Introducción
La resistencia a daño mecánico en semillas es un factor que condiciona distintas etapas del proceso de producción como son la siembra, la cosecha, el secado, la limpieza, el beneficio y el almacenaje (Basu, 1994; Desai et al., 1997). La semilla se ve afectada porque el daño mecánico reduce la calidad física, fisiológica y sanitaria. Por otro lado, el diseño de las máquinas agrícolas con frecuencia considera las características físicas de los productos que procesa para realizar un trabajo eficiente y efectivo en relación al consumo de energía (Mohsenin, 1986).
La resistencia de la semilla a la compresión juega un papel importante en las operaciones que realiza la industria, así como en el diseño de maquinaria (Mohsenin, 1986), pues es deseable que la maquinaria utilizada y la velocidad de proceso infrinjan el menor daño posible a la semilla. La resistencia a compresión es importante también en el mejoramiento genético para producir semilla que se ajuste a esa maquinaria y a esos procesos, entre otros factores de gran importancia. Durante su manejo y procesamiento, las semillas, además de estar sujetas a compresión, también están sujetas a impacto. De acuerdo a Mohsenin (1986), para causar un daño equivalente de magulladura en frutos de manzana, se requiere aproximadamente 1.5 veces más energía de impacto que de compresión, por lo que se considera que un ensayo de compresión en semillas de maíz podría reflejar de manera significativa la resistencia al impacto. Tipler y Mosca (2005) señalan que es posible determinar la fuerza promedio ejercida durante una colisión por lo que se considera factible relacionar la fuerza y el desplazamiento en una prueba de compresión, con la fuerza y el desplazamiento en un ensayo de impacto mediante el uso de las ecuaciones adecuadas a estos fenómenos.
Los resultados obtenidos por algunos autores sugieren que la resistencia mecánica de las semillas depende de varios factores, entre los que se puede mencionar su contenido de humedad, su madurez y la variedad a la que estas pertenecen. Mesquita y Hanna (1993) encontraron una menor resistencia con bajos contenidos de humedad en semilla de soya. Bilanski (1966) citado por Mohsenin (1986) encontró que la energía necesaria para ocasionar fractura en semillas de maíz, trigo y soya se incrementó de manera proporcional al contenido de humedad. Al respecto, Mohsenin (1986) y Multon (1981) citado por Foutz et al. (1993) mencionan que el aumento en el contenido de agua “ligada” a la matriz de proteína, almidón y pentosas, ocasionó que las semillas fueran menos resistentes a la deformación, pero más resistentes al quebrado. Por otra parte, King y Riddolls (1959) citados por Mohsenin (1986) encontraron que conforme aumentó el contenido de humedad de la semilla de trigo durante la trilla, disminuyó el daño visible pero también el porcentaje de germinación, lo cual indica que la evaluación de daño mecánico no reflejó el daño fisiológico.
Por otro lado, Gaytán-Martínez et al. (2006) encontraron diferencias en la dureza de la semilla en 21 variedades de maíz, la cual se explicó mediante una función cuyos componentes fueron el índice de flotación y la densidad; esta última se pudo explicar en función del tamaño del grano de almidón, cristalinidad y porcentaje de endospermo.
No obstante, los estudios realizados sobre el daño mecánico a la semilla, aún falta conocer diversos aspectos que permitan tener una mejor comprensión de ese fenómeno, y con ello poder disminuir el daño mecánico y sus efectos sobre la calidad de la semilla.
El objetivo de esta investigación fue estudiar la respuesta de ruptura en semilla de maíz, mediante la fuerza y desplazamiento en un ensayo de compresión, en función de la textura de endospermo y contenido de humedad, y evaluar su efecto sobre la calidad fisiológica. Se desea probar la hipótesis que plantea que la fuerza a ruptura es superior en un fenotipo con mayor porcentaje de endospermo cristalino y con mayor contenido de humedad.
Materiales y métodos
El estudio se realizó de 2012 a 2013 en el laboratorio de materiales del Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, Universidad Autónoma Chapingo (UACH) y en el laboratorio de Análisis de Semillas del Programa de Producción de Semillas, Colegio de Postgraduados.
Para evaluar qué tipo de endospermo requiere mayor fuerza, desplazamiento (por deformación) y mayor energía al punto de ruptura por compresión, se utilizaron semillas de maíz provenientes de tres variedades con diferente tipo de endospermo: a) harinoso (Cacahuacintle); b) semi-harinoso (híbrido HS-2); y c) cristalino (Palomero). La semilla utilizada del híbrido HS-2 (semi-harinoso, conocido también como semi-dentado) y de la variedad Cacahuacintle (harinoso) se produjo en 2011 en Texcoco, Estado de México; mientras que la semilla de maíz palomero (cristalino) se adquirió en el mismo año en una casa comercial, la cual al momento de su adquisición presentó una germinación de 97%, muy similar a la germinación inicial del híbrido HS-2 (97%) y de la variedad Cacahuacintle (95%); previo al estudio, la humedad de Cacahuacintle, HS-2 y Palomero fue de 7.66, 9 y 8.87% en base húmeda (b. h.). Se determinó el porcentaje de endospermo harinoso y cristalino para cada variedad, así como el porcentaje de pedicelo, pericarpio y embrión, con la finalidad de relacionar la fuerza, desplazamiento y energía en el punto de ruptura por compresión con el tipo de endospermo.
Para conocer el efecto de la humedad sobre la fuerza, el desplazamiento (por deformación) y la energía al punto de ruptura por compresión, se evaluaron dos niveles de humedad de la semilla: 12 y 20% ± 0.1 en base húmeda (b. h.). Para lograr estos porcentajes de humedad, las semillas se humedecieron con agua destilada, de 2 a 2.5% por encima de la humedad deseada, y posteriormente fueron secadas a temperatura ambiente hasta obtener la humedad de evaluación (12 y 20%); las semillas se mantuvieron (no más de 4 h) en frascos herméticos hasta el momento de la compresión. Posterior a la compresión, las semillas fueron deshidratadas bajo condiciones ambientales por 24 h, y en estufa a 30 oC de 20 a 24 h más; finalmente, las semillas fueron expuestas a temperatura ambiente hasta alcanzar una humedad de 9 a 10%.
Se evaluó la fuerza, el desplazamiento (por deformación) y la energía al punto de ruptura por compresión en las semillas con los factores de estudio mencionados (variedad y humedad), aplicando la compresión según la metodología recomendada por la ASAE (2005) como se menciona en el párrafo siguiente. Posteriormente, se comparó la energía de compresión necesaria para la ruptura en el Híbrido HS-2 obtenida en este estudio con la energía de impacto para el mismo caso reportada por Mancera et al. (2007), con la finalidad de estimar el grado de similitud entre ambos tipos de energía.
Para conocer el efecto de la ruptura ocasionada por la compresión de las semillas sobre la calidad fisiológica, se evaluaron dos niveles de compresión: testigo (sin compresión) y ruptura. Para aplicar la compresión a ruptura, cada semilla fue colocada en posición de descanso, con el embrión hacia arriba entre superficies planas y pulidas (ASAE, 2005), a una velocidad de desplazamiento de la cruceta de 1 mm/min, en una máquina de ensayo universal Instron® modelo 3385H (Instron, Corp., Norwood, MA, USA) con una célula de carga de 250 kN (kilonewton). El desplazamiento de la cruceta se detuvo en cuanto se observó el cambio de pendiente característico de la ruptura en la curva “fuerza-desplazamiento” o cuando se detectó ruido ocasionado por la ruptura de la semilla; en este último caso se utilizó un micrófono en contacto con el soporte de la semilla (plato inferior) conectado a la computadora con una amplificación de sonido de 36 dB (decibeles) y supresión digital de ruidos y eco acústico; el volumen de las bocinas se ajustó a un nivel suficientemente audible con auxilio del gráfico de nivel de sonido para evitar descartar sonidos de baja intensidad.
Diseño del experimento y análisis estadístico
Para describir la textura de la semilla para cada variedad a través de los componentes de la semilla, se utilizó un diseño experimental completamente al azar DECA con un factor de estudio: la variedad; luego se efectuó un análisis de varianza y una comparación de medias (Tukey, 0.05) entre variedades para cada componente de la semilla. Para conocer el efecto de la humedad y el tipo de endospermo sobre la fuerza, desplazamiento (por deformación) y energía al punto de ruptura por compresión y sobre el índice de daño, se utilizó un DECA con dos factores de estudio: la variedad (Cacahuacintle, HS-2 y Palomero) y contenido de humedad en la semilla (12 y 20% ± 0.1 b. h.); luego se efectuó para cada caso un análisis de varianza y una comparación de medias (Tukey, 0.05) para efectos principales.
Mientras que para conocer el efecto de la humedad, el tipo de endospermo y el nivel de compresión sobre la calidad fisiológica, se utilizó un DECA con tres factores de estudio: la variedad (Cacahuacintle, HS-2 y Palomero), contenido de humedad en la semilla (12 y 20% ± 0.1 b. h.) y nivel de compresión (testigo y ruptura); luego se efectuó para cada caso un análisis de varianza y una comparación de medias (Tukey, 0.05) para efectos principales. Los análisis de varianza y las pruebas de medias se realizaron con el auxilio de software SAS versión 8 (1999).
Variables evaluadas
Componentes de la semilla. El peso de la biomasa seca de los componentes de la semilla se determinó utilizando el método de disección descrito por Salinas y Vázquez (2006): se pesaron tres repeticiones de 25 semillas, y se remojaron en agua a 70-80 oC por 15 min; posteriormente se separaron el pedicelo, pericarpio, embrión y endospermo con la ayuda de un bisturí, a los que se les determinó su peso de biomasa seca mediante la metodología descrita por la ASABE (2006), la cual consiste en secar las muestras en la estufa a 103 oC por 24 h. Las muestras utilizadas para esta evaluación fueron independientes a las utilizadas para las demás evaluaciones, ya que esta evaluación fue destructiva.
Fuerza y desplazamiento a ruptura por compresión. Para cada tratamiento se analizaron los datos correspondientes a fuerza (F) y desplazamiento (D) recabados con el Software BlueHill 2.0® (Instron®, 2006). La energía (E) se determinó mediante el cálculo del área aproximada bajo la curva (E=DxF/2). La metodología seguida para efectuar la compresión se mencionó anteriormente. Cada tratamiento se evaluó en muestras de 30 semillas con seis repeticiones.
Índice de daño. Con la ayuda de un microscopio estereoscópico, se realizó la caracterización morfológica de daños externos en muestras de 45 semillas, en tres repeticiones de quince semillas; se contó el número de semillas: 1) sin fractura (SF); 2) con desprendimiento de tejido, es decir, fractura severa (FS); 3) con fractura en la base (B), que corresponde a la zona del primer cuarto proximal de la semilla con respecto al hilo; 4) en la región media de la semilla (M); 5) en la región del embrión y escutelo (EE); y 6) en la corona (C), que corresponde al 1⁄4 distal de la semilla (Figura 1). Posteriormente, se categorizó el tipo y ubicación del daño asignándole un grado de severidad a cada categoría: SF= 0, FC=1, FB y FM=2 y FS y FE=3; se considera que los valores más elevados reflejarán un daño más severo y en consecuencia una menor calidad física y fisiológica de la semilla. Las sub muestras utilizadas para esta evaluación fueron provenientes de las muestras donde se determinó la fuerza y desplazamiento a ruptura y se reintegraron a las muestras donde se determinó la calidad fisiológica, ya que esta evaluación no fue destructiva.
Calidad fisiológica. La calidad fisiológica se evaluó mediante la prueba de germinación estándar, velocidad de emergencia de radícula y el peso de la biomasa seca de los componentes de la plántula. La prueba de germinación se llevó a cabo con la metodología “entre papel”, que consiste en colocar las semillas en toallas de papel “sanitas” enrolladas e hidratadas dentro de bolsas de polietileno (25 x 35 cm) en una cámara de germinación a 25 ± 5 oC; después de 7 días se calculó el (%) de número de plántulas normales (ISTA, 2005). La velocidad de emergencia y germinación estándar se evaluaron con una muestra de 90 semillas las cuales se agruparon en 3 repeticiones de 30 semillas por tratamiento.
Tanto la evaluación de la velocidad de emergencia de radícula como la prueba de germinación estándar, se realizaron sobre las mismas unidades experimentales. Se contó el número de semillas con emisión de radícula diariamente durante siete días y el índice de velocidad de emisión radicular se calculó con la ecuación propuesta por Maguire (1962):
Donde: VG= velocidad de emisión de radícula; X1, X2 y Xn = porcentaje de semillas con emisión de radícula, diariamente por siete días; Y1, Y2 y Yn= número de días desde la siembra [adimensional].
El peso de la biomasa seca de los componentes de la plántula: remanentes de las semilla, parte aérea y raíz, se determinó a los nueve días mediante la metodología descrita por la ASABE (2006).
Resultados y discusión
Componentes de la semilla
Hubo significancia estadística en los porcentajes de pedicelo (p≤ 0.05), pericarpio (p≤ 0.01), embrión (p≤ 0.01) y endospermo suave (p≤ 0.01), duro (p≤ 0.01) y total (p≤ 0.01) entre variedades (Cuadro 1). La semilla de la variedad Cacahuacintle mostró el porcentaje más alto de biomasa seca de: embrión (11.5%), endospermo suave (76.2%) y pedicelo (2.5%), aunque el porcentaje de esta última variable no fue estadísticamente diferente al de la biomasa del pedicelo de HS-2 (2%). En contraparte, la semilla de Palomero tuvo los porcentajes más altos de la biomasa seca de pericarpio (9.3%) y endospermo duro (65.2%); mientras que la semilla de HS-2 presentó el mayor porcentaje de biomasa seca de endospermo total (82.3%, Figura 2). De acuerdo con Serna et al. (2008), las semillas más pequeñas tienen una proporción mayor de pericarpio que las grandes, lo que explica la diferencia de pericarpio entre Palomero (semilla de menor tamaño), HS-2 y Cacahuacintle (semilla de mayor tamaño).
Fuente de variación | Grados de libertad | Pedicelo (%) | Pericarpio (%) | Embrión (%) | Endospermo suave (%) | Endospermo duro (%) | Endospermo Total (%) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Variedad | 2 | 0.4728 | * | 21.7414 | ** | 7.5917 | ** | 2936.03 | ** | 2883.49 | ** | 2.6808 | ** |
Error | 6 | 0.0553 | 0.0565 | 0.1067 | 3.84 | 3.79 | 0.0217 | ||||||
CV (%) | 10.91 | 3.82 | 3.20 | 4.70 | 4.89 | 0.18 | |||||||
R2 | 0.74 | 0.99 | 0.96 | 0.99 | 0.99 | 0.98 |
* y ** significativo con α= 0.05 y 0.01, respectivamente.
Fuerza y desplazamiento en el punto de ruptura por compresión de las semillas
El factor variedad tuvo efecto significativo sobre el desplazamiento, la fuerza y la energía en el punto de ruptura de la semilla (p≤ 0.01); mientras que el contenido de humedad de la semilla tuvo efecto significativo (p≤ 0.01) sobre el desplazamiento y la energía de ruptura de la semilla (Cuadro 2). La variedad harinosa (Cacahuacintle) obtuvo el mayor desplazamiento y requirió la menor fuerza en ruptura, mientras que el cristalino (Palomero) obtuvo el menor desplazamiento y requirió la mayor fuerza, no difiriendo estadísticamente del semi-harinoso (HS-2) en cuanto a desplazamiento. La interacción entre los factores variedad y humedad fue significativa para el desplazamiento, la fuerza y la energía, lo que implica que la tendencia de estos valores en función de la humedad fue específica para cada variedad (Cuadro 2).
Fuente de variación | GL | Desplazamiento (mm) | Fuerza (N) | Energía (mJ) | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Variedad (V) | 2 | 0.1835 | ** | 10 073.05 | ** | 1 928.64 | ** |
Humedad (H) | 1 | 1.8452 | ** | 7.91 | NS | 45 304.40 | ** |
V*H | 2 | 0.0467 | ** | 3 654.35 | ** | 1 457.21 | ** |
Error | 13 | 0.0022 | 509.63 | 208.06 | |||
CV | 7.55 | 7.21 | 14.92 | ||||
R2 | 0.99 | 0.81 | 0.95 | ||||
Efectos principales | |||||||
Variedad | |||||||
Cacahuacintle | 0.8264 | a | 274.71 | c | 117.61 | a | |
HS-2 | 0.5499 | b | 309.07 | b | 86.48 | b | |
Palomero | 0.5066 | b | 356.29 | a | 87.55 | b | |
DMS 0.05 | 0.07 | 33.59 | 21.46 | ||||
Humedad (%) | |||||||
12 | 0.3279 | b | 312.52 | a | 50.33 | b | |
20 | 0.9520 | a | 313.81 | a | 148.12 | a | |
DMS 0.05 | 0.0467 | 22.41 | 14.32 | ||||
Variedad x humedad | 5 | 0.4611 | ** | 5 492.54 | ** | 10 415.22 | ** |
Error | 13 | 0.0022 | 509.63 | 208.06 | |||
CV | 7.55 | 7.21 | 14.92 | ||||
R2 | 0.99 | 0.81 | 0.95 | ||||
Efectos combinados de Variedad y humedad | |||||||
Cacahuacintle 12% | 0.4096 | d | 256.29 | c | 52.45 | c | |
Cacahuacintle 20% | 1.2432 | a | 293.14 | bc | 182.78 | a | |
HS-2 12% | 0.2889 | d | 300.96 | bc | 43.48 | c | |
HS-2 20 % | 0.8978 | b | 319.89 | b | 143.82 | b | |
Palomero 12% | 0.2981 | d | 384.17 | a | 57.34 | c | |
Palomero 20% | 0.7150 | c | 328.40 | ab | 117.77 | b | |
DMS 0.05 | 0.1247 | 59.84 | 38.23 |
**significativo con α= 0.01; NS, no significativo. Medias con letra distinta en columnas difieren estadísticamente.
Por otro lado, el desplazamiento promedio fue mayor a 20% de humedad que a 12%, aunque la fuerza no difirió significativamente (Cuadro 2); no obstante, un cálculo de energía ejercida durante una colisión por impacto puede resultar en diferencias significativas al ser una combinación lineal de la fuerza y el desplazamiento obtenidas en este ensayo de compresión; resultando en una mayor energía de impacto para ocasionar una fractura conforme se incremente la humedad (Tipler y Mosca, 2005). En cambio, Isik e Izli (2007) encontraron que la resistencia mecánica disminuye conforme la humedad de la semilla incrementa; esto se puede deber al método usado, ya que estos autores midieron la dureza con un penetrómetro; puede deberse también a una relación no lineal entre la humedad y la fuerza, como en el caso de semillas de cártamo evaluado en un ensayo de compresión (Baümler et al., 2006).
No obstante, los resultados obtenidos en el presente trabajo concuerdan con los obtenidos por Mesquita y Hanna (1993) en soya, con Bilanski (1966) citado por Mohsenin (1986) en maíz, trigo y soya, en los cuales se requirió de mayor energía para producir ruptura en semilla con alto contenido de humedad. Además, Mohsenin (1986) y Multon (1981, citado por Foutz et al., 1993) indican que las semillas con mayor humedad se deforman en mayor magnitud sin llegar a la ruptura, lo que les permite soportar una mayor cantidad de energía durante la colisión por impacto sin experimentar fractura (Tipler y Mosca, 2005).
La variedad harinosa (Cacahuacintle) obtuvo el valor más alto de la energía necesaria para producir ruptura, a pesar que la fuerza fue menor que en el dentado (HS-2) y el cristalino (Palomero). Se requirió más energía para producir ruptura en semillas con alta humedad (20%) que en semillas con baja humedad (12%, Cuadro 2).
Para las tres variedades, el desplazamiento se incrementó a mayor humedad, aunque con pendiente diferente, en este caso se atribuye a que la semilla pudo deformarse más en las tres variedades antes de la ruptura. La fuerza tendió a incrementarse a mayor humedad en la variedad harinosa y semi-harinosa, mientras que en la cristalina presentó un decremento, lo que se atribuye a que el turgor provocado por la hidratación proporcionó más resistencia en el endospermo harinoso, mientras que en el cristalino ocasionó un decremento en la resistencia atribuido al posible rompimiento o ablandamiento de la matriz de proteína que es abundante en este tipo de endospermo (White y Johnson, 2003). La energía fue mayor con humedad de 20 % en las tres variedades pero los incrementos no tuvieron la misma proporción, es decir, las pendientes de las curvas que trazarían, serían diferentes (Cuadro 2), lo que se atribuyó a que en la ecuación de la energía, la magnitud del aporte del desplazamiento fue superior al aporte de la fuerza.
Al comparar la energía a ruptura en la compresión de HS-2 con la energía en un ensayo de impacto (Mancera et al., 2007), como se muestra en el Cuadro 3, la energía desarrollada por el impacto resultó en 1.63 veces la de compresión, y ocasionó un daño similar, o ligeramente superior; este resultado es relativamente comparable al mencionado por Mohsenin (1986), quien midió la magulladura sobre frutos de manzana, y la energía de impacto fue 1.5 veces la de compresión para ocasionar un daño similar. La correspondencia entre los resultados de ambos experimentos permite sugerir la utilidad que representa la determinación de la resistencia a compresión de las semillas, con la ventaja de que los estudios de compresión son más sencillos, pues aún los aparatos más avanzados para realizar estudios de impacto en colisiones físicas no permiten medir la energía necesaria para ocasionar la fractura de las semillas, ya que el valor de la energía de impacto es preestablecido; más complicado aún resultaría estimar dicha energía en evaluaciones efectuadas con equipo o maquinaria agrícola.
Método de fractura | Energía (mJ) | Semillas sin fractura (%) |
---|---|---|
Impacto | 141.00 | 9.89 |
Comprensión | 86.48 | 2.22 |
Resta arismética | 54.52 | 6.67 |
Relación | 1.63 | --- § |
§Los porcentajes de semillas sin fractura, tanto en impacto como en compresión, denotan que el daño aplicado se encontró en el umbral de fractura; es decir, justo en la cantidad de energía necesaria para ocasionar la fractura.
Efecto de la variedad y de la humedad de la semilla sobre el índice de daño
En la Figura 3 se muestran algunas semillas clasificadas en cuanto al índice de daño para la evaluación. La variedad tuvo efecto significativo (p≤ 0.05) sobre el índice de daño, mientras que el contenido de humedad de la semilla (Cuadro 4). La variedad HS-2 presentó el mayor índice de daño y el Palomero presentó el menor (Cuadro 4).
Fuente de variaición | Grados de libertad | Índice de daño | |
---|---|---|---|
Variedad (V) | 2 | 17 438.61 | * |
Humedad (H) | 1 | 1 670.81 | NS |
V*H | 2 | 1 452.27 | NS |
Error | 12 | 3 246.65 | |
CV (%) | 20.73 | ||
R2 | 0.50 | ||
Efectos principales | |||
Variedad | |||
HS-2 | 327.78 | a | |
Cacahuacintle | 276.67 | ab | |
Palomero | 220.01 | b | |
DMS 0.05 | 87.7610 | ||
Humedad (%) | |||
12 | 265.1 | a | |
20 | 284.45 | a | |
DMS 0.05 | 58.5240 |
*significativo con α= 0.05; NS= no significativo. Medias con letra distinta en columnas difieren estadísticamente (Tukey).
Conclusiones
La semilla de la variedad de maíz Cacahuacintle, de endospermo harinoso, presentó la menor resistencia a la fuerza de compresión y el mayor desplazamiento para su ruptura. La variedad Palomero, de grano cristalino, necesitó de mayor fuerza de compresión que las otras dos variedades para su ruptura, aunque no fue estadísticamente diferente que la variedad HS-2 de grano semidentado, en cuanto al desplazamiento para su ruptura en el ensayo de compresión. No hubo diferencia estadística en la fuerza de compresión requerida para la ruptura de la semilla entre las humedades de la semilla de 12 y 20%, pero con 20% de humedad hubo mayor desplazamiento. La variedad con mayor índice de daño fue HS-2, la cual tuvo el mayor porcentaje de endospermo y de germinación; esto último tal vez por el mayor vigor de la semilla. La humedad no tuvo efecto significativo sobre el índice de daño, pero sí sobre el porcentaje de germinación.