Ricerca

La ruota dei bio-processi per l’upcycling dei sottoprodotti alimentari

Giugno 3, 2025

349

La ruota dei bio-processi dei sottoprodotti alimentari (FBBW) è uno strumento innovativo progettato per promuovere l’upcycling biotecnologico, nella lotta contro le perdite e gli sprechi alimentari (FLW). Con quasi il 30% della produzione agricola globale persa durante le fasi di lavorazione e produzione, l’industria alimentare affronta richieste urgenti per migliorare la sostenibilità ambientale e l’efficienza delle risorse. In risposta a questa sfida, i ricercatori dell’Università e Centro di Ricerca di Wageningen, dell’Universitat Autònoma de Barcelona e del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) in Italia hanno sviluppato la FBBW, pubblicata di recente su Trends in Food Science & Technology (Vilas-Franquesa et al., 2024).

Questo strumento offre indicazioni pratiche e strategiche a scienziati e stakeholder interessati a soluzioni di upcycling efficienti e scalabili, per i sottoprodotti dell’industria alimentare. Tra i metodi di estrazione sostenibile più promettenti vi sono l’estrazione assistita da enzimi (EAE) e l’estrazione assistita da fermentazione (FAE). Questi approcci guidati dalla biotecnologia consentono di convertire i sottoprodotti dell’industria alimentare in ingredienti funzionali ad alto valore, offrendo vantaggi significativi rispetto ai processi chimici convenzionali. Operano in condizioni blande, preservando i composti bioattivi sensibili e riducendo l’impatto ambientale, così da rendere i bio-processi una soluzione praticabile e conveniente per l’economia alimentare circolare.

Table of Contents

Metodologia

Il gruppo di ricerca, guidato da Vilas-Franquesa e colleghi, ha seguito un approccio sistematico per sviluppare la FBBW. La metodologia ha comportato l’esame delle applicazioni di successo delle tecnologie EAE e FAE attraverso diversi sottoprodotti documentati nella recente letteratura scientifica. La costruzione della ruota si è concentrata sulle colture più diffuse a livello globale, inclusi canna da zucchero, caffè, riso, banane e patate.

I ricercatori hanno categorizzato i prodotti agroindustriali in tre gruppi principali:

frutta,
ortaggi e tuberi e
cereali e altre colture.

Ogni categoria ha subito un’ulteriore sotto-categorizzazione basata sui singoli prodotti. Il gruppo ha identificato i sottoprodotti più rilevanti dai processi di produzione, considerando la composizione prossimale quando disponibile. Sono stati inclusi solo sottoprodotti solidi e insolubili, escludendo esplicitamente acque reflue, solventi o altri flussi di rifiuti liquidi dai processi di pulizia o estrazione.

Il design della ruota segue una struttura circolare a più strati da leggere dall’interno verso l’esterno. Il cerchio interno contiene la categorizzazione più ampia, mentre i cerchi successivi si restringono a prodotti specifici, ai loro sottoprodotti e infine ai composti target o agli obiettivi di estrazione. Questo approccio visuale facilita la rapida identificazione delle possibilità di upcycling per sottoprodotti specifici.

Risultati principali

La FBBW cataloga con successo numerosi processi biotecnologici per valorizzare i sottoprodotti alimentari attraverso tutte e tre le categorie principali, rivelando ampie opportunità per l’upcycling sostenibile. L’analisi completa ha identificato oltre 100 applicazioni di successo delle tecnologie EAE e FAE, ciascuna dimostrando miglioramenti misurabili nell’estrazione di composti bioattivi e nella produzione di ingredienti funzionali.

Valorizzazione dei sottoprodotti della frutta

La lavorazione della frutta genera diversi sottoprodotti inclusi polpa, bucce, semi, gusci e foglie, ciascuno presentando opportunità di upcycling uniche. La ricerca ha documentato risultati notevoli nella valorizzazione della polpa, particolarmente con la polpa di mirto cinese sottoposta a fermentazione mista con più ceppi probiotici. Questo processo ha rallentato con successo la degradazione delle antocianine convertendo i flavonoidi in agliconi flavonolici più biodisponibili, con concentrazioni di acido gallico che raggiungevano 185 ± 0,04 mg/g (Zhu et al., 2022).

La valorizzazione delle bucce di agrumi ha dimostrato risultati eccezionali attraverso la fermentazione con acido lattico. Le bucce d’arancia fermentate con Lacticaseibacillus casei 2246 hanno raggiunto la più alta concentrazione di acido lattico di 209,65 g/kg con una resa di 0,88 g/g, stabilendo le bucce d’arancia come materia prima adatta per la produzione industriale di acido lattico (Ricci et al., 2019). Il trattamento delle bucce di pompelmo con cellulasi al dosaggio dell’8% di enzima ha rilasciato composti fenolici insolubili a 14 mg/100 g, inclusi acido gallico (42,5 mg/100 g) e acido ferulico (18 mg/100 g) (Peng et al., 2021).

La valorizzazione dei sottoprodotti del caffè ha prodotto risultati particolarmente impressionanti. I fondi di caffè esausti trattati con idrolisi enzimatica combinata usando Viscozyme L e Celluclast hanno aumentato la materia solubile totale di quasi otto volte, con il contenuto di monosaccaridi che raggiungeva 17 g/100g e la concentrazione di melanoidine fino a 72 mg/g. Inoltre, i livelli di acido caffeico sono aumentati a 2,22 mg/g (Gu et al., 2020). Approcci di fermentazione alternativi usando Lactobacillus rhamnosus hanno aumentato il contenuto di polifenoli a 227,3 ± 3,3 mg/g di estratto riducendo al contempo la caffeina del 38% (Milić et al., 2023).

La valorizzazione dei semi ha presentato risultati diversi a seconda della composizione. I semi di prugna nera fermentati con Aspergillus oryzae hanno raggiunto un’attività tannasiasi di 34,4 U/g e rese di acido gallico di 16,66 mg/g di substrato dopo 96 ore a 30°C (Saeed et al., 2020). I semi di lampone sottoposti a trattamento acido ed enzimatico hanno mostrato un aumento di 101,8 volte nella concentrazione di acido ellagico rispetto all’estrazione con metanolo, con significativa attività inibitoria dell’α-glucosidasi (Wang et al., 2019).

Trasformazione dei sottoprodotti vegetali

La lavorazione dei vegetali genera quantità sostanziali di bucce, foglie, steli e radici, ciascuno richiedendo approcci biotecnologici su misura:

la valorizzazione delle bucce di patata è emersa come particolarmente di successo, con la fermentazione di Rhizopus oryzae che produceva 0,039 g di acido lattico per grammo di substrato in condizioni ottimizzate (Ozer Uyar & Uyar, 2023). Più innovativamente, la fermentazione di Pseudomonas aeruginosa BK25H delle bucce di patata ha prodotto biopigmenti piocianina e 1-idrossifenazina, con la produzione aumentata di dieci volte all’aggiunta di NaCl (Pantelic et al., 2023);
i sottoprodotti del carciofo hanno dimostrato un potenziale eccezionale di recupero della pectina. Brattee esterne, foglie e steli trattati con Celluclast®1.5L hanno raggiunto l’estrazione di pectina di 176 mg/g di materia secca in condizioni ottimizzate (concentrazione di polvere 6,5%, attività enzimatica 10,1 U/g, 27,2 ore). Il trattamento successivo con varie pectinasi ha prodotto oligosaccaridi pectici a 310,6 mg/g di pectina con pesi molecolari di 6-14 kDa, adatti per applicazioni prebiotiche (Sabater et al., 2018; Sabater et al., 2019);
la valorizzazione delle bucce di melanzana ha mostrato doppia funzionalità attraverso estrazione sequenziale. L’estrazione fenolica iniziale ha recuperato antocianine totali fino a 585,30 mg cianidina-3-glucoside/L e contenuto fenolico totale che raggiungeva 3060 mg GAE/L usando trattamento con cellulasi a 60°C (Amulya & ul Islam, 2023). Successivamente, le bucce estratte hanno subito fermentazione con Aureobasidium pullulans, producendo fino a 16,8 g/L di pullulano (un polisaccaride naturale versatile) dopo sette giorni, dimostrando l’utilizzo completo del sottoprodotto (Kazemi et al., 2019);
i sottoprodotti di vegetali a radice hanno mostrato risultati promettenti per la produzione di enzimi. Le bucce di patata dolce fermentate con Aspergillus niger hanno prodotto α-amilasi con attività che raggiungevano 214,28 U/ml in condizioni ottimizzate (pH 6,5, concentrazione di substrato 2%, sei giorni) (Pereira et al., 2017). I rifiuti di buccia di cipolla sottoposti a trattamento combinato con cellulasi, pectinasi e xilanasi hanno raggiunto un aumento di 1,59 volte nell’estrazione di quercetina (Choi et al., 2015).

Innovazioni dei sottoprodotti di colture e cereali

La valorizzazione delle crusche di cereali ha rivelato un potenziale sostanziale per il recupero di composti bioattivi e la produzione di ingredienti funzionali:

la fermentazione della crusca di riso con Trichoderma viride per 100 ore a 28°C ha rilasciato fenolici legati, con concentrazioni di acido ferulico e acido p-cumarico che raggiungevano 5,55 mg GAE/g di peso secco, superando significativamente le rese dell’idrolisi alcalina (Xie et al., 2021). L’estrusione enzimatica della crusca di riso usando neutrase ha prodotto oligosaccaridi feruloilici superiori al 5% del peso secco della crusca (Deng et al., 2023);
i sottoprodotti della lavorazione del grano hanno dimostrato miglioramenti funzionali notevoli attraverso la fermentazione. La crusca di grano fermentata con Enterococcus faecalis ha mostrato un aumento di 5,5 volte nella concentrazione di acido ferulico, capacità antiossidante migliorata e solubilizzazione migliorata della fibra alimentare (Mao et al., 2020). La fermentazione del germe di grano con Lactiplantibacillus plantarum ha prodotto estratti contenenti 20 g/kg di acido gamma-aminobutirrico (GABA), insieme a concentrazioni aumentate di 2,3-dimetil-1,4-benzochinone e attività di scavenging radicalico migliorata (Bayat et al., 2022);
la valorizzazione della bagassa di canna da zucchero ha raggiunto una significativa produzione di oligosaccaridi. La fermentazione in stato solido con Aspergillus oryzae ha prodotto fruttooligosaccaridi a 7,64 g/L di estratto dopo 12 ore (De la Rosa et al., 2020). Alternativamente, l’idrolisi enzimatica usando endoxilanasi da Aspergillus flavus ha generato xilooligosaccaridi a 947,49 mg/g di xilano, comprendendo xilotetraosio (69,75%), xilobiosio (13,17%) e xilotriose (8,37%) (Gupta et al., 2022);
la trasformazione del guscio di soia ha dimostrato versatilità nei risultati del prodotto. La fermentazione con ceppi ricombinanti di Saccharomyces cerevisiae ha prodotto xilitolo a 8,17 g/L in condizioni limitate di ossigeno (Cortivo et al., 2018), mentre la fermentazione di Aureobasidium pullulans ha prodotto acido polimalico a 0,4 g/g di substrato con tassi di produzione di 0,5 g/L·h (Cheng et al., 2017). La fermentazione in stato solido con Aspergillus oryzae ha estratto composti fenolici a circa 0,25 g GAE/100 g di gusci, superando significativamente le rese di estrazione dell’α-amilasi commerciale (Cabezudo et al., 2021).

Discussione

La FBBW rivela intuizioni critiche sui vantaggi comparativi delle tecnologie EAE versus FAE:

l’estrazione assistita da enzimi (EAE) offre specificità ed efficienza superiori, consentendo approcci su misura a sottoprodotti specifici attraverso la selezione accurata degli enzimi. Tuttavia, la sua implementazione dipende fortemente dalla disponibilità commerciale degli enzimi, aumentando i costi operativi;
l’estrazione assistita da fermentazione (FAE), al contrario, presenta una strategia economicamente più praticabile, sfruttando l’attività enzimatica dei microrganismi durante la crescita, pur richiedendo tempi di lavorazione più lunghi e fonti di carbonio prontamente disponibili adeguate.

La ricerca evidenzia che la maggior parte dei sottoprodotti agroindustriali presenta pareti cellulari forti che limitano l’accessibilità di enzimi e microrganismi. Questa sfida necessita strategie di pretrattamento come trattamento termico blando o lavorazione meccanica. Lo studio enfatizza che le applicazioni FAE richiedono tipicamente giorni per la metabolizzazione efficace del substrato, mentre l’EAE raggiunge risultati in ore, seppur a costo più elevato.

Un risultato significativo riguarda la natura dipendente dalla composizione delle strategie di upcycling. I sottoprodotti ricchi di amido come le bucce di patata si dimostrano ideali per la produzione di enzimi e la generazione di biogas, mentre i materiali lignocellulosici come gusci e bucce presentano sfide maggiori ma offrono composti fenolici preziosi. La ricerca dimostra che comprendere la composizione dei sottoprodotti è cruciale per selezionare approcci biotecnologici appropriati.

Lo studio affronta le preoccupazioni di scalabilità, notando che la maggior parte della letteratura esistente si concentra sui processi su scala di laboratorio senza considerare l’implementazione industriale. Questa limitazione evidenzia la necessità di ricerche future per dare priorità agli studi di scalabilità e alle valutazioni del ciclo di vita per garantire che i risultati di laboratorio si traducano efficacemente in applicazioni pratiche.

Conclusioni

La ruota dei bio-processi dei sottoprodotti alimentari (FBBW) rappresenta un avanzamento significativo nel facilitare le strategie di upcycling sostenibile per l’industria alimentare. Fornendo orientamento visivo chiaro sulle opzioni biotecnologiche per vari sottoprodotti, la FBBW colma il divario tra ricerca accademica e applicazione industriale. La copertura completa dello strumento di frutti, vegetali, colture e cereali lo rende prezioso per identificare percorsi di valorizzazione promettenti.

La ricerca dimostra conclusivamente che sia le tecnologie EAE che FAE offrono vie praticabili per convertire i sottoprodotti alimentari in ingredienti funzionali, sebbene la loro applicazione rimanga nelle fasi iniziali. La scelta tra tecnologie dipende dalle caratteristiche specifiche del sottoprodotto, dai composti target e dalle considerazioni economiche. L’EAE fornisce precisione ed efficienza a costo più elevato, mentre la FAE offre lavorazione economica con tempi più lunghi.

Gli sviluppi futuri dovrebbero concentrarsi sull’upcycling completo dei sottoprodotti piuttosto che sulla sola produzione di estratti, affrontando l’obiettivo finale di minimizzare l’impronta ambientale. Il potenziale dello strumento FBBW si estende oltre le applicazioni attuali, suggerendo possibilità per la scalabilità a livello di impianto pilota e facilitando il trasferimento tecnologico dai laboratori di ricerca agli ambienti industriali. Questo approccio innovativo si allinea con gli obiettivi di sostenibilità globale offrendo al contempo soluzioni pratiche per le sfide dei rifiuti dell’industria alimentare.

#Wasteless

Dario Dongo

Riferimenti

Amulya, P. R., & ul Islam, R. (2023). Optimization of enzyme-assisted extraction of anthocyanins from eggplant (Solanum melongena L.) peel. Food Chemistry X, 18, 100643. https://doi.org/10.1016/j.fochx.2023.100643
Bayat, E., Moosavi-Nasab, M., Fazaeli, M., Majdinasab, M., Mirzapour-Kouhdasht, A., & Garcia-Vaquero, M. (2022). Wheat germ fermentation with Saccharomyces cerevisiae and Lactobacillus plantarum: Process optimization for enhanced composition and antioxidant properties in vitro. Foods, 11(8), 1125. https://doi.org/10.3390/foods11081125
Cabezudo, I., Meini, M.-R., Di Ponte, C. C., Melnichuk, N., Boschetti, C. E., & Romanini, D. (2021). Soybean (Glycine max) hull valorization through the extraction of polyphenols by green alternative methods. Food Chemistry, 338, 128131. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.128131
Cheng, C., Zhou, Y., Lin, M., Wei, P., & Yang, S.-T. (2017). Polymalic acid fermentation by Aureobasidium pullulans for malic acid production from soybean hull and soy molasses: Fermentation kinetics and economic analysis. Bioresource Technology, 223, 166-174. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.10.042
Choi, I. S., Cho, E. J., Moon, J. H., & Bae, H. J. (2015). Onion skin waste as a valorization resource for the by-products quercetin and biosugar. Food Chemistry, 188, 537-542. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.05.028
Cortivo, P. R. D., Hickert, L. R., Hector, R., & Ayub, M. A. Z. (2018). Fermentation of oat and soybean hull hydrolysates into ethanol and xylitol by recombinant industrial strains of Saccharomyces cerevisiae under diverse oxygen environments. Industrial Crops and Products, 113, 10-18. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2018.01.010
De la Rosa, O., Múñiz-Márquez, D. B., Contreras-Esquivel, J. C., Wong-Paz, J. E., Rodríguez-Herrera, R., & Aguilar, C. N. (2020). Improving the fructooligosaccharides production by solid-state fermentation. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 27, 101704. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2020.101704
Deng, F., Hu, X., Wang, Y., Luo, S., & Liu, C. (2023). Improving the yield of feruloyl oligosaccharides from rice bran through enzymatic extrusion and its mechanism. Foods, 12(7), 1369. https://doi.org/10.3390/foods12071369
Gu, J., Pei, W., Tang, S., Yan, F., Peng, Z., Huang, C., Yang, J., & Yong, Q. (2020). Procuring biologically active galactomannans from spent coffee ground (SCG) by autohydrolysis and enzymatic hydrolysis. International Journal of Biological Macromolecules, 149, 572-580. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.01.281
Gupta, M., Bangotra, R., Sharma, S., Vaid, S., Kapoor, N., Dutt, H. C., & Bajaj, B. K. (2022). Bioprocess development for production of xylooligosaccharides prebiotics from sugarcane bagasse with high bioactivity potential. Industrial Crops and Products, 178, 114591. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.114591
Kazemi, M., Khodaiyan, F., Hosseini, S. S., & Najari, Z. (2019). An integrated valorization of industrial waste of eggplant: Simultaneous recovery of pectin, phenolics and sequential production of pullulan. Waste Management, 100, 101-111. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2019.09.013
Mao, M., Wang, P., Shi, K., Lu, Z., Bie, X., Zhao, H., Zhang, C., & Lv, F. (2020). Effect of solid state fermentation by Enterococcus faecalis M2 on antioxidant and nutritional properties of wheat bran. Journal of Cereal Science, 94, 102997. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2020.102997
Milić, M. D., Buntić, A. V., Mihajlovski, K. R., Ilić, N. V., Davidović, S. Z., & Dimitrijević-Branković, S. I. (2023). The development of a combined enzymatic and microbial fermentation as a viable technology for the spent coffee ground full utilization. Biomass Conversion and Biorefinery, 13, 6747-6759. https://doi.org/10.1007/s13399-021-01605-8
Ozer Uyar, G. E., & Uyar, B. (2023). Potato peel waste fermentation by Rhizopus oryzae to produce lactic acid and ethanol. Food Science and Nutrition. https://doi.org/10.1002/fsn3.3670
Pantelic, L., Bogojevic, S. S., Vojnovic, S., Oliveira, R., Lazic, J., Ilic-Tomic, T., Milivojevic, D., & Nikodinovic-Runic, J. (2023). Upcycling of food waste streams to valuable biopigments pyocyanin and 1-hydroxyphenazine. Enzyme and Microbial Technology, 171, 110322. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2023.110322
Peng, G., Gan, J., Dong, R., Chen, Y., Xie, J., Huang, Z., Gu, Y., Huang, D., & Yu, Q. (2021). Combined microwave and enzymatic treatment improve the release of insoluble bound phenolic compounds from the grapefruit peel insoluble dietary fiber. LWT – Food Science and Technology, 149, 111905. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2021.111905
Pereira, C. R., Resende, J. T. V., Guerra, E. P., Lima, V. A., Martins, M. D., & Knob, A. (2017). Enzymatic conversion of sweet potato granular starch into fermentable sugars: Feasibility of sweet potato peel as alternative substrate for α-amylase production. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 11, 231-238. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2017.07.011
Ricci, A., Diaz, A. B., Caro, I., Bernini, V., Galaverna, G., Lazzi, C., & Blandino, A. (2019). Orange peels: From by-product to resource through lactic acid fermentation. Journal of the Science of Food and Agriculture, 99(15), 6761-6767. https://doi.org/10.1002/jsfa.9958
Sabater, C., Corzo, N., Olano, A., & Montilla, A. (2018). Enzymatic extraction of pectin from artichoke (Cynara scolymus L.) by-products using Celluclast®1.5L. Carbohydrate Polymers, 190, 43-49. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.02.055
Sabater, C., Olano, A., Corzo, N., & Montilla, A. (2019). GC-MS characterisation of novel artichoke (Cynara scolymus) pectic-oligosaccharides mixtures by the application of machine learning algorithms and competitive fragmentation modelling. Carbohydrate Polymers, 205, 513-523. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.10.054
Saeed, S., Aslam, S., Mehmood, T., Naseer, R., Nawaz, S., Mujahid, H., Firyal, S., Anjum, A. A., & Sultan, A. (2020). Production of gallic acid under solid-state fermentation by utilizing waste from food processing industries. Waste and Biomass Valorization, 12(1), 155-163. https://doi.org/10.1007/s12649-020-00980-z
Vilas-Franquesa, A., Montemurro, M., Casertano, M., & Fogliano, V. (2024). The food by-products bioprocess wheel: A guidance tool for the food industry. Trends in Food Science & Technology, 152, 104652. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2024.104652
Wang, L., Lin, X., Zhang, J., Zhang, W., Hu, X., Li, W., Li, C., & Liu, S. (2019). Extraction methods for the releasing of bound phenolics from Rubus idaeus L. leaves and seeds. Industrial Crops and Products, 135, 1-9. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.04.003
Xie, J., Liu, S., Dong, R., Xie, J., Chen, Y., Peng, G., Liao, W., Xue, P., Feng, L., & Yu, Q. (2021). Bound polyphenols from insoluble dietary fiber of defatted rice bran by solid-state fermentation with Trichoderma viride: Profile, activity, and release mechanism. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 69(17), 5026-5039. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.1c00752
Zhu, Y., Lv, J., Gu, Y., He, Y., Chen, J., Ye, X., & Zhou, Z. (2022). Mixed fermentation of Chinese bayberry pomace using yeast, lactic acid bacteria and acetic acid bacteria: Effects on color, phenolics and antioxidant ingredients. LWT – Food Science and Technology, 163, 113503. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2022.113503