In the last decades, food wastage has become a social, economic, and environmental problem. One-third of all food produced in the world is lost or wasted, expressly 1.3 billion tonnes per year is the total amount estimated of food wasted, mainly from processing. Those residues represent the biggest and the most widespread sustainable resource on earth, considering the extreme concentration in high added-value metabolites. The aim of this work is waste valorization achieved by means of bioactive compound extraction from plant matrices. Those compounds could be then used in different fields (nutraceuticals, active-packaging, cosmetics etc.). To achieve this goal, non-conventional and environmental-friendly technologies were exploited, taking in account scalable processes suitable for large-scale production systems. Three different starting materials were investigated: rowan (or mountain-ash) berries (Sorbus spp.), orange peel wastes (Citrus sinensis L.) and chestnut wood (Castanea sativa Mill.). Attention was mainly paid to microwave-assisted subcritical-water extraction (MASWE), that allowed a good metabolites recovery from residual matrices: this technology can be easily transposed in a pilot-scale subcritical-water extraction plant. Total polyphenolic content, useful for determinate extraction trends, was a common denominator for all the studied materials, providing process’ yield and selectivity. In addition, according to the different biomasses, a specific goal was pursued. On rowan berries, the scope was the recovery of organic acids (i.e. preservative additives). For orange peels particular attention was paid to pectins (i.e. jellying agents) [1] and lastly, chestnut wood valorization aimed to isolate tannins (i.e. tannery agents). Different condition sets (time and temperature) were tested in order to enhance selectivity and achieving enriched extracts. The optimized protocols were transposed in a pilot-scale subcritical water extraction plant for the most promising side-products (orange peel wastes and chestnut wood). Particular attention was paid to downstream process design, adopting scalable and wide-spread technologies. In detail, membrane filtration (nano- and ultrafiltration) allowed to fractionate and concentrate different production streams, depending on molecular dimension (i.e. flavonoids-rich or pectins-rich). At last, spray-drying was carried out, recovering dry extract from aqueous solutions with unaltered polyphenols features. Polyphenols resulting from different matrices were qualitatively analysed and characterised by LC-MS. Concerning the polyphenols extraction selectivity and the metabolites antioxidant power, different colorimetric methods were employed and compared in order to obtain a semi-quantitative evaluation. With this work it was possible to demonstrate the possibility to valorize food supply chain side-products, by using non-conventional technologies exploiting only water as a solvent, achieving high added-value metabolites with potential bioactivity. In a circular economy framework, the valorization of food production chain residues, with a scaling-up perspective, could address the cradle to cradle approach, providing economic efficiency and reducing environmental impact.
Negli ultimi decenni lo spreco alimentare è diventato un problema sociale, economico e ambientale. Da un rapporto FAO del 2013 si stima che ogni anno circa un terzo del cibo prodotto venga sprecato, ammontando a 1,3 miliardi di tonnellate l’anno, gran parte delle quali deriva da scarti di produzione [1]. Questi rifiuti sono le risorse più abbondanti, economiche e rinnovabili sulla terra e, in molti casi, ancora ricche di componenti ad elevato valore aggiunto. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quindi la valorizzazione di scarti, grazie all’isolamento da matrici vegetali di componenti bioattivi, che possono essere impiegati poi in diversi ambiti (nutraceutico, active-packaging, cosmetico ecc..). Per raggiungere questo obbiettivo sono state sfruttate tecnologie non convenzionali, sostenibili, green e che permettessero la scalabilità del processo a livello industriale. Le matrici vegetali trattate sono state bacche di sorbo (Sorbus spp.), epicarpo e mesocarpo di arancio dolce (Citrus sinensis L.) e cippato di legno di castagno (Castanea sativa Mill.). La tecnologia maggiormente sfruttata è stata l’estrazione in acqua subcritica assistita da microonde (MASWE), la quale ha permesso un buon recupero di metaboliti secondari dalle matrici residuali, risultando inoltre un protocollo facilmente scalabile. L’estrazione e l’analisi della frazione polifenolica ha interessato trasversalmente le tre matrici prese in esame. In aggiunta, nel caso delle bacche, la ricerca era volta principalmente all’ottenimento di acidi organici (additivi alimentari impiegati come conservanti). Nel caso degli scarti d’agrumi sono state separate le pectine [1] e, infine, per il legno di castagno, particolare attenzione è stata rivolta all’isolamento dei tannini. Sono state indagate diverse combinazioni di condizioni operative (tempo e temperatura), al fine di aumentare la selettività e la resa di processo, ottenendo estratti arricchiti di una delle frazioni di interesse. Le estrazioni ottimizzate degli scarti d’arancia e del legno di castagno sono state altresì trasposte su scala pilota, in un impianto semi-industriale ad acqua subcritica, in grado di lavorare fino a 160 °C su 40 kg di matrice e 160 L di soluzione. Il downstream del processo è stato altresì studiato in un’ottica di scale-up industriale, sfruttando tecnologie scalabili ed economiche quali filtrazione su membrana - nano- e ultrafiltrazione - per la separazione e concentrazione di diverse frazioni e spray-drying, come sistema di essiccazione. Le rese e le selettività di estrazione, insieme all’attività antiossidante, sono state monitorate tramite diversi metodi colorimetrici, valutando la risposta dei protocolli applicati. I polifenoli estratti dalle diverse matrici sono stati infine analizzati e caratterizzati qualitativamente tramite LC-MS. Con questo lavoro di tesi si è dimostrata la possibilità di valorizzazione di matrici derivanti dalla filiera agro-alimentare, utilizzando tecnologie non convenzionali e limitando i solventi alla sola acqua. I processi allo studio hanno visto come obbiettivo l’estrazione di metaboliti bioattivi e composti ad elevato valore aggiunto. In un’ottica di economia circolare questi processi, trasposti su larga scala, potrebbero soddisfare il ciclo conosciuto come “cradle to cradle”, garantendo un’ottima efficienza unita a ritorno economico, riducendo al contempo l’impatto ambientale. [1]Fidalgo A. et al., ACS Sustainable Chem. Eng. . 2016; 4 (4); 2243–2251
Nuove tecnologie per la valorizzazione di sottoprodotti della filiera agroalimentare su scala semi-industriale
AIMONE, CLELIA
2020/2021
Abstract
Negli ultimi decenni lo spreco alimentare è diventato un problema sociale, economico e ambientale. Da un rapporto FAO del 2013 si stima che ogni anno circa un terzo del cibo prodotto venga sprecato, ammontando a 1,3 miliardi di tonnellate l’anno, gran parte delle quali deriva da scarti di produzione [1]. Questi rifiuti sono le risorse più abbondanti, economiche e rinnovabili sulla terra e, in molti casi, ancora ricche di componenti ad elevato valore aggiunto. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quindi la valorizzazione di scarti, grazie all’isolamento da matrici vegetali di componenti bioattivi, che possono essere impiegati poi in diversi ambiti (nutraceutico, active-packaging, cosmetico ecc..). Per raggiungere questo obbiettivo sono state sfruttate tecnologie non convenzionali, sostenibili, green e che permettessero la scalabilità del processo a livello industriale. Le matrici vegetali trattate sono state bacche di sorbo (Sorbus spp.), epicarpo e mesocarpo di arancio dolce (Citrus sinensis L.) e cippato di legno di castagno (Castanea sativa Mill.). La tecnologia maggiormente sfruttata è stata l’estrazione in acqua subcritica assistita da microonde (MASWE), la quale ha permesso un buon recupero di metaboliti secondari dalle matrici residuali, risultando inoltre un protocollo facilmente scalabile. L’estrazione e l’analisi della frazione polifenolica ha interessato trasversalmente le tre matrici prese in esame. In aggiunta, nel caso delle bacche, la ricerca era volta principalmente all’ottenimento di acidi organici (additivi alimentari impiegati come conservanti). Nel caso degli scarti d’agrumi sono state separate le pectine [1] e, infine, per il legno di castagno, particolare attenzione è stata rivolta all’isolamento dei tannini. Sono state indagate diverse combinazioni di condizioni operative (tempo e temperatura), al fine di aumentare la selettività e la resa di processo, ottenendo estratti arricchiti di una delle frazioni di interesse. Le estrazioni ottimizzate degli scarti d’arancia e del legno di castagno sono state altresì trasposte su scala pilota, in un impianto semi-industriale ad acqua subcritica, in grado di lavorare fino a 160 °C su 40 kg di matrice e 160 L di soluzione. Il downstream del processo è stato altresì studiato in un’ottica di scale-up industriale, sfruttando tecnologie scalabili ed economiche quali filtrazione su membrana - nano- e ultrafiltrazione - per la separazione e concentrazione di diverse frazioni e spray-drying, come sistema di essiccazione. Le rese e le selettività di estrazione, insieme all’attività antiossidante, sono state monitorate tramite diversi metodi colorimetrici, valutando la risposta dei protocolli applicati. I polifenoli estratti dalle diverse matrici sono stati infine analizzati e caratterizzati qualitativamente tramite LC-MS. Con questo lavoro di tesi si è dimostrata la possibilità di valorizzazione di matrici derivanti dalla filiera agro-alimentare, utilizzando tecnologie non convenzionali e limitando i solventi alla sola acqua. I processi allo studio hanno visto come obbiettivo l’estrazione di metaboliti bioattivi e composti ad elevato valore aggiunto. In un’ottica di economia circolare questi processi, trasposti su larga scala, potrebbero soddisfare il ciclo conosciuto come “cradle to cradle”, garantendo un’ottima efficienza unita a ritorno economico, riducendo al contempo l’impatto ambientale. [1]Fidalgo A. et al., ACS Sustainable Chem. Eng. . 2016; 4 (4); 2243–2251| File | Dimensione | Formato | |
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