbare fraksies). Die water‐oplosbare pektien van melerige weefsel was  op  ʼn  vroeër  stadium  van  rypwording  gedepolimeriseer.  Die  wydverspreide  disintegrasie  van  sel‐tot‐sel  adhesie, slegs in melerige selwande, dui aan dat die middellamella en die plasmodesmata meer afgebreek  is. Daar is geen indikasie van hoë molekulêre massa poliuroniedes in die CDTA fraksie van melerige ‘Forelle’  weefsel, wat gewoonlik geassosieer word met droë, sagte teksture nie. Die pektiene van melerige weefsel  was meer afgebreek en melerige en nie‐melerige weefsel se poliurone was gedepolimeriseer. Daar was ook  geen ligte toluïdien verkleuring in die groter intersellulêre lugruimtes nie, wat ʼn aanduiding sou wees van  wateronoplosbare  pektiene.  Hierdie  data  dui  dus  aan  dat  die  vorming  van  hoë  molekulêre  pektien  jel  in  melerige  ‘Forelle’  pere  onwaarskynlik  is.  Die  klein  toename  in  galaktose  inhoud  in  die  CDTA‐  en  Na2CO3‐

oplosbare fraksies en ʼn klein afname in 1 M KOH glikaan fraksie tydens latere rypheidstadiums (6+11, 9+7,  9+11;  weke  by  ‐0.5°C  plus  dae  by  15°C),  kan  beteken  dat  los  verweefde  galaktose  in  die  glikaan  fraksie  vroeër  afgebreek  het  in  melerige  weefsels.  Die  molekulêre  grootte  profiel  is  nie  verander  in  die  CDTA  fraksie nie. Arabinose inhoud was bietjie hoër in die 4 M KOH fraksie en bietjie laer in melerige weefsel van  die water‐ en CDTA fraksies. Die molekulêre massa van die glikane was klaarblyklik onbeïnvloed hierdeur.  ‘Forelle’  data  blyk  dus  meer  saam  te  stem  met  die  meganisme  waar  ʼn  vermindering  in  intersellulêre  adhesie ʼn rol speel in melerigheid, eerder as die meganisme waar hoë molekulêre pektien selvloeistowwe  bind.  

‘Forelle’  peer  water‐oplosbare  pektieninhoud  neem  toe  met  toenemende  rypheid.  Hoë  vlakke  water‐ oplosbare  pektien  en  lae  vlakke  Na2CO3‐oplosbare  pektien  stel  voor  dat  die  oplossing  van 

rhamnogalakturonan‐I  pektiene  gedurende  vroeë  rypwording  moes  plaasgevind  het  (by  ʼn  fermheid  van  > 4.7 kg (7.9mm punt). Galaktose en glukose in die pektienfraksie het drasties verminder nadat vrugte tot ʼn  fermheid  van  4.5  kg  ryp  geword  het,  waarna  hul  onveranderd  gebly  het.  Dit  was  ook  die  periode  waarin  vrugte  die  meeste  sag  geword  het  en  die  grootste  toename  in  poliuronied  wateroplosbaarheid  gevind  is.  Dit  is  nie  bekend  of  die  gebeure  toevallig  of  oorsaaklik  verbind  is  nie.  Rhamnose  en  arabinose 

(5)

 

ekstraheerbaarheid het vermeerder in die water fraksies, en xylose, fukose en mannose het vermeerder in  die  glikaan  fraksies  gedurende  rypwording.  Die  grootste  verandering  in  oplosbaarheid  en  depolimerisasie  het plaasgevind in die water‐ en CDTA fraksies tussen opberging en rypwordingsperiodes van 3+7 (4.7 kg)  en 6+4 (2.7 kg). 

(6)

DEDICATION   

This  thesis  is  dedicated  to  my  husband  Ian,  for  his  unfaltering  support  at  work  and  at  home,  positive  criticism, patience and love during this study. To my two boys, Matthew and Karl, for allowing me to do the  work  that  I  love,  for  always  waiting  for  me  with  a  smile  and  unconditional  love,  and  for  allowing  me  to  experience the world again for the first time through their eyes. 

(7)

ACKNOWLEDGEMENTS    I gratefully acknowledge the following institutions and individuals:  The Deciduous Fruit Producers’ Trust / Hortgro Services for funding my research.  Molteno Farm in Elgin for providing the fruit for the study.   The Stellenbosch University and the Department of Horticultural Sciences for letting me further my studies  and career whilst being employed and supporting me during my Ph.D. studies. 

Prof.  Marius  Huysamer,  my  supervisor,  for  technical  advice,  positive  criticism,  patience  throughout  my  studies, but also for the opportunities he created to broaden my knowledge in the field. 

Dr. Deirdre Holcroft, my co‐supervisor, for her encouragement throughout the study and for her infectious  love of postharvest physiology and technology as a field. 

Prof. Karen Theron, the head of the Horticultural Department, for advice and assistance with the statistical  analysis,  for her  support  throughout  the  study,  critical  thinking  and  for  her  attempt,  especially  in  the  beginning  of  the  study,  not  only  to  provide  the  necessary  equipment  but  also  the  necessary  support personnel for these type of laboratory oriented Horticultural studies.   Prof. John Labavitch, Dr. Carl Greve, Dr. David Brummell and Dr. Ann Powell for letting me work in their labs  for three months, teaching me techniques, and for making my stay in UC Davis truly memorable.  Mrs. Nicole Windell, for her commitment and hard work in helping me with extractions and size exclusion  chromatography.  Dr. Elisabeth Rohwer for a critical scientific foundation, her intellectual and technical contributions. 

Mrs.  Susan  Agenbach  for  technical  assistance,  ordering  of  chemicals,  upkeep  of  the  ‐80°C  freezers,  for  organising the moving of the labs from the A.I. Perold Building to the Lombardi Building whilst the  project continued and for making the lab a friendly and safe place for all.  Shantel, Elveresha and Cecelia for helping me with maturity and mealiness evaluations.  Erik van Papendorp, from Hortgro Services, for industry statistics used in the introduction.  Prof. Vernon and Kay Singleton, my American grandparents, for making me feel so welcome during my stay  at UC Davis. I still miss you. 

Doris  Gallemore,  for  providing  me  with  a  loving  home  in  UC  Davis.  The  smartest,  most  interesting  and  youngest 74 year old woman I have met. 

Veerle van Linden, Karin Struijs, David Brummell, Valeriano Dal Cin and Mary Kalamaki, my international lab  friends that made life at UC Davis very special and fun, and supported me throughout my studies.  Prof. Paul Knox for providing me with complementary antibodies to test on ‘Forelle’ pears. 

Dr.  Rob  Smith,  Maritza  Kruger  and  Ben  Loos  for  letting  me  work  in  the  histochemistry  lab  at  the  Department  of  Physiology  and  for  helping  me  with  the  techniques.  These  will  come  in  handy  in  future studies. 

(8)

Dr.  Mohammed  Jaffer,  of  the  Electron  Microscopy  Unit  at  University  of  Cape  Town,  for  teaching  me  embedding, cutting and microscopy techniques and for letting me prepare and observe my samples  in their facility. 

My  colleagues,  friends,  and  in  particular  my  fellow  Ph.D.  students  (Mariana  Jooste,  Paul  Cronjé,  Michael  Schmeisser, Simeon Hengari and Esmé Louw) at the Department of Horticultural Sciences for their  support throughout my studies and for making the Department a great place to work.  My M.Sc. students Tarryn de Beer, Joanna Majoni and Patricia Carmichael for their patience during the last  few months of writing up.   Carin Pienaar and Dianah Daniels (administrative staff) and Gustav Lötze and Tikkie Kerwel (technical staff)  at the Department of Horticultural Sciences, for assistance throughout the study. 

My  friends  throughout  South  Africa,  Heather  and  David  Good,  Tanelle  Schutte,  Julie  Vosloo,  Anke  Aschenborn,  Pastor  Dieter  Reinstorf,  Aby  Louw,  Nikoleen  van  der  Spuy,  Heleen  Destroo,  Carmen  and  Ernst  Eggers,  who  have  always  been  a  great  support  during  this  study,  for  looking  after  the  kids, and some even bringing our family meals whilst I was finishing writing up. Your support has  touched me in such a way that I hope to be able to do the same for you and other people in future.  Desmond and Pat Crouch, my late parents in law, who received me as their own, supported me throughout 

my study and provided me with a family in the Western Cape. 

My  Nelspruit,  Cape  Town  and  Durban  family:  Leon,  Odette  and  Emilia  Martin,  David  Crouch  and  Ariane  Spitaels, and Neil and Tanza Crouch for always being there for our family during the study and for  your academic insights. 

Opa, Jos* und Oma Elli Eggers, dass ihr mir immer während meinem Studium unterstützt habt. 

Vielen Dank Papa Erlo* und Mama Monika Martin, dass ihr mich beigebracht habt mit Fleiβ and die Arbeit  zu  gehen,  zu  beten,  alles  zu  hinterfragen  im  Versuch  die  Funktion  der  Natur  zu  ergründen  und  niemals auf Träume auf zu geben. Vor allem aber dass ihr mir Beistand leistetet und in mir geglaubt  habt.  

 

John 1:3  

(9)

  TABLE OF CONTENTS    DECLARATION      i  SUMMARY      ii  OPSOMMING      iii  DEDICATION      v  ACKNOWLEDGEMENTS      vi  TABLE OF CONTENTS      viii  LIST OF FIGURES      xi  LIST OF TABLES      xiii  GENERAL INTRODUCTION AND OBJECTIVES      1  CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW      7  THE ROLE OF CELL WALLS IN DRY TEXTURAL DISORDERS WITH SPECIAL REFERENCE TO PECTIN   AND MEALINESS  1.1 Introduction       7  1.1.1 Definitions of texture      7  1.1.2 Textural properties      8  1.1.3 Textural properties pertaining to dry textural disorders        8  1.2 Factors influencing textural changes in ripening fruit and other fresh products    9  1.2.1 Factors influencing juiciness      9  1.2.2 Turgor      9  1.2.3 Cell‐to‐cell adhesion      10  1.3 Factors influencing the perception of juiciness      11  1.3.1 The force with which juice is released      11  1.3.2 Cell size and cell wall thickness      11  1.3.3 Cell wall, cytoplasm, and the vacuole ratio      12  1.3.4 Sensory juiciness scale of products in relation to their characteristics    12  1.4 The role of pectin in gelling and dry textures       13  1.4.1 Pectin composition and functions      13  1.4.2 Homogalacturonan      14  1.4.2.1 Middle lamella       14  1.4.2.2 Ca2+‐ cross‐linking      14  1.4.2.3 Degree and distribution of methyl groups        15  1.4.2.4 The influence of cell wall pH      15  1.4.2.5 The influence of cation levels      16  1.4.2.6 The influence of ionic strength       16  1.4.2.7 Homogalacturonan’s involvement in woolliness of peach and nectarine 17  1.4.2.8 In vitro gelling of high methoxy pectins         19  1.4.2.9 Gelling properties of cations other than Ca2+        19  1.4.2.10 Cu2+ involvement in non‐enzymatic breakdown of the cell wall    20  1.4.3 Rhamnogalacturonan‐I      22  1.4.3.1  Structure      22  1.4.3.2  Linkages      22 

(10)

  1.4.3.3  Role of rhamnogalacturonan‐I in texture        23  1.5 Mealiness disorders       25  1.5.1 Peach      25  1.5.2 Pear      26  1.5.3 Plum      28  1.5.4 Apple      29  1.5.5 Tomato       30  1.6 Conclusion      31  1.7 References      32    CHAPTER 2:   COMPARITIVE CELL WALL COMPOSITION OF MEALY AND NON‐MEALY 'FORELLE' PEAR     48  Abstract      48  2.1 Introduction      49  2.2 Materials and Methods      50  2.2.1 Fruit material      50  2.2.2 Maturity and quality indices      50  2.2.3 Isolation of cell wall      51  2.2.4 Total uronic acid and neutral sugar measurements        51  2.2.5 Cell wall fractionation       51  2.2.6 Gas chromatographic analysis of neutral sugars      52  2.2.7 Data Analysis      53  2.3 Results and discussion      53  2.3.1 Maturity indices, extractable juice content and cell wall yield      53  2.3.2 Neutral sugars and uronic acids after sequential extraction.      53  2.3.3 Total cell wall neutral sugar composition      54  2.3.4 Pectin‐ and glycan fraction neutral sugar composition         55  2.4 Conclusion      58  2.5 References      59    CHAPTER 3:   CELL WALL COMPOSITIONAL DIFFERENCES BETWEEN MEALY AND NON‐MEALY 'FORELLE'   PEAR DURING RIPENING.      69  Abstract      69  3.1 Introduction      71  3.2 Materials and method      72  3.2.1 Fruit material      72  3.2.2 Maturity and quality indices      72  3.2.3 Isolation of cell wall      73  3.2.4 Total uronic acid and neutral sugar measurements        73  3.2.5 Cell wall fractionation      74  3.2.6 Gas chromatograpic analysis of neutral sugar      75  3.2.7 Size exclusion chromatography        75  3.2.8 Microscopic preparation      76  3.2.9 Data analysis      76  3.3 Results and discussion      76  3.3.1 Ripening, mealiness and cell wall yield      76  3.3.2 Neutral sugar and uronic acid contents of the total cell wall and cell wall   residues after 4 M KOH extraction.      77  3.3.3 Cell wall fractionation      78  3.3.4 Changes in neutral sugar composition during ripening        80  3.3.4.1  Total cell wall neutral sugar composition         81  3.3.4.2  Pectin fraction neutral sugar composition         81 

(11)

  3.3.4.3  Glycan fraction neutral sugar composition         84  3.3.4.4  Mealy ‘Forelle’ cell wall neutral sugar compositional differences   86  3.3.5 Size exclusion chromatography        89  3.3.5.1  Size exclusion chromatography of water soluble uronic acids    89  3.3.5.2  Size exclusion chromatography of water soluble neutral sugars    90  3.3.5.3  Size exclusion chromatography of CDTA soluble uronic acids    91  3.3.5.4  Size exclusion chromatography of Na2CO3 soluble uronic acids    92  3.3.5.5  Size exclusion chromatography of 1 M KOH soluble neutral sugars   92  3.3.5.6  Size exclusion chromatography of 4 M KOH soluble neutral sugars  93  3.3.6 Light Microscopy      95  3.4 Conclusion      99  3.5 References      102    GENERAL DISCUSSION AND CONCLUSIONS      142       

(12)

LIST OF FIGURES 

GENERAL INTRODUCTION AND OBJECTIVES 

Figure  1:  Total  area  of  blushed‐pear  cultivars  in  South  Africa  from  2000  to  2009.  ……….……….………6  Figure  2:  Blushed‐pear  cultivars  (12.5  kg  carton  equivalents)  exported  from  2003  to 

2010………6   

CHAPTER 2 

Figure  1:  Sequential  extraction  protocol  used  for  the  preparation  and  isolation  of  ‘Forelle’  pear  fruit  cell  wall fractions………64  Figure  2:  Percentage  total  neutral  sugars  (glucose  equivalents)  and  total  uronic  acids  (galacturonic  acid 

equivalents) after sequential extraction (Ext)……….….…65  Figure 3: Neutral sugar composition of total cell walls before (A) and after DMSO treatment (B)………66  Figure 4: Neutral sugar composition of the de‐starched alcohol insoluble residue after sequential extraction 

with H2O (A), CDTA (B) and Na2CO3 (C)………..…67 

Figure  5:  Neutral  sugar  composition  of  the  de‐starched  alcohol  insoluble  residue  after  further  sequential  extraction with 1 M KOH (A) and 4 M KOH (B)………..…..68   

CHAPTER 3 

Figure  1:  Sequential  extraction  protocol  used  for  the  preparation  and  isolation  of  ‘Forelle’  pear  fruit  cell  wall fractions………..…..…109  Figure 2: Percentage total uronic acids after 3, 6 or 9 weeks of storage at ‐0.5°C and ripening for 4, 7 or 11  days at 15°C of mealy (M) and non‐mealy (N) tissues…….………...115  Figure 3: Water soluble uronic acid content as a function of flesh firmness of non‐mealy ‘Forelle’ pears after  3, 6 or 9 weeks of storage at ‐0.5°C and ripening at 15°C for 4, 7, or 11 days……….116 Figure 4: Percentage total neutral sugars (glucose equivalents) after 3, 6 or 9 weeks of storage at ‐0.5°C and  ripening for 4, 7 or 11 days at 15°C of mealy (M) and non‐mealy (N) tissues……….…………117  Figure 5: Percentage total neutral sugars (glucose equivalents) after 3, 6 or 9 weeks of storage at ‐0.5°C and  ripening for 4, 7 or 11 days at 15°C………..……….118  Figure 6: Percentage total neutral sugars (glucose equivalents) after 3, 6 or 9 weeks of storage at ‐0.5°C and  ripening  for  4,  7  or  11  days  at  15°C  of  mealy  (M)  and  non‐mealy  (N)  tissues.  Material  was  sequentially  extracted  with  water,  CDTA,  Na2CO3,  1  M‐  and  4  M  KOH  and  data  were  statistically 

pooled……….………….…….118  Figure 7: Neutral sugar composition (mol%) of ‘Forelle’ pear crude cell wall (CW) (A) and after sequential 

(13)

Figure  8:  Neutral  sugar  composition  (mol%)  after  sequential  extraction  with  Na2CO3 (A),  1  M  KOH  (B),  4 M KOH (C) of mealy (M) and non‐mealy (N) fruit……….………..120  Figure 9: Neutral sugar composition (mol%) of the cell wall residue after sequential extraction of mealy (M)  and non‐mealy (N) fruit. ……….……..121  Figure 10: Arabinose content (mol%) of sequential extracts……….122  Figure 11: Xylose content (mol%) of sequential extracts. ………..123  Figure 12: Galactose content (mol%) of sequential extracts………..124  Figure 13: Rhamnose content (mol%) of sequential extracts……….125  Figure 14: Fucose content (mol%) of sequential extracts………..………..126  Figure 15: Glucose content (mol%) of sequential extracts………...127  Figure 16: Mannose content (mol%) of sequential extracts………..……….128  Figure 17: Rhamnose content (mol%) of pooled sequential extracts………129  Figure 18: Rhamnose content (mol%) after sequential extraction of fruit stored for 3, 6 or 9 weeks at ‐0.5°C  and ripened for 4, 7 or 11 days at 15°C (combined) and mealy (M) and non‐mealy (N) tissues…….130 

Figure 19: Arabinose to galactose ratio of the H2O‐, CDTA‐, Na2CO3‐, 1 M KOH‐, 4 M KOH fractions and the  CW residue after sequential extraction of mealy (M) and non‐mealy (N) fruit………..……….130 

Figure  20:  Arabinose  (Ara)  plus  Galactose  (Gal)  to  Rhamnose  (Rha)  ratio  for  water‐,  CDTA‐  and  Na2CO3‐ soluble pectins of non‐mealy fruit……….………...131  Figure 21: Galactose content (mol%) of the CDTA fraction of fruit stored for 3, 6 or 9 weeks at ‐0.5°C and  ripened for 4, 7 or 11 days at 15°C, for mealy (M) and non‐mealy (N) tissues……….………..132  Figure 22: Galactose content (mol%) of the 1 M KOH fraction of fruit stored for 3, 6 or 9 weeks at ‐0.5°C and  ripened for 4, 7 or 11 days at 15°C (RIP), for mealy (M) and non‐mealy (N) tissues……….….132  Figure 23: Mannose content (mol%) of the crude cell wall (CW) of fruit stored for 3, 6 or 9 weeks at ‐0.5°C  and ripened for 4, 7 or 11 days at 15°C, for mealy (M) and non‐mealy (N) tissues……….……133  Figure 24: Size exclusion chromatography uronic acid profiles as separated on a Sepharose CL‐2B column  for the water fraction of mealy and non‐mealy tissues……….………….134  Figure 25: Size exclusion chromatography neutral sugar profiles as separated on a Sepharose CL‐2B column  for the water fraction of mealy and non‐mealy tissues……….………….135  Figure 26: Size exclusion chromatography profiles as separated on a Sepharose CL‐2B column for the CDTA  fraction of mealy and non‐mealy tissues………136 

Figure  27:  Size  exclusion  chromatography  profiles  as  separated  on  a  Sepharose  CL‐2B  column  for  the  Na2CO3 fraction of mealy and non‐mealy tissues……….…………137 

Figure  28:  Size  exclusion  chromatography  profiles  as  separated  on  a  Sepharose  CL‐6B  column  for  the  1 M KOH fraction of mealy and non‐mealy tissues……….………138 

Figure  29:  Size  exclusion  chromatography  profiles  as  separated  on  a  Sepharose  CL‐6B  column  for  the  4 M KOH fraction of mealy and non‐mealy tissues……….…………..139 

(14)

Figure 30: Light micrographs of transverse sections through tissues of ‘Forelle’ pear (A) vascular bundle (v)  surrounded  by  parenchyma  cells  and  (B)  a  sclereid  cluster  (s)  with  associated  radial  parenchyma  cells (rp) of slightly mealy tissues (4.0 kg)……….140  Figure 31: Light micrographs of transverse sections through firm, non‐ripe tissues of ‘Forelle’ pear (A)  stored for 10 weeks at ‐0.5°C (6.3 kg) and (B) 12 weeks at ‐0.5°C (6.1 kg)………..……….140  Figure 32: Light micrographs of transverse sections through tissues of ‘Forelle’ pear that were ripe, soft and  juicy (A and C) or mealy (B and D) after they were stored for 10 weeks at ‐0.5°C and ripened for 7 (A  and B; 3.1 and 2.6 kg, respectively) or 11 days (C and D; 2.3 and 2.2 kg, respectively) at 15°C….…141    LIST OF TABLES  CHAPTER 2  Table 1: Maturity and quality indices of mealy and non‐mealy ‘Forelle’ pears, stored for 6 weeks at ‐0.5°C  and ripened for 4 days at 15°C……….…………65    CHAPTER 3 

Table 1:  Maturity indices  and mealiness incidence for ‘Forelle’ pear stored at ‐0.5°C and ripened at 15°C.  ……….…110  Table  2:  Percentage  alcohol  insoluble  residue  (AIR)  and  firmness,  measured  for  ‘Forelle’  pears  after  cold  storage for up to 21 weeks at ‐0.5°C……….……111  Table 3: Juice content and fruit firmness after 3, 6 or 9 weeks of storage at ‐0.5°C and ripening for 4, 7 or 11  days at 15°C for mealy (M) and non‐mealy (N) tissues………...111  Table 4: Hue angle and alcohol insoluble residue for ‘Forelle’ pear stored at ‐0.5°C for 3, 6 and 9 weeks plus  ripened for 4, 7 or 11 days at 15°C (indicated as 3+7, 6+4, 6+11, 9+7, 9+11)……….…112  Table  5:  Percentage  total  neutral  sugars  (glucose  equivalents)  and  uronic  acids  (galacturonic  acid 

equivalents)  of  total  cell  walls  (AIR)  plus  cell  wall  residues  after  sequential  extraction.  Presented  means are averaged pooled data of AIR and the CW residue after fruit storage for 3, 6 or 9 weeks at  ‐0.5°C plus ripening for 4, 7 or 11 days at 15°C. Data presented are for mealy (M) and non‐mealy (N)  tissues………..…..112  Table  6:  Percentage  total  neutral  sugars  (glucose  equivalents)  and  uronic  acids  (galacturonic  acid  equivalents)  of  total  cell  walls  (AIR)  and  cell  wall  residues  after  sequential  extraction.  Data  presented are for mealy and non‐mealy tissues. ……….….113  Table  7:  Percentage  total  neutral  sugars  (glucose  equivalents)  of  cell  wall  residues  after  sequential 

extraction. Data presented are for mealy (M) or non‐mealy (N) tissues. ……….……113  Table  8:  Percentage  total  neutral  sugars  (glucose  equivalents)  and  uronic  acids  (galacturonic  acid 

(15)

Table 9: Pr>F for neutral sugar composition (mol%) after sequential extraction of mealy (M) and non‐mealy  (N) tissues (data in Fig. 7, 8 and 9 analysed as one data set)………..………121  Table 10: Pr>F for neutral sugar composition (mol%) after sequential extraction of fruit stored for 3, 6 or 9  weeks  at  ‐0.5°C  and  ripened  for  4,  7  or  11  days  at  15°C  of  mealy  (M)  and  non‐mealy  (N)  tissues  (each fraction in Fig. 7, 8 and 9 was analysed separately)……….………..121  Table 11: Fruit firmness after 3, 6 or 9 weeks of storage at ‐0.5°C and ripening for 4, 7 or 11 days at 15°C as 

main effect (mealy and non‐mealy fruit combined)………..129  Table  12:  Rhamnose  content  (mol  %)  of  mealy  and  non‐mealy  cell  wall  (CW)  tissues,  H2O‐,  CDTA‐and 

1 M KOH fractions and the cell wall residue after sequential extraction (CW Residue)……….….129  Table  13:  Arabinose  and  galactose  values  used  for  arabinose  to  galactose  ratio  (Fig.  19)  for  the  water‐, 

CDTA‐, and Na2CO3 fractions after 9 weeks of storage and 7 days of ripening………..130  Table 14: Arabinose‐, galactose‐, xylose‐ and mannose content (mol %) of mealy and non‐mealy fractions.  Each fraction was statistically evaluated separately……….…………131  Table 15: Arabinose (Ara) plus Galactose (Gal) to Rhamnose (Rha) ratio for mealy and non‐mealy tissues of  the 4 M KOH fraction………..131  Table 16: Fucose content (mol %) of mealy and non‐mealy water‐, Na2CO3‐ and 1 M KOH fractions and the  cell wall (CW) residue after sequential extraction………..132 

(16)

GENERAL INTRODUCTION AND OBJECTIVES    Forelle (Pyrus communis L.) is South Africa’s most important blushed pear cultivar. The blushed pear season  begins with ‘Rosemarie’, followed by ‘Flamingo’ and then ‘Forelle’. ‘Flamingo’, however, is prone to internal  breakdown and ‘Rosemarie’ has a poor blush development. Both these cultivars bear poorly and when crop  load is increased fruit are too small for fresh fruit export purposes. ‘Forelle’ tree plantings and the number  of  cartons  exported  have,  therefore,  increased  annually  (Fig.  1  and  2,  respectively),  whereas  the  corresponding figures for ‘Rosemarie’ and ‘Flamingo’ are much smaller in comparison and have decreased  (Hortgro  Services/Deciduous  Fruit  Producers’  Trust,  2000  to  2009;  Perishable  Products  Export  Control  Board, 2003 to 2009; van Papendorp, 2010).  

‘Forelle’ pears, however, are prone to a dry textural disorder that occurs after storage at low temperatures  plus ripening to firmness  below 4 kg  (39.2 N).  Mealiness has been present for as long as the  cultivar has  been  grown,  but  is  not  well  understood.  In  a  susceptible  season  mealiness  would  typically  increase  as  firmness  gradually  decreases  with  an  increase  in  storage  time  and  ripening  potential  between  6  and  12  weeks after storage at ‐0.5°C, depending on the season and harvest maturity (Carmichael, in press; Martin,  2002). Thereafter, mealiness development decreases as the storage period lengthens prior to ripening. Cold  storage of ‘Forelle’ pears in regular atmosphere can last up to 21 weeks by which time mealiness is very low  during  subsequent  ripening  (Martin,  2002).  The  shortest  recommended  storage  period  of  12  weeks  at  ‐0.5°C is, therefore, mandatory to ensure consistent and acceptable eating quality (Hurndall, 2008).  

Research  into  factors  affecting  mealiness  of  ‘Forelle’  pears  in  South  Africa  include:  effects  of  harvest  maturity  (Carmichael,  in  press;  Martin,  2002,),  climatic  and  ripening  models  (Lötze  and  Bergh,  2004),  intermittent  warming  (de  Vries  and  Hurndall,  1993),  chilling  injury  (Martin,  2002;  Martin  et  al.,  2003),  controlled‐ and regular atmosphere storage intervals (de Vries and Hurndall, 1994; de Vries and Moelich,  1995), ethylene treatments (du Toit et al., 2001; Martin, 2002), pre‐harvest temperatures above 40°C and  overhead  cooling  (Crouch  et  al.,  2004),  and  rootstocks  and  mineral  nutrients  (North  and  Reinten,  2007).  Although,  it  seems  as  if  harvest  maturity  plays  a  role  after  storage  shorter  than  12  weeks  at  ‐0.5°C  (Carmichael,  in  press),  none  of  the  other  factors  seem  to  play  a  role  or  explain  the  development  of  mealiness in ‘Forelle’ pear.  

Factors affecting mealiness in other pears are high seasonal heat units (Hansen, 1961) and high total heat  units six weeks prior to harvest (Mellenthin and Wang, 1976). This does not seem the case in ‘Forelle’ pear  (Crouch et al., 2004). Harvest at a post‐optimum maturity causes mealiness in ‘La France’ and ‘Marguerite  Marillat’  pears  (Murayama  et  al.,  1998).  Prolonged  cold  storage  plays  a  role  in  the  development  of  mealiness  in  ‘d’Anjou’,  ‘La  France’  and  ‘Marguerite  Marillat’  pears  (Chen  et  al.,  1983;  Murayama  et  al., 

(17)

2002). This is unlike ‘Forelle’ pear, where prolonged cold storage reduces mealiness upon ripening (Martin  et al., 2003).  

Many other fruit are also known to develop mealy or dry and soft textures. Woolliness in nectarines and  peaches has been described extensively and generally occurs due to long term storage at low temperature.  Chilling  injury  affects  ethylene  production  (Zhou  et  al.,  2001)  which  in  turn  influences  normal  cell  wall  disassembly (Brummell et al., 2004). This in turn may cause calcium‐pectate gels to form which can take up  cell fluids (Zhou et al., 2000a). More advanced disassembly of the middle lamella in affected fruit further  cause enlarged intercellular air spaces or large air pockets resulting from extensive cell separation (King et  al.,  1989;  Luza  et  al.,  1992;  von  Mollendorff.,  1991).  This  may  lead  to  cell‐to‐cell  sliding,  preventing  cells  from breaking and releasing juice. It is, therefore, suggested that the combination of calcium‐pectate gels  and  cell‐to‐cell  sliding  are  involved  in  the  mechanism  of  peach  mealiness  development  (Brummell  et  al.  2004). Cell wall changes were also noted in chilling injured plum with a dry textural disorder (Manganaris et  al., 2008; Taylor et al., 1994), as well as in grainy kiwifruit and mealy persimmon and tomato fruit (Bauchot  et  al.1999;  Jackman  et  al.,  1992;  Lallu,  1997;  Woolf  et  al.,  1997).  Mealiness  in  apples  has  also  been  associated  with  changes  in  the  cell  wall.  The  mechanism  of  mealiness  development  also  involves  the  dissolution of the middle lamella (due to senescence) which causes cells to part rather than to rupture and  release juice during eating (De Smedt et al., 1998; Harker and Hallet, 1992), without the formation of pectin  gels.  Pear  mealiness  hasn’t  been  studied  as  extensively  as  peach  or  nectarine  woolliness.  However,  pear  mealiness  is  associated  with  low  water‐soluble  pectin,  little  Na2CO3  solubilisation,  although 

depolymerisation  occurred,  limited  depolymerisation  of  glycan  neutral  sugars  and  xyloglucan,  restricted  degradation of cellulose and low endo‐polygalacturonase activity (Hiwasa et al., 2004; Muryama et al., 2002  and 2006). Advanced degradation of pectic substances from the middle lamella has also been reported in  mealy tissues (Yamaki et al., 1983).  

All soft, dry textural disorders, whether induced by chilling injury or other factors, seem to be related to a  difference  in  cell  wall  breakdown  when  compared  to  juicy  fruit.  The  aim  of  this  work  was,  therefore,  to  investigate  the  occurrence  of  mealiness‐associated  changes  in  the  cell  wall  i.e.  solubilisation  and  depolymerisation  of  pectins  and  glycans  as  well  as  cell‐to‐cell  adhesion.  This  would  explain  whether  the  mechanism  of  mealiness  development  in  ‘Forelle’  pear  is  possibly  via  the  formation  of  pectate‐gels  absorbing free juice (Ben‐Arie and Lavee, 1971; von Mollendorff and de Villiers, 1988; Taylor et al., 1993a,b  and  1995;  Zhou  et  al.,  2000a,b),  or  via  extensive  cell  separation,  where  cell‐to‐cell  sliding  prevents  cells  from  breaking  and  releasing  juice  (Harker  and  Hallet,  1992),  or  a  combination  of  both  (Brummell  et  al.,  2004). 

   

(18)

REFERENCES: 

Bauchot,  A.D.,  Hallett,  I.C.,  Redgwell,  R.J.,  Lallu,  N.,  1999.  Cell  wall  properties  of  kiwifruit  affected  by  low  temperature breakdown. Postharvest Biol. Technol. 16, 245‐255. 

Ben‐Arie,  R.  and  Lavee,  S.,  1971.  Pectic  changes  occurring  in  Elberta  peaches  suffering  from  woolly  breakdown. Phytochem. 10, 531‐538. 

Brummell, D.A., Dal Cin, V., Lurie, S., Crisosto, C.H. and Labavitch, J.M., 2004. Cell wall metabolism during  the development of chilling injury in cold‐stored peach fruit: association of mealiness with arrested  disassembly of cell wall pectins. J. Exp. Bot. 55(405), 2041‐2052. 

Carmichael,  P.C.,  in  press.  Predicting  optimum  harvest  time  and  eating  quality  of  Forelle  pears.  Thesis  presented for the degree of Master of Science (Agric) in Horticulture. Department of Horticultural  Sciences, Stellenbosch University. 

Chen,  P.M.,  Mellenthin,  W.M.  and  Borgic,  D.M.,  1983.  Changes  in  ripening  behavior  of  ‘d’Anjou’  pears  (Pyrus communis L.) after cold storage. Scientia Hort. 21, 137‐146. 

Crouch,  E.M.,  Huysamer,  M.H.  and  Holcroft,  D.M.,  2004.  Mealiness  of  ‘Forelle’  pears  –  Quo  Vadis?  Acta  Hort. 671, 369‐376.  De Smedt, V., Pauwels, E., De Baerdemaeker, J., Nikolaï, B., 1998. Microscopic observation of mealiness in  apples: a quantitative approach. Postharvest Biol. Technol. 14, 151‐158.  de Vries, P.J. and Moelich, J., 1995. Shortening the required cold storage period for ‘Forelle’ pears. Unifruco  Research Report 1995, 268‐271.  de Vries, P.J. and Hurndall, R.F., 1994. Maturity parameters and storage regimes to obtain ‘Forelle’ pears of  an acceptable eating quality. Unifruco Research report 1994, 160‐163.  de Vries, P.J. and Hurndall, R.F., 1993. Maturity parameters and storage regimes to obtain ‘Forelle’ pears of  an acceptable eating quality. Unifruco Research Report 1993, 95‐99.  du Toit, P.G., Jacobs, G., Huysamer, M. and Holcroft, D.M., 2001. Exogenously applied ethylene reduces the  cold requirement for ripening of pears (Pyrus communis L.) cv.  Forelle. South African J. Plant Soil  18(4), 147‐153. 

Hansen,  E.,  1961.  Climate  in  relation  to  postharvest  physiological  disorders  of  apples  and  pears.  Proc.  Oregon. Hort. Soc. 53, 54‐58 (Cited by Rease, 1989).  Harker, F.R. and Hallet, I.C., 1992. Physiological changes associated with development of mealiness of apple  fruit during cool storage. HortSci. 27(12), 1291‐1294.  Hiwasa, K., Nakano, R., Hashimoto, A. Matsuzaki, M., Murayama, H. Inaba, A. and Kubo, Y., 2004. European,  Chinese and Japanese pear exhibit differential softening characteristics during ripening. J. Exp. Bot.  55(406), 2281‐2290. 

Hortgro  Services/Deciduous  Fruit  Producers’  Trust,  2000  to  2009.  Key  Deciduous  Fruit  Statistics  2000  to  2009, DFPT tree census. Paarl, South Africa. www.hortgro.co.za 

(19)

Hurndall,  R.F.,  2008.  ‘Forelle’  dispensation  procedures  for  2008  season. http://www.deciduous.co.za  (Accessed 27‐3‐2010).  

Jackman, R.L., Gibson, H.J. and Stanley, D.W., 1992. Effects of chilling injury on tomato fruit texture. Plant  Physiol. 86, 600‐608. 

King,  G.A.,  Henderson,  K.G.  and  Lill,  R.E.,  1989.  Ultrastructural  changes  in  the  nectarine  cell  wall  accompanying ripening and storage in a chilling‐resistant and chilling‐sensitive cultivar. N.Z. J. Crop  Hort. Sci. 17, 337‐344.   Lallu, N., 1997. Low temperature breakdown in kiwi fruit. Acta Hort. 444(2), 579‐584.  Lötze, E. and Bergh, O., 2004. Summary of the quality prediction project results for 2003/04 for pome fruit.  South African Fruit J. 3(5), 28‐29.  Luza, J.G., van Gorsel, R., Polito, V.S. and Kader, A.A., 1992. Chilling injury in peaches: a cytochemical and  ultrastructural cell wall study. J. Amer. Soc. Hort Sci. 117, 114‐118.  Manganaris, G.A., Vicente, A.R., Crisosto, C.H. and Labavitch, J.M., 2008. Cell wall modifications in chilling‐ injured plum fruit (Prunus salicina). Postharvest Biol. Technol. 48, 77‐83.  Martin*, E.M., Crouch, I.J. and Holcroft, D.M., 2003. Ripening and mealiness of ‘Forelle’ pears. Acta Hort.  600, 449‐452 (*Now Crouch). 

Martin*,  E.M.,  2002.  Ripening  responses  of  ‘Forelle’  pear.  Thesis  presented  for  the  degree  of  Master  of  Science (Agric) in Horticulture. Department of Horticultural Sciences, Stellenbosch University (*Now  Crouch). 

Mellenthin,  W.M.  and  Wang,  C.Y.,  1976.  Preharvest  temperatures  in  relation  to  postharvest  quality  of  ‘d’Anjou’ pears. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 101, 302‐305.  

Murayama, H., Katsumata, T., Endou, H., Fukushima, T. and Sakurai, N., 2006. Effect of storage period on  the  molecular  mass  distribution  profile  of  pectic  and  hemicellulosic  polysaccharides  in  pears.  Postharvest Biol. Technol. 40, 141‐148. 

Murayama,  H.,  Katsumata,  T.,  Horiuchi,  O.  and  Fukushima,  T.,  2002.  Relationship  between  fruit  softening  and cell wall polysaccharides in pears after different storage periods. Postharvest Biol. and Technol.  26, 15‐21. 

Murayama, H., Takahashi, T., Honda, R. and Fukushima, T., 1998. Cell wall changes in pear softening on and  off the tree. Postharvest Biol. Technol. 14, 143‐149. 

North,  M.  and  Reinten,  E.,  2007.  Pear  rootstocks  and  planting  systems.  Deciduous  Fruit  Producers  Trust  Annual Report 2007/2008, Project no. 2200009. 

Perishable  Products  Export  Control  Board,  2003  to  2009.  Statistics  on  cartons passed  for  export  per  pear  cultivar.  Montague  Gardens,  Cape  Town,  South  Africa.  www.PPECB.com.  Cited  by:  Hortgro  Services/Deciduous Fruit Producers’ Trust, 2000 to 2009. 

(20)

Taylor,  M.A.,  Rabe,  E.,  Jacobs,  G.  and  Dodd,  M.C.,  1995.  Effect  of  harvest  maturity  on  pectic  substances,  internal conductivity, soluble solids and gel breakdown in cold stored ’Songold’ plums. Postharvest  Biol. and Technol. 5, 285‐294.  Taylor, M.A., Rabe, E., Dodd, M.C. and Jacobs, G., 1994. Effect of storage regimes on pectolytic enzymes,  pectic substances, internal conductivity and gel breakdown in cold stored ‘Songold’ plums. J. Hort.  Sci. 69, 527‐534.  Taylor, M.A., Jacobs, G., Rabe, E. and Dodd, M.C., 1993a. Physiological factors associated with overripeness,  internal breakdown and gel breakdown in plums stored at low temperature. J. Hort. Sci. 68, 825‐ 830.  Taylor, M.A., Rabe, E., Jacobs, G. and Dodd, M.C., 1993b. Physiological and anatomical changes associated  with  ripening  in  the  inner  and  outer  mesocarp  of  cold  stored  ‘Songold’  plums  concomitant  development of internal disorders. J. Hort. Sci. 68, 911‐918. 

van  Papendorp,  E.,  2010.  Value  chain  analyst,  Hortgro  Services,  Paarl,  South  Africa.  Personal  Communication. 

von  Mollendorff,  L.J.,  1991.  Anatomical  and  ultrastructural  study  on  changes  in  mesocarp  tissue  during  storage  and  ripening  of  nectarine.  In:  Post‐Harvest  factors  involved  in  the  development  of  woolliness  in  nectarines  (Prunus  persica).  Chapter  7,  163‐179.  Thesis  presented  for  the  degree  of  Doctor  of  Philosophy  (Agric)  in  Horticulture,  Department  of  Horticultural  Science,  Stellenbosch  University. 

von  Mollendorff,  L.J.,  and  de  Villiers,  O.T.,  1988.  Role  of  pectolytic  enzymes  in  the  development  of  woolliness in peaches. J. Hort. Sci.63, 53‐58. 

Woolf, A.B., MacRae, E.A., Spooner, K.J. and Redgwell, R.J., 1997. Changes to physical properties of the cell  wall  and  polyuronides  in  response  to  heat  treatment  of  ‘Fuyu’  persimmon  that  alleviate  chilling  injury. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 122(5), 698‐702. 

Yamaki, S. Sato Yoshihiko and Machida, Y., 1983. Degrading enzyme activities in mealy fruit and “Ishinashi”  fruit  of  Japanese  pear  (Pyrus  serotina  Rheder  var.  culta  Rehder).  Fruit  Tree  Research  Station  contribution A‐157, 123‐134. Ministries of Agriculture, Forestry and Fisheries, Yatabe, Ibaraki, 305,  Japan.  Zhou, H., Dong, L., Ben‐Arie, R. and Lurie, S., 2001. The role of ethylene in the prevention of chilling injury in  nectarines. J. Plant Physiol. 158, 55‐61.  Zhou, H., Ben‐Arie, R. and Lurie, S., 2000a. Pectin esterase, polygalacturonase and gel formation in peach  fractions. Phytochem. 55, 191‐195.   Zhou, H., Sonego, L., Khalchitski, A., Ben‐Arie, R., Lers, A. and Lurie, S., 2000b. Cell wall enzymes and  cell  wall  changes  in  ‘Flavortop’  nectarines:  mRNA  abundance,  enzyme  activity,  and  changes  in  pectic  and neutral polymers during ripening in woolly fruit. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 125(5), 630‐637. 

(21)

 

Figure  1:  Total  area  of  blushed‐pear  cultivars  in  South  Africa  from  2000  to  2009.  (Hortgro  Services/Deciduous Fruit Producers’ Trust, 2000 to 2009). 

 

 

Figure  2:  Blushed‐pear  cultivars  (12.5  kg  carton  equivalents)  exported  from  2003  to  2010  (Perishable  Products Export Control Board, 2003 to 2009; von Papendorp, 2010).   0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 He ct ar e s Year Forelle Rosemarie Flamingo 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Ca rt o n ex p o rt e d  (m illi o n ) Year Forelle Rosemarie Flamingo

(22)

CHAPTER 1:   LITERATURE REVIEW    THE ROLE OF CELL WALLS IN DRY TEXTURAL DISORDERS WITH SPECIAL REFERENCE TO PECTIN AND  MEALINESS 1.1 Introduction   Consumer acceptance of fresh fruit is dependent on the sensory quality or experience of a certain fruit kind  and  is  influenced  by  what  is  expected  of  a  known  product  (Manning,  2009).  For  most  fruit  the  primary  quality  attributes  are  flavour  and  appearance  together  with  texture  (Lapsley,  1989).  The  importance  of  flavour  and  appearance  (size,  shape  and  colour)  of  fresh  products  is  well  known  and  has  been  studied  extensively. Texture was only later recognized as an important factor of food quality for the consumer (De  Smedt, 2000) and was first described by Matz (1962). Lammertyn et al. (2002) also notes that even though  there  is  a  subconscious  awareness  of  texture,  flavour  very  often  overshadows  texture  at  the  conscious  level.  Szczesniak  (2002)  explains  that  texture  of  a  food  is  taken  for  granted  and  is  not  distinguished  as  a  separate  and  distinct  characteristic.  However,  the  texture  awareness  is  increased  when  expectations  are  violated and unpleasant mouth sensations are experienced. In apple, texture seems to be the predominant  quality attribute, together with flavour and appearance (Lapsley et al., 1992). In pear the overall preference  for consumers is a sweet tasting pear with a strong flavour and a soft, melting, juicy but not mealy texture  (Manning, 2009). This preference can differ with various consumers. Some consumers prefer a firm, juicy  fruit (Hoehn et al., 1996). Eccher Zerbini et al. (2000) states further that texture is a critical feature of pear  and  due  to  its  complex  nature  mechanical  measurements  have  not  been  able  to  replace  the  mouth‐feel  that  consumers  perceive.  Interestingly,  juiciness  was  one  of  the  most  frequently  mentioned  textural  attributes in word association tests conducted in the U.S.A. (Szczesniak and Kleyn, 1963; Szczesniak, 1971)  and in Japan (Yoshikawa et al., 1970).  

1.1.1 Definitions of texture 

There  are  many  definitions  describing  various  aspects  and  attributes  of  texture.  Bourne  (1982)  describes  texture as a group of physical characteristics that arise from the structural elements of food that are sensed  by  the  mouth,  are  related  to  the  deformation,  disintegration,  and  flow  of  food  under  force,  and  are  measured objectively by functions of mass, time and distance. Corey (1970) also gives a detailed definition,  but  aspects  of  his  definition  focus  on  the  human  sensory  characteristics.  He  said  that:  “…the  textural  experience  during  chewing  is  a  dynamic  integration  of  mouth‐feel,  the  prior  tactile  responses  while  handling  the  foodstuff,  and  a  psychic  anticipatory  state  arising  from  the  visible  perception  of  the  food’s  overall  geometry  and  surface  features…”.  Many  definitions  have  been  summarised  in  one  generally  accepted  definition  encompassing  aspects  mentioned  in  the  above  two  definitions.  Important  aspects  of 

(23)

this definition are further described by Szczesniak (2002) of which one has not been mentioned clearly by  the above descriptions (Bourne, 1982; Corey, 1970). This is namely that texture is a sensory property and  therefore  only  a  human  being  can  perceive  it.  The  texture  testing  instruments  can  only  measure  certain  physical parameters which have to be interpreted in terms of sensory perception.  

1.1.2 Textural properties 

Food  textural  properties  are  multi‐dimensional  and  can  also  be  divided  into  mechanical  characteristics,  geometrical characteristics and other characteristics (e.g. moisture and fat content) (Szczesniak, 1963). The  European  pear  fruit  exhibits  all  of  these  characteristics  and  was  given  as  an  example  of  the  above  mentioned classification by Harker et al. (1997a). The mechanical properties are related to the cell strength.  The inherent grittiness is associated with geometric properties of stone cells and the juiciness changes with  fruit  ripening.  A  change  of  a  single  characteristic  can  interfere  with  the  perception  of  the  others,  which  points to the complex nature of texture (Harker et al., 1997a).  

1.1.3 Textural properties pertaining to dry textural disorders 

Various  textural  attributes  can  be  precisely  described  in  order  to  classify  them  correctly.  Some  of  these  attributes pertaining to dry textural disorders are: mealiness, woolliness, flouriness, pastiness, starchiness  and leatheriness. Opposites of these characteristics would be a melting texture and juiciness. Most of these  attributes  are  clearly  defined  with  absent/low  and  extreme/high  reference  standards  in  Harker  et  al.  (1997a).  A  combination  of  textural  attributes  can  be  useful  in  explaining  various  aspects  of  the  texture.  Harker et al. (1997a) used hardness and juiciness as combined attributes, as an example. This was used to  describe the following: a soft and dry banana; hard and dry unripe fruit; hard and juicy apple and a soft and  juicy  peach.  The  complex  nature  of  texture  is  associated  with  the  diversity  of  attributes  needed  to  fully  describe a specific texture at a specific time.  

Dry  textural  disorders  of  fruit  can  be  classified  into  soft,  dry  tissues  or  hard,  dry  tissues.  Mealiness,  woolliness and pastiness fall into the soft category and are normally associated with ripened fruit that have  a dry texture, even though the water content seems to be similar to non‐affected fruit (Ben‐Arie and Lavee,  1971;  Zhou  et  al.,  2000a).  Expressible  juice  is,  however,  negatively  affected  in  these  soft  and  dry  tissues  (Brummell et al., 2004a, Martin, 2002). Gel breakdown and internal browning of plums are also related to  dry,  soft  tissues  (Taylor  et  al.,  1993a,  b).  These  disorders  are  often  related  to  over  maturity  (apples)  (Snowdon,  1990),  post‐optimum  harvest  maturity  (apple,  pear,  plum  gel  breakdown)  (Mitcham  and  Mitchell, 2002; Spotts, 1981; Taylor et al., 1995), long cold storage durations (apple, pear) (Murayama et  al.,  1998;  Snowdon,  1990)  and  chilling  injury  (peach,  nectarine,  plum,  kiwifruit,  tomato  and  melon)  (Bauchot et al., 1999; Brovelli et al., 1998; Brummell et al., 2004a; Fernández‐Trujillo et al., 2008; Hartmann  et al., 1988; Jackman et al., 1992; Lallu, 1997; Taylor et al., 1994; von Mollendorff and de Villiers, 1988a) in  combination  with  pre‐optimum  harvest  maturity  (nectarine,  plum  internal  browning)  (Kotzé  et  al.,  1989; 

(24)

von Mollendorff, 1987). It is also influenced by cultivar (Crisosto et al., 1999; De Smedt, 2000). Leatheriness  is also characterized by a dry texture, but is normally associated with hard or firm and rubbery fruit (Ju and  Ju.,  2000;  McGlasson  et  al.,  2005)  that  does  not  soften  normally  during  ripening.  This  disorder  can  be  related  to  pre‐optimum  harvest  maturity  (pear,  peach)  (Ju  and  Ju,  2000;  Murayama  et  al.,  1998)  or  long  term cold storage (pear, peach, loquat) (Cao et al., 2010a; Brummell et al., 2004a; Wang et al., 1985).  1.2 Factors influencing textural changes in ripening fruit and other fresh products 

Textures  of  fresh  plant  products  are  dependent  on  the  characteristics  of  their  living  cells  (Harker  et  al.,  1997a).  Such  characteristics  would  be  cell  size  and  shape,  cell  wall  thickness  and  strength  (Harker  et  al.,  1997a), cell turgor (Harker and Sutherland 1993; Ilker and Szczesniak, 1990; Szczesniak and Ilker, 1988;) and  starch content (Tucker, 1993) in immature pome fruit and bananas.   1.2.1 Factors influencing juiciness  Szczesniak and Ilker (1988) identified the following factors as prerequisites to juiciness: high water content,  an organized cellular network with proper integrity and turgidity, cell walls mechanically weaker than the  middle lamella, low viscosity and few suspended solids in the expressed liquid. Juicy fruit typically contain  80‐90%  water  (Szczesniak  and  Ilker,  1988).  When  fruit  that  are  typically  juicy  and  non‐juicy  are  classified  according to their water content, apple, grape, honeydew melon, orange, plum, peach and strawberry fall  into the typically juicy category and have a water content of between 81% and 90%. Avocados and bananas  which  are  typically  non‐juicy  have  a  water  content  of  74%  and  76%,  respectively.  How  much  fluid  must,  however, be lost for a product to be perceived as non‐juicy? This value varies considerably for various fruit  types  (Szczesniak  and  Ilker,  1988).  Apples  which  were  juicy  at  85.7%  were  perceived  non‐juicy  at  51.4%.  Juicy cucumbers with a water content  of 92.6% were perceived  non‐juicy  when left with  only 78% water  content. Oranges on the other hand had to lose more than 60% of their water content before they were  classified  non‐juicy.  This  indicates,  therefore,  that  different  fresh  plant  materials  could  lose  different  amounts of water before being perceived as non‐juicy (Szczesniak and Ilker, 1988).  

1.2.2 Turgor 

In all cases of partial water loss in the above mentioned study there was a loss in turgor (Szczesniak and  Ilker,  1988).  For  plant  tissue  to  be  regarded  as  juicy,  the  network  within  which  water  is  held  must  have  integrity and turgor. For example, fruit parenchyma tissue that has been processed has a similar moisture  content to unprocessed tissue, but may not be regarded as juicy but rather as watery or wet (Szczesniak  and Ilker, 1988). This is due to the tissue having lost its turgor. Turgor is maintained by the semi‐permeable  cell membrane and the physical strength of the cell wall. This selective permeability is often lost with fruit  ripening  or  damage  (e.g.  chilling  injury)  which  contributes  to  textural  changes  (Harker  and  Sutherland,  1993; Shackel et al., 1991). Postharvest water loss (Saladié et al., 2007) and the accumulation of osmotic 

(25)

solutes in the cell wall space could also partly contribute to the change in turgor during ripening (Almeida  and  Huber,  1999).  In  contrast,  mealiness  or  woolliness  occurs  when  free  available  juice  levels  decrease  after extended cold storage of late season peaches and nectarines. The juice content of this fruit is similar  to  normally  ripened  fruit,  but  is  not  available  for  the  consumer  to  perceive  during  mastication  (Ben‐Arie  and Lavee, 1971; Zhou et al., 2000a). When free juice percentages in ‘O’Henry’ and ‘Summer Lady’ peaches  declined to 38% and 46%, respectively, it was clear that fruit were mealy (Obenland et al., 2003).  

Turgor pressure in parenchyma cells, however, also generates a tension on the cell walls which tends to pull  cells towards a sphere, the shape of lowest energy and stress on the walls (Jarvis et al., 2003). This in turn  could  cause  cell  separation  which  is  seen  in  fruit  tissues  toward  the  end  of  ripening  or  during  the  development of mealiness (De Smedt, 2000). To withstand this and maintain intercellular adhesion during  cell  growth  and  development  great  intercellular  adhesion  strength  is  necessary  at  the  cell  corners  where  this tension is the greatest (Jarvis, 1998). These areas have reinforcing zones that differ from the rest of the  wall and middle lamella. They carry the turgor‐imposed pressure and are the first line of defense against  cell separation (Parker et al., 2001). An extensin‐2 class of hydroxyproline‐rich glycoprotein has also been  found  exclusively  in  certain  instances  in  the  tricellular  junctions  (Smallwood  et  al.,  1995;  Swords  and  Staehelin,  1993).  Laurenzi  et  al.  (2002)  also  found  this  for  polyamine  oxidases.  These  components  may  function  together  generating  specific  cell  wall  matrix  properties  at  cell  wall  junctions  which  are  currently  unknown (Jarvis et al., 2003).  1.2.3 Cell‐to‐cell adhesion  The manner in which fruit cells bind also plays a role, including cell‐cell adhesion (Brummell et al., 2004a;  De Smedt, 2000) and packing. All fruit flesh is composed of parenchyma cells which have thin, non‐lignified  walls (0.4 μm – 1.0 μm) and a large vacuole that may contain 90% of the water in the cell (Pitt, 1982). The  cells are separated by the middle lamella (Knox, 1992). The strength of the cell wall versus the strength of  the  middle  lamella  largely  determines  the  way  parenchyma  tissue  collapses  during  mastication,  which  influences the way one perceives juiciness. If the cell wall is weaker than the middle lamella, fracture occurs  across the cells. If the cell wall is stronger than the middle lamella, tissue failure will occur between cells  (Szczesniak  and  Ilker,  1988).  In  apple  texture  the  above  mentioned  mechanism  plays  a  role  in  the  perception of juiciness. In firm, juicy fruit the juice is released via breaking of the cell wall rather than the  strong  middle  lamella.  As  senescence  progresses,  the  intercellular  spaces  grow  due  to  weakening  of  the  middle lamella, resulting in low cell‐to‐cell binding. This causes tissue failure to occur in the middle lamella  rather than through the cell wall, which causes no release of cell fluids upon mastication. These tissues are  therefore perceived mealy (De Smedt et al., 1998; Harker and Hallet, 1992). In a peach study, however, the  fracture surfaces of normally ripening and mealy tissues didn’t contain broken cells as was the case in firm  apple. Instead, the cell surface of normally ripened fruit was covered in juice (Harker and Sutherland, 1993).  Harker  et  al.  (1997b)  explained  that  when  fruit  ripen  to  a  soft  texture,  e.g.  peach,  nectarine,  kiwifruit, 

(26)

avocado and strawberry the cells separate rather than break from each other as happens in harder fruit like  apple, and they all have a characteristic juice layer on the fracture surface. The origin of the juice is unclear,  but  could  be  from  the  apoplast  that  is  normally  hydrated,  especially  during  ripening  when  the  higher  membrane permeability plays a role, or from exudation of cellular content caused by the tensile pressure  applied. It is therefore important to consider the relationships between anatomy and cellular construction,  the mechanical and physiological properties as well as the mechanisms of cell failure in evaluating texture.   1.3 Factors influencing the perception of juiciness 

Szczesniak and Ilker (1988) indicated that the common definition of juiciness: “the amount of juice released  on  mastication”  is  too  simplistic  since  several  sensations  are  involved  in  the  oral  perception  of  juiciness.  The  composite  multi‐dimensional  sensational  factors  were  listed  as:  1.  the  force  with  which  the  juice  squirts  out,  2.  the  amount  of  juice  expressed  on  first  chew  and  subsequent  chews,  3.  consistency  of  the  liquid  and  4.  contrast  between  the  liquid  and  the  solid  (or  semi‐solid)  phase  (cellular  debris).  In  addition  factors  that  may  further  influence  the  sensory  perception  of  juiciness  are:  initial  mouth  feel  (wet/dry),  initial  mechanical  properties  (hardness,  crispness,  etc.),  mechanical/geometrical  properties  of  residue  (fibrous, granular or pulpy, etc.), and the effect of saliva production (stimulating, reducing, dehydrating). As  mentioned  before  there  are  many  ways  of  describing  texture  (Harker  et  al.,  1997a)  and  the  types  of  juiciness (Szczesniak and Ilker, 1988). There is, however, no general consensus on how juiciness could  be  expressed quantitatively as one number.  

1.3.1 The force with which juice is released 

The force with which juice squirts out and the amount of juice released upon first chew seemed to be the  most influential factors (Szczesniak and  Ilker, 1988).  Different  tissues, however, react  differently  to these  criteria, but, they also influence perception of juiciness of these different tissues. In pear and orange (and  most  other  fresh  products)  the  amount  of  juice  decreased  with  successive  chews.  In  mushrooms  it  increased,  whereas  watermelons  released  an  almost  constant  amount  of  juice  on  successive  chews.  In  mushrooms  the  increase  can  be  explained  by  not  having  a  defined  cellularity,  but  rather  criss‐crossing  myceliar fibers which have a high structural integrity which is only broken down by successive chewing or  by low temperature heating (Szczesniak and Ilker, 1988). 

1.3.2 Cell size and cell wall thickness 

Szczesniak  and  Ilker  (1988)  noticed  that  cell  size  increased  steadily  with  an  increase  in  perception  of  juiciness (with the exception of tomato and mushroom). Larger cells contain larger vacuoles which release  more  juice  upon  injury.  Cell  wall  thickness  decreased  with  increasing  sensory  juiciness.  The  cell  wall  polymers are more broken with ripening, decreasing their density and, therefore, their strength. Less dense  (and thinner) cell walls break easier, as long as the middle lamella is still intact.  

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

In this study, the intensity data produced by the Terrestrial Laser System (TLS) FARO LS880 is corrected for the distance effect and its relationship with

Nu de totale ophoogfactor voor 2009 bekend is, kunnen voor alle ernstig verkeersgewonden in de LMR van 2009 met een E-code in de standaard- groep de gewichten bepaald worden, op

Meer dan één alternatief bij opgave 4 zou kunnen betekenen dat leerlingen de alternatieven b en c &k goed vinden, geen alternatief kan hier door een rekenfout veroor -

This procedure (see fig. For other potential models no quantum mechanical calculations of have been performed.. If one neglects quantum cor­ rections a rather big

Op 15 november 2011 werd aan het Kapitein Gilsonplein te Aarschot een prospectie met ingreep in de bodem uitgevoerd door ARON bvba, in opdracht van DMI Vastgoed nv. Het terrein,

Zo is het bijvoorbeeld nog steeds niet duidelijk of amyloid plaques die in de hersenen van patiënten met Alzheimer worden gevonden (een) oorzaak van deze ziekte zijn of juist

(e) Hierdie kwalifikasies het alleen vir blankes geg eld. deelgeneem het en was hulle almal bevoeg om die staats- president te kies.. het alle burgers wat

The contact angle then increases when the temperature starts to approach the LCST, coming to the value of 93 ◦ for PNIPAm, 105 ◦ for PNIPAm-g-PMEP 95:5, and 110 ◦ for