Tesi di Laurea Magistrale in Scienze e Tecnologie Alimentari, (Dicembre 2025) – Università Cattolica del Sacro Cuore – docente relatore: Giorgia Spigno – emanuelefoppiani@gmail.com; giorgia.spigno@unicatt.it

La lavorazione industriale del cacao genera ogni anno grandi quantità di bucce di fave, sottoprodotto tradizionalmente considerato uno scarto a basso valore commerciale, nonostante l’elevato contenuto di fibra alimentare, composti fenolici e metilxantine ad attività bioattiva.

In relazione alla composizione media delle bucce di cacao (Fig. 1), la letteratura evidenzia un elevato contenuto di fibra alimentare totale, variabile tra il 39% e il 66% sul peso secco, con una predominanza della frazione insolubile rispetto a quella solubile. Escludendo la lignina, la composizione della fibra si suddivide approssimativamente in 45% di composti pectici, 35% di cellulosa e 20% di emicellulosa. Le pectine, presenti sia nella fibra solubile (ad alto metossile) sia in quella insolubile (a basso metossile), conferiscono alla matrice proprietà gelificanti di interesse funzionale. Tra i monosaccaridi, il glucosio rappresenta il componente principale, seguito da galattosio, mannosio, ramnosio, arabinosio e xilosio in ordine decrescente. I carboidrati fermentescibili includono prevalentemente la fibra solubile, oltre a piccole quantità di zuccheri solubili e amido disponibile. Il contenuto proteico può variare tra il 10 e il 25% del peso secco, e le proteine presentano un buon profilo biologico, ma la tostatura può ridurne il contenuto fino al 10%. Il contenuto lipidico delle bucce è relativamente basso (1,5-8% del peso secco), ma presenta una composizione interessante. Gli acidi grassi principali sono oleico, palmitico, caprico e stearico, con un rapporto insaturi/saturi di 0,66/0,74. La frazione insaponificabile contiene fitosteroli, con il stigmasterolo come componente predominante, noti per ridurre i livelli di colesterolo nel sangue e per le loro proprietà antinfiammatorie e antiossidanti. Il stigmasterolo, in quanto fitosterolo principale, è anche riconosciuto per le sue potenzialità nel modulare il metabolismo lipidico e nel contrastare alcune condizioni infiammatorie croniche. I polifenoli sono i principali composti bioattivi presenti nelle bucce di cacao, con un contenuto totale di fenoli che varia tra 3 e 90 mg di equivalenti di acido gallico per grammo di bucce secche. Tra i flavanoli, l’epicatechina è la componente più abbondante, seguita da catechina e procianidine B1 e B2. Questi composti esercitano attività antiossidante che protegge le cellule dai danni dei radicali liberi. Inoltre, presentano effetti antidiabetici inibendo specifici enzimi digestivi e contribuiscono a proteggere il sistema cardiovascolare grazie alla riduzione del colesterolo LDL e alla diminuzione della perossidazione lipidica. Le bucce di cacao contengono inoltre metilxantine come la teobromina e la caffeina, con la teobromina presente in concentrazioni 5-7 volte superiori alla caffeina. La sua azione sul sistema nervoso centrale è più moderata rispetto alla caffeina, ma offre benefici significativi, come la stimolazione cardiaca, che supporta la salute cardiovascolare complessiva. Le bucce presentano anche un interessante contenuto in ceneri compreso tra il 6 e il 12% della sostanza secca, con potassio, calcio e fosforo elementi principali. Sono inoltre presenti vitamine del gruppo B in quantità significative, essenziali per il metabolismo energetico, oltre a vitamina D e tocoferoli, che giocano un ruolo chiave nella protezione delle cellule dal danno ossidativo e nel supporto delle funzioni immunitarie dell’organismo.

La valorizzazione delle bucce di cacao tramite processi fermentativi si inserisce nel quadro dell’economia circolare e di nuovi ingredienti funzionali di origine vegetale. L’Indonesia è oggi al centro di una transizione strutturale della filiera del cacao, con un progressivo spostamento da un modello orientato ai volumi verso un modello basato su produzioni tracciabili e segmenti di mercato ad alto valore aggiunto, sostenuto da standard nazionali (come lo SNI 2323:2008), dall’obbligo di fermentazione per l’export e iniziative bean-to-bar che riconoscono premi di prezzo per le fave correttamente fermentate.  In questo scenario, il cacao indonesiano si sta posizionando come origine di qualità, come dimostrato dai recenti riconoscimenti internazionali assegnati a produttori locali. Parallelamente, il mercato europeo e internazionale sta introducendo diversi prodotti commerciali basati su bucce di cacao, principalmente sotto forma di farine ricche in fibra per prodotti da forno, snack arricchiti e miscele per infusioni, spesso valorizzate come ingredienti funzionali a ridotto impatto ambientale. Questi esempi, pur non includendo ancora su larga scala bevande fermentate esclusivamente da bucce, confermano l’interesse industriale per la valorizzazione di questo sottoprodotto.

Lo scopo del lavoro di tesi è stato quello di sviluppare un semilavorato fermentato dalle bucce di fave di cacao, caratterizzando l’evoluzione chimico-fisica e microbiologica del fermentato in tre condizioni fermentative, valutando il potenziale funzionale e le prospettive di trasferimento industriale del processo.

Materiali e metodi

Nel lavoro sono state utilizzate delle bucce di fave di cacao (contenenti in parte anche parti di granella) (Figura 2), gentilmente fornite dall’azienda Bagai Cioccolato Buonissimo, quale sottoprodotto della loro lavorazione di fave provenienti dall’Indonesia. Sono state allestite delle prove di fermentazione con l’obiettivo di massimizzare il rapporto bucce:acqua (225 g:L, come valore massimo scelto dopo prove preliminari), nell’ottica della produzione di un semilavorato e provando a non sterilizzare le bucce prima del processo, grazie alla qualità microbiologica delle bucce. Quest’ultima infatti aveva rivelato assenza di Salmonella e Listeria; lieviti e muffe entrambi inferiori al limite di rilevabilità (< 10 ufc/g), confermando l’efficacia delle condizioni di essiccazione e riducendo al minimo il rischio di sviluppo di micotossine; e conta aerobica totale a 30°C, pari a 9,7·10⁴ ufc/g, rientrante nei valori di riferimento segnalati in letteratura per sottoprodotti di lavorazioni agricole essiccati, con valori  tipicamente compresi tra 10³ e 10⁶ ufc/g a seconda delle condizioni di essiccazione e stoccaggio. Sono stati allestiti sei fermentatori (2 L acqua + 450 g bucce), per testare in doppio tre condizioni di fermentazione: (1A, 1B) con aggiunta di 150 g di zucchero; (2A, 2B) con aggiunta di 150 g di latte condensato; (3A, 3B) con aggiunta di 150 g di zucchero e kefir d’acqua commerciale reidratato (con 100 mL dell’acqua prevista nel processo). In tutti i casi, il procedimento ha previsto di portare l’acqua a 85°C, aggiungendo zucchero o latte condensato se previsti. Si è effettuata un’infusione con l’acqua calda e le bucce per 10 minuti e poi si è raffreddato il tutto, inoculando con il kefir reidrato solo a 30–35 °C per preservarne la vitalità microbica.  I fermentatori sono stati quindi incubati a 28 °C per 15 giorni in camera climatica. I campioni sono stati monitorati ai tempi T0 (20/10), T1 (3 giorni), T2 (5 giorni), T3 (8 giorni), T4 (10 giorni), T5 (12 giorni), T6 (15 giorni) con prelievo asettico di 10-20 mL per fermentatore.  Sono stati determinati i valori di: pH (con pHmetro a elettrodo combinato); polifenoli totali (con metodo Folin–Ciocalteu, ed espressi come g/L equivalenti di catechina); zuccheri (glucosio, cellobiosio, xilosio, arabinosio, mannosio/galattosio) e acidi organici (acido acetico, malico, succinico, citrico, tartarico) via HPLC; colore CIELAB (L*, a*, b*) in spettrofotometria visibile (380-780 nm). Le analisi microbiologiche sono state condotte su Plate Count Agar (batteri aerobi totali), Malt Agar (lieviti e muffe), MRS agar (batteri lattici, in anaerobiosi) e GYC agar (batteri acetici), con diluizioni fino a 10⁻⁷ e incubazione a 30°C per 24-48 h. Il campione 2A, avendo sviluppato una leggera muffa superficiale a metà fermentazione, è stato interpretato con cautela e in parte escluso dai risultati e dalle valutazioni riportate nel seguito.

Risultati

In tutte le condizioni di fermentazione, come atteso, il pH è diminuito dai valori iniziali di 5.04, 5.15 e 4.93 per i testi 1-2-3, rispettivamente, a valori finali di 4,0, 4.5, e 4.27. La fermentazione con sola aggiunta di zucchero ha portato a un calo del pH a 4 già a 10 giorni.  In generale, dopo il decimo giorno, il pH tende a stabilizzarsi e a risalire leggermente nella fermentazione con kefir.

Il contenuto di polifenoli totali ha mostrato una tendenza generale alla diminuzione, con cali marcati nei primi giorni imputabili a fenomeni di ossidazione, idrolisi e complessazione tipici di matrici vegetali fermentate a carico dei polifenoli rilasciati dalle bucce.  Nei campioni 1A, 1B e 2B si è osservato un incremento iniziale da T0 a T1, attribuibile al rilascio ulteriore di polifenoli da frazioni legate rispetto all’infusione di partenza, seguito da un calo. Nei campioni 1B, 3A e 3B la diminuzione complessiva è stata più pronunciata, anche se molti campioni hanno mostrato un parziale recupero del contenuto di catechina al T6. In generale i campioni hanno mostrato valori iniziali di polifenoli intorno ai 4 g/L di catechina equivalenti, per poi terminare con valori intorno ai 2.5 g/L.

L’analisi HPLC ha messo in evidenza un rapido consumo del glucosio nelle prime 24-48 ore, in particolare nella fermentazione con aggiunta di kefir), per stabilizzarsi a circa 50 g/L nei campioni 2 e 3, e vicino a 60 g/L nei campioni 1.  Anche cellobiosio e altri zuccheri minori hanno mostrato riduzioni nette nelle fasi iniziali, con andamenti successivi più stabili o fluttuanti, a seconda della matrice starter.

Relativamente agli acidi organici, l’acido acetico, presente in tutti i campioni, è aumentato sino a circa 5 g/L (valori più alti nei campioni 1).  Si sono rilevate concentrazioni più alte per l’acido malico e per l’acido succinico, entrambi con concentrazioni finali intorno ai 10 g/L. L’analisi del colore ha evidenziato valori di L* relativamente crescenti, indicativi di buona luminosità, con alcune differenze tra i campioni (2B e 3B leggermente meno chiari).  Valori di a* tendenzialmente negativi segnalano una componente verde tipica della matrice di partenza, mentre valori di b* positivi indicano tonalità gialle marcate, interpretabili come effetto delle trasformazioni fenoliche e pigmentarie intervenute durante la fermentazione. I campioni finali risultavano decisamente colorati e densi (Figura 3).

Dal punto di vista microbiologico, tutte le cariche microbiche analizzate sono aumentate in 48–72 ore con massimi fra T3 e T4 nell’ordine di 10⁷-10⁸ ufc/g.  Tra T5 e T6 le cariche su PCA, MA, MRS e GYC hanno mostrato un trend discendente pur restando superiori ai livelli iniziali, delineando una comunità microbica stabilizzata dominata da batteri lattici e acetici. La tabella 1 riporta i valori della conta batterica totale aerobia.

Tabella  1 – Andamento della crescita microbica totale aerobia (ufc/g) durante le fermentazioni nelle tre condizioni 1 (con zucchero), 2 (con latte condensato), 3 (con zucchero e kefir)

	T0	T2	T3	T4	T5	T6
1A	2.00E+07	7.20E+05	2.88E+08	1.20E+08	5.60E+07	9.50E+07
1B	8.00E+05	8.00E+04	6.40E+08	2.00E+07	1.00E+08	5.20E+07
2A	6.00E+05	1.25E+06	1.60E+07	3.20E+06	4.80E+06	1.19E+08
2B	5.40E+05	7.68E+07	1.56E+08	6.40E+06	1.28E+08	8.00E+07
3A	2.20E+06	7.70E+05	4.40E+08	1.60E+08	1.30E+08	4.10E+07
3B	6.90E+05	2.00E+04	1.20E+08	1.70E+08	1.72E+08	5.00E+07

Discussione

L’andamento fermentativo osservato ha mostrato come la combinazione di matrici ricche di zuccheri facilmente fermentescibili (zucchero, latte condensato) con la matrice strutturata delle bucce di cacao consenta di instaurare, in tempi rapidi, un ecosistema microbico complesso, comparabile a quello di fermentazioni vegetali consolidate. 

La riduzione del pH al di sotto della soglia di 4.5, ottenuta in tutte le condizioni e in tempi relativamente brevi, indica che il semilavorato può raggiungere una barriera di sicurezza microbiologica efficace, in linea con le strategie di acidificazione impiegate in altri prodotti fermentati. La leggera risalita del pH dopo T4 nei campioni 1A, 1B, 3A e 3B suggerisce che la fase di fermentazione primaria sia sostanzialmente completata intorno al nono–decimo giorno, con successivo passaggio a una fase di equilibrio tra produzione e consumo di metaboliti acidi.  Questo risultato, confrontato con le prove preliminari effettuate per più tempo (25–30 giorni), ma qui non riportate, indica che, in condizioni controllate, è possibile ridurre sensibilmente i tempi fermentativi mantenendo livelli di sicurezza adeguati e limitando l’eccessiva acidità sensoriale emersa nei primi test.

La dinamica dei polifenoli totali, caratterizzata da un calo iniziale seguito da un parziale recupero in alcuni campioni, riflette trasformazioni complesse già descritte per altre matrici vegetali fermentate, dove enzimi microbici e acidi organici possono sia degradare sia liberare frazioni fenoliche da complessi insolubili. 

L’incremento finale di catechina in 1A e 2B, pur non riproducibile in tutti i campioni, è un segnale interessante che suggerisce l’esistenza di finestre temporali in cui il semilavorato potrebbe offrire un miglior compromesso fra contenuto fenolico e acidità, ma il risultato richiede ulteriori prove per essere consolidato.

Il rapido consumo di zucchero nelle prime 24 ore, associato all’accumulo progressivo di acidi organici (acetico e succinico), delinea un profilo metabolico coerente con la crescita sequenziale di batteri lattici, batteri acetici e lieviti, come confermato dai pattern di crescita su MRS, GYC e MA.  Questa dinamica è analoga a quella descritta in studi di letteratura su fermentazioni di cacao e in bevande come la kombucha, confermando che la matrice di bucce rappresenta un substrato compatibile con consorzi fermentativi complessi, in particolare nella condizione con kefir d’acqua.

Dal punto di vista applicativo, l’andamento delle cariche microbiche suggerisce che un’eventuale pastorizzazione al termine della fermentazione sia necessaria per garantire una shelf-life prolungata, soprattutto se si desidera interrompere l’acidificazione e stabilizzare il profilo sensoriale.  La scelta dello starter risulta quindi cruciale non solo per l’andamento fermentativo ma anche per la definizione del successivo schema di stabilizzazione.

Conclusioni

I risultati ottenuti dimostrano la fattibilità della produzione di un semilavorato fermentato a base di bucce di cacao in grado di raggiungere in tempi contenuti pH finali <4.5 e cariche microbiche tipiche di fermentazioni consolidate, con predominanza di batteri lattici e acetici e sviluppo controllato di lieviti. 

La convergenza di pH, consumo di zuccheri e accumulo di acidi organici indica che la fase fermentativa primaria si esaurisce attorno a 10-12 giorni, suggerendo che tempi di processo più brevi dei 15 giorni testati possano garantire sicurezza e stabilità fermentativa con minore impatto sull’acidità percepita.

La dinamica dei polifenoli, con riduzione iniziale e parziale recupero in alcuni campioni, evidenzia la possibilità di modulare il compromesso tra valore funzionale (contenuto fenolico) e accettabilità sensoriale intervenendo su durata, composizione dello starter e condizioni operative.

In prospettiva, la matrice bucce di cacao, opportunamente fermentata e stabilizzata, rappresenta un’interessante base per lo sviluppo di altri prodotti funzionali e sostenibili, quali bevande, creme, salse e confetture, aprendo la strada a studi successivi su caratterizzazione sensoriale, bioaccessibilità dei composti bioattivi e scaling-up industriale.