Comportamiento mecánico de frutos de papaya bajo compresión axial*
Mechanical behavior of papaya fruits under axial compression
Enrique Vázquez García1§, Horacio Mata Vázquez1, Rafael Ariza Flores2, Felipe Santamaría Basulto3 e Irán Alia Tejacal4
1Campo Experimental Las Huastecas-INIFAP, km 55 Carretera Tampico-Mante, Altamira Tamaulipas. 89601. Tel. 01836 2760168 (vazquez.enrique@inifap.gob.mx; mata.vazquez@inifap.gob.mx).
]]> 2Campo Experimental Chilpancingo-INIFAP. Rufo Figueroa s/n, Col. Burócratas. 39039. Chilpancingo, Guerrero. (ariza.rafael@inifap.gob.mx).3Campo Experimental Mocochá-INIFAP, Carretera Mérida-Motul, km 25, Yucatán. (santamaria.felipe@inifap.gob.mx).
4Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Av. Universidad 1001, Col. Chamilpa, 62209. Cuernavaca, Morelos. (ijac96@yahoo.com.mx). §Autor para correspondencia: vazquez.enrique@inifap.gob.mx.
* Recibido: marzo de 2013
Aceptado: septiembre de 2013
Resumen
Los frutos de papaya (Caricapapaya L.) son muy susceptibles a los daños mecánicos, lo que repercute en fuertes pérdidas en poscosecha. El objetivo del presente trabajo fue evaluar el comportamiento mecánico de frutos de papaya en poscosecha, para lo cual se realizaron dos experimentos en el Campo Experimental Las Huastecas, INIFAP durante los años 2011 y 2012. Las variables evaluadas fueron la fuerza y la deformación requeridas por los frutos para alcanzar el límite elástico, el punto de biocedencia y el punto de ruptura. La compresión se realizó con un Instron Universal 4460. En el primer experimento se evaluaron frutos en madurez de consumo tratados en pre-cosecha con cinco combinaciones de fertilización; los tratamiento N-P-K-Cu-Zn, N-P-K-Ca-Zn, N-P-K y N-P-K-Fe-Zn registraron mayor resistencia a la fuerza de compresión y resultaron diferentes al tratamiento N-P-K-Mn-Zn (Tukey, p≤ 0.05). En el segundo experimento se evaluaron tres cultivares en dos estados de madurez; los frutos en madurez fisiológica fueron más resistentes para alcanzar el límite elástico (414 N), con relación a los frutos en madurez de consumo (67 N), con diferencias estadísticas (Tukey, p≤ 0.05). Los frutos del híbrido PK 02 requirieron mayor fuerza para alcanzar el límite elástico (298 N), con relación a los frutos de la variedad Maradol roja (250 N) y del híbrido PK 03 (173 N), con diferencias (Tukey, p≤ 0.05). Se concluye que los frutos de papaya tuvieron un comportamiento mecánico diferente, en función del manejo nutricional, del tipo de cultivar y del estado de madurez.
Palabras clave: Carica papaya L., límite elástico, punto de biocedencia, punto de ruptura.
]]>Abstract
The fruits of papaya (Carica papaya L.) are very susceptible to mechanical damage, which results in heavy losses in post-harvest. The aim of this study was to evaluate the mechanical behavior of papaya fruits in post-harvest, for which two experiments were conducted in the Experimental Field The Huasteca, INIFAP during the years 2011 and 2012. The variables evaluated were the strength and deformation required for the fruit to reach the elastic limit, biocedence and the breaking point. The compression was performed with a Instron Universal 4460. In the first experiment for ripening fruit treated with pre-harvest five combinations of fertilization, the treatment N-P-K-Cu-Zn, N-P-K-Ca-Zn, N-P-K-Fe-Zn reported increased resistance to force compression and was different to the treatment N-P-K-Mn-Zn (Tukey, p≤ .05). In the second experiment three cultivars were evaluated in two states of maturity, the fruits at physiological maturity were more resistant to attain the elastic limit (414 N) in relation to ripening (67 N), with statistical differences (Tukey, p≤ .05). The fruits of the hybrid PK 02 required more force to achieve the yield strength (298 N) with respect to the fruits of the variety Maradol roja (250 N) and the hybrid PK 03 (173 N), with differences (Tukey, p≤ .05). It is concluded that papaya fruits had different mechanical behavior depending on the nutritional management, the type of cultivar and maturity.
Key words: Carica papaya L., yield strength, biocedence point, breaking point.
Introducción
Las propiedades mecánicas de los materiales son aquellas relacionadas con la deformación y el flujo de éstos, cuando son sometidos a la acción de fuerzas (Mohsenin, 1972). Diversos autores han clasificado los materiales por su comportamiento mecánico en tres tipos: a) sólidos, que son capaces de mantener por si mismos una forma y tamaño definido y de resistir hasta cierto límite, la acción de fuerzas sin sufrir deformación; b) líquidos, que tienden a asumir la forma del recipiente donde están contenidos y sufren deformación y flujo con la acción de la mínima fuerza; y c) visco-elásticos, que combinan características de sólidos y líquidos y su deformación está en función del tiempo en que se aplique un esfuerzo. En ésta última clasificación se ubican los materiales agrícolas, incluyendo todas las frutas y hortalizas (Mohsenin, 1970; Peleg y Calzada, 1976).
En el caso de los frutos, uno de los principales objetivos del estudio de sus propiedades mecánicas, es cuantificar la carga máxima que éstos pueden soportar sin que sufran algún tipo de daño, con la finalidad de mecanizar los procesos de poscosecha. En el caso de los frutos de papaya (Caricapapaya L.), el estudio de este tipo de propiedades se justifica por la gran susceptibilidad que tienen a los daños por compresión, impacto y fricción, lo que repercute en fuertes pérdidas poscosecha.
Al respecto, Capellini et al. (1988) reportaron que de los embarques de papaya que llegaban a Nueva York, 22% registraron frutos con daños mecánicos. Paull et al. (1997) señalaron que el Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA) inspeccionó 60 mil cajas de papaya, encontrando que 72% de las cajas hubo frutos con daños por compresión como consecuencia de un incorrecto estibamiento y exceso de peso. Thompson y Mitchell (1985) destacaron que los mayores daños por compresión en papayas, suceden una vez que son colocados en los contenedores y que la principal causa de ello se debe al desconocimiento de sus propiedades mecánicas.
En este sentido, diversos autores(as) señalan que el estudio de las propiedades mecánicas de los frutos tropicales ha tenido muy poca atención, debido a que por ser materiales biológicos son complicados, anisotrópicos, no homogéneos, no lineales y señalan que en el caso de la papaya, existen muchos estudios que han incluido la penetración de los frutos como método de evaluación de su firmeza, sin embargo, la mayoría de esos estudios se han enfocado al análisis de los factores bioquímicos relacionados con su ablandamiento, de tal manera que las variables mecánicas involucradas se han considerado como parte complementaria del trabajo y han sido insuficientes para caracterizar su comportamiento mecánico (Peleg, 1979; Anzaldua-Morales, 1994).
]]> Los primeros estudios relacionados con las propiedades mecánicas de los frutos de papaya determinaron que estos tenían gran variabilidad en su geometría y firmeza, aún dentro de un mismo fruto, lo que hacía difícil el cálculo de los parámetros mecánicos. Esos estudios se realizaron con medidores de fuerza como el Magnes Taylor, penetrando los frutos en diferentes zonas, con puntales de diámetro entre 3/16 y 11/16 pulgadas. Bajo esas condiciones se determinó que la penetración con puntales era una mezcla de fuerza de compresión y fuerza de corte y que los frutos menos maduros soportaban más deformación y fuerza para alcanzar la ruptura, con relación a los frutos más maduros (Brukner y Kinch, 1968; Kumar y Wang, 1971; Peleg, 1974). Otro método con el cual se han estudiado las propiedades mecánicas de los frutos es el denominado "análisis de perfil de textura", que consiste en comprimir una muestra de alimento con la Máquina de Prueba Universal Instron, la cual grafica una curva que expresa el esfuerzo y la deformación aplicados (Anzaldúa-Morales, 1994).Mohsenin (1970) consideró que la curva esfuerzo-deformación proporciona índices mecánicos muy específicos de los alimentos, como el límite elástico, el punto de biocedencia, el rango plástico y el punto de ruptura. Este autor ilustra los anteriores conceptos sobre una curva (Figura 1) y los define de la siguiente manera: el límite elástico (LE) representa el más grande esfuerzo que un material es capaz de soportar, sin perder la proporción lineal de la curva esfuerzo-deformación, lo que implica que al retirar el esfuerzo el material puede recuperar su forma original sin sufrir daño. El punto de biocedencia (PB) lo define como el punto de la curva esfuerzo-deformación en el cual ocurre un aumento de la deformación, sin incremento en la fuerza; en ciertos materiales biológicos el PB es un indicador del inicio de la ruptura celular interna, lo que implica baja resistencia a la compresión, sin embargo no todos los materiales biológicos presentan esta característica, ya que algunos son muy resistentes a la compresión y en éstos la ruptura celular interna sucede casi al mismo tiempo que la ruptura externa. El rango plástico es el periodo de la curva esfuerzo-deformación entre el LE y el punto de ruptura en el cual el material ya no recupera su forma original al retirar la fuerza. El punto de ruptura (PR) es el punto de la curva esfuerzo-deformación en la cual el material biológico sufre la ruptura externa del tejido.
Como puede verse, la curva esfuerzo-deformación constituye una herramienta muy útil para determinar la máxima carga que un material podría soportar sin sufrir daño. En este sentido, Vázquez (2000) evaluó el comportamiento mecánico de frutos de papaya "Maradol" en tres estados de madurez (madurez fisiológica; madurez intermedia y madurez de consumo) y tres posiciones de compresión (frutos en posiciones vertical, horizontal e inclinada), registrando diferencias en el factor madurez en los puntos de interés de la curva esfuerzo-deformación, sin encontrar diferencias en las posiciones de compresión (Cuadro 1). Con base en lo anterior y considerando la importancia que tiene el estudio de las propiedades mecánicas de los frutos, se procedió a realizar el presente estudio con el objetivo de evaluar el comportamiento mecánico de frutos de papaya "Maradol roja", por efecto de cinco tratamientos de fertilización química en pre-cosecha, así como el comportamiento mecánico de frutos de tres cultivares de papaya en dos estados de madurez.
Materiales y métodos
Se realizaron dos experimentos en el Campo Experimental Las Huastecas (CEHUAS), del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), localizado a 22° 34' latitud norte y 98° 09' longitud oeste.
En el primer experimento se evaluaron frutos provenientes de cinco tratamientos de fertilización química aplicados en pre-cosecha en el cultivar de papaya "Maradol roja", con fecha de trasplante del 30 de julio de 2011. Se calculó una dosis de fertilización de N-P-K para una meta de rendimiento de 100 t/ha, en función del análisis de fertilidad del suelo y de las demandas nutrimentales del cultivo, considerando que por cada tonelada de papaya producida se extraen 1.77 kg de N; 0.2 de P y 2.12 de K y 0.35 de Ca (Cunha y Haag, 1980). También se estimaron dosis de micro-elementos (Fe, Mn, Zn y Cu), en función del análisis de fertilidad de suelo y con apoyo en Escamilla (2002), quien determinó que las concentraciones de micro-elementos en peciolos y frutos de papaya fueron los siguientes: Fe, 225.5 ppm; Mn, 32.5 ppm; Zn 32.1 ppm y Cu, 16.9 ppm.
Con estas bases se evaluaron los siguientes tratamientos de fertilización: 1. 200-66-220 (N-P-K al suelo), testigo; 2. 20066-220-53-5 (N-P-K-Ca-Zn al suelo)+5 unidades de Ca y 5 de Zn vía foliar; 3. 200-66-220-5-5 (N-P-K-Mn-Zn al suelo) + 5 unidades de Mn y 5 de Zn vía foliar; 4. 200-66-220-25-5 (N-P-K-Fe-Zn al suelo)+2.5 unidades Fe y 5 de Zn vía foliar y 5. 20066-220-5 -5 (N-P-K-Cu-Zn al suelo)+5 unidades de Cu y 5 de Zn vía foliar. La dosis de fertilización para cada tratamiento se dividió entre las 52 semanas del año, según la etapa fenológica del cultivo, estimando las cantidades de agua y fertilización semanal, con base en el método cociente de evaporación y se aplicaron a través de un sistema de riego presurizado por goteo, cuidando la compatibilidad y solubilidad de los fertilizantes. Las fuentes de fertilización utilizadas de N-P-K-Ca fueron fosfonitrato (31 -4-0), MAP técnico soluble (12-61-0), nitrato de potasio (12-0-44) y nitrato de calcio (9-0-0-26), en forma respectiva y como fuentes de micro-elementos se utilizaron quelato edta de manganeso soluble (13 %), quelato edta de hierro soluble (13.2 %), quelato edta de zinc soluble (14 %) y quelato edta de cobre soluble (14 %).
]]> El manejo agronómico del cultivo se basó en el paquete tecnológico del cultivo del papayo (Vázquez et al, 2010). El diseño experimental fue en bloques completos al azar, con cuatro repeticiones y ocho plantas por repetición, utilizando como parcela útil las cuatro plantas centrales. En julio de 2012, se realizó un muestreo de frutos, para lo cual se cosecharon tres frutos en estado de madurez de consumo, con base en el criterio de Santamaría et al. (2009), de cada una de las repeticiones, para obtener un total de 12 frutos por tratamiento. Inmediato a la cosecha, los frutos se llevaron al laboratorio poscosecha del C. E. Las Huastecas, se lavaron con jabón y agua corriente; se seleccionaron seis frutos de cada tratamiento, se envolvieron con papel, se colocaron en javas de plástico evitando al máximo los daños mecánicos y el mismo día se trasladaron al laboratorio de "resistencia de materiales" del Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM), Campus Tampico, para proceder a realizar la prueba de comportamiento mecánico.La compresión fue axial, quasiestática, es decir, que la prensa tuvo un avance lento, gradual y constante a una velocidad de 10 mm por min; se utilizó una Máquina de Prueba Universal Instron modelo 4460, la cual registró el esfuerzo y la deformación aplicados a cada espécimen. Las variables que midieron el comportamiento mecánico de los frutos fueron la fuerza (N) y deformación (mm) para alcanzar el límite elástico, el punto de biocedencia y el punto de ruptura (Mohsenin, 1970). Se comprimieron seis frutos de cada tratamiento, con un diseño experimental completamente al azar con seis repeticiones, donde cada fruto fue una unidad experimental.
En el segundo experimento se evaluaron frutos de tres cultivares de papaya en dos estados de madurez. El 30 de julio de 2011 se establecieron en campo la variedad Maradol roja y dos híbridos experimentales de papaya de la compañía Keithly Williams denominados PK 02, con características de fruto parecidas a la variedad cubana Maradol roja y PK 03, con características de fruto parecidas al cultivar mexicano conocido como "zapote" o "mamey". El manejo del cultivo se basó en el paquete tecnológico del papayo (Vázquez et al., 2010). El diseño experimental fue en bloques completos al azar, con un arreglo de tratamientos factorial 2x3 y cuatro repeticiones, con plantas por repetición, donde el factor "A" fueron los estados de madurez (madurez fisiológica y madurez de consumo) y el factor "B" los tres cultivares. Los datos fueron analizados usando el procedimiento de análisis de varianza de acuerdo a los diseños señalados y la comparación de medias se realizó de acuerdo a la prueba de Tukey (p≤ 0.05).
En julio de 2012 se realizó un muestreo, para lo cual se cosecharon tres frutos en estado de madurez 2, equivalente a "frutos verdes con una franja amarilla bien definida" y tres frutos en estado de madurez de consumo (Santamaría et al., 2009), de cada una de las repeticiones de los genotipos, para obtener un total de 24 frutos por cultivar. Inmediato a la cosecha, los frutos se llevaron al laboratorio postcosecha del C. E. Las Huastecas, se lavaron con jabón y agua corriente, se seleccionaron seis frutos de cada uno de los dos estados de madurez por genotipo y se envolvieron con papel; se colocaron en javas de plástico evitando al máximo los daños mecánicos y se trasladaron de inmediato al laboratorio del ITESM, Campus Tampico, para proceder a realizar la prueba de comportamiento mecánico, con la misma metodología ya descrita en el anterior experimento.
Resultados y discusión
En el primer experimento se registraron diferencias (Tukey, p≤ 0.05) por efecto de los tratamientos de fertilización en las variables límite elástico y punto de ruptura (Cuadro 2). El tratamiento que presentó mayor fuerza de compresión para alcanzar el límite elástico y el punto de ruptura fue N-P-K+Cu-Zn, mientras que el tratamiento que registró menor fuerza en los diferentes puntos de la curva esfuerzo-deformación fue N-P-K+Mn-Zn, que resultó diferente al resto de los tratamientos.
Otro aspecto importante fue que los frutos del tratamiento N-P-K+Cu-Zn no registraron punto de biocedencia, lo que indicó un buen grado de dureza del material biológico sujeto a compresión, ya que de acuerdo con Mohsenin (1972), la ausencia de este indicador en la curva esfuerzo-deformación significa que no hay ruptura celular interna dentro del rango plástico; en el caso de los frutos con aplicaciones de Cu-Zn, la ruptura del tejido biológico sucedió al alcanzar el punto de ruptura. Los frutos de los otros tratamientos si registraron punto de biocedencia lo que indicó menor dureza del material biológico al haber ruptura celular interna en el rango plástico, antes de alcanzar el punto de ruptura externa (Figura 2).
En el segundo experimento, y de acuerdo con los análisis de varianza realizados, se detectó que en los factores madurez y cultivar (Cuadros 3, 4, 5 y 6), existieron diferencias estadísticas significativas (p≤ 0.05). En la variable fuerza necesaria para alcanzar el límite elástico, se determinó que los frutos en madurez fisiológica fueron diferentes (Tukey, p≤ 0.05) a los frutos en madurez de consumo y que los frutos del cultivar PK02 fueron diferentes a los frutos de Maradol roja y de PK 03 (Cuadro 7).
En la fuerza y deformación necesarias para alcanzar el punto de biocedencia, no fue posible realizar análisis estadístico debido a que los frutos en estado de madurez fisiológica no registraron punto de biocedencia (Figura 3), lo que implica que en estos frutos no existió ruptura celular en el rango plástico y por ende, mayor resistencia a la compresión axial. En los frutos en madurez de consumo si se registró punto de biocedencia y se encontró que el cultivar Maradol roja fue más resistente, con relación a los híbridos PK02 y PK03 (Figura 4).
En la fuerza necesaria para alcanzar el punto de ruptura externa, se determinó que los frutos en madurez fisiológica fueron diferentes (Tukey, p≤ 0.05) a los frutos en madurez de consumo y que los frutos del cultivar Maradol roja fueron diferentes a los frutos de los híbridos PK02 y PK03. En la deformación necesaria para alcanzar el punto de ruptura externa, los frutos en madurez fisiológica fueron diferentes a los frutos en madurez de consumo y los frutos de los cultivares Maradol roja y PK02 fueron diferentes a los frutos del cultivar PK03 (Cuadro 7). Al comparar los rangos de fuerza entre estados de madurez, se observó que los frutos en madurez fisiológica presentaron promedios de fuerza seis veces mayores, con relación a los frutos en madurez de consumo para alcanzar el límite elástico y once veces superiores para alcanzar el punto de ruptura.
Estos resultados son similares a los reportados por Vázquez (2000), quien determinó que frutos de papaya Maradol roja en madurez fisiológica registraron promedios de fuerza de 298 N para alcanzar el límite elástico, comparado con 68 N en frutos del mismo cultivar en madurez de consumo, lo que significó un valor 4.4 veces superior. El mismo autor reportó valores de 4508 N para alcanzar el punto de ruptura en frutos de papaya Maradol roja en madurez fisiológica y 333 N en frutos del mismo cultivar en madurez de consumo, lo que implicó un valor 13.5 veces superior para los frutos en madurez fisiológica.
Villaseñor et al. (2006) evaluaron el comportamiento mecánico de melón (Cucumis melo L.) bajo compresión axial quasi-estática en dos estados de madurez y dos posiciones de compresión, determinando que los frutos menos maduros en posición vertical registraron la mayor carga de compresión para alcanzar el límite elástico y el punto de ruptura, con valores promedio de 411 y 1950 N en forma respectiva. Vázquez et al. (2003) evaluaron las propiedades mecánicas de frutos de papaya "Maradol roja" bajo compresión axial estática en tres estados de madurez y tres posiciones de compresión, determinando que en los frutos con menor grado de madurez en posición horizontal registraron los menores índices de relajación del esfuerzo, lo cual significó mayor resistencia a la compresión estática.
Para explicar las diferencias de resistencia a la compresión axial por efecto de la madurez de los frutos, Ilker y Szczesniak (1990) señalaron que durante la madurez fisiológica de los frutos, la pectina de la pared celular primaria y lámina media es insoluble en agua y está muy ligada a la celulosa y hemicelulosa, dando dureza y cohesión a las células, sin embargo, en la medida que maduran los frutos, la pectina sufre cambios como aumento de su solubilidad, que ocasionan desprendimiento de moléculas de pectina y hemicelulosa, lo que a su vez provoca ablandamiento de los tejidos.
]]> En mesocarpio de aguacate, Sakurai y Nevins (1997) determinaron que la resistencia de los frutos a la compresión durante su maduración se asoció positivamente con el aumento de rhamnosa, arabinosa y ácidos urónicos de la fracción soluble en agua de la pared celular, alterando las propiedades elásticas y viscoelásticas de los tejidos, hacia un mayor ablandamiento. Al analizar la respuesta a la compresión axial en pulpa de banana durante la maduración, Kojima et al. (1994) encontraron una disminución de la resistencia al avanzar la maduración del tejido, atribuyendo ese cambio a la pérdida de elasticidad y viscosidad de la pulpa, como consecuencia de la disminución de pectina y hemicelulosa y la conversión de almidón a azúcares.Diversos autores atribuyen la degradación de la pectina y hemicelulosa al aumento de la actividad de poligalacturonasa, xilanasa, pectimetilesterasa y 5-galactosidasa, que se presenta cuando los frutos tienen entre 30 y 60% de color amarillo (Paull y Chen 1983; Paull et al, 1999). Con base en lo anterior, se podría señalar que los frutos en madurez fisiológica evaluados en el presente trabajo, fueron más resistentes a la compresión, con relación a los frutos en madurez de consumo, porque todavía no presentaban los efectos de la degradación de la pectina y hemicelulosa de la pared celular y lámina media, registrando más dureza y cohesión celular, mientras que los frutos en madurez de consumo, registraron poca resistencia a la compresión evidenciando que la pared celular y la lámina media se habían debilitado, favoreciendo la ruptura y la relajación celular.
Conclusiones
En ambos experimentos se encontró significancia al 5% de probabilidad en las variables evaluadas por efecto de los tratamientos, lo cual implicó diferencias estadísticas significativas. En el primer experimento se determinó que el tratamiento N-P-K+Cu-Zn, presentó mayor fuerza y deformación para alcanzar el límite elástico y el punto de ruptura, mientras que el tratamiento que registró menor fuerza y deformación en los diferentes puntos de la curva esfuerzo-deformación fue N-P-K+Mn-Zn. Los frutos del tratamiento N-P-K+Cu-Zn no registraron punto de biocedencia, lo que indicó un buen grado de dureza del material biológico sujeto a compresión. En el segundo experimento se determinó que en la fuerza y deformación para llegar al límite elástico y al punto de ruptura los frutos en madurez fisiológica fueron más resistentes, con relación a los frutos en madurez de consumo y que los frutos de los cultivares PK02 y Maradol roja fueron superiores a los frutos del híbrido PK 03. La importancia de estos resultados estriba en que se cuantificó la resistencia de los frutos de papaya a los posibles daños por compresión en postcosecha, ya que el límite elástico representa el máximo umbral al que un material biológico puede estar sujeto a compresión y volver a su forma original al retirar la fuerza.
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