Sustainable development of active biomaterials based on rice industry byproducts

Abstract

Bioplastics emerge nowadays as an ecological alternative to replace fossil fuels-based plastics, which have a progressively larger environmental impact. Chitosan has been proposed as an alternative to the production of bioplastics in food packaging due to its antimicrobial and antioxidant characteristics, as well as its film forming capacity. On the other hand, millions of tons of rice industry byproducts, namely rice bran and rice husks are produced yearly. Rice bran is rich in functional compounds, such as gamma-oryzanol with antioxidant and UV light filter characteristics. Rice husks, besides having antioxidant properties from phenolic compounds, are rich in silica. The objective of this work was to develop a sustainable process to produce bioactive materials for food packaging. For that, an extraction methodology combining temperature and pressure and using water as solvent, hydrothermal treatment, was used to extract the valuable compounds from rice byproducts. Different extraction temperatures were tested and, in the case of rice bran, the extract obtained at 220 ºC was chosen, whereas for the rice husks was the one obtained at 200 ºC. These extracts had the greatest extraction yields (37% for bran and 6% for husks), a relatively high concentration of phenolic compounds (0.34 mgGAE/g for bran and 0.16 mgGAE/g for husks), as well as a high concentration of carbohydrates (41% for the bran and 25% for the husks). These aqueous extracts were added to the formulation of the chitosan films with a mass chitosan:extract ratio of 1:0.1 and 1:0.5 for the bran and 1:0.1 for the husks. The films, obtained by solvent casting, were characterized in relation to their antioxidant activity, humidity, solubility, surface hydrophobicity and mechanical properties. The films with the incorporation of rice husks extract presented a higher resistance in acid medium, having a solubility of only 19% (the chitosan film had a solubility of 33%). The mechanical properties of the films were affected by the incorporation of the both extracts, having a decrease in the resistance to the tension and flexibility in the films with the incorporation of the highest bran extract and husks extract in comparison with the control film. On the other hand, the incorporation of extracts did not affect significantly this parameter. All the films with the extract incorporation presented a higher antioxidant activity than the control chitosan film (12.6% higher for the bran extract and 6.5 % higher for the husks extract). The results show that byproducts from rice industry have high potential to be used for biofilms production with interesting characteristics for food packaging, namely as active packaging inhibiting the food products oxidation

Os bioplásticos aparecem hoje em dia como uma alternativa ecológica para substituir os plásticos baseados em combustíveis fósseis, que têm um impacto ambiental progressivamente maior. A quitosana tem sido proposta para a produção de bioplásticos para embalagens alimentares devido às suas características antimicrobianas e antioxidantes, para além da sua capacidade para a formação de filmes. Por outro lado, milhões de toneladas de subprodutos da indústria do arroz, nomeadamente o farelo e as cascas, são produzidos anualmente. O farelo de arroz é rico em compostos funcionais como o gama-oryzanol que tem capacidade antioxidante e de filtro UV. As cascas de arroz, para além de conterem compostos fenólicos, com propriedades antioxidantes, são também ricas em sílica. O objetivo deste trabalho foi desenvolver processos sustentáveis para a produção de biomateriais ativos para embalagem alimentar. Para isso, estudou-se um método de extração que alia a pressão à temperatura, em que o único solvente utilizado é água, o tratamento hidrotermal, para extrair os compostos dos subprodutos do arroz. Diferentes temperaturas de extração foram testadas, sendo que no caso do farelo de arroz se escolheu o extrato obtido a 220 ºC e no caso das cascas o obtido a 200 ºC. Estes extratos apresentaram os maiores rendimentos de extração (37% no caso do farelo e 6% no das cascas), concentração de compostos fenólicos relativamente elevada (0,34 mgGAE/g para o farelo e 0,16 mgGAE/g para as cascas) e ainda uma elevada quantidade de hidratos de carbono (41% no de farelo e 25% no das cascas). Estes extratos aquosos foram adicionados à formulação dos filmes de quitosana num rácio de quitosana:extrato de 1:0,1 e 1:0,5 no caso do farelo e num rácio de 1:0,1 para as cascas. Os filmes, obtidos por evaporação de solvente, foram caracterizados em relação à sua atividade antioxidante, humidade, solubilidade, hidrofobicidade da superfície e propriedades mecânicas. Os filmes com extrato das cascas de arroz apresentaram uma maior resistência em meio ácido, apresentando uma solubilidade de apenas 19 % (tendo o filme de quitosana uma solubilidade de 33%). As propriedades mecânicas foram afetadas com a incorporação dos extratos, havendo uma diminuição na resistência à tensão e flexibilidade nos filmes com maior concentração de extrato de farelo e com extrato de cascas. Ao nível da hidrofobicidade, a incorporação dos extratos não teve um efeito significativo neste parâmetro. Os filmes com o extrato das cascas de arroz e de farelo apresentaram uma atividade antioxidante superior ao filme controlo de quitosana (12,6% superior no caso do farelo e 6,5% no caso das cascas). Os resultados demonstram que os subprodutos da indústria do arroz têm potencial para serem usados na produção de biofilmes com características interessantes para aplicações alimentares, nomeadamente como embalagens ativas impedindo a oxidação dos produtos alimentares