Green technologies in the supply chain of agri-food company of kiwifruit for improved resource management and fruit quality
Author(s)
Lembo, Michela
Date Issued
July 11, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The agricultural sector plays a fundamental role in economic, social, and environmental impact, providing employment for over 44 million people in the EU. However, it faces growing challenges, including environmental degradation, overexploitation of resources and increasing demand for sustainable practices. In response, the EU Commission has adopted a package of measures to promote the sustainable use of key natural resources and strengthen the resilience of the EU's food systems and agriculture. These measures are expected to deliver long-term economic, social, health, and environmental benefits for all.
Against this background, this PhD thesis proposal, carried out in collaboration with Tre Colli S.r.l., a renowned kiwifruits producer located in Cisterna di Campoleone (Velletri, Rome, Italy), aims to address these pressing challenges by exploring innovative approaches to enhance digitalization and sustainability in the agri-food supply chain. The aim is to minimise environmental impact while improving efficiency and fruit quality. This study focuses on two different kiwifruit cultivars—Actinidia chinensis 'Soreli' (yellow fruit) and a newly developed red kiwifruit cultivar. By integrating advanced technologies and novel treatments, the research aims to optimize resource utilisation and improve fruit quality.
In particular, for the yellow cultivar ‘Soreli’, efforts are being made to mitigate critical environmental issues such as reducing pollution and minimising water
waste —issues of growing importance in the modern agri-food landscape.
This study focused on integrating digital technologies and sustainable agricultural practices to optimize kiwifruit cultivation. The research examined the following key aspects:
1. Digital Monitoring – The deployment of remote sensing devices (Tree Talker sensors) in company orchards to assess plant health throughout the vegetative period.
2. Water Deficit Treatments – The application of varying irrigation levels (60%, 80%, and 100% of standard water volumes) in different orchard sections during the vegetative phase to evaluate whether controlled water stress could positively influence post-harvest fruit metabolism and quality.
3. Post-Harvest Quality Assessments – Evaluating the fruit from treated and control plants during storage to determine the impact of different irrigation strategies.
This study revealed valuable insights into the impact of optimized irrigation strategies and technological innovations on kiwifruit cultivation. By integrating digital monitoring and sustainable water management practices, we demonstrated how resource efficiency can enhance plant health, improve fruit quality, and contribute to both economic and environmental sustainability. The main findings are summarized as follows:
• Optimized Irrigation & Plant Health: excessive irrigation did not always enhance plant performance. Vegetation spectral indices and fruit quality analyses indicated that deficit irrigation, particularly at 80% water availability, resulted in higher CVI (Chlorophyll Vegetation Index) and LNBI (Leaf Nitrogen Balance Index) values for leaves compared to full irrigation. This suggests that reducing water use can enhance vegetative health without compromising fruit quality.
• Soil Sensors & Vegetation Correlation: soil moisture data obtained from sensors correlated with vegetation indices, demonstrating the impact of water availability on plant health, growth, and productivity.
• Sap Flow Monitoring: Transpiration rates remained similar between the 100% and 80% irrigation treatments, with only a slight decline observed at 60% irrigation.
• Post-Harvest Fruit Quality: controlled reduced irrigation in ‘Soreli’ kiwifruit significantly improved fruit quality. Key attributes such as soluble solids content, firmness, yellow coloration, polyphenol and flavonoid levels, and antioxidant enzyme activity increased without negatively affecting weight loss (WL), titratable acidity (TA), or other bioactive compounds during storage.
• Economic & Environmental Impact: reducing irrigation by 20% (80% treatment) resulted in both economic savings and reduced water waste while maintaining high-quality produce. This demonstrates a viable approach for sustainable kiwifruit production, aligning with future climate adaptation strategies.
For the newly developed red kiwifruit cultivar, the company aimed to assess post-harvest preservation strategies and enhance red pigmentation.
The study explored the application of cis-3-hexenyl butyrate (HB), a ripening inducer, to evaluate its effects on fruit ripening, color intensity, sugar content, and anthocyanin concentration. Advanced, non-destructive techniques such as AOTF-NIR (Acousto-Optic Tunable Filter - Near InfraRed) have been used to confirm these results.
The main findings are summarized as follows:
• The study on red kiwifruits treated with HB reveals that treatment significantly influences the ripening process by accelerating sugar content increase, enhancing anthocyanin accumulation, and improving red coloration.
• NIR technology successfully discriminated anthocyanins and soluble solids content (SSC), with promising prediction models, especially when combined with Standard Normal Variate (SNV) filtering and Partial Least Squares (PLS) regression.
Overall, this research allowed the company to realize the application of sustainable processes, devices, and approaches within the industrial landscape, enhancing competitiveness and integrating the themes of environmental sustainability and digitalization in the agri-food.
The research on the new red kiwifruit cultivar focused on improving post-harvest preservation and enhancing fruit pigmentation. By applying innovative treatments and advanced analytical techniques, we gained valuable insights into the ripening process and fruit quality assessment. The key findings include:
• Effect of HB Treatment: HB significantly accelerated the ripening process by increasing sugar content, enhancing anthocyanin accumulation, and improving red coloration.
• NIR Technology Advancements: The AOTF-NIR system successfully differentiated anthocyanin content and SSC, with promising predictive models—especially when combined with SNV filtering and PLS regression.
Il settore agricolo svolge un ruolo fondamentale nell'impatto economico, sociale e ambientale, fornendo occupazione a oltre 44 milioni di persone nell'UE. Tuttavia, si trova ad affrontare sfide crescenti, tra cui il degrado ambientale, lo sfruttamento eccessivo delle risorse e la crescente domanda di pratiche sostenibili. In risposta, la Commissione europea ha adottato un pacchetto di misure per promuovere l'uso sostenibile delle principali risorse naturali e rafforzare la resilienza dei sistemi alimentari e dell'agricoltura dell'UE. Si prevede che queste misure forniranno benefici economici, sociali, sanitari e ambientali a lungo termine per tutti.
In questo contesto, questa proposta di tesi di dottorato, realizzata in collaborazione con Tre Colli S.r.l., rinomato produttore di kiwi con sede a Cisterna di Campoleone (Velletri, Roma, Italia), mira ad affrontare queste sfide urgenti esplorando approcci innovativi per migliorare la digitalizzazione e la sostenibilità nella filiera agroalimentare. L'obiettivo è quello di ridurre al minimo l'impatto ambientale, migliorando al contempo l'efficienza e la qualità dei frutti. Questo studio si concentra su due diverse cultivar di kiwi: Actinidia chinensis 'Soreli' (frutto a polpa gialla) e una cultivar di kiwi rosso di recente sviluppo. Integrando tecnologie avanzate e nuovi trattamenti, la ricerca mira a ottimizzare l'utilizzo delle risorse e a migliorare la qualità dei frutti.
In particolare, per la cultivar gialla 'Soreli', si stanno compiendo sforzi per mitigare le criticità ambientali come la riduzione dell'inquinamento e la minimizzazione dello spreco di acqua, questioni di crescente importanza nel moderno panorama agroalimentare.
Questo studio si è concentrato sull'integrazione delle tecnologie digitali e delle pratiche agricole sostenibili per ottimizzare la coltivazione del kiwi. La ricerca ha esaminato i seguenti aspetti chiave:
1. Monitoraggio Digitale – L'implementazione di dispositivi di telerilevamento (sensori Tree Talker) nei frutteti aziendali per valutare lo stato di salute delle piante durante tutto il periodo vegetativo.
2. Trattamenti del Deficit Idrico – L'applicazione di livelli di irrigazione variabili (60%, 80% e 100% dei volumi d'acqua standard) in diverse sezioni del frutteto durante la fase vegetativa per valutare se lo stress idrico controllato possa influenzare positivamente il metabolismo e la qualità dei frutti post-raccolta.
3. Valutazione della Qualità Post-Raccolta – Valutazione dei frutti provenienti da piante trattate e controllate durante lo stoccaggio per determinare l'impatto delle diverse strategie di irrigazione.
Questo studio ha rivelato preziose informazioni sull'impatto delle strategie di irrigazione ottimizzate e delle innovazioni tecnologiche sulla coltivazione del kiwi. Integrando il monitoraggio digitale e le pratiche di gestione sostenibile dell'acqua, abbiamo dimostrato come l'efficienza delle risorse possa migliorare la salute delle piante, migliorare la qualità dei frutti e contribuire alla sostenibilità economica e ambientale. I principali risultati sono riassunti come segue:
• Irrigazione Ottimizzata & Salute delle Piante: un'irrigazione eccessiva non sempre ha migliorato le prestazioni delle piante. Gli indici spettrali della vegetazione e le analisi della qualità dei frutti hanno indicato che l'irrigazione deficitaria, in particolare con una disponibilità idrica dell'80%, ha portato a valori CVI (Chlorophyll Vegetation Index) e LNBI (Leaf Nitrogen Balance Index) più elevati per le foglie rispetto all'irrigazione completa. Ciò suggerisce che la riduzione dell'uso di acqua può migliorare la salute delle piante senza compromettere la qualità dei frutti.
• Sensori del Suolo & Correlazione Vegetativa: i dati sull'umidità del suolo ottenuti dai sensori sono correlati con gli indici di vegetazione, dimostrando l'impatto della disponibilità di acqua sulla salute, la crescita e la produttività delle piante.
• Monitoraggio del Flusso di Linfa: i tassi di traspirazione sono rimasti simili tra il 100% e l'80% dei trattamenti di irrigazione, con solo un leggero calo osservato al 60% di irrigazione.
• Qualità della Frutta Post-Raccolta: l'irrigazione controllata ridotta nel kiwi 'Soreli' ha migliorato significativamente la qualità della frutta. Attributi chiave come il contenuto di solidi solubili, la compattezza, la colorazione gialla, i livelli di polifenoli e flavonoidi e l'attività degli enzimi antiossidanti sono aumentati senza influire negativamente sulla perdita di peso (WL), sull'acidità titolabile (TA) o su altri composti bioattivi durante la conservazione.
• Impatto Economico & Ambientale: la riduzione dell'irrigazione del 20% (trattamento all’80%) ha comportato sia un risparmio economico che una riduzione degli sprechi idrici, pur mantenendo prodotti di alta qualità. Ciò dimostra un approccio praticabile per la produzione sostenibile di kiwi, in linea con le future strategie di adattamento ai cambiamenti climatici.
Per la cultivar di kiwi rosso di recente sviluppo, l'azienda mirava a valutare le strategie di conservazione post-raccolta e a migliorare la pigmentazione rossa. Lo studio ha esplorato l'applicazione del cis-3-esenil butirrato (HB), un induttore della maturazione, per valutarne gli effetti sulla maturazione dei frutti, l'intensità del colore, il contenuto di zucchero e la concentrazione di antociani. Per confermare questi risultati sono state utilizzate tecniche avanzate e non distruttive come AOTF-NIR (Acousto-Optic Tunable Filter – Near InfraRed).
I principali risultati sono riassunti come segue:
• Lo studio sui kiwi rossi trattati con HB rivela che il trattamento influenza significativamente il processo di maturazione accelerando l'aumento del contenuto di zucchero, migliorando l'accumulo di antociani e migliorando la colorazione rossa.
• La tecnologia NIR ha discriminato con successo antociani e contenuto di solidi solubili (SSC), con modelli di previsione promettenti, soprattutto se combinata con il filtraggio Standard Normal Variate (SNV) e la regressione Partial Least Squares (PLS).
Nel complesso, questa ricerca ha permesso all'azienda di realizzare l'applicazione di processi, dispositivi e approcci sostenibili all'interno del panorama industriale, aumentando la competitività e integrando i temi della sostenibilità ambientale e della digitalizzazione nel settore agroalimentare.
La ricerca sulla nuova cultivar di kiwi rosso si è concentrata sul miglioramento della conservazione post-raccolta e sul miglioramento della pigmentazione dei frutti. Grazie all'applicazione di trattamenti innovativi e tecniche analitiche avanzate, abbiamo acquisito preziose informazioni sul processo di maturazione e sulla valutazione della qualità dei frutti. I risultati principali includono:
• Effetto del trattamento di HB: HB ha accelerato significativamente il processo di maturazione aumentando il contenuto di zucchero, migliorando l'accumulo di antociani e migliorando la colorazione rossa.
• Progressi della tecnologia NIR: il sistema AOTF-NIR ha differenziato con successo il contenuto di antociani e il SSC, con promettenti modelli predittivi, soprattutto se combinato con il filtraggio SNV e la regressione PLS.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze, Tecnologie e Biotecnologie per la Sostenibilità
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