La valorizzazione degli scarti di produzione agroalimentare


    Autori:

    Barbara Nicolaus, Annarita Poli, Giuseppina Tommonaro
    Istituto di Chimica Biomolecolare ICB-CNR

    Barbara Immirzi, Mario Malinconico
    Istituto di Chimica e Tecnologia dei Polimeri ICTP-CNR

    Maria Grazia Volpe
    Istituto di Scienze dell'Alimentazione ISA-CNR

    ABSTRACT

    Negli ultimi anni si è registrato un notevole aumento nell’utilizzo delle plastiche nel settore agricolo, sia per la protezione del post-raccolta, sia per la realizzazione di colture protette (pacciamatura).

    Le plastiche più utilizzate sono il polietilene ad alta e bassa densità, un suo derivato, il poli(etilene-vinilacetato) e, più recentemente, anche il prodotto biodegradabile della Novamont, il MaterBi.

    Si stanno mettendo a punto vernici biodegradabili a base di fibre vegetali e polisaccaridi, ottenute da fonti rinnovabili (scarti), che potrebbero rappresentare una efficace alternativa da impiegare nella pacciamatura agricola e nella realizzazione di imballaggi rigidi.

    Inoltre, utilizzando come carica i residui delle lavorazioni di prodotti ortofrutticoli e come polimero base il polietilene da riciclo, è possibile ottenere imballaggi rigidi a più basso impatto ambientale.

    L’argomento riveste in Italia un notevole interesse poiché i materiali plastici sono tra i più utilizzati nel settore dell'imballaggio agroalimentare.

    Attualmente per l'imballaggio vengono impiegati soprattutto polimeri ottenuti da derivati del petrolio.

    Nella prospettiva di una crescita mondiale dei consumi di plastica da fonti non rinnovabili e del notevole impatto ambientale che ne deriva, l'industria e la ricerca guardano con attenzione ai nuovi sistemi di produzione dei polimeri di origine non petrolchimica, cioè polimeri naturali biodegradabili, tal quali o modificati.

    L'alternativa all'imballaggio di plastica derivato da fonti petrolifere sembra quindi un obiettivo raggiungibile; tuttavia, i problemi da affrontare sono ancora numerosi. Tra questi, una maggiore informazione sui vantaggi che è possibile ottenere in termini ambientali e di salvaguardia delle caratteristiche nutrizionali e sensoriali degli alimenti imballati.


    Immagine - 1 - Composizione dello scarto-tipo derivante dalla lavorazione del pomodoroImmagine - 1 - Composizione dello scarto-tipo derivante dalla lavorazione del pomodoro

    INTRODUZIONE

    La ricerca di materiali alternativi ai prodotti di sintesi, ottenuti ad elevato impatto ambientale, costituisce una valida alternativa per l’economia, da sviluppare sul piano della produzione industriale.

    In particolare, uno dei principali problemi dell'industria alimentare è rappresentato dallo smaltimento degli scarti di lavorazione.

    Il presente progetto riguarda la manipolazione dei residui industriali e la loro conversione in risorse potenzialmente utili soprattutto per quei paesi come l’Italia che sono poveri in materie prime tradizionali e ricchi di risorse naturali.

    Il pomodoro è uno dei prodotti di maggiore interesse per l'industria alimentare mondiale.

    In Italia, ove le industrie agroalimentari conserviere rappresentano un importante settore per l’economia, la trasformazione industriale di pomodoro in pelati, polpe e triturati, passata e concentrato ricopre quasi il 70% della produzione e vede impegnati circa 200 stabilimenti.

    Per citare un esempio, solo nel 2006 sono state trasformate circa 6.300.000 tonnellate di pomodori.

    Lo smaltimento degli scarti prodotti ha una notevole ricaduta sulla comunità in termini di costi e di inquinamento dell’ambiente, tanto che negli ultimi anni le aziende operanti nei paesi industrializzati hanno rivolto un'attenzione sempre maggiore alla valutazione di impatto ambientale e alla produzione di prodotti di qualità.

    Dalla trasformazione industriale del pomodoro si ottengono scarti di lavorazione solidi, che derivano in parte dai difetti riscontrati sulla materia prima in arrivo (pomodori immaturi o con gravi difetti di pigmentazione; pomodori lesionati sia per cause meccaniche sia per azione microbica) e in parte dal processo di lavorazione e trasformazione (residui di lavorazione, scarti di raffinazione, di pulitura, bucce e semi).

    Gli scarti di lavorazione costituiscono un costo aggiuntivo per le aziende produttive, dovuto ai processi di smaltimento. Tuttavia, numerosi studi ne evidenziano anche il valore intrinseco e le potenzialità.

    Uno stabilimento di medie dimensioni, che in una stagione trasforma 110.000 quintali di pomodoro fresco, produce circa 2.000-2.500 quintali di scarti (pari all'1,8-2,3% della produzione) costituiti da bucce e semi.

    Il costo totale per lo smaltimento di questi scarti di lavorazione stagionale si aggira intorno ai 9300-11600 euro. L’attenzione, quindi, va rivolta non solo alla produzione alimentare, ma anche al danno ecologico da essa derivante.

    Le moderne tecnologie compatibili con l’ambiente consentono di riscoprire e valorizzare i materiali provenienti dai residui del settore agroindustriale.

    Esse promuovono l’utilizzo di biomasse in esubero sottraendole allo smaltimento in discarica o alla termodistruzione, al fine di risparmiare materie prime ad alto valore aggiunto e di individuare negli scarti vegetali e negli inquinanti industriali una fonte armonica di prodotti alternativi.

    Attualmente, l’essiccazione degli scarti ottenuti dalla lavorazione delle industrie conserviere rappresenta l’approccio più diffuso per la produzione di concimi. Grazie alle moderne biotecnologie è possibile manipolare tali residui convertendoli in potenziali risorse ad alto valore aggiunto.

    Scarti di lavorazione industriale del pomodoro

    Gli scarti di lavorazione del pomodoro derivano in parte dai difetti riscontrati sulla materia prima in arrivo (pomodori immaturi o con gravi difetti di pigmentazione, pomodori lesionati sia per cause meccaniche sia per azione microbica) e in parte dal processo stesso di trasformazione e di lavorazione (residui di lavorazione, scarti di raffinazione, di pulitura, bucce e semi). Un’analisi preliminare rivela che il 50% dello scarto è rappresentato da fibre, il 18% da proteine e il 10% da grassi, oltre a quantità non trascurabili di carotenoidi, quali licopene e beta-carotene, e sostanze con attività antiossidante.

    Composizione dello scarto tipo derivante dalla lavorazione del pomodoro

    Nelle fibre risulta abbondante la presenza di polisaccaridi, sia come costituenti della parete cellulare (cellulosa, pectine, emicellulosa), sia come materiali di riserva (amido).
    La parete cellulare primaria delle piante è composta da microfibrille di cellulosa e da una matrice. La cellulosa, le cui molecole si combinano a formare microfibrille strutturali, costituisce nella maggior parte dei casi la porzione dominante della parete; la matrice invece è costituita da due polisaccaridi principali, pectine ed emicellulose, oltre a glicoproteine, enzimi, composti inorganici e lignina.


    Immagine - 2 - Scarti di lavorazione industriale del pomodoro.Immagine - 2 - Scarti di lavorazione industriale del pomodoro.

    La nobilitazione di semi e bucce per il recupero di biomolecole d'interesse (es. polisaccaridi)

    Verificata la fattibilità tecnica del riciclo degli scarti di lavorazione del pomodoro, il lavoro svolto dal nostro gruppo di ricerca ha avuto come principale obiettivo la nobilitazione di semi e bucce per il recupero di biomolecole d'interesse quali i polisaccaridi (Strazzullo et al. 2003). È stato messo a punto un metodo rapido di estrazione di polisaccaridi a partire dagli scarti di lavorazione del pomodoro.

    Si tratta di un metodo a basso impatto ambientale (quindi con un impiego limitato di solventi organici), di facile applicazione e in grado di fornire buone rese di prodotto con un ridotto tempo di trattamento. Il passo successivo è stato la caratterizzazione chimico-fisica del polisaccaride ottenuto, al fine di valutare le eventuali proprietà reologiche del polimero. Studi addizionali hanno permesso di applicare la metodica di estrazione del polisaccaride anche ad altri scarti vegetali, come ad esempio quelli ottenuti dal "frutto della passione".

    Questo frutto, conosciuto anche col nome "Granadilla" (Passiflora liguralis) (Tommonaro et al. 2007), è molto diffuso nei paesi latinoamericani dove è cospicua la produzione industriale del suo succo. Ulteriori studi sono in corso non solo per il recupero di polisaccaridi da altri scarti vegetali quali la carota e il finocchio, ma anche per il loro eventuale utilizzo nella produzione, a basso costo, di biomasse microbiche. Le potenzialità biotecnologiche di tali biopolimeri sono state sperimentate e ottimizzate al fine di realizzare biomateriali da utilizzare in differenti settori come l'agricoltura (solarizzazione e pacciamatura) e il settore farmacologico.

    Biofilm e Contenitori

     

    Immagine - 3 - Alcuni esempi di biofilm ottenuti a partire dal polisaccaride estratto dagli scarti industriali del pomodoro (in collaborazione con ICTP-CNR di Pozzuoli)Immagine - 3 - Alcuni esempi di biofilm ottenuti a partire dal polisaccaride estratto dagli scarti industriali del pomodoro (in collaborazione con ICTP-CNR di Pozzuoli)

    Alcuni esempi di biofilm ottenuti a partire dal polisaccaride estratto dagli scarti industriali del pomodoro (in collaborazione con ICTP-CNR di Pozzuoli).

    Il primo test effettuato è stato il BRINE SHRIMP TEST, un saggio di citotossicità su larve di Artemia salina, che in genere viene usato come screening preliminare per individuare composti bioattivi. Le larve di artemia sono state esposte sia a diverse concentrazioni del polisaccaride che a una contemporanea presenza di avarolo. L'avarolo è un composto naturale isolato da una spugna marina, la Desidea avara, che presenta una forte attività citotossica con un LD 50 di 0,18 ppm. In presenza del polisaccaride, la citotossicità dell'avarolo diminuisce, passando da un valore di LD 50 di 0,18 ppm a un valore di 11 ppm. Il polisaccaride estratto dal pomodoro è stato testato su una linea cellulare, i macrofagi J774. In particolare abbiamo studiato l'effetto del polisaccaride sull'attivazione del fattore citoplasmatico NF-kB coinvolto nel processo infiammatorio. Da studi preliminari il polisaccaride non è risultato tossico per tale linea cellulare. Sono stati inoltre valutati gli effetti sulla proliferazione, sulla vitalità, e sulla produzione di nitriti e di ROS (Reactive Oxygen Species, Specie reattive dell'ossigeno) da parte dei macrofagi stimolati con LPS -lipopolysaccharide(De Stefano et al. 2007).

    Contenitori in fibra di pomodoro

    Per molti tipi di colture, in particolare la fragola, la lattuga, e più in generale tutti i prodotti ortofrutticoli e molti prodotti florovivaistici , viene utilizzato un tipo di coltivazione detta "Tray plant". Le piante TP (Tray Plant) vengono ingrossate in particolari contenitori di polistirolo da 15 fori (tray o nursery pots) contenenti un substrato costituito principalmente da torba bionda fibrosa.

    Nel periodo invernale le piante, in pieno riposo vegetativo, vengono tolte dai contenitori di polistirolo, poste in terra e portate a crescita con tutto il substrato e le foglie più giovani.

    Questo spostamento può provocare danni all'apparato radicale delle piantine.

    I contenitori hanno il vantaggio di essere leggeri e resistenti agli urti, ma sono completamente non biodegradabili e trovano grossi problemi anche nella riciclabilità (infatti non possono essere messi nei contenitori per il riciclo della plastica).

    Il loro accumulo in agricoltura sta diventando un grosso problema ambientale (solo in Italia se ne usano ogni anno decine di migliaia di tonnellate).

    Nell'ambito di un progetto di valorizzazione dei sottoprodotti della filiera del pomodoro, che ci vede coinvolti insieme all'Istituto di Chimica Biomolecolare del CNR di Pozzuoli, la nostra strategia è stata quella di sostituire il polistirene con un materiale completamente biodegradabile.

    Abbiamo preparato un prodotto a base di polisaccaridi di origine marina o agricola rinforzati con fibre provenienti dalla lavorazione del pomodoro (anche questo prodotto di scarto difficile da smaltire in sicurezza).

    I contenitori ottenuti risultano molto leggeri e resistenti; inoltre, essendo ottenuti da materie prime completamente biodegradabili, possono essere interrati con tutte le piantine.

    In questo modo la flora microbica del terreno e la pressione delle radici in crescita contribuiscono ulteriormente alla degradazione del contenitore che si completa nel giro di alcune settimane.

    Il contenitore diventa quindi ammendante e fertilizzante e le piantine non subiscono lo shock da trapianto.

    Al momento, presso il CNR di Pozzuoli si sta passando alla realizzazione di prototipi in stampi multipli, propedeutici allo sviluppo industriale dei manufatti.

    Stampi e contenitori in fibra di pomodoro

    Tecnologie sostenibili per l’aumento della shelf-life di prodotti ortofrutticoli

    Attualmente i sistemi industriali di conservazione prolungata dei prodotti ortofrutticoli (liofilizzazione, disidratazione, stagionatura) sono poco rispettosi delle proprietà nutrizionali e/o organolettiche degli alimenti, per cui si rende indispensabile lo sviluppo di tecnologie non invasive in grado di salvaguardarne le peculiarità.

    La ricerca scientifica e l’innovazione tecnologica nel settore dei prodotti alimentari sono sempre più rivolte al mantenimento della qualità degli alimenti, mirando nel frattempo a ridurre gli effetti derivanti da operazioni e processi tipici dell’industria alimentare (trattamenti termici, essiccamento, surgelamento, frigoconservazione ecc.).


    Immagine - 4 - Stampi e Contenitori in fibra di pomodoroImmagine - 4 - Stampi e Contenitori in fibra di pomodoro

    In passato, infatti, l’ottenimento degli obiettivi prefissati era di solito disgiunto da qualunque considerazione sugli effetti negativi del trattamento.

    Gli sforzi degli operatori tecnici e scientifici del settore sono pertanto indirizzati all’ottenimento di prodotti che, in seguito a processi di trasformazione e/o conservazione, mantengano, per quanto possibile, i livelli originari di apporto dietetico, non disgiunti dalla sicurezza d’uso. Si è dunque sempre più orientati verso tecniche cosiddette "mild" o delicate, tali da fornire al consumatore prodotti sempre più simili, per quanto possibile, a quelli freschi.

    Queste tecnologie di conservazione o di trasformazione consentono di minimizzare il danno meccanico, termico o ossidativo e le contaminazioni chimico-biologiche che in genere accompagnano le operazioni unitarie di trattamento alimentare.

    L’interesse verso tali tecnologie è aumentato anche per il trattamento di una particolare tipologia di prodotto alimentare, il fresco, che secondo le richieste del consumatore deve essere naturale, deve mantenere il più a lungo possibile invariate nel tempo le caratteristiche biochimiche, sensoriali e nutrizionali, e deve contenere al minimo o per niente eventuali forme microbiche alteranti o potenzialmente patogene per l’uomo. Alcuni dei prodotti simbolo della nostra gastronomia sono i funghi e i tartufi.

    Il tartufo fresco, in particolare, ha un tempo di conservazione limitato e le soluzioni finora adottate (congelamento, liofilizzazione, essiccamento sotto vuoto ecc.), penalizzano le caratteristiche sensoriali del prodotto, che sono alla base del gradimento del consumatore. Per quanto riguarda i funghi, le tecniche convenzionali di preparazione di prodotti essiccati si basano, fondamentalmente, sulla disidratazione diretta al sole o sulla esposizione a flussi d’aria calda. In entrambi i casi i prodotti finali possono presentare alcuni inconvenienti, quali imbrunimenti enzimatici e non, perdita parziale delle caratteristiche sensoriali di partenza. è possibile ottenere un miglioramento qualitativo dei prodotti disidratati in virtù di una razionalizzazione dei processi e delle tecniche di essiccamento, ma anche con la ricerca di un materiale di partenza che presenti caratteristiche ottimali per tale tipo di trasformazione.

    Lo scopo della nostra ricerca ha riguardato lo sviluppo e la realizzazione di sistemi di bioimballaggio innovativi, tali da garantire una shelf-life adeguata ai tempi di commercializzazione senza dover effettuare processi di sterilizzazione, e al contempo preservare le caratteristiche organolettiche e nutritive del prodotto.

    L’innovazione è relativa innanzitutto alla scelta dei materiali: si utilizzano polimeri biocompatibili e biodegradabili appartenenti a note famiglie di polisaccaridi naturali e/o provenienti da scarti del prodotto in esame, già in uso nell’industria alimentare per altri scopi.

    Questi biopolimeri rappresentano la frazione maggiore di sostanza organica sul nostro pianeta; per citare solo alcuni esempi, ricordiamo la cellulosa, l'amido e la chitina, che vengono prodotti, annualmente, in quantità pari a miliardi di tonnellate.

    Inoltre, è importante sottolineare che molti polisaccaridi si adattano idealmente alla formulazione di materiali polimerici biocompatibili e biodegradabili, la cui domanda è in rapida espansione in diversi settori, da quello agroalimentare a quello farmaceutico.

    Durante la prima fase dello studio sono stati individuati i materiali ecocompatibili e le composizioni ottimali ed è stata messa a punto la loro preparazione sotto forma di film polimerici.

    Si proseguirà quindi con la conservazione dei prodotti in oggetto, sui quali verranno effettuate valutazioni degli attributi di qualità in funzione del tempo di conservazione. Tali valutazioni verranno confrontate con quelle degli stessi prodotti già presenti sul mercato, ottenuti con metodi già in uso; in particolare verranno effettuate prove di sicurezza mediante test di tossicità, prove meccaniche e meccanico-dinamiche, profili aromatici dei prodotti in oggetto durante la conservazione.

    Il passo successivo ha riguardato l'applicazione di tecnologie di trasformazione dei prodotti ortofrutticoli al fine di ottenere nuovi prodotti di origine locale ad alto valore aggiunto; allo stesso tempo, si intende studiare l'evoluzione delle caratteristiche qualitative degli essiccati in vista di una tipizzazione del prodotto.

    Con la ricerca si è mirato, altresì, a realizzare un processo riproducibile in campo operativo dall'industria locale, idoneo, come già detto, alla produzione di alimenti tipici di qualità elevata. La proposta prevede, inoltre, l'individuazione di specie e cultivar caratteristiche, adatte alla trasformazione, che offrano apprezzabili prospettive di inserimento commerciale.

    Nell'ambito dello screening varietale i prodotti essiccati sono stati sottoposti ad una approfondita analisi qualitativa con l'intento di pervenire a valide metodologie di trasformazione e, quindi, a prodotti qualificati dal punto di vista nutrizionale, igienico-sanitario e sensoriale. I risultati conseguiti quindi potranno da un lato condurre a una evoluzione delle acquisizioni scientifiche inerenti i parametri di processo e dall'altro permettere il trasferimento delle metodologie sperimentali agli eventuali utenti del settore agro-alimentare interessati alla commercializzazione dei nuovi prodotti.

    Bibliografia

    De Stefano D., Tommonaro G, Simeon V., Poli A., Nicolaus B., Carnuccio R. (2007). "A Polysaccharide from Tomato ( Lycopersicon esculentum) Peels, Affects NF- k B Activation in LPS-Stimulated J774 Macrophages”. J. Nat. Prod. (in press).

    Strazzullo G., Schiano Moriello V., Poli A., Immirzi B., Amazio P., Nicolaus B. (2003). "Solid wastes of tomato-processing industry (Lycopersicon esculentum "Hybrid Rome”) as renewable sources of polysaccharides” .J. Food Technol. 1(3), 102-105.

    Tommonaro G., Segura Rodríguez C. S., Santillana M., Immirzi B., De Prisco R., Nicolaus B. and Poli A. (2007). "Chemical Composition, Biotechnological Properties of a Novel Polysaccharide from Peels and Antioxidative Content from Pulp of Passiflora liguralis Fruits". J. Agric Food. Chem. 55, 7427-7433.

    Sitografia

    Green Planet La rete del biologico su Internet
    www.greenplanet.net

    Campaniasuweb
    www.campaniasuweb.it

    Life Gate
    www.lifegate.it

    ABCS Ricerche s.r.l
    http://www.abcs.it/

    Almanacco della Scienza - CNR
    http://www.almanacco.rm.cnr.it/

    Shelf Life - From Wikipedia, the free encyclopedia
    http://en.wikipedia.org/wiki/Shelf_life


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