สภาพบรรยากาศควบคุม (Controlled Atmosphere, CA) และ สภาพบรรยากาศดัดแปลง (Modified Atmosphere, MA)

เป็น supplement technology ในระหว่างการขนส่ง การเก็บรักษาระยะสั้น (short-term storage) หรือการเก็บรักษาระยะยาว (long-term storage) ในผักและผลไม้บางชนิด Both CA/MA เป็นสภาพบรรยากาศรอบ ๆ ตัวผลิตผลที่ผิดปกติไปจากสภาพบรรยากาศปกติ ซึ่งมี 78.09% N, 20.95% O2, 0.93% argon, 0.03% CO2 โดยทั่วไป CA/MA คือ การเพิ่มปริมาณ CO2 >3% และลด O2 <5% CA เป็นสภาพบรรยากาศควบคุมที่กำหนดระดับของ O2 และ CO2 ในห้องเก็บ หรือ container หรือ cargo ไว้อย่างแน่นอน MA เป็นสภาพบรรยากาศดัดแปลงที่ระดับของ O2 และ CO2 กำหนดแน่นอนยากกว่าขึ้นอยู่กับตัวผลิตผลและ container หรือ packaging ที่ใช้

ตัวอย่างผักและผลไม้สดที่เก็บระยะยาวภายใต้ CA ระยะเวลาเก็บรักษา ผลิตผล >12 เดือน 6-12 เดือน 3-6 เดือน 1-3 เดือน Nuts ผักและผลไม้ตากแห้ง Apples (บางพันธุ์), pears กะหล่ำปลี กีวี Asian pears กล้วย cherry องุ่น มะม่วง พลับ

ตัวอย่างการใช้ CA ในการเก็บรักษาระยะสั้นและระหว่างการขนส่ง ผลิตผล ชะลอการสุกและลดอาการ chilling injury ลดการเน่าเสีย รักษาความสดและคุณภาพ - กล้วย มะม่วง แตงต่างๆ มะละกอ มะเขือเทศ - องุ่น, strawberry, cherry, berry อื่นๆ - หน่อไม้ฝรั่ง, broccoli, lettuce, minimally-processed products

ผลของ CA ผลกระทบในด้านบวก ชะลอการสุก (ripening) และชะลอการเสื่อมสภาพ (senescence) โดย ลดอัตราการหายใจ ลดการผลิต ethylene ลดการอ่อนนิ่ม (softening) และการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบภายใน ลดการตอบสนองต่อ ethylene ควบคุมการเน่าเสีย เชื้อโรคบางอย่าง และอาการผิดปกติอื่นๆ ควบคุมแมลงหลังการเก็บเกี่ยว

ผลของ CA (ต่อ) ผลกระทบในด้านลบ เกิดการสุกที่ผิดปกติ (irregular ripening) เกิด off-odors หรือ off-flavor ได้ง่ายถ้าเกิดการหายใจแบบไม่ใช้ O2 (anaerobic respiration) ผลิตผลเน่าเสียได้ง่าย และอาการผิดปกติต่าง ๆ เพิ่มขึ้น เช่น ไส้เน่า การเกิด browning ของ tissue กระตุ้นการงอกของต้นหรือยับยั้งการสร้างชั้น periderm กรณี root vegetables

กลไกในการทำงาน Low O2 effects ลดอัตราการหายใจโดยการลดการทำงานของ cytochrome oxidase ใน ETC ยับยั้งการผลิตและการทำงานของ ethylene และการสุกของผล เกิดการหายใจแบบไม่ใช้ O2 (กรณีที่ต่ำเกินไป) ดังนั้น O2~1-3% ปลอดภัย High CO2 effects ลดการทำงานของ ethylene (CO2 is a competitive inhibitor of ethylene.) ลดอัตราการหายใจแต่ถ้าสูงกว่า 20% เกิดการหายใจแบบไม่ใช้ O2

Supplement gas ตัวอื่น ๆ ที่ใช้ CO 1-5% ลดการเกิด browning ใน fresh-cut products CO 5-10% ลดการเกิดโรคและการเน่าเสีย Superatmospheric O2 (>20% - 80%)

ระดับความทนทานต่อ CA/MA ของผักและผลไม้ Fresh-cuts Fruit

วิธีการที่ใช้ในการดัดแปลงบรรยากาศ 1. Atmosphere generators O2 control ใช้ purge system โดย generator การแทนที่อากาศในห้องเก็บด้วยระดับ O2 ที่ต้องการ หรือใช้ nitrogen เข้าแทนที่ O2 ในห้องเก็บ หรือถุงบรรจุ CO2 control ใช้ CO2 จากถังก๊าซ หรือ dry ice ระหว่างการขนส่ง ใช้ CO2 scrubber เช่น sodium hydroxide, น้ำ, activated charcoal, hydrated lime (12 kg ต่อผลิตผล 1 ตัน) CO (1-10%) Ethylene removal Ethylene absorbers (potassium permanganate ร่วมกับ activated charcoal) Ozone, catalytic burner, ventilation

2. Hypobaric or low-pressure system (LPS) การลดความดันภายใต้สภาวะสุญญากาศ (vacuum) ทำให้ partial pressure ของก๊าซลดต่ำลง และทำให้ volatile รวมถึง ethylene สามารถระเหยออกมาได้ง่ายขึ้น เน้นที่การควบคุมปริมาณ O2 ให้อยู่ในระดับต่ำ ใช้ร่วมกับ CO2 หรือ CO ยาก 3. Commodity-generated modified atmosphere เพิ่ม CO2 และลด O2 โดยใช้การหายใจของผลิตผลและการใช้ restricted air-exchange barriers (ดูภาพประกอบ) ใช้ร่วมกับ scrubbers ได้

ใช้ห้องเย็นที่ปิดสนิท Plastic film wraps หรือถุง ใช้ polyethylene liner ในกล่องบรรจุ Plastic cover ปรับระบบการหมุนเวียนและถ่ายเทอากาศในห้องเย็น ใช้ waxes หรือ surface coatings Plastic cover with diffusion windows ข้อเสียของวิธีนี้คือ ช้า...ในการปรับสภาพบรรยากาศ

Gas diffusion ของผลิตผล

Gas Diffusion between External vs. Internal Atmosphere ก๊าซสามารถผ่านเข้าออกผิวของผลิตผลได้ทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนระหว่างภายในและภายนอกผลิตผล อัตราการผ่านเข้าออกขึ้นอยู่กับอัตราการผลิตและการอนุญาตให้ก๊าซผ่านของโครงสร้างของผิวผลิตผล (dermal system) ดังนั้นการเพิ่ม barrier (เช่น เคลือบผิว (waxing/coating) หรือการห่อหุ้มด้วยพลาสติก) จะทำให้มีการเพิ่มขึ้นของก๊าซอยู่ภายในจนถึงระดับที่สามารถสร้างสภาวะสมดุล (equilibrium) ใหม่ คือ อัตราการผลิตภายในเท่ากับอัตราที่ระเหยออกไปจากผลิตผล

Gas Diffusion (cont.) อัตราการเคลื่อนที่ของก๊าซระหว่างภายในกับภายนอกผลิตผลขึ้นอยู่กับ: Surface to volume ratio แรงต้านของการผ่านเข้าออก (ขนาดและจำนวนปากใบ (stomata), ช่องเปิด (lenticels), โครงสร้างของ cuticle, และการแตกของผิวผลิตผล) อัตราการผลิตก๊าซนั้น ๆ ของผลิตผล องค์ประกอบของบรรยากาศ

4. Atmospheres during transit MA ใน containers เช่น ระบบ ‘Tectrol system’ ของบริษัท TransFresh Corp. ในตู้ container ของรถไฟ รถบรรทุก และเรือเดินทะเล ใช้ระบบเติม nitrogen เพื่อลด O2 มีระบบเติม CO2 และ CO บวกกับ scrubbers สำหรับ CO2 และ ethylene MA โดยห่อหุ้มด้วย polyethylene plastic ทั้ง pellet หรือ stack ปิดสนิทด้วยเทปหรือความร้อน และเติมก๊าซตามระดับที่ต้องการ ใช้กับ strawberry, cherry เป็นต้น (ดูรูป) MA สำหรับแต่ละ unit ของ shipping container ใช้การหายใจของผลิตผลเป็นตัวปรับบรรยากาศ เช่น การใช้ polyethylene liner ในกล่องบรรจุ cherry หรือ polyethylene bags ในกล้วย (Bananavac system)

CA ใน strawberry

Controlled atmosphere (CA) in Strawberry

5. Modified atmosphere packaging (MAP) Commodity-generated or passive MA ใช้ plastic film ที่เหมาะสมกับอัตราการหายใจของผักและผลไม้แต่ละชนิด โดยอนุญาตให้ O2 เข้าไป และ CO2 ออกมาจากตัวผลิตผลในระดับที่เหมาะสม การปรับสภาพบรรยากาศภายในจะช้ากว่า Active MA ทำโดยการดูดอากาศออกจากถุงบรรจุโดยระบบ vacuum แล้วเติมก๊าซหรือส่วนผสมของก๊าซที่เหมาะสมเข้าไปใหม่ ใช้ร่วมกับสารดูดซับที่ควบคุมระดับ CO2 O2 หรือ ethylene ปรับสภาพบรรยากาศได้เร็วกว่า แต่ต้นทุนเพิ่ม

ชนิด plastic films ที่นิยมใช้ เช่น LDPE (low-density polyethylene), PVC (polyvinyl chloride) สำหรับผักและผลไม้สด Polyester และ Saran เหมาะสำหรับพืชที่มีอัตราการหายใจต่ำ