INTRODUCCIÓN

La yuca es originaria de América tropical antes de 1600, los exploradores portugueses la llevaron a Asia y África; se siembra hoy en 92 países donde alimenta a más de 500 millones de personas (Alarcón y Dufour, 1998). La yuca (Manihot esculenta L., Crantz) constituye un alimento básico en la dieta de 17.8 millones personas en el mundo, según FAO (2010), además de ser un cultivo industrial con alto potencial que genera ingresos permanentes para pequeños y medianos agricultores (Mojena y Bertolí, 2004), que además de su valor para la alimentación humana y animal, ha venido adquiriendo importancia por su utilización como materia prima de industrias textileras, cartoneras, farmacéuticas y de embutidos, con gran perspectiva para la producción de etanol y plásticos biodegradables (Henry et al., 1998; Salgado et al., 2008; Kaewtatip y Tanrattanakul, 2012; Souza et al., 2012; Vercelheze et al., 2012; Maran et al., 2014).

Actualmente se están realizando estudios para obtener alcohol a partir del almidón de yuca, como catalizador en la gasolina sin plomo; este cultivo está incluido como rubro estratégico dentro del Plan de la Economía Nacional¹.

La mecanización del cultivo de la yuca es una de las principales necesidades de la agricultura en la región sur de Estado Anzoátegui, si se tiene en cuenta la proyección de ese cultivo en los mercados nacionales e internacionales y su aplicación en la industria petrolera. Dada las condiciones que se explican anteriormente, la mecanización de este cultivo y el empleo de diferentes tecnologías para su procesamiento agroindustrial es un fenómeno con el que se ha trabajado desde hace poco más de medio siglo, el uso de la mecanización para su extracción desde el campo está condicionada por las dimensiones que alcance la variedad sembrada, su profundidad de desarrollo y el tipo de suelo.

A pesar de que la yuca, ha sido estudiada ampliamente a nivel mundial, se ha demostrado que sus características varían de una región a otra en función de las condiciones climáticas, variedades sembradas, tipos de suelo; hasta el momento no se cuenta en el Estado Anzoátegui, con un estudio minucioso sobre las propiedades físico-mecánicas de las dos principales variedades de yuca producidas en la región, siendo ésta zona una de las más grandes consumidoras de yuca tanto en forma fresca como de casabe, por todo esto se hace necesario aumentar los volúmenes de producción que demanda el contexto socio económico del país de ahí que el objetivo de esta investigación sea determinar las principales propiedades físico-mecánicas de la yuca (Manihot esculenta Crantz, variedades La Reyna y Paigua Negra), para la mecanización de su cultivo.

MÉTODOS

Metodología para determinar las propiedades físicas y mecánicas

Inicialmente se seleccionaron dos parcelas de estudio, una por variedad de interés. Luego de ello, se procedió a aplicar el método de cuadrícula normal con el fin de seleccionar de manera aleatoriamente las 20 plantas que caracterizarán a las variedades en estudio en las respectivas parcelas se procede a la determinación de las propiedades físico–mecánicas, según la metodología propuesta por Ospina y Ceballos (2002), ajustada al trabajo de Ruiz-Altisent y Chen (1996), y a los manuales del Engels (1981), a los cuales se le aplican algunas modificaciones.

Masa total de la planta (Mtp), se extrae la totalidad de ésta desde la profundidades del substrato; una vez retirada las partículas de arena adheridas a las raíces, pesándose la muestra contentiva de: raíces, tallo y ramas, incluidas las hojas, anotando la medición del pesaje en kg de forma unitaria por planta.

La estimación del diámetro del conjunto de raíces (Dcr), se determina ubicando el conjunto sobre una rejilla de proporciones 1 x 1m, y en cuyas regletas están marcadas las medidas en centímetros, una vez colocada la planta completa de forma vertical se marca el contorno y se adquieren las dimensiones en al menos tres puntos equidistantes empleando una cinta métrica.

La longitud de la raíz máxima (Lrm), es medida con la ayuda de un metro graduado en centímetros, situando la regla desde la parte basal de la estructura reservante, inmediatamente donde termina el pedúnculo, y extendiendo el metro plegable lo largo, terminando la lectura en la parte distal de este órgano.

La resistencia a la extracción (Re), medido con un dinamómetro de capacidad 240 kg, el instrumento se dispone en una barra de metal, a la que le es acoplado el peso en el centro de ésta sujetado con cuerdas en la parte superior; en la parte inferior la cuerda se ata al tallo principal de la planta, dos personas se encargan de aplicar la fuerza en los extremos de la palanca hasta lograr extraer el conjunto de raíces, registrándose la lectura en la cual la aguja del dispositivo de pesaje desciende en su punto máximo.

Coeficiente de fricción estático, se coloca una superficie de acero completamente limpia y nivelada, a través de un nivel de burbuja. Una mesa basculante, construida en el Departamento de ingeniería mecánica de la Universidad Politécnica Territorial José Antonia Anzoátegui (UPTJAA). La superficie de ensayo se fija a la mesa y cada probeta de yuca (20 en total), son colocadas en la superficie; la mesa es inclinada lentamente, por un dispositivo atornillado, hasta que el movimiento de la muestra inicie movimiento hacia abajo. La tangente del ángulo de fricción es el coeficiente de fricción, según la expresión 1.

f = tanα                    (1)

donde:

f - Coeficiente de fricción estático;

α - ángulo de fricción estático de la raíz.

Resistencia a la compresión (F) y Resistencia a la ruptura (Rr), la máquina utilizada para tomar las medidas de los módulos de compresibilidad de marca GRIFFIN^®, se maneja en condiciones de carga expresadas en kgf, para distinguirlas de las unidades de masa. Este dispositivo está calibrado en una relación de 50 rpm (50 vueltas de la manivela = 0,1mm). Las probetas son de forma cilíndrica, de dimensiones: longitud: 21,4 mm y diámetro: 10,8 mm (Figura 1); previamente descortezadas, y elaboradas con un dispositivo metálico para conservar medidas aproximadas de cada una, trabajadas a temperatura ambiente.

Cada probeta se coloca apoyada en una de sus caras entre las placas de compresión de dos discos de acero inoxidable, cada una se comprime a una velocidad constante, el comportamiento mecánico se expresa en términos de fuerza requerida para alcanzar el punto de ruptura (Rr), y la fuerza empleada en comprimir el 3% de su longitud (F) (Yirat et al., 2009). Las lecturas del recorrido del disco superior de forma descendente sobre la probeta, son registradas por un dinamómetro digital (encerado en cada medida), acoplado al aparato. Con la ayuda de dos cámaras de video, marca Samsung^® se graba cada prueba; simultáneamente, se proyectan las lecturas del dinamómetro y el recorrido de la manivela, en la pantalla de la computadora, a través de un Software de videos, hasta que el sonido de clic, anuncia el punto de ruptura, y luego, el descenso de la fuerza. Estos videos son accionados a la vez, al momento de registrar las lecturas en libros de Excel.

Resistencia a la penetración de la corteza (Rc): la resistencia a la penetración es medida con un Penetrómetro manual marca GRIFFIN^® montado en un soporte para mantener la coherencia, realizándose una punción por probeta de corteza de raíz de yuca, de 25 x 65 mm aproximadamente, previamente lavadas, para evitar que las impurezas minimicen el grado de error en las medidas. Se sostiene la muestra contra un disco en una superficie estacionaria y se ejerce una fuerza en la sección de la corteza, a una velocidad uniforme, (Figura 2). La profundidad de penetración debe guardar relación con la línea inscrita en la punta. La unidad que expresa el valor obtenido, se expresa en libra-fuerza (lbf) o kilogramos-fuerza (kgf).

Metodología para el procesamiento y análisis de datos obtenidos

Los datos obtenidos de las pruebas experimentales son tabulados utilizando la herramienta Excel 7.0 de Microsoft office 7, y posteriormente serán procesados a través del software especializado STATGRAPHIC 5.1 (Statistical Graphics Crop, 2000), para comparar los estadígrafos principales de cada una de las propiedades estudiadas en ambas variedades. Debido a la importancia de estudiar con mayor profundidad la información relacionada con el rendimiento de cada variedad y para la mecanización y procesamiento agroindustrial de este cultivo, a las propiedades físicas que caracterizan fenotípicamente cada variedad se le aplica una comparación de medias o prueba de hipótesis buscando diferencias significativas entre ambas variedades, a través de las opciones tabulares dentro de este análisis y la presentación visual de la dispersión y la simetría de los datos analizados comparación. También se realiza un análisis de la asimetría y la curtosis estandarizadas para discernir si las muestras proceden de distribuciones normales siempre que su rango se encuentre entre -2 y 2.

La dependencia entre aquellas variables que mayor incidencia tienen en la mecanización del proceso productivo de la yuca será también objeto de estudio aplicando un análisis de regresión simple.

RESULTADOS Y DISCUSION

Propiedades Mecánicas

La Tabla 1 muestra los resultados de las pruebas de propiedades mecánicas efectuadas. Se observan que no existe variabilidad importante entre los clones caracterizados en cuanto a los valores medios de densidad, estimándose para los cultivares dulces y amargos valores de: 1,07 y 1,14 g/cm³.

El coeficiente de fricciónobtenido para la yuca sin corteza en contacto con el acero, arrojó datos similares, de 0,41 y 0,39 entre una y otra variedad encontrándose valores de productos agrícolas que oscilan entre 0,30 hasta 0, 65, de acuerdo a diferentes superficies de rozamiento (Padonou et al., 2005); esto indica que durante el diseño de máquinas puede ser empleado el mismo criterio como supuesto de que la tecnología puede trabajar con ambas variedades satisfactoriamente, ello está en correspondencia con lo investigado por Abbott (1999), Yang et al. (2008), y otros². En sentido general los datos de las propiedades físico-mecánicas determinan la tecnología de cosecha, transporte, embalaje y almacenamiento (Famá et al., 2006).

Los resultados muestran que la resistencia promedio a la penetración de la corteza, fue mayor en la dulce de (5,71 MPa) que en la amarga (3,96 MPa), mostrando así que la primera supera a la segunda en 30%, por tanto ante labores mecanizadas La Reyna tiene mayores posibilidades de no sufrir daños mecánicos, sin embargo una maquina peladora demandará mayores requerimientos energéticos para la variedad dulce ya que supera a la amarga en tamaño, proporción en peso de la cáscara, diámetro, fuerza de penetración y el estrés de cizallamiento de su corteza, en relación con lo evaluado por Adetan et al. (2003).

Al analizar la firmeza (F) por variedades, al comprimir el 3% de la longitud de la probeta la yuca amarga con (0,29 MPa) supera a la dulce (0,25 MPa) en 13,8% mientras que en la resistencia a la rotura (Rr), se invierte el comportamiento y esta última alcanza valores de 0,90 MPa, mientras que la primera solo alcanza 0,63. En dicho comportamiento, a pesar de que ambas raíces presentan un tejido ligeramente fibroso, muestra que la yuca amarga responde como una estructura más frágil, lo que a su vez propicia que sea menos resistente a golpes y al corte. Estos resultados influyen en la manipulación del producto y en su respuesta en relación con los daños mecánicos, como expresa Mohsenin (1970), acerca de materiales biológicos cuando están bajo el efecto de cargas estáticas y dinámicas.

La resistencia a la extracción (Re) desde el suelo, necesaria en la variedad La Reyna (0,83 kN) supera en 59,03% a la de la Paigua Negra (0,34 kN). Existen varios factores que inciden en este resultado, pero partiendo de que el suelo es similar, tipo Oxisol, que una parcela está a 20 m de la otra, entonces se le atribuye el mismo a la diferencia en el diámetro del conjunto raíz y su masa, el número de raíces y la talla de esta. Teniendo en cuenta la explicación anterior a cada propiedad evidentemente no debe ser de otra forma por la superioridad de La Reyna en cuanto a las variables mencionadas anteriormente. Esta propiedad define los requerimientos de potencia del agregado o de la máquina encargada de la cosecha, el costo de la tecnología y otros aspectos más específicos que dependen de ellos como es consumo de combustible, etc. La dependencia entre la resistencia a la extracción y las propiedades mencionadas anteriormente fue evaluada estadísticamente y los resultados ratifican una fuerte dependencia entre ellas (Figuras 3; 4, 5 y 6) para ambas variedades estudiadas, predominando una dependencia descritas por modelos exponenciales y polinómicos.

Comportamiento de las propiedades estudiadas en las variedades La Reyna y Paigua Negra

Masa total de la planta (Mtp)

El análisis demuestra que los valores de la Masa total de la planta se distribuyen normalmente y la diferencia entre las medias, demuestra que existe diferencia estadísticamente significativa entre las medias de las dos muestras, para un nivel de confianza de 95%. Estos resultados pueden ser corroborados además teniendo en cuenta los valores medios de masa total de la planta de 11,28 y 5,63 kg para las variedades La Reyna y Paigua Negra respectivamente, por otro lado la diferencia alcanzada según los coeficientes de variación de los datos analizados es de 10,7%. La Figura 3a, muestra que existe una dispersión ligeramente superior en los datos de dicha propiedad para la variedad Paigua Negra, mientras que fue encontrada una mayor frecuencia de plantas con masa total entre 5 y 8 kg en la variedad Paigua Negra y entre 10 y 13 kg en La Reyna (Figura 3b).

La masa total de la planta es un parámetro de gran importancia durante la extracción de las raíces desde el suelo, de este elemento dependerán la potencia de la máquina a emplear, así como la resistencia y material a emplear en los órganos que realicen el contacto suelo-raíces.

Longitud máxima de la raíz (Lrm)

Los valores promedios de la longitud de la raíz máxima alcanzan valores de 0,061 y 0,036 m para La Reyna y la Paigua Negra respectivamente, la Figura 4a, muestra una dispersión muy similar en los datos de ambas variedades, de igual manera se puede decir que existe una mayor frecuencia de raíces con longitud entre 0,055 y 0,067 m en La Reyna, mientras que oscila de 0,027 a 0,040 en la Paigua Negra (Figura 4b). Los coeficientes de variación alrededor de la media alcanzan valores de 13 y de 23,6% respectivamente, con una diferencia además entre ambos de 10,3%. La longitud de la raíz máxima es una variable que distribuye normalmente para ambas variedades y existe diferencia estadísticamente significativa entre las medias de las dos muestras para un nivel de confianza del 95,0%. La longitud de la raíz máxima y la variación que se manifiesta estadísticamente entre las longitudes de las raíces para cada variedad es un aspecto de gran importancia para la mecanización de la extracción de la yuca desde el suelo, ello va a definir el ancho de trabajo de las máquinas y de los contenedores para el traslado del producto desde el campo.

Diámetro medio del conjunto raíz (Dcr)

El diámetro del conjunto raíz (Dcr) como promedio alcanza valores de 0,918 y 0,545 m para las variedades La Reyna y Paigua Negra respectivamente, la Figura 5a, muestra una dispersión superior de los datos de la variedad Paigua Negra, de igual manera se puede decir que existe una mayor frecuencia de plantas con diámetros radicular 0,8 y 1,0 m en La Reyna, mientras que oscila de 0,4 a 0,6 m en la Paigua Negra (Figura 5b). Los coeficientes de variación alrededor de la media alcanzan valores de 8,9 y de 22,66% respectivamente, con una diferencia además entre ambos de 13,7%. El diámetro del conjunto raíz es una variable que distribuye normalmente para ambas variedades y existe diferencia estadísticamente significativa entre las medias de las dos muestras para un nivel de confianza del 95,0%. Esta variable es de gran significación para la mecanización de la cosecha de esta raíz tuberosa ya que en función del diámetro se determina al área que abarca la planta debajo del suelo y de esta forma el ancho de trabajo de la herramienta de extracción, y la potencia necesaria para lograr el funcionamiento adecuado de la máquina o del agregado según la tecnología que se emplee.

La masa total de la planta y del conjunto tallo raíz es superior en la variedad La Reyna que en la Paigua Negra en correspondencia con lo descrito anteriormente para cada propiedad analizada. A pesar de que no existe diferencia significativa entre el número de raíces por planta para cada variedad, las dimensiones (diámetro y longitud) y por consiguiente, la masa es mayor en la variedad La Reyna, lo que constituye un importante indicador de productividad. Ambas propiedades mencionadas son de gran importancia ante cualquier intento de mecanización de la extracción de esta importante raíz y se manifiesta en una marcada dependencia entre la masa de la planta y de la raíces respecto a la resistencia a la extracción que ambas ofrecen, con valores de R² por encima de 0,73, (Figuras 6 y 7).

La mayor dependencia fue encontrada entre la masa del conjunto tallo raíz y la resistencia a la extracción en la variedad Paigua Negra con valor de R² de 0,83, en todos los casos según los modelos obtenidos describe una dependencia exponencial de una variable con respecto a la otra.

De igual manera la masa del conjunto raíz, dado por las misma razones expuestas anteriormente es superior en el clon La Reyna, esta propiedad en ambos clones muestra una fuerte dependencia con respecto a la resistencia a la extranción cuyos coeficientes de determinación que superan el 0,70.

En dicha variedad explícitamente se manifiesta una dependencia lineal entre la masa del conjunto raiz y la resistencia que este ofrece a ser extraida del campo, dada por la ecuación que caracteriza el modelo lineal con un R² de 0,72, mientras que para el clon Paigua Negra se modifica ante el cambio de la otra respondiendo a un modelo descrito por una ecuación exponencial con R² de 0,77.

CONCLUSIONES

-La variedad Paigua Negra posee propiedades ligeramente superiores sobre la variedad La Reyna para la mecanización y/o procesamiento de su cultivo con un menor el peso total de la planta, diámetro del conjunto raíz y resistencia a la extracción desde el suelo, sin embargo La Reyna posee mayor resistencia a la compresión y a la ruptura de la corteza con valores superiores en un 30%.

-La comparación de medias muestra diferencias significativas en propiedades como la masa total de la planta (Mtp) de 11,28 y 5,63 kg; longitud de la raíz máxima (Lrm) de 0,061 y 0,036 m; diámetro del conjunto raíz (Dcr) de 0,918 y 0,545 m, para las variedades La Reyna y Paigua Negra, respectivamente.

-Los valores de resistencia a la extracción muestran una elevada dependencia de la masa de la planta y longitud de la raíz mayor con valores de R² superiores a 0,70 para ambas variedades.

NOTAS

¹  MCTI: Artículo publicado en Redes Sociales por FREBIN (Frente Bolivariano de Innovadores Investigadores). Venezuela, 2012.

²  VILLASEÑOR, C.: Análisis físico y mecánico de frutos de melón, Colegio de Posgraduados, Tesis de Doctorado, Texcoco, México, 2005.

*La mención de marcas comerciales de equipos, instrumentos o materiales específicos obedece a propósitos de identificación, no existiendo ningún compromiso promocional con relación a los mismos, ni por los autores ni por el editor.

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Recibido: 22/12/2015
Aprobado: 14/11/2016