Effect of innovative crop management practices on physiological, nutritional and phytochemical characteristics of almond tree (Prunus amygdalus L.) products and coproducts

Data
2019-12-02
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Resumo
A agricultura enfrenta sérios desafios, como as mudanças climáticas que contribuem para a escassez de água devido ao aumento da temperatura média, fenómenos irregulares como secas e inundações, crescimento da população que leva ao aumento do consumo de água e alimentos e, consequentemente, geram uma quantidade substancial de agro-residuos. A amêndoa (Prunus dulcis (Mill.) D.A. Webb) é o fruto seco mais produzido a nível mundial, seguindo a tendência crescente de procura de produtos resultantes da transformação da amêndoa devido às suas propriedades nutricionais serem reconhecidas como benéficas para a saúde. As espécies fruteiras cultivadas nas zonas semiáridas da bacia do mediterrâneo são grandemente afetadas pelas mudanças climáticas, existindo a necessidade de aumentar a sustentabilidade e competitividade do setor da amêndoa. Neste sentido, o objetivo geral desta Tese de Doutoramento foi delineado de maneira a dar um importante contributo para impulsionar a cadeia de produção de amêndoa nas zonas semiáridas, focando-se na sustentabilidade de subprodutos de amêndoa como fonte dos compostos bioativos, de forma a obter uma completa valorização destes produtos. Para tal, será necessário compreender o efeito de diferentes regimes hídricos no comportamento fisiológico e bioquímico da amendoeira de forma a melhorar a qualidade da amêndoa, sustentabilidade ambiental e viabilidade económica desta cultura em zonas semiáridas. Neste sentido, esta experiência consiste em tratamentos baseados na evapotranspiração da cultura (ETc): regime ideal de exigência de água T100 (aplicação de 100% de ETc); défice de irrigação T70 e T30 (aplicação de 70% e 35% de ETc, respetivamente); défice de irrigação controlado: T100-T35 (100% durante o desenvolvimento do fruto, reduzindo a aplicação para 35% de ETc durante a maturação); ausência de rega T0 (sequeiro); aplicação de caulino em árvores em sequeiro (T0caulino), durante as estações de 2015 e 2016, em amendoeiras da variedade 'Ferragnès', com 15 anos de idade, e localizadas no Norte de Portugal. O impacto dos tratamentos nos subprodutos da amêndoa, na qualidade do miolo e no comportamento fisiológico da árvore foi avaliado através da determinação de parâmetros fitoquímicos, microbiológicos, nutricionais, fisiológicos e bioquímicos. A extração dos compostos fenólicos de subprodutos da amêndoa foi otimizada com sucesso usando a Response Surface Methodology (RSM), onde se estudou a variação de pH, diferentes concentrações de solvente e de tempos de extração, com o objetivo de reduzir os subprodutos da amêndoa gerados quer na colheita, quer durante o processamento industrial. De forma a valorizar os subprodutos, foi estudada a sua composição fenólica em material proveniente de amendoeiras sujeitas aos diferentes regimes hídricos e durante os dois anos de estudo. Os resultados sugerem que a composição fenólica dos cascarões é mais influenciada pela dotação de rega, enquanto que na pelicula o maior efeito é obtido porano. No entanto, a síntese de compostos fenólicos individuais parece ser mais influenciada por ano. Estes resultados contribuem para o conhecimento sobre o efeito da rega e do ano na composição fenólica dos vários subprodutos, permitindo eleger as melhores práticas agrícolas que contribuirão para o incremento dos compostos bioativos. Os cascarões e a película da amêndoa exibiram ainda atividade antibacteriana contra estirpes bacterianas potencialmente patogénicas resistentes a múltiplos fármacos, mostrando um interesse potencial para estes subprodutos serem futuramente investigados e confirmados como agentes antibacterianos. Certamente, será um passo em direção a novas alternativas de valor acrescentado para estes resíduos agroindustriais. Relativamente à produção e à qualidade de amêndoa, a maior variabilidade foi observada entre anos, sendo que a produção diminuiu em média 70% entre 2015 e 2016, enquanto o stresse hídrico influenciou a qualidade. Mesmo que alguns parâmetros da qualidade da amêndoa aumente nas árvores não regadas, as diferenças na produção do segundo ano de estudos revelaram o principal problema dos amendoais de sequeiro nas zonas semiáridas: produção irregular quando em condições de campo não regadas. Por outro lado, a aplicação de caulino não conduziu a uma melhoria do estado hídrico das amendoeiras; e, apesar de apresentarem um comportamento similar às árvores não-regadas, o caulino não mostrou ser prejudicial. Ao abordarmos o objetivo de desenvolvimento de metodologias de monitorização da qualidade da amêndoa para ser usada na industrial alimentar, as regiões de near infrared (NIR) e mid infrared (MIR) foram avaliadas para produzir modelos quantitativos para a previsão de proteína bruta e conteúdo em aminoácidos no miolo de amêndoa. O melhor modelo de previsão foi obtido com o NIR e FTIR, que mostrou ser usado com sucesso na determinação do conteúdo em proteína e aminoácidos em amêndoas. Finalmente, em relação às respostas fisiológicas e bioquímicas aos tratamentos, todos os parâmetros foram influenciados pela redução de água de rega, contudo, as árvores não exibiram stresse hídrico severo, mas apenas stresse hídrico moderado. O encerramento estomático é a principal limitação à realização da fotossíntese na amendoeira. As diferenças observadas mostram a importância da água na produção de amêndoa comparativamente ao sequeiro. Dentro dos tratamentos da rega, os tratamentos da défice da rega não reduziram a produção e a qualidade geral comparativamente às plantas T100, não tendo um impacto negativo no desempenho global das amendoeiras.
Agriculture is facing serious challenges, from the climate change contributing to water scarcity due to higher average temperatures and uneven events of drought and floads, to the growing population what increases the water and food demand, and at the same time generates substantial amount of agro-waste. Almond (Prunus dulcis (Mill.) D.A. Webb) is the worldwide most produced tree nut as it is following the increasing trend in world demand for almond products, due to its nutritional properties being recognized as beneficial for health. As it is fruit species grown in semiarid areas of Mediterranean Basin that are greatly affected by changes in environmental conditions, there is an existing need for increased sustainability and competitivness of the almond sector. The overall objective of this Doctoral Thesis therefore is to contribute to boost the almond production chain in semiarid areas by different approaches, focusing on determination of the suitability of almond by-products for use as a source of bioactive compounds to gain a complete evaluation of the valorisation alternatives for almond by-products. Furthermore, it is aimed gaining a further insight in the agricultural management strategies by understanding the plant physiological and biochemical response, enhance almond quality, environmental sustainability and economical viability for almond production in semiarid areas. In that regard, the experiment consisted of treatments based on the crop evapotranspiration (ETc): optimal water requirement regime T100 (applying the 100% of ETc); deficit irrigation regimes T70 and T30 (applying the 70% and 35% of ETc, respectively); regulated deficit irrigation: T100-35 (100% ETc during fruit development, reducing the application to 35% ETc during fruit filling); rainfed T0 (rainfed); and kaolin application to rainfed trees (T0Kaolin), during 2015 and 2016 seasons, on 15-years old almond trees of variety ‗Ferragnès‘ located in Northern Portugal. The impact of treatments on almond by-products, kernel quality and plant behaviour, was assessed. To achieve this aim several actions were undertaken involving field trials and phytochemical, microbial, nutritional, physiological and biochemical approaches. To get new insights on reduction of agro-residues upon harvest and industrial processing, the phenolic extraction of almond byproducts was successfully optimized using the Response Surface Methodology (RSM) for the non-toxic, food grade ethanol pH, concentration and extraction time. To achieve further objectives of by-products valorisation, irrigation and seasonal variabilities were studied on the phenolic composition of almond by-products. The impact of irrigation treatments seasons differed among by-products, hulls being more influenced by irrigation and skins by season, while the synthesis of the most of individual phenolic compounds appeared to be more influenced by the season. These data further contributes to better understanding of seasonal and irrigation variability, this being relevant for the potential application of diverse agricultural practices to improve bioactive content. Almond hulls and skins additionally displayed antibacterial activity against multidrug resistant bacterial pathogens, showing interesting potential to be further investigated as antibacterial agents, this being a step forward towards to new added-value alternatives for these agro-industrial residues. When studying the response of almond yield and quality attributes, the highest variability was noticed for the seasonal differences; almond yield decreased for around 70% in average, while water stress influenced all the quality features. Even if some quality attributes increased at rainfed trees, the differences in yield in the second year of the study revealed the main problem of rainfed almond orchards in semiarid areas: irregular yield when under not irrigated conditions. The kaolin application, on the other side, did not manage to reduce drought in almond trees throughout the study exhibiting similar behaviour as non-irrigated trees, however, not showing to be prejudicial. When addressing the aim of method development for quality monitoring to be used in almond food industry, the suitability of the near infrared (NIR) and mid infrared (MIR) regions was assessed to produce quantitative models for the prediction of crude protein and amino acid content in almond kernels. The best prediction models were obtained with NIR, and FTIR was shown to be successfully used for almond protein and amino acid determination. Finally, regarding the physiological and biochemical response to treatments, all the determined parameters were influenced by the total water reduction, however, trees not displaying the severe stress, except for the considered gas exchange parameters. Stomatal closure was noticed as probably being the main limitation of photosynthesis in almond tree. Observed differences showed the importance of the irrigation role in almond production compared to complete absence of irrigation. Within irrigation treatments, deficit irrigation did not lower the overall yield and quality when compared to the fully irrigated trees, while also not having negative impact on the overall tree performance.
Descrição
Ph.D. thesis - Agricultural Production Chains - From Fork to Farm -
Palavras-chave
Prunus dulcis Mill. , agricultural water mangement
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