Agro-Food By-Products as Sustainable Resources: Exploring Analytical Approaches for the Characterization and Development of Functional Foods and Active Packaging in a Circular Economy Perspective

Agro-food industrial by-products such as peels, seeds and fibres are rich in bioactive compounds including antioxidants, phenolic compounds, carotenoids and dietary fibres. These compounds have antioxidant, anti-inflammatory and antimicrobial properties, making them valualble for other applications includin in food indusrty , pharmaceutical and cosmetic industries. This research highlighted the potential of artichoke and tomato by-products as alternative sources of high value compounds for industrial applications. The study on artichoke by-products used analytical techniques such as Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR-ATR), spectrophotometric assays and ultra-high performance liquid chromatography (HPLC) to investigate their biochemical composition, particularly carbohydrate profiles, for applications such as nutraceutical pasta production. The effects of industrial treatments on the properties of artichoke by-products were also analysed to understand how processing affects their functional suitability. Tomato by-products, including peels and seeds, were evaluated for their nutritional and functional potential, highlighting the importance of storage conditions for seasonal by-product management. Bioactive components such as lycopene, β-carotene and phenolic compounds were characterised using spectrophotometric assays and advanced techniques such as supercritical fluid extraction-supercritical fluid chromatography coupled with mass spectrometry (SFE-SFC-QqQ/MS). The research showed that bio-based packaging formulations could simulate the storage performance of traditional plastics, with excellent short-term preservation capabilities in case of bioplastic. Green extraction processes were optimized using Response Surface Methodology (RSM) to enhance Pressurized Liquid Extraction (PLE) efficiency, maximizing the recovery of bioactive compounds with strong antioxidant properties. Characterizations of these extracts revealed enzymatic inhibition against Alzheimer’s disease-related enzymes and showed anti-inflammatory and neuroprotective potential. Metabolomic profiling and in silico molecular docking studies identified interactions between key enzymes and abundant flavonoids, highlighting the potential of these extracts in developing neuroprotective agents. Innovative applications were also explored, including encapsulation techniques like spray drying and nanoemulsion, to stabilize carotenoid-rich extracts for improved bioavailability in food and nutraceutical systems. A bio-based antioxidant spray, rich in phenolic compounds and carotenoids, was developed as a natural, sustainable alternative to synthetic preservatives, effectively reducing lipid oxidation in perishable foods. Biodegradable coatings enriched with tomato-derived polyphenols and flavonoids were developed to enhance the hydrophobic and barrier properties of cellulose-based materials, offering sustainable solutions for functional packaging. These advancements underscore the potential of agro-food by-products as sustainable resources for reducing waste, improving food quality, and supporting environmentally friendly industrial practices. This work contributed significantly to the development of alternative to plastics in a context of circular economy and aligns with global sustainability goals.

I sottoprodotti industriali agroalimentari come bucce, semi e fibre sono ricchi di composti bioattivi, tra cui antiossidanti, composti fenolici, carotenoidi e fibre alimentari. Molti di questi composti sono già conosciuti, e presentano proprietà antiossidanti, antinfiammatorie e antimicrobiche, che li rendono validi per nuove applicazioni, tra cui nell’industria alimentare, farmaceutica e cosmetica. Questa ricerca ha evidenziato il potenziale dei sottoprodotti di carciofo e pomodoro come fonti alternative di composti bioattivi ad alto valore aggiunto, per applicazioni industriali. Lo studio sui sottoprodotti del carciofo ha previsto l’utilizzo tecniche analitiche come la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR-ATR), saggi spettrofotometrici e cromatografia liquida (HPLC) per indagare la loro composizione chimica, in particolare i profili dei carboidrati, per applicazioni come la produzione di pasta nutraceutica arricchita con queste matrici. Sono stati analizzati anche gli effetti dei trattamenti industriali sulle proprietà dei sottoprodotti del carciofo, per capire come la lavorazione influisca sulla sua composizione chimica di queste matrici. I sottoprodotti del pomodoro, compresi bucce e semi, sono stati valutati per il loro potenziale nutrizionale e funzionale, evidenziando l’importanza delle condizioni di conservazione per la gestione stagionale dei sottoprodotti. I componenti bioattivi come licopene, β-carotene e composti fenolici sono stati caratterizzati utilizzando saggi spettrofotometrici e tecniche avanzate come l’estrazione con fluido supercritico e la cromatografia con fluido supercritico accoppiata alla spettrometria di massa (SFE-SFC-QqQ/MS). La ricerca ha dimostrato che le formulazioni di imballaggi a base biologica possono eguagliare o superare le prestazioni di conservazione delle plastiche tradizionali, con eccellenti capacità di conservazione a breve termine nel caso della bioplastica. Un altro lavoro ha riguardato l’ottimizzazione delle condizioni di estrazione di Pressurized Liquid Extraction (PLE) mediante Response Surface Methodology (RSM) per migliorare l’efficienza, massimizzando il recupero di composti bioattivi con forti proprietà antiossidanti. La caratterizzazione di questi estratti ha rivelato un’inibizione enzimatica contro gli enzimi correlati alla malattia di Alzheimer e ha mostrato un potenziale antinfiammatorio e neuroprotettivo. Il profilo metabolomico e gli studi di docking molecolare in silico hanno identificato interazioni tra enzimi chiave e flavonoidi abbondanti, evidenziando il potenziale di questi estratti nello sviluppo di agenti neuroprotettivi. Sono state esplorate anche applicazioni innovative, tra cui tecniche di incapsulamento come l’essiccazione spray e la nanoemulsione, per stabilizzare gli estratti ricchi di carotenoidi e migliorarne la biodisponibilità in sistemi alimentari e nutraceutici. È stato sviluppato uno spray antiossidante a base biologica, ricco di composti fenolici e carotenoidi, come alternativa naturale e sostenibile ai conservanti sintetici, che riduce efficacemente l’ossidazione dei lipidi negli alimenti deperibili. Sono stati sviluppati rivestimenti biodegradabili arricchiti con polifenoli e flavonoidi derivati dal pomodoro per migliorare le proprietà idrofobiche e di barriera dei materiali a base di cellulosa, offrendo soluzioni sostenibili per l’imballaggio funzionale. Questi progressi sottolineano il potenziale dei sottoprodotti agroalimentari come risorse sostenibili per ridurre i rifiuti, migliorare la qualità degli alimenti e sostenere pratiche industriali rispettose dell’ambiente. Questo lavoro ha contribuito in modo significativo allo sviluppo di alternative alla plastica in un contesto di economia circolare e si allinea con gli obiettivi globali di sostenibilità.