Introducción

El sector agroindustrial arrocero ha venido experimentando un crecimiento significativo y ha aportado a la economía de países en proceso de desarrollo (FAOSTAT, 2020). En países de África subsahariana, por ejemplo, más de 20 millones de agricultores cultivan arroz y producen alrededor de 4.8 millones de toneladas anuales (^{MinAgricultura, 2021}). En América del sur, para un país como Colombia donde se producen cerca de 2.35 millones de toneladas de arroz por año, este producto garantiza la seguridad alimentaria de 400.000 familias, y es la mayor fuente de empleo en zonas arroceras de los departamentos de Casanare, Meta, Arauca, Valle del Cauca, Tolima, Huila, Santanderes y zona costera del norte del país (^{MinAgricultura, 2021}; ^{Cardona Ayala et al., 2011}). En la agroindustria del arroz, el principal residuo que se genera en Colombia y en el mundo es la cascarilla, la cual se produce durante el proceso de pilado, y es equivalente al 25 % de la producción (^{Bodie et al., 2019}).

La cascarilla es una estructura que protege la semilla de arroz durante la germinación y está compuesta principalmente por celulosa (25.9-35.5 %), hemicelulosa (18.1-21.4 %), lignina (18.2-24.6 %), minerales (15.3-24.4 %), compuestos polifenólicos y sílice (^{Kraithong et al., 2018}; ^{Valverde et al., 2007}). Contiene 15 % de carbono, 18 % de cenizas y 67 % de material volátil (^{Lim et al., 2012}). Sin embargo, la cascarilla de arroz contiene, además, proteína de 2.3-3.2 %, lípidos entre 0.4-0.7 %, y almidón 1.8 %, datos expresados en base seca (^{Pinciroli et al., 2010}) valores que difieren dependiendo de la variedad de arroz y de sus condiciones de cultivo.

Este residuo agroindustrial tiene limitadas opciones comerciales debido a las pocas tecnologías implementadas para su valorización, a su baja degradabilidad natural, y a la presencia de compuestos que dificultan su uso y disposición final (^{Hesami et al., 2014}; ^{Piñeros Castro et al., 2011}; ^{Velásquez Piña, 2014}).

Dentro de las alternativas evaluadas para el aprovechamiento de cascarilla de arroz se incluyen su transformación en azúcares, los cuales son utilizados como materia prima en la producción de etanol (^{Piñeros Castro et al., 2011}), proporciona una alternativa energética como biomasa, disminuyendo el uso de fuentes fósiles que contaminan el ambiente (^{Bhat et al., 2016}), por su contenido en sílice se ha usado en la purificación de péptidos microbianos (^{Janes et al., 1998}), y tiene uso directo como cama de pollos en granjas avícolas (^{Bodie et al., 2019}), como fertilizante en la agricultura (^{Badar y Qureshi, 2014}), y en la elaboración de bloques de concreto (^{Hesami et al., 2014}), entre otros. Sin embargo, su mayor aprovechamiento es el calórico a través de procesos de combustión controlado, debido a su poder calorífico (3281.6 Kcal/kg) (^{Velásquez Piña, 2014}), por lo cual, el aprovechamiento de cascarilla de arroz sigue siendo un reto para la industria.

De otro lado, aunque el contenido de proteína en la cascarilla de arroz es mínimo, estas proteínas en conjunto con el contenido de fibra aportado por la celulosa, hemicelulosa y lignina, podrían tener interesantes propiedades tecno-funcionales (^{Vargas et al., 2013}) lo cual abriría un campo de investigación en el uso de este subproducto como ingrediente alimentario. Una propiedad tecno-funcional se define como una propiedad que va más allá de lo nutricional y determina la utilidad de un ingrediente. Algunas proteínas presentan propiedades tecno-funcionales de hidratación, donde priman las interacciones proteína-agua, o propiedades de superficie, donde prevalecen las interacciones proteína-proteína (^{Chel Guerrero et al., 2003}) Entre las propiedades de superficie de las proteínas se encuentra la capacidad emulsificante (CE). La CE de una proteína se debe a la naturaleza química de los radicales R de los grupos amino terminales de las proteínas, y a su porcentaje en peso (^{Kralova y Sjoblom, 2009}) Los grupos R hidrofóbicos serán capaces de interactuar con fases oleosas, mientras que los grupos R hidrofobos actuarán con la fase acuosa, disminuyendo la tensión superficial de la dispersión, y finalmente, haciendo que estas dos fases inmisibles se puedan unir. La estabilidad de las emulsiones (EE) representa la capacidad de la emulsión para mantener los glóbulos de grasa en su tamaño inicial y uniformemente distribuidos en la fase acuosa (^{Jiménez-Colmenero, 2013}) Por lo tanto, la caracterización tecno-funcional de residuos agroindustriales como la cascarilla de arroz permitiría visualizar otros usos de este subproducto.

Por lo anterior, el objetivo de esta investigación es elaborar una harina de cascarilla de arroz, evaluar sus propiedades emulsionantes y determinar el efecto de factores extrínsecos como pH, fuerza iónica y temperatura sobre la capacidad emulsificante (CE) y la estabilidad emulsificante (EE).

Materiales y métodos

Obtención de harina de cascarilla de arroz.

1 kg de cascarilla de arroz marca Anasac Jardín, se obtiene del almacén de cadena Homecenter de la ciudad de Cali, Valle del Cauca, Colombia.

La cascarilla se lava con agua potable repetidas veces con la finalidad de limpiar impurezas y residuos no deseados en el proceso, y finalmente se lava con agua destilada. El material lavado se lleva a secado conductivo a 60 °C, durante 24 h hasta alcanzar una humedad de 7.9 ± 0.28, utilizando un horno (Memmert, Alemania). Posteriormente, la cascarilla de arroz seca se distribuye en 4 bolsas herméticas con cierre ziploc, cada una con 200 g aproximadamente.

El material limpio y seco se muele y tamiza utilizando un molino de martillos (V-MOLM-IO-IMA, Colombia) y posteriormente, un tamizador (Rotap Tyler®). El tamizado se realiza por 15 min, con tamiz de 250 μm. Las harinas con granulometría mayor y menor a 250 μm se separan siguiendo la metodología propuesta por (^{Chasoy y Cock, 2017}).

A las harinas se les mide humedad por el método de estufa a presión atmosférica (Métodos Oficiales de Análisis de La AOAC, 15a Ed. Asociación de Químicos Analíticos Oficiales, 1990) y la actividad acuosa (aw) mediante el método de punto de rocío (AquaLab 4TE).

Capacidad emulsificante (CE)

A las harinas de los dos tamaños de partícula se les mide CE a tres pH y a tres fuerzas iónicas, siguiendo el modelo de (^{Ferreyra et al., 2007}), con algunas modificaciones. Se preparan 54 tubos eppendorf de 50 ml con soluciones a diferentes pH (5.5; 2.5 y 1.5) y diferentes fuerza iónicas (0; 0.2 y 0.5 M de NaCl), utilizando en cada tubo 3 g de harina de cascarilla de arroz de cada una de las granulometrías (> 250 y < 250 μm) y 10 ml de agua destilada. El agua se ajusta previamente con ácido clorhidrico o hidroxido de sodio y NaCl hasta alcanzar los pHs y fuerzas iónicas mencionadas. Las soluciones se agitan durante 30 s, con la ayuda de un homogeneizador (MicroDisTec, Reino Unido) a 14000 rpm, posteriormente, a cada tubo se agrega gota a gota, 10 ml de aceite de soja comercial agitando hasta formar una emulsión. Finalmente, las emulsiones se llevan a centrifugación (Eppendorf, Alemania) a 2500 rpm por 10 min.

La CE se calcula mediante la ecuación 1 (^{Barrera Arellano D. y Lamus Uvarova M., 2005}).

(Ec. 1)

Estabilidad de la emulsión (EE)

La estabilidad de las emulsiones se evalua a dos temperaturas (50 y 80 °C), utilizando el procedimiento descrito por (^{Ferreyra et al., 2007}). Se preparan 108 emulsiones siguiendo el mismo procedimiento descrito en el numeral anterior y utilizando los mismos tratamientos a diferentes pH (5.5; 2.5 y 1.5) y diferentes fuerzas iónicas (0; 0.2 y 0.5 M de NaCl L^-1). Las emulsiones se calientan durante 30 min en baño maría a la temperatura correspondiente, se enfrian por 15 min con agua corriente, y posteriormente, se llevaron a fuerza centrífuga de 2500 rpm durante 10 min. Para calcular la estabilidad de la emulsión se empleó la ecuación 2.

(Ec. 2)

Donde,

Vi = volumen inicial de la emulsión.

Vf = volumen final de la emulsión.

Resultados

Efecto del tamaño de partícula, el pH y la fuerza iónica sobre la CE

En la Tabla 1 se presenta la CE de la harina de cascarilla de arroz por el efecto del pH, fuerza iónica, y tamaño de partícula, y la diferencia estadística entre los tratamientos, con su respectiva desviación estándar. Se encuentra que tanto el pH como el tamaño de partícula afectan significativamente (p < 0.05) la CE, mientras que la fuerza iónica no influencia la CE (Tabla 1). En harinas de cascarilla de arroz de tamaño de partícula < 250 μm, a pH 5.5 se presentan los máximos valores de CE (3.1 a 3.3 mL/g), y a pH 1.5 y fuerza iónica correspondiente a 0.5 M, los mínimos (1.5 mL/g). Aumentando el tamaño de partícula (> 250 μm) se aumenta significativamente (p < 0.05) la CE independientemente del pH y de la fuerza iónica.

Tabla 1 Capacidad emulsificante (CE) de harina de cascarilla de arroz por efectos del pH, fuerza iónica, y tamaño de partícula 

Letras diferentes para cada columna representan una diferencia significativa (Tukey, p < 0.05). (Medias ± desviación estándar).

Efecto del tamaño de partícula, pH, fuerza iónica y temperatura sobre la EE

Las figuras 1 a y 1b muestran el efecto del pH, fuerza iónica, tamaño de partícula y temperatura (50 y 80 °C, respectivamente) sobre la EE, y el respectivo error estándar de los tratamientos. La tabla 2 presenta la significancia estadística de EE.

Tabla 2 Estabilidad de emulsiones de harina de cascarilla de arroz a diferentes temperaturas, pH, fuerza iónica y tamaño de partícula 

Letras diferentes representan una diferencia significativa (Tukey, p < 0.05). (Medias ± desviación estándar) entre los tratamientos.

La mayor EE se obtiene con tamaños de partículas > 250 μm, pH 5.5 y fuerza iónica de 0.5 M a 50 °C. La EE disminuye en 5.3 % cuando se usaron las mismas condiciones a 80 °C.

En la Tabla 2 se puede observar que las emulsiones de harinas de cascarilla de arroz son más estables a 50 °C y están altamente influenciadas por el pH, la fuerza iónica y el tamaño de partícula > 250 μm. La mayor EE de las harinas de cascarilla de arroz (más de 47 %) se pueden obtener por dos vías 50 °C, pH 1.5, sin adición de sal y tamaño de partícula < 250 μm, o a 50 °C, pH 5.5 adición de 0.2 M de NaCl y tamaño de partícula de > 250 μm. Mientras que el tratamiento con menor EE (4.2 % ± 0.03) se presenta a pH 2.5, fuerza iónica de 0.5 M de NaCl, con un tamaño de partícula < 250 μm.

Figura 1 Efecto del pH, fuerza iónica, y tamaño de partícula de la harina de cascarilla de arroz en la estabilidad emulsionante (EE): A) 50°C. B) 80°C 

Discusión

La capacidad de formar emulsiones en las harinas de cascarilla de arroz, así como de otras harinas, depende de la relación entre el porcentaje en peso de grupos hidrófilos y el porcentaje en peso de grupos hidrófobos en la moléculas presentes en la fibra y las proteínas, estas últimas con una propiedad relevante conocida como la anfifilicidad (^{Kralova y Sjoblom, 2009}) Adicionalmente, es relevante la interacción con el medio que permitiría la exposición y la distribución de los grupos hidrofílicos e hidrofóbico (^{Badui, 2006}) En esta investigación no se realizó un perfil de aminoácidos, sin embargo, podría afirmarse que la harina de cascarilla de arroz presenta un bajo balance hidrofílico hidrofóbico de sus aminoácidos (entre 3-6) ya que es capaz de estabilizar emulsiones agua-aceite de acuerdo a lo dicho por (^{Jiménez-Colmenero, 2013}).

La CE de la harina de cascarilla de arroz también puede atribuirse en parte, a su contenido de fibra cruda. Se ha reportado la capacidad de emulsionar de diferentes fibras (^{Khalid et al., 2003}; ^{Vegas Niño y Lavado Baca, 2021}) en investigaciones con harina de semillas residuales de linaza, resaltan que los contenidos de fibra de esta harina aportan propiedades tecno-funcionales como propiedades gelificantes, viscosantes, capacidad emulsificante entre otras, y afirman además, que estas propiedades se ven influenciadas por el tamaño de partícula.

La CE y la EE de harinas de cascarilla de arroz no se ven afectadas significativamente por la adición de sal, este aspecto resulta de alta relevancia cuando se piensa en la posibilidad de utilizar la harina de cascarilla de arroz como una alternativa de ingrediente alimentario en la formulación de emulsiones dirigidas a poblaciones vegetarianas. En estudios realizados por ^{Barrera Arellano D. y Lamus Uvarova M. (2005)} donde se estudian las propiedades de la albúmina del huevo, se demostró que las emulsiones con ovoalbúmina se ven afectadas por la adición de NaCl al 0.3 %, lo cual ocasiona una pérdida de EE pasando del 74 % (a pH = 5.0) a un 66 %.

La harina de cascarilla de arroz a pH 2.5 y una fuerza iónica de 0.5 M, presenta EE del mismo orden de magnitud que la harina de trigo. Autores reportan que la harina de trigo presenta una EE entre 37.5 % y 45 % en pH 2.5 (^{Bhat et al., 2016}). ^{Ramírez y Pacheco de Delahaye (2009)} reportan EE en harinas de frutas deshidratadas teniendo un resultado en harina de piña (Ananas comusus L) de 1 %, en guayaba (Psidium guajava L.) 51 % y en guanábana (Annona muricata L.) de 20 %. Para la piña la EE es casi nula.

Las diferencias en EE encontradas a 50 y 80 °C se explican porque la temperatura afecta las estructuras cuaternarias, terciarias y secundarias de las proteínas, con la consiguiente desnaturalización proteica (^{Badui, 2006}). La desnaturalización proteica impide la interacción interfacial (disminuyendo la EE), y favorece las interacciones hidrofóbicas, aumentando la precipitación proteica y disminuyendo la adsorción en la interfase.

En nuestra investigación la mayor EE de la harina de cascarilla de arroz se obtiene a 50 °C (> 250 μm, pH 5.5 y fuerza iónica de 0.5 M), estos resultados concuerdan con los resultados obtenidos por ^{Ferreyra et al. (2007)}, quienes evaluan la estabilidad de la emulsión en harina de cacahuate (Arachis hypogaea L.) a 80 °C y a pH 6.0, encuentran que a estas condiciones la EE es menor comparado con la EE obtenida a 50 °C.

Finalmente, se estima que CE y EE se ven favorecidos con harina en un tamaño de partícula > 250 μm y pH 5.5, y la fuerza iónica es poco significativa para estas dos propiedades tecno- funcionales, obteniendo resultados de 3.3 ml/g de CE y más de 47 % de EE.

Si bien ^{Lozano Rojas (2020)} indica que la cascarilla de arroz no parece ser una alternativa en la industria alimentaria, nuestros resultados indican que este residuo representa un gran potencial como ingrediente de la industria alimentaria y no alimentaria, ya que tiene una importante propiedad tecno-funcional como lo es la capacidad emulsificante. De hecho, las propiedades emulsificantes de este residuo hacen posible que pueda utilizarse en la elaboración de productos como bloques de concreto, generando resistencia y menos problemas de agrietamiento, (^{Ortega Ramírez y Quispe Trinidad, 2021}).

Conclusiones

La cascarilla de arroz puede utilizarse como emulsificante y su capacidad emulsificante no se ve afectada por la adición de sal, y esto es una ventaja si se usa este residuo como ingrediente alimentario. El pH, el tamaño de partícula y la temperatura son altamente relevantes y afectan la capacidad emulsificante de la harina de cascarilla de arroz . La mejor capacidad y estabilidad de la emulsión puede obtenerse en un tamaño de partícula mayor a 250 μm a un pH 5.5. Estas propiedades tecno- funcionales de la harina de cascarilla de arroz abre la posibilidad de utilizar este residuo agroindustrial como tensoactivo, principalmente en las industrias alimentaria y cosmética.