STRUCTURAL PROPERTIES AND FUNCTIONAL TAILORING OF REFINED OR UNREFINED PLANT-BASED MATERIALS OBTAINED BY EXTRACTION OR BIO-TRANSFORMATION OF AGRO-FOOD WASTES

The efficient exploitation of resources is a topic of concern worldwide, from both an environmental and economic point of view. The production of large amounts of agro-food residues is one of the main causes for the inefficiency of industrial-scale food production. These are materials of high organic load, where valuable natural compounds and structures can be identified and extracted in order to valorize wastes via physical, chemical or biotechnological processing. For this reason, an intensive investigation for the recovery of materials with improved functional properties has been carried out in the last years. In this framework, this PhD doctoral project aimed to explore the potentiality of residue-derived ingredients for the food formulation. Structural and functional characterization of the proposed matrices was performed with a material science point of view, based on the quantitative analysis through mathematical models to promote and control adequate changes which can improve some functional properties in the food. In the present thesis, four different materials were considered. Cellulose nanocrystals were characterized with a rheo-optical approach in order to provide an insight into the relationship between nematic ordering and kinetic arrest. Cell wall materials were studied as carrier of bioactive compounds, with the purpose of tuning the wall matrix organization to obtain a sustained release. Hemp seed meal fractions were evaluated because of their texturing and structuring abilities. The use of bacterial cellulose as support for the retain of volatile molecules was also investigated, along with its thickening ability.

L’impiego delle risorse in maniera efficiente è una tematica di interesse globale, sia da un punto di vista ambientale che economico. La produzione di grandi quantità di residui agro-alimentari è una delle principali cause di inefficienza a livello di produzione industriale. Questi materiali hanno ancora un elevato contenuto di materiale organico, ricco in composti naturali preziosi e peculiari strutture che, una volta identificati, possono essere estratti e valorizzati per via fisica, chimica o biotecnologica. Per queste ragioni, negli ultimi anni si osserva un crescente interesse sia scientifico che industriale per il recupero e la valorizzazione di materiali di scarto. In questo contesto, questo progetto di dottorato si propone di investigare le potenzialità di ingredienti derivati da residui agro-alimentari per la formulazione alimentare. La caratterizzazione strutturale e funzionale delle matrici considerate ha seguito un approccio tipico della scienza dei materiali, basato sull’analisi quantitativa mediante modelli matematici per promuovere e controllare specifici fenomeni e modificazioni in grado di migliorare le proprietà funzionali del sistema formulato. Nella presente tesi di dottorato sono stati considerati quattro diversi materiali. La cellulosa nano cristallina è stata caratterizzata da un punto di vista reo-ottico per meglio comprendere quale sia relazione esistente tra l’organizzazione nematica e lo stato cineticamente arrestato. Gli estratti di parete vegetale (CWM) sono stati studiati nell’ottica di un loro impiego come sistemi per il trasporto di composti bioattivi, agendo soprattutto sull’organizzazione della matrice polimerica di parete con lo scopo di poter meglio controllare il rilascio dei composti di interesse. Le frazioni di farina di semi di canapa sono state valutate in termini di capacità texturizzante e strutturante. La cellulosa batterica si è dimostrata invece un eccellente supporto per la ritenzione di molecole volatili.