La caracterización fisicoquímica de la beterraga (Tabla 6) indica un contenido de humedad de 90.12 ± 2.44 %. Al respecto, Reyes et al. (2017) reportan un valor de 91.2 % y Gómez y Duque (2018) reportan un valor de 88.22 %. El contenido de cenizas fue de 1.18 ± 0.076 g/100g, ligeramente superior al 1% reportado por Reyes et al. (2017). En relación con los minerales, la beterraga es una buena fuente de yodo, sodio y potasio, donde éste último muestra una concentración media de 325 mg/100g. Están presentes en menor cantidad, el magnesio, el fósforo y el calcio. Se ha establecido que, debido a su alto contenido en potasio y bajo de sodio, la beterraga posee una acción diurética que favorece la eliminación del exceso de líquidos del organismo (Usca, 2009). En cuanto a la acidez titulable, la beterraga mostró un contenido de 0.186 ± 0.038 % (expresado como ácido cítrico). Gómez y Duque (2018) reportan un valor de acidez del 0.12 ± 0.01 % (expresado como acido cítrico). No obstante, Álvarez y Veliz (2015) reportan una acidez del 0.3015 % (expresado como ácido málico). El contenido de sólidos solubles fue de 13.41 ± 0.90 °Brix, superior a los 11.6 ± 0.3 °Brix reportado por Gómez y Duque (2018) y a los 8.4 °Brix reportado por Álvarez y Veliz (2015). El contenido de azúcares reductores fue de 9.08 ± 0.53 %. Los sólidos solubles o contenido de azúcar miden e incluye los carbohidratos, ácidos orgánicos, proteínas y minerales del fruto, siendo un indicador de su grado de dulzor (Damodaran y Parkin, 2017). En cuanto a la capacidad antioxidante, esta fue de 19.98 ± 1.71 mg/100g (calculado como % de captación de radicales libres del 2,2 difenil-1-picrilhidrazilo, DPPH, en forma de radical libre). La beterraga es una importante fuente de betalaínas, un compuesto heterocíclico y pigmento de nitrógeno soluble en agua, que se puede subdividir en dos clases de acuerdo con su estructura química: betacianinas, como la betanina, prebetanina, isobetanina y neobetanina, responsables de la coloración rojo violeta.
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Por otro lado, contiene las betaxantinas, responsables del colorante amarillo anaranjado, que comprenden vulgaxantina I y II e indicaxantina. Las betalaínas le confiere su coloración rojo púrpura. Además, son estos colorantes los responsables de la capacidad antioxidante de la beterraga. La betanina se puede usar como un poderoso antioxidante en la industria alimentaria en forma de extracto o polvo, y también se aplica como un pigmento natural (Teixeira et al., 2019).
Las cinéticas de eliminación de agua (% WL) y ganancia de sólidos (%SG) (Figuras 2 y 3 respectivamente), muestran una una tendencia logarítmica en función al tiempo, siendo el tratamiento con ultrasonido el de mayor actividad. De esta manera, se logró eliminar un máximo de 51.05 y 25.22 % de agua en los tratamientos con ultrasonido (40 kHz) y testigo (sin movimiento) respectivamente; mientras que para la ganancia de sólidos se obtuvo un máximo de 18.13 y 9.19% en los tratamientos de ultrasonido y testigo respectivamente. Cabe indicar que estos datos corresponden al tratamiento 4 (uno de los tratamientos que presenta los coeficientes de difusividad más altos para sólidos como para líquidos) a una temperatura de 55.6 °C y una solución de panela del 55.6 % p/p. Los datos experimentales confirman la rápida eliminación de agua y ganancia de sólidos que se consigue con la aplicación de ultrasonido. En la DO de aguaymanto (Physalis peruviana) en solución de panela, Marceliano (2018) logró eliminar el 46.62 y 23.67% con la aplicación de ultrasonido (panela al 60 % p/p, temperatura de 60 °C y ultrasonido a 40 kHz) y sin movimiento (panela al 60 % p/p y temperatura de 60 °C) respectivamente. Para la ganancia de sólidos bajo las mismas condiciones el mismo autor reporta una ganancia máxima de 14.25 y 4.63% para los tratamientos con ultrasonido y sin movimiento respectivamente. Por otra parte Rondo (2019) reporta una pérdida máxima de agua del 60.30 y 26.66% para la deshidratación osmótica de cubos de chiclayo (Cucurbita ficifolia) con ultrasonido (panela al 60 % p/p, temperatura de 45 °C y 40 kHz) y sin movimiento (panela al 60 % p/p, temperatura de 45
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°C) respectivamente, mientras que para la ganancia de sólidos en las mismas condiciones reporta un máximo de 19.07 y 9.92% respectivamente para los tratamientos con ultrasonido y sin movimiento respectivamente. Cabe señalar que en la DO se llega a eliminar hasta el 40 – 65 % de agua contenida en la muestra fresca (Suca, 2008; Karathanos et al., 1995) dependiendo del tipo de alimento tratado. Allahdad et al. (2018) observaron un incremento de 2 veces y 2,7 veces para la pérdida de agua a las frecuencias de 25 y 40 kHz, respectivamente, al final del proceso (80 min). El efecto potenciador del ultrasonido en la transferencia de masa de agua y soluto también se reporta en estudios realizados por Kek et al. (2013) y Fernandes et al. (2009) que establecen que el fenómeno de cavitación originado por la aplicación de ultrasonidos facilita la salida de agua y el ingreso de solutos comparado con la DO sin ultrasonido para un mismo tiempo. La acción interactiva de tiempo de ósmosis, concentración del soluto y temperatura tiene un efecto significativo en WL y SG. Como se esperaba, la pérdida de agua y la ganancia de sólidos aumentaron con el aumento de la temperatura y la concentración de la solución (Djendoubi et al., 2013).
Beristain et al. (1990) consideran que el incremento en la temperatura de la solución osmótica, resulta en un incremento de la pérdida de agua mientras que la ganancia de sólidos es menos afectada por la variación de la temperatura. Ramya y Jain (2016) y Shete et al. (2018) establecen que al incrementar la concentración de la solución osmótica resulta en un correspondiente incremento en la pérdida de agua a nivel de equilibrio y la velocidad de secado, conduciendo a mayores pérdidas de peso. Esto se atribuye a la actividad de agua de la solución osmótica que disminuye con el incremento de la concentración de solutos en la solución osmótica (Biswal et al., 1991).
En las Tablas 7 y 8 se presentan los coeficientes de difusividad promedio, tanto para pérdida de agua como ganancia de sólidos en los tratamientos con ultrasonido y testigo
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respectivamente. En el tratamiento con ultrasonido (40 kHz) los coeficientes de difusividad variaron entre 1.9417 – 3.4962 x 10-10 m2/s y entre 1.2363 – 2.1154 x 10-10 m2/s para el agua y sólidos respectivamente (Este último tomado como el promedio de los tres puntos centrales). En tanto que en el tratamiento sin movimiento (testigo) los coeficientes de difusividad variaron entre 1.1266 – 1.9245 x10-10 m2/s y entre 0.8709 – 1.5709 x 10-10 m2/s para el agua y sólidos respectivamente. El coeficiente de difusividad efectiva (De) es una medida de la cantidad de masa que atraviesa una unidad de superficie del medio en cierto tiempo, denominado también, flujo difusivo. De cierta forma se podría entender a este flujo como una especie de “caudal”, pero con la diferencia que en este caso se presta atención a la masa de la materia que se está difundiendo (Dermesonlouoglou et al., 2007). Al respecto, Marceliano (2018) en la deshidratación osmótica de aguaymanto reporta valores entre 2.76 – 5.90 x 10-10 m2/s para la pérdida de agua y entre 2.62 – 4.92 x10-10 m2/s para ganancia de sólidos con la aplicación de ultrasonido (panela al 60 % p/p y 60 °C). En la aplicación de agitación (100 rpm, panela al 60% p/p y 60 °C) el mismo autor reporta valores entre 1.66 – 4.69 x 10-10 m2/s para la pérdida de agua y entre 1.55 – 4.23 x10-10 m2/s para ganancia de sólidos, y en el tratamiento sin movimiento (panela al 60 % p/p y 60 °C); reporta valores entre 1.16 – 2.20 x 10-10 m2/s para la pérdida de agua y entre 1.03 – 2.06 x10-10 m2/s para ganancia de sólidos. En la deshidratación osmótica de chiclayo, Rondo (2019) reporta valores entre 3.90 – 7.01 x 10-10 m2/s para la pérdida de agua y entre 1.87 – 3.31 x10-10 m2/s para ganancia de sólidos en una solución de panela al 60%, una temperatura de 45 °C y ultrasonido a 40 kHz.
Nahimana et al. (2011) establecen que los coeficientes de difusividad efectiva varían entre 1.4 – 42.2 x 10-10 m2/s para el agua y entre 0.4 – 36 x 10-10 m2/s para el soluto osmótico en la deshidratación osmótica de frutas y vegetales. Por otro lado, indica que la variabilidad se debe a que el material vegetal es heterogéneo, las membranas celulares difieren en su
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resistencia a la transferencia de masa y en su composición, siendo las estructuras las compactas las que ofrecen mayor resistencia a la transferencia de masa.
Kaur y Singh (2013) realizaron la DO de rodajas de remolacha en una solución acuosa combinada de sal (5 – 25%) y azúcar (55 – 75 ° Brix) con una relación de solución a muestra de remolacha de 4 : 1 a diferentes temperaturas de solución que varían de 30 - 60 °C por 30, 60, 90, 120, 180 y 240 minutos. Los datos experimentales se ajustaron a diferentes modelos cinéticos empíricos, incluidos Azuara, Fick's, Page, potencial y exponencial. El estudio reveló que la pérdida de agua y la ganancia de solutos aumentan con el aumento de la concentración de la solución y la temperatura. Además, el modelo de Azuara ajustado a la pérdida de agua, así como a los datos de ganancia de solutos (SG) representa con mayor precisión la evolución del proceso completo cerca del equilibrio. El modelo exponencial presentó el mejor ajuste para la pérdida de agua, mientras que el modelo de potencia mostró la mejor capacidad predictiva para los datos de ganancia de soluto. La difusividad efectiva fue calculada utilizando la ecuación de Fick que se encontró en el intervalo de 7.15 x 10-10 a 1 x 10-9 y 3.21 x 10-9 a 5.08 x 10-9 m2/s para pérdida de agua y ganancia de soluto respectivamente
Islam et al. (2019) investigaron la cinética de transferencia de masa y la calidad nutricional durante la deshidratación osmótica (OD) y el secado al aire de papaya. La papaya se pretrató osmóticamente mediante diferentes concentraciones de soluciones de azúcar (40, 50 y 60 °Brix) y temperaturas de la solución osmótica (35, 45 y 55 °C). La relación de fruta a la solución se mantuvo a 1: 4 (p/v) y la duración del proceso pretratado varió de 0 a 240 min. El estudio demostró que la pérdida de agua y la tasa de ganancia de solutos aumentaron con el aumento de la temperatura, concentración de la solución osmótica y tiempo. La
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difusividad efectiva promedio de pérdida de agua y ganancia de soluto se obtuvo en el intervalo de 2.25 x 10-9 a 4.31 x 10-9 m2/s y 3.01 x 10-9 a 5.61 x 10-9 m2/s, respectivamente. El análisis de varianza (Tablas 9, 10, 14 y 15) demuestra un efecto estadísticamente significativo (p < 0.05 y R2 cercano a 1) por parte de la temperatura y concentración de panela, tanto de manera lineal, cuadrática e interaccionada sobre el coeficiente de difusividad para la pérdida de agua y ganancia de sólidos en los tratamientos de ultrasonido y testigo. Este efecto se ve corroborado con los gráficos de Pareto de las Figuras 4,5, 8 y 9 donde las variables cuya barra traspase (hacia la derecha) el nivel de significancia de 0.05 ejerce un efecto estadísticamente significativo sobre la difusividad efectiva.
Con la ayuda de las Tablas 11 y 12 donde se muestran los coeficientes para la predicción de la difusividad efectiva para el agua y sólidos se establece los modelos matemáticos que rigen este comportamiento (YWU y YSU respectivamente) en la deshidratación osmótica de cubos de beterraga en ultrasonido (40 kHz) a concentraciones de panela entre 30 – 60 % p/p y temperaturas entre 30 – 60 °C. Cada combinación posible se puede observar en los gráficos de contornos presentado en las Figuras 6 y 7 para la difusividad del agua y sólidos respectivamente. Las Tablas 16 y 17 presentan los coeficientes para la predicción de la difusividad efectiva para el agua y sólidos que permiten establecer los modelos matemáticos que rigen este comportamiento (YWT y YST respectivamente) en la deshidratación osmótica de cubos de beterraga sin movimiento (testigo) a concentraciones de panela entre 30 – 60 % p/p y temperaturas entre 30 – 60 °C. Cada combinación posible se puede observar en los gráficos de contornos presentado en las Figuras 10 y 11 para la difusividad del agua y sólidos respectivamente.
En las Tablas 13 y 18 se presentan el error medio relativo (EMR) tanto para el coeficiente de difusividad del agua y de los sólidos en la deshidratación osmótica de la beterraga en
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ultrasonido y sin movimiento respectivamente. En todos los tratamientos realizados se observa un error medio relativo absoluto inferior al 10%, concordando con lo indicado por Azuara et al. (1996) que señala un máximo del 10% en el EMR para que un modelo matemático posea un buen ajuste a los datos experimentales.
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5. CONCLUSIONES
La caracterización fisicoquímica de la beterraga reporta un contenido de sólidos del 9.88%, una concentración de minerales (expresado como cenizas totales) de 1.18 g/100g, una acidez titulable de 0.186 % (expresado como ácido cítrico), una cantidad de sólidos solubles equivalente a 13.41 °Brix, un contenido de azúcares reductores de 9.08 % y una capacidad antioxidante de 19.98 %.
La cinética de deshidratación osmótica mostró que la pérdida de agua y ganancia de sólidos se incrementa con el tiempo, siendo mayor en las primeras 2 horas del proceso, llegando a perder después de las 7 horas el 51.05 y 25.22% del agua en los tratamientos con ultrasonido y sin movimiento respectivamente. La ganancia de sólidos en los mismos tratamientos fue de 18.33 y 9.19 % respectivamente.
La difusividad efectiva fue mayor en el tratamiento con ultrasonido en la pérdida de agua como en la ganancia de sólidos. De esta manera, en ultrasonido se obtuvo coeficientes de difusividad efectiva entre 1.94 – 3.49 x 10-10 m2/s y entre 1.24 – 2.12 x 10-10 m2/s para la pérdida de agua y ganancia de sólidos respectivamente (este último calculado como promedio de los tres puntos centrales). En tanto que en el tratamiento sin movimiento (testigo) se obtuvo coeficientes de difusividad efectiva entre 1.13 – 1.93 x 10-10 m2/s y entre 0.87 – 1.57 x 10-10 m2/s para la pérdida de agua y ganancia de sólidos respectivamente. En tanto que el análisis de varianza realizado, indica que existe influencia significativa (p > 0.05) por parte de las variables independientes (temperatura y concentración de panela) analizadas, tanto de forma lineal como cuadrática, sobre el coeficiente de difusividad promedio para el agua y sólidos tanto en el tratamiento con ultrasonido y testigo.
En todos los tratamientos analizados, la aplicación de ultrasonido mejora considerablemente la pérdida de agua y ganancia de sólidos, con ello su respectiva difusividad en comparación
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con los tratamientos sin movimiento. Al mismo tiempo, el incremento de la temperatura y concentración de solución osmótica de panela favorece la pérdida de agua y ganancia de sólidos.
Analizando las curvas de contorno se puede establecer un óptimo para lograr una máxima eliminación de agua y ganancia de sólidos en la deshidratación osmótica de la beterraga en soluciones de panela. De esta manera, para el tratamiento con ultrasonido (40 kHz), el óptimo de concentración de panela esta entre 53 – 56 % p/p y la temperatura entre 46 – 55 °C. por otro lado en el tratamiento testigo (sin movimiento) se tiene un óptimo de concentración de panela entre 48 – 52 % p/p y un intervalo de temperatura entre 55 – 58 °C.
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