Il riutilizzo virtuoso – upcycling (1,2) – di scarti delle filiere agroindustriali può consentire di produrre prebiotici, composti bioattivi e ingredienti funzionali ad alto valore aggiunto.
Una recente rassegna scientifica (Gonçalves et al., 2023) indica lo stato dell’arte e le prospettive sulla conversione dei materiali mediante bioprocessi enzimatici. (3)
1) Upcycling di scarti agroindustriali in prebiotici, premessa
Gli scarti agroindustriali possono venire sottratti al riciclo (in mangimi o input agricoli), la valorizzazione energetica o lo smaltimento, per risalire la scala di Lansink (o ‘gerarchia dei rifiuti’, emblema dell’economia circolare).
Questi materiali – disponibili in abbondanza, a costi irrisori – possono venire infatti utilizzati come materie prime o substrati per estrarre o sintetizzare prebiotici, attraverso bio-processi che utilizzano enzimi. I residui si prestano così alla conversione in vari composti bioattivi.
2) Scarti agricoli e industriali
I flussi laterali delle filiere agroalimentari generano enormi quantità di scarti che possono venire classificati in due macro-categorie:
- scarti agricoli, di campo o di processo. Quali paglia, steli, gambi, foglie, lolla, gusci, bucce, polpe o stoppie di frutta, melasse, trebbie di birra, fondi di caffè, bagassa (dalla macinazione di canna da zucchero e sorgo dolce), etc.
- coprodotti agroindustriali, quali bucce di patate, agrumi, pomodori, panelli di soia e altri semi oleaginosi, etc.
3) Composti bioattivi
L’idrolisi enzimatica dei residui e coprodotti agroindustriali permette di ottenere composti bioattivi di valore nutrizionale ingredienti funzionali, anche con azione prebiotica. (4) Ricorrendo agli enzimi – o sistemi enzimatici – più appropriati, in relazione alle diverse matrici.
La gran parte degli scarti agroindustriali è composta da materiali lignocellulosici (cellulosa, emicellulosa e lignina), da cui estrarre oligosaccaridi (xilo e cello-oligomeri). Alcuni processi consentono altresì di estrarre mannano e galatto-oligomeri, (5) nonché diversi polimeri prebiotici.
3.1) Frutto-oligosaccaridi, FOS
FOS, i fruttoligosaccaridi, sono polimeri di residui di fruttosio legati a una molecola terminale di glucosio. L’uso di sottoprodotti industriali ricchi in saccarosio, come la melassa, può rappresentare un’alternativa economica e redditizia per produrre prebiotici.
Questi sottoprodotti spesso non richiedono neppure un trattamento preliminare, essendo sufficiente l’immersione in acqua calda per ottenere il substrato necessario alla catalisi enzimatica.
Ganaie et al. (2017) hanno dimostrato come la FTasi di Aspergillus flavus consenta sintetizzare FOS da sedici diversi scarti agricoli tra cui crusca di grano, paglia di mais, bagassa di canna da zucchero, bucce di manioca, sansa di mela, bucce di arancia, barbabietola e banana. (6)
3.2) Galatto-oligosaccaridi, GalOS
GalOS, i galatto-oligosaccaridi, sono oligomeri di galattosio (es. lattosucrosio, lattulosio). Il lattosio è uno dei substrati necessari a produrre questi prebiotici, agendo come accettore e/o donatore di porzioni galattosiliche. La sintesi di lattosaccarosio e lattulosio richiede altresì saccarosio o fruttosio, i quali invece agiscono come accettori di legami galattosilici.
Il siero di latte – coprodotto dell’industria casearia – è un candidato ideale per queste forme di upcycling grazie all’apprezzabile concentrazione di lattosio (4,5-6,0% circa. Kaur et al., 2020) (7) In aggiunta alle preziose proteine, che è altresì utile estrarre.
Geiger et al. (2020) hanno raggiunto un elevato tasso di conversione (80%) del lattosio da siero in GalOS, grazie a una β-galattosidasi di Streptococcus thermophilus. È risultato così possibile sintetizzare circa 1 kg di GalOS da 3 kg di permeato di siero di latte in polvere. (8)
3.3) Xilo-oligosaccaridi, XOS
XOS, gli xilo-oligosaccaridi, possono venire estratti da biomasse ricche in emicellulosa, altresì diffuse tra gli scarti agricoli e agroindustriali. Lo xilano (costituente dell’emicellulosa) recuperato dalle biomasse viene convertito in XOS con l’aiuto degli enzimi endo-xilanasi. (9)
La paglia di grano e di pannocchie può venire utilizzata per estrarre emicellulosa tramite autoidrolisi, il bio-processo più economico. (10) Sebbene i processi chimici, inclusi quelli basati su alcali e acidi, siano quelli più in voga. Altri scarti utilizzati sono la lolla di riso e di cocco, nonché i residui di bagassa di canna da zucchero (11).
3.4) Altri prebiotici
Numerosi altri composti prebiotici possono venire estratti o prodotti da varie fonti di scarti delle filiere agroalimentari. Alcuni studi si sono focalizzati sulla conversione dei leftovers per ottenere manno-oligossacaridi, isomalto-oligosaccaridi, oligosaccaridi di pectina. (3)
4) Benefici per l’apparato gastro-intestinale
La resistenza dei prebiotici all’idrolisi conferma la loro capacità di raggiungere il colon senza venire decomposti dai succhi gastrici dello stomaco. I saggi di fermentabilità a loro volta permettono di:
- verificare la capacità delle sostanze di promuovere la crescita di microrganismi benefici, e
- seguirne la conversione in metaboliti bioattivi, i quali svolgono ruoli essenziali nella fisiologia e nel metabolismo umano (12,13).
5) Conclusioni provvisorie
Il mercato globale dei prebiotici ha toccato i 33,44 miliardi di yuan (4,87 bln US$) nel 2021 e si prevede raggiungerà gli 87,69 miliardi di yuan (12,77 bln US$) nel 2030, con un CAGR pari all’11,3%. (14)
I processi di upcycling degli scarti agroindustriali in composti bioattivi tramite bioprocessi enzimatici presentano ancora aree di miglioramento che meritano ulteriore ricerca e sviluppo.
Dario Dongo e Giulia Pietrollini
Note
(1) Dario Dongo. Upcycling, la via maestra di ricerca e innovazione. GIFT (Great Italian Food Trade). 1.1.23
(2) Dario Dongo, Giulia Pietrollini. Upcycling economy, upcycled food. La rivoluzione contro gli sprechi. GIFT (Great Italian Food Trade). 31.1.23
(3) Gonçalves, D.A., González, A., Roupar,et al. (2023). How prebiotics have been produced from agro-industrial waste: An overview of the enzymatic technologies applied and the models used to validate their health claims. Trends in Food Science & Technology. doi:10.1016/j.tifs.2023.03.016
(4) Giulia Pietrollini. Probiotici, prebiotici e psicobiotici, una rivoluzione per la salute della psiche? GIFT (Great Italian Food Trade). 14.2.23
(5) L. Bhatia, A. Sharma, R.K. Bachheti, A.K. Chandel. (2019). Lignocellulose derived functional oligosaccharides: Production, properties, and health benefits. Preparative Biochemistry & Biotechnology, 49:8, 744-758, DOI: 10.1080/10826068.2019.1608446
(6) M.A. Ganaie, H. Soni, G.A. Naikoo, et al. (2017). Screening of low cost agricultural wastes to maximize the fructosyltransferase production and its applicability in generation of fructooligosaccharides by solid state fermentation. International Biodeterioration & Biodegradation, 118 (2017), pp. 19-26, doi:10.1016/j.ibiod.2017.01.006
(7) R. Kaur, D. Panwar, P.S. Panesar (2020). Biotechnological approach for valorization of whey for value-added products. Food industry wastes, Academic Press, pp. 275-302, doi:10.1016/b978-0-12-817121-9.00013-9
(8) Geiger, H.M. Nguyen, S. Wenig, H.A. Nguyen, C. Lorenz, R. Kittl, et al. (2016). From by-product to valuable components: Efficient enzymatic conversion of lactose in whey using β-galactosidase from Streptococcus thermophilus. Biochemical Engineering Journal, 116-2016, pp. 45-53. doi:10.1016/j.bej.2016.04.003
(9) N. Jayapal, A.K. Samanta, A.P. Kolte, S. Senani, M. Sridhar, K.P. Suresh, et al. (2013). Value addition to sugarcane bagasse: Xylan extraction and its process optimization for xylooligosaccharides production. Industrial Crops and Products, 42-1-2013, pp. 14-24. doi: 10.1016/j.indcrop.2012.05.019
(10) Liu X, Liu Y, Jiang Z, Liu H, Yang S, Yan Q. (2018). Biochemical characterization of a novel xylanase from Paenibacillus barengoltzii and its application in xylooligosaccharides production from corncobs. Food Chem. 2018 Oct 30;264:310-318. doi: 10.1016/j.foodchem.2018.05.023
(11) N. Jayapal, A.K. Samanta, A.P. Kolte, S. Senani, M. Sridhar, K.P. Suresh, et al. (2013). Value addition to sugarcane bagasse: Xylan extraction and its process optimization for xylooligosaccharides production. Industrial Crops and Products, 42-1-2013, pp. 14-24. doi: 10.1016/j.indcrop.2012.05.019
(12) Paola Palestini, Dario Dongo. Microbioma e intestino, il secondo cervello. GIFT (Great Italian Food Trade). 14.2.19
(13) Dario Dongo, Andrea Adelmo Della Penna. Microbiota intestinale, dieta e salute. GIFT (Great Italian Food Trade). 19.6.20
(14) Food and Beverage – Prebiotics Market (2022). https://www.reportsanddata.com/report-detail/prebiotics-market Reports and data
Dario Dongo, avvocato e giornalista, PhD in diritto alimentare internazionale, fondatore di WIISE (FARE - GIFT – Food Times) ed Égalité.
Laureata in biotecnologie industriali e appassionata di sviluppo sostenibile.
