Influencia del estrés hídrico en las características de ingeniería y el contenido de aceite de las semillas de girasol

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 12418 (2022) Citar este artículo

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Conocer algunas características físicas, mecánicas y el porcentaje de aceite de las semillas de girasol podría ser útil para los equipos de cosecha y procesamiento y actividades como el transporte, el almacenamiento, los procesos de producción de alimentos y el establecimiento de una base de datos de esta semilla. El objetivo principal de esta investigación fue estudiar el efecto del estrés hídrico durante el riego sobre las propiedades y la calidad de la semilla. Para ello, se realizó un experimento de campo bajo cuatro tratamientos de riego deficitario [80%, 60%, 100–80 (100% requerimiento de riego ETc hasta la formación de semillas, y luego reducido a 80% hasta la cosecha) y 100–60% (100% % de ETc hasta la formación de semillas, y luego se reduce al 60 % hasta la cosecha)] en comparación con el riego completo (100 %). Se estimaron las características geométricas, gravimétricas y mecánicas, así como el contenido de oleaginosas y el rendimiento de la semilla de girasol. Los resultados mostraron que no hubo un efecto significativo de los tratamientos con déficit de riego bajo (100-80%) y medio (80%) sobre las características geométricas, gravimétricas y mecánicas, mientras que la aplicación del 60% del requerimiento de riego (ETc) mostró un efecto significativo sobre ellas. Por otro lado, los tratamientos con estrés de riego bajo y medio mejoraron el rendimiento de aceite y el contenido de aceite de la semilla. El aumento más alto fue de 8,54 % y 5,6 % para el rendimiento de aceite y el contenido de aceite respectivamente, considerando T100–80 seguido de la aplicación de 80 % de ETc, pero con estrés hídrico alto (60 % de ETc), el rendimiento de aceite y el contenido de aceite de la semilla disminuyeron significativamente.

El agua es importante en la producción agrícola, sin embargo, en un futuro cercano, habrá que abordar la escasez de agua. En las regiones mediterráneas semiáridas, la escasez de agua y la creciente rivalidad por los recursos hídricos entre la horticultura y otros sectores obligan al uso de estrategias de gestión del agua que permitan la conservación del agua manteniendo niveles aceptables de producción1,2.

Dado que el girasol tiene la capacidad de sobrevivir en condiciones de estrés que otros cultivos de semillas oleaginosas hasta cierto punto, también el déficit de agua en combinación con la alta temperatura del aire desde la floración hasta las etapas de llenado del grano redujeron significativamente el rendimiento de la semilla y la calidad del aceite de la semilla del girasol en las regiones áridas y semi-áridas. región árida3. El riego deficitario es uno de los métodos para aumentar la eficiencia en el uso del agua. La aplicación de déficit de agua (80%)4 produjo casi el mismo rendimiento de semillas de girasol que el obtenido con riego total, además de ahorrar alrededor del 20% del agua de riego y maximizar la eficiencia del uso del agua. El rendimiento biológico de los genotipos de cártamo se redujo significativamente en estrés por sequía en un 17,9 %, en comparación con condiciones normales5. El porcentaje de aceite es un criterio importante para determinar la calidad del girasol y puede verse influenciado por los déficits de riego6. El contenido de aceite de las semillas de girasol oscila entre el 37 y el 42 %4. Según investigaciones previas, cuando el cultivo de girasol se sometió a estrés hídrico durante la etapa de floración, el porcentaje de contenido de aceite de girasol se redujo drásticamente7. Una disminución en el contenido de aceite de cártamo con el aumento en la sequía ha sido reportada por 5 donde los resultados mostraron una disminución significativa del rendimiento de aceite en condiciones de estrés por sequía en un 19,3%. En la mayoría de los casos, la reducción del rendimiento de aceite es menor que la reducción del rendimiento de semilla, lo que indica un aumento en el contenido de aceite. Pero la sequía severa en la etapa de floración y yema redujo el rendimiento de aceite más que el rendimiento de semilla, lo que puede deberse a la disminución en el contenido de aceite de semilla3. Por lo tanto, estas dos etapas pueden considerarse como las más sensibles al estrés por sequía.

Debido a la necesidad de conservar y suministrar agua, muchos cultivos ahora utilizan pequeños sistemas de riego. Los experimentos han revelado que algunas plantas responden positivamente al rendimiento y sus cualidades, mientras que otras no8.

Los científicos están investigando los aspectos físicos, mecánicos, químicos y botánicos de las semillas desde el punto de vista de la ingeniería para mejorar la producción de semillas manteniendo una alta calidad. Estas características se pueden utilizar para impulsar el diseño de equipos y procesos de producción de semillas, como la siembra, la cosecha, el procesamiento y la prueba de maquinaria específica de limpieza y clasificación9,10,11. Por ejemplo, el tamaño y la forma de las semillas son importantes para su separación electrostática de materiales indeseables12. Además, la identificación de la forma de la semilla podría ser importante para una predicción analítica de su comportamiento de secado13. La densidad aparente, la densidad real y la porosidad son útiles para dimensionar las tolvas de granos y las instalaciones de almacenamiento, ya que pueden afectar la tasa de transferencia de calor y masa durante las operaciones de aireación y secado14. Los datos sobre las cualidades físicas de los materiales agroalimentarios son importantes porque se pueden utilizar para introducir modelos que anticipen la calidad y el comportamiento del producto en circunstancias de siembra, manipulación, precosecha y poscosecha; y pueden ayudar a comprender cómo se procesan los alimentos15.

Forma y tamaño, largo, ancho, espesor, volumen, diámetro geométrico, diámetro matemático, porcentaje de esfericidad, área de superficie plana, área de superficie transversal de semillas individuales, fuerza de rigidez, ángulo de reposo, coeficiente de fricción, velocidad terminal de los componentes del cabezal trillado, arrastre coeficiente, densidad real y densidad aparente son las propiedades más importantes que afectan a las semillas de girasol. Además, el ancho de la cabeza, el número de semillas por cabeza y el peso de 1000 semillas son las propiedades más importantes que afectan la cabeza16.

Los resultados de propiedades físicas y mecánicas de las semillas de girasol mostraron una variación de 14,32 a 31,00 mm para largo, 4,7 a 9,8 mm para ancho y 2,7 a 6,6 mm para espesor de semillas de girasol. Los valores de masa, volumen, densidad real, densidad aparente y porosidad de 1000 semillas estuvieron entre 149,8 y 167,7 g, 99,05 y 628,9 mm3, 444,5 y 521,8 kg/m3, 269,06 y 275,57 kg/m3 y 39,09 y 47,18 %, respectivamente. La fuerza de ruptura, la deformación y la energía absorbida aumentaron con el aumento del contenido de humedad de 1,8 a 14,5 %, mientras que disminuyeron con un mayor aumento del contenido de humedad de 14,5 a 20,3 %. El valor medio del porcentaje de semillas dañadas físicamente aumentó de 2,75 a 10,81 % al aumentar la velocidad de impacto de 40,8 a 62,3 m/s. En ambas orientaciones de impacto, el total de semillas dañadas aumentó con el aumento de la velocidad de impacto para todos los contenidos de humedad de las semillas12,17,18,19.

Ha habido investigaciones sobre las propiedades de ingeniería de las semillas de girasol15,16,20, pero se sabe poco sobre cómo las técnicas agrícolas afectan las propiedades de ingeniería, como el estrés hídrico. Los sistemas de riego y plantación también pueden tener un impacto en las propiedades de las semillas4.

El objetivo de esta investigación es averiguar cómo el uso de sistemas de estrés hídrico influye en las características de ingeniería, la productividad y el rendimiento de aceite de semilla de la planta de girasol. Entonces, si algunos tratamientos de riego deficitario tienen un efecto positivo en la productividad y el rendimiento del aceite de semilla, entonces se puede ahorrar una cantidad de agua.

Para cumplir con los objetivos de este estudio, se llevó a cabo un experimento de campo utilizando el híbrido de girasol Sakha 53 en una granja privada en la Gobernación de Qalyubia, Egipto, durante dos temporadas de crecimiento de verano exitosas de 2019-2020 (se obtuvieron los permisos del Ministerio de Agricultura de Egipto y se la investigación y el estudio de campo cumplieron con las directrices y la legislación institucional, nacional e internacional pertinente). Este sitio ejemplifica las condiciones del suelo arcilloso del delta del Nilo. Los girasoles tienen una temporada de crecimiento que dura de junio a septiembre. A lo largo del perfil, el suelo dominante en la ubicación experimental fue de textura arcillosa (2,45 % arena gruesa, 18,55 % arena fina, 27,77 % limo y 51,23 % arcilla). La región es árida caracterizada, durante esa época del año, por la ausencia de precipitaciones, una temperatura media alta y una humedad relativamente media, lo que resulta en una demanda evaporativa media a alta.

El sitio experimental se dividió en cinco parcelas (una para cada tratamiento de riego) con un ancho de 3 my una longitud de 25 m con una línea de separación entre parcelas de 2 m. Las semillas se sembraron a 30 cm entre plantas con un espaciamiento de 60 cm entre hileras, es decir, cada parcela se divide en cinco hileras y cada hilera se considera una réplica.

Para el riego se utilizaron laterales de polietileno (PE) de 16 mm de diámetro con goteros incorporados de 4 L/h separados 30 cm con un lateral por cada hilera. Las válvulas de control se instalaron a la entrada de cada tratamiento para controlar el flujo de agua. Se mantuvo una presión de un bar utilizando una bomba de 0,75 kW.

Los tratamientos para regar el cultivo de girasol fueron riego total al 100% del requerimiento del cultivo (ETc) y cuatro regímenes de déficit hídrico [80% ETc, 60% ETc, (100–80% ETc) y (100–60 ETc) denominados T100 , T80, T60, T100–80 y T100–60, respectivamente]. Los tratamientos T100–80 y T100–60 se aplicaron como 100 % de ETC a la formación de semillas y luego se redujeron a 80 % y 60 % de ETc hasta la cosecha, respectivamente.

Los valores de evapotranspiración diaria (ETo) se obtuvieron de los datos pronosticados por el Laboratorio Central de Clima Agrícola (CLAC) que siempre están disponibles con 5 días de anticipación. El Kc para girasol durante la temporada de crecimiento se obtuvo de FAO (2015). La ETo y Kc obtenidas se usaron para calcular el requerimiento de agua para girasol ETc (mm) como se describe por21.

El riego comienza en todos los tratamientos cuando se consume el 75% del agua disponible bajo el tratamiento de riego 100% ETc. Todas las demás prácticas agrícolas para el cultivo de girasol se utilizaron según lo recomendado por el Ministerio de Agricultura.

En el momento de la cosecha, las cabezas de 15 plantas se extrajeron al azar de cada parcela y se cosecharon por separado, se embolsaron y se secaron al sol durante una semana. La mitad de las semillas cosechadas se usan para medir el rendimiento de aceite y la otra mitad se usa para medir las características físicas y mecánicas de las semillas.

El rendimiento de aceite de girasol por unidad de área es el resultado del rendimiento de semilla por unidad de área y el porcentaje de aceite de la semilla. Utilizando el equipo Soxhlet y éter de petróleo 40-60 °C como solvente, se midió el porcentaje de aceite de semilla. Las muestras en polvo se sumergieron en n-hexano a 64–68 °C durante 48 h con agitación periódica después de secarlas al aire. Las muestras de semillas de girasol se molieron dos veces en un molino experimental de acero inoxidable. El alimento se sumergió en el mismo disolvente por segunda vez durante otras 24 h. Los extractos mixtos se filtraron a través de cantidades suficientes de sulfato de sodio anhidro y luego se destilaron al vacío para eliminar el solvente22.

Para obtener el contenido de humedad se seleccionaron 50 g de semillas de cada tratamiento y se colocaron durante 24 h a 72 °C en la estufa y de acuerdo con la Norma ASAE23 se midió la humedad en base a la sequedad (db).

Se midió la masa de tres grupos de 1000 semillas para cada muestra utilizando una balanza con una precisión de 0,001 g. El tamaño de las semillas se midió para tres grupos de 100 semillas con un calibrador con una precisión de 0,01 mm. Debido a que la forma de las semillas es granular irregular, el tamaño de la semilla se expresa por diámetro geométrico (dg) de la siguiente manera20:

donde: T, W y L son el grosor, ancho y largo de la semilla. Además, el área superficial (S), el volumen (Vs) y el coeficiente de esfericidad (Ø) de las semillas se determinaron mediante la siguiente ecuación17:

Llenando un recipiente con 500 mL de semillas desde una altura de 15 cm, golpeando el borde superior y midiendo el contenido, se estimó 3 veces la densidad aparente (Pb) para cada muestra. La densidad real (Pt) de una sustancia se define como la relación entre su masa y su volumen real. Se utilizó el método de desplazamiento de líquido para determinar la densidad real y se utilizó líquido de tolueno (C7H8) debido a la baja absorción de líquido por parte de la semilla. Se vertió cierta masa de semilla en un recipiente cilíndrico de 100 mL de volumen. Luego, se registró el volumen de tolueno transferido y se determinó la densidad real de las semillas usando la relación de masa de la semilla al volumen de líquido desplazado24. La porosidad (Pf) de las semillas a granel se define como la proporción de espacio que no está ocupado por las semillas. El porcentaje de porosidad se calculó utilizando la fórmula siguiente12.

La carga de trituración juega un papel muy importante en el diseño de equipos de carga y descarga, sistemas de almacenamiento, máquinas cosechadoras y equipos de secado, transportadores, equipos de descarga y caída libre, debido a que las semillas se ven afectadas por otras superficies metálicas, de madera y plásticas durante las operaciones en este equipo, lo que puede provocar daños mecánicos13, mientras que la expulsión de aceite podría utilizarse para la fuerza de ruptura y la energía de ruptura17.

Para evaluar el impacto de la dirección de carga en la ruptura, las semillas se colocaron verticalmente, con el eje principal de la semilla en línea con la dirección de carga, y horizontalmente, con el eje principal perpendicular a la dirección de carga, usando la Máquina de Ensayo Universal Instron ( Figura 1)14.

Máquina de prueba de carga de trituración según lo descrito por Khodabakhshian et al.14.

Utilizando el enfoque de vaciado, se calculó el ángulo de reposo de las semillas (θ) en un cilindro sin fondo (diámetro 5 cm; altura 10 cm). El cilindro se llenó con semillas de girasol y se elevó gradualmente hasta que se produjo un montón sobre una mesa con tres superficies distintas (madera, acero inoxidable y plástico). Se midieron el diámetro (D) y la altura (H) del montón y se calculó el ángulo de reposo (θ) según lo informado por25:

Se calcularon los coeficientes de fricción estática (μ) en las tres superficies diferentes (madera, acero inoxidable y plástico) para la semilla. Estas superficies se utilizan ampliamente en el procesamiento y manejo de semillas25. Los coeficientes de fricción estática se calcularon como una tangente del ángulo de pendiente (ángulo de reposo)26:

La variación del largo, ancho, espesor y contenido de humedad de la semilla de girasol en diferentes tratamientos de riego se muestran en las Tablas 1 y 2. Los resultados mostraron que todos estos parámetros disminuyeron al aumentar el déficit hídrico. El contenido de humedad de las semillas se vio afectado por el estrés hídrico, donde disminuyó de 7,92 % a T100 a 5,49 % a T60. Todas las dimensiones tienen una tendencia similar. La longitud, el ancho y el grosor promedio disminuyeron en un 14%, 7,6% y 7,1%, respectivamente. Además, la masa de 1000 semillas disminuyó en un 9,8% con la aplicación del tratamiento T60 en comparación con el tratamiento T100. El diámetro medio geométrico, el volumen y el área de superficie tuvieron el mismo comportamiento que se muestra en el Cuadro 2. Estos comportamientos pueden deberse a la complejidad de los impactos del estrés hídrico en el contenido de humedad de las semillas según lo informado por17,27. La tendencia a la reducción de las dimensiones con el contenido de humedad de las semillas se debió al llenado de capilares y vacíos tras la absorción de humedad y el posterior hinchamiento descrito por15. La variación del largo, ancho, espesor, diámetro medio geométrico y esfericidad de la semilla de girasol aumentó con el aumento del contenido de humedad de 3 a 14% db para todas las categorías de tamaño. Esto indica que durante el proceso de absorción de humedad, la semilla de girasol se expandirá simultáneamente en todas las dimensiones como lo reporta14,19.

La mayoría de los anchos son de aproximadamente 1,5 de espesor, y el alargamiento indica que las semillas de girasol tienen una forma oblonga baja. Las semillas de girasol, por otro lado, tienen más probabilidades de rodar que de deslizarse debido a su relación de elongación media. Esto también fue revelado por los datos de esfericidad en la Tabla 2. Esta información podría ser útil en el diseño de separadores y equipos transportadores. Los valores medios de esfericidad de las semillas de girasol utilizadas en este estudio fueron muy superiores a los informados por18, mientras que los valores de esfericidad de las semillas de girasol estuvieron en los mismos rangos en comparación con los de este estudio28. La porosidad calculada disminuyó de 41,6 % (T100) a 38,1 % (T60) cuando el contenido de humedad disminuyó de 7,9 a 5,5 % (wb) afectado por el estrés hídrico. La forma de la trama fue similar a las observadas por20. Además, el diámetro geométrico (dg), el área superficial (S) y el volumen (Vs) siguieron la misma tendencia.

Los coeficientes de fricción estática de las semillas en las superficies estudiadas aumentaron de 0,380 a 0,424 a medida que el estrés hídrico aumentó de T100 a T60, como se muestra en la Tabla 3. Esto puede explicarse por el aumento de la fuerza de cohesión de las semillas con la superficie debido a la reducción de las dimensiones que se produjo como resultado. de estrés hídrico. Los resultados mostraron que el mayor valor de coeficiente estático de fricción se presentó en la superficie de madera, seguida por las superficies de plástico y acero inoxidable con el mismo estrés hídrico para todos los tratamientos. Además, los coeficientes más altos para estrés hídrico alto podrían atribuirse a su forma esférica más baja en comparación con la de regadío total (T100). La variación del ángulo de reposo tomó la misma tendencia, donde aumentó en un 9,5% (acero inoxidable), 4,3% (plástico) y 4% (madera) a medida que el estrés hídrico aumentó de T100 a T60. El ángulo de reposo aumentó linealmente con un aumento en el estrés hídrico porque las semillas pueden pegarse entre sí, lo que da como resultado una menor fluidez y una mejor estabilidad, lo que aumenta el ángulo de reposo. Hallazgos similares fueron reportados para semillas y granos de girasol14,17 y sésamo19.

Los resultados obtenidos de la carga de trituración (Cuadro 4) muestran que los mayores valores se dieron en la dirección vertical que en la dirección horizontal para todos los tratamientos investigados. La carga máxima de aplastamiento alcanza los 63,1 y 25,0 N para el T100, mientras que el valor mínimo fue de 46,2 y 21,4 N para el T60 tanto en sentido vertical como horizontal respectivamente.

La carga de trituración aumenta a medida que aumenta el tamaño de la semilla, quizás porque el área de contacto de la semilla con las placas de carga se expande, lo que resulta en una expansión de bajo estrés. Esto es consistente con la teoría de la prueba de compresión de Hertz para alimentos14. Ambas orientaciones muestran la misma tendencia de aumento de la carga de trituración a medida que el contenido de humedad aumenta del 5,49 % (T60) al 7,92 % (T100). Estos hallazgos son consistentes con los de 20, quienes descubrieron que elevando el contenido de humedad de la semilla de girasol de 3 a 8% db aumenta la carga de trituración. Esto podría explicarse por el cambio paulatino en la integridad de la matriz celular o estructura celular de las semillas19.

Cuando se aplicó riego total a la formación de semillas y luego se redujo a 80 % de ETc hasta la cosecha (Cuadro 5), se registró el porcentaje de aceite más alto (40,32 %), seguido de T80 durante toda la temporada de crecimiento (39,67 %), y el porcentaje más bajo (36,12%) cuando las plantas fueron sometidas a estrés hídrico T60. No hubo un efecto sustancial sobre el contenido de semillas oleaginosas cuando se produjo estrés hídrico después de la etapa de llenado de semillas29. La disminución del porcentaje de aceite en el tratamiento testigo (T100) podría deberse a un mayor consumo de agua, lo que conduce a un crecimiento vegetativo excesivo y al retraso en la maduración de las semillas inmaduras al momento de la cosecha. La disminución del porcentaje de aceite en el tratamiento de estrés severo podría deberse al deterioro del llenado de semillas, lo que hace que la piel de las semillas de girasol se espese27,30. Se ha citado que el porcentaje de aceite no daña en condiciones de bajo estrés hídrico4.

La intensidad del cambio en el rendimiento de aceite depende de la etapa de crecimiento del cultivo y del porcentaje de reducción de agua. El rendimiento de aceite de girasol se vio afectado por el estrés por sequía, con el tratamiento de bajo estado produciendo un 8,6 % menos para T60 que el tratamiento de control, mientras que el rendimiento de aceite aumentó un 8,5 % para T100–80. Se encontró que el estrés hídrico durante la etapa de floración es un factor limitante para el llenado de semillas, lo que resulta en una reducción significativa en el rendimiento de aceite31,32. El efecto de la escasez de agua en el rendimiento de aceite de semilla también enfatiza la importancia de prestar atención al estrés hídrico potencial en diferentes genotipos de girasol.

Es importante conocer las propiedades físicas y mecánicas para la tecnología poscosecha, y el riego deficitario debe utilizarse como método eficaz para el ahorro de agua. Al comparar los tratamientos de riego desde el punto de vista de las propiedades físicas y mecánicas, todos los parámetros físicos y mecánicos estudiados en esta investigación estuvieron cerca entre sí en todos los tratamientos, excepto en el tratamiento con ETc al 60 %, en el que todos los parámetros disminuyeron significativamente. El ángulo de reposo aumentó de 21° a 26° mientras que el coeficiente de fricción estática varió de 0,380 a 0,488 sobre diferentes superficies de materiales en el estrés hídrico especificado. Por otro lado, los tratamientos con déficit de riego bajo y medio mejoraron el rendimiento de aceite y su contenido de aceite. El aumento más alto para el rendimiento de aceite y el contenido de aceite de la semilla se produjo al aplicar T100–80 (100 % de ETc a la formación de la semilla y luego se redujo al 80 % hasta la cosecha), seguido de la aplicación de 80 % de ETc, pero con un alto déficit de agua (60 % de ETc) el rendimiento de aceite y el contenido de aceite de semilla disminuyeron significativamente (P ≤ 0.05).

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Departamento de Ingeniería Agrícola y de Biosistemas, Facultad de Agricultura, Universidad de Benha, Moshtohor, Qalyobia, Egipto

Harby Mostafa y Mohamed T. Afify

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Todos los autores escribieron el texto principal del manuscrito y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Harby Mostafa.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Mostafa, H., Afify, MT Influencia del estrés hídrico en las características de ingeniería y el contenido de aceite de las semillas de girasol. Informe científico 12, 12418 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16271-7

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Recibido: 05 Abril 2022

Aceptado: 07 julio 2022

Publicado: 20 julio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16271-7

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