HomeInnovazioneUpcycling di coprodotti e scarti alimentari, breve rassegna scientifica

Upcycling di coprodotti e scarti alimentari, breve rassegna scientifica

Il recupero virtuoso (upcycling) o riuso di coprodotti e scarti alimentari – per produrre nuovi alimenti, mangimi, come pure ingredienti di medicinali e cosmetici – è la via maestra per ridurre al minimo ‘food loss’ e dimezzare ‘food waste’ a livello globale entro il 2030 (#sdg12, target 12.3). (1)

Il Dipartimento di Scienze Farmaceutiche dell’Università degli Studi di Perugia (UniPG), sotto la guida delle professoresse Luana Perioli e Cinzia Pagano, ha pubblicato e contribuito a numerosi studi su upcycling e riuso dei ‘sidestream materials’ nelle filiere agroalimentari. Breve rassegna a seguire.

1) Sansa di mela

La sansa di mela, che residua dalla produzione dei succhi di frutta, è ricca in nutrienti, micronutrienti, enzimi, pectine e phytochemicals con proprietà antiossidanti e antimicrobiche degne di attenzione anche quali conservanti naturali. Con promettenti prospettive d’impiego nei prodotti alimentari, medicinali, cosmetici e non solo.

Le sanse possono altresì venire utilizzate per produrre polimeri naturali, in sostituzione a quelli di sintesi (i.e. carbossimetilcellulosa, polivinilpirrolidone) che costituiscono fonti di
microplastiche il cui impiego in Unione Europea è ora soggetto ad alcune restrizioni, come si è visto, a seguito di riforma del regolamento REACH. (2)

1.1) Addensanti

La combinazione di diversi metodi di essiccazione (i.e. forno, liofilizzazione), eventuale omogeneizzazione ed estrazione idroalcolica supportata da ultrasuoni ha permesso di ottenere dalla sansa di mela diversi estratti ricchi in polifenoli, con un’ottima capacità addensante dovuta alla capacità di formare un idrogel stabile.

I diversi trattamenti hanno influenza sulla distribuzione e concentrazione dei polifenoli e le proprietà gelatinizzanti. La formulazione migliore è stata ottenuta con una polvere (250-400 μm) essiccata in forno senza omogeneizzazione, poiché tale processo è risultato avere impatto negativo sulle pectine e altre molecole con funzione addensante. (3)

1.2) Maionese vegana

La stessa sansa di mela è stata inserita come ingrediente con funzione addensante, in quota 2-6%, nella formula di una maionese vegana. Con risultati tecnologici apprezzabili, messi a confronto con due prodotti della stessa categoria in entrambe le versioni della maionese tradizionale, con tuorlo d’uovo, e un’altra sua versione vegana. (4)

I composti bioattivi con azione antiossidante presenti nelle sanse hanno permesso di estendere la shelf life del prodotto, che è stato preferito agli altri anche dal punto di vista organolettico nell’ambito di un consumer test. Con il vantaggio nutrizionale, rispetto alla maionese classica, della ridotta quantità di acidi grassi saturi.

Codex Alimentarius e diritto europeo, del resto, non ostano alla designazione del prodotto come ‘maionese vegana’ (5,6). Ed è dubbia la legittimità delle normative nazionali di alcuni Stati membri (e.g. Belgio, Slovenia, Slovacchia) che vi ostino, in attesa di decisione della Court of Justice of the European Union sul caso analogo del ‘meat sounding’.

2) Betaglucani e proteine da trebbie d’orzo

I betaglucani sono polisaccaridi presenti nelle pareti cellulari di diversi alimenti quali orzo, avena e micoproteine, come si è visto. Formati da catene di D-glucosio in posizione β-1,3, con alcuni legami in posizione β-1,4 e β-1,6 in funzione della specie, essi presentano diverse proprietà salutari (i.e. immunomodulazione, riduzione del colesterolo ematico).

La microalga Euglena gracilis e il suo peculiare paramylon, che si contraddistingue per essere formato da una sola catena lineare (costituita unicamente da glucosio in posizione β-1,3, che cristallizza formando dei granuli insolubili), hanno dimostrato la capacità in vitro di attivare le risposte immunitarie innate (7)

Le trebbie d’orzo dell’industria brassicola, tradizionalmente vendute come materie prime per mangimi, possono venire ancor meglio valorizzate mediante estrazione sia dei betaglucani, sia delle proteine recentemente approvate da EFSA quali candidati novel foods.

2.1) Film bioadesivi

Una sospensione acquosa costituita da diverse frazioni solubili ed insolubili di β-glucani è stata impiegata per realizzare una formulazione a uso cutaneo in forma di biofilm, volta a lenire e trattare lesioni dermiche.

L’utilizzo di eccipienti quali sorbitolo e gomma di acacia ha permesso di migliorare le proprietà meccaniche del gel così ottenuto, che può venire utilizzato tramite colata (casting) nella preparazione dei film.

La proprietà di stimolare la crescita delle cellule epidermiche (cheratinociti) ha inoltre dimostrato il potenziale duplice d’impiego dei di betaglucani, non solo come eccipiente ma anche quale principio attivo. (8)

2.2) Patch cutanea

Una patch cutanea, sempre per il trattamento delle ferite, è stato realizzata utilizzando i β-glucani in forma di sospensione acquosa in un gel amilaceo (amido di mais) realizzato con una stampante 3D, contenente glicerolo e acqua.

L’aggiunta di alginati nella formulazione ha permesso di incrementarne la resistenza meccanica e la facilità di applicazione cutanea per un periodo di tempo prolungato, utile al trattamento richiesto. (9)

3) Petali di zafferano

I preziosi stimmi dello zafferano (Crocus sativus), vengono selezionati manualmente dai singoli fiori con elevati costi e rese minimali che ne spiegano la nomea di ‘oro rosso’. l suoi petali, che esprimono il 78% dei fiori, vengono invece sprecati.

I fiori di zafferano, nondimeno, contengono nutrienti (e.g. fibre, carboidrati, proteine, minerali, vitamine, acidi grassi polinsaturi i.e. acido linoleico) ma soprattutto metaboliti secondari come carotenoidi, monoterpeni e flavonoidi, che possono venire impiegati in diversi prodotti. (10)

3.1) Conservanti naturali

I polifenoli contenuti in due estratti idroalcolici di petali di zafferano hanno dimostrato interessanti proprietà batteriostatiche e battericide nei confronti di diversi microrganismi patogeni e alteranti che sono frequente causa di contaminazione di prodotti alimentari, tra i quali figurano vari clostridi come il pericoloso Clostridium botulinumC. perfrigens e C. difficile. (11)

I due estratti sono stati ottenuti mediante macerazione e con l’ausilio di un bagno a ultrasuoni, rispettivamente, e contengono entrambi almeno il 70% di acido gallico e clorogenico, i quali hanno dimostrato di esercitare un’apprezzabile azione batteriostatica e battericida.

Questi estratti di petali di zafferano rappresentano un’alternativa all’utilizzo degli antibiotici, oltre a poter venire utilizzati come conservanti naturali in varie categorie i di prodotti (e.g. medicinali, cosmetici).

3.2) Idrogel per le ferite

Tre diversi estratti idroalcolici da petali di zafferano, preparati con etanolo al 70% e al 96% come solventi, sono stati impiegati per la preparazione di un idrogel utilizzando amido di mais come supporto per favorirne l’applicazione cutanea.

L’estratto al 70% ottenuto per macerazione ha mostrato l’attività antiossidante e la capacità di stimolazione della rigenerazione dei cheratinociti più elevate, grazie al contenuto di acidi fenolici, mostrando ottime proprietà di riparazione di danni superficiali dell’epidermide.

Apprezzabile anche l’attività antimicrobica in vitro nei confronti di Staphylococcus epidermis, un microrganismo nativo del microbiota cutaneo che può diventare patogenico in presenza di ferite, e sviluppare anch’esso resistenza ad eventuali antibiotici impiegati. (12)

3.3) Azione sui macrofagi

Gli estratti alcolici dei petali di zafferano hanno dimostrato in vitro una capacità di prevenire le infiammazioni e la formazione degli osteoclasti, le cellule responsabili della distruzione dei tessuti ossei, durante i processi di ricostruzione operati dagli osteoblasti che influenzano il processo di differenziazione dei macrofagi (i globuli bianchi responsabili del processo di fagocitosi).

La capacità di impedire la differenziazione dei macrofagi è importante per prevenire la disregolazione dell’asse macrofagi-osteoclasti, e determinare una possibile insorgenza di problematiche legate a processi infiammatori dei tessuti ossei e ad altri problemi, da cui possono derivare osteoporosi, artriti reumatoidi e osteoartriti. (13)

4) Estratto di foglie di Moringa oleifera

Le foglie di Moringa oleifera (pianta nota come ‘albero della vita’) sono considerate come alimenti tradizionali. Il loro utilizzo nella produzione di alimenti e di integratori alimentari all’interno dell’UE non è perciò soggetto alla preventiva autorizzazione altrimenti richiesta ai sensi del Novel Food Regulation (EU) No 2015/2283.

La tradizionalità di utilizzo è supportata dall’impiego in numerose preparazioni che ne hanno dimostrato le potenziali proprietà benefiche (es. antidiabetico, antibatterico, anti-carcinogeno, anti-infiammatorio, cardiovascolare e del sistema nervoso centrale) dovuto a diverse sostanze come polifenoli, carotenoidi e glucosinolati, e da una ridotta presenza di fattori antinutrizionali. (14)

4.1) Polimero di microparticelle

Un estratto di foglie di Moringa oleifera è stato testato come principio attivo per la preparazione di un formulato da impiegare per il trattamento delle ferite con essudato, in forma di microparticelle polimeriche bioadesive ottenute con il metodo spray-drying impiegando il chitosano come polimero per favorire la transizione da sol a gel e garantirne un rilascio immediato dell’estratto in tempi rapidi dopo l’applicazione cutanea. (15)

L’alta concentrazione di flavonoidi (e.g. quercetina in forma glucosidica) ha permesso di dimostrare un’importante attività antiossidante, radical scavenger e antibatterica, testata in vitro nei confronti di Staphylococcus aureus, S. epidermidis, S. faecalis e S. pyogenes. Il rilascio immediato permette di accelerare il processo di guarigione, grazie anche alla stimolazione della crescita dei cheratinociti, e proteggere adeguatamente l’area lesa.

5) Gusci di nocciola

I gusci di nocciola sono il principale sottoprodotto che deriva dal processo di estrazione dei semi, anche a seguito di eventuale tostatura preliminare dei frutti. I gusci e le bucce dei semi vengono utilizzate per produrre mangimi, packaging, reagenti chimici ed energia tramite combustione. (16)

Le sostanze di maggiore interesse contenute nella buccia e nei gusci sono acidi fenolici, flavonoidi, tannini, polisaccaridi, fibre (e.g. emicellulosa) e lignina, anche nelle nocciole tostate.

5.1) Estratti antimicrobici

Tre metodi di estrazione (macerazione, bagno a ultrasuoni, ultrasuoni ad alta potenza) sono stati testati per ottenere diversi estratti dai gusci di nocciole, con vari parametri di processo (tempo di estrazione, temperatura, macerazione preliminare). Gli estratti sono stati caratterizzati da un’elevata diversità di sostanze fenoliche, di cui l’acido gallico è risultato il più abbondante, insieme a catechine e altri acidi fenolici. (17)

Tutti gli estratti – soprattutto quelli ottenuti previa pre-macerazione – hanno dimostrato una buona capacità di inibire la crescita di diversi microrganismi come Bacillus cereus e Bacillus subtilis. Questi bacilli sono coinvolti nei processi di infezione tramite la capacità di produrre biofilm e la diretta insorgenza di infezioni a livello cutaneo.

5.2) Patch cutanea polimerica

Un principio attivo ricavato da un estratto idrosolubile di gusci di nocciola preparato con il metodo casting è stato testato nella formulazione di una patch cutanea insieme a chitosano deacetilato e argilla verde come riempitivi (fillers).

I ricercatori hanno osservato una capacità interessante di tale estratti nello stimolare la crescita dei cheratinociti e il processo di guarigione cutaneo, con inibizione della crescita di S. aureus. Oltre alle proprietà tensili utili a determinare una resistenza durante la rimozione dal packaging e l’applicazione cutanea. (18)

6) Bucce di cipolla (Allium cepa L.)

Le bucce di cipolla sono un sottoporodotto di forte interesse per via dell’abbondanza di pythochemicals con un’importante attività antiossidante in grado di aumentare la conservabilità di diversi prodotti alimentari e non. In funzione del colore, possono venire anche estratte sostanze ad azione colorante (19)

La buccia è particolarmente ricca di fenoli, tannini e flavonoidi, soprattutto quercetina, in grado di mitigare gli effetti deleteri dello stress ossidativo. Gli estratti, in base alle tecnologie e i metodi impiegati, possono variare in termini di efficienza e comunque venire valorizzati nelle formule di:

  • alimenti quali oli, prodotti da forno, carni (per aumentare la stabilità microbica),
  • imballaggi attivi, per incrementare la shelf life degli alimenti in essi contenuti.

6.1) Film bioadesivi

Film polimerici di idrogel sono stati realizzati con un estratto idroalcolico ricco in flavonoidi da bucce di cipolle della varietà rossa Rojo Duro, prive degli odori pungenti caratteristici del bulbo. La solubilità in acqua è stata valutata in vitro.

I test hanno dimostrato buone proprietà antiossidanti e di radical scavenging, antibatteriche e anti-infiammatorie, sicure sulle cellule epidermiche e con efficace azione farmacologica nel trattamento delle ferite superficiali. (20)

6.2) Termogel spray

Il medesimo estratto è stato formulato con un polimero di polossamero/chitosano per ottenere un termogel spray da impiegare per il trattamento della mucosite del cavo orale, una grave infezione che può condurre a dolorose lesioni eritematose e, nel lungo termine, difficoltà ad assumere alimenti, parlare correntemente. Con possibili infezioni secondarie di varia natura. Gli approcci convenzionali (i.e. protettori della mucosa, antimicrobici locali, analgeisici) sono spesso poco efficaci.

La formulazione con l’estratto di cipolla Rojo Duro è risultata efficace per il trattamento della mucosite, grazie alle sue proprietà termosensibili e mucoadesive, garantendone la permanenza nel cavo orale, e l’azione antimicrobica attiva contro diversi patogeni che promuovo l’insorgenza di infezioni. La shelf life è garantita anche dalla possibilità di conservazione in forma liofilizzata, che mantiene le proprietà del termogel in un periodo maggiore. (21)

7) Prospettive

Numerosi coprodotti e scarti dell’industria alimentare possono venire valorizzati per ottenere prodotti alimentari e formulazioni medicinali e cosmetiche ad alto valore aggiunto. Gli studi sopra richiamati offrono prova concreta dell’efficacia e fattibilità di applicazioni dell’economia circolare in diverse filiere alimentari.

Le opportunità di valorizzare i ‘sidestream materials’ sono pressoché infinite, come mostrano i fulgidi esempi delle ricercatrici dell’Università di Perugia. La loro applicazione può consentire al contempo sia di aumentare la redditività delle imprese agricole e di trasformazione, sia di ridurre i costi di gestione degli scarti.

#wasteless

Dario Dongo e Andrea Adelmo Della Penna

Note

(1) Dario Dongo, Andrea Adelmo Della Penna. Food loss and waste, proposta di revisione della direttiva quadro sui rifiuti in UE. GIFT (Great Italian Food Trade). 6.7.23

(2) Kauser S. et al. (2024). Apple pomace, a bioresource of functional and nutritional components with potential of utilization in different food formulations: A review. Food Chemistry Advances 4:100598, https://doi.org/10.1016/j.focha.2023.100598

(3) Cossignani L. et al. (2023). Effect of Different Drying Treatments and Sieving on Royal Gala Apple Pomace, a Thickening Agent with Antioxidant Properties. Plants 12:906, https://doi.org/10.3390/plants12040906

(4) Mangiapelo L. et al. (2023). Role of apple pomace in the formulation of a novel healthy mayonnaise. European Food Research and Technology 249:2835–2847, https://doi.org/10.1007/s00217-023-04331-9

(5) In data 8.3.76 la Commissione europea adottò una proposta di direttiva atta a disciplinare maionese, salse da essa derivate e altre salse emulsionate per condimento, che comprendeva l’impiego del tuorlo d’uovo in emulsione nonché la definizione delle sue caratteristiche. V. https://eur-lex.europa.eu/legal-content/IT/TXT/?uri=OJ:JOC_1976_054_R_0001_01

(6) La maionese era disciplinata dallo standard Codex Alimentarius CODEX STAN 168-1989. A seguito di raccomandazione del suo Executive Committee (49esima sessione), dopo la sospensione della sua revisione, tale standard è stato tuttavia revocato. V. https://www.fao.org/3/X8537e/X8537e.pdf e https://www.fao.org/3/y8028e/y8028e.pdf

(7) Dario Dongo, Andrea Adelmo Della Penna. Microalghe, Euglena gracilis. Superfood con esclusiva. GIFT (Great Italian Food Trade). 10.1.21

(8) Di Michele A. et al. (2023). Formulation and characterization of sustainable bioadhesive films for wound treatment based on barley β-glucan extract obtained using the high power ultrasonic technique. International Journal of Pharmaceutics 638:122925, https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2023.122925

(9) Pérez Gutiérrez C.L. et al. (2023). The Optimization of Pressure-Assisted Microsyringe (PAM) 3D Printing Parameters for the Development of Sustainable Starch-Based Patches. Polymers 15:3792, https://doi.org/10.3390/polym15183792

(10) Cerdá-Bernad D. et al. (2023). Underutilized Crocus Sativus L. Flowers: A Hidden Source of Sustainable High Value-Added Ingredients. Plant Foods for Human Nutrition 78:458–466, https://doi.org/10.1007/s11130-023-01065-7

(11) Primavilla S. et al. (2023). Antibacterial Activity of Crocus sativus L. Petals Extracts against Foodborne Pathogenic and Spoilage Microorganisms, with a Special Focus on Clostridia. Life 13:60, https://doi.org/10.3390/life13010060

(12) Pagano C. et al. (2022). Starch-based sustainable hydrogel loaded with Crocus sativus petals extract: A new product for wound care. International Journal of Pharmaceutics 625:122067, https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2022.122067

(13) Orabona C. et al. (2022). Crocus sativus L. Petal Extract Inhibits Inflammation and Osteoclastogenesis in RAW 264.7 Cell Model. Pharmaceutics 14:1920, https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14061290

(14) Kashyap P. et al. (2022). Recent Advances in Drumstick (Moringa oleifera) Leaves Bioactive Compounds: Composition, Health Benefits, Bioaccessibility, and Dietary Applications. Antioxidants 11(2):402, https://doi.org/10.3390/antiox11020402

(15) Pagano C. et al. (2020). Preparation and characterization of polymeric microparticles loaded with Moringa oleifera leaf extract for exuding wound treatment. International Journal of Pharmaceutics 587:119700, https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2020.119700

(16) Zhao J. et al. (2023). Hazelnut and its by-products: A comprehensive review of nutrition, phytochemical profile, extraction, bioactivities and applications. Food Chemistry 413:135576, https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.135576

(17) Di Michele A. et al. (2021). Hazelnut Shells as Source of Active Ingredients: Extracts Preparation and Characterization. Molecules 26:6607, https://doi.org/10.3390/molecules26216607

(18) Pérez Gutíerrez C.L. et al. (2023). Polymeric Patches Based on Chitosan/Green Clay Composites and Hazelnut Shell Extract as Bio-Sustainable Medication for Wounds. Pharmaceutics 15:2057, https://doi.org/10.3390/pharmaceutics15082057

(19) Kumar M. et al. (2022). Onion (Allium cepa L.) peel: A review on the extraction of bioactive compounds, its antioxidant potential, and its application as a functional food ingredient. Concise Review & Hypotheses In Food Science 87(10):4289-4311, https://doi.org/10.1111/1750-3841.16297

(20) Pagano C. et al. (2020). Bioadhesive Polymeric Films Based on Red Onion Skins Extract for Wound Treatment: An Innovative and Eco-Friendly Formulation. Molecules 25(2):318, https://doi.org/10.3390/molecules25020318

(21) Caricato D. et al. (2021). Rojo Duro Red Onion Extract Loaded Spray Thermogel as a Sustainable Platform for the Treatment of Oral Mucosa Lesions. Journal of Pharmaceutical Sciences 110:2974-2985, https://doi.org/10.1016/j.xphs.2021.04.004

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Dario Dongo, avvocato e giornalista, PhD in diritto alimentare internazionale, fondatore di WIISE (FARE - GIFT – Food Times) ed Égalité.

Andrea Adelmo Della Penna
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Laureato in Tecnologie e Biotecnologie degli Alimenti, tecnologo alimentare abilitato, segue l’area di ricerca e sviluppo. Con particolare riguardo ai progetti di ricerca europei (in Horizon 2020, PRIMA) ove la divisione FARE di WIISE S.r.l. società benefit partecipa.

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