Extracción de almidón de cáscara de cacao Theobroma cacao L. como alternativa de bioprospección

En Colombia, la producción de cacao ha presentado un crecimiento del 6,4 % en los últimos 10 años, de esta forma pudiendo suplir las demandas de diferentes clientes internacionales [1]. El departamento de Santander es quien mayor producción de cacao tiene por año, con un 46,2 % sobre la producción nacional, seguido por Huila, Antioquia, Cundinamarca, Tolima y otros que representan el 45,4% de producción [2]. La cáscara de cacao es considerada un residuo agrícola sin ningún tipo de valor comercial, la cual es desechada. Dicha cáscara representa hasta el 74-86% del peso de la mazorca [3] y es considerada un material de difícil degradación debido a su alto contenido de lignina, este componente contiene enlaces muy fuertes que al someterse a un proceso de biodegradación natural no ceden a una fácil despolimerización [4].

Al observar los estudios realizados por Torres Leal [2], se puede observar que la cáscara de cacao puede alcanzar porcentajes de lignina hasta de 45,39%, siendo esto un alto contenido de este compuesto, que proporciona alta resistencia estructural; asimismo, se obtuvo que la cáscara de cacao contaba con un porcentaje de celulosa hasta de 27,04% y de hemicelulosa de 2,97%. La presencia de estos tres compuestos dentro de este material lo convierte en biomasa lignocelulósica, la cual se ha vuelto altamente útil para la generación de energía, debido a su bajo costo y su alto suministro.

Diversos autores han abordado los posibles usos de los materiales lignocelulósicos, en donde se han destacado procesos como obtención de fenoles, aldehídos y cetonas a partir del hidrólisis de la lignina [2], obtención de biomateriales como ácido poliláctico, biopolietileno y polihidroxialcanoatos a partir de degradaciones químicas e hidrólisis de biomasa forestal [5]; obtención de etanol a partir de fermentación de hexosas y pentosas de celulosa y hemicelulosa obtenidas de materiales como madera, trigo, maíz y cáscara de arroz [6]. El proceso de lenta degradación de la cáscara de cacao se convierte en una problemática fitosanitaria, beneficiando la proliferación de microorganismos patógenos. Por otro lado, el almidón es un polímero natural que se encuentra en diversos productos agrícolas, el cual puede utilizarse en diversos procedimientos, desde la industria alimentaria para otorgar características sensoriales y organolépticas a diferentes alimentos, hasta la manufactura de papel y materiales biodegradables a partir de procesos químicos [7].

Por otro lado, el crecimiento en la industria plástica, quien cada día produce materiales que solo se usan una vez, los cuales se traducen en un significativo aumento de basura plástica que contamina ríos y mares y termina siendo el agente exterminador de la vida marina, generando cambios en diferentes ecosistemas y alterando la vida presente en ellos, representa una problemática seria que debe ser abordada con prontitud. Anualmente, la producción de plásticos consume cerca de 270 millones de toneladas de petróleo y gas, y produce entre 4,8 y 12,7 millones de toneladas de basura plástica [7]. Al adentrarse en los estudios realizados en los últimos años, se puede ver el crecimiento en investigaciones sobre el uso de materias primas renovables para la producción de biomateriales que dan respuestas a diferentes problemáticas, siendo estas alternativas viables de bioprospección, en donde se han desarrollado materiales a partir de ácido láctico (ácido poliláctico), también a través de la conversión biotecnológica de glucosa o xilosa para obtención polihidroxialcanoatos (PHA) y a través de polimerizaciones y conversiones bioquímicas se ha obtenido bio-polietileno [4]. Sin embargo, no todos estos materiales representan una solución a la problemática, puesto que, debido a su estructura química, en algunos de ellos no es posible un proceso de degradación, dado que es dicha estructura la que define la degradabilidad de un material, y no la materia prima de la cual proviene [8].

En este orden de ideas, la bioprospección se describe como el conjunto de técnicas encaminadas al desarrollo de alternativas innovadoras que satisfagan las necesidades humanas y que sean amigables con el medio ambiente, dando respuesta a diferentes problemáticas y haciendo uso de organismos vivos. Este estudio termina siendo una alternativa viable para lograr un modelo productivo que no genere detrimento a los ecosistemas y que permita el uso de los subproductos que se consideran desechos.

Dadas las razones anteriores, es necesario desarrollar alternativas para dar un uso a los residuos del cacao y de esta forma evitar la contaminación ambiental, desde los problemas fitosanitarios, hasta la acumulación de residuos plásticos no degradables, supliendo las necesidades de los consumidores y protegiendo el ambiente. Por ello, el objetivo de esta investigación fue extraer almidón de los residuos agrícolas de la cáscara de cacao para así estudiar los posibles usos de aprovechamiento del almidón, como alternativa de bioprospección.

Materiales y métodos

Obtención de la biomasa vegetal

La cáscara de cacao Theobroma cacao L. fue suministrada de manera gratuita por parte de productores del departamento del Quindío; esta cáscara se encontraba en un estadio de madurez BBCH 77 [9], la cual fue cortada con picadora industrial PENAGOS con el fin de disminuir el tamaño de muestra. Esto se realizó en los laboratorios de la Facultad de Ingenierías Ciudadela del Saber Campus La Santa María, Universidad La Gran Colombia.

Caracterización fisicoquímica

Se llevó a cabo un análisis proximal de la biomasa vegetal, en donde se evaluaron los parámetros de potencial hidrógeno (pH), porcentaje de acidez titulable, porcentaje de humedad, grasa, fibra, cenizas, lignina y celulosa, teniendo en cuenta las siguientes normas y técnicas:

Para la determinación de pH de utilizó un potenciómetro con el método AOAC 981.12 [10], el porcentaje de acidez titulable teniendo en cuenta la metodología propuesta por la norma AOAC 939.05 [11], el porcentaje de humedad con la AOAC 20.013 [12]. El porcentaje de grasa se determinó por el método Soxhlet NTC 1142 [13] el porcentaje de fibra mediante la AOAC 962.09 [14], la determinación del contenido de cenizas se llevó a cabo empleando una mufla TERRIGENO teniendo en cuenta la norma TAPPI 211 om-85 [15]. Finalmente, se determinaron las variables de porcentajes de lignina y celulosa, donde la determinación de lignina se llevó a cabo según lo establecido por la norma TAPPI 222 om-88 [16]; la variable de porcentaje de celulosa se realizó empleando la norma NTC 697 [17].

Extracción de almidón

Se realizó la extracción de almidón por vía húmeda, teniendo en cuenta la metodología propuesta por Acuña Pinto [18], donde se tomó la materia vegetal y se disminuyó su tamaño de partícula, para posteriormente meter estas muestras en una licuadora OSTER y realizar un licuado. Luego se pasó la muestra líquida por diferentes coladores y por último de dejó reposar durante 24 horas hasta ver la sedimentación del almidón.

Análisis estadístico

Se realizó un estudio de la significancia de las diferentes variables determinadas a la cáscara de cacao. Las variables por medir fueron pH, acidez, humedad, cenizas, fibra, grasa y almidón. Se realizó un análisis de la varianza (ANOVA), los resultados con un nivel de significancia (α) de 0,05, con el paquete estadístico STATGRAPHICS Centurión XV (Versión 15.2.05).

Resultados y discusión

En la figura 1 se muestra la obtención de la biomasa vegetal de la cáscara de cacao, donde se pueden observar diferentes fases de este material, el cual, en primera instancia se encarga de proteger los granos de cacao (figura 1 (a)). Luego estos granos son separados de la cáscara y esta es desechada (figura 1 (b)). Por último, esta biomasa vegetal es troceada para realizar el proceso de caracterización.

El cacao es un tipo de cultivo originario de Centro y Suramérica, el cual crece en regiones tropicales debido a sus necesidades de calor y humedad. Colombia, debido a sus condiciones geográficas y agroecológicas cuenta con las precisas cualidades para el cultivo de cacao, en donde esto se presta para la producción de Cacao de Fino Sabor y Aroma (CFA) la cual es una variedad que debe cumplir con requerimientos de calidad y procesos de elaboración específicos para su comercialización; esto ubica a Colombia en un selecto grupo de países (Ecuador, Perú, Venezuela) que maneja el 70% de la producción mundial de CFA, lo que a su vez representa una participación del 5% del total de la producción mundial de cacao sin categorizar AMCHAM [19].

La cáscara de cacao llega a representar hasta el 86% del peso del fruto; sin embargo, autores como [20] han reportado valores hasta del 90%, el cual se evidencia en la figura 1 (b) donde se muestran las mazorcas residuales del descocote de cacao, las cuales son consideradas un desecho; lo que representa una problemática a nivel ambiental debido a que el volumen de residuos genera problemas fitosanitarios, como la moniliasis. Este es un hongo que afecta el fruto del árbol de cacao; dicho hongo requiere de agua libre para su desarrollo, donde esta puede ser encontrada dentro de los residuos de cáscara cacao, puesto que estos cuentan con una forma cónica y allí se almacena el agua de las precipitaciones. Esa agua es utilizada por el hongo para su crecimiento y desarrollo, y así afecta la producción del cultivo en donde se pueden alcanzar pérdidas de cosecha hasta del 80%, como lo establece Jaimes et al. [21]. De esta forma, lo que iniciaba como una problemática a nivel ambiental, comienza a tornarse en una problemática a nivel económico para los productores, en donde estos pueden tener pérdidas significativas en el cultivo y de esta forma ver afectado su capital, lo cual puede repercutir en el detrimento del desarrollo económico de una región que se dedique a las actividades cacaoteras.

Al igual, estas cáscaras son un foco para el desarrollo de Phytophthora spp, que causa significativas pérdidas económicas en las actividades cacaoteras, y puede ser una fuente de olores indeseados [22]. La acumulación de estos residuos puede ayudar a la proliferación de insectos transmisores de enfermedades peligrosas para el ser humano [2]. Por esta razón es necesario realizar un manejo adecuado de los desechos; sin embargo, los residuos generados en el cultivo de cacao no cuentan con un manejo acertado, y a partir de esto se generan diferentes problemáticas. Finalmente, la figura 1 (c) muestra el troceado de la cáscara de cacao con reducción de tamaño para realizar con mucha más facilidad el proceso de caracterización fisicoquímica y posteriores usos. Los resultados de la caracterización fisicoquímica realizada a la cáscara de cacao Theobroma cacao L. se muestra en la tabla 1.

Como se puede observar, el pH reportó un valor ligeramente ácido, con un valor de 5,46±0,0057, el cual fue un resultado similar al obtenido por [20] quienes reportaron un pH de 6,20 en muestras de cáscara de cacao variedad CCN-51; lo cual indica que las muestras utilizadas por estos autores poseían un pH ligeramente más alcalino o básico; en donde según lo estudiado por Lopez Hernandez [23] es probable que esta diferencia se haya presentado debido a que las muestras utilizadas en esta investigación se encontraban en un grado de fermentación más avanzado que las muestras utilizadas por Villamizar et al. [20], puesto que mientras mayor sea el estado de fermentación en el cacao, mayor será la acidez del pH. Sin embargo, la diferencia entre el pH de dos muestras se puede presentar por diferentes razones, que pueden estar ligadas a las condiciones del cultivo hasta las formas de manejo de poscosecha que se le dio a la biomasa vegetal.

El porcentaje de acidez total titulable fue de 0,11±0,038, el cual es un resultado similar al reportado por Vivanco et al. [24]. Ellos realizaron una caracterización fisicoquímica de la cáscara de cacao de variedad nacional ecuatoriana, para la cual reportaron un valor de 0,14% en esta variables. La diferencia en los resultados posiblemente puede estar ligada al uso de diferentes variedades de materia prima y por esta razón se presenta un contraste entre ambas muestras analizadas, además de la forma de desarrollo del fruto y por ende de sus características químicas. Sin embargo, estos mismos autores realizaron una caracterización fisicoquímica para la variedad CCN51, y reportaron un valor de 0,11%, siendo este el mismo resultado obtenido en esta investigación; al igual se puede inferir que las condiciones en las que fue cultivado el cacao utilizado por Vivanco et al. [24] son similares a las condiciones dadas para el cultivo del cacao utilizado en este proceso investigativo, puesto que el utilizar la misma variedad de cacao no es una razón concluyente para obtener los mismos resultados.

Al analizar el resultado obtenido en el contenido de humedad, este revela que la muestra cuenta con un alto porcentaje de agua en su estructura 84,35±0,017, lo cual es un resultado similar al reportado por Campos et al. [25] quienes realizaron una caracterización fisicoquímica para determinar los posibles usos de la cáscara de cacao dentro de la industria alimentaria y no alimentaria a nivel agroindustrial, utilizando esta materia prima para la extracción de compuestos aromáticos o agentes texturizantes hasta la industria cosmética y farmacológica con el uso de extracto de cáscara de cacao para el tratamiento de arrugas. El alto porcentaje de humedad en su estructura, y el contenido diverso de sustratos como los azúcares presentes en la celulosa por Malin et al. [5] la cáscara de cacao resulta ser un medio adecuado para el desarrollo de los microorganismos, que ocasionan contaminación de los cultivos de cacao y fuentes hídricas cercanas.

Por otro lado, los resultados obtenidos para las variables de grasa 0,08±0,015 y fibra 6,80±0,01 fueron significativamente diferentes con los obtenidos por Vriesmann [26] quienes realizaron una determinación de la composición y porcentaje de pectinas solubles presentes en la cáscara de cacao, obteniendo un porcentaje de 1,5% y para fibra un resultado del 9,6%. Se piensa que la diferencia generada entre los resultados se dio debido posiblemente a las diferencias en el estadio de madurez entre las muestras. Según la escala que mide el desarrollo fenológico de los frutos, la muestra utilizada en este proceso se encontraba en una etapa BBCH 77, en la cual aún no se presenta el desarrollo completo de todas las características del fruto y por esta razón los resultados fueron menores a los obtenidos por los autores mencionados anteriormente.

El valor obtenido de cenizas fue de 8,21±0,0057 el cual es un valor discrepante con el resultado reportado por Vivanco et al. [24] quienes encontraron un porcentaje del 5,14%; sin embargo, al comparar con autores como Cardona et al. [27] quienes utilizaron la cáscara de cacao para realizar una tabla nutricional para alimentación de animales, se encuentra que hay mayores similitudes, en donde estos autores obtuvieron un resultado de 7,9%; al igual Sangronis et al. [28] utilizaron la cáscara de cacao como materia prima para elaboración de infusiones y reportaron un 8,09% de cenizas presentes.

Finalmente, los porcentajes de lignina y celulosa reportaron valores de 45,23±0,184 y 30,70±0,753, respectivamente; se observa que el porcentaje de lignina fue superior al de celulosa, lo que indica que este material es fuerte en su estructura química y de difícil despolimerización, dado que la lignina otorga alta resistencia a los enlaces, lo que dificulta el acceso a la celulosa. Al igual, el porcentaje obtenido para celulosa resulta ser mayor en relación con otros materiales de origen vegetal, puesto que al comparar con estudios como el realzado por Gonzales et al. [29] se evidencia que materiales como la cáscara de naranja cuenta con un valor de 16,2% de celulosa en su estructura, siendo esto un porcentaje significativamente menor al encontrado en la cáscara de cacao. Por otro lado, en el proceso de obtención de la celulosa se puede ver reducido este valor debido posiblemente al uso de ácido sulfúrico, lo que provoca que la celulosa se degrade en azúcares. Al comparar estos resultados con los obtenidos por Torres Leal [2] se observa que los resultados son similares para ambas determinaciones, los autores obtuvieron un porcentaje de lignina hasta del 45,39%, mientras que para la celulosa reportaron valores hasta del 27,04%, en donde estos realizaron una caracterización de la biomasa lignocelulósica para obtención de etanol por vía fermentativa. La similitud presentada se encuentra ligada a que en el estudio realizado por Torres Leal [2], las materias fueron colectadas en el departamento del Santander, el cual cuenta con condiciones similares a las que presenta el departamento del Quindío.

Debido a las características químicas de la estructura de este material presentadas en la tabla 1 y al limitado uso de los residuos productos del descocote del cacao, su proceso de biodegradación o incorporación al suelo se hace más difícil, y de esta forma no se presenta un fenómeno de degradación normal; por el contrario, se presenta un proceso de proliferación de diversos microorganismos, lo que genera problemáticas ambientales y fitosanitarias. Teniendo en cuenta las variables químicas, se puede establecer un posible uso de esta biomasa vegetal, como lo es la extracción de almidón por vía húmeda; esto debido a que el almidón puede ser empleado en una gran gama de procesos agroindustriales [7] y finalmente, determinar la factibilidad de usar este compuesto dentro de una alternativa de bioprospección agroindustrial.

El porcentaje del almidón por vía húmeda realizado a la biomasa vegetal de cáscara de cacao, se muestra en la tabla 2.

La extracción de almidón de la cáscara se llevó a cabo siguiendo el proceso utilizado por Acuña Pinto [18], para obtención de almidón de ñame. El porcentaje de almidón obtenido fue más alto al encontrado por Adamafio et al. [30], quienes obtuvieron un resultado de 2,73% de almidón en la cáscara de cacao al realizar una determinación de la composición bioquímica y de la degradabilidad in vitro de este material. La significativa diferencia presente en las muestras puede estar ligada al proceso de degradación de almidón en frutas al alcanzar grados de madurez avanzada y así obtener un bajo porcentaje de almidón presente en la muestra [31]. A medida que el proceso de madurez fisiológica avanza, el fruto realiza un proceso de hidrólisis de almidón para así convertir esta molécula en azúcares y poder desarrollar mejor sus sabores dulces. Mientras el fruto se madura en el árbol, el contenido de almidón y su firmeza disminuyen, y simultáneamente aumenta el contenido de sólidos solubles [32].

Al comparar el porcentaje de almidón presente en la muestra de esta investigación, con el porcentaje presente en una muestra de cáscara de banano (Musa paradisiaca) reportado por Cárdenas Freire [33] el cual obtuvo valores hasta de 42,63% se evidencia que en la cáscara de cacao no hay un alto contenido de almidón como en otros alimentos o residuos; sin embargo, estos rendimientos de almidón se pueden utilizar fácilmente para la producción de algún tipo de biomaterial, tal como lo realizó De los Angeles [34] quien obtuvo almidón de malanga para elaboración de biopolímeros, obteniendo porcentajes de almidón hasta del 22,6%. Sin embargo, Cárdenas Freire [33] realizó extracción de almidón de los residuos de banano para la elaboración de un biopolímero, en donde este reporta haber obtenido mayores rendimientos de extracción de almidón al realizar este proceso por vía seca y compararlo con los resultados obtenidos en la extracción por vía húmeda. Esto indica que es probable registrar un aumento en la obtención del almidón presente en las muestras de cacao al realizar este procedimiento por vía seca, lo cual podría ser una alternativa viable para aplicar dentro de este proceso investigativo y de esta forma poder obtener mayores rendimientos del porcentaje de almidón extraído y así facilitar los procesos de las alternativas de bioprospección que se pueden desarrollar.

Al observar los resultados de obtención de almidón de cáscara de cacao, se puede profundizar en los estudios que se han realizado a partir del uso de almidón para la manufactura de biopolímeros. Se resaltan estudios como el llevado a cabo por Arboleda et al. [35], en donde estos autores obtuvieron una película flexible a partir de almidón termoplástico de yuca y ácido poliláctico. De esta forma se puede observar que autores ya han abordado las posibilidades de obtención de plásticos a partir del almidón presente en diversas matrices vegetales. Al igual, como lo muestra Jimenez et al. [36], las propiedades fisicoquímicas de las películas obtenidas a partir de almidón pueden ser variables, lo que depende directamente de los compuestos añadidos para la obtención de la película, la cual puede ser biodegradable y comestible, los procesos para la obtención de este tipo de materiales se pueden ejecutar de formas sencillas dentro de la industria, generando así mayores oportunidades para la obtención de materiales de bajo precio y alta calidad a base de materias primas renovables y biodegradables en el ambiente.

Al observar los resultados de esta investigación, se encuentra que es posible llevar a cabo diferentes propuestas para aprovechar estos residuos, puesto que la cáscara de cacao reportaron valores de pH de 5,46±0,0057, porcentaje de humedad, cenizas y fibra de 84,35±0,017, 8,21±0,0057y 6,80±0,01, respectivamente; además de la obtención de almidón en un porcentaje del 12,04±0,025; con esto puede indicarse posiblemente una alternativa factible de aprovechamiento de esta materia prima, que resulta ser de muy bajo costo y que otorga vida útil a un material vegetal que es considerado un desecho agrícola; el cual, debido a su manejo desacertado genera problemáticas a nivel ambiental, social y económico.

Así el uso de estos desechos se traduce en la utilización de una materia prima económica, en donde se pueden desarrollar alternativas como por ejemplo la producción de un biomaterial a partir de la hidrólisis ácida del almidón y la adición de un plastificante. Al igual, la cáscara de cacao al ser un material lignocelulósico cuenta con una amplia variedad de alternativas de uso; diversos autores han dado diferentes propuestas como la obtención de azúcares de este material para realizar fermentados y a partir de esto obtener ácido poliláctico (PLA), el cual es un polímero biodegradable, lo que permite proporcionar una alternativa de bioprospección a partir del uso de esta biomasa vegetal, desarrollándose formulaciones innovadoras que satisfagan las necesidades humanas y que sean amigables con el medio ambiente, dando respuesta a las problemáticas presentadas por los volúmenes de estos residuos, logrando un modelo productivo que no genere detrimento a los ecosistemas.

Conclusión

La caracterización fisicoquímica realizada a la cáscara de cacao arrojó un valor de pH de 5,46±0,0057, porcentaje de humedad, cenizas, grasa y fibra de 84,35±0,017, 8,21±0,0057, 0,80±0,015 y 6,80±0,01, respectivamente; además de la obtención de almidón en un porcentaje del 12,04±0,025; esos resultados indican el posible uso de este subproducto para la realización de diversas propuestas dentro del ámbito de bioprospección agroindustrial, generando biomateriales y demás productos a partir de esta materia prima de bajo costo, innovando desde los procesos de manejo de estos desechos agrícolas y así evitando focos de contaminación y proliferación de microorganismos, generando posibles respuestas a problemáticas que afectan a nivel social, ambiental y económico para los productores cacaoteros y la población en general.

Referencias bibliográficas

Notas de autor

*garciaalzluz@miugca.edu.co

Información adicional

Cita: Herrera-Rengifo JD, Villa-Prieto L, Olaya-Cabrera AC, García-Alzate LS. Extracción de almidón de cáscara de cacao Theobroma cacao L. como alternativa de bioprospección.. rev. ion. 2020;33(2):25-34. doi:10.18273/revion.v33n2-2020002

Revista ION
ISSN: 0120-100X
Vol. 33
Num. 2
Año. 2020

Extracción de almidón de cáscara de cacao Theobroma cacao L. como alternativa de bioprospección

Jose D.LauraAnyi C.Luz S. Herrera-RengifoVilla-PrietoOlaya-CabreraGarcía-Alzate
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