Sustainable recovery and advanced use of nanostructured cellulose from agri-food residues

Negli ultimi anni c'è stato un crescente interesse nello sviluppo di materiali alternativi sostenibili a causa degli impatti ambientali legati all'alto smaltimento di prodotti derivati dal petrolio fossile. In questo contesto, la cellulosa è un componente chiave e una materia prima interessante in quanto uno dei biopolimeri più abbondanti, economici, rinnovabili e biodegradabili presenti in natura. La cellulosa è caratterizzata da catene di cellobiosio non ramificate collegate in modo β-1,4 al glucosio, che agiscono come una struttura tridimensionale per il polisaccaride. Le promettenti proprietà chimiche (come l'idrofilia, la chiralità, la degradabilità e la vasta variabilità chimica) e meccaniche (non tossiche, biocompatibili, rinnovabili e biodegradabili) della cellulosa hanno suscitato un interesse crescente per lo sviluppo di nuovi biomateriali, specialmente attraverso strumenti avanzati di nanotecnologia, che migliorano le sue proprietà tecno-funzionali. Tuttavia, attualmente la cellulosa viene isolata da fonti legnose ed è molto più difficile destrutturarla come componente strutturale delle piante. Infatti, la sua stretta disposizione polimerica e i forti legami con altri componenti lignocellulosici, come l'emicellulosa e la lignina, limitano l’isolamento della cellulosa. Un processo di delignificazione con un efficace trattamento di idrolisi chimica acida o alcalina per separare la cellulosa e l'emicellulosa dalla lignina è un passaggio cruciale. Tuttavia, i metodi attuali sono costosi, consumano molta energia e utilizzano prodotti chimici che richiedono procedure di trattamento a valle e/o di smaltimento. Tenendo conto della sostenibilità ambientale, è controproducente combinare processi energetici sulle fonti legnose. In questo contesto, il lavoro di questa tesi di dottorato dimostrata che il processo necessario per aumentare l'accessibilità e il recupero della cellulosa è fortemente influenzato dalla natura della biomassa nativa. Di conseguenza, i residui/sottoprodotti agroalimentari rappresentano una nuova e promettente materia prima per lo sviluppo di nuovi processi sostenibili per isolare la cellulosa, basati su tecnologie non convenzionali con bassi impatti ambientali ed economici ed elevata efficienza, sottolineando l'urgente necessità di diversificare e valorizzare i rifiuti con strategie di economia circolare. In questo contesto, la omogeneizzazione ad alta pressione (high-pressure homogenization, HPH), un trattamento non termico e puramente fisico, viene usato per la prima volta per aumentare l'efficienza del trattamento di idrolisi chimica delicata per l'isolamento della cellulosa dai residui agroalimentari (aumentando la resa di estrazione del 20% circa), riducendo drasticamente l'uso di prodotti chimici, riducendo i tempi di lavorazione grazie all'intensificazione del processo, migliorando la purezza e inducendo una defibrillazione della struttura di cellulosa, consentendo contemporaneamente il recupero di composti bioattivi ad alto valore aggiunto con elevata capacità antiossidante dalle correnti di scarto. Inoltre, gli stress fluido-meccanici (alta forza di taglio, turbolenza e cavitazione idrodinamica) che si verificano durante il trattamento HPH, in combinazione con l'idrolisi, migliorano la defibrillazione della cellulosa e contribuiscono a ridurre la lunghezza delle fibre. L'utilizzo completo di materie prime da residui/sottoprodotti agroalimentari ha suscitato un notevole interesse anche per lo sviluppo di nuovi processi sostenibili basati sulla strategia green bottom-up. In questo senso, il lavoro è stato svolto per il recupero di biofilm derivati dal processo di fermentazione del tè Kombucha utilizzando AFRs micronizzati come fonte di carbonio, in alternativa ai mezzi sintetici convenzionali, per ridurre i costi dei mezzi di coltura e aumentare la produzione, al fine di ottenere cellulosa nanostrutturata con notevoli proprietà biologiche e fisico-meccaniche. Tutti queti approcci hanno permesso di isolare la cellulosa con specifiche proprietà morfologiche da residui/sottoprodotti agroalimentari o sottoprodotti di processi di fermentazione (valutate mediante dimensioni delle particelle, microscopia ottica ed elettronica a scansione e analisi FT-IR), riducendo l'intensità dei processi chimici convenzionali e aumentando lo sfruttamento di sottoprodotti industriali a basso costo. Dai risultati complessivi, un’efficiente estrazione di cellulosa è stata realizzata insieme alla valorizzazione dei composti ad alto valore aggiunto ancora presenti nella biomassa degli scarti agroalimentari. [a cura dell'Autore]