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Characterization of Some Physical-Mechanical and Chemical Properties of Cassava (Manihot esculenta Crantz)


ABSTRACT

The work approached the study of some of the physical - mechanical and chemical properties of a cassava clone (Manihot esculenta Crantz), specifically "Sweet Jagüey", belonging to a private producer in the " Valle del Yabú", Santa Clara Municipality, Villa Clara Province. As objective of the work was to evaluate some of the physical - mechanical and chemical properties of cassava in accordance with the established norms for an optimal postharvest management. Diverse experimental tests of the variety to study in the Bromatology Laboratory, in Center of Agricultural Investigations (CIAP) of Universidad Central “Marta Abreu”. Among the main results obtained are longitude 27.5 cm; circumference 16.0 cm; thickness of the peel 3,0 cm; thickness of the pulp 50.0 cm (average values). The total soluble solids (SST) oscillated between 4,5 and 7.5 oBrix; the pH oscillates between 6.06 and 7.2. The content of humidity of the pulp oscillates around 54%; while in the peel this value oscillates around to 67%. The impact tests showed little resistance to impacts of the order of 2037.72 (J) to 3245.76 (J), with a susceptibility of 0.14 and 3.9 which, together to its short shelf life (3 days), should be kept in mind in its postharvest handling. The results were analyzed by means of the statistical package ¨STATISTICA 8.0¨, and contrasted with previous investigations in this same cultivation in other countries of the area.

Keywords: 

cassava; physical-mechanical and chemical properties.

 


INTRODUCTION

Cassava is native of tropical America, before 1600. Their scientific name is (Manihot esculenta Crantz) also well-known as manioc, casava or casaba, it is a perennial bush of the family of the euphorbiaceous, autochthonous and widely cultivated in South Africa and the Pacific for its starch root of high alimentary value. Cassava is endemic of the subtropical region of Bolivia, Brazil, Argentina, Peru, Ecuador and Paraguay although it is considered that the varieties known today are the result of the artificial selection. Nowadays, cassava is extended in almost the whole tropical region of the world (Cevallos, 2002). Today, cassava is cultivated in 92 countries where it feeds more than 500 million people. Cassava (Manihot esculenta Crantz) is a kind of an amylaceous root that is cultivated in the tropics and sub-tropics, although it is one of the most important nutritious cultivations in the tropical countries, outside of them it is not very well-known. Cassava, as other farinaceous cultivations, is used for human and animal feeding and, in both cases, it is consumed in diverse forms like fresh and dried. It can be processed to obtain flour or pellets. More than 100 by-products of natural food or ingredients for breads and substances used in pharmaceutical industry can be obtained from cassava. It is very well-known that the studies related with the physical - mechanical and chemical properties of the agricultural products can report important information to the postharvest as optimum moment for the harvest, susceptibility to mechanical damages, storage life and organoleptic qualities, among others.

However, there are not plentiful investigation in cassava in this field. Nevertheless, certain authors (Adetan et al., 2003; Brito, 2017 and García et al., 2017) have reported investigations in some of these topics. On the other hand, it is known that in the sphere of Agricultural Engineering, these elements constitute the primary data bases for the design and machinery construction related with the crop, manipulation, container, transport, storage and marketing of agricultural productions.

For this reason, the general objective of this work is to evaluate some of the physical - mechanical and chemical parameters of cassava (Manihot esculenta Crantz) for an optimum postharvest management of the product.

METHODS

Methodology to Determine the Sample Size

The sample size was calculated using the student approach, reported by Carballo & Prado (1980) for each investigated component. A pre-experiment was carried out with 15 cassavas taken at random in the field (private producer) and they were subdivided in subgroups of 3. These samples were monitored in the days 1, 3, and 6 after harvesting, to observe the development and evolution of the root from its harvest until its senescence state. Besides, the tests of its physical, mechanical and chemical properties were performed in each development stage. A subgroup of the sample was placed inside a refrigerator, Haier brand, model HRF 25, during 6 days, to compare the changes that happen in the tubers in a controlled atmosphere of 4°C, with those kept in normal conditions of pressure, humidity and temperature. These investigations were carried out in the Bromatology Laboratory of Universidad Central “Marta Abreu”, Las Villas. The sample size was calculated for a mean error smaller than 5% and in a level of significance of 0.10.

Methodology to Determine the Development of the Tubers

For the determination of the tuber development, the different stages its progress were monitored, observing the interval of time since the formation of the floral bud, starting with the differentiation of the cone of growth, until the maturation of the fruit. Besides, bibliography related to the study topic was consulted and interviews to technicians, workers, engineers and personnel qualified in the branch were done.

Methodology to Determine the Main Physical-Mechanical Characteristics in Tubers

These analyses were developed in the Laboratory of Bromatology, in the Center of Agricultural Investigations (CIAP) of Universidad Central “Marta Abreu”, Las Villas.

The methodology to determine the characteristics of cassava was that referred by Martinez (2012). The following determinations were done.

Determination of the longitude of the tuber

It was determined by measuring with a metric tape from the distal end until the proximal end, where it is considered the pulp finishes.

Determination of the tuber circumference

The circumference of the tuber was determined by measuring the cassava with a metric tape in its widest point.

Determination of the thickness of the peel and the pulp

After cutting traversely in the central point, the tuber was peeled and the peel and the pulp were measured separately with a precision Vernier caliper. The sensibility (precision) of the instrument was of 0.01 mm.

Determination of the relationship pulp/peel

The pulp and the peel were separated and weighed individually. The relationship pulp/peel is calculated by dividing the weight of the pulp by the weight of the peel). For this a Ferton scale was used, with a precision of 0.0001 g.

Determination of the static and dynamic friction coefficients

The coefficients of friction were determined with the use of an apparatus that carries an inclined plane, which allows variations of inclination and a scale that facilitates to carry out readings from the angle to which is inclined the surface. Figure 1 shows a sample of free body on this device.

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FIGURE 1. 

Apparatus and free body for the determination of friction coefficient. Source: file of the author.

Where:

Fr

- Friction force, N;

N

- Normal, N.

Applying Newton second law:

Where:

m

- Mass, kg;

a

- acceleration, m/s²

The static coefficient of friction was measured in the moment in that the body breaks the movement and therefore:

  • The acceleration a = 0.

Starting from the equation (2) and knowing that:

Then:

To determine the dynamic coefficient, the same procedure was applied, but, in this case, a superficial impact was caused to the tuber to break the inertia.

Finally, by means of Equation (4), this indicator is determined.

This coefficient was determined before different surfaces such as:

  • Steel, rubber and wood.

Methodology for the determination of the total soluble solids (SST)

It was determined according to the Cuban norm (NC-ISO: 2173-01, 2002).

Methodology for the determination of pH

It was determined according to the Cuban norm (NC-ISO: 1842-01, 2002).

Mensuration of dry matter content and ash

It was determined according to the Cuban NRAG-103:1979 (1980); NRAG-105:1979 (1980).

Methodology to determine the mechanical damages

It was determined according to Martinez (2012), through the following protocol:

A manual instrument, which carries a graduate scale from the floor until their maximum height (1.20 m), varying in 0.15 m, allowed falling in free fall the selected tubers, with well-known averages masses (194 g, 208.5 g and 276 g), from a selected height similar to 1.20 m, on steel surface (the rubber surfaces and wood were not used for this test). The biggest height was selected, to simulate the maximum damage that could be infringed to the tuber, using this device. On the other hand, the manipulation of this product in the rammer and placement of the product in the means of transport occurs in heights similar and superior to this range. The masses of the valued tubers were selected keeping in mind the mean behavior of the samples investigated in this indicator. In all cases, it was allowed lapsing 48 hours after the provoking impacts and the parameters that characterize the mechanical damages for impacts were calculated.

Methodology to estimate the starch

It was determined according to Toro & Caña (1983). They took three fresh roots of cassava per variety or lot (approximately 3 kg), preferably recently harvested, of different sizes and thicknesses. The roots were cleaned with the upper part of a knife and the stuck earth, the root and the peduncle were retired

Once registered the weight of the roots in the air and in the water, the specific gravity was calculated using the following formula:

Where:

GE

- Specific gravity;

PFRAI

- Fresh weigh of the roots in the air;

PFRAG

- Fresh weigh of the roots in the water.

Since the content of starch in fresh roots of cassava constitutes around 85-90% of the dry matter content (MS), the content of starch can be estimated by taking an average of this range (0.875) and using the following formula:

Methodology for the physiologic deterioration

A group of 10 cassava roots were selected with a minimum size of 18 cm, without mechanical damages and without pre-harvest deterioration. Distal and proximal the extremes of the roots were discarded by cutting them with a knife, so that the root section to evaluate was approximately 15 cm long (Aristizábal et al., 2007). Then, the distal side was covered with a piece of PVC (plastic piece of polyvinyl chloride) to maintain the humidity and to avoid that the physiologic deterioration began from this surface and this way it will be developed only from the proximal end. This way the deterioration will only be developed from the proximal end. Later on the roots were stored in a place protected from the sun and the rain, but exposed outdoors (Bromatology Lab). They were evaluated after three days of storage. To avoid the microbial contamination, the roots were transversely cut in sections at the 2, 4, 6, 8, 10, 12 and 14 cm starting from the proximal end. A total of seven sections were obtained. 3 roots of each treatment or variety was evaluated to obtain the average of the grand total of the values of the seven evaluated traverse sections.

The percentage of deterioration was determined using the following expression:

Methodology for the cooking tests

In the field, 3 cassavas were taken at random (1 kg), they were peeled and 1.5L of water was added at room temperature. They began to boil in an electric burner during 30 minutes, later that water is discarded and it is returned to add the same quantity of water to ambient temperature and it was allowed boiling 30 minutes more. This experiment had like object to determine the specific energy consumption kW-h.kg-1 of cooked cassava. This characteristic has been studied in cooking bananas for Dadzie & Orchard (1997), but similar studies are not known in cassava, consequently, this investigation could contribute information in this field, such as: easiness of peeled, stability of the pulp before and after boiling it, adsorption of water by the pulp and duration of the cooking or boiling. In this case, the duration of the cooking and their specific consumption of energy were observed.

Methodology for the prosecution and statistical analysis of the data

The obtained data of the readings of each established variables were tabulated by means of the electronic tabulator Microsoft Excel. For the data processing the statistical package Statistica 8.0 was used. Procedures of comparisons of descriptive statistics, statistical summaries, charts of frequency, and histograms in all the variables and valued treatments were applied.

RESULTS AND DISCUSSION

Sample size

According to Carballo & Prado (1980), the sample size for the impact tests was determine and it was of 15 roots (cassava), while for the determination of the physical-mechanical and chemical properties for the laboratory analyses the sample size took three samples (triplicate), in accordance with the protocols of the Bromatology Lab in Center of Agricultural Investigations (CIAP) of Universidad Central “Marta Abreu”.

Obtained results related with the development of the tubers

As Gomez et al. (1983) referred, the evolution of the tuber demands approximately several weeks (36). When the development of the tuber has finished the plant begins to lose part of its leaves. In our case, the investigated roots were taken in the good moment for the crop, in the second week of January, 2017 (38 weeks).

Main physical-mechanical characteristics

In Table 1 the results of the physical-mechanical characteristics evaluated in the roots (cassava) studied (variety Jagüey dulce) are presented.

TABLE 1. 

Physical-mechanical characteristics obtained. Source: Own elaboration

Valued parameterMinimum valueMaximum valueMean value
Longitude (cm)223327.5
Circumference (cm)151716
Thickness of the peel (mm)243
Thickness of the pulp (mm)465450
Relationship pulp/peel4.554.75

From the analysis of the previous table, it can be observed that the longitude presents a mean value similar to 27.5 cm; the circumference a mean a value of 16 cm; the thickness of the peel a value of 3 mm; the thickness of the pulp a value of 50 mm and the relationship pulp/peel a coefficient of 4.75. These indicators are inside the ranges of other varieties of existent cassava in the country.

Tests of friction: The friction tests were made in tubers immediately after harvesting (Table 2). The friction coefficients in rubber surface were the biggest values obtained, followed by the ones in steel surface, while in wooden surface the values dropped. The former is an expected result, but not the latest, due to the higher roughness of wood respect to steel.

TABLE 2. 

Results of the friction coefficients. Source: Own elaboration

DaysFriction coefficientsMinimum valueMaximum valueMean value
1steel 0.750.940.84
1rubber 0.780.960.87
1wooden 0.670.900.78
3steel 0.510.620.57
3rubber 0.530.730.63
3wooden 0.550.780.67
6steel 0.580.670.63
6rubber 0.580.700.64
6wooden 0.470.750.61

Total soluble solids

The obtained results referred to the total soluble solids (SST), are shown in Figure 1. In this case, the biggest values were presented in the tubers with a later day to the crop. It was diminishing progressively in the third and sixth days after harvesting. In the case of the refrigerated sample, this value went down significantly with regard to the first later day to the crop. That indicates that it could be influenced by the acidification of the cassava roots; for what would be interesting to deepen in this indicator in future investigations. In studies made by Scott (2002), this indicator was not analyzed.

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FIGURE 1. 

Evolution of the total soluble solids (SST) in the investigated roots. Source: Own elaboration.

pH

The obtained results referred to the pH, are presented in Figure 2. In this case, in the first day of harvested the samples possess a value next to neuter (7.15), while in the third day after harvesting the highest value was presented (7.2). On in the sixth day, a small falling took place (7,03), while in the refrigerated sample, the pH drop was presented (6.96), which indicated an acidification process. These results are referred to cassava roots and not to the starch. The pH in the native starch should be between 6.0 and 6.5 (ISI, 1999).

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FIGURE 2. 

Evolution of the pH. Source: Own elaboration.

Humidity of the peel, the pulp and the dry matter content

Results are shown in Figure 3. In this case, the content of humidity in the peel remained constant during the period analyzed with values next to 67%, while the dry matter content values were on 33%. The content of humidity in the pulp was 54% and the dry matter content in the pulp oscillates in values next to 46%. However, in investigations made by Llanos & Buitrago (2002), dry matter content in fresh roots were between 20 and 45%, next to the results obtained in this work. While in the content of humidity the values obtained by these authors oscillate between 55 and 80%, which coincides with the results obtained in this work.

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FIGURE 3. 

Humidity content and dry matter content of the peel and the pulp. Source: Own elaboration.

Mechanical damages

These analyses were carried out immediately after harvesting the roots evaluated (Tables 3 and 4). Roots were dropped from a height of 1.05 m and 1.20 m, with impact energy that oscillated between a minimum of 2037.72 (J) and a maximum of 3245.76 (J). These heights were valued to obtain a frontier of the maximum possible damage caused to the roots using the available instrument in this investigation.

Results presented in Tables 4 and 5, show the behavior of the damages for impact of dropping tubers from different heights (1.05 - 1.20 m) on steel surfaces. It can be appreciated that, as the height increases, the impact energy increases, presenting the root a bigger susceptibility to the damages provoked, mainly to those induced in the steel surface with impact energy similar to 3245.76, with a susceptibility of 3.9. They were the values obtained for the biggest height of the tuber falling, affecting this way, not only the surface of the cassava, but also its pulp. As it was said in Materials and Methods these tests were carried out with different impact energy. According to Martínez (2012), the mechanical damages are one of the main factors in post harvesting deterioration of agricultural products. It also affects the low quality of marketing and prices, and because of that, it is very important to minimize the possible damages caused in the manipulation of the product.

TABLE 3. 

Results of the impact damages in the tubers dropped from 1.05 m of height Source: Own elaboration

Height (m)Mass (g)Impact energy (J)SusceptibilityArea of the contusion (cm²) Volume of the contusion (cm³)
1.05182037.720.146.3628.61
1.05205.132110.780.187.9039.25
1.052842922.360.4517.6132.46

TABLE 4. 

Results of the impact damages in tubers dropped from 1.20 m of height Source: Own elaboration

Height (m)Mass (g)Impact energy (J)SusceptibilityArea of the contusion (cm²)Volume of the contusion • (cm³)
1.201942281.440.112.326.45
1.20208.052446.080.071.918.05
1.202763245.763.93.976.05

Estimate of Starch

The results obtained while estimating starch in cassava were of 47.56%, however, in investigations carried out by Toro & Caña (1983), these values oscillated between 17.5% and 39.4%, which indicates that the variety analyzed in this work presents significant difference with regard to those evaluated by Toro & Caña (1983). That could be given by the different climate conditions in both countries; as well as for the different cassava clones evaluated.

Physiologic deterioration

The results obtained in the physiologic deterioration three days after harvesting the tuber were of 20.4%. That indicates an express deterioration of the tuber at environmental conditions, due to that the importance of a careful handling and conservation of the tuber. Wheatley (1983), reported that the physiologic deterioration in cassava varies from 0% to 100%, depending on the age of the cultivation at the moment of the harvesting, as well as on the climate condition in which the plants grow. Storage conditions have also to be considered due to cassava little warehouse life (shelf) as Wheatley (1983) & Thompson (1998) referred.

Cooking tests

Cooking tests demonstrated that the variety of cassava "sweet Jagüey" presented a total softening, it is ready for the consumption in one hour, with an energy consumption of 1 KW-h.kg-1 of cooked cassava. This indicator showed that in this time period, the pulp is cooked well, remains shaped and not watery. This indicator could be used as reference for other cultivated varieties of cassava in Cuba.

Statistical Analysis

Statistical analysis of the static and dynamic friction coefficients was carried out by means of the professional package Statistica, 8.

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FIGURE 4. 

Results of the calculation of static and dynamic friction coefficients by means of statistical analysis Box and Whisker Plot in cassava with 1 day of harvested. Source: Own elaboration.

In Figure 4, it could be appreciated that the maximum values of the static coefficients of friction were presented in the rubber surface, followed by the values obtained in the wooden surface and culminating in the steel surface, with the lowest values. That is a prospective result, keeping in mind the grade of superficial ruggedness of these surfaces. In the dynamic coefficients of friction the biggest value coincides with the rubber surface, however, in the second place the values obtained in the steel surface appeared. It could be given by the same phenomenon described in the static coefficients of friction, but in an opposite way.

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FIGURE 5. 

Results of the calculation of static and dynamic friction coefficients by means of statistical analysis Box and Whisker Plot in cassava with 3 days of harvested. Source: Own elaboration.

In Figure 5, it could be appreciated that the maximum values of the static coefficients of friction were presented in the wooden surface, continued by the values obtained in the rubber surface and culminating with those obtained for the steel surface as the lowest. That is a prospective result, keeping in mind the grade of superficial ruggedness of these surfaces. However, in the coefficients of dynamic friction the same effect was presented, but in this case the values obtained in both coefficients diminished with regard to the first day (Fig. 4), which could be given by the grade of deterioration of the cassava skin or peel.

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FIGURE 6. 

Results of the calculation of static and dynamic friction coefficients by means of statistical analysis Box and Whisker Plot in cassava with 6 days of harvested. Source: Own elaboration.

In Figure 6, it could be appreciated that the maximum values of the static coefficients of friction were presented in the wooden surface, continued by the values obtained in the rubber surface, culminating in the steel surface, with the lowest value, which is a prospective result, keeping in mind the grade of superficial ruggedness of these surfaces. However, in the coefficients of dynamics friction a contradiction was presented when a counter-effect appeared in the wooden and similar in the rubber and steel surface, having as a constant that, the values obtained in both coefficients of friction diminished with regard to the third day (Fig. 5). That could be given by the grade of deterioration of the cassava skin or peel. These results differ significantly from the ones obtained by García et al. (2017), who obtained values of the static friction coefficient for two cassava varieties (Reyna and Paigua Negra) without bark in contact with the steel, between 0.41 and 0.39. Aristizábal et al. (2007), found values that oscillate between 0.30 and 0.65, according to different surfaces of friction, but referred to peeled cassava. On the other hand, other investigators have studied another physical-mechanical characteristics of cassava such as percentage in weight of the skin or peel, thickness of the peel, diameter of the roots, hardness (penetration force), determining different correlations among these variables (Adetan et al., 2003), some of which have not been study object in this work.

CONCLUSIONS

The influence of the climatic variables in the physical-mechanical and chemical properties for the samples of tubers monitored 1, 3 and 6 days after harvesting showed the following results:

  • The pH, showed few significant changes on days after harvesting.

  • The variable total soluble solids (SST) did not present differences among the analyzed samples the third and sixth days after harvesting, but it had differences deal with the first day without refrigeration and the first refrigerated day.

  • The tests of impact of the order from 2037.72 (J) to 3245.76 with susceptibilities of the order of 0.14 and 3.9, reaffirmed the delicacy of these tubers to mechanical damages, which together to their little shelf life (3 days), confirmed the importance of an appropriate postharvest manage of this tuber.

REFERENCES

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Carlos M. Martínez-Hernández, Prof. Titular. Universidad Central “Marta Abreu”de las Villas. Carretera a Camajuaní km.5.5, CP: 54830. Santa Clara,Villa Clara, Cuba, Tel: 53-42-281692. Fax: 53-42-281608, e-mail: carlosmh@uclv.edu.cu

Isys Brito-Castillo, e-mail: carlosmh@uclv.edu.cu

The authors of this work declare no conflict of interest.

This article is under license Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)  


 

ARTÍCULO ORIGINAL

 

Caracterización de algunas propiedades físico-mecánicas y químicas de la yuca (Manihot esculenta Crantz)


RESUMEN

El trabajo abordó el estudio de algunas de las propiedades físico- mecánicas y químicas de un clon de yuca (Manihot esculenta Crantz), específicamente “Jagüey Dulce” perteneciente a un productor privado en el “Valle del Yabú” en el municipio de Santa Clara, provincia Villa Clara. Como objetivo del trabajo se planteó la posibilidad de evaluar algunas de sus propiedades físico- mecánicas y químicas de acuerdo con las normas establecidas para un óptimo manejo poscosecha. Se realizaron diversas pruebas experimentales de la variedad objeto de estudio en el laboratorio de Bromatología, en el Centro de Investigaciones Agropecuarias (CIAP) de nuestra facultad. Dentro de los principales resultados obtenidos se destacan: longitud 27,5 cm; circunferencia 16,0 cm; grosor de la cáscara 3,0 cm; grosor de la pulpa 50,0 cm (valores medios). Los sólidos solubles totales (SST) oscilaron entre 4,5 y 7,5 oBrix; el pH osciló entre 6,06 y 7,2. El contenido de humedad de la pulpa osciló alrededor de 54%; mientras en la cáscara este valor osciló en valores próximo a 67%. Los ensayos de impacto mostraron poca resistencia a impactos del orden de 2037,72 (J) a 3245,76 (J), con una susceptibilidad de 0,14 y 3,9 lo cual, unido a su poca vida de anaquel (3 días) debe ser tenido en cuenta en su manejo poscosecha. Los resultados fueron analizados mediante el paquete estadístico ¨STATISTICA 8.0¨, y contrastados con investigaciones anteriores en este mismo cultivo en otros países del área.

Palabras clave: 

yuca; propiedades físico-mecánicas y químicas.


INTRODUCCIÓN

La yuca es originaria de América tropical, antes de 1600. Su nombre científico es (Manihot esculenta Crantz) también conocida como mandioca, casava o casabe, es un arbusto perenne de la familia de las euforbiáceas, autóctona y extensamente cultivada en Sudáfrica y el Pacífico por su raíz almidonosa de alto valor alimentario. La yuca es endémica de la región subtropical de Bolivia, Brasil, Argentina, Perú, Ecuador y Paraguay aunque se estima que las variedades hoy conocidas son efecto de la selección artificial. Hoy día, la yuca está extendida en casi toda la región tropical del mundo (Cevallos, 2002). La yuca se siembra hoy en 92 países donde alimenta a más de 500 millones de personas. La yuca (Manihot esculenta Crantz) es una especie de raíces amiláceas que se cultivan en los trópicos y sub-trópicos, a pesar de que es uno de los cultivos alimenticios más importantes de los países tropicales, fuera de ellos es muy poco conocida. La yuca, como otros cultivos farináceos, es utilizada tanto en la alimentación humana como en la animal y en ambos casos se consume lo mismo fresca que seca. Esta se puede procesar de forma de harina o pellets. Para la alimentación humana y animal puede consumirse de diversas formas. También se pueden obtener más de 100 subproductos de alimento natural o ingredientes para panes y sustancias utilizados en la industria farmacéutica. Es bien conocido que los estudios relacionados con las propiedades físicas - mecánicas y químicas de los productos agrícolas pueden reportar información importante a la poscosecha tales como:

  • Momento óptimo para la cosecha;

  • Susceptibilidad a daños mecánicos;

  • Vida de almacenamiento;

  • Cualidades organolépticas entre otras.

Sin embargo en este cultivo no abundan investigaciones en este campo, aunque determinados autores Adetan et al. (2003); Brito (2017); García et al. (2017), reportan investigaciones en algunos de estos tópicos. Por otra parte, se conoce que en la esfera de la Ingeniería agrícola, estos elementos constituyen los datos primarios bases para el diseño y construcción de maquinaria relacionada con la cosecha, manipulación, envase, transporte, almacenamiento y mercadeo de las producciones agrícolas.

Por esta razón, en este trabajo se planteó el siguiente objetivo general: evaluar algunos de los parámetros físicos-mecánicos y químicos de la yuca (Manihot esculenta Crantz) para un óptimo manejo poscosecha del producto.

MÉTODOS

Metodología empleada para determinar el tamaño de la muestra

El tamaño de la muestra fue calculado utilizando el criterio de Student, reportado por Carballo y Prado (1980), para cada componente investigado. Se realizó un pre-experimento con un total de 15 yucas tomados al azar en el campo de un productor privado del territorio, motivado por algunas de las características físico-mecánicas y organolépticas de la variedad en estudio y su disponibilidad, entre las cuales se destacaron: el espesor de la cáscara, color y consumo específico de energía en la labor de cocción. Las muestras objeto de investigación fueron subdivididas en subgrupos de 3, estas muestras fueron monitoreadas en los días 1, 3, y 6 posterior a la cosecha, permitiendo observar el desarrollo y evolución de la raíz desde su cosecha hasta su estado de senescencia, además de permitir en cada etapa de desarrollo realizar las pruebas de sus propiedades físico, mecánicas y químicas. Un subgrupo de la muestra se colocó en el interior de un refrigerador, marca Haier, modelo HRF 25, durante 6 días, permitiendo comparar los cambios que ocurren entre los tubérculos que se encuentran en una atmósfera controlada a una temperatura de 4°C, con los conservados en condiciones normales de presión, humedad y temperatura. Estas investigaciones se realizaron en el Laboratorio de Bromatología, de la Facultad de Ciencias Agropecuarias de la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas. El tamaño de la muestra se calculó para un error de la media menor de 5% y en un nivel de significación de 0,10.

Metodología empleada para determinar el desarrollo de los tubérculos

Para la determinación del desarrollo de los tubérculos se mantuvo un seguimiento de las diferentes etapas de progreso del mismo, observando el intervalo de tiempo desde que comienza la formación de la yema floral, que se inicia con la diferenciación del cono de crecimiento hasta la maduración del fruto. Además de apoyarnos en bibliografía relacionada al tema de estudio, entrevistas con técnicos, obreros, ingenieros y personal calificado en la rama.

Metodología para la determinación de las principales características físico-mecánicas en tubérculos

Estos análisis se desarrollaron en el laboratorio de Bromatología, en el Centro de Investigaciones Agropecuarias (CIAP) de nuestra facultad.

Según Martínez (2012), la metodología para la determinación de algunas de las características de las yucas se muestra a continuación:

Determinación de la longitud del tubérculo

Se determinó midiendo con una cinta métrica desde el extremo distal hasta el extremo proximal, dónde se considera que termina la pulpa.

Determinación de la circunferencia del tubérculo

La circunferencia del tubérculo se determinó midiendo la yuca con una cinta métrica en su punto más ancho.

Determinación del grosor de la cáscara y de la pulp

Después de cortar transversalmente en el punto central, el tubérculo se pela y se mide la cáscara y la pulpa por separado con un pie de rey. La sensibilidad (precisión) del instrumento fue de 0,01 mm.

Determinación de la relación pulpa/cáscara

Se separan la pulpa y la cáscara, se pesan individualmente y se expresan como una relación pulpa/cáscara (es decir, el peso de la pulpa dividido entre el peso de la cáscara), para esto se utilizó una balanza marca Ferton, con precisión de 0,0001 g.

Determinación del coeficiente de fricción estático y dinámico

Los coeficientes de fricción: se determinaron con la utilización de un aparato que porta un plano inclinado, el cual permite variaciones de inclinación y porta una escala que posibilita realizar lecturas del ángulo al cual está inclinada la superficie. La Figura 1 muestra el esquema de cuerpo libre de este dispositivo.

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FIGURA 1. 

Cuerpo libre y aparato para la determinación del coeficiente de fricción. Fuente: Archivo del autor.

donde:

Fr

- fuerza de rozamiento, N;

N

- normal, N.

Aplicando la segunda ley de Newton:

donde:

m

- masa, kg;

a

- aceleración, m/s²

El coeficiente de fricción estático se midió en el momento en que el cuerpo rompe el movimiento y por lo tanto:

  • La aceleración a = 0.

A partir de la ecuación 1 y conociendo que:

Entonces:

En el caso del coeficiente dinámico, para su determinación se aplica el mismo procedimiento pero en este caso se le provoca un impacto superficial al tubérculo para romper la inercia.

Finalmente mediante la ecuación 4 se determina este indicador.

Este coeficiente se determinó ante diferentes superficies tales como:

  • Acero; goma y madera, motivado por el uso de estas superficies en los equipos encargados de recolectar, transportar, beneficiar, almacenar y conservar este tipo de producto.

Metodología para la determinación de los sólidos solubles totales (SST)

Se determinó de acuerdo con la norma cubana (NC-ISO: 2173-01, 2002).

Metodología para la determinación del pH

Se determinó de acuerdo con la norma cubana (NC-ISO: 1842-01, 2002).

Medición del contenido de materia seca y cenizas

Se determinó de acuerdo con la norma cubana NRAG-103:1979 (1980); NRAG-105:1979 (1980).

Metodología para determinar los daños mecánicos

Se determinó de acuerdo con lo estipulado por Martínez (2012), a través del siguiente protocolo:

Empleando un instrumento manual, el cual porta una escala graduada desde el suelo hasta su máxima altura (1,20 m), variando en 0,15 m, se dejó caer en caída libre los tubérculos seleccionados, con masas promedios conocidas (194 g, 208,5 g y 276 g), a una altura seleccionada igual a 1,20 m, sobre superficie de acero (no fueron utilizadas las superficies de goma y madera para este ensayo). Se seleccionó la mayor altura, motivado en el máximo daño que pudiera ser infringido al tubérculo, utilizando este dispositivo. Por otra parte, la manipulación de este producto en la estiba y colocación del producto en los medios de transporte se enmarca en alturas similares y superiores a este rango. Las masas de los tubérculos evaluados se seleccionaron teniendo en cuenta el comportamiento medio de las muestras investigadas en este indicador. En todos los casos, se dejó transcurrir 48 horas posteriores a los impactos provocados y se calcularon los parámetros que caracterizan los daños mecánicos por impactos.

Metodología para la estimación del almidón

Se determinó de acuerdo con Toro y Caña (1983), se tomaron de tres raíces frescas de yuca por variedad o lote ( 3 kg) preferiblemente recién cosechadas, de diferentes tamaños y grosores. Se limpiaron las raíces con el lomo de un cuchillo y se retiró la tierra adherida, las raicillas y el pedúnculo.

Una vez registrados los pesos de las raíces en el aire y en el agua se calculó la gravedad específica empleando la siguiente fórmula:

dónde:

GE

- gravedad específica;

PFRAI

- peso fresco de las raíces en el aire (PFRAI);

PFRAG

- peso fresco de las raíces en el agua (PFRAG).

Dado que el contenido de almidón en raíces frescas de yuca constituye alrededor del 85-90% del contenido de materia seca (MS), el contenido de almidón puede ser estimado, tomando un promedio de este rango (0,875), por medio de la siguiente fórmula:

Se utilizó esta metodología por ser un método sencillo y por no disponer de equipamiento moderno en el laboratorio de bromatología para llevar a efecto este análisis. En Aristizábal et al. (2007) se reportan los métodos y equipamientos necesarios para efectuar este tipo de análisis de forma exhaustiva.

Metodología para el deterioro fisiológico

Se seleccionaron 10 raíces de yuca con un tamaño mínimo de 18 cm, sin daños mecánicos y sin pudrición pre cosecha. Se descartó los extremos distal y proximal de las raíces cortándolos con un cuchillo, de manera que la sección de raíz a evaluar fuera de aproximadamente de 15 cm de largo. Después se cubrió el lado distal con una película de PVC (Película de plástico de cloruro de polivinilo) para mantener la humedad y evitar que el deterioro fisiológico comenzara desde esta superficie y así forzar el desarrollo desde el extremo proximal. De esta forma el deterioro se desarrollará solamente desde el extremo proximal; posteriormente se almacenaron las raíces en un lugar protegido del sol y de la lluvia pero expuesto al aire libre (laboratorio de bromatología). Se evaluaron después de tres días de almacenamiento. Para evitar la contaminación microbiana; se cortaron transversalmente las raíces en secciones a los 2, 4, 6, 8, 10, 12 y 14 cm a partir del extremo proximal. Se obtuvo un total de siete secciones para evaluar. Se evaluaron 3 raíces de cada tratamiento o variedad para obtener el promedio de la suma total de los valores de las siete secciones transversales evaluadas.

El porcentaje de deterioro se determinó empleando la siguiente expresión:

Metodología para las pruebas de cocción (calidad de cocción

Se tomaron 3 yucas al azar en el campo (1 kg), se pelaron y se le añadió un litro y medio de agua a temperatura ambiente, se pusieron a hervir en una hornilla eléctrica durante 30 minutos, después se desecha esa agua y se le vuelve agregar la misma cantidad de agua a temperatura ambiente y se dejó hervir durante 30 minutos más. Este experimento tiene como objeto la determinación del consumo específico energético kW-h.kg-1 de yuca cocida. Esta característica ha sido estudiada en plátanos de cocción por Dadzie y Orchard (1997), pero no se conocen estudios semejantes en yuca, por lo que el mismo pudiera aportar informaciones en este campo, tales como: facilidad de pelado, firmeza de la pulpa antes y después de hervirla, adsorción de agua por la pulpa y duración de la cocción o hervido. En este caso se observó la duración de la cocción y su consumo específico de energía.

Metodología para el procesamiento y análisis estadístico de los datos

Los datos obtenidos de las lecturas de cada una de las variables establecidas fueron tabulados mediante el tabulador electrónico Microsoft Excel. Para el procesamiento de datos se utilizó el paquete estadístico Statistica 8.0. Se aplicó procedimientos de comparaciones de estadísticos descriptivos, resúmenes estadísticos, tablas de frecuencia, e histogramas en todas las variables y tratamientos evaluados.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Resultados obtenidos relacionados con el tamaño muestral

De acuerdo con Carballo y Prado (1980), se determinó que el tamaño de la muestra para las pruebas de impacto fueron de 15 raíces (yucas), mientras que para la determinación de las propiedades físico-mecánicas y químicas y los análisis de laboratorio el tamaño muestral se tomaron tres muestras (triplicado), de acuerdo con los protocolos del laboratorio de bromatología de nuestra facultad. Tanto en el control como en los días objeto de evaluación se monitorearon subgrupos de 3 raíces.

Resultados obtenidos relacionados con el desarrollo de los tubérculos

De acuerdo con Gomez et al. (1983), la evolución del tubérculo exige varias semanas aproximadamente (36). Cuando el desarrollo del tubérculo ha terminado empieza a perder sus hojas aunque no su totalidad. En nuestro caso, las raíces investigadas fueron tomadas en el momento óptimo para la cosecha, de acuerdo con las características botánicas de este cultivar, observadas in situ, este se presentó en la segunda semana de enero, 2017 (38 semanas).

Resultados obtenidos relacionados con las principales características físico-mecánicas

En la Tabla 1 se presentan los resultados de las características físico-mecánicas evaluadas en las raíces (yucas) estudiadas (variedad Jagüey dulce).

TABLA 1. 

Características físico-mecánicas obtenidas. Fuente: Elaboración propia

Parámetro evaluadoValor mínimoValor máximoValor medio
Longitud (cm)223327,5
Circunferencia (cm)151716
Grosor de la cáscara (mm)243
Grosor de la pulpa (mm)465450
Relación pulpa/cáscara4,554,75

Del análisis de la tabla anterior se puede observar que la longitud presento un valor medio igual a 27,5 cm; la circunferencia un valor medio de 16 cm; el grosor de la cáscara un valor de 3 mm; el grosor de la pulpa un valor de 50 mm y la relación pulpa/cáscara un coeficiente de 4,75. Estos indicadores están dentro de los rangos de otras variedades de yucas existentes en el país.

Pruebas de fricción: Los resultados de las pruebas de fricción se efectuaron en tubérculos inmediatamente de haber sido cosechados. Estos resultados se presentan en la Tabla 2. Del análisis de la Tabla 2 se puede apreciar que los coeficientes de fricción en superficie de goma resultaron los mayores valores obtenidos, seguidos por los obtenidos en superficie de acero, mientras que en superficie de madera se presentaron los menores valores. Lo cual de acuerdo con nuestro criterio es un resultado esperado relativo a la superficie de goma, pero contradictorio con respecto a la superficie de madera comparada con la de acero motivado por la mayor rugosidad de la superficie de madera comparada con la superficie de acero, por lo cual en el acero se debió presentar menores valores en los tres días analizados.

TABLA 2. 

Resultados de los coeficientes de fricción. Fuente: Elaboración propia

DíasCoeficientes de fricciónValor mínimoValor máximoValor medio
1Acero0,750,940,84
1Goma0,780,960,87
1Madera0,670,900,78
3Acero0,510,620,57
3Goma0,530,730,63
3Madera0,550,780,67
6Acero0,580,670,63
6Goma0,580,700,64
6Madera0,470,750,61

Resultados obtenidos relacionados con los sólidos solubles totales

Los resultados obtenidos referidos a los sólidos solubles totales, se muestran en la Figura 1, en este caso los mayores valores se presentaron en los tubérculos con un día posterior a la cosecha. Disminuyendo progresivamente en el tercer y sexto día posterior a la cosecha, a nuestro criterio, motivado por el proceso de degradación de la yuca. En caso de la muestra refrigerada este valor bajó significativamente con respecto al primer día posterior a la cosecha, lo cual indica que esto pudiera influir en el proceso de acidificación de las raíces de yuca; por lo que sería interesante profundizar en este indicador en investigaciones posteriores. En investigaciones efectuadas por Scott (2002), este indicador no fue analizado.

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FIGURA 1. 

Evolución de los sólidos solubles totales (SST) en las raíces investigadas. Fuente: Elaboración propia.

Resultados obtenidos relacionados con el pH

Los resultados obtenidos referidos al pH, se presentan en la Figura 2, en este caso se puede apreciar que en el primer día de cosechada las muestras poseen un valor próximo al neutro (7,15), mientras que en el tercer día posterior a la cosecha se presentó el valor más alto (7,2), posteriormente en el sexto día se produjo una pequeña caída (7,03); mientras que en la muestra refrigerada se presentó el menor valor de pH (6,96), lo cual pudiera indicar un proceso de acidificación. Estos resultados se refieren a las raíces de yuca y no al almidón, donde ocurre que el valor del pH en el almidón nativo debe estar entre 6,0 y 6,5 (ISI, 1999).

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FIGURA 2. 

Evolución del pH. Fuente: Elaboración propia.

Resultados obtenidos relacionados con la humedad de la cáscara, la pulpa y del contenido de materia seca

En la Figura 3 se presentan los resultados referidos a la humedad de la cascara, la pulpa y el contenido de materia seca en las pruebas realizadas. En este caso se puede observar que el contenido de humedad en la cascara permanece constante durante el periodo analizado con valores próximo a 67%, mientras que la materia seca los valores obtenidos están sobre el 33%, el contenido de humedad en la pulpa se obtienen valores sobre el 54%, por último, la materia seca en la pulpa oscilo en valores próximos al 46%. Sin embargo en investigaciones efectuadas por Llanos y Buitrago (2002), estos autores obtienen valores de materia seca en raíces frescas entre 20 y 45%, próximos a los resultados obtenidos en este trabajo. Mientras que en el contenido de humedad los valores obtenidos por estos autores osciló entre 55 al 80%, lo cual coincide con los resultados obtenidos en este trabajo.

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FIGURA 3. 

Contenido de humedad de la cáscara y de la pulpa y del contenido de materia seca en cáscara y en pulpa. Fuente: Elaboración propia.

Resultados obtenidos relacionados con los daños mecánicos

Estos análisis se realizaron inmediatamente posteriores a la cosecha de las raíces evaluadas. Tablas 3 y 4. Se realizaron a una altura de 1,05 m y 1,20 m, con energías de impacto que oscilaron entre un mínimo de 2037,72 (J) y un máximo de 3245,76 (J). Se valoraron estas alturas para obtener una frontera del máximo daño posible que se pudiera provocar a las raíces utilizando el instrumento disponible en esta investigación.

Los resultados obtenidos en las Tablas 4 y 5, muestran el comportamiento de los daños por impacto a diferentes alturas (1,05-1,20 m) de los tubérculos impactados sobre superficies de acero. Se puede apreciar que a medida que la altura aumenta, aumenta la energía de impacto, presentando la raíz una mayor susceptibilidad a los daños provocados, sobre todo a los inducidos en la superficie de acero con energías de impacto igual a 3245,76 con una susceptibilidad de 3,9, que fueron los valores obtenidos a la mayor altura de caída del producto, afectando de esta manera no solo a la superficie de la Yuca, sino también a su pulpa. Como se planteó en Materiales y métodos estos ensayos se realizaron con diferentes energías de impacto. De acuerdo con Martínez (2012), los daños mecánicos son uno de los principales factores que conllevan al deterioro pos cosecha de los productos agrícola. También esto afecta la baja calidad de mercadeo y precios, por lo que es muy importante tratar de minimizar los posibles daños provocados en la manipulación del producto.

TABLA 3. 

Resultados de los daños por impacto en los tubérculos evaluados a 1,05 m de altura Fuente: Elaboración propia

Altura (m)Masa (g)Energía impacto (J)SusceptibilidadÁrea de la magulladura (cm²) Volumen de la magulladura (cm³)
1,051802037,720,146,3628,61
1,05205,132110,780,187,9039,25
1,052842922,360,4517,6132,46

TABLA 4. 

Resultados de los daños por impacto en los tubérculos evaluados a 1,20 m de altura Fuente: Elaboración propia

Altura (m)Masa (g)Energía impacto (J)SusceptibilidadÁrea de la magulladura (cm²) Volumen de la magulladura (cm³)
1,201942281,440,112,326,45
1,20208,052446,080,071,918,05
1,202763245,763,93,976,05

Resultados obtenidos relacionados con la estimación de Almidón

Los resultados obtenidos por la estimación de almidón en yuca fueron de 47,56%, sin embargo en investigaciones realizadas por Toro y Caña (1983), estos valores oscilaron entre 17,5% y 39,4%, lo que indica que la variedad analizada en este trabajo presenta diferencia significativa con respecto a las evaluadas por Toro y Caña (1983), lo cual pudiera estar dado por las condiciones edafoclimáticas existentes entre ambos países; así como por los diferentes clones de yuca evaluados entre otras causas.

Resultados obtenidos por el deterioro fisiológico

Los resultados obtenidos en el deterioro fisiológico al cabo de tres días de cosechado el tubérculo fueron de 20,4%, lo que indica un rápido deterioro del tubérculo bajo condiciones ambientales, de aquí la importancia de un cuidadoso manejo y conservación del tubérculo. En investigaciones efectuadas por Wheatley (1983), este autor plantea que el deterioro fisiológico en yuca varía desde 0% hasta 100%, en dependencia de la edad del cultivo al momento de la cosecha; asi como de los factores edafoclimáticos en los cuales crecieron las plantas. También es su deterioro fisiológico un aspecto muy importante a destacar es las condiciones de almacenamiento, debido a su poca vida de almacén (anaquel), lo cual ya ha sido descrito por otros autores entre los que se destacan a Wheatley (1983) y Thompson (1998).

Resultados obtenidos para las pruebas de cocción

Los resultados de las pruebas de cocción arrojaron que la variedad de Yuca “Jagüey dulce” presentó un ablandamiento total, lista para el consumo en una hora, con un consumo energético de 1 kW-h.kg-1 de yuca cocida, este indicador muestra que en este lapso de tiempo, la pulpa se cocina bien, permanece firma y no aguada. Este indicador pudiera ser utilizado como referencia para otras variedades de Yuca cultivadas en Cuba.

Resultados obtenidos relacionados con el procesamiento de los datos estadísticos

En este caso se presentan los resultados obtenidos del procesamiento estadístico de los coeficientes de fricción estático y dinámico mediante el paquete profesional Statistica, 8.

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FIGURA 4. 

Resultados de los coeficientes de fricción estático y dinámico mediante análisis estadístico Box and Whisker Plot en yuca con 1 día de cosechada. Fuente: Elaboración propia.

Del análisis de la Figura 4, se pudo apreciar que los máximos valores de los coeficientes de fricción estáticos se presentan en la superficie de goma, seguido por los valores obtenidos en la superficie de madera, culminando en la superficie de acero, con los menores valores obtenidos, lo cual es un resultado esperado, teniendo en cuenta el grado de rugosidad superficial de estas superficies. Sin embargo, en los coeficientes de fricción dinámico el mayor valor coincide con la superficie de goma, sin embargo, en el segundo lugar aparece los valores obtenidos en la superficie de acero, lo cual pudiera estar dado por el mismo fenómeno descrito en los coeficientes de fricción estáticos, pero a la inversa.

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FIGURA 5. 

Resultados de los coeficientes de fricción estático y dinámico mediante análisis estadístico Box and Whisker Plot en yuca con 3 días de cosechada. Fuente: Elaboración propia.

Del análisis de la Figura 5, se pudo apreciar que los máximos valores de los coeficientes de fricción estáticos se presentan en la superficie de madera, seguido por los valores obtenidos en la superficie de goma, culminando en la superficie de acero, con los menores valores obtenidos, lo cual es un resultado esperado, teniendo en cuenta el grado de rugosidad superficial de estas superficies. Sin embargo en los coeficientes de fricción dinámica se presentó el mismo efecto, pero en este caso los valores obtenidos en ambos coeficientes disminuyen en valor con respecto al día 1 (Figura 4), lo cual pudiera estar dado por el grado de deterioro de la piel o cáscara de la yuca.

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FIGURA 6. 

Resultados de los coeficientes de fricción estático y dinámico mediante análisis estadístico Box and Whisker Plot en yuca con 6 días de cosechada. Fuente: Elaboración propia.

Del análisis de la figura 6, se pudo apreciar que los máximos valores de los coeficientes de fricción estáticos se presentan en la superficie de madera, seguido por los valores obtenidos en la superficie de goma, culminando en la superficie de acero, con los menores valores obtenidos, lo cual es un resultado esperado, teniendo en cuenta el grado de rugosidad superficial de estas superficies. Sin embargo en los coeficientes de fricción dinámica se presentó una contradicción al presentarse un efecto contrario en la superficie de madera y semejante en las superficie de goma y acero, teniendo como constante que los valores obtenidos en ambos coeficientes de fricción disminuyen en valor con respecto al día 3 (Figura 5), lo cual pudiera estar dado por el grado de deterioro de la piel o cáscara de la yuca. Estas investigaciones difieren significativamente con las ejecutadas por García et al. (2017), los cuales han obtenido valores del coeficiente de fricción estático para dos variedades de yuca (La Reyna y Paigua Negra) sin corteza en contacto con el acero, entre 0,41 y 0,39. Otros investigadores Aristizábal et al. (2007), han encontrado valores que oscilan entre 0,30 hasta 0,65, de acuerdo a diferentes superficies de rozamiento, pero se debe destacar que estos investigadores han realizado sus investigaciones sin la cáscara o piel de la yuca. Por otra parte, otros investigadores han estudiados otras características físico-mecánicas de la yuca tales como: el porcentaje en peso de la piel o cáscara, el espesor de la cáscara, diámetro de las raíces, dureza (fuerza de penetración), determinando diferentes correlaciones entre estas variables sgún Adetan et al. (2003), algunas de las cuales no han sido objeto de estudio en este trabajo.

CONCLUSIONES

  • La influencia de las variables climáticas en las propiedades físico-mecánicas y químicas para las muestras de tubérculos monitoreadas con 1, 3 y 6 días posteriores a la cosecha muestran los siguientes resultados:

  • El pH, mostró cambios pocos significativos durante los días posteriores a la cosecha.

  • La variable sólidos solubles totales no presentó diferencias entre las muestras analizadas el tercer y sexto día posterior a la cosecha, pero si el primer día sin refrigeración y el primer día refrigerado.

  • Los ensayos de impacto del orden desde 2037,72 (J) a 3245,76 con susceptibilidades del orden de 0,14 y 3,9, reafirmaron la delicadeza de estos tubérculos a daños mecánicos, lo cual unido a su poca vida de anaquel (3 días), revalida la importancia de un adecuado manejo poscosecha de este tubérculo.