Exploitation of agricultural and food wastes: from the recovery of bioactive compounds for nutraceutical applications to the production of innovative materials [Valorizzazione di scarti agricoli ed alimentari: dal recupero di composti bioattivi per applicazioni nutraceutiche alla produzione di materiali innovativi]

Maccarronello, Anna Elisabetta

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Università degli studi di Catania

Exploitation of agricultural and food wastes: from the recovery of bioactive compounds for nutraceutical applications to the production of innovative materials [Valorizzazione di scarti agricoli ed alimentari: dal recupero di composti bioattivi per applicazioni nutraceutiche alla produzione di materiali innovativi]

dc:creator Maccarronello, Anna Elisabetta

dc:date2025

Abstract

dc:description

Le industrie agroalimentari generano un’ingente quantità di rifiuti che, rimanendo insufficientemente sfruttati, comportano problematiche ambientali, economiche e sociali. I gusci delle specie Pistacia vera, Prunus dulcis, Corylus avellana e Juglans regia rappresentano i sottoprodotti più abbondanti e possiedono il potenziale per essere ulteriormente trasformati in ingredienti nutraceutici ad alto valore aggiunto e altri materiali innovativi. In questa tesi, i gusci di frutta secca sono stati impiegati come fonti di preziosi composti bioattivi. In particolare, la metodologia della Superficie di Risposta (RSM) accoppiata a modelli di progettazione Box-Behnken (BBD) sono stati utilizzati per ottimizzare protocolli di estrazione assistita da microonde (MAE) interamente ecosostenibili. Gli estratti di gusci ottimizzati hanno mostrato il più alto contenuto fenolico totale (TPC) e attività antiossidante/antiradicalica. Inoltre, in questa tesi, il metodo MAE è stato utilizzato per la prima volta per recuperare antiossidanti dai gusci di pistacchi e nocciole. Sebbene il MAE fosse stato precedentemente utilizzato per estrarre composti bioattivi dai gusci di mandorle e noci, le condizioni di MAE qui ottimizzate hanno portato a tassi di recupero di composti fenolici più elevati. Inoltre, i protocolli MAE sono stati progettati con attenzione al fine di suggerire il loro impiego a livello industriale, dove l'estrazione di prodotti naturali tramite irradiazione a microonde è già una realtà. La composizione fitochimica degli estratti ottimizzati è stata determinata mediante l’uso di tecniche combinate, vale a dire mediante cromatografia liquida ad alte prestazioni/spettrometria di massa tandem con trappola ionica a ionizzazione elettrospray (HPLC/ESI-MS/MS). Un’approfondita analisi qualitativa e quantitativa dei dati spettrometrici di massa ha permesso di identificare i composti fenolici e i lipidi come i costituenti organici predominanti in tutti gli estratti. Eccezionalmente, la composizione fitochimica dei gusci di Pistacia vera non era stata mai riportata prima d’ora. Inoltre, l'abbondante presenza di fenoli alchilici, ovvero acidi anacardici (AA), nei gusci di P. vera e J. regia è stata qui scoperta per la prima volta, evidenziando tali biomasse come nuove fonti di AA bioattivi. Questa tesi ha fornito intuizioni uniche sulle potenziali proprietà biologiche degli estratti di gusci ottimizzati. Nello specifico, la loro capacità di neutralizzare le specie reattive dell'ossigeno (ROS), le loro proprietà anti-glicazione, e il loro comportamento inibitorio nei confronti della lipasi pancreatica, dell'α-glucosidasi, dell'α-amilasi e della tirosinasi, bersagli molecolari di notevole importanza terapeutica, sono stati studiati in vitro. Considerando le notevoli proprietà anti-glicazione e ipoglicemizzanti osservate per gli estratti ricchi di AAs ottenuti dai gusci di P. vera e J. regia, gli AAs sono stati testati, per la prima volta, come nuovi candidati farmaci di origine naturale per il trattamento del diabete mellito di tipo 2 (T2DM). Degno di nota, gli AAs hanno mostrato forti proprietà anti-glicazione e un'attività ipoglicemizzante superiore rispetto al farmaco antidiabetico acarbosio, utilizzato come controllo positivo. La modellazione molecolare in silico ha mostrato risultati coerenti con quelli dei saggi biologici effettuati in vitro. Inoltre, cinetiche di inibizione ed esperimenti di quenching della fluorescenza hanno fornito risultati unici riguardanti l'interazione degli AAs con i rispettivi target enzimatici. I saggi MTT sono stati svolti per valutare la biocompatibilità degli estratti su linee cellulari umane intestinali (Caco-2 e HT29-MTX) e buccali (TR146 e HSC-3). Questo ha rappresentato il primo studio riguardante gli effetti di composti derivati dai gusci di frutta secca sulla vitalità di cellule intestinali e buccali. Il destino metabolico degli estratti ottimizzati ottenuti dai gusci di P. vera, P. dulcis e C. avellana è stato stimato tramite digestione gastrointestinale simulata in vitro seguita dall’analisi metabolomica mediante LC-ESI-LTQ-Orbitrap-MS delle risultanti frazioni digerite orali, gastriche e intestinali. I cambiamenti nella composizione fitochimica degli estratti, nell'attività antiossidante/antiradicalica (FRAP, DPPH• e ABTS•+) e nelle proprietà ipoglicemiche (inibizione di α-glucosidasi e α-amilasi) avvenuti dopo la simulazione della digestione gastrointestinale sono stati ampiamente esplorati, fornendo nuove intuizioni circa la bioaccessibilità dei composti, e contribuendo quindi ad ampliare il valore dei gusci di frutta secca nel campo della nutrizione alimentare. Infine, modelli di permeabilità cellulare in vitro sono stati adottati per valutare la permeabilità dell'epitelio gastrointestinale e della mucosa orale agli estratti ottimizzati. Ulteriori applicazioni green sono state investigate per i gusci di noce e pistacchio. L'estratto ottimizzato dai gusci di noce (OWS) è stato caricato in miscele polimeriche biodegradabili di polilattide (PLA)/poli (adipato-co-tereftalato di butilene) (PBAT). La formulazione del bio-film risultante ha mostrato migliori prestazioni in termini di resistenza alla luce UV, capacità antiossidanti e proprietà meccaniche. Questi risultati supportano l'uso di tali miscele di PLA/PBAT-OWS come imballaggi alimentari e bioplastiche ecocompatibili. Un altro approccio ha previsto l'utilizzo dei gusci di pistacchio esausti, rimanenti dal trattamento MAE, come precursori carboniosi per la loro trasformazione in carboni attivi (ACs). Attualmente, gli ACs trovano applicazione in molteplici ambiti, come la produzione di elettrodi e batterie, la purificazione dell'acqua dai metalli pesanti e il controllo dell'inquinamento dell’aria. Dunque, la strategia proposta introduce anche i gusci di pistacchio esausti come biomasse altrettanto promettenti per lo sviluppo di diversi materiali dotati di etichetta pulita, dall’ampia rilevanza ambientale e industriale. Tutti i risultati mostrati in questa tesi incoraggiano l'utilizzo dei gusci di frutta secca per il recupero sostenibile di preziosi composti bioattivi e antiossidanti che, nel contesto di un’economia circolare, possono essere inclusi in formulazioni nutraceutiche e altri materiali innovativi.

Degree

thesis:*

Grantor dc:publisher: Università degli studi di Catania
Year dc:date: 2025

Author and committee

dc:creator, dc:contributor.*

Author dc:creator: Maccarronello, Anna Elisabetta
Contributors dc:contributor: MUCCILLI, VERA

Subjects

dc:subject × 26

Rights

dc:rights

Statement dc:rights: info:eu-repo/semantics/openAccess

license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright

license uri:iris.PUB02
Language dc:language: eng

Identifiers

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Handle dc:identifier: https://hdl.handle.net/20.500.11769/690197
OAI identifier oai:identifier: oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/690197