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Sottoprodotti alimentari: quali sono?
È noto ormai da tempo che gli scarti o i sottoprodotti delle lavorazioni nel settore alimentare possono essere considerati come delle vere e proprie materie prime ad alto valore aggiunto. Generalmente i sottoprodotti alimentari vengono destinati alla produzione di energia, di mangimi per il settore zootecnico e/o di concimi organici.
Da studi scientifici è ampiamente dimostrato che tali sottoprodotti possono essere considerati come un’ottima fonte di composti bioattivi, i quali possiedono molteplici proprietà benefiche per la salute umana: antiossidanti, antimicrobiche, antibatteriche, antivirali, antiinfiammatorie, e antitumorali [1].
I polifenoli ne sono un esempio: essi sono presenti ubiquitariamente nel mondo vegetale. Inoltre si possono ritrovare in molteplici tipologie di sottoprodotti alimentari derivanti dall’industria conserviera, dei succhi di frutta, del caffè, dell’olio, ecc. Tali composti possono essere riutilizzati nuovamente nel settore alimentare per diversi scopi, ma possono anche trovare nuovi impieghi nel settore cosmetico, nutraceutico e farmaceutico.
Sottoprodotti alimentari nel settore enologico: il caso della vinaccia
A livello nazionale il settore enologico è un settore molto importante dal punto di vista economico. Il processo di vinificazione produce però un enorme quantità di sottoprodotti liquidi e solidi, tra i quali si annovera la vinaccia. La vinaccia è costituita essenzialmente da bucce, raspi e vinaccioli e viene prodotta dopo la fase di pigiatura e/o macerazione dell’uva. Indicativamente in Italia nel 2018 sono stati prodotti dal processo di vinificazione [2], 1.7 milioni di quintali di vinaccia.
Tale quantitativo rappresenta pertanto un problema gestionale ma anche una criticità dal punto di vista economico ed ambientale. Tradizionalmente la vinaccia può essere utilizzata per diversi scopi: utilizzo diretto in campo, alimentazione zootecnica, produzione di energia, compostaggio, distillazione per produzione di etanolo e/o grappa, o estrazione per l’ottenimento di sali tartarici, enocianina e olio di vinaccioli.
La vinaccia però rappresenta una fonte di polifenoli, ed è stato stimato che circa il 70% dei polifenoli naturalmente presenti nell’uva non vengono trasferiti nel vino ma rimangono nelle strutture cellulari all’interno delle vinacce [3].
Risulta pertanto di fondamentale importanza la disponibilità di opportune tecnologie e processi che permettano un’estrazione efficace ed efficiente di tali composti, e che nel contempo ne permettano la salvaguardia delle proprietà benefiche
Tecnologia di estrazione con fluidi supercritici: valorizzare i sottoprodotti alimentari con la tecnologia SFE
Vi è una vasta gamma di tecniche di estrazione classiche utilizzate per estrarre composti bioattivi da matrici naturali. Anche se abitualmente utilizzate, queste tecniche hanno diversi svantaggi riconosciuti: bassa selettività e / o basse rese di estrazione, utilizzo di solventi organici tossici e pericolosi per l’ambiente, elevata manodopera, difficilmente automatizzabili e scarsamente riproducibili. Queste carenze possono essere parzialmente o completamente superate utilizzando tecniche di estrazione avanzate di nuova concezione. Tra queste tecniche si annovera l’estrazione con fluidi supercritici (SFE – Supercritical Fluid Extraction), considerata una tecnologia ecocompatibile ed ecosostenibile.
La tecnologia SFE sfrutta le peculiari caratteristiche chimico-fisiche dello stato supercritico il quale può essere definito come quello stato della materia che viene raggiunto da qualsiasi sostanza al di sopra di determinate condizioni di pressione e temperatura critica [4]. Un fluido supercritico presenta delle proprietà chimico-fisiche di densità e viscosità particolarmente favorevoli nei processi estrattivi e che possono essere opportunamente modulate, rendendo tali fluidi estremamente versatili per l’estrazione dei composti bioattivi.
Il fluido supercritico maggiormente utilizzato è il diossido di carbonio in quanto presenta molteplici vantaggi: condizioni supercritiche facilmente raggiungibili (Tc= 31.1°C a Pc=73.8 bar), chimicamente inerte, non infiammabile, non tossico, facilmente recuperabile, e a basso costo.
I vantaggi della tecnologia SFE per la gestione dei sottoprodotti agroalimentari
Rispetto alle tecniche di estrazione convenzionali ma anche rispetto alle altre tecnologie cosiddette innovative, l’estrazione con fluidi supercritici annovera diversi vantaggi che difficilmente possono essere ritrovati contemporaneamente in altre tecnologie. Considerata come una “Green Technology”, non prevede l’utilizzo di solventi organici tossici e permette di effettuare processi estrattivi a temperature moderatamente basse che permettono di salvaguardare tutte le componenti naturali dai processi degradativi termici, ma anche da quelli ossidativi in quanto l’estrazione avviene in un ambiente totalmente ridotto e in totale assenza di ossigeno [5]. Gli estratti ottenuti pertanto risultano di qualità superiore rispetto a quelli ottenuti con le tecniche convenzionali.
L’importanza dello scale-up e valutazione economica
Erroneamente la tecnologia SFE è spesso considerata come costosa, non remunerativa dal punto di vista economico e pertanto poco trasferibile a livello industriale. In letteratura si possono trovare numerose pubblicazioni relative all’applicazione dell’estrazione con fluidi supercritici a molteplici matrici naturali.
Nonostante la notevole ricerca scientifica in tale campo, il trasferimento a livello industriale è avvenuto solamente in alcuni casi, tra i quali: decaffeinizzazione del caffe, estrazione delle componenti amaricanti e aromatizzanti del luppolo, e estrazione dei cannabinoidi dalla canapa.
Tale difficoltà di trasferimento tecnologico è dovuta al fatto che pochi studi vengono fatti relativamente allo scale-up e alla fattibilità economica dei processi SFE. La ricerca scientifica avviene generalmente su impianti da laboratorio, le cui dimensioni ridotte non permettono di studiare dettagliatamente i meccanismi termodinamici e non che governano il processo estrattivo [6].
La fattibilità economica del processo SFE
Per raggiungere un adeguato livello di scale-up, è essenziale effettuare un appropriata ottimizzazione delle condizioni di estrazione e un’accurata modellizzazione matematica. L’ottimizzazione delle condizioni estrattive dovrebbe essere effettuata su appositi impianti pilota, il cui dimensionamento permette di ovviare ai limiti relativi agli impianti da laboratorio. La modellizzazione matematica, inoltre, è di fondamentale importanza in quanto permette di descrivere dettagliatamente i meccanismi che governano il processo estrattivo [7]. Utilizzando opportuni criteri e modelli matematici è possibile inoltre simulare i processi SFE in funzione del dimensionamento crescente e delle caratteristiche strutturali degli impianti di tipo industriale.
La simulazione su scala industriale permette l’ottenimento di informazioni dettagliate, sulle quali è possibile poi effettuare uno studio completo della fattibilità economica del processo SFE, con la stima dei costi di produzione e dei potenziali ricavi. Un’accurata procedura di scale-up ha evidenziato interessanti risultati riguardanti la fattibilità economica e una potenziale trasferibilità a livello produttivo-industriale della tecnologia SFE applicata per l’estrazione di composti bioattivi da sottoprodotti enologici e di altri settori alimentari.
Conclusioni
L’estrazione con fluidi supercritici rappresenta una tecnologia sostenibile dal punto di vista ambientale ed economico per la valorizzazione dei sottoprodotti alimentari. Notevole è la versatilità di tale tecnologia, in quanto applicabile potenzialmente a tutti i sottoprodotti alimentari e, in generale, alle matrici naturali per l’ottenimento di estratti ad alto valore aggiunto. Opportuni studi relativi all’ottimizzazione delle condizioni operative e della modellizzazione del processo sono però necessari per un adeguato scale-up e valutazione della fattibilità economica.
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[1] Herrero, M., del Pilar Sánchez-Camargo, A., Cifuentes, A., Ibáñez, E. (2015) Plants, seaweeds, microalgae and food by-products as natural sources of functional ingredients obtained using pressurized liquid. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 71, 26-38.
[2] OIV (International Organization for Vine and Wine) (2019). World vitiviniculture situtation. In: Statistical Report on World Viniviticulture World Vitiviniculture Situation.
[3] Mazza, G. (1995). Anthocyanins in grape and grape products. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 35, 341-371.
[4] Brunner, G. (1994). Gas extraction: an introduction to fundamentals of supercritical fluids and the application to separation processes. In H. Baumgurtel, & E. U. Franck (Eds.), Topic in physical chemistry. New York: Springer.
[5] da Silva, R.P.F.F., Rocha-Santos, T.A.P., Duarte, A.C. (2016) Supercritical fluid extraction of bioactive compounds. Trend in Analytical Chemistry, 76, 40-51.
[6] Lopez-Padilla, A., Ruiz-Rodriguez, A., Reglero, G., Fornari, T. (2018) Supercritical extraction of solid materials: a practical correlation related with process scaling. Journal of Food Engineering, 222, 199-206.
[7] de Melo, M.M.R., Silvestre, A.J.D., Silva, C.M. (2014) Supercritical fluid extraction of vegetable matrices: Applications, trends and future perspectives of a convincing green technology. The Journal of Supercritical Fluids, 92, 115-176.
Andrea Natolino
Dottore di ricerca in Scienze degli Alimenti e attualmente assegnista presso il Dipartimento di Scienze Agroalimentari, Ambientali ed Animali dell’Università degli Studi di Udine. Le sue principali tematiche di ricerca sono inerenti alle tecnologie estrattive innovative, tra le quali i fluidi supercritici, con particolare attenzione alla loro ottimizzazione, modellizzazione, valutazione della fattibilità economica e trasferibilità a livello industriale.
