Materiales

La cascarilla de arroz provenía del Espinal-Tolima, Colombia, la cual fue molida hasta un tamaño de 0,45 μm usando un molino de martillos. Se utilizó maltodextrina grado USP. Los reactivos Folin-Ciocalteu a 2N, 2,2-difenil-1-picrilhidracilo, ácido gálico, trolox, hidróxido de potasio y carbonato de potasio fueron grado analítico de Sigma-Aldrich. La cascarilla de arroz antes y luego de la extracción fue caracterizada en cuanto a su contenido de cenizas, lignina y carbohidratos totales de acuerdo con la metodología de reportada por National Renewable Energy Laboratory ^[13].

Obtención y caracterización de extracto antioxidante. Se utilizaron 400 g de cascarilla de arroz por cada litro de agua en la extracción. La cascarilla se dejó en remojo durante 24 h a temperatura ambiente previo a la extracción, la cual se realizó en un reactor batch de acero inoxidable 316 de 2 L de capacidad, con agitación mecánica a 200 rpm, temperatura de 453,15 K y presión manométrica de 1 MPa, durante 1 h. Se separó por filtración el extracto, se determinó el volumen, pH, actividad antioxidante, contenido de polifenoles totales y se identificaron los grupos funcionales de compuestos fenólicos por FTIR. La capacidad antioxidante de los diferentes extraíbles se analizó mediante el método propuesto por Kim et al. ^[14] en el que se analiza la reducción del radical libre del componente 2.2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH). Para el contenido de fenoles totales presentes en los extraíbles se empleó el método de Folin-Ciocalteu ^[15]. Finalmente, con el fin de determinar los grupos funcionales presentes en el extracto seco se realizó un análisis de espectrometría utilizando Infra Rojo con Transformada de Fourier (FTIR), en espectrofotómetro Agilent Technologies (Cary 630 FTIR, USA).

Encapsulación del extracto antioxidante. Para realizar el microencapsulado mediante liofilización se utilizó como agente encapsulante maltodextrina comercial grado USP. Para esto se prepararon soluciones con distintas concentraciones de maltodextrina 0,25 (E1), 0,15 (E2), 0,125 (E3) y 0,1 (E4) g/cm³, las cuales fueron adicionadas en un volumen de 10 cm³ a 20 cm³ del extracto. Para la microencapsulación se utilizó el método descrito por Deladino et al. ^[11]. Las mezclas se calentaron a 323,15 K con agitación constante de 100 rpm durante 1 h, hasta obtener una mezcla homogénea. Luego se enfriaron a temperatura ambiente y posteriormente se liofilizaron. La liofilización se llevó a cabo en un equipo a escala del laboratorio a 223,15 K y 0,2 MPa.

Caracterización fisicoquímica de las microcápsulas. La determinación del tamaño de partícula, se realizó por un tamizado en tamiz portable Sieve Shaker Moler (Ro-Tap, WS Tyler, Inc., Mentor, Ohio) haciendo un análisis diferencial. Se midió la densidad aparente según Kaderides et al. ^[16]. Finalmente, el porcentaje de humedad se midió por medio de método gravimétrico con una balanza de humedad Mettler Toledo HB43-S Halogen Classic Plus a 105° C. Mediante difracción de rayos X se determinó la estructura semicristalina del material empleando un difractómetro automático Shimadzu XRD-6000, las muestras fueron analizadas a temperatura ambiente con una humedad relativa de 53 %, entre 2Θ: 5°-80°, usando una radiación de Kα-Cu, con una longitud de onda de 1542 Å, 40 Kv, 40 mA y un tamaño de paso de 0,05°.

El contenido de fenoles totales presentes en el material encapsulado se determinó mediante Folin-Ciocalteu ^[15]. Se disolvió una cantidad conocida de encapsulado en 2 cm³ de agua con el fin de solubilizar el material encapsulante correspondiente a la mal-todextrina. De igual forma se realizó extracción con etanol 96 % y se procedió a hacer la determinación del contenido de fenoles totales. Con los resultados obtenidos se determinó el porcentaje de liberación y la eficiencia de encapsulación teniendo en cuenta la relación entre el total de extracto en las microcápsulas (TE) y el total de extracto en la superficie del encapsulado (SUE), según Davidov-Pardo et al. ^[17].

Análisis estadístico. Los datos obtenidos fueron tratados mediante un análisis de varianza (Anova) usando el software Statgraphics Plus para Windows (Manugistics Corp., Rockville, MD). También se realizó el teste de Fisher de mínimas diferencias significativas (LSD) con un 95 % de confianza.

Obtención y caracterización del extracto

En la tabla 1 se encuentran los datos de caracterización de la fracción sólida obtenida luego de la extracción realizada a 453,15 K y 1 MPa durante 1 h.

Tabla 1 Composición de la cascarilla de arroz antes y luego de la extracción acuosa. 

Letras superíndices diferentes en la misma columna indican diferencias significativas (p < 0,05 %).

El material extraído presenta un porcentaje mayor de lignina que en el material sin tratar, debido a que la condición de la temperatura utilizada permite una mayor solubilización de la hemicelulosa permitiendo tener disponible los compuestos fenólicos característicos de la lignina en la cascarilla de arroz ^[18]. Así mismo se puede apreciar lo que otros autores afirman respecto a la composición de ceniza, dado que la cascarilla de arroz contiene aproximadamente 10 % a 17 % de óxido de silicio ^[19], lo cual puede ser aprovechado como agente de refuerzo en la fabricación de materiales compuestos ^[20].

Con relación a la fase líquida se encontró un valor de pH ácido debido a la producción de ácido acético dado por los rompimientos de los grupos acetilo presentes en los azúcares. En cuanto a los valores de actividad antioxidante y compuestos fenólicos, estos fueron similares a los obtenidos en estudios previos ^[18]. Este proceso trae como beneficio la no implementación de sustancias químicas contaminantes al medio ambiente, así como la generación de un proceso industrial más eficiente, dado que en este no se tendría que neutralizar la muestra para posteriores implementaciones en sectores alimenticios y cosméticos y se utiliza agua como solvente.

Al comparar los resultados con los reportados por Martins et al. ^[2], quienes obtuvieron extractos ricos en antioxidantes a partir de cascarilla de arroz, mediante métodos alcalinos y ácidos, se observa que los extractos de la presente investigación tienen mayor concentración de componentes fenólicos. Es posible inferir que la extracción con agua a 453,15 K y 1 MPa de presión permite el acceso a los compuestos antioxidantes, principalmente restos fenólicos que se solubilizan y que se derivan de la lignina ^[21].

Tabla 2 Valores medios y desviación estándar de pH, fenoles totales y actividad antioxidante del extracto líquido. 

Por otro lado, la figura 1 muestra el espectro infrarrojo del extracto seco obtenido, se puede apreciar una banda ancha a IR n max 3380 cm"¹ correspondiente al grupo -OH; las bandas localizadas en el rango IR n max de 1670-1280 cm^-1 indican presencia de grupos C=0, mientras que en el rango IR n max de 1620 a 1530 cm^-1 se observan bandas C=C típicas de grupos aromáticos, siendo representativas de diferentes extractos fenólicos ^[11].

Figura 1 Espectro FTIR de los sólidos soluble en el extracto acuoso obtenido. 

Encapsulación del extracto antioxidante

Para mantener la estabilidad y actividad antioxidantes de los compuestos fenólicos presentes en el extracto líquido obtenido de la cascarilla de arroz es necesario limitar su interacción con el oxígeno y la luz, debido a que la estructura química se modifica por reacciones secundarias ^[22,23].

El extracto líquido obtenido a partir de la cascarilla de arroz fue encapsulado mediante liofilización usando como material encapsulante maltodextrina. En la tabla 3 se presenta información sobre la caracterización de las microcápsulas obtenidas.

Tabla 3 Características de las microcápsulas, valores medios y desviación estándar del contenido de fenoles (mg fenoles/ g microencapsulado), humedad (%) y densidad aparente (g/cm³). 

Letras superíndices diferentes en la misma columna indican diferencias significativas (p < 0,05 %).

Según los resultados, a mayor contenido de extracto en el microencapsulado, mayor será la cantidad de compuestos fenólicos, debido principalmente a que contiene la menor cantidad de maltodextrina y por lo tanto una mayor proporción de los sólidos solubles en el extracto. Se observa que los valores de humedad son similares y los valores de densidad aparente oscilan entre 1,5 y 0,6. Posiblemente la concentración de la mal-todextrina promueva un aumento en la densidad de las microcápsulas.

En la figura 2 se encuentra la distribución de tamaños de partícula de las microcápsulas. Esto se determinó mediante un análisis diferencial de tamizado. El tamaño de las microcápsulas determinarán su comportamiento durante su uso práctico. Con partículas de tamaño pequeño se podría usar como componente de una matriz polimérica de propiedades activas. Se observa una curva de distribución del tamaño donde más del 50 % de las microcápsulas de cada ensayo se encuentran entre 63 μm y 45 μm. Las variaciones que se pueden presentar dependen de la proporción entre el extracto líquido y el material encapsulante. El tamaño de partícula afectará directamente la densidad aparente. Cuando la densidad aparente fue muy baja, la manipulación del material fue difícil debido a su facilidad de dispersarse en el aire.

Figura 2 Distribución de tamaño de partícula de los tratamientos estudiados. 

Por otro lado se analizó la estructura de las microcápsulas por medio de difracción de rayos X, tal como se presenta en la figura 3. Para este análisis se consideró el material previamente seleccionado E2 y se tomaron muestras de los tamaños de partícula más representativos (63μm y 45 μm).

Figura 3 Difracción de rayos X del material E2. 

Los difractogramas muestran la estructura de las microcápsulas como un sólido semi-cristalino. La banda ancha a 2Θ: 20°, aproximadamente, representa la parte amorfa y los picos finos a 2Θ: 29,2°, 30,7°, 39,4°, 41,2°, 44,7°, 48,3° y 50,2°, las formaciones cristalinas. La liofilización conlleva un proceso lento de sublimación de agua congelada, las condiciones de este proceso son adecuadas para que el sólido resultante tenga tanto zonas vítreas como zonas cristalinas ^[24]. El microencapsulado 63 μm presentó estructura más cristalina indicando mejor organización de la estructura y mayor estabilidad del extracto encapsulado bajo las condiciones del ensayo E2.

Liberación de compuestos fenólicos según el tamaño de partícula

De cara al aprovechamiento de los microencapsulados en la industria cosmética o alimentaria (envasado y embalaje) se procedió a hacer el estudio de la liberación de los compuestos polifenólicos en agua. La figuras 4 muestra la capacidad de liberación del producto activo en medio acuoso para los diferentes contenidos de maltodextrina con tamaños de partícula de 63 μm y 45 μm. No se observan diferencias significativas para los tratamientos E1 y E2. Tampoco se observan diferencias marcadas entre los dos tamaños de partícula a los mismos contenidos de maltodextrina. El porcentaje de liberación en agua en cada ensayo es mayor al 91 %, debido a que el material encapsulante posee gran afinidad por el agua ^[25]. Esto genera migración rápida del extracto desde interior de las cápsulas hacia el medio acuoso. La microencapsulación se confirmó ya que en todos los casos la liberación de los compuestos fenólicos luego del lavado con etanol fue muy baja, con un valor promedio del 0,01 % de los compuestos fenólicos.

Figura 4 Liberación de compuestos fenólicos para cada uno de los ensayos para dos tamaños de partícula: 63 μm (barras lisas) y 45 μm (barras subdivididas). Barras de error y grupos homogéneos (p < 0,05 %). 

De acuerdo a los resultados, un contenido de maltodextrina del material obtenido bajo las condiciones del ensayo E2, que contiene 11,1 g/100 cm³ de mezcla a liofilizar, es el más adecuado para la encapsulación; este porcentaje de maltodextrina es similar a lo encontrado por otros autores, quienes reportan un valor entre 14 % a 18 % ^[12] generando productos más estables, de características más adecuadas para la manipulación y con una capacidad de liberación de compuestos antioxidantes en medio acuoso alta.