BIOCOMPOSITI A BASE DI BIOPOLIMERI E PRODOTTI DI SCARTO PER APPLICAZIONI ALIMENTARI

Biopolymers are emerging as a sustainable alternative in the food industry, addressing the growing need for environmentally friendly materials. The present thesis work explored the application of biopolymers in two critical areas: food packaging and beverage treatment. The research investigated the properties and the performance of biopolymer-based materials in extending shelf-life, reducing waste, and ensuring safety in food preservation. Furthermore, it examined the role of biopolymers in improving the beverage quality through clarification and stabilization processes. In particular, materials with potential applications in food packaging were developed in the form of films via the solvent casting method. The biopolymeric matrices were based on zein and on a zein-chitosan blend. Natural inorganic fillers were added to the polymeric matrix to enhance the gas barrier and mechanical properties. Specifically, zein films were reinforced with diatomite, which is derived from siliceous sedimentary rock. Diatomite strengthened the film and created a more tortuous gas diffusion path. As concerns the films based on the zein-chitosan blend, calcium carbonate was incorporated into the matrices, after its extraction from the natural eggshells waste via an alkaline treatment. This addition improved the film hydrophobicity and the thermal properties while reducing the environmental pollution caused by such waste. For the application in the field of beverage treatment, 3D-printed polylactic acid supports were fabricated via Fused Deposition Modelling in two geometries: saddle and cylinder. The supports were coated with chitosan and specific enzymes were immobilized on their surface to remove the molecules responsible for turbidity, off-flavours, and odour changes in beverages. All the samples of the present work were characterized using various techniques, including optical and Scanning Electron Microscopy, Differential Scanning Calorimetry and Fourier Transform Infrared spectroscopy. Contact angle measurements and moisture uptake studies were carried out in order to test, respectively, the surface wettability and the ambient moisture absorption. The findings demonstrated the potential of biopolymers to revolutionize food systems, balancing functionality and environmental impact

I biopolimeri rappresentano un’alternativa sostenibile per l’industria alimentare, rispondendo alla crescente necessità di materiali ecologici. Questo lavoro di tesi ha esplorato l’applicazione dei biopolimeri in ambito alimentare, principalmente in due aree: l’imballaggio alimentare e il trattamento di bevande. Lo scopo ultimo di questo lavoro è stato quello di realizzare materiali eco-sostenibili che abbiano la capacità di prolungare la durata di conservazione degli alimenti, che riducano gli sprechi e l’inquinamento ambientale, e che assicurino elevati standard di sicurezza alimentare. In particolare, sono stati sviluppati materiali con potenziali applicazioni nell’imballaggio alimentare sotto forma di film, che sono stati prodotti mediante il metodo del solvent casting. Sono state realizzate matrici biopolimeriche costituite da zeina e da una miscela di zeina e chitosano. Filler inorganici di origine naturale sono stati introdotti nelle matrici per migliorare le caratteristiche chimico-fisiche del prodotto finale, in particolare le proprietà di barriera ai gas, le proprietà meccaniche e l’attività antimicrobica. Nello specifico, i film di zeina sono stati rinforzati con la diatomite, che deriva da rocce sedimentarie silicee, costituite dall’accumulo di gusci di diatomee continentali o marine. La diatomite viene utilizzata per rinforzare il film e rendere più tortuoso il percorso delle molecole gassose quando diffondono all’interno del materiale. Per quanto riguarda i film a base di zeina e chitosano, il carbonato di calcio è stato incorporato nelle matrici dopo essere stato estratto dai gusci d’uovo tramite un trattamento alcalino. La presenza di questo sale ha migliorato l’idrofobicità del film e le sue proprietà termiche, e al contempo il riutilizzo di questi scarti alimentari può ridurre l’inquinamento ambientale causato dalla loro naturale decomposizione. L’altra parte di questo progetto verteva sulla realizzazione di supporti per l’immobilizzazione di enzimi per il trattamento di bevande. Sono stati fabbricati supporti a base di acido polilattico, stampati per manifattura additiva mediante Modellazione a Deposizione Fusa, in due differenti geometrie: sella e cilindro. I supporti sono stati rivestiti con chitosano e specifici enzimi sono stati immobilizzati sulla loro superficie per rimuovere le molecole responsabili della torbidità e del cambiamento delle proprietà organolettiche delle bevande. 8 Tutti i campioni di questo lavoro sono stati caratterizzati utilizzando varie tecniche, tra cui microscopia ottica ed a scansione elettronica, calorimetria a scansione differenziale e spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier. Sono state effettuate misure di angolo di contatto e studi di assorbimento dell’umidità per testare, rispettivamente, la bagnabilità superficiale e l’assorbimento dell’umidità ambientale. I risultati hanno dimostrato il potenziale dei biopolimeri nel rivoluzionare i sistemi alimentari, bilanciando funzionalità e impatto ambientale