La fermentazione per valorizzare gli scarti agro-alimentari

Introduzione

La filiera agricola e alimentare si annovera tra i maggiori produttori di scarti a livello globale. Circa un terzo di tutti gli alimenti prodotti per il consumo umano, secondo la FAO (Food and Agriculture Organisation delle Nazioni Unite), viene perduto o sprecato nelle fasi a monte (produzione e post-raccolta) e a valle (trasformazione, distribuzione e consumo) del ciclo di vita alimentare, per circa 1,6 miliardi di tonnellate annue (Tornuk & Akman, 2025). Questi residui — collettivamente denominati rifiuti e sottoprodotti agro-alimentari (AFWB), in una visione più ampia rispetto alla definizione classica di perdite e sprechi alimentari (FLW) — comprendono una straordinaria varietà di materiali: vinacce, bucce di ortaggi, semi, lolla, crusca di cereali, sanse di oliva, fondi di caffè esausto, trebbie di birrificio, siero di latte, fanghi lattiero-caseari, polvere di piume di pollo e olio di pesce, tra gli altri (Capanoglu et al., 2022).

Al di là del loro volume, gli AFWB comportano  impatti ambientali significativi. Essi infatti contengono sostanziali quantità di carbonio, azoto, idrogeno, ossigeno e zolfo, che contribuiscono alle emissioni di gas serra, alla contaminazione del suolo e all’inquinamento idrico quando smaltiti in modo improprio. Le attività agricole e la lavorazione degli alimenti sono inoltre identificate come principali responsabili del carico di azoto e fosforo nelle acque europee e globali (Tornuk & Akman, 2025). La dimensione economica è altrettanto rilevante: i costi di gestione dei rifiuti urbani — comprensivi delle tariffe medie di conferimento in discarica pari a circa 50 USD per tonnellata negli Stati Uniti — rappresentano un onere considerevole per le risorse pubbliche (Tornuk & Akman, 2025).

In questo contesto, la valorizzazione degli AFWB in prodotti utili e commercializzabili è diventata un obiettivo centrale della ricerca e della politica sui sistemi alimentari, collocandosi pienamente nell’ambito degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile delle Nazioni Unite: l’SDG 12 (‘Consumo e produzione responsabili’) prevede una riduzione del 50% dello spreco alimentare pro capite e la minimizzazione delle perdite lungo le filiere entro il 2030. Le strategie di valorizzazione supportano altresì l’SDG 2 (sicurezza alimentare), l’SDG 6 (qualità delle acque) e il più ampio paradigma della bioeconomia circolare (Capanoglu et al., 2022; Ortiz-Sanchez et al., 2023).

Tra gli approcci disponibili — che includono estrazione fisico-chimica, separazione a membrana, pirolisi e digestione anaerobica — la fermentazione si distingue per la sua combinazione esclusiva di:

• compatibilità ecologica;

• efficienza energetica;

• versatilità tecnica; e

• capacità di valorizzare simultaneamente il profilo nutrizionale dei substrati e produrre diversi metaboliti bioattivi.

Metodologia

Tornuk e Akman (2025) hanno condotto una revisione sistematica della letteratura con approccio top-down, interrogando le banche dati Scopus, Web of Science e Google Scholar. La strategia di ricerca ha impiegato un insieme predefinito di parole chiave, tra cui ‘agri-food wastes’, ‘agri-food byproducts’, ‘value-added products from wastes’, ‘phenolic compounds’, ‘single-cell proteins’, ‘bioactive peptides and amino acids’, ‘fermentative microorganisms’, ‘fermentation types’, ‘biofuels’, ‘bioplastics’, ‘scale-up in food industry’ e ‘commercialisation strategies’.

La revisione ha circoscritto il proprio ambito agli studi pubblicati a partire dal 2020, garantendo così che l’analisi rifletta il panorama scientifico più aggiornato. La classificazione adottata dagli autori distingue tra:

• due principali modalità fermentative: fermentazione allo stato solido (SSF) e fermentazione sommersa (SmF), nonché

• quattro categorie principali di microrganismi fermentativi: batteri lattici (LAB), lieviti, funghi filamentosi e altri batteri (in particolare Bacillus spp.).

Ogni categoria di microrganismi viene valutata in relazione ai composti bioattivi target che è in grado di produrre, ai substrati utilizzabili e alle condizioni di fermentazione richieste per una resa ottimale. La revisione affronta altresì i prodotti a valore aggiunto non alimentari, le strategie di scale-up e i percorsi di commercializzazione.

Il percorso produttivo generale descritto nella revisione prevede quattro fasi sequenziali:

• pretrattamento del substrato (fisico, chimico o enzimatico);

• ottimizzazione della fermentazione (tempo, temperatura, pH, livelli di zucchero);

• fermentazione vera e propria (inoculazione con colture batteriche, di lieviti o fungine selezionate);

• purificazione (estrazione, centrifugazione, cromatografia). Ai pretrattamenti viene attribuita particolare importanza per gli AFWB lignocellulosici, poiché i polisaccaridi ad alto peso molecolare devono venire idrolizzati in zuccheri fermentescibili prima che possa avvenire l’utilizzo microbico, evitando al contempo la formazione di sottoprodotti inibitori (furfurali, fenoli, acidi organici) che potrebbero compromettere l’efficienza fermentativa (De Villa et al., 2023; Tornuk & Akman, 2025).

Risultati

Microrganismi impiegati nella fermentazione degli AFWB

I LAB — batteri Gram-positivi asporogeni di forma bastoncellare o coccica — sono identificati come il gruppo più diffusamente impiegato nelle applicazioni fermentative di grado alimentare. Le loro attività proteolitiche e saccarolitiche supportano la produzione di:

• acidi organici

• esopolisaccaridi

• batteriocine

• vitamine, e

• un’ampia gamma di amminoacidi bioattivi.

L’acido lattico è il metabolita primario del metabolismo glucidico, mentre la proteolisi genera composti benefici per la salute tra cui amminoacidi essenziali e peptidi anti-allergenici. La specificità di substrato dei LAB e le condizioni di fermentazione, in particolare, sono identificate come i determinanti più critici del profilo amminoacidico nella fermentazione degli AFWB (Tornuk & Akman, 2025).

I lieviti — in particolare Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis, Yarrowia lipolytica e Kluyveromyces marxianus — vengono messi in evidenza per il loro ruolo centrale nella produzione di proteine unicellulari (SCP) da residui a base di frutta, effluenti lattiero-caseari e substrati lipidici di scarto. Alcune specie, tra cui S. cerevisiae var. boulardii e Torulaspora delbrueckii, presentano altresì dimostrate proprietà probiotiche.

I funghi filamentosi — in particolare Aspergillus niger e specie affini del genere Aspergillus — sono costantemente identificati come gli agenti microbici più efficaci per il potenziamento del contenuto polifenolico negli AFWB, grazie alla loro capacità di secernere un’ampia gamma di enzimi idrolitici (tannasi, cellulasi, xilanasi, glucosidasi) che degradano i polimeri della parete cellulare vegetale e liberano i fenolici legati (De Villa et al., 2023).

Composti fenolici

I fenolici costituiscono la classe di composti a valore aggiunto più ampiamente studiata recuperabile dagli AFWB tramite fermentazione. Questi metaboliti secondari — che comprendono flavonoidi, acidi fenolici, tannini e antociani — presentano documentate proprietà antiossidanti, antinfiammatorie, antimicrobiche, antipertensive e anticarcinogeniche, conferendo interesse commerciale nei settori alimentare, nutraceutico, cosmetico e farmaceutico (Capanoglu et al., 2022).

La revisione riporta un significativo incremento del contenuto totale di polifenoli e della capacità antiossidante applicando la SSF con A. niger a vinacce d’uva, semi di avocado, buccia e torsolo di ananas e residui di lavorazione di frutti ricchi di tannini. I fenoli liberi nella buccia di ananas ad esempio sono stati incrementati del 72,31% in condizioni di SSF, mentre l’acido gallico è stato prodotto con successo da scarti della lavorazione di frutti ricchi di tannini. È documentata altresì la SSF con funghi basidiomiceti ligninolitici — tra cui Trametes versicolor, Pleurotus eryngii e Ganoderma lucidum — su vinacce d’uva, ampliando la diversità tassonomica delle strategie di bioconversione fungina. La fermentazione con LAB di succo di mirtillo ha parimenti modificato il profilo fenolico, incrementando i contenuti di catechine, acido siringico, acido p-cumarico e acido caffeico (Tornuk & Akman, 2025).

Proteine unicellulari

Le proteine unicellulari (single-cell proteins, SCP) — biomassa microbica essiccata intera, apprezzata per l’elevato contenuto proteico, la ricchezza vitaminica e la relativa convenienza economica rispetto alle fonti proteiche convenzionali di origine animale e vegetale — hanno attirato notevole attenzione come strumento per affrontare la scarsità proteica globale. La revisione documenta rese proteiche fino al 47,78% del substrato secco utilizzando S. cerevisiae su miscele di residui di frutta e ortaggi (pomace di banana, agrumi, carota e buccia di patata), e fino al 44,8% di contenuto proteico della biomassa coltivando Aspergillus oryzae var. oryzae su trebbie di birrificio. Y. lipolytica è identificata come particolarmente versatile, raggiungendo una resa proteica del 38,80% da flussi di rifiuti alimentari che provengono da reattori di digestione anaerobica. La revisione osserva che le SCP di origine fungina offrono vantaggi in termini di distribuzione equilibrata di lipidi, proteine e fibra, fatta eccezione per un relativo deficit in metionina (Tornuk & Akman, 2025).

Peptidi bioattivi e amminoacidi

La produzione fermentativa di peptidi bioattivi — brevi catene di amminoacidi dotate di attività antimicrobica, antipertensiva, antitumorale, antidiabetica, antiossidante e neuroprotettiva — è ampiamente esaminata su una vasta gamma di substrati e ceppi microbici. La fermentazione con LAB di fagioli amari, concentrato proteico di siero di latte e residui di tè verde ha fornito peptidi con significativa potenza biologica. Bacillus licheniformis ha raggiunto un’elevata resa peptidica di 185,99 mg g⁻¹ mediante SSF di polvere di piume di pollo e okara (la polpa fibrosa che resta dopo l’estrazione del latte di soia), mentre B. clausii ha incrementato il contenuto di idrolizzato proteico dei fondi di caffè esausto. I funghi filamentosi A. niger e A. sydowii sono parimenti riportati come produttori di peptidi di elevata qualità da crusca di soia, lolla di soia e residui di katsuobushi. La revisione affronta inoltre la produzione di acido γ-amminobutirrico (GABA) — un amminoacido non proteico con documentati benefici per la salute neurologica — da parte di ceppi LAB che fermentano fanghi lattiero-caseari e farina di soia (Tornuk & Akman, 2025).

Altri metaboliti bioattivi e prodotti non alimentari

Oltre alle classi di composti discusse in precedenza, la revisione esamina una serie di ulteriori prodotti di fermentazione di rilevanza commerciale. Questi includono:

• acidi organici: acido lattico da Lactobacillus spp. che fermentano scarti lattiero-caseari, amidacei e alimentari domestici; acido citrico da A. niger su succo di anacardio;

• acidi grassi polinsaturi e β-carotene da Mucor wosnessenskii su substrati cerealicoli;

• 2-feniletanolo da Pichia kudriavzevii;

• acidi grassi a catena corta ramificata, e biopigmenti naturali.

Questi prodotti sono inquadrati nel contesto concettuale dei sistemi di bioraffineria, ove numerose filiere di valore vengono recuperate simultaneamente da un’unica materia prima di scarto, migliorando l’economia complessiva del processo (Ortiz-Sanchez et al., 2023; Tornuk & Akman, 2025).

La rassegna scientifica dedica una sezione specifica ai prodotti industriali non alimentari derivati dalla fermentazione degli AFWB, i quali comprendono:

• bioplastiche (poliidroxialcanoati, acido polilattico, poliidroxibutirrato);

• biocarburanti articolati in quattro categorie generazionali;

• enzimi industriali (carboidrasi, proteasi, lipasi, ossidoreduttasi);

• biofertilizzanti.

Si prevede che i biocarburanti copriranno circa il 30% della domanda energetica globale entro il 2050. La revisione evidenzia il concetto di co-produzione — recupero simultaneo di più prodotti a valore aggiunto all’interno di un singolo lotto fermentativo — come strategia in grado di migliorare significativamente sia la produttività, sia la convenienza economica degli investimenti in infrastrutture di bioprocessing degli AFWB (Tornuk & Akman, 2025).

Discussione

La revisione di Tornuk e Akman (2025) consolida un cospicuo corpus di evidenze che confermano come la fermentazione — nelle sue forme SSF e SF — costituisca una piattaforma scientificamente solida e ‘green’ per la valorizzazione degli AFWB. La diversità di microrganismi, substrati e classi di composti documentata nella letteratura esaminata riflette un settore che ha ampiamente superato la fase iniziale di prova di fattibilità, con la realizzazione su scala di laboratorio dimostrata in molteplici domini applicativi. L’allineamento delle strategie basate sulla fermentazione con i principi della bioeconomia circolare e con gli SDG dell’ONU conferisce ulteriore slancio al loro sviluppo (Capanoglu et al., 2022; Ortiz-Sanchez et al., 2023).

Nondimeno, la transizione dalla scala di laboratorio a quella industriale rimane la sfida irrisolta più significativa del settore. Una limitazione ricorrente identificata nella letteratura primaria è l’assenza di dati di fermentazione su scala commerciale, che impedisce una robusta valutazione tecno-economica e del ciclo di vita. L’eterogeneità composizionale degli AFWB — variabili in contenuto di umidità, pH, granulometria e composizione chimica a seconda delle stagioni, delle origini geografiche e dei processi produttivi — complica sostanzialmente l’ottimizzazione del pretrattamento e la standardizzazione dei processi. I residui lignocellulosici presentano difficoltà particolari, poiché la loro saccarificazione in zuccheri fermentescibili può generare composti inibitori (furfurali, acido clorico, acido nitroso) che devono venire neutralizzati prima della fermentazione (De Villa et al., 2023; Tornuk & Akman, 2025).

Tra le tecnologie esaminate:

• la produzione di acido citrico e acido lattico ha raggiunto la maturità industriale, così come la produzione di SCP con lieviti e funghi selezionati;

• i protocolli SSF per il recupero di fenolici da sottoprodotti di frutta e ortaggi sono stati validati su scala pilota e semi-industriale, beneficiando del basso fabbisogno idrico e dell’elevata efficienza enzimatica;

• le bioplastiche derivate da fermentazione e la maggior parte dei processi per biocarburanti si trovano viceversa ancora essenzialmente nella fase dimostrativa, condizionate dai costi, dalla complessità dei substrati e dall’elevato investimento richiesto per le infrastrutture di bioraffineria.

Gli autori identificano i progressi nel controllo di processo assistito dall’intelligenza artificiale, nella fermentazione con colture miste e nei cocktail enzimatici ingegnerizzati come le vie più promettenti per superare le attuali barriere allo scale-up (Tornuk & Akman, 2025).

Da una prospettiva più ampia, la revisione colloca questi risultati nel contesto globale della sostenibilità dei sistemi alimentari. Il caso della Turchia — uno dei maggiori produttori agro-alimentari al mondo, con circa 110 milioni di tonnellate di rifiuti totali all’anno, di cui 1,4 milioni di tonnellate provenienti dall’industria alimentare nel 2022 — illustra la dimensione della politica nazionale nella gestione degli AFWB. Il programma ‘Approccio Zero Rifiuti’ del Paese e il relativo quadro normativo sono citati come esempi di impegno istituzionale verso una governance dei rifiuti orientata alla valorizzazione, in linea con le direttive dell’Unione Europea (Tornuk & Akman, 2025).

Conclusioni

La revisione di Tornuk e Akman (2025) offre una sintesi autorevole e aggiornata sulla fermentazione come tecnologia di valorizzazione verde dei rifiuti e sottoprodotti agro-alimentari. Le sue conclusioni principali possono venire così riassunte:

• i funghi filamentosi, in particolare Aspergillus niger, sono gli agenti più efficaci per il potenziamento del recupero polifenolico mediante SSF;

• i lieviti predominano nei sistemi di produzione delle SCP;

• i LAB insieme ai Bacillus spp. sono i principali produttori di peptidi bioattivi e amminoacidi.

Gli sforzi di ricerca futura dovrebbero dare priorità allo sviluppo di strategie scalabili e sostenibili economicamente, al perfezionamento dei protocolli di pretrattamento e alla progettazione di modelli integrati di bioraffineria che massimizzino il recupero di valore da ciascun flusso di scarto. L’incorporazione di strumenti emergenti — tra cui l’ottimizzazione di processo assistita dall’IA, la fermentazione di precisione e gli approcci di biologia sintetica — è identificata come cruciale per l’implementazione su scala industriale. Nel complesso, la fermentazione rappresenta un contributo scientificamente fondato e convincente alla gestione sostenibile dei rifiuti agro-alimentari, con il potenziale di generare significativi dividendi ambientali, nutrizionali ed economici (Capanoglu et al., 2022; De Villa et al., 2023; Ortiz-Sanchez et al., 2023; Tornuk & Akman, 2025).

#Wasteless

Dario Dongo