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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.20 n.5 La Serena  2009

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642009000500010 

Información Tecnológica-Vol. 20 Nº5-2009, pág.: 75-81
doi:10.1612/inf.tecnol.4117cit.08

ALIMENTOS Y BIOTECNOLOGIA

Propiedades Mecánicas y Viscoelásticas del Ñame  (Dioscórea alata)

Mechanical and Viscoelastic Properties of Yam (Dioscórea Alata)

Armando Alvis1*, Manuel Páez2 y Jennifer Lafont2
Universidad de Córdoba, (1) Facultad de Ciencias Agrícolas Departamento de Ingeniería de Alimentos, (2) Facultad de Ciencias Básicas e Ingeniería, Departamento de Química, Carrera 6 No 76-103, Montería, Córdoba-Colombia (e-mail: aalvis2@hotmail.com)

*autor a quien debe ser dirigida la correspondencia


Resumen

En el presente trabajo se midieron algunas de las principales propiedades mecánicas y características viscoelásticas de dos variedades de ñame, con el objetivo de obtener los datos necesarios para determinados cálculos de ingeniería de procesos, manipulación y almacenamiento del producto. Se utilizaron diferentes pruebas (penetración, compresión uniaxial y flexión o doblado), para calcular los parámetros: esfuerzo máximo de penetración, esfuerzo y deformación en la fractura, módulo de deformabilidad y las  constantes "a" y "b" del modelo normalizado y linealizado de Peleg. Se concluye que la variedad Pico Botella presenta valores más elevados del esfuerzo de fractura (0.57 MPa) que la Diamante 22 (0.31 MPa) y que además la deformación a que debe someterse para provocar la fractura es también muy superior (32 % vs. 21 %). Sin embargo, en cuanto a las constantes del modelo viscoelástico de Peleg no existen prácticamente diferencias, alcanzando ambas variedades valores iguales del esfuerzo asintótico a = 0.43 y muy similares para la velocidad de relajación del esfuerzo, lo cual indica que la estructura de ambas es muy parecidas.

Palabras clave: ñame, propiedades mecánicas,  viscoelasticidad, flexión, compresión uniaxial


Abstract

In the present study were measured some of the major mechanical properties and viscoelastic characteristics of two different varieties of yams, with the objetive of obtaining the data needed for certain calculations of process engineering, handling and storage of the product. Using an Instron machine, some different tests has been applied: puncture, uniaxial compression and bending in order to calculate the parameters: maximum stress of penetration, stress and strain at fracture, deformability modulus and the constants "a" and "b" from the Peleg model. It is concluded that the Pico de Botella cultivar has a fracture stress higher (0.57 MPA) than the Diamante 22cultivar (0.31 MPa) and also the degree of deformation at fracture is higher (32 % versus 21 %). In relation with the constants from the Peleg viscoelasticity model, there are no differences between cultivars, both having the same value of the asintotic stress (a = 0.43) and very similar for the relaxation stress rates (Pico de Botella, b = 0.03 and Diamante 22, b = 0.02) meaning that their structures are quite the same.

Keywords: yam, mechanical properties, viscoelasticity, flexion test, uniaxial compression


INTRODUCCIÓN

Entre los cultivos tropicales de la Costa Atlántica, el ñame, es el de menor costo de producción y el más remunerado, a pesar de estos beneficios el ñame ha sido poco estudiado. Es una planta herbácea con tallo trepador, hojas alternas u opuestas y la parte alimenticia es el tubérculo, que puede ser uno o varios y llegan a pesar hasta 20 Kg. Los análisis nutricionales han mostrado que el tubérculo de ñame aventaja a otras raíces y tubérculos en contenido de aminoácidos y proteínas (Morales, 1992).

En Colombia, el sistema de comercialización de los pequeños productores se caracteriza por bajos volúmenes, escasa infraestructura de acopio, transporte, almacenamiento y una reducida transformación. El 78% de la producción se dirige al mercado en fresco y no se conocen transformaciones tecnológicas (Rodríguez, 1996). Sin embargo, existe la posibilidad de utilizar el ñame como materia prima en la elaboración de derivados fritos, obtención de harinas y almidones y otros usos (Rincón et al., 2000).

En la agricultura moderna y en el procesamiento de alimentos, se utiliza cada vez más técnicas y equipos mecánicos, térmicos, eléctricos, ópticos y otros. A pesar de ello, poco se conoce acerca de las propiedades físicas del material que se procesa y que indiscutiblemente influyen en la eficiencia de la maquinaria u operación así como en la calidad del producto final. Debido a esto, el conocimiento acerca de las propiedades físicas y entre ellas, las propiedades mecánicas de los productos agrícolas, no solo constituye un aspecto de gran importancia para ingenieros sino para tecnólogos, productores y otros campos de las ciencias como las agrícolas, que pudieran permitir la explotación de estas propiedades básicas y encontrar nuevas aplicaciones y usos para dichos productos (Mohsenin, 1965). Además, a través de las mediciones reológicas pueden revelarse los cambios microestructurales debidos a daños mecánicos que sufren estos productos, tal como señalan (Varela et al., 2007) para el caso de dos variedades diferentes de manzana.

Debido al elevado contenido de humedad del ñame, este puede hacerse vulnerable a los daños mecánicos durante las operaciones de producción, manipulación y almacenamiento. Nwandikom, (1990), llevó a cabo un extenso trabajo con variedades de ñame cultivados en Nigeria, a través de la utilización de diversas técnicas mecánicas (resistencia al impacto, deslizamiento, ruptura de los tejidos y fractura entre otras)  concluyó que el daño mecánico al fruto es el factor más importante que limita la mecanización de su producción y el incremento de la productividad. Un trabajo muy reciente Aluko y Koya, (2006) corroboran la importancia que tienen las mediciones de ciertas propiedades mecánicas (coeficiente de fricción, comportamiento durante la compresión uniaxial y otras) en productos agrícolas tal como el ñame para el diseño y desarrollo de maquinaria durante el cultivo y manipulación del producto.

En la medición de las propiedades mecánicas se emplean comúnmente diversas técnicas de ensayo, así por ejemplo, las propiedades elásticas de frutas y vegetales pueden ser estimadas a través de una simple prueba de penetración acoplada a un texturómetro donde se obtienen las curvas de fuerza versus distancia para calcular parámetros mecánicos tales como: fuerza o esfuerzo de penetración (Voisey et al., 1969; Anzaldúa-Morales y Bourne, 1992;  Moreira et al., 1999; Alvarez et al., 2000).

Las pruebas de compresión uniaxial han sido también ampliamente utilizadas. En estos casos se obtienen los datos de esfuerzo vs. deformación y se pueden calcular: el esfuerzo máximo de ruptura, el módulo de deformabilidad, energía de ruptura y otros parámetros (Pitt, 1984; Alvarez y Canet, 1998).

La prueba de flexión o doblado puede resultar de gran interés para evaluar el esfuerzo de fractura (Bruns y Bourne, 1975) o la flexibilidad de determinados tejidos de frutas y vegetales (Lima y Singh, 2001) y a su vez, relacionarlo con la “frescura” o “crocancia” de productos tales como: zanahoria, pepino, papa y otros (De Hombre y Díaz-Abreu, 2001).

Por otra parte, las propiedades viscoelásticas pueden evaluarse a través de las pruebas de relajación de esfuerzos y en ellas el material se somete a una deformación instantánea y se observa la variación del esfuerzo en función del tiempo. El modelo generalizado de Maxwell ha sido el más utilizado para describir el comportamiento viscoelástico de los alimentos, en otros casos se han utilizado combinación de modelos para explicar la estructura de estos materiales como ha sido el trabajo realizado por (Álvarez y Canet, 1998) para papas frescas, los cuales finalmente sugieren que el módulo elástico instantáneo puede estar relacionado con la presión interna de las celdas de los tejidos. Calzada y Peleg, (1978), han interpretado la relación esfuerzo-deformación durante la compresión de alimentos sólidos y explican que existen dos mecanismos antagónicos que regulan los niveles de esfuerzos. Estos son, las fracturas internas que tienden a disminuir la fortaleza mecánica y la compactación que tiene la tendencia a incrementarla. Un modelo simple que solo contiene dos constantes (a y b) ha resultado de gran aplicabilidad para comparar la forma de las curvas de relajación para diferentes materiales (Peleg, 1979).

En el presente trabajo se realizó un estudio para caracterizar desde el punto de vista reológico, las principales propiedades mecánicas de dos variedades de ñame fresco cultivadas en la Región Atlántica de Colombia con el objetivo de obtener los datos necesarios para determinados cálculos de ingeniería de procesos, manipulación y almacenamiento del producto.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se seleccionaron dos variedades de ñame (Dioscórea alata) que presentan las mejores características para ser utilizadas en el proceso de fritura (Alvis et al., 2008a) Diamante 22 y Pico de Botella.

Se utilizó una prueba de penetración empleando dos vástago cilíndricos de diferentes diámetros: el Magness-Taylor de 5/16 pulgadas (Φ = 7.9 mm.)  y otro de Φ = 4.6 mm,  acoplados a una máquina Instron para calcular el “esfuerzo máximo de penetración” los ensayos se realizaron en el tubérculo entero con cáscara y en el tejido interior tras cortarlo en forma de rebanada de 3 cm de espesor. Se utilizó una prueba de t-student para establecer si existen diferencias de los valores medios del "esfuerzo máximo de penetración" entre variedades.

La prueba de flexión, se realizó utilizando un puente de flexión instalado en la misma máquina, fue utilizada para calcular el esfuerzo de fractura según (Bruns y Bourne, 1975). Para ello se cortó la muestra en forma de paralelepípedo de sección transversal cuadrada (0.8 x 0.8 cm) y longitud de 4 cm. La muestra se colocó sobre el puente a una distancia entre los soporte de 2 cm y se aplicó una fuerza en el centro hasta lograr la fractura.

La prueba de compresión uniaxial se utilizó para comprimir los tejidos del producto cortado en forma de cubo de 2 cm de aristas.  La compresión se llevó a cabo hasta ruptura y de esta forma estimar el esfuerzo y deformación de fractura así como el módulo de deformabilidad.

En todos los casos anteriores, las pruebas se hicieron a la velocidad de deformación de 5 cm/min a la temperatura ambiente (25º C), tomando 5 réplicas de cada experimento. Se obtuvieron además las curvas de relajación de esfuerzos a partir de los datos de fuerza vs. tiempo para determinar las propiedades viscoelásticas del producto.

Se utilizó  una compresión uniaxial hasta el 20 % de la altura de la muestra que se cortó también en forma de cubo de 2 cm de aristas. La velocidad de deformación se fijó a 5 cm/min. A partir de los datos obtenidos, se ajustó el modelo normalizado y linealizado de (Peleg, 1979) para calcular las constantes "a" y "b" haciendo uso de una hoja electrónica Excel.   

Se utilizó una prueba de t-student para establecer si existen diferencias de los valores medios en cada uno de los ensayos anteriores.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Tabla 1 se muestran los resultados del esfuerzo máximo de penetración correspondiente a las dos variedades de ñame con los dos diámetros de vástagos empleados.

Como se observa de los resultados de la prueba de t - Student, los valores de σmax  para el fruto entero con cáscara, no presentan diferencias significativas (p < 0.05) cuando se utilizan ambos vástagos, mientras que para el caso de la penetración de la rebanada, existen diferencias significativas entre las dos variedades. Las diferencias entre variedades se pueden deber tanto a la estructura como a la composición del producto a ambos (Mohsenin, 1965).

              Tabla 1: Resultados del esfuerzo máximo de penetración (σmax ) expresado en MPa.

La fuerza de fractura y el grado de deformación correspondiente al momento de fractura que se obtuvieron en la prueba de flexión para ambas variedades de ñame, se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2: Resultado de la fuerza de fractura y la deformabilidad en flexión.

El cálculo del esfuerzo de fractura según Bruns y Bourne (1975) para una muestra de sección transversal rectangular colocada en un puente de flexión es:

                                                                                                                                             (1)

Donde y son las dimensiones del rectángulo y  la longitud del puente y F la fuerza de fractura.

Sustituyendo en la expresión anterior se obtiene que para la variedad Diamante 22, el esfuerzo de fractura es de 462.3 kPa mientras que para el Pico de Botella es de 747.2 kPa. Esto indica que la variedad Pico de Botella se fractura a esfuerzos mucho mayores que la Diamante 22 y que además es algo más flexible debido a que alcanza valores superiores de la deformación hasta el momento de fractura, tal como se aprecia en la Tabla 2.

En la Tabla 3 se presentan los resultados obtenidos de la prueba de compresión uniaxial en el momento de fractura del cubo de 2 cm de aristas extraído de la masa del producto.

Tabla 3: Resultados de la prueba de compresión uniaxial hasta fractura.

Esta prueba corrobora los resultados obtenidos hasta el momento en cuanto a que la variedad Pico de Botella es mucho más resistente a los esfuerzos aplicados y por lo tanto, menos susceptible a los daños mecánicos que pueden producirse durante la cosecha, manipulación, almacenamiento y procesamiento, factores que han sido considerado por (Nwandikom, 1990) como aquellos que pueden limitar la mecanización de la producción y por tanto su productividad.

Para la variedad Pico de Botella, la fractura ocurre a valores superiores del esfuerzo en comparación con la variedad Diamante 22 y permite por tanto, que la misma pueda ser comprimida hasta deformaciones algo superiores al 30 %, mientras que la variedad Diamante 22 se fractura a grados de compresión alrededor del 20 %. Para papas (Dielh y Hamann, 1979) informan resultados que se encuentra alrededor del 30%.

En la Figura 1 se muestran las curvas experimentales obtenidas de la función t/Y vs. t  para ambas variedades donde se aprecia que las mismas son muy parecidas y corresponden a líneas rectas con intercepto en el eje Y. Las ecuaciones de regresión obtenidas del ajuste del modelo normalizado y linealizado de Peleg, se presentan a continuación:

Diamante 22:             siendo   R2 = 0,996                                                            (2)

Pico de Botella:        siendo   R2 = 0,998                                                             (3)

El coeficiente de determinación es altamente significativo para ambos casos y la bondad de ajuste es casi perfecta. Rectas similares ha obtenido también (Peleg, 1979) para frutas tales como manzana y pera así como para tubérculos como la papa.

Fig. 1. Curvas experimentales según el modelo de Peleg

El cálculo de las constantes "a" y "b" del modelo de Peleg de acuerdo con las ecuaciones 2 y 3 se presentan en la tabla 4:

Tabla 4. Resultados de los parámetros "a" y  "b" del modelo de Peleg.

Como puede apreciarse en la tabla 4, no existen prácticamente diferencias en los valores obtenidos para ambas constantes por lo que desde el punto de vista estructural estas variedades son semejantes. De acuerdo con la interpretación de estas constantes y el valor de a = 0.6 informado por (Peleg, 1979) para la papa puede decirse que ambas variedades de ñame presentan "propiedades de sólidos" más notables que la papa, lo cual se corresponde con la relativa poca humedad que presenta el ñame (70 %) y su elevado contenido de almidón (28 %) con respecto a la papa (Alvis et al., 2008b).

Parece ser que definitivamente las propiedades mecánicas del ñame y su textura, están regidas fundamentalmente por la composición del producto, resultado que corrobora lo señalado por (Onayemi et al., 1987; Afoakawa y Sefa, 2001) en los estudios realizados con diferentes variedades de ñame en cuanto a que existe una relación muy estrecha entre la composición y la textura del producto. El valor de la constante "b" tan próximo a cero indica que la caída del esfuerzo durante la relajación (en función del tiempo), es muy lenta y se acerca a las propiedades del sólido ideal.

CONCLUSIONES

En las dos variedades de ñame estudiadas, el esfuerzo máximo de penetración (σmax) no presenta diferencia significativa (p<0.05) para el fruto entero, sin embargo cuando la prueba de penetración se lleva a cabo en los tejidos, el valor de σmax  es diferente entre variedades, siendo mayor para la variedad Pico de Botella. De igual forma, el esfuerzo de fractura en flexión y en compresión del tejido del fruto es superior para la variedad Pico de Botella (747.2 kPa y 0.57 MPa respectivamente) en relación con el Diamante 22 (462.3 kPa y 0.31 MPa respectivamente). La variedad Pico de Botella es mucho más resistente a los esfuerzos aplicados para deformar el producto y por tanto, menos susceptible de dañarse por efectos de la manipulación durante la cosecha y el almacenamiento. En cuanto a sus propiedades viscoelásticas, el valor obtenido para ambas variedades de la constante “b” está próximo a cero mientras que “a” es mucho menor que el informado por (Peleg, 1979) para papas por lo que, el producto tiende a comportarse cercanamente al sólido de Hooke.

REFERENCIAS

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