Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8313
Main Title: Photocatalysis and vacuum ultraviolet light photolysis as ethylene removal techniques for potential application in fruit storage
Translated Title: Photokatalyse und Vakuum-Ultraviolettlicht-Photolyse als Verfahren zur Entfernung von Ethylen für eine mögliche Anwendung bei der Lagerung von Obst
Author(s): Pathak, Namrata
Advisor(s): Rauh, Cornelia
Referee(s): Rauh, Cornelia
Schmidt, Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Most fresh fruit and vegetables are highly perishable in nature and contribute to the highest percentage of food loss in the world annually (45%). Ethylene removal has been identified as an important postharvest strategy to reduce fruit and vegetable losses. The gaseous phytohormone ethylene, which is involved in the control of plant development, is produced in varying quantities by fruit and vegetables. In these produce, ethylene imparts many beneficial traits such as development of characteristic colour, taste, and flavour. However, ethylene exposure also accelerates ripening and senescence, which may result in pronounced quality losses. Removal of ethylene in and around these commodities can slow down metabolic processes, and thus can potentially extend their storage life. Conventional ethylene removal techniques (such as potassium permanganate, adsorbers, ozone, thermal catalytic units, etc.), may suffer from certain limitations including rapid saturation, need for frequent replacement, additional waste disposal requirement for end products, toxicity, or high costs. To address these limitations, the main aim of this study was to investigate two non–conventional techniques of ethylene removal, i.e. photocatalytic oxidation (PCO) and vacuum ultraviolet (VUV) radiation photolysis for application in fruit and vegetable storage. The study also aimed at understanding the effects of process parameters (such as flowrate, lamp power and in case of PCO catalyst area), and storage parameters, relevant in practical fruit and vegetable storage (such as temperature, humidity and oxygen concentration), on the ethylene removal efficiency of the two techniques. To achieve the set goal, PCO and VUV reactors were developed, which were principally based on UV lamps with emission maxima at 254 nm and 254+185 nm, respectively. In case of PCO reactor, titanium dioxide (TiO2) coated onto glass slides was used as a catalyst. These reactors were designed as filtration devices to remove ethylene from the air present in fruit and vegetables storage areas. To carry out an in-depth study of the aforementioned techniques, several experiments were conducted in batch reactors as well as in continuous flow through the reactors. Experiments at varying ethylene concentrations were performed to elucidate the kinetics of ethylene oxidation reactions. Short-term fruit storage studies were conducted by connecting the reactors to fruit storage areas with the help of an air pump and the impact on fruit physiology and quality was assessed. The results showed that the efficiency of the two considered techniques depended on the initial ethylene concentration, and at low ethylene concentration, the removal rates were slower. It was observed that slower flow rates provided more time for reaction to occur, while higher lamp power resulted in the production of a higher number of oxidizing species thereby enhancing ethylene removal in both cases. Furthermore, oxygen was found to favour ethylene removal in both processes. In contrast, relative humidity adversely affected the ethylene removal efficiency of PCO but showed a beneficial impact in VUV photolysis. This suggests that hydroxyl radicals obtained by dissociation of water molecules were the dominant oxidizing species in VUV photolysis. Low temperature seemed to adversely affect the efficiency of VUV photolysis, which was not the case in PCO. Overall, the reaction rates were found to be much higher for VUV photolysis than for PCO. However, ozone was produced as a by-product in VUV photolysis, thus use of an effective ozone scrubber coupled with VUV photolysis-based filter is recommended. The storage studies showed that both techniques could effectively reduce ethylene concentration generated under fruit storage conditions. None of the two techniques exhibited detrimental effects on fruit physiology and visual quality during short-term storage (up to 10 d). The potential of PCO and VUV photolysis for ethylene removal is reflected in the different parts of this thesis. The experimental data obtained from this work deepened the understanding of how process parameters and fruit storage conditions affected the ethylene removal capacity of the PCO and VUV photolysis techniques. The shortcomings of these processes and, thus, the points of improvement were also highlighted. These results provide substantial contributions to the scientific knowledge on ethylene management as well as to the horticultural industry by aiding in the development of efficient ultraviolet light-based ethylene removing systems. For future perspectives, in-depth study into the impact of both these techniques on fruit quality and safety (flavour, nutritive properties, microbiology) should be done, especially in long term storage.
Frisches Obst und Gemüse ist von Natur aus leichtverderblich und trägt jährlich zum höchsten prozentualen Anteil (45%) der Nahrungsmittelverluste in der Welt bei. Das Entfernen von Ethylen wurde als eine wichtige Nachernte-Strategie zur Verringerung von Obst- und Gemüseverlusten identifiziert. Das gasförmige Phytohormon Ethylen ist an der Kontrolle der Pflanzenentwicklung beteiligt und wird von den verschiedenen Obst- und Gemüsesorten in unterschiedlichen Mengen produziert. Bei vielen gartenbaulichen Erzeugnissen unterstützt es die Ausbildung positiver Produkteigenschaften, wie der charakteristischen Farbe, des Geruchs und des Geschmacks. In manchen Produkten kann die Ethylenexposition allerdings auch Reifung und Seneszenz beschleunigen und so zu deutlichen Qualitätsverlusten führen. Entfernt man das Ethylen in und um diese Güter, verlangsamt man deren Stoffwechselprozesse und erhöht damit deren Lagerfähigkeit. Hauptziel dieser Studie war es deshalb zwei nicht-konventionelle Methoden zur Entfernung von Ethylen in der Obst- und Gemüselagerung, i) photokatalytische Oxidation (PCO) und ii) Vakuum-Ultraviolett (VUV)-Strahlungs-Photolyse, zu untersuchen und zu optimieren. Die Studie vertieft auch das Verständnis der Auswirkungen von praxisrelevanten Prozess- (Durchflussrate, Lampenleistung und, nur bei PCO, Katalysatorfläche) und Lagerungsparametern (Temperatur, Feuchtigkeit und Sauerstoffkonzentration) auf die jeweilige Effizienz der Ethylenentfernung der zwei Techniken. Um die gesetzten Ziele zu erreichen, wurden PCO- und VUV-Reaktoren entwickelt, die hauptsächlich auf UV-Lampen mit Emissionsmaxima von 254 nm bzw. 254 + 185 nm basieren. Im Falle des PCO-Reaktors wurde auf Glasobjektträger aufgetragenes Titandioxid (TiO2) als Katalysator verwendet. Die Reaktoren wurden als Filtereinheiten entwickelt, die das Ethylen aus der Luft in Obst- und Gemüselager entfernen. Um diese beiden Prozesse eingehend zu untersuchen, wurden Experimente sowohl in Batch-Reaktoren als auch in kontinuierlichem Durchfluss-Reaktoren durchgeführt. Dabei wurden unterschiedliche Ethylenkonzentrationen verwendet, um die Kinetik der Ethylenoxidation aufzuklären. Um die Auswirkungen der Methoden auf die Fruchtphysiologie und -qualität bewertet zu können, wurden weiterhin Kurzzeit-Lagerversuche durchgeführt, bei denen die Reaktoren mit Hilfe einer Umlaufpumpe an die Lagercontainer angeschlossen waren. Die Ergebnisse zeigten, dass die Effektivität beider Methoden von der Ethylenausgangskonzentration abhingen. Bei niedrigen Ethylenanfangskonzentrationen waren die Entfernungsraten auch immer gering. Niedrige Durchflussraten verlängerte die Reaktionszeit, während hohe Lampenleistungen die Menge an oxidierenden Spezies erhöhte und so immer die Effizienz der Ethylenentfernung verstärkt. Darüber hinaus begünstigten hohe Sauerstoffkonzentrationen bei beiden Prozessen die Ethylenentfernung. Im Gegensatz dazu verringerte eine hohe relative Luftfeuchtigkeit die Effizienz der Ethylenentfernung bei der PCO, erhöhte sie jedoch bei der VUV-Photolyse. Dieses Phänomen legt nahe, dass Hydroxylradikale, die durch Dissoziation von Wassermolekülen entstehen, die dominierende reaktive oxidative Spezies in der VUV-Photolyse waren. Niedrige Temperaturen schienen die Effizienz der VUV-Photolyse, aber nicht der PCO, negativ zu beeinflussen. Insgesamt waren die Reaktionsraten bei der VUV-Photolyse viel höher als bei der PCO. Bei der VUV-Photolyse wurde jedoch Ozon als Nebenprodukt erzeugt, weshalb hier zusätzlich die Verwendung eines effektiven Ozonwäschers empfohlen wird. Die Lagerstudien zeigten, dass beide Techniken die Ethylenmengen, die unter den Lagerbedingungen von den Früchten erzeugt werden, effektiv reduzieren können. Bei einer Kurzzeitlagerung wirkte sich keine der beiden Techniken nachteilig auf Physiologie und visuelle Qualität der untersuchten Früchte aus. Das entsprechende Potenzial von PCO und VUV zur Entfernung von Ethylen wird in den verschiedenen Teilen dieser Dissertation aufgezeigt, analysiert und umfassend bewertet. Die in dieser Arbeit gewonnen experimentellen Daten vertiefen somit das Verständnis der Einflüsse von Prozessparametern bzw. von Lagerbedingungen von Früchten auf die jeweilige Kapazität der Ethylenentfernung von PCO bzw. VUV-Photolyse. Die potentiellen Nachteile der jeweiligen Prozesse sowie die damit verbundene notwendigen Verbesserungen wurden ebenfalls evaluiert. Diese wissenschaftlichen Ergebnisse liefern somit einen wesentlichen Beitrag zu der Entwicklung effizienter, auf ultraviolettem Licht basierender Ethylenentfernungssysteme und helfen so entscheidend mit, das Ethylenmanagements in den Nachernteketten gartenbaulicher Produkte deutlich und praxisnah zur verbessern. Perspektivisch sollten aber mögliche Auswirkungen der beiden Techniken auf Fruchtqualität und -sicherheit (Geschmack, Nährstoffeigenschaften, Mikrobiologie), insbesondere bei Langzeitlagerung, intensiv untersucht werden.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9233
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8313
Exam Date: 18-Dec-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 29-Apr-2019
DDC Class: 664 Lebensmitteltechnologie
Subject(s): postharvest
titanium dioxide
fruit
vegetables
Nachernte
Titandioxid
Obst
Gemüse
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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