Gianni Sacchetti, Massimo Tacchini, Stefano Civolani, Immacolata Maresca, Ilaria Burlini, Alessandro Grandini, Maria Grazia Tommasini, Alessandra Guerrini

Un importante e interessante esempio di come l’economia circolare, che tende a valorizzare i sottoprodotti della filiera agroalimentare,
possa realizzarsi con un progetto che coinvolge e unisce in maniera trasversale le forze e le competenze delle industrie, delle istituzioni e dell’Università.

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Introduzione
La ricerca di “Biomolecole dalla valorizzazione integrata di sottoprodotti agroalimentari per applicazioni sostenibili con finalità̀ Fitosanitarie, alimentari, ed energetiche” (acronimo: BIOFACE) è un progetto finanziato dalla Regione Emilia Romagna nell’ambito del proprio Programma di Sviluppo Rurale (PSR) 2014-2020 [Gruppo Operativo per l’Innovazione (GOI) Bioeconomia_repellente (Bio-rep); Settore di intervento: Produzioni Vegetali; Settore produttivo: Ortofrutta-Vitivinicolo-Olivicolo].
Il progetto vuole essere uno strumento per l’individuazione di strategie tecnologiche innovative per la valorizzazione di prima e seconda generazione (Lin et al., 2013) dei sottoprodotti della filiera agroalimentare in un contesto di economia circolare, finalizzato alla produzione di sostanze ad alto valore aggiunto con ricadute fitosanitarie (bio-repellenti, bio-pesticidi), salutistiche (cosmesi, nutraceutica, ingredientistica alimentare) ed energetiche.

La compagine progettuale, è costituita da strutture della Regione Emilia Romagna, in particolare dall’Università̀ degli Studi di Ferrara in qualità di laboratorio Terra&Acqua Tech del Tecnopolo (UNIFE-TAT) e dal Centro Ricerche sulle Produzioni Vegetali dell’Emilia Romagna (Società Cooperativa CRPV) a cui sono aggregati altri partner coerenti con le basi e le finalità del progetto ovvero, aziende della filiera agroalimentare (Caviro Distillerie, Conserve Italia, C.A.B. COOP. Agricola Brisighellese ed altre imprese agricole individuali) per la fornitura degli scarti, e un centro per la sperimentazione tecnologica e la ricerca agroambientale (ASTRA Innovazione e Sviluppo S.R.L) con cui valorizzare in semi-campo e campo gli eventuali prodotti fitosanitari selezionati in laboratorio per l’efficacia bio-pesticida e/o bio-repellente. L’efficacia salutistica ed energetica degli scarti è invece affidata a laboratori dell’Università di Ferrara. La particolare geografia del partenariato rende quindi possibile anche l’eventuale realizzazione di una simbiosi industriale che, a partire dallo stesso sottoprodotto, permette di differenziare cicli produttivi con ricadute diversificate in più settori di mercato, in piena coerenza con i più attuali principi legati alla bioeconomia.

Gli obiettivi specifici e le attività del progetto sviluppati nel triennio 2017-2020 – e quindi tutt’ora in corso – sono:
1 – La produzione di estratti e biomolecole (fenoli e miscele terpeniche) ad attività nota contro fitopatogeni (batteri, funghi, insetti) a partire da sottoprodotti della lavorazione di diverse specie vegetali (vite, olive, frutta e orticole).
2 – La valutazione dell’attività contro fitopatogeni di differenti molecole appartenenti alle categorie chimiche estratte e bioattive e loro applicazione. Le attività si sviluppano inizialmente in laboratorio su un ampio spettro di fitopatogeni specifici delle colture tipiche della Regione Emilia Romagna (RER). Successivamente si sviluppano prove in semi-campo e in campo di quegli estratti ottimizzati rispetto alle materie prime secondarie di origine e arricchiti eventualmente di molecole attive per trattare fitopatogeni risultati sensibili in laboratorio, estendendo le attività̀ a valutazioni di repellenza e insetticide preferenzialmente verso fitofagi che si caratterizzano come emergenze o fitofagi chiave, quali per esempio quelle ben note della cimice asiatica, del moscerino dei piccoli frutti, degli elateridi della patata.
3 – Lo sfruttamento delle stesse materie prime secondarie studiate ai punti 1 e 2 per ottenere molecole note per l’attività antiossidante (fenoli, polifenoli) rilevante per il comparto salutistico (cosmesi, nutraceutica, ingredientistica alimentare). Vengono applicate le strategie estrattive più efficienti per aumentare la resa di produzione di tali biomolecole da matrici già̀ note per esserne caratterizzate, nonché da matrici meno note in questo senso per diversificare ed estendere la fonte delle categorie molecolari di interesse. Per ottimizzare la valorizzazione nella filiera di trasformazione dei prodotti agricoli è valutata l’applicazione di molecole bioattive note e sicure ma non attualmente utilizzate nel contesto salutistico.
4 – La caratterizzazione delle biomasse residue per indirizzare le stesse verso una valorizzazione energetica (pirolisi e/o digestione anaerobica) consentendo di completare il ciclo virtuoso in un’ottica di economia circolare che va a interessare importanti filiere agro-alimentari presenti sul territorio regionale.

Il progetto ancora in corso consente di poter esporre necessariamente risultati parziali, benché significativi, di tutte le attività previste. A titolo paradigmatico sono qui illustrate le azioni e i risultati ottenuti relativamente agli obiettivi 1 e 2, ovvero in riferimento alle metodiche estrattive applicate ad alcuni scarti agroalimentari, alla caratterizzazione chimica degli stessi e alla valutazione dell’attività biologica preliminare per una eventuale ricaduta fitosanitaria (biopesticidi, biorepellenti) delle biomolecole ottenute.

Agricoltura sostenibile ed economia circolare
Negli ultimi decenni le politiche agricole a livello mondiale hanno massimizzato le qualità genetiche delle coltivazioni portando a ottenere individui vegetali altamente produttivi sul piano della quantità ma estremamente fragili sul piano della resistenza e resilienza ad attacchi fitopatogeni, parassiti, fitofagi, e al sempre più evidente cambiamento climatico. Questo aspetto ha portato con sé un’inevitabile necessità di impiego massiccio di fertilizzanti, pesticidi, repellenti di sintesi che, oltre a determinare un innegabile e ormai emergenziale impatto sull’ambiente, finiscono per gravare inevitabilmente sulla qualità della vita e sulla salute dell’uomo, come i report tossicologici più recenti e sempre più frequenti mettono in evidenza (Mesnage and Seralini, 2018; Joint FAO/WHO Meeting on Pesticide Residues, 2018). È dunque importante adottare processi di cambiamento in sintonia con un sostenibile e pieno sfruttamento delle risorse, in cui la programmazione degli investimenti, lo sviluppo tecnologico, l’adeguamento normativo siano strumento di valorizzazione del potenziale attuale e futuro di tutti i comparti agricoli e della filiera industriale della trasformazione. Gli obiettivi dell’Agenda2030 (https://unric.org/it/agenda-2030) così come i drivers normativi che l’Europa ha posto in essere con progressiva e virtuosa scalarità nonché rigidità nell’applicazione (Landfill directives, Waste Policy Legislation (http://ec.europa.eu/environment/waste/target_review.htm) sono solo alcuni dei tanti esempi con cui la coscienza globale a ogni livello reagisce a questo sistema complesso che richiede una sua sostenibile e improcrastinabile evoluzione. Il concetto di economia circolare si caratterizza di tutte queste linee guida, gestendole e applicandole nel contesto della filiera agro-food a partire dal campo coltivato fino al prodotto finito – trasformato e non – mettendo in moto nuovi processi funzionali alla salute dell’uomo, alla salubrità e alla protezione dell’ambiente, all’incremento della competitività di tutto il comparto. Rispetto al contesto agricolo è oggi di grande fascino ed interesse – oltre che essere una emergenziale necessità – la ricerca e lo sviluppo di bio-pesticidi, bio-repellenti e biostimolanti che possano sovrapporsi – se non sostituirsi – ai tradizionali prodotti di sintesi che generano con il loro impatto tossicologico ricadute importanti sull’ambiente e sulla salute dell’uomo, per molti versi ancora lontane dall’essere completamente e chiaramente individuate (Shashi Prabha et al., 2016). La ricaduta nel contesto fitosanitario di BIOFACE si inserisce in questa problematica traducendo il concetto di economia circolare nella ricerca di biomolecole per la protezione delle piante coltivate in quegli stessi prodotti che quelle piante hanno generato, parafrasando dall’inglese il classico Cradle to Cradle in dalla Natura alla Natura.

MATERIALI E METODI
Il materiale vegetale: le materie prime secondarie
Gli scarti della lavorazione agroalimentare oggetto dell’indagine provenivano dalle aziende partner di progetto della filiera vitivinicola (vinacce bianche, rosse, raspi, vinaccioli, potature), olivicola (sanse) e della frutta (mele, pere).

Le estrazioni
Sono state effettuate estrazioni su campioni essiccati e polverizzati di Vinacce bianche (VCB), vinacce rosse (VCR), vinaccioli (VIN), raspi, foglie di vite lambrusco, sottoprodotti della lavorazione di mele, pere e olive (sanse), utilizzando estrazione assistita da ultrasuoni (UAE). Campioni non essiccati di tutte le matrici sono stati sottoposti a distillazione in corrente di vapore d’acqua (DIS). Ogni estrazione è stata effettuata in triplicato. Gli estratti ottenuti con UAE sono stati liofilizzati e conservati a -20 °C fino al momento delle analisi. Gli estratti ottenuti per distillazione in corrente di vapore d’acqua sono stati immediatamente analizzati per gas cromatografia. Per tutte le matrici sono state effettuate prove su differenti miscele di solventi coerenti con l’estrazione delle biomolecole di interesse e si è deciso di operare con i seguenti solventi di estrazione: etanolo (EtOH) 100%; Acqua 100%; miscela EtOH:Acqua 50:50. Per tutte le matrici, il rapporto quantitativo ottimale matrice:solvente era di 1:13 (1 g/13 mL).
Estrazione assistita da ultrasuoni (UAE). L’estrazione assistita da ultrasuoni è stata eseguita utilizzando un bagno a ultrasuoni (Ultrasonik 104X, Ney Dental International, MEDWOW, Cipro) impostato a una frequenza operativa di 48 kHz, per 80 min, a temperatura ambiente. Le estrazioni sono state effettuate utilizzando 50 g di matrice vegetale essiccata e polverata di ciascun sottoprodotto. Sono stati utilizzati 650 mL dei seguenti solventi di estrazione: etanolo (EtOH) 100%; Acqua 100%; miscela EtOH:Acqua 50:50 per un rapporto ottimale matrice:solvente di 1:13 (1 g/13 mL). Gli estratti ottenuti sono stati filtrati, liofilizzati e conservati a -18±0.5 °C al buio fino al momento dell’analisi.
Estrazione per distillazione in corrente di vapore d’acqua (idrodistillazione). Campioni non essiccati di tutte le matrici sono stati sottoposti a distillazione in corrente di vapore. Le distillazioni sono state effettuate seguendo le metodiche riportate nella Farmacopea Europea (Edizione corrente). In particolare, 100 g di ogni matrice sono stati distillati con un volume di acqua di 1,3 litri, per un tempo di 4 ore con strumentazione Clevenger. Gli estratti ottenuti (distillati) sono stati disidratati con sodio solfato anidro e conservati a -18±0.5 °C al buio fino al momento dell’analisi.

La caratterizzazione chimica degli estratti
La caratterizzazione chimica degli estratti è stata focalizzata sulla rilevazione delle principali classi di composti generalmente noti per proprietà funzionalmente utili nei contesti di ricaduta della ricerca, in particolare: polifenoli, fenoli semplici, flavonoidi e derivati, acidi organici, eventualmente attesi con rilevante abbondanza negli estratti idroalcolici (UAE) delle matrici studiate; composti terpenici e derivati (mono-, sesqui-, di-terpeni) eventualmente attesi con rilevante abbondanza negli estratti ottenuti con la distillazione in corrente di vapore d’acqua (idrodistillazione).
Contenuto in polifenoli totali (analisi spettofotometriche). La determinazione del contenuto polifenolico totale negli estratti è stata eseguita utilizzando uno spettrofotometro Helios-Gamma, ThermoSpectronic seguendo le metodiche precedentemente descritte in Tacchini et al. (2015). I risultati sono stati espressi come mg di acido gallico/g di estratto secco per la quantificazione dei polifenoli totali e mg di cianidin cloruro/g di estratto secco per la quantificazione delle proantocianidine totali.
Contenuto in polifenoli: Analisi cromatografica su strato sottile ad alta risoluzione (HP)TLC. Le analisi sono state eseguite su una lastra di gel di silice HPTLC 60F254 (10 cm 20 cm; Camag, Swizerland). 8 μL di una soluzione etanolica al 50% degli estratti (20 mg/mL) sono stati depositati sulla lastra in bande di 6 mm di ampiezza utilizzando un microdepositore Linomat V (Camag, Swizerland) in flusso di azoto. Le bande depositate sono state eluite con un sistema eluente composto di due step successivi e una derivatizzazione con soluzione NP-PEG per la valutazione di flavonoidi, e un sistema eluente successivamente derivatizzato con una soluzione di acido solforico e vanillina per la individuazione di proantocianidine (Wagner e Bladt, 2009).
Contenuto in polifenoli: Analisi cromatografica liquida ad alta risoluzione in fase inversa RP-HPLC. La caratterizzazione dei campioni finalizzata alla rilevazione dei principali flavonoidi è stata eseguita sui campioni di estrazione idroalcolica utilizzando un sistema HPLC modulare JASCO (Tokyo, Giappone, modello PU 2089) accoppiato a un detector a fotodiodi (MD 2010 Plus). Per l’analisi si è fatto riferimento a quanto riportato in Tacchini et al. (2015).
Contenuto in terpeni: Analisi gas cromatografica accoppiata a spettrometria di massa. Le analisi gas cromatografiche sono state sviluppate sui campioni ottenuti dalla distillazione di matrici fresche e non essiccate. Le analisi sono state sviluppate seguendo le indicazioni riportate in Tardugno et al. (2018). L’analisi gas cromatografica risulta elettiva per la valutazione di composti terpenici…