Ten artykuł opisuje protokoły fumigacji tlenkiem azotu (NO) do zwalczania szkodników po zbiorach. Komory fumigacyjne przepłukuje się azotem (N2) w celu ustalenia warunków bardzo niskiego poziomu tlenu przed wstrzyknięciem NO. Na koniec komory przepłukuje sięN2 w celu rozcieńczenia NO przed wystawieniem produktów na działanie powietrza atmosferycznego, aby zapobiec narażeniu na NO2.
Artykuł metodologiczny
Procedury fumigacji laboratoryjnej w celu zwalczania szkodników gazowym tlenkiem azotu
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Tlenek azotu (NO) to nowo odkryty fumigant do zwalczania szkodników po zbiorach. Niniejszy artykuł zawiera szczegółowe protokoły przeprowadzania fumigacji NO na świeżych produktach oraz procedury analizy pozostałości i oceny jakości produktu. Hermetyczna komora do fumigacji zawierająca świeże owoce i warzywa jest najpierw przepłukiwana azotem (N2) w celu uzyskania środowiska o bardzo niskiej zawartości tlenu (ULO), a następnie wstrzykiwana jest NO. Komora do fumigacji jest następnie utrzymywana w niskiej temperaturze 2–5 °C przez określony czas niezbędny do zabicia docelowego szkodnika w celu zakończenia zabiegu fumigacji. Pod koniec zabiegu fumigacji komora fumigacji jest przepłukiwanaN2 w celu rozcieńczenia NO przed otwarciem komory na powietrze otoczenia, aby zapobiec reakcji między NO iO2, która wytwarzaNO2 i może uszkodzić delikatne świeże produkty. W różnym czasie po fumigacji NO mierzono NO2 w przestrzeni nad roztworem oraz azotany i azotyny w próbkach cieczy jako pozostałości. Jakość produktu oceniono po 2 tygodniach przechowywania w chłodni po obróbce w celu określenia wpływu fumigacji NO na jakość produktu. Zapobieganie reagowaniu O2 z NO ma kluczowe znaczenie dla fumigacji NO i jest ważną częścią protokołów. Pomiar poziomu NO jest trudny i zapewnia praktyczne rozwiązanie. Sugerowane są również możliwe modyfikacje protokołu pomiaru poziomów NO w komorach fumigacyjnych, a także pozostałości. Fumigacja NO ma potencjał, aby stać się praktyczną alternatywą dla fumigacji bromkiem metylu w celu zwalczania szkodników po zbiorach na świeżych i przechowywanych produktach. Niniejsza publikacja ma na celu pomóc innym badaczom w prowadzeniu badań nad fumigacją NO w celu zwalczania szkodników po zbiorach i przyspieszeniu rozwoju fumigacji NO do zastosowań praktycznych.
Wprowadzenie
Tlenek azotu jest wszechobecną cząsteczką przekaźnika komórkowego we wszystkich systemach biologicznych2. Jest uwalniany w dużych ilościach jako powszechne zanieczyszczenie podczas spalania paliw kopalnych w elektrowniach i pojazdach silnikowych oraz produkowany w dużych ilościach jako produkt pośredni w produkcji nawozów. Intensywne badania nad NO w ciągu ostatnich 20 lat przyniosły dużą ilość wiedzy na temat jego znaczenia, funkcji i mechanizmów w regulacji procesów biochemicznych i fizjologicznych w różnych układach biologicznych. Wiedza ta zaowocowała różnymi medycznymi zastosowaniami NO w leczeniu chorób układu oddechowego i serca14,15,16. W rolnictwie NO było używane ponad 100 lat temu na przetworzonych produktach mięsnych do konserwacji czerwonego pigmentu3. NO również wydłuża okres przydatności do spożycia i poprawia jakość po zbiorach szerokiej gamy świeżych produktów11,12,17,18,19,20. Niedawno odkryto, że NO jest silnym fumigantem do zwalczania szkodników po zbiorach6.
NO okazał się skuteczny przeciwko wszystkim etapom życia badanych owadów (Rysunek 1). Badane gatunki szkodników reprezentują różne typy i etapy życia szkodników i wskazują na duży potencjał fumigacji NO do zwalczania różnych gatunków szkodników. Skuteczność fumigacji NO przeciwko szkodnikom owadzim jest zbliżona do fumigacji bromkiem metylu. Jednak NIE można przeprowadzić fumigacji w temperaturach chłodni. Fumigacja bromkiem metylu wymaga podgrzania produktów przechowywanych w niskiej temperaturze, a zatem może mieć wpływ na jakość produktu. Na przykład wciornastki zachodnie, Frankliniella occidentalis, i mszyca sałata, Nasonovia ribisnigri, można zwalczać w ciągu 2 i 3 godzin przy użyciu odpowiednio 2,0% i 1,0% fumigacji NO w temperaturze 2 °C6. Fumigacja NO jest również znacznie szybsza niż fumigacja fosfiną, która jest głównym alternatywnym leczeniem bromkiem metylu i może zająć ponad dziesięć dni w celu zwalczania niektórych szkodników4,6,9,10.
Fumigacja tlenkiem azotu jest skuteczna zarówno przeciwko zewnętrznym, jak i wewnętrznym owadom żerującym. Larwy Drosophila suzukii, Drosophila suzukii, porażonych wiśni są zwalczane w ciągu 8 godzin przy 2,5% NO fumigacji9. Larwy dorszowej, Cydia pomonella, w porażonych jabłkach są całkowicie kontrolowane w 24-godzinnej fumigacji z 5% NO w temperaturze 2 °C9,10. Skuteczność fumigacji NO wzrasta wraz ze wzrostem stężenia, czasu zabiegu i temperatury6. Czynniki te można wykorzystać do optymalizacji zabiegów fumigacji NO dla różnych gatunków owadów na różnych towarach.
Jednak NO spontanicznie reaguje z O2, tworząc NO21. To nie tylko zużywa NO, ale może również powodować uszkodzenia świeżych produktów, takich jak sałata (Rysunek 2). Dlatego NIE wolno przeprowadzać fumigacji w warunkach bardzo niskiej zawartości tlenu (ULO), aby zachować NO. W przypadku świeżych produktów fumigacje NO muszą być również zakończone przez przepłukanieN2 w celu rozcieńczenia NO przed wystawieniem produktów poddanych fumigacji na działanie powietrza atmosferycznego, aby zmniejszyć ich narażenie na NO2. Te rygorystyczne wymagania zwiększają złożoność i koszt fumigacji NO . Oczekuje się jednak, że fumigacja NIE będzie technicznie wykonalna i opłacalna7. Wszystkie elementy fumigacji NO na dużą skalę są dostępne na rynku lub mogą być produkowane komercyjnie, w tym urządzenia do wytwarzania azotu, zasilanie NO, sprzęt monitorujący (analizator O2, miernik NO) i hermetyczne komory do fumigacji. Przechowywanie i wysyłka w kontrolowanej atmosferze (CA) w atmosferze o niskiej zawartościO2 były stosowane komercyjnie. Koszt energii generowanej przez N2 przy fumigacji NO jest również skromny i będzie się różnić w zależności od lokalizacji7.
Fumigacja tlenkiem azotu jest również bezpieczna dla świeżych owoców i warzyw, jeśli zostanie prawidłowo zakończona przez przepłukanie N2 w celu rozcieńczenia NO przed wystawieniem produktów na działanie powietrza atmosferycznego8. Nie wykazano, aby fumigacja była bezpieczna dla wszystkich świeżych owoców i warzyw przebadanych do tej pory, w tym sałaty, brokułów, ogórków, papryki, pomidorów, truskawek, jabłek, gruszek, pomarańczy i cytryn8. 4-godzinna fumigacja z 1% NO w temperaturze 2 °C w celu zwalczania wciornastków zachodnich również poprawia jakość truskawek. Tydzień po fumigacji truskawki poddane działaniu środka są jędrniejsze i mają jaśniejszy i bogatszy kolor, a tym samym lepszą jakość po zbiorach w porównaniu z kontrolą8.
Fumigacja tlenkiem azotu również nie pozostawia szkodliwych pozostałości na świeżych produktach poddanych fumigacji. Ponieważ NO reaguje zO2, tworząc NO2, fumigacja NO może spowodować osadzanie się NO2 na produktach ze względu na temperaturę wrzenia NO2 21 °C. W obecności wody NO2 hydrolizuje, tworząc kwas azotowy (HNO3). W związku z tym fumigacja NO może potencjalnie skutkować azotanami (NO3-) i azotynami (NO2-) jako pozostałościami na towarach poddanych obróbce. Gdy fumigacja jest zakończona płukaniemN2, fumigacja NO powoduje brak lub bardzo mały wzrost azotanów lub azotynów w postaci pozostałości po 24 godzinach od fumigacji w świeżych towarach9,21.
Reaktywna natura NO z O2 wymaga również rygorystycznych procedur, aby nie dopuścić do O2 podczas procesu przeprowadzania zabiegów fumigacji NO. Złożoność i rygorystyczne procedury najlepiej zilustrować wizualnie i należy ich przestrzegać oraz opanować. W tej prezentacji w czasopiśmie wideo wyjaśniono, zilustrowano i zademonstrowano fumigację NO świeżych produktów, aby umożliwić innym badaczom przeprowadzenie badań nad fumigacją NO i opracowanie zabiegów fumigacji NO do zwalczania szkodników po zbiorach. Wysiłki te przyczynią się do przyspieszenia komercyjnego stosowania fumigacji NO do zwalczania szkodników po zbiorach na świeżych i przechowywanych produktach.
Protokół
UWAGA: Fumigacja tlenkiem azotu świeżych produktów rozpoczyna się od ustalenia warunków ultraniskiego poziomu tlenu w komorach fumigacyjnych, następnie wstrzyknięcia NO i utrzymywania komór fumigacyjnych w określonych temperaturach przez czas trwania określonego zabiegu, a następnie jest zakończona przez płukanieN2 w celu rozcieńczenia NO przed otwarciem komór do fumigacji, jak pokazano (Rysunek 3). W przypadku pomiarów NO2 w przestrzeni nad głową komór fumigacyjnych oraz azotanów i azotynów w próbkach cieczy przy użyciu monitora Model 405 nm NO2/NO/NO/NOx i analizatora tlenku azotu NOA, należy zapoznać się z instrukcjami obsługi producentów w celu uzyskania szczegółowych procedur obsługi.
Uwaga: Tlenek azotu jest silnym utleniaczem i spontanicznie reaguje z tlenem, tworząc dwutlenek azotu. Zarówno tlenek azotu, jak i dwutlenek azotu są toksyczne. Proszę zapoznać się z ich kartą charakterystyki, aby uzyskać informacje na temat bezpiecznej obsługi i użytkowania. Ze względu na bezpieczeństwo osobiste wszystkie etapy eksperymentów z fumigacją na małą skalę, obejmujące obchodzenie się z NO lub NO2 i potencjalne narażenie na nie, powinny być przeprowadzane w dygestorium. Osobisty alarm NO2 powinien być używany do przeprowadzania eksperymentów na dużą skalę bez fumigacji.
1. Przygotowanie materiałów i instrumentów
- Przyrządy, części i materiały potrzebne do NO fumigacji
- Zrób torbę foliową z wylotem rurki na NO.
- Uszczelnij otwór torebki foliowej wokół rurki z politetrafluoroetylenu (PTFE) za pomocą zgrzewarki.
- Następnie użyj kleju epoksydowego, aby uszczelnić szwy i spoinę wokół rurki z politetrafluoroetylenu (PTFE), aby wyprodukować torbę foliową.
- Dodaj kran na końcu rurki.
UWAGA: Worki foliowe z rurkami nie są dostępne w handlu. Ale można je łatwo przygotować w laboratorium za pomocą worków foliowych ze źródeł komercyjnych za pomocą zgrzewarki.
UWAGA: Azot: Zwykły azot przemysłowy w sprężonych butlach ma czystość ≥99,99% i nadaje się do BEZ fumigacji. Dwie lub więcej butli z reduktorami można ustawić tak, aby miały różne ciśnienia wylotowe i połączyć je ze sobą. Butla o wyższym ciśnieniu wylotowym zostanie zużyta jako pierwsza, zanim zostanie użyta butla o niższym ciśnieniu wylotowym. Będzie to przydatne w dużych testach fumigacji.
- Hermetyczne komory do fumigacji.
UWAGA: Szczelność ma kluczowe znaczenie dla fumigacji NO, ponieważ NO zareaguje z O2 wyciekiem do komory. Zmniejszy to dostępny NO do zwalczania szkodników, a także wytworzy NO2, który może uszkodzić świeże produkty.- Szklane komory słoików: Lekko nasmaruj brzeg pokrywki wazeliną. Następnie zamknij słoik pokrywką, która ma dwa wyloty po załadowaniu do słoika przedmiotów, takich jak produkty zainfekowane owadami.
UWAGA: Każda pokrywka słoika ma dwa wyloty, a jeden z wylotów ma plastikową rurkę przedłużoną do dna słoika, aby zwiększyć efektywność wymiany powietrza. - Komory wykonane z szybkowarów: Krawędź komory posmarować wazeliną. Załaduj produkty i owady do komory i zamknij ją pokrywą.
- Duże komory do fumigacji: Lekko nasmaruj uszczelkę wazeliną. Następnie załaduj produkty do komory. Zamknij drzwi. W razie potrzeby dokręć zaciski, aby utrzymać hermetyczne uszczelnienie.
UWAGA: ŻADEN gaz nie jest bardzo lotny, więc nie ma potrzeby posiadania wentylatora w komorze fumigacji, aby utrzymać mieszanie powietrza w komorze .
- Szklane komory słoików: Lekko nasmaruj brzeg pokrywki wazeliną. Następnie zamknij słoik pokrywką, która ma dwa wyloty po załadowaniu do słoika przedmiotów, takich jak produkty zainfekowane owadami.
- Zrób torbę foliową z wylotem rurki na NO.
2. Ustanowienie warunków ULO w komorach fumigacyjnych
- Podłączyć komorę do linii N2 i analizatoraO2.
UWAGA: Trójnik z jednym końcem prowadzi do analizatora, a drugi koniec wyposażony w jednokierunkowy zawór zwrotny może być używany do wypuszczania powietrza, aby uniknąć wysokiego przepływu do analizatoraO2. - Uwolnić N2 przez przepływomierz, aby przepłukać komorę w celu usunięcia tlenu.
- Zmniejszyć natężenie przepływu N2 do 0,5 - 1 l/min, gdy poziomO2 jest bliski 30 ppm.
3. Wtrysk gazu NO
- Napełnij torebkę foliową BEZ gazu.
- Najpierw napełnij worekN2, a następnie odkurz powietrze, aby wypłukać O2 z worka.
- Następnie wypuść NO gaz do worka w dygestorium.
- Zawieś worek w dygestorium, aby nie używać go do BEZ fumigacji.
UWAGA: Po długotrwałym użytkowaniu worek może ulec degradacji, a rurki mogą stać się kruche z powodu korozyjnego działania NO2. Tak więc torby będą musiały być okresowo wymieniane.
- Wstrzyknąć NO do komór fumigacyjnych.
- Umyć strzykawkę i dołączony przewód za pomocą N2 w celu wypłukania O2.
- Pobrać próbkę NO z torebki foliowej NO i wstrzyknąć ją do komór do fumigacji.
- Po wstrzyknięciu przepłukać strzykawkę i dołączoną rurkę kwasemN2.
- Umieścić komory do fumigacji w temperaturze 2 °C na czas trwania fumigacji.
4. Zmierz stężenie NO w komorze fumigacyjnej
UWAGA: Stężenia NO w fumigacji do zwalczania szkodników mogą wynosić od 2 000 ppm (0,2%) do 50 000 ppm (5%). Ten zakres jest "poza zakresem" obecnych monitorów NO. Ale poziomy NO można nadal mierzyć w rozcieńczonych próbkach lub za pomocą urządzenia do rozcieńczania.
- Fumigacje w małych komorach
- Rozcieńczyć próbki powietrza ze słoików do zabiegu pod koniec fumigacji:
- Ustalić warunki ULO na poziomie ≤30 ppmO2 w słoikach.
- Pobrać próbki gazu ze słoików do zabiegu, aby wstrzyknąć je do słoików ULO.
- Zmierzyć poziomy NO iNO2 w rozcieńczonych próbkach, przepuszczając powietrze przez monitor spalin.
- Rozcieńczyć próbki powietrza ze słoików do zabiegu pod koniec fumigacji:
- Fumigacje w dużych komorach: Procedury są zilustrowane na Rysunek 4.
- Skonfiguruj system rozcieńczania.
- Zmierz poziomy NO i NO2.
- Włączyć monitor spalin i przepłukać goN2.
- Włącz przepływ gazu próbki, aby zmierzyć poziomy NO i NO2.
- Zakończ pomiar, wyłączając przepływ próbki gazu.
5. Zakończ BRAK fumigacji
- Tylko fumigacja owadów
- Umieść komory do fumigacji w dygestorium.
- Otwórz komnaty.
- Pobieranie owadów w celu oceny śmiertelności.
UWAGA: Owady są zwykle przetrzymywane w komorze środowiskowej przez noc po fumigacji, aby umożliwić wszystkim żywym owadom regenerację przed oceną śmiertelności.
- Fumigacja świeżych produktów
- Przenieś komory do dygestoria (w przypadku małych komór).
- Przepłukać komory do fumigacjiN2, aby umożliwić wymianę powietrza o określonej liczbie.
- Monitorować poziom NO na króćcu wylotowym.
UWAGA: Monitor spalin może być używany do monitorowania poziomu NO podczas płukaniaN2. Zazwyczaj przepłukujemy komory fumigacyjne, aby obniżyć poziom NO poniżej 200 ppm przed otwarciem komór na powietrze z otoczenia. - Pobieranie owadów w celu oceny śmiertelności (jeśli owady są uwzględnione).
- Przechowuj produkty poddane fumigacji do analizy pozostałości i oceny jakości po obróbce.
UWAGA: Odczekaj wystarczająco dużo czasu poddanych fumigacji w dygestoriach, aby NO i NO2 rozproszyły się przed przeniesieniem ich do przechowywania. Produkty poddane fumigacji są zwykle przechowywane w niskiej temperaturze wraz z kontrolami w chłodziarce przez pewien czas, zanim zostaną ocenione pod kątem jakości po zbiorach i ewentualnych obrażeń.
6. Analiza pozostałości
- Pomiar dwutlenku azotu (NO2) za pomocą monitora 405 nm NO2/NO/NOX
- Włącz monitor 405 nm NO2/NO/NOX rozgrzeje się przez 20 - 30 minut.
- Zamknąć komorę do fumigacji, w której znajduje się produkt.
UWAGA: Po fumigacji komory do fumigacji były otwarte i umieszczane w określonej temperaturze, aby umożliwić rozproszenie NO2. W momencie pomiaru zwolnienia NO2 należy szczelnie uszczelnić komorę pokrywą z dwoma portami wyposażonymi w kurki. W demonstracji procedury wykorzystano temperaturę 20 °C. - Podłącz monitor NO2 do komory, aby cyrkulować powietrze przez monitor NO2.
- Natychmiast rozpocznij rejestrowanie danych na monitorze NO2 i zbieraj dane przez 1 minutę.
- Odłącz komorę od monitora i utrzymuj ją szczelnie zamkniętą.
UWAGA: Rejestrację danych można uruchomić za pomocą MENU -> Dat -> Log na monitorze NO2 lub za pomocą oprogramowania do tworzenia wykresów na komputerze. - Przechowywać szczelnie zamknięte komory w temperaturze 20 °C przez 1 godzinę, a następnie powtórzyć etap zbierania danych.
UWAGA: Przedział czasowy można dostosować w zależności od szybkości uwalniania NO2 z produktów poddanych fumigacji. - Obliczyć różnicę między dwoma stężeniami NO2 i przeliczyć dane na mg/kg/h.
- Pomiary azotanów i azotynów za pomocą analizatora GE Sievers 280i NO
UWAGA: Szczegółowe informacje można znaleźć w instrukcji producenta oraz w paper21 autorstwa Yang i Liu (2017).- Przygotowanie próbki
- Homogenizuj próbki produktów w blenderze.
- Przenieść 15 g homogenizowanej próbki z mieszarki do fiolki.
- Dodać 100 ml destylowanegoH2O, aby osiąść w fiolce na 10 minut.
- Przefiltrować próbkę i przechowywać przefiltrowany roztwór w temperaturze 2 °C do momentu użycia.
- Przygotowanie czynnika redukującego do pomiaru azotanów za pomocą analizatora tlenku azotu
UWAGA: Szczegółowe informacje można znaleźć w instrukcji producenta.- Dodać 0,8 g chlorku wanadu (VCl3) do kolby.
- Powoli dodać 100 ml 1 M kwasu chlorowodorku (HCl) do kolby z VCl3, zakryć kolbę i kilkakrotnie zamieszać.
- Przefiltrować roztwór za pomocą bibuły filtracyjnej i lejka, a następnie zamknąć butelkę z przefiltrowanym roztworem folią aluminiową i przechowywać w lodówce.
- Pomiar zarówno azotanów, jak i azotynów za pomocą analizatora tlenku azotu
UWAGA: Szczegółowe informacje można znaleźć w instrukcji producenta.- Podgrzej łaźnię wodną do temperatury 95 °C. Dodać 4 - 6 ml środka redukującego azotany do naczynia do płukania i dostosować natężenie przepływu gazu obojętnego do odpowiedniego poziomu.
UWAGA: Tym gazem obojętnym był He. Można również stosować gazN2. - Wstrzyknąć 5 μl roztworu próbki za pomocą strzykawki do naczynia do oczyszczania.
- Przejdź do następnego wstrzyknięcia próbki, gdy pik próbki zostanie zakończony.
- Podgrzej łaźnię wodną do temperatury 95 °C. Dodać 4 - 6 ml środka redukującego azotany do naczynia do płukania i dostosować natężenie przepływu gazu obojętnego do odpowiedniego poziomu.
- Pomiar azotynów za pomocą analizatora tlenku azotu
UWAGA: Szczegółowe informacje można znaleźć w instrukcji producenta.- Wyreguluj zawór na naczyniu upłukiwającym tak, aby ciśnienie gazu obojętnego wynosiło 1 - 2 psi.
- Dodać 4 - 6 ml stężonego kwasu octowego, aby napełnić pierwszą bańkę naczynia do przedmuchiwania.
- Odważyć 50 mg jodku sodu (NaI) i rozpuścić go w 1-2 ml H2O.
- Dodać roztwór NaI do naczynia czyszczącego i pozostawić do wymieszania na 1-2 minuty.
- Zwiększ natężenie przepływu gazu obojętnego do odpowiedniego poziomu.
- Wstrzyknąć 5 μl roztworu próbki za pomocą strzykawki do naczynia do oczyszczania.
- Przejdź do następnego wstrzyknięcia próbki, gdy pik próbki zostanie zakończony.
- Przygotowanie próbki
7. Ocena jakości owoców i warzyw po zbiorach
UWAGA: Uszkodzenia produktu spowodowane BRAKIEM fumigacji mogą pojawić się natychmiast po fumigacji (Rysunek 5). Jednak jakość produktu ocenia się zwykle po 1-2 tygodniach przechowywania w chłodni po zabiegu. Objawy urazów będą się rozwijać z czasem i można je lepiej zidentyfikować w ocenie jakości. Procedury oceny różnych świeżych produktów mogą się znacznie różnić. Jedynie procedury oceny jakości sałaty są tutaj pokazane jako przykład przy użyciu ustalonych procedur5.
- Wyjmij sałatę z chłodni dwa tygodnie po fumigacji. Usuń owijki i sprawdź powierzchnie pod kątem plam i przebarwień w przypadku wszystkich zabiegów, w tym kontroli.
- Oceniaj i rejestruj zewnętrzną jakość wizualną dla wszystkich zabiegów w oparciu o ustalone procedury8.
- Sałatę przekrój na pół i sprawdź wszelkie plamy i przebarwienia pod kątem wszystkich zabiegów.
- Oceniaj i rejestruj wewnętrzne oceny jakości wizualnej dla wszystkich zabiegów.
Wyniki
Fumigacja tlenkiem azotu w przypadku produktów świeżych musi zostać zakończona przepłukaniem N2 w celu rozcieńczenia NO przed otwarciem komór fumigacyjnych i wystawieniem produktów na działanie powietrza otoczenia. Gdy zabieg fumigacji kończy się bezpośrednim otwarciem komory na powietrze otoczenia bez przepłukania N2, reakcja między NO a O2 prowadzi do powstania NO2, a wystawienie świeżych produktów na działanie NO2 często skutkuje uszkodzeniami, takimi jak brązowe plamy, odbarwienia i ogniska martwej tkanki8. Delikatne warzywa i owoce, takie jak sałata, cukinia i gruszki, są podatne na uszkodzenia wywołane przez NO2. Wykazano, że gdy fumigacja NO jest prawidłowo kończona przepłukaniem N2, zabieg ten jest bezpieczny i nie powoduje żadnych uszczerbków w jakości produktu (Rycina 6 i Rycina 7). W rzeczywistości stwierdzono, że fumigacja NO w celu zwalczania szkodników poprawia jakość pozbiorczą produktów świeżych w porównaniu z niefumigowanymi próbkami kontrolnymi, co wykazano na przykładzie truskawek. Truskawki fumigowane NO w celu zwalczania westernego tripsa kwiatowego zachowują jaśniejszy i intensywniejszy kolor oraz są mniej miękkie tydzień po fumigacji w porównaniu z grupą kontrolną8. Główki sałaty owinięte w plastikowe rękawy mogą ulec uszkodzeniu liści powierzchniowych bezpośrednio pod otworami wentylacyjnymi opakowań w wyniku reakcji NO z O2 prowadzącej do powstania NO2, jeżeli fumigacja nie zostanie prawidłowo zakończona.
Przepłukanie N2 po zakończeniu fumigacji NO wpłynęło na uwalnianie NO2 z fumigowanych produktów. W przypadku zakończenia fumigacji NO przepłukaniem N2 nie stwierdzono istotnych różnic w szybkości uwalniania NO2 pomiędzy grupą badaną a kontrolną. Jednakże w przypadku fumigacji NO zakończonej przepłukaniem powietrzem, odnotowano wyższą szybkość uwalniania NO2 w porównaniu z grupą kontrolną, a uwalnianie NO2 malało z upływem czasu.
W przypadku większości świeżych produktów, w tym sałaty, brokułów, truskawek, jabłek, pomarańczy itp., nie odnotowano istotnych różnic w poziomach NO3- lub NO2- pomiędzy grupą poddaną zabiegowi zakończonemu przepłukaniem N2 a grupą kontrolną. Wyłącznie w sytuacji, gdy fumigacja NO była kończona przepłukiwaniem zwykłym powietrzem, we wszystkich fumigowanych produktach stwierdzono istotnie wyższe stężenia NO3- i NO2- niż w grupie kontrolnej oraz w produktach fumigowanych i przepłukanych N2. Stężenie NO2- było zazwyczaj niewykrywalne zarówno w produktach fumigowanych, jak i kontrolnych (Tabela 1 i Tabela 2). W związku z tym, w przypadku prawidłowego zakończenia fumigacji poprzez przepłukanie azotem, 24 h po zabiegu nie stwierdzono istotnych poziomów pozostałości w świeżych produktach poddanych fumigacji NO.
Rysunek 1: Wpływ fumigacji NO na owady i roztocza. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 2: Demonstracja uszkodzeń sałaty wywołanych przez NO2 powstały w reakcji pomiędzy NO a O2. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 3: Schemat procedur fumigacji NO. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina 4: Metoda wykorzystania urządzenia do rozcieńczania oraz analizatora gazów spalinowych z czujnikiem NO do pomiaru poziomu NO w wielkoskalowym teście fumigacji NO. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 5: Porównanie wpływu zabiegów fumigacji zakończonych płukaniem N2 oraz płukaniem powietrzem na jakość pozbiorczą świeżych owoców i warzyw. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 6: Jakość pozbiorcza sałaty, brokułów i jabłek z trzech grup traktowanych (C, T1, T2) 14 dni po fumigacji, gdzie C, T1 i T2 oznaczają odpowiednio: grupę kontrolną, fumigację zakończoną przepłukaniem N2 oraz fumigację zakończoną przepłukaniem powietrzem. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.
Rysunek 7: Jakość pomarańczy, gruszek i brzoskwiń po zbiorach z trzech wariantów zabiegowych (C, T1, T2) 14 dni po fumigacji, gdzie C, T1 i T2 oznaczają odpowiednio: kontrolę, fumigację zakończoną przepłukaniem N2 oraz fumigację zakończoną przepłukaniem powietrzem. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
| Produkt | NO (%) | Leczenie | NIE3- (mg/100 g) | Brak danych wejściowych do tłumaczenia.2- (mg/100 g) |
| Jabłko | 5.0 | NO-Air | 1,60±0,12 a | 0,50±0,16 a |
| NO-N2 | 1,36±0,13 ab | 0,03±0,01 b | ||
| Kontrola | 0,76±0,28 b | 0 b | ||
| Morela | 3.0 | NO-Air | 1,84±0,14 a | 0,21±0,02 a |
| NO-N2 | 0,92±0,17 b | 0 b | ||
| Kontrola | 0,54±0,01 b | 0 b | ||
| Szparagi | 3.0 | NO-Air | 2,19±0,13 a | 0,08±0,04 a |
| NO-N2 | 0,70±0,03 b | 0 a | ||
| Kontrola | 0,84±0,07 b | 0 a | ||
| Jagoda borówka | 3.0 | NO-Air | 2,74±0,46 a | 0,14±0,02 a |
| NO-N2 | 1,24±0,19 b | 0 b | ||
| Kontrola | 1,22±0,15 b | 0 b | ||
| Brokuł | 3.0 | NO-Air | 18,69±3,75 a | 0,17±0,06 a |
| NO-N2 | 18,51±3,42 a | 0 b | ||
| Kontrola | 12,26±2,31 a | 0 b | ||
| Wiśnia | 3.0 | NO-Air | 1,75±0,11 a | 0 |
| NO-N2 | 0,56±0,09 b | 0 | ||
| Kontrola | 0,65±0,08 b | 0 | ||
| Czosnek | 3.0 | NO-Air | 5,05±0,45 a | 0,14±0,02 a |
| NO-N2 | 4,45±0,79 a | 0 b | ||
| Kontrola | 5,01±0,69 a | 0 b | ||
| Winogrono | 3.0 | NO-Air | 6,32±0,68 a | 0 |
| NO-N2 | 2,38±0,43 b | 0 | ||
| Kontrola | 2,74±0,25 b | 0 | ||
| Pieprz | 3.0 | NO-Air | 9,26±0,35 a | 0,71±0,12 a |
| NO-N2 | 6,75±0,68 b | 0,02±0,01 b | ||
| Kontrola | 6,23±0,72 b | 0 b | ||
| Kiwi | 3.0 | NO-Air | 1,66±0,55 a | 0 |
| NO-N2 | 1,25±0,09 a | 0 | ||
| Kontrola | 1,41±0,31 a | 0 | ||
| Sałata | 2.0 | NO-Air | 112,85±20,17a | 7,99±2,02 a |
| NO-N2 | 38,97±5,87 b | 0,1±0,1 b | ||
| Kontrola | 40,64±10,81b | 0 b | ||
| Pomarańczowy | 3.0 | bezpowietrzny | 1,22±0,13 a | 0,27±0,05 a |
| tlenek azotu (NO-N)2 | 1,05±0,05 a | 0,02±0,01 b | ||
| Kontrola | 1,24±0,22 a | 0 b | ||
| Śliwka | 3.0 | NO-Air | 1,04±0,08 a | 0 |
| NO-N2 | 0,63±0,04 b | 0 | ||
| Kontrola | 0,84±0,11 ab | 0 | ||
| Truskawka | 2.5 | NO-Air | 6,01±0,62 a | 0 |
| NO-N2 | 5,30±0,77 a | 0 | ||
| Kontrola | 6,16±1,06 a | 0 |
Tabela 1: Poziomy azotanów i azotynów jako pozostałości 24 h po 16-godzinnej fumigacji tlenkiem azotu świeżych owoców i warzyw. Dla każdego produktu wartości oznaczone różnymi literami różnią się istotnie statystycznie na podstawie testu wielokrotnych zakresów Tukey HSD (P ≤0,05). Przedrukowano z Yang i Liu (2017).
Dyskusja
Utrzymywanie O2 z dala od komory fumigacji ma kluczowe znaczenie dla udanej fumigacji NO w celu zwalczania szkodników. Komory do fumigacji muszą mieć hermetyczne uszczelki, a przewody połączeniowe muszą być przepłukaneN2 lub innymi gazami obojętnymi w celu usunięciaO2 przed użyciem do uwolnienia gazu NO do komór fumigacyjnych. Innym krytycznym aspektem fumigacji NO jest rozcieńczenie NO za pomocą płukania N2 pod koniec fumigacji. Zapobiega to wytwarzaniu nadmiaru NO2 i jego ewentualnym uszkodzeniom świeżych produktów. Ponieważ różne świeże produkty mają różne poziomy tolerancji na ekspozycję na NO2 , zabieg fumigacji NO fumigation może wymagać różnych poziomów spłukiwaniaN2 , aby zapobiec obrażeniom. Ponieważ NO2 ma wysoką temperaturę wrzenia około 21 °C i reaguje również z wodą w postaci kwasów, produkcja NO2 prawdopodobnie spowoduje wzrost NO2 w produktach poddanych fumigacji w postaci pozostałości i wzrost azotanów i/lub azotynów, które są przekształcane z NO2.
Rodzaj produktów, które mają być poddane fumigacji, może również komplikować proces fumigacji, np. wstępne płukanieN2 w celu ustalenia warunków ULO i końcowe płukanieN2 w celu zakończenia zabiegu fumigacji. Duże warzywa liściaste w perforowanych opakowaniach foliowych, takie jak sałata głowiasta owinięta w folię, stanowią doskonałą barierę dla wentylacji powietrza, a tym samym stanowią wyzwanie dla wypłukiwania O2 z N2 na początku fumigacji i wypłukiwania NO z N2 na końcu fumigacji. W przypadku tych produktów lepiej jest stosować kombinacje niższych stężeń NO i dłuższych czasów leczenia w celu zwalczania szkodników, ponieważ jest to bezpieczniejsze dla jakości produktu.
Monitorowanie poziomów NO w komorach fumigacyjnych to kolejne wyzwanie w przeprowadzaniu fumigacji NO. Większość przyrządów nie jest w stanie zmierzyć wysokich stężeń NO stosowanych w fumigacjach NO do zwalczania szkodników. Istnieje kilka urządzeń do rozcieńczania, które są dostępne na rynku, ale nie wiadomo, czy będą one odpowiednie do fumigacji NO. Jednakże urządzenie rozcieńczające może być wykonane w sposób opisany powyżej i używane do monitorowania NO za pomocą monitora gazu wyposażonego w czujnik NO.
Dalsze modyfikacje można wprowadzić do procedur monitorowania stężeń NO w komorach do fumigacji. Na przykład próbkę powietrza w komorze fumigacyjnej można rozcieńczyć w worku foliowym z określoną objętością azotu. Rozcieńczona próbka powietrza może być następnie cyrkulowana przez monitor spalin wyposażony w czujnik NO o wysokim stężeniu do pomiaru stężenia NO. Jednak trudno będzie uniknąć utleniania NO w tym procesie, a proces rozcieńczania prawdopodobnie spowoduje pewne straty NO. W związku z tym NO obliczone na podstawie pomiaru próbek rozcieńczonego powietrza z komór do fumigacji będzie prawdopodobnie niższe niż rzeczywiste poziomy NO w komorach do fumigacji.
Proces ustalania warunków ULO w komorach do fumigacji może być również modyfikowany w zależności od tego, jakie rodzaje komór do fumigacji są dostępne. W przypadku komór do fumigacji, które mogą być używane w warunkach próżni, warunki ULO można ustalić poprzez proces wielokrotnego próżniania, po którym następuje napełnienie komory gazowym azotem. Proces ten będzie bardziej efektywny w ustalaniu warunków ULO niż normalny proces płukania opisany powyżej. W przypadku składowanych produktów CO2 może być również stosowany zamiast N2 w celu ustalenia warunków ULO dla fumigacji NO.
Do analizy pozostałości wybrano monitor X 405 nm NO2/NO/NOdo pomiaru uwalniania gazu NO2 z fumigowanych próbek w przestrzeniach nad głową, a analizator tlenku azotu ustawiono na wykrywanie azotanów i azotynów w próbkach cieczy. Dostępne są jednak inne typy przyrządów o odpowiedniej czułości i specyficzności do pomiaru NO2 w przestrzeniach nad roztworem oraz do pomiaru azotanów i azotynów w próbkach cieczy. W związku z tym procedury pomiaru pozostałości mogą być modyfikowane w zależności od dostępności przyrządów.
Ponieważ NO jest wysoce lotny o temperaturze wrzenia -152 °C i reaguje natychmiast zO2, nie oczekuje się, że NO pozostanie jako pozostałość na produktach poddanych fumigacji po fumigacji. W związku z tym tylko NO2 został zmierzony w przestrzeni nad roztworem produktów poddanych fumigacji. NO2 ma wysoką temperaturę wrzenia wynoszącą 21 °C i znacznie wolniej rozprasza się z produktów, a zatem prawdopodobnie pozostanie na produktach poddanych fumigacji przez pewien czas po fumigacji.
W przypadku warzyw liściastych, jeśli fumigacja NO nie zostanie przepłukanaN2 na końcu, NO zareaguje zO2 , tworząc NO2 i może spowodować utrzymywanie się NO2 przez pewien czas, ponieważ świeże produkty są zwykle przechowywane w niskich temperaturach. W związku z tym, z punktu widzenia skrócenia okresu ponownego wprowadzenia po fumigacji, NIE należy również przepłukiwać roztworu N2 po fumigacji. Monitorowanie uwalniania NO2 jest zatem ważne w celu określenia, jak długo i ile NO2 pozostanie na produktach po fumigacji. Poziomy NO2 na produktach poddanych fumigacji mogą mieć wpływ na sposób obchodzenia się z produktami poddanymi fumigacji lub ich przechowywania.
Azotany występują naturalnie w glebie i roślinach, w tym w owocach i warzywach. Niektóre warzywa korzeniowe mogą gromadzić wysokie stężenia azotanów. Warzywa są największym źródłem azotanów w diecie. Na przykład świeża sałata i szpinak mają średni poziom azotanów 786 - 1,080 i 1,420 - 3,400 mg/kg. Rozporządzenie Komisji Europejskiej określa maksymalne poziomy azotanów w sałacie i szpinaku na 2 500 - 4 500 i 2 000 - 3 000 mg/kg13. Zarówno azotany, jak i azotyny są również często dodawane do przetworzonych mięs, takich jak bekon, szynka, kiełbasy i hot dogi, i są spożywane, ponieważ są stosowane jako konserwanty w tych produktach mięsnych. Pomiary azotanów i azotynów jako pozostałości po fumigacji NO miały na celu dostarczenie informacji na temat zakresu, w jakim fumigacja NO może zmienić ich poziomy w produktach poddanych fumigacji i może nie mieć żadnego znaczenia dla bezpieczeństwa żywności. W związku z tym pomiary azotanów i azotynów jako pozostałości należy uznać za fakultatywne, chyba że są one wymagane przez agencje regulacyjne przy rejestracji NO jako fumigantu lub w innych procesach regulacyjnych. Dostępne są również szczegółowe procedury pomiaru azotanów i azotynów21.
Fumigacja tlenkiem azotu ma zalety wysokiej skuteczności przeciwko wszystkim etapom życia owadów i roztoczy oraz braku szkodliwych pozostałości w porównaniu z większością innych fumigantów, jak omówiono wcześniej 6,7,9. Biorąc pod uwagę, że istnieje krytyczny brak skutecznych alternatyw dla fumigacji bromkiem metylu w celu zwalczania szkodników po zbiorach, a większość alternatywnych fumigantów pozostawia toksyczne pozostałości w produktach poddanych fumigacji, ŻADNA fumigacja nie gwarantuje znacznie rozszerzonych badań, rozwoju i działań rejestracyjnych w celu wprowadzenia na rynek tego bezpiecznego i skutecznego rozwiązania do zwalczania szkodników po zbiorach. Jednak ze względu na złożoność i rygorystyczne wymagania dotyczące warunków ULO procedur fumigacji, wielu badaczy może wymagać szkolenia, aby rozpocząć badania nad fumigacją NO. Naszym zamiarem jest zapewnienie pouczających i łatwych do naśladowania procedur laboratoryjnych zabiegów fumigacji NO w celu zwalczania szkodników po zbiorach na świeżych i przechowywanych produktach rolnych. Zasady procedur można wykorzystać do opracowania protokołów dla fumigacji NO na dużą skalę do zastosowań praktycznych.
Podziękowania
To badanie było częściowo wspierane przez granty TASC od USDA Foreign Agricultural Services.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Gazowy tlenek azotu | Praxair | UN1660 | 99,5% czystości |
| Azot gazowy | Praxair | UN1066 | Komora |
| do fumigacji | (wykonana na zamówienie) | Rozmiar: 30 "x30" x30 "; Wykonany ze stali nierdzewnej z gumową uszczelką wzdłuż obręczy. Komora jest uszczelniona poprzez zaciśnięcie jej pokrywy do zestawu gazowego nasmarowanego wazeliną. Komora posiada wiele portów do płukania komory i do pobierania próbek powietrza. | |
| Analizator tlenku azotu | GE Scientific | NOA 280i | Pomiar NO plus NO2, azotanów i azotynów |
| Model 405nm Monitor NO2/NO/Nox | 2B Technologies Inc | Zakresy: NO (0-2ppm), NO2+NO (0-10ppm) | |
| Monitor gazu Kane 900+ | Kane International | Z czujnikami NO, NO2, CO, O2 | |
| Przepływomierz i sterowniki | Omega Engineering | Zakresy przepływu: 0-1, 0-5, 0-20 LPM | |
| Przewody, łączniki, kurki | Cole-Parmer | Rurki: nylon i teflon, rozmiary: 1/8" i 5/32" (4mm); Pasują do złączy i kurków | |
| Analizator tlenu | Illinois Instruments | Model 810 | Czujnik Ziconia, czułość: 0,1ppm, zakres: 0-100% |
| NO2 alarm osobisty | SENSIT Technologies | Sensit P100 | Powinien być stosowany do przeprowadzania na dużą skalę fumigacji NO na zewnątrz dygestoria |
| Przepływomierz i sterowniki | Omega Engineering | Zakresy przepływu: 0-1, 0-5, 0-20 l/min | |
| Strzykawki gazoszczelne | SGE Nauki analityczne | 10 ml, 100 ml | |
| Strzykawki gazoszczelne | Hamilton Company | 10uL | |
| Rurki, łączniki, kurki | Cole-Parmer | Przewody: nylon i teflon, rozmiary: 1/8" i 5/32" (4mm); Pasują do złączy i kurków | |
| Jodek sodu | Fisher Chemical | S324-100 | |
| Kwas octowy, Lodowaty | Fisher Chemical | UN2789 | ≥ Czystość 99,7% |
| Kwas solny | Cole-Parmer | SA48-500 | 1.0 Normalny |
| chlorek wanadu(III) | Acros Organics | 197000250 | czystości 97% |
| Wodorotlenek sodu | Fisher Chemical | BPSS266-1 | 1 M |
| SAHARA S3 Podgrzewana kąpiel cyrkulacyjna ze stali nierdzewnej | ThermoFisher Scientific | ||
| SC 100 Digiital Imersion Circulator | ThermoFisher Scientific | ||
| Oxygen | Praxair | *001043 | Czystość 99,5-100% |
| sorbentu | gorących szczęk | Zgrzewarka termiczna w workach Mylar | |
| Worki Mylar | Systemy | ||
| Zestawy filtracyjne Flipmate | Cole-Parmer | EW-35202-29 | |
| Probówka polipropylanowa 15 ml | Sokół | ||
| Bibuła filtracyjna P5 | Fisher Scientific | ||
| Blender | Waring | Blender 7010G | Model WF2211212 Urządzenie |
| rozcieńczania | Wyprodukowano w naszym laboratorium | Połącz końce czterech mikrorurek teflonowych o równej długości w jedno złącze i miej łącznik dla każdego końca czterech mikrorurek. |
Bibliografia
- Ashmore, P. G., Burnett, M. G., Tyler, B. J. Reaction of nitric oxide and oxygen. Trans. Faraday Soc. 58, 685-691 (1962).
- Culotta, E., Koshland, D. E. Jr NO news is good news. Sci. 258, 1862-1865 (1992).
- Haldane, J. The red colour of salted meat. J. Hyg. 1, 115-122 (1901).
- Hole, B. D., Bell, C. H., Mills, K. A., Goodship, G. The toxicity of phosphine to all developmental stages of thirteen species of stored product beetles. J. Stored Prod. Res. 12, 235-244 (1976).
- Kader, A. A., Lipton, W. J., Morris, L. L. Systems for scoring quality of harvested lettuce. HortScience. 8, 408-409 (1973).
- Liu, Y. -B. Nitric oxide as a potent fumigant for postharvest pest control. J. Econ. Entomol. 106, 2267-2274 (2013).
- Liu, Y. -B. Nitric oxide as a fumigant for postharvest pest control and its safety to postharvest quality of fresh products. Acta Horticulturae. 1105, 321-327 (2014).
- Liu, Y. -B. Nitric oxide fumigation for control of western flower thrips and its safety to postharvest quality of fresh fruit and vegetables. J. Asia-Pacific Entomol. 19, 1191-1195 (2016).
- Liu, Y. -B., Yang, X. Prospect of nitric oxide as a new fumigant for postharvest pest control. Proc. 10th Intl. Conf. Controlled Atmosphere and Fumigation in Stored Products (CAF2016). Navarro, S., Jayas, D. S., Alagusundaram, K. , CAF Permanent Committee Secretariat. Winnipeg, MB, Canada. 161-166 (2016).
- Liu, Y. -B., Yang, X., Simmons, G. Efficacy of nitric oxide fumigation for controlling codling moth in apples. Insects. 7, 71(2016).
- Manjunatha, G., Lokesh, V., Neelwarne, B. Nitric oxide in fruit ripening: trends and opportunities. Biotechnol. Adv. 28, 489-499 (2010).
- Manjunatha, G., Lokesh, V., Bhagyalashmi, N. Nitric oxide-induced enhancement of banana fruit attributes and keeping quality. Acta Hort. 934, 799-806 (2012).
- Muramoto, J. Comparison of nitrate content in leafy vegetables from organic and conventional farms in California. , UC Santa Cruz. Research project report (1999).
- Ricciardolo, F. L. M., Sterk, P. J., Gaston, B., Folkerts, G. Nitric oxide in health and disease of the respiratory system. Physiol. Rev. 84, 731-765 (2004).
- Roberts, J. D. Jr, Lang, P., Bigatello, L. M., Vlahakes, G. J., Zapol, W. M. Inhaled nitric oxide in congenital heart disease. Circulation. 87, 447-453 (1993).
- Rossaint, R., Falke, K. J., Lopez, F., Slama, K., Pison, U., Zapol, W. M. Inhaled nitric oxide for the adult respiratory distress syndrome. N. Engl. J. Med. 328, 399-405 (1993).
- Saadatian, M., Ahmadiyan, S., Akbari, M., Balouchi, Z. Effects of pretreatment with nitric oxide on kiwifruit storage at low temperature. Adv. Environ. Biol. 6, 1902-1908 (2012).
- Soegiarto, L., Wills, R. B. H. Short term fumigation with nitric oxide gas in air to extend the postharvest life of broccoli, green bean, and bok choy. HortTechnol. 14, 538-540 (2004).
- Wills, R. B. H., Ku, V. V. V., Leshem, Y. Y. Fumigation with nitric oxide to extend the postharvest life of strawberries. Posth. Biol. Technol. 18, 75-79 (2000).
- Wills, R. B. H., Soegiarto, L., Bowyer, M. C. Use of a solid mixture containing diethylenetriamine/nitric oxide (DETANO) to liberate nitric oxide gas in the presence of horticultural produce to extend postharvest life. Nitric Oxide. 17, 44-49 (2007).
- Yang, X., Liu, Y. -B. Residual analysis of nitric oxide fumigation on fresh fruit and vegetables. Posth. Biol. Technol. 132, 105-108 (2017).
Przedruki i uprawnienia
