Estabilización del salvado de arroz: Tratamiento térmico por

Recibido 02/11/2015, Aceptado 10/12/2015, Disponible online 24/12/2015
Estabilización del salvado de arroz: Tratamiento térmico por
extrusión para inactivación enzimática (lipasas)
Beatriz Guevara Guerrero1*, Alejandro Fernández Quintero2**
1,2
Universidad del Valle, Escuela de Ingeniería de Alimentos, Calle 13 # 100-00 Edif:338,
Santiago de Cali, Colombia
Email: *[email protected]
**
[email protected]
Resumen
El salvado de arroz (SA) contiene un alto nivel de aceite (12-20%), que es considerado un
aceite saludable. Pero la rápida deterioración de los lípidos del SA causado por la actividad
enzimática de lipasas limita su uso como parte de una dieta humana.
Este trabajo de investigación muestra un estudio de un tratamiento térmico por extrusión para
inactivar la actividad de las lipasas que causa la rancidez hidrolítica deteriorando el aceite en
el SA. La presencia de ácidos grasos libres (AGL) en el salvado se determinó en función de
diferentes tratamientos por extrusión tales como el contenido de humedad del SA, la velocidad
de los tornillos y la temperatura en el barril del extrusor. El contenido de AGL se determinó en
el salvado crudo y en el salvado extruido después del tratamiento de extrusión y después de
7 días de almacenamiento.
El salvado crudo mostró un incremento en el contenido de AGL del 11,8% y los salvados
extruidos no mostraron un aumento significativo en el contenido de AGL, el cual fue inferior al
2% durante el período de almacenamiento de 7 días, envasados en bolsas laminadas
metalizadas y en condiciones ambientales de temperatura y humedad relativa (28 °C, 78%).
Las condiciones óptimas del tratamiento de extrusión donde se presentó menor aumento de
AGL en 7 días, una actividad de la lipasa inferior para el SA, resultó a una velocidad de tornillo
de 200 rpm, temperatura del barril del 130 °C y contenido de humedad en el salvado del 20,5%.
El tratamiento térmico por extrusión fue eficaz para inactivar la actividad de la lipasa en el
salvado de arroz, la inactivación dependió del contenido de agua en el salvado, siendo mejor
a altos niveles humedad. Esto significa que el mecanismo de la desnaturalización de una
proteína, como la lipasa, la presencia de agua juega un importante papel.
Palabras claves: Salvado de arroz, extrusión, ácidos grasos libres, inactivación, lipasas.
Vol 23, No 36 (2015), Revista Alimentos Hoy -88
Abstract
Rice bran (RB) contains a high level of oil (12 – 20%), which is considered a healthy oil. But
the rapid deterioration of lipids of RB caused by the enzymatic activity of lipases limits its use
as part of a human diet.
This research work shows a study of a heat treatment by extrusion to inactivate lipase activity
which causes hydrolytic rancidity deteriorating the oil in the RB. The presence of free fatty acids
(FFA) in the bran was determined as a function of different treatments by extrusion such as the
moisture content of the RB, the speed of the screws and the temperature in the barrel in the
extruder. The content of FFA was determined in the crude bran and in the extruded bran just
after the extrusion treatment and after 7 days of storage in both the crude and treated bran.
The crude bran showed an increase in the FFA content of 11,8% and the extruded brans
showed no significant increase in the FFA content, which was less than 2% during the storage
period of 7 days, packed in bags of laminated and metallized film, at ambient conditions of
temperature and relative humidity (28 °C, 78%). The optimal operational conditions of the
extrusion treatment were tested at the smaller increase of FFA in 7 days, it means where the
RB presented lower lipase activity, resulting at a speed screw of 200 rpm, barrel temperature
of 130 °C and moisture content in the bran of 20,5%.
The heat treatment by extrusion was effective to inactivate lipase activity in rice bran, but the
inactivation depended on the water content in the bran, being enhanced at the highest moisture.
It means that in the mechanism of denaturalization of a protein, like lipase, the presence of
water plays an import role.
Keywords: Rice bran, extrusion, free fatty acids, inactivation, lipases.
I.
INTRODUCCIÓN
El salvado de arroz es un subproducto
del proceso industrial del pulimento del
arroz para consumo humano. Es rico en
nutrientes como proteína, grasa y fibra.
Adicionalmente es una buena fuente de
vitaminas del grupo B y contiene minerales
tales como hierro, potasio, calcio,
magnesio, y manganeso (Saunders, 1985).
rancidez hidrolítica producida por la
actividad enzimática de las lipasas
(Escamilla et al., 2006; Malekian et al.,
2000; Martin et al., 1993), produciendo un
rápido deterioro de los lípidos presentes
(incremento de ácidos grasos libres),
limitando la aplicación del salvado de arroz
para el desarrollo de nuevos productos
para la dieta humana.
El salvado de arroz tiene un corto tiempo
de vida útil debido principalmente a la
Para lograr la estabilización del salvado
de arroz (inactivación de las enzimas
Vol 23, No 36 (2015), Revista Alimentos Hoy -89
lipasas) se han utilizado diferentes métodos
como modificación del pH y tratamientos
químicos (Escamilla et al., 2006),
almacenamiento a bajas temperaturas
(Kumar, 1965), microondas (Chaparro,
2009; Malekian et al., 2000), calentamiento
óhmico (Lakkakula et al., 2004) y extrusión
con tornillo simple (Martin et al., 1993;
Randall et al., 1985; Sayre et al.,1982).
El presente trabajo de investigación, es
un estudio del tratamiento térmico por
extrusión con doble tornillo para la
inactivación de lipasas presentes en el
salvado de arroz. El proyecto se enfocó en
estudiar el efecto de la velocidad de los
tornillos conjuntamente con la variación del
contenido de humedad y la temperatura de
los tornillos sobre la estabilidad del salvado
de arroz en un periodo de almacenamiento
de siete días.
II.
Materiales y Métodos
Salvado de arroz: Proveniente de una
industria arrocera, localizada en el
municipio de Jamundí, Valle del Cauca,
Colombia.
Equipo: Se empleó un extrusor de doble
tornillo modelo DS 32-II (Jinan Saixin
Machinery Co, China).
En la figura 1 se describe el proceso de
experimentación.
(*) El salvado de arroz utilizado, fue obtenido pasadas las 3 horas de ser sometido a la etapa
de pulimento del grano de arroz.
Figura 1. Diagrama de la fase experimental
Proceso de extrusión
El extrusor se programó a las
condiciones de temperatura y velocidad de
tornillos establecidas en el diseño
experimental. Cada muestra de 1 kg,
acondicionada a la humedad programada,
se colocó en la tolva de alimentación. La
tasa de alimentación del salvado al interior
del extrusor se mantuvo constante de
acuerdo a pruebas preliminares a 150
g/min.
Durante el procesamiento de las
muestras, se registró la temperatura real
durante la operación. El producto tratado en
el extrusor se enfriaba a temperatura
ambiente
tan
pronto
se
obtenía.
Posteriormente, a las muestras extruidas
se les ajustaba la humedad final en estufa
a 50 °C por 24 horas.
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Empaque y almacenamiento
Determinación de ácidos grasos libres
(AGL)
medición del contenido de AGL en los
lípidos presentes en la muestra. Se
extraían los lípidos utilizando el método
Soxhlet. Se procesaban 15 g de muestra de
salvado durante seis horas con 200 ml de
éter de petróleo. Para eliminar el residuo
del solvente en el lípido extraído se
colocaba el extracto en estufa a 65 °C
durante 24 horas. El contenido de ácidos
grasos libres se obtuvo siguiendo el método
oficial de AOAC, disolviendo el lípido en
una mezcla de 20 ml de etanol - éter
dietílico, se adicionaban tres gotas de
fenolftaleína y neutralizaba con NaOH
hasta obtener un leve color rosado. La
titulación para cada muestra se realizó por
duplicado.
La actividad de la lipasa estuvo
determinada por el incremento en la
El contenido de AGL se determinó
usando el siguiente cálculo.
Las muestras extruidas estuvieron
almacenadas
en
bolsas
laminadas
metalizadas (envase primario) y bolsas con
cierre hermético (envase secundario) para
controlar cambios por rancidez oxidativa.
Las muestras empacadas se analizaron
para determinar el contenido de AGL a un
tiempo de almacenamiento de siete días.
El almacenamiento de las muestras se
realizó a las condiciones ambientales de
temperatura y humedad relativa del
laboratorio (28 °C, 78%).
𝐴𝐺𝐿 (%) =
(𝑚𝐿 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 − 𝑚𝐿 𝑏𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜 )𝑥 28.2 𝑥 𝑐𝑜𝑛𝑐 𝑁𝐴𝑂𝐻 (𝑁)
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑝𝑖𝑑𝑜 (𝑔)
El blanco consistió en la titulación con
NaOH de 20 ml de etanol- éter dietílico
utilizando como indicador fenolftaleína y sin
muestra.
Diseño experimental
Se empleó la metodología de superficie
de respuesta, el diseño central compuesto
(DCC), con un diseño factorial 3𝑛 (niveles
de +1 y -1), considerando dos puntos
Ec. (1)
axiales (+𝛼, −𝛼 ) y seis puntos centrales
(nivel
cero).
Las
tres
variables
independientes fueron el contenido de
humedad del salvado de arroz, la
temperatura del barril y la velocidad de los
tornillos del extrusor. La variable de
respuesta fue el incremento del contenido
de AGL (%). A continuación, se observa las
variables y los niveles usados en el diseño
experimental.
Vol 23, No 36 (2015), Revista Alimentos Hoy -91
Tabla 1. Variable y niveles de la experimentación
III.
Resultados y Discusión
Al salvado de arroz estabilizado por el
tratamiento térmico por extrusión se le
determinó el incremento del contenido de
ácidos grasos libres durante un periodo de
almacenamiento de siete días.
Para el análisis estadístico se empleó un
modelo cuadrático, cuyo análisis de
varianza (ANOVA) se presenta en la Tabla
2. Los factores de contenido de humedad,
temperatura y velocidad del tornillo tuvieron
un efecto significativo sobre la variable de
la respuesta (valor p < 0,05), se presentó
una interacción significativa entre los
factores del contenido de humedad y
temperatura del tornillo y un efecto de
curvatura por parte de la temperatura.
Tabla 2. Análisis de varianza de los resultados
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En la figura 2, se identifica la interacción
del contenido de humedad y la temperatura
a una velocidad de tornillos constante de
200 rpm en función los incrementos del
contenido de AGL (%) del salvado de arroz
extruido a un tiempo de almacenamiento de
siete días. La muestra control (sin
estabilización), presentó durante el
almacenamiento, un incremento en el
contenido AGL del 11,8%. Por el contrario,
se observó un incremento menor al 2% en
el contenido de AGL en las muestras de
salvado de arroz que fueron estabilizados
en un rango de temperaturas de 110 - 150
C y a contenidos de humedad entre 14,5 –
20,5%, presentado una disminución de
aproximadamente la sexta parte del
porcentaje de formación de AGL con
respecto a la muestra control.
°
El salvado de arroz por su alto
contenido de lípidos muestra una buena
fluidez presentando poca fricción cizallamiento en el barril del extrusor en
consecuencia la velocidad de los tornillos
influyen directamente en el tiempo de
residencia del tratamiento térmico para la
inactivación de las lipasas.
I.
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II.
Figura 2. Efecto del contenido de humedad del salvado y temperatura del extrusor
sobre el incremento del contenido de AGL (%) a una velocidad de tornillos de 200 rpm.
I. Líneas de Contorno, II. Superficie de respuesta
Se observó que a menor temperatura y
contenido de humedad se presenta un
mayor
incremento
de
AGL
(%),
adicionalmente se analiza como a esta
misma temperatura se puede disminuir
AGL (%) aumentando el contenido de
humedad del salvado, resultado que
concuerda con que el calentamiento a
temperaturas suaves en la presencia de
altos contenido de humedad es eficiente
para la desnaturalización de forma
permanente de lipasas (Barber et al, 1987).
Este comportamiento se puede atribuir a
la desnaturalización de las estructuras
proteicas de las lipasas por efecto de las
altas temperaturas utilizadas en la
experimentación y por la interacción con el
agua, permitiendo por puentes de
hidrógeno un mayor despliegue de la
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estructura cuaternaria de la enzima con losV.
demás
componentes
del
salvado
produciendo una desnaturalización de
forma permanente de las lipasas.
Agradecimientos
El menor incremento del contenido de
AGL (%), es decir donde el salvado
presentó menor actividad de lipasas fue en
el salvado procesado a los mayores
contenidos de humedad, con el extrusor
calentado a 130 y 140 °C, por lo tanto se
puede inferir que es innecesario utilizar
temperaturas superiores a 130 °C para la
inactivación enzimática en el salvado de
arroz. Resultados similares se obtuvieron
para la estabilización de salvado de arroz
en estudios utilizando extrusores de tornillo
simple (Malekian et al, 2000, Martin et al
1993, Randall et al, 1985).
El autor principal agradece a Colciencias
por la vinculación al programa de Jóvenes
Investigadores, que permitió llevar acabo
esta investigación.
IV.
Conclusiones
El tratamiento térmico para la
inactivación enzimática del salvado de
arroz por extrusión de doble tornillo fue
efectivo para la disminución significativa del
porcentaje de formación de AGL para un
tiempo de almacenamiento de siete días a
las condiciones experimentación de
contenido de humedades (17,5 – 20,5 %) y
temperaturas (130 – 140 °C) presentaron
un menor incremento del
AGL (%)
mejorando la estabilidad del salvado de
arroz.
Las velocidades de los tornillos (100 –
300 rpm) disminuyeron el incremento del
AGL (%), permitiendo la estabilización del
salvado de arroz, accediendo a identificar la
relación o comportamiento del tiempo de
residencia del SA con otras variables del
proceso de extrusión.
Los autores agradecen a la industria
arrocera “La esmeralda” por el aporte del
salvado de arroz.
V.
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