Browning and watercore disorders in 'Fuji' apples explored by means of X-ray computed tomography (CT)
Date
2020-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The Fuji apple cultivar occupies 9% of land under apple production in South Africa. To ensure all year-round fruit availability, ‘Fuji’ apples are stored for extended durations. However, ‘Fuji’ apples are prone to internal browning (IB) during storage. IB is characterized by patches of brown flesh in the apple tissue, which makes fruit unmarketable and causes financial losses. Browning symptoms that have been identified in apple cultivars include radial browning, diffuse browning, combination browning, CO2 damage and core-flush. Techniques such as X-ray computed tomography (CT) that can evaluate IB disorders non-destructively are important. This study aimed to explore IB types and watercore in ‘Fuji’ apples quantitatively and qualitatively using X-ray CT.
Exposure of fruit to high CO2 conditions for 3 days after harvest at 21 °C induced IB in the core region of fruit. The construction of porosity maps for intact fruit enabled characterization of tissue structure before and after disorder development. Porosity distribution of ‘Fuji’ was higher in the cortex region compared to the core region. High-resolution X-ray CT scans performed on IB affected and unaffected fruit tissue showed differences in microstructural properties such as porosity, pore size distribution and pore connectivity. Fruit size had a significant effect on the susceptibility of ‘Fuji’ apples to CO2 stress-induced IB. Radial porosity profiles did not differ significantly between fruit that developed IB and fruit that did not develop IB. However, porosity along the axial profile was generally higher for fruit that did not develop IB, particularly in the region between the calyx end and the core region. This was the first X-ray CT study carried out on South African ‘Fuji’ apples to evaluate how fruit microstructural properties relate to the IB types identified under different storage conditions.
A further study was done to determine microstructural properties of watercore affected fruit tissue and the effects on storability of ‘Fuji’ apples. X-ray CT scans showed that fruit tissue with watercore had a significantly low porosity and connectivity of pores. This may have a negative impact on respiratory gas diffusion in the fruit and could increase susceptibility to IB during storage. Furthermore, watercore affected tissue had significantly smaller cells due to plasmolysis.
For long-term storage experiments, it was found that regular atmosphere (RA) stored fruit had a significantly higher incidence of core-flush compared to fruit from controlled atmosphere (CA) and delayed controlled atmosphere (delayed CA) storage. Although CA and delayed CA were effective in reducing core-flush incidence, they both resulted in a significantly higher incidence of radial browning. Fruit with CO2 damage and cavities were also evaluated in this study. CO2 damage was associated with cell damage and increased pore sphericity. All IB types evaluated resulted in an increased tissue porosity and altering of pore sphericity, anisotropy and pore size distribution. IB after short-term exposure to CO2 stress occurred only in the core region while IB types observed after long-term storage occurred in all fruit tissue regions. This study provided unique insights into the microstructural properties of different IB types occurring in ‘Fuji’ apples.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die appel kultivar Fuji beslaan 9% van die area onder appelproduksie in Suid-Afrika. Om die beskikbaarheid van vrugte regdeur die jaar te verseker, word 'Fuji' appels vir lang tydperke gestoor. 'Fuji'-appels is egter geneig tot interne verbruining (IV) tydens opberging. IV word gekenmerk deur areas van bruin vlees in die appelweefsel, maak vrugte onbemarkbaar en veroorsaak dus finansiële verliese. Verbruiningstipes is geïdentifiseer in ander appelkultivars, naamlik radiale verbruining, diffuse verbruining, kombinasieverbruining, CO2-skade en kernblos. Tegnieke soos X-straal-rekenaartomografie (CT) wat IV-afwykings nie vernietigend kan evalueer, is belangrik. Hierdie studie was daarop gemik om kwantitatief en kwalitatief IB-soorte en waterkern in 'Fuji'-appels te ondersoek met behulp van X-straal-CT. Blootstelling aan vrugte aan hoë CO2-vlakke gedurende 3 dae na oes by 21 °C, het IV in die kernweefsel van die vrug veroorsaak. Die opstel van porositeitskaarte vir ongeskonde vrugte, het karakterisering van weefselstruktuur moontlik gemaak voor en na die ontwikkeling van IV verbruining. Porositeitverdeling van 'Fuji' was hoër in die korteksstreek in vergelyking met die kernstreek. Hoë resolusie X-straal CT-skanderings wat op IV-aangetaste en onaangetaste vrugweefsel uitgevoer is, het verskille getoon in mikrostrukturele eienskappe soos porositeit, poriegrootteverdeling en porieverbinding. Vrugtegrootte het 'n beduidende uitwerking gehad op die vatbaarheid van 'Fuji' appels vir CO2-stres geïnduseerde IV. Radiale porositeitsprofiele het nie beduidend verskil, tussen vrugte wat IV ontwikkel het en vrugte wat nie IV ontwikkel het nie. Porositeit langs die aksiale profiel was egter oor die algemeen hoër vir vrugte wat nie IV ontwikkel het nie, veral in die gebied tussen die kelkent en die kernweefsel. Dit is die eerste X-straal CT-studie wat op Suid-Afrikaanse 'Fuji'-appels uitgevoer is, met die doel om te evalueer hoe mikrostrukturele eienskappe van vrugte verband hou met die soorte IV wat onder verskillende bergingstoestande geïdentifiseer word. ‘n Verdere studie is gedoen om mikrostrukturele-eienskappe van waterkern voorkoms en berging van' Fuji 'appels te bepaal. X-straal CT-skanderings het getoon dat vrugteweefsel met waterkern 'n beduidende laer porositeit en konneksie van porieë het. Dit mag 'n beduidende impak hê op die verspreiding van gaswisseling in die vrugte en mag dus die vatbaarheid vir IV tydens opberging verhoog. Verder het weefsel wat deur waterkern aangetas is, aansienlik kleiner selle gehad as gevolg van plasmolise. Vir langtermyn-opbergingseksperimente is gevind dat gewone atmosfeer (GA) gestoorde vrugte 'n beduidende hoër voorkoms van kernblos het in vergelyking met vrugte uit beheerde atmosfeer (BA) en vertraagde beheerde atmosfeer (vertraagde BA) opberging. Alhoewel BA en vertraagde BA effektief was om kernblos voorkoms te verminder, het albei gelei tot 'n aansienlike hoër voorkoms van radiale verbruining. Vrugte met CO2-skade en holtes is ook in hierdie studie geëvalueer. CO2-skade was geassosieer met selbeskadiging en verhoogde porie-sferisiteit. Al die IV-soorte wat geëvalueer is, het gelei tot 'n verhoogde weefselporeusheid en die verandering van porie-sferisiteit, anisotropie en poriegrootteverdeling. IV na korttermynblootstelling aan CO2-stres het slegs in die kernstreek voorgekom, terwyl IV-tipes waargeneem na langtermynopberging in alle vrugteweefselstreke voorgekom het. Hierdie studie het unieke insigte gelewer oor die mikrostrukturele-eienskappe van verskillende verbruiningstipes wat in 'Fuji'-appels voorkom.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die appel kultivar Fuji beslaan 9% van die area onder appelproduksie in Suid-Afrika. Om die beskikbaarheid van vrugte regdeur die jaar te verseker, word 'Fuji' appels vir lang tydperke gestoor. 'Fuji'-appels is egter geneig tot interne verbruining (IV) tydens opberging. IV word gekenmerk deur areas van bruin vlees in die appelweefsel, maak vrugte onbemarkbaar en veroorsaak dus finansiële verliese. Verbruiningstipes is geïdentifiseer in ander appelkultivars, naamlik radiale verbruining, diffuse verbruining, kombinasieverbruining, CO2-skade en kernblos. Tegnieke soos X-straal-rekenaartomografie (CT) wat IV-afwykings nie vernietigend kan evalueer, is belangrik. Hierdie studie was daarop gemik om kwantitatief en kwalitatief IB-soorte en waterkern in 'Fuji'-appels te ondersoek met behulp van X-straal-CT. Blootstelling aan vrugte aan hoë CO2-vlakke gedurende 3 dae na oes by 21 °C, het IV in die kernweefsel van die vrug veroorsaak. Die opstel van porositeitskaarte vir ongeskonde vrugte, het karakterisering van weefselstruktuur moontlik gemaak voor en na die ontwikkeling van IV verbruining. Porositeitverdeling van 'Fuji' was hoër in die korteksstreek in vergelyking met die kernstreek. Hoë resolusie X-straal CT-skanderings wat op IV-aangetaste en onaangetaste vrugweefsel uitgevoer is, het verskille getoon in mikrostrukturele eienskappe soos porositeit, poriegrootteverdeling en porieverbinding. Vrugtegrootte het 'n beduidende uitwerking gehad op die vatbaarheid van 'Fuji' appels vir CO2-stres geïnduseerde IV. Radiale porositeitsprofiele het nie beduidend verskil, tussen vrugte wat IV ontwikkel het en vrugte wat nie IV ontwikkel het nie. Porositeit langs die aksiale profiel was egter oor die algemeen hoër vir vrugte wat nie IV ontwikkel het nie, veral in die gebied tussen die kelkent en die kernweefsel. Dit is die eerste X-straal CT-studie wat op Suid-Afrikaanse 'Fuji'-appels uitgevoer is, met die doel om te evalueer hoe mikrostrukturele eienskappe van vrugte verband hou met die soorte IV wat onder verskillende bergingstoestande geïdentifiseer word. ‘n Verdere studie is gedoen om mikrostrukturele-eienskappe van waterkern voorkoms en berging van' Fuji 'appels te bepaal. X-straal CT-skanderings het getoon dat vrugteweefsel met waterkern 'n beduidende laer porositeit en konneksie van porieë het. Dit mag 'n beduidende impak hê op die verspreiding van gaswisseling in die vrugte en mag dus die vatbaarheid vir IV tydens opberging verhoog. Verder het weefsel wat deur waterkern aangetas is, aansienlik kleiner selle gehad as gevolg van plasmolise. Vir langtermyn-opbergingseksperimente is gevind dat gewone atmosfeer (GA) gestoorde vrugte 'n beduidende hoër voorkoms van kernblos het in vergelyking met vrugte uit beheerde atmosfeer (BA) en vertraagde beheerde atmosfeer (vertraagde BA) opberging. Alhoewel BA en vertraagde BA effektief was om kernblos voorkoms te verminder, het albei gelei tot 'n aansienlike hoër voorkoms van radiale verbruining. Vrugte met CO2-skade en holtes is ook in hierdie studie geëvalueer. CO2-skade was geassosieer met selbeskadiging en verhoogde porie-sferisiteit. Al die IV-soorte wat geëvalueer is, het gelei tot 'n verhoogde weefselporeusheid en die verandering van porie-sferisiteit, anisotropie en poriegrootteverdeling. IV na korttermynblootstelling aan CO2-stres het slegs in die kernstreek voorgekom, terwyl IV-tipes waargeneem na langtermynopberging in alle vrugteweefselstreke voorgekom het. Hierdie studie het unieke insigte gelewer oor die mikrostrukturele-eienskappe van verskillende verbruiningstipes wat in 'Fuji'-appels voorkom.
Description
Thesis (PhDAgric)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Fuji apples, Apples, Apples -- Storage -- Diseases and injuries -- Prevention, Apple industry -- South Africa, Apples -- Physiology, Apples -- Storage -- Effect of gases on, Computed Tomography, UCTD