Propiedades mecánicas y respuesta fisiológica de frutos de chicozapote bajo compresión axial

Mechanical properties and physiological answer of sapodilla fruits under axial compression

Vicente López Bautista¹, Carlos Alberto Villaseñor Perea² y Artemio Pérez López³

RESUMEN

Los daños mecánicos constituyen una de las principales causas de pérdidas postcosecha de los productos hortofrutícolas. Los frutos de chicozapote (Manilkara zapota L. P. Royen), son muy perecibles, susceptibles a daño mecánico y ataque de patógenos durante la postcosecha. Se analizó el comportamiento fisiológico y mecánico bajo compresión axial con un equipo Instron Universal Testing Machine 3382, con capacidad de 100 kilo Newton y una velocidad de cruceta de 20 mm/ minuto. Los platos paralelos comprimieron una sola vez el fruto, registrándose una curva fuerza-deformación para cada fruto evaluado, en el análisis se utilizaron dos tipos de fruto (I y II), dos posiciones de compresión y tres desplazamientos de cruceta. La evolución de la actividad respiratoria, y producción de etileno fueron determinadas durante cinco días, variables mecánicas fueron obtenidas a partir de la prueba para cada fruto. Los dos tipos mostraron sensibilidad fisiológica a la aplicación de cargas (daño mecánico). La producción de etileno y la velocidad de respiración se incrementaron significativamente por la carga aplicada en la posición vertical, lo que aceleró la senescencia. Con los resultados obtenidos, se puede inferir que los parámetros mecánicos para protección de los frutos en cosecha, transporte y almacenamiento, deben ser basados en el comportamiento de los frutos a compresión en la posición horizontal, con el segundo desplazamiento de cruceta, si la compresión puede ser reducida por abajo de los umbrales antes referidos, sería posible reducir los niveles de daño y por consiguiente presentar un fruto fresco de calidad.

Palabras clave: Manilkara sapota, compresión, etileno, respiración.

The mechanical damages constitute one of the principal causes of losses post-harvest of fruits and vegetables. Sapodilla fruits ( Manilkara zapota L. P. Royen ) are very perishable susceptible to mechanical damage and attack of pathogenic during the post-harvest. It was Examined the physiological behavior and mechanic under axial compression with an Instron Universal Testing Machine 3382, with capability of 100 kilo Newton and a velocity of crossbeam of 20 mm/ minute. The parallel plates compressed the fruit once only, checking a curve force-deformation for each fruit evaluated, in analysis were used two types of fruit (I and II), two positions of compression and three displacements of crossbeam. The evolution of the respiratory activity, and production of ethylene were determined during five days, mechanical variables were gotten from test for each fruit. The two types of sapodilla showed physiological sensibility to the application of external loads (mechanical damage). The production of ethylene and the velocity of respiration increased significantly for the load applied at the vertical position, which accelerated the deterioration. With the obtained results, it can be inferred than the mechanical parameters for protection of the fruits in harvest, transportation and storage, they should be based in the behavior of the fruits to compression at the horizontal position, with the second displacement of crossbeam, if compression can be reduced for down the doorsteps before referred, it would be possible to reduce the levels of damage and consequently showing a fresh fruit of quality.

Key words: Manilkara sapota, compression, ethylene, respiration.

Las lesiones mecánicas en frutos, durante el manejo en la cosecha y postcosecha, son responsables de pérdidas significativas durante la distribución y comercialización. Ellas afectan directamente la apariencia externa, que es un importante atributo de calidad de las frutas, y es el principal factor de rechazo por el consumidor (Sánches et al., 2007). Dentro de los daños mecánicos más comunes destacan los causados por impacto, compresión y corte. Las pérdidas postcosecha alcanzan cantidades importantes y los índices estimados pueden alcanzar hasta un 30 % o más de la producción. Esas pérdidas están especialmente relacionadas con productos altamente perecederos (Kasat et al., 2007).

A medida que los frutos sufren daños ocurre un aumento en la liberación de CO₂, pues las células próximas al punto dañado respiraran más intensamente y con ese aumento en la tasa respiratoria existe un incremento en la liberación de etileno acelerando el proceso de maduración y senescencia que disminuye la calidad y vida útil del fruto (Durigan et al., 2007a). Estudios previos muestran que los daños por compresión en frutos son responsables de aumentos en la actividad respiratoria de melón (Villaseñor et al., 2006), calabacita (Durigan, et al., 2007a), sandía (Durigan et al., 2007 b), limas ácidas ‘Tahiti’ (Durigan et al., 2005), guayabas Pedro Alto y Paluma (Mattiuz et al., 2001). Khan y Vicent (1993) y Knee (2002) sugieren que la prevención de la magullación, requiere ingeniería antes que investigación biológica. El conocimiento generado a partir de parámetros de ingeniería podría ser útil para decidir en qué posición morfológica se pueden colocar las frutas y hortalizas en los diversos empaques y contenedores con la finalidad de minimizar los daños mecánicos.

Los frutos de chicozapote (Manilkara sapota L. P. Royen) tienen un patrón de respiración y de producción de etileno de tipo climatérico que madura en poco tiempo, de 8 a 10 días a 26 ºC y 55% HR (Morais et al., 2006). Los estudios sobre este fruto se restringen principalmente a extender su vida de almacenamiento usando bajas temperaturas y atmosferas modificadas (Miranda et al., 2001); también se han realizado estudios probando diferentes concentraciones de 1-MCP (Morais et al., 2006; Morais et al., 2008); alteraciones físicas químicas y fisiológicas durante el almacenamiento (Miranda et al., 2002; Morais et al., 2006); caracterización del proceso de maduración de frutos, Bautista et al. (2005) (Gazel, 2002) y otros investigadores han realizado caracterización de plantas de chicozapote.

Los frutos de chicozapote en el estado de madurez de consumo son bastante blandos y muy susceptibles a los daños mecánicos. Daños muy pequeños y superficiales pueden no tener impacto sobre la calidad de consumo pero pueden abrir el medio para el ataque de patógenos. Por tanto, la utilidad del estudio de las propiedades mecánicas de frutos de chicozapote radica en conocer la carga máxima permisible que soporta el fruto sin que se muestren efectos del daño en la fisiología del fruto. Con esta idea en mente se platean como objetivos de este trabajo: a) evaluar las propiedades mecánicas de dos tipos de chicozapote sometidos a compresión axial dinámica, y b) evaluar la respuesta fisiológica del fruto comprimido durante la maduración a temperatura del ambiente.

MATERIALES Y MÉTODOS

Los frutos de chicozapote empleados en la investigación fueron cosechados de manera manual en noviembre de 2008 en un huerto comercial ubicado en el poblado de Vicente Guerrero, municipio de Buenavista, estado de Michoacán. La cosecha de los frutos se hizo por la mañana según el criterio empleado por los productores. Estos frutos fueron transportados rápida y cuidadosamente hasta el laboratorio de materiales del Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, de la Universidad Autónoma Chapingo, en cajas de cartón corrugado, forradas con película plástica, tipo bolsa y papel periódico buscando minimizar los daños mecánicos durante el transporte. En el laboratorio los frutos fueron seleccionados en cuanto a su tamaño, sanidad y ausencia de defectos. Los frutos muy grandes y pequeños fueron desechados. Se almacenaron a temperatura de habitación (19 ºC) por 24 h antes de las pruebas de compresión.

El material de investigación fue de dos tipos: tipo I (diferenciado en campo como “trompo”, frutos con forma cónica a redonda, grandes y muy grandes, con masa promedio de 334.2 g, el color de la pulpa está entre suave a carmelita rojiza) y tipo II (diferenciado en campo como “huevos de venado”, frutos con forma ovalada, medianos con masa promedio de 246.7 g, el color de la pulpa va de suave a carmelita rojiza), (Figuras 1 y 2). Los factores estudiados en los experimentos fueron seleccionados con consideración, a la naturaleza del acomodo del fruto en los envases que utilizan los productores.

La prueba de compresión se realizó con un equipo Instron Universal Testing Machine^© modelo 3382 manejado por medio de una computadora equipada con el software BLUEHILL^Ò, utilizando dos platos paralelos de 15 cm de diámetro, con una capacidad de 100 kN (22,500 lb) y una velocidad de cruceta de 20 mm·min^-1. Los platos paralelos comprimieron una sola vez el fruto, registrándose en el software BLUEHILL^© una curva fuerza-deformación para cada fruto evaluado. Las distancias de desplazamiento de la cruceta se establecieron con base en el resultado de pruebas preliminares, se dividió la grafica en cuatro regiones homogéneas.

Se utilizó un diseño completamente al azar en un arreglo factorial 2x2x4. El primer factor fue el tipo de fruto con dos niveles: tipo I (T) y tipo II (H). El segundo factor fue la posición del fruto en la compresión mecánica con dos niveles: pedúnculo perpendicular a la superficie de compresión (H) y pedúnculo paralelo a la superficie de compresión (V) (Figuras 1 y 2). El tercer factor fue la distancia de desplazamiento de la cruceta del equipo de compresión con cuatro niveles: distancia 1, distancia 2, distancia 3 y distancia 4 (punto de ruptura del fruto). Para cada tipo de fruto se obtuvieron los siguientes tratamientos: TH1, TH2, TH3, TH4, TV1, TV2, TV3, TV4, HH1, HH2, HH3, HH4, HV1, HV2, HV3, HV4. Como unidad experimental se empleo un fruto y las variables se evaluaron con cinco repeticiones, para lo cual se ocuparon 80 frutos. Adicionalmente se empleó un control para cada tipo de fruto. Los controles se incluyeron para comparar la respuesta fisiológica por los diferentes niveles de compresión.

Las variables mecánicas evaluadas fueron: carga de compresión reportada en N, deformación, mm·mm^-1, esfuerzo máximo, MPa, energía al máximo extensión por compresión, J y módulo de Young, MPa.

Las variables respuesta se analizaron mediante análisis de varianza y cuando hubo diferencias significativas se hizo la comparación de medias con la prueba de Tukey (α≤ 0.05) por cada día de evaluación. Se empleó el paquete computacional Statistical Analysis System^© (SAS, 2000).

Los datos de respiración y producción de etileno fueron graficados con el paquete computacional Microsoft Office Excel 2007 donde se señala la comparación de medias entre los tratamientos.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Respuesta fisiológica a la compresión axial

Para el tipo I con posición de compresión vertical, la actividad respiratoria muestra incrementos significativos en comparación con los frutos intactos a partir del cuarto día (Figura 3). Existe una razón proporcional al grado de compresión. La máxima producción de etileno fue en el cuarto día de evaluación, antecediendo al máximo de CO₂ que resultó en el día cinco (Figura 3). Los máximos valores de la intensidad respiratoria y producción de etileno estuvieron determinados por el tratamiento TV3 y HV3. 

Los tratamientos para los frutos comprimidos, en posición horizontal para el tipo I mostraron valores más pequeños, en velocidad de respiración y producción de etileno, en todos los días de evaluación, con respecto a los frutos comprimidos en posición vertical (Figura 3). Se observa una pequeña diferencia estadística para el segundo día de evaluación entre los tratamientos TH2 Y TH3 con respecto a los tratamientos TH1 y testigo de tales frutos. Los valores más altos fueron alcanzados en el tercer día, 29.9 µL kg^-1 h^-1, 48.1 mL CO₂ kg^-1 h^-1 en el tratamiento TH3, para etileno y CO₂ respectivamente. Aunque los valores para etileno y CO₂ en el mismo tipo, para la posición vertical fueron de 115.4 µL kg^-1 h^-1 y 80.74692 mL CO₂ kg^-1 h^-1. Se presenta una respuesta de etileno y CO₂ con valores mayores, como consecuencia de los tratamientos con compresión en la posición vertical.

Los valores de CO₂ y etileno, en la posición horizontal no mostraron diferenciación estadística clara, aunque en esta posición los valores de la respuesta fisiológica son menores, lo cual mantendría un periodo de almacenamiento posible más largo; con respecto a los frutos comprimidos en posición vertical.

Las diferencias que se presentaron, al inicio de la evaluación posiblemente se debieron a la heterogeneidad en el grado de madurez de los frutos, debido a que los índices de madurez comercial utilizados por los productores, se concentran más en la apreciación visual, por lo que aún existen problemas con respecto a los índices de madurez, la época de cosecha y el manejo agronómico también influye.

La intensidad respiratoria presentó diferencias estadísticas hasta el cuarto día de evaluación entre los tratamientos con compresión en el tipo II, respecto al control, ocurriendo una marcada diferencia en el día cinco, en frutos comprimidos en posición vertical Figura 4. Para la variable etileno, las diferencias significativas a la compresión, se presentaron en el cuarto y quinto día de la evaluación, para la misma posición del fruto (Figura 4).

Para los frutos de Manilkara sapota tipo II con compresión, el aumento en la respiración, se igualó con la producción de etileno, en el día de evaluación, presentando los máximos en la posición vertical, de 161.0 µL kg^-1 h^-1, 108.9 mL CO₂ kg^-1 h^-1, respectivamente (Figura 4). Según Bautista et al. (2005), el patrón de maduración de frutos de chicozapote, tipo fino, en lo que respecta a intensidad respiratoria presentó un comportamiento climatérico con un máximo de 21.3 mL CO₂ kg^-1 h^-1 al octavo día. Este comportamiento resultó similar al reportado por Baez et al. (1997), quienes muestran una producción de 27 mL de CO₂ kg^-1 h^-1 al sexto día (20 ºC, 85% de H.R.). Las diferencias en los valores reportados se pueden atribuir al lugar de procedencia, época de cosecha y condiciones de maduración o también a la sensibilidad de los equipos utilizados para medir estas variables. En este caso los valores en etileno para el tratamiento control están más de acuerdo con Rao y Chundawat (1992), para la variedad Kirthabathi que produjo 30 µL kg^-1 h^-1, al sexto día (26-30 ºC; 60-70% de H.R.). Discrepando con Bautista et al. (2005), que reporta la máxima producción de etileno al séptimo día (6.4 µL kg^-1 h^-1) en chicozapote tipo fino.

Lo anterior pone de manifiesto la velocidad de deterioro del chicozapote sometido a los diferentes tratamientos con compresión. En este caso, el comportamiento fisiológico de los frutos con alguna compresión no difiere estadísticamente del comportamiento, mostrado por los frutos control, mientras que no se alcanza el cuarto día de evaluación.

La actividad respiratoria, reportada en los frutos del tipo II comprimidos en posición horizontal solo muestra diferencia significativa en los frutos con el más alto recorrido de la cruceta para el primer y tercer día de la evaluación con respecto al control. Para la variable etileno prácticamente no existió diferencia en los diferentes tratamientos. La posición horizontal mostró los más bajos niveles de etileno y CO₂, para este tipo, comparando los frutos con compresión y los frutos intactos, en la posición vertical. Los frutos de este tipo en la posición horizontal alcanzaron los valores mayores de etileno y CO₂, coincidiendo en el tiempo de evaluación, 49.5 µL kg^-1 h^-1, 83.0 mL CO₂ kg^-1 h^-1.

En sandías, la actividad respiratoria de los frutos fue poco afectada después del daño mecánico (compresión estática de un peso de 58.8 N durante una h) durante las 36 horas en las cuales fue monitoreado el experimento, aunque todos los frutos dañados respiraron más que los frutos control; verificándose que después de 11 h hubo incremento en la I.R. para los frutos dañados, posteriormente con decrecimiento después de las 24 h de inicio del experimento (Durigan et al., 2007b).

Propiedades mecánicas a la compresión

La curva incrementa casi linealmente (Figura 5) hasta un valor de fuerza máximo. Enseguida ocurre la fractura seguida por un decremento en la carga, con un incremento en la deformación, después del punto máximo; este punto máximo es designado como “punto de ruptura”, correspondiendo a la falla en la macro estructura del espécimen de chicozapote; la siguiente región después de la caída de carga continúa incrementándose, debido a que el espécimen fracturado fue compactado. La curva para chicozapote, corresponde a una curva sin punto de biocedencia definido en (Asae standard, 2005).

 Máxima carga de compresión

Se muestra diferencia entre el tratamiento TV1 y los tratamientos TV2 y TV3, para los valores medios de fuerza en la posición vertical, del tipo I, con el valor máximo alcanzado por el tratamiento TV3 de (4)50.40 N (Cuadro 1).

Para la posición horizontal existe diferencia significativa, entre el tratamiento TH3 con respecto a los tratamientos TH1 y TH2, con el valor máximo de fuerza para esta posición de 76.90 N, alcanzado por el tratamiento TH3.

Para el tipo II las diferencias estadísticas en la posición horizontal ocurrieron, entre el tratamiento HH1 con respecto a los tratamientos HH2 y HH3, con un valor máximo de 50.16 N, sin diferencia significativa entre estos últimos.

Existió diferencia significativa entre el tratamiento HV3, con respecto a los otros tratamientos, en los valores medios de fuerza de compresión, para el tipo “II” vertical, con un máximo de 15.74 N.

En los frutos en posición horizontal, se requiere mayor carga para alcanzar el límite de desplazamiento de cruceta máximo, antes del punto de ruptura; independientemente del tipo, (II con 50.16 N y I con 76.90 N), el tipo que requiere mayor carga para alcanzar el punto tres es el “I”. En esta posición es su descanso natural del tipo II.

Reportándose los menores valores, de carga de compresión para el tipo II en la posición vertical.

Se evidencia que un fruto de chicozapote en estado de madurez comercial, requiere de menor fuerza para alcanzar la ruptura del tejido, en la posición vertical independientemente del tipo, con respecto a la posición horizontal. Esto debido a la geometría de los mismos frutos, con una alta concentración de esfuerzos, en esta posición, la solicitación inicial se concentra sobre una pequeña área del fruto y a medida que avanza la prueba el desplazamiento de la cruceta deforma una mayor cantidad de área. Observándose un aplastamiento evidente en los frutos comprimidos en esta posición. El resultado se explica, en base a la forma como está orientada la distribución de los tejidos en el fruto (paralelos al pedúnculo), de esta manera los tejidos sufren compresión y acortamiento en la posición vertical, no así en la posición horizontal que actúan como elemento viga.

En frutos de melón (Cucumis melo L.) la posición que adopta el fruto resulta significativa en la carga requerida para la deformación, en donde la posición vertical ofrece la mayor resistencia (Villaseñor et al., 2006).

Esfuerzo y energía al máximo esfuerzo de compresión

Para el esfuerzo y energía de compresión, las diferencias significativas fueron similares entre sus respectivos tratamientos. Evidenciando los máximos respectivos de esfuerzo y energía de 0.012080 MPa y 0.32 J (Cuadro 1).

Deformación por compresión al máximo carga de compresión

La posición que adopta el fruto de melón durante la compresión es significativo en el grado de deformación del fruto y es mejor la posición horizontal durante la compresión (Villaseñor et al., 2006).

Módulo de Young

El modulo de Young está relacionado con la rigidez del tejido del fruto (Chen et al., 1987). Los diferentes tratamientos no difieren estadísticamente para la posición respectiva. Mostrando valores más altos para la posición vertical, independientemente del tipo, 0.21 MPa y 0.27 MPa para el tipo I y II respectivamente (Cuadro 1).

Se muestran valores similares a lo reportado por Finney et al. (1967) en los frutos de Prunus pérsica cv.” Late Alberta” 0.19 a 0.01 MPa, y de Pyrus cv Kieffer” de 0.28 a 0.11 MPa.

Esta situación en materiales biológicos puede ser explicada por el hecho de que ellas son organismos vivientes y sus células son sensibles a influencias tal como humedad. Temperatura, consumo de oxigeno y energía durante su desarrollo y almacenaje. Por consiguiente sus propiedades mecánicas como es el modulo de elasticidad cambia de acuerdo al día de cosecha, tiempo de almacenaje y condiciones de manejo.

CONCLUSIONES

• Los dos tipos de chicozapote mostraron sensibilidad fisiológica a la aplicación de cargas externas (daño mecánico). La producción de etileno y la velocidad de respiración se incrementaron significativamente por la carga aplicada en la posición vertical, lo que aceleró la senescencia del fruto.

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La aplicación de carga en los frutos desde una posición vertical se tradujo en un incremento en la respuesta fisiológica y una reducción de la carga máxima de compresión para alcanzar los niveles de desplazamiento de cruceta, comparados con su respectiva posición horizontal. Por lo que la mejor posición para manejar los frutos dentro de las cajas de transporte es en la posición horizontal.

• De acuerdo con los resultados obtenidos en el presente trabajo, se puede inferir que los parámetros mecánicos para protección de los frutos en cosecha, transporte y almacenamiento, deben ser basados en el comportamiento de los frutos a compresión en la posición horizontal, con el segundo desplazamiento de cruceta, si la compresión puede ser reducida por abajo de los umbrales antes referidos, encontrados en el estudio, sería posible reducir los niveles de daño y por consiguiente presentar un fruto fresco de calidad. Chicozapotes tipo II fueron muy sensibles a los daños por compresión a través del período evaluado; extremo cuidado debe ser ejercido en todas las veces que se maneja este tipo. Las variables mecánicas evaluadas; son significativamente influenciadas por la orientación, desplazamiento de cruceta y tipo. Esos resultados conjuntados con la respuesta fisiológica tienen importantes implicaciones en almacenar y transportar fruta con mejores posiciones y minimizar daño mecánico.

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