L’obiettivo di questa tesi è stato quello di sviluppare e valutare un materiale bioplastico a base di PBSA, integrato con un filler derivato da un sottoprodotto agroalimentare contenente potenziali composti bioattivi, per applicazioni nel packaging alimentare.
Sofia Novelli
Tesi di Laurea Magistrale in Scienze e Tecnologie Alimentari (Ottobre 2025) – Università Cattolica del Sacro Cuore – docente relatore Giorgia Spigno giorgia.spigno@unicatt.it; correlatore Andrea Bassani andrea.bassani@unicatt.it
Di fronte all’emergente crisi globale legata alla gestione dei rifiuti, l’elevata quantità di sottoprodotti dell’industria agroalimentare rappresenta una sfida ambientale ed economica di rilievo. A livello mondiale, viene generata una grande quantità di rifiuti alimentari, che nella sola Unione Europea ammontano a 58 milioni di tonnellate ogni anno. Nonostante la riduzione degli sprechi rappresenti una misura imprescindibile, individuare soluzioni per valorizzare gli scarti alimentari è altresì un’ottima strategia. Infatti, i residui dell’industria agro-alimentare dovrebbero essere considerati come una risorsa preziosa, poiché la maggior parte di essi contiene un’alta concentrazione di componenti bioattivi, pigmenti, proteine, oli essenziali, enzimi e fibre alimentari.
Al tempo stesso, l’industria della plastica sta vivendo una rivoluzione verde, spinta dall’aumento continuo dei costi dei combustibili fossili e dall’impatto ambientale associato, si stima che la produzione mondiale di materie plastiche comporti un consumo di petrolio di circa il 6% e si prevede che queste risorse possano esaurirsi entro circa 50 anni. In questo scenario le bioplastiche, definite come polimeri derivati da risorse rinnovabili e/o biodegradabili, hanno assunto un ruolo centrale sia nel mondo della ricerca che dell’industria, grazie al loro potenziale di sostituire i combustibili fossili e mitigare l’impatto ambientale.
Scopo
Lo scopo di questo progetto è stato quello di promuovere l’economia circolare, l’innovazione e la sostenibilità attraverso l’implementazione di nuovi materiali per il confezionamento alimentare. Nello specifico, l’obiettivo di questa tesi è stato lo sviluppo e la valutazione di un materiale per il packaging alimentare in bioplastica, con integrati filler bioattivi derivanti da sottoprodotti agroalimentari, così da valorizzarli e ridurne lo spreco (Figura 1). Inoltre, l’utilizzo di filler, oltre a diminuire la quantità di plastica necessaria, può conferire al polimero stesso proprietà migliorative e rilasciare sostanze bioattive, come composti antimicrobici o antiossidanti, potenzialmente in grado di prolungare la vita utile degli alimenti e ridurre ulteriormente gli sprechi.
Il progetto è stato articolato in due fasi principali. La prima ha riguardato la caratterizzazione chimica e fisica delle biomasse residue essiccate e macinate e il loro estratto. Successivamente, tali matrici sono state incorporate in un polimero biodegradabile mediante estrusione, ottenendo un film bioplastico. La seconda fase, si è focalizzata sulla valutazione delle proprietà funzionali del materiale ottenuto, esaminando l’attività antiossidante e antimicrobica del film.
Inoltre, è stata verificata la conformità alle normative vigenti sui materiali e oggetti destinati al contatto con gli alimenti (MOCA), in particolare al Regolamento (CE) n.1935/2004 e al Regolamento (UE) n.10/2011, al momento solo in base all’analisi di migrazione globale con simulanti alimentari.
Le biomasse residue selezionate per questa ricerca sono state la buccia fermentata d’uva rossa (GP) e la buccia d’arancia (OP), matrici appartenenti a due delle filiere frutticole più diffuse a livello globale (rispettivamente produzione di vino e di succo di arancia), la cui gestione sta diventando complessa, rendendo necessario lo sviluppo di strategie per il riutilizzo. Mentre, per la matrice polimerica, è stato utilizzato il biopolimero PBSA, (poli(butilene succinato co-adipato)).Questo progetto di tesi è stato realizzato nell’ambito del progetto PNRR ECOSISTER – Ecosystem for Sustainable Transition in Emilia-Romagna”, finanziato dall’Unione Europea nell’ambito del National Recovery and Resilience Plan (NRRP).
Stato dell’arte
Si evidenzia che è presente una vasta letteratura che conferma il potenziale dei sottoprodotti oggetto della presente tesi come fonte di molecole bioattive. Numerosi studi, inoltre, si stanno concentrando su modalità innovative per il recupero e la valorizzazione di queste biomasse. Tuttavia, la ricerca sull’utilizzo di tali sottoprodotti come riempitivi in materiali per il confezionamento alimentare, si sta sviluppando prevalentemente nell’ultimo decennio.
Dalla ricerca bibliografica è emerso che l’impiego di filler naturali rappresenta una strategia promettente per diversi motivi: consente una potenziale riduzione del costo delle bioplastiche, poiché la presenza del riempitivo permette di utilizzare una quantità inferiore di polimero, favorisce il riutilizzo di sottoprodotti agroindustriali altrimenti poco valorizzati, può migliorare le proprietà del polimero grazie alla presenza di composti bioattivi, e consente la realizzazione di packaging attivi, con potenziali benefici in termini di conservazione degli alimenti e riduzione dell’impatto ambientale. La ricerca in questo campo è ancora relativamente recente e la letteratura scientifica, sebbene in crescita, rimane limitata, lasciando spazio per l’esplorazione di nuove soluzioni. Il presente lavoro ha offerto l’opportunità di indagare nuove combinazioni tra biopolimeri e riempitivi, approfondendone le caratteristiche e le proprietà funzionali.
Principali risultati
La prima fase del progetto ha riguardato la caratterizzazione chimica e fisica delle biomasse, un passaggio fondamentale poiché le proprietà chimico-fisiche delle materie prime possono influenzare in modo significativo le proprietà meccaniche, termiche e di barriera del biopolimero. In particolare, cellulosa ed emicellulosa possono incidere sul modulo elastico del materiale. Inoltre, un elevato contenuto di estrattivi totali suggerisce una buona presenza di composti solubili in acqua e in solventi organici, il che potrebbe favorire una migliore interazione tra filler e matrice polimerica. I risultati della caratterizzazione, mostrati in Tabella 1, hanno suggerito una migliore potenzialità per la buccia d’uva rossa.
Tabella 1. Caratterizzazione di GP e OP. I valori sono espressi come media ± deviazione standard. L’asterisco (*) indica una differenza statisticamente significativa tra i gruppi (p<0,05; test t di Student).
| Parametri | Bucce d’uva rossa fermentate | Bucce d’arancia |
| Umidità (% t.q.) | 4,34 ± 0,19* | 7,33 ± 0,31* |
| Ceneri (% s.s.) | 7,54 ± 0,14* | 7,95 ± 0,16* |
| Proteine (% s.s.) | 11,18 ± 0,07* | 7,17 ± 0,39* |
| Fibra alimentare totale (% s.s.) | 60,04 ± 0,53* | 67,28 ± 0,18* |
| Lignina totale (% s.s.) | 37,56 ± 0,79* | 7,65 ± 1,06* |
| Estrattivi totali (% s.s.) | 38,72 ± 0,03 | 20,62 ± 0,01 |
| Cellulosa (% s.s.) | 4,32 ± 1,82 | 7,32 ± 0,3 |
| Emicellulosa (% s.s.) | 2,60 ± 1,6 | 5,05 ± 0,24 |
In vista dell’inclusione di tali sottoprodotti all’interno del film polimerico, è stato fondamentale valutare la distribuzione granulometrica (Figura 2), poiché la dimensione e la concentrazione delle particelle possono avere un impatto significativo sulle proprietà meccaniche del materiale.
La polvere d’uva rossa fermentata ha mostrato una granulometria più fine e una superficie specifica maggiore, evidenziando una migliore potenzialità di incorporazione in un materiale per il confezionamento alimentare. Questa caratteristica favorisce infatti la dispersione del filler all’interno della matrice, senza alterare le proprietà meccaniche del film. Successivamente, sono state eseguite analisi per valutare il contenuto totale di polifenoli e l’attività antiossidante dei due sottoprodotti, i risultati sono mostrati in Tabella 2.
Tabella 2. Valutazione del Contenuto Totale di Polifenoli estraibili e del Potere Antiossidante. I valori sono espressi come media ± deviazione standard. L’asterisco (*) indica una differenza statisticamente significativa tra GP e OP (p < 0,05, Test t di Student). GAE: acido gallico equivalenti; TE: Trolox equivalenti; FE: ferro equivalenti.
| Parametri | Bucce d’uva rossa fermentate | Bucce d’arancia |
| Folin (mg GAE/g s.s.) | 22,91 ± 4,96* | 5,21 ± 1,06* |
| Assorbanza 280 nm (mg GAE/g s.s.) | 37,44 ± 15,54 | 31,98 ± 14,18 |
| Rapporto Folin/280 | 0,61 | 0,16 |
| DPPH (µmol TE/g s.s.) | 194,85 ± 122,55* | 12,04 ± 6,28* |
| ABTS (mg TE/g s.s.) | 107,79 ± 29,3* | 6,62 ± 3,35* |
| FRAP (µmol FE (II)/g s.s.) | 195,3 ± 12,30* | 38,7 ± 8,80* |
La Tabella 2 mostra il confronto tra il contenuto di polifenoli estraibili (determinato mediante il metodo di Folin e assorbanza a 280 nm) e l’attività antiossidante (valutata tramite FRAP, DPPH e ABTS) dei due campioni, evidenziando in modo netto la superiorità della buccia d’uva rossa in tutti i parametri analizzati. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato possibile concludere che la polvere d’ uva rossa fermentata ha mostrato una maggiore predisposizione all’impiego come filler in plastiche biobased. Grazie alla collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali dell’Università di Bologna (professori Laura Sisti e Andrea Saccani), sono stati sviluppati film di PBSA contenenti diverse percentuali di polvere d’uva rossa fermentata, utilizzando una tecnologia di stampaggio a iniezione.
I materiali ottenuti sono stati sottoposti a prove di migrazione globale, in conformità al Regolamento (UE) n. 10/2011, per valutare la quantità di sostanze che potrebbero migrare dal polimero all’alimento. Per la prova di contatto sono stati utilizzati i simulanti alimentari A (etanolo al 10%), B (acido acetico al 3%), D2 (olio d’oliva), per 10 giorni a 40° gradi, andando a simulare tutti i tipi di alimenti e qualunque conservazione prolungata a temperatura ambiente o a una temperatura inferiore, compreso l’imballaggio in condizioni di riempimento a caldo. I valori ottenuti per tutti i simulanti alimentari e per i film con differenti percentuali di filler risultano inferiori al limite legislativo di 10 mg/dm², indicando una potenziale idoneità al contatto con alimenti (Figura 3).
Successivamente, il simulante D2 è stato analizzato per valutare l’eventuale rilascio di sostanze in grado di rallentare l’ossidazione lipidica, e quindi conferire al film un’attività antiossidante. Tuttavia, non è stato riscontrato alcun effetto antiossidante. Dal punto di vista del potenziale antibatterico, è stata valutata la percentuale di inibizione batterica rispetto al film di PBSA privo di riempitivo, nei confronti di Staphylococcus aureus e Escherichia coli, seguendo una metodologia conforme alla normativa ISO 22196:2007.
I risultati mostrano una buona attività antibatterica (93–99%), in linea con quanto riportato in studi precedenti. È stato inoltre analizzato il contenuto totale di polifenoli migrati nei simulanti alimentari A e B dopo la prova di contatto, questi risultati sono stati confrontati con il contenuto massimo teorico di polifenoli estraibili, permettendo così di calcolare la percentuale di rilascio, risultata compresa tra l’1% e l’8%.
Conclusioni
L’obiettivo di questa tesi è stato quello di sviluppare e valutare un materiale bioplastico a base di PBSA, integrato con un filler derivato da un sottoprodotto agroalimentare contenente potenziali composti bioattivi, per applicazioni nel packaging alimentare. Dalle analisi condotte è emerso che la buccia di uva rossa presenta maggiori potenzialità rispetto alla buccia d’arancia come riempitivo, grazie alla granulometria più fine, alla superficie specifica più elevata, a una composizione chimico-fisica più favorevole e al maggiore contenuto di polifenoli associato a un’elevata attività antiossidante.
Il film sviluppato ha mostrato buone performance meccaniche e termiche sino a un’inclusione del 15% di polvere di buccia (i risultati ottenuti dall’Università di Bologna non sono stati qui riportati). I film a tutte le percentuali di inclusione sono risultati conformi alla normativa (UE) n. 10/2011 in merito alle prove di migrazione globale, in riferimento alle condizioni di test adottate. Inoltre, i risultati relativi all’inibizione batterica e al rilascio di polifenoli nei simulanti alimentari hanno messo in evidenza il potenziale impiego del materiale come packaging attivo, capace di contribuire alla conservazione degli alimenti.
Tuttavia, per un’effettiva applicazione industriale, saranno necessarie ulteriori indagini, tra cui una valutazione approfondita della food safety mediante prove di migrazione specifica e di rilascio di NIAS, la realizzazione di test su alimenti reali, lo scale-up del processo produttivo e una valutazione dei potenziali impieghi applicativi. Questa tesi ha quindi fornito un contributo alla conoscenza delle potenzialità del PBSA con filler di buccia d’uva rossa nel settore del packaging alimentare sostenibile.
