Piante medicinali in vertical farm

Prospettive

Intervista a...

Piante medicinali in vertical farm

Verso una qualità mirata dei botanici?

Alessandro Algeri

direttore tecnico di Cultipharm

La produzione di piante medicinali in impianti di vertical farming è uno dei campi più promettenti del settore delle colture indoor. La possibilità, in ambiente controllato, di agire su tutti i fattori esterni che condizionano la vita della pianta – luce, umidità, temperatura, nutrienti – assume un particolare significato quando l’obiettivo è quello di ottenere principi attivi, che sappiamo dipendere da molti diversi passaggi del metabolismo vegetale, e non solo biomassa.

Alcune esperienze pilota si stanno realizzando anche in Italia: ne parliamo con Alessandro Algeri, direttore tecnico di Cultipharm, la prima azienda interamente dedicata a questa specializzazione, che vanta una produzione tutta italiana.

Abbiamo coniato il termine Superbotanicals per definire i fitoderivati della nostra filiera e differenziarli da quelli ottenuti in pieno campo. Abbiamo potuto verificare che si tratta di prodotti eccellenti sotto vari punti di vista, che presentano molti vantaggi. Le vertical farms all’interno delle quali vengono coltivati rappresentano un perfetto esempio di agricoltura circolare e permettono risparmio di acqua, suolo, pesticidi ed erbicidi. Inoltre, si propagano esemplari provenienti da un unico ceppo selezionato, preservando le caratteristiche genetiche degli individui di partenza.

Infine, possiamo assicurare l’assenza di contaminazioni nel processo produttivo: abbiamo così potuto certificare i nostri derivati Nikel free e a residuo zero.

Rispettando ogni step della filiera di produzione e del protocollo coltivo, possiamo ottenere prodotti di qualità e con alto titolo di attivi.

I Superbotanicals prodotti da impianti in vertical farm si distinguono da quelli tradizionali per vari motivi, tra cui un’ottima resa al taglio e in generale una concentrazione elevata di principi attivi.

Questi derivati permettono di formulare preparazioni contenenti fitocomplessi totalmente naturali e titolati. Inoltre è anche possibile pensare di modulare le caratterische del prodotto, stimolando maggiormente la concentrazione di un determinato principio attivo rispetto a un altro da ciclo a ciclo a seconda dell’esigenza formulativa.

La possibilità di ottenere fitocomplessi integrali permette di sfruttare la naturale presenza nell’estratto di molecole che lavorano in sinergia con i principi attivi di interesse, per esempio, aumentandone la biodisponibilità.

Le piante coltivate attraverso l’innovativa tecnica del vertical farming sono ancora molto giovani al momento della raccolta, ma hanno ricevuto, durante tutta la crescita, nutrienti attentamente calibrati. Con questa tecnica ci si propone anche di ridurre la quantità di componenti quali cellulosa o lignine, che posso interagire negativamente con l’assorbimento dei fitocomplessi.

La filiera di produzione è totalmente controllata dal seme all’ingrediente e i prodotti ottenuti sono di qualità garantita.

Cultipharm ha progettato un metodo di coltivazione che si avvale dell’uso di fitotroni, ovvero strutture all’interno delle quali si sviluppano, in verticale, le colture officinali. Tali strutture possono essere anche installate all’interno di edifici dismessi per rigenerarli. I fitotroni non necessitano di terreno come substrato di coltivazione, sostituito da materiale inerte tipo fibra di cocco; sono ambienti totalmente isolati dall’esterno, quindi non subiscono le influenze degli eventi atmosferici quali grandine o siccità e non necessitano di pesticidi ed erbicidi per proteggere le colture.

L’ingresso ai fitotroni è regolato da specifiche misure sanitarie che evitano qualsiasi contaminazione da parte di agenti esterni o degli operatori che vi lavorano. Il clima al loro interno è regolato da algoritmi impostati in maniera specifica per le diverse tipologie di piante, che regolano la quantità di luce, l’umidità, l’acqua e i nutrienti da apportare alle piante permettendo anche il controllo da remoto.

Particolare attenzione è affidata al tema della sostenibilità. Grazie alla possibilità di sfruttare lo spazio in verticale, la produzione risulta essere cinque volte superiore rispetto alla stessa superficie coltivata in campo aperto, mentre il totale controllo del ciclo produttivo consente di velocizzare e ottimizzare la crescita delle piante ottenendo più raccolti durante l’anno.

Il metodo di coltivazione di Cultipharm riduce al minimo le emissioni nocive e minimizza fino al 95% l’utilizzo di acqua, massimizzando al contempo il riciclo grazie al sistema di irrigazione a flusso e reflusso.

Non impiegando pesticidi ed erbicidi e non necessitando di ampi spazi per lo sviluppo delle colture, le vertical farms rappresentano un metodo di coltivazione ecosostenibile. Inoltre, attraverso questa tecnica produttiva non vi è la necessità di sottrarre aree coltivabili, bensì possono essere recuperate aree dismesse altrimenti inutilizzate. Le vertical farms possono essere utilizzate per preservare la biodiversità in quanto è possibile coltivare e studiare piante rare o particolarmente soggette ai danni causati dal cambiamento climatico e dall’aumento degli inquinanti nell’aria e nell’acqua.

Il metodo di coltivazione di Cultipharm si conferma a basso impatto ambientale anche per quanto riguarda l’utilizzo dell’energia impiegata per l’illuminazione e la climatizzazione delle colture, poiché utilizza fonti energetiche alternative quali pannelli fotovoltaici.

Il totale controllo della filiera produttiva all’interno della vertical farm, insieme a protocolli di riduzione al minimo dello stress della pianta dalla semina alla raccolta permettono di ottenere prodotti finiti di qualità garantita. Il metodo di coltivazione Cultipharm prevede l’estrazione dei principi attivi entro poche ore dalla raccolta, bloccando il normale processo del loro deterioramento, cosa che non succede con i derivati botanici coltivati in pieno campo i quali subiscono, nell’arco del loro ciclo produttivo, diversi passaggi. A causa di naturali reazioni chimiche ed enzimatiche e insieme a trasporti lunghi e stoccaggi non adeguati, tali passaggi portano all’alterazione in termini qualitativi e quantitativi dei fitocomplessi.

I semi utilizzati per produrre i nostri prodotti provengono da filiere certificate o da piante prodotte da Cultipharm; così, infatti, è possibile mantenere intatto il genotipo selezionato.

Ogni prodotto botanico di qualità deve preservare le caratteristiche genetiche preselezionate e il metodo di coltivazione Cultipharm garantisce costantemente lo stesso patrimonio genetico delle piante che vengono coltivate in ambiente controllato e costante, eliminando le possibili contaminazioni esterne, quali per esempio le ibridazioni, tipiche delle coltivazioni in pieno campo.

Le piante in ingresso nella vertical farm vengono preventivamente identificate attraverso tecniche di biologia molecolare e analisi del DNA.

In seguito a questo processo, il seme o il bulbo sono perfettamente individuati per generare una tipologia di pianta selezionata, mentre ogni variante da quanto previsto viene prontamente scartata al fine di evitare contaminazioni.

Mantenendo costanti le pathway metaboliche che determinano la sintesi degli attivi, il metodo di coltivazione di Cultipharm permette di massimizzare, prevedere e mantenere costante il livello di espressione delle molecole caratterizzanti ogni botanico coltivato. Di fondamentale importanza è l’osservazione del tempo balsamico, ovvero il momento nel quale la pianta esprime il massimo del suo potenziale producendo la quantità più alta del principio attivo di interesse.

Ocimum tenuiflorum, meglio conosciuto come Basilico Sacro, è una pianta che riveste una notevole importanza nella cultura indiana e in particolar modo per gli Hindu, che la ritengono una pianta sacra. Tra le sue proprietà figurano soprattutto quelle antiossidanti, adattogene, antistress e antibatteriche dovute a un fitocomplesso contenente, tra gli altri, eugenolo, acido ursolico e β-cariofillene.

Ogni attivo contenuto nella pianta è modulato da differenti variabili di coltivazione, a esempio l’eugenolo è strettamente legato all’irradiazione luminosa. Quest’ultimo, infatti, viene espresso alla massima concentrazione in condizioni naturali tra le ore 11 e le 14, quando appunto l’irradiazione è massima.

Attraverso la vertical farm è possibile andare a riprodurre, per tutto il periodo di illuminazione, queste condizioni. Ciò consente di ottenere un prodotto concentrato e titolato di ottima qualità, cosa che non risulta possibile con le colture in campo aperto, in quanto non permettono questo tipo di precisione e con le quali si rischia di avere partite di prodotto di qualità inferiore, disomogenea e non certificabile.

Tra i Superbotanicals coltivati in questo modo troviamo anche lo Zafferano, il cui titolo di safranale e crocina può essere modulato in funzione delle variabili di crescita e arrivare per esempio a un tenore di crocina del 24%. Quest’ultima biomolecola viene principalmente influenzata dalla luce far-red, facilmente modulabile attraverso la tecnologia LED applicata alle vertical farm. Per arrivare a concentrazioni superiori al 5% in crocina ad oggi si utilizzano spesso estratti con un rapporto droga: estratto maggiori di uno; anche per questo prodotto la coltivazione in vertical farm può rappresentare una valida alternativa.  

Per ottenere un Superbotanical vengono studiate diverse condizioni di coltivazione fino al raggiungimento di un equilibrio che permetta alla pianta di svilupparsi in tempi più brevi rispetto a quelle coltivate con metodo tradizionale, senza però sottoporla ad alcun tipo di stress che potrebbe portare a un deterioramento dei principi attivi o a una loro diminuzione. Per determinare il protocollo coltivo, infatti, le piante vengono prima riprodotte all’interno di otto teche, che permettono di simulare altrettanti ambienti diversi in piccola scala. I parametri chimico-fisici all’interno delle teche vengono attentamente calibrati secondo una metodica sviluppata al fine di trovare il protocollo coltivo che, insieme al calcolo dei tempi balsamici, consenta alla pianta di esprimere il massimo del suo potenziale. Si inizia sempre dividendo le teche in due gruppi da quattro; nel primo gruppo viene studiato un preciso parametro, per esempio l’intensità della luce, in quattro diverse condizioni mentre nel secondo gruppo ci si concentra su un altro parametro. Una volta appurato il set-point migliore, questo viene fissato ed entra a far parte del protocollo coltivo. Lo stesso esperimento viene ripetuto per tutte le altre variabili fino a ottenere il protocollo perfetto.

Fatto questo, si passa al ciclo finale di scale-up su impianto pilota, dove le piante, in un numero che varia dai 1000 ai 3000 esemplari, vengono accresciute per determinare l’effetto scala sulla concentrazione degli attivi.

Per fare in modo che i botanici coltivati con il metodo di coltivazione Cultipharm siano totalmente isolati dall’ambiente esterno e che, quindi, la loro crescita e la qualità dei prodotti estratti non venga in alcun modo pregiudicata dalla presenza di contaminanti. Ciò consente di evitare l’utilizzo di pesticidi o fungicidi e in questo modo i prodotti raccolti possono essere certificati a “residuo zero”.

Bioagricert, l’ente certificatore, è esterno e imparziale che opera seguendo le direttive della Comunità Europea, la quale monitora attentamente la qualità dei prodotti agricoli e stabilisce rigidi protocolli rispetto alle sostanze che possono o non possono essere utilizzate.

Cultipharm, disponendo di un laboratorio di analisi proprio, è in grado di effettuare scrupolose analisi durante l’intero ciclo produttivo.

Il conferimento della certificazione “residuo zero” conferisce un grande valore aggiunto ai prodotti Cultipharm i quali non solo sono privi dei normali agenti considerati contaminanti, ma anche di metalli pesanti quali Piombo, Cadmio, Arsenico e Nichel.

Per ottenere la certificazione Nichel-free è necessario che la quantità del metallo all’interno del prodotto non superi gli 0,01 mg/kg, mentre per la certificazione “residuo zero” i residui di prodotti fitosanitari di sintesi chimica devono essere inferiori o uguali a 0,01 mg/kg; pertanto, i laboratori Cultipharm analizzano l’acqua di irrigazione insieme alla torba utilizzata per la semina e il trapianto, le vaschette in PET, i sali, il packaging, il materiale di trasformazione e le superfici di stazionamento e nel caso in cui uno o più valori dovessero risultare più alti del consentito, vengono fatte ulteriori analisi straordinarie per individuare l’esatto punto di contaminazione del flowchart produttivo e intervenire per ripristinare l’assoluta sterilità della fonte contaminata.

Fattore fondamentale che garantisce la sostenibilità del progetto è l’utilizzo di una quantità ridotta di acqua.

Le normali coltivazioni in pieno campo richiedono l’utilizzo di ingenti quantitativi di acqua dolce, risorsa che normalmente rappresenta solo il 2% del totale dell’acqua presente sul nostro pianeta e della quale si ha un aumento del fabbisogno ormai costante. È facilmente deducibile, quindi, quanto evitarne gli sprechi e razionalizzarne i consumi sia importante. Questo purtroppo non è possibile coltivando in campo aperto dove un grande quantitativo dell’acqua impiegata viene sprecata in quanto non direttamente assorbita dalla pianta e, di conseguenza, non coinvolta nella sua crescita. Nei fitotroni viene utilizzato il sistema di irrigazione a flusso e reflusso: nei bancali che compongono i ripiani del sistema di coltivazione viene distribuita fibra di cocco, un substrato ricco di nutrienti, completamente biodegradabile e che trattiene solo la quantità di acqua necessaria al fabbisogno delle singole piante. L’acqua, debitamente arricchita con elementi nutritivi che si vanno ad aggiungere a quelli presenti nella fibra di cocco, viene versata sempre a partire dal bancale posto sul ripiano più in alto e quella in eccesso defluisce nel bancale sottostante dove si ripete il procedimento fino a raggiungere il ripiano più in basso. Alla fine del percorso vengono collocate delle vasche di raccolta dove l’acqua non utilizzata viene recuperata, integrata con gli eventuali nutrienti trattenuti dalle piante e riutilizzata per l’irrigazione successiva.

Botaniplex™ Clear

Ingredienti

Botaniplex™ Clear

Dalla natura l’alleato
per combattere l’acne

Daniela Ronchetti

daniela.ronchetti@activebox.it

Green Mountain Biotech sviluppa tramite un’innovativa tecnologia di estrazione una serie di miscele botaniche chiamate Botaniplex™ (1). Queste miscele contengono estratti purificati di piante medicinali molto conosciute nella Medicina Tradizionale Cinese (TCM) e sono fornite come ingredienti liquidi di alta qualità e senza conservanti per l’industria del Personal Care. La miscela Botaniplex™ Clear, distribuita in Italia da Active Box, è un ingrediente attivo cosmetico costituito da estratti di sei diverse piante, ed è un naturale ed efficace alleato se utilizzato in prodotti topici per il trattamento dell’acne. Questa problematica cutanea della pelle colpisce la maggior parte degli adolescenti di entrambi i sessi ed è diffusa anche in età adulta. Oltre ad avere un forte impatto negativo a livello estetico, l’acne può costituire una condizione aggravante o predisponente per patologie più serie. Nei casi particolarmente severi vengono prescritti antibiotici sistemici, tuttavia l’acne è più comunemente e ampiamente trattata utilizzando formulazioni topiche non soggette a prescrizione. Botaniplex™ Clear è stato sviluppato per queste ultime tipologie di formulazioni ed è fornito come un liquido pronto che si combina facilmente con altri ingredienti cosmetici per creare lozioni, creme e unguenti, fornendo così un mix sinergico di derivati botanici con azione antinfiammatoria, in grado di bilanciare il microbioma e aiutare a controllare l’acne.

Active Box in a nutshell
Dall’idea di eco-beauty nasce Active Box, una realtà dallo spirito innovativo, il cui obiettivo è anticipare gli scenari evolutivi della cosmetica offrendo un’ampia gamma di principi attivi esclusivi. Un costante impegno nella scelta di partner tecnologici internazionali e di ingredienti innovativi è alla base della filosofia aziendale. Visitate il nostro sito web per scoprire il nostro portfolio dedicato al personal care: www.activebox.it.

Minatori silenziosi

Minatori silenziosi

Piante per il recupero industriale
di metalli

Enrica Roccotiello

Dipartimento di Scienze della Terra, dell'Ambiente e della Vita, Università degli Studi di Genova
enrica.roccotiello@unige.it

In un famosissimo cartone di animazione degli anni ’80, Hayao Miyazaki affidava alla protagonista Nausicaä della Valle del Vento la capacità di studiare affascinata la giungla tossica che cresceva in un’avveniristica realtà post-apocalittica. La protagonista scopriva poi come tale foresta in realtà non facesse altro che captare e depurare il suolo contaminato dalle ingenti attività antropiche preesistenti. 

In realtà negli anni ’70 questo fenomeno era già noto grazie a un gruppo di appassionati botanici che misero a sistema numerose osservazioni relative alle metallofite (piante metallo-tolleranti), in grado di crescere su suoli incredibilmente ricchi di metalli, tali da determinare la tossicità in qualunque altro organismo non ben adattato a vivere in quei contesti. 

Tuttavia, tali piante erano già note fin dall’antichità, quando venivano impiegate per individuare giacimenti minerari, come citato da Georg Agricola nel De Re Metallica (1556). L’uso delle piante come indicatrici di giacimenti rappresenta, peraltro, una pratica attualmente presente nel cosiddetto Zambian copperbelt; la cintura di depositi di rame dell’Africa centrale dove Lamiacee, comunemente chiamate copper flower, quali ad esempio Ocimum centraliafricanum, sono utilizzate proprio per l’individuazione di giacimenti di rame (Fig.1).

Iperaccumulatori, phytoremediation e phytomining

Ma c’è di più. Alcune di queste metallofite, oltre a tollerare concentrazioni tossiche di elementi quali Cobalto, Cromo, Nichel, Rame, Oro, Argento, Manganese, Zinco, terre rare ecc., sono anche in grado di spostare attivamente tali elementi dal suolo alle porzioni epigee, concentrandoli nella frazione mietibile.

L’impiego di tali specie vegetali, note come iperaccumulatori, in siti contaminati da metalli, ha consentito la messa a punto di numerose tecniche di bonifica, meglio note come phytoremediation, che consentono un miglioramento delle condizioni dei substrati contaminati con recupero di metalli dal suolo. Tuttavia, nel rapporto costi-benefici, tale pratica, pur risultando sostenibile e piuttosto efficace, è lenta e a fine ciclo richiede comunque lo smaltimento della biomassa secca come rifiuto speciale. Da qui l’idea di impiegare questa pratica per il recupero di metalli che abbiano un valore economico per l’industria. Ecco allora nascere il phytomining, dove la fitoestrazione e la concentrazione alla frazione mietibile avvengono per metalli di interesse economico e industriale quali Oro, Argento, Nichel, per citarne solo alcuni, che possono essere captati da scarti di lavorazione industriale e materiali di risulta di attività estrattive. L’incenerimento della biomassa secca a elevatissime temperature consente l’arricchimento di metalli nelle ceneri, che diventano un vero e proprio biominerale e possono essere impiegate nelle più svariate applicazioni industriali come materie prime seconde. Senza contare che alcune specie impiegate per il phytomining posso essere utilizzate al posto di combustibili fossili consentendo la produzione di energia, oltre che il recupero di metalli dalle ceneri.

Il ruolo del microbiota rizosferico

Aspetto altrettanto cruciale è rivestito dalla fase di captazione dei metalli dal suolo, che richiede alcuni processi specifici che avvengono a livello di apparato radicale e rizosfera. In tale contesto, l’impiego di un pool di microorganismi batterici e fungini può giocare un ruolo chiave sia nell’alleviare lo stress da metallo sia nell’aumentare la captazione dello stesso da parte della pianta, con una partita che si gioca a tanti livelli e con diversi regni, dal suolo alla foglia (1). Non verrà esplorato in dettaglio questo affascinante aspetto delle interazioni pianta-suolo, ma basti sapere che il microbiota rizosferico è un elemento chiave su diversi livelli e compare in numerosi aspetti di progetti strategici per l’agricoltura, l’uso del suolo, la riduzione dei pesticidi e dei fertilizzanti, e il miglioramento delle colture.

Una nuova filiera con prospettive interessanti

Nei primi decenni del XXI secolo una nuova frontiera del mining si è delineata come decisiva, in conseguenza di una crescente richiesta di metalli considerati “critici” e cruciali da parte dell’industria, in considerazione della diminuzione delle risorse e di diversi fattori geopolitici. In parallelo, il crescente sfruttamento dei suoli e la loro contaminazione in relazione a una crescente attività antropica hanno complicato il panorama internazionale complessivo per quanto riguarda l’uso di terreni per la produzione agricola. A questo si aggiungono fattori avversi determinati da condizioni naturali, legati ad esempio, in alcune parti del globo, alla presenza di una roccia madre naturalmente ricca di metalli a concentrazioni ecotossiche e pertanto difficilmente coltivabile o poco fertile. Perché allora non applicare questa metodologia a suoli agricoli presenti su terreni metalliferi, o contaminati, ma potenzialmente coltivabili? La messa a sistema di queste applicazioni di bonifica ha dunque inaugurato il filone dell’agromining, che ha come duplice finalità sia il recupero di elementi di interesse industriale, sia la rifunzionalizzazione di suoli agricoli per aumentarne la fertilità e di conseguenza la produttività riducendo gli input di fertilizzanti (2). In pratica si tratta di coltivare in modo sequenziale piante iperaccumulatrici su suoli agricoli, con elevate concentrazioni di metalli per renderli maggiormente fruibili dall’agricoltura tradizionale; a seguire, i suoli vengono normalmente coltivati con colture di interesse alimentare. Tale pratica si inserisce in un contesto ormai fortemente condizionato dal cambiamento climatico e di un sistema agroalimentare volto a una produzione massiva di alimenti, dove l’accumulo di metalli nelle parti eduli delle piante è da evitare in modo categorico. Lo stesso dicasi per le piante che vengono poi impiegate per la produzione di fitoterapici o nutraceutici. Se anche in questo caso l’impatto dell’agromining non è nullo, tuttavia i benefici derivanti risultano numerosi: ad esempio la possibilità di maggior impiego dei terreni, e di conseguenza di occupazione, per le comunità rurali, specialmente nei Paesi in via di sviluppo; l’attrattività economica per l’industria; l’aumento della fertilità dei suoli e di conseguenza la miglior produzione di vegetali. Questa metodologia è di interesse strategico, se si pensa che nel mondo esistono circa 700 specie di piante iperaccumulatrici, decine delle quali decisamente promettenti per i raccolti “metallici” sia nel nostro emisfero (ad esempio Brassicacee come Noccaea caerulescens od Odontarrhena chalcidica, anche nota come Alyssum murale – Fig.2) sia nell’emisfero australe, che vanta diverse piante a portamento arbustivo come il Phyllanthus balgooyi (Fig.3) o addirittura arboree come la Pycnandra acuminata (Fig.4), in grado di contenere nelle propria biomassa secca rispettivamente il 10 e il 25% di Nichel. La possibilità di impiegare questi minatori vegetali ha grandi potenzialità applicative se si considera la possibile creazione di una filiera che consenta poi l’essicazione, l’incenerimento e il recupero dal biominerale così generato di elementi utili attraverso le normali tecniche estrattive idrometallurgiche. 

E le applicazioni? Oltre ai metalli preziosi quali Oro e Argento, anche altri come il Nichel hanno un interesse economico legato all’impiego di questo metallo nelle batterie e nella produzione di acciaio. Inoltre, le applicazioni potrebbero essere ulteriori se si pensa alla produzione di integratori alimentari a base, ad esempio, di Selenio o Zinco, solo per citarne alcuni. 

Resta una filiera appena iniziata e tutta da costruire, si vedano ad esempio i progetti Agromine e Agronickel (3,4) (Fig.5), ma in potenziale rapida espansione, con una legislazione che dovrà gestire e in parte adeguarsi a queste tecnologie emergenti.

Gallery
Bibliografia

1. Rosatto S, Cecchi G, Roccotiello E et al (2021) Frenemies: Interactions between Rhizospheric Bacteria and Fungi from Metalliferous Soils.
Life 11(4): 273
2. Van der Ent A, Baker AJM, Echevarria G et al (2018) Agromining: Farming for Metals. Extracting Unconventional Resources Using Plants.
Springer, Cham, p.312
3. Agronickel ERA NET FACCE surplus, projects.au.dk/faccesurplus/research-projects-1st-call/agronickel/
4. LIFE Agromine Project, Life Environment 2015, LIFE15 ENV/FR/000512, www.life-agromine.com
5. www.earth.com/plant-encyclopedia

Recupero dei by-products nella filiera della frutta secca

Recupero dei by-products nella filiera della frutta secca

Cristina Danna

Università degli Studi di Genova
cristina.danna@edu.unige.it

L’esigenza del recupero delle biomasse di scarto derivanti dalla filiera agricola apre nuove prospettive di studio di forte interesse applicativo e di innovazione. Un caso emblematico di by-products, sottoprodotti, è quello rappresentato dalle biomasse di scarto derivanti dall’attività di produzione e lavorazione della frutta secca. Dal Nord al Sud Italia sono molteplici le specie coltivate e inserite nel mercato nazionale e internazionale. In questo breve articolo verranno presentati alcuni esempi di coltivazioni di frutta secca, le quali rappresentano i capisaldi di produzione, dal potenziale ancora maggiore se sviluppate nell’ottica dell’economia circolare. I principali scarti della produzione e della lavorazione della frutta secca sono rappresentati dal legno di potatura, dai gusci legnosi e dai tegumenti; molteplici sono gli utilizzi innovativi offerti da questi scarti, oggetto di studio della comunità scientifica. L’uso efficace dei sottoprodotti agricoli è sicuramente una grande sfida nella gestione dei rifiuti e la conversione di questi ultimi in risorse rappresenta un goal importante per la società moderna. I nuovi campi di studio riguardano sia la ricerca di nuovi materiali sia la ricerca relativa ai composti bioattivi recuperabili dagli scarti, obiettivo cardine per l’innovazione nei botanicals.

Le noci

La nocicoltura rappresenta un caposaldo della tradizione colturale italiana delle zone montane e collinari, diffusa solitamente dai 500 fino ai 1200 metri di altitudine. 
Juglans regia L., il Noce, è un albero appartenente alla famiglia delle Juglandaceae, dalle origini asiatiche, nella regione dell’attuale Uzbekistan. Introdotto in Europa già in antichità dai Greci e diffuso poi in tutto l’Impero in età romana. Il nome Juglans (da Iupiter “Giove” e da glans “ghianda”, “ghianda di Giove”) testimonia l’importanza e le proprietà attribuite al frutto. In Italia sono 4 mila gli ettari dedicati alla nocicoltura, per una produzione di circa 12 mila tonnellate. Vista la forte richiesta interna, che si attesta intorno alle 50 mila tonnellate, importazioni di noci vedono a capo del mercato gli USA, il Cile, la Francia e la Germania; da queste, circa 6 mila tonnellate sono gli scarti derivanti dalla produzione di noci sgusciate. Gli usi tradizionalmente noti del Noce come pianta alimentare, medicinale, tintoria e di uso artigianale vengono oggigiorno implementati da conoscenze e ricerche atte ad approcciare i bisogni e problemi della modernità. In quest’ottica si inserisce il discorso del recupero delle biomasse scartate in fase produttiva. 
Da un punto di vista morfologico, il frutto di Noce è composto da quattro parti principali: il nocciolo (embrione), la buccia (tegumento), il guscio e il mallo (Fig.1). 
Una review pubblicata recentemente (2020) da Ali Jahanban-Esfahlan (1) e collaboratori analizza la possibilità di un utilizzo del guscio del frutto come prezioso materiale vegetale bio-assorbente, impiegabile nella rimozione di materiali pericolosi. La porzione di guscio del frutto della noce è uno scarto agricolo lignocellulosico composto da cellulosa (17,74%), emicellulosa (36,06%) e lignina (36,90%). Negli ultimi anni il guscio di Noce è stato ampiamente studiato come bio-assorbente vegetale naturale e inerte. Vengono esplorate le potenziali applicazioni dei sottoprodotti derivati dai gusci di Noce per l’efficacia nella rimozione di vari materiali nocivi, tra cui metalli pesanti, sintetici, oli, ecc. Il materiale assorbente è stato in grado di assorbire dalle acque reflue 11 ioni di metalli pesanti: rame (Cu2+), cromo (Cr6+), arsenico (As3+), cadmio (Cd2+), piombo (Pb2+), cesio (Cs+), nichel (Ni2+), zinco (Zn2+), manganese (Mn2+), ferro (Fe2+) e mercurio (Hg2+). Questo agro-rifiuto ricco di cellulosa rappresenta anche il materiale adatto per lo sviluppo commerciale di packaging biodegradabile. Dingyuan Zheng e collaboratori (2) hanno utilizzato il guscio di Noce come materia prima per la produzione di cellulosa purificata. La tecnica di produzione prevede molteplici trattamenti, tra cui quelli alcalini e di sbiancamento. 
La produzione di materiali cellulosici a partire da materiali di scarto si inserisce in una logica di economia circolare, e ancora una volta l’obiettivo è convertire le biomasse di scarto in risorse e beni preziosi e necessari.
Recentemente è stato oggetto di studi anche un’altra parte del frutto, il mallo verde di Noce. Vanessa Vieira (3) e collaboratori ne hanno studiato l’estratto idroalcolico come fonte di composti bioattivi, dalle proprietà antiossidanti, antinfiammatorie e antibatteriche, volendo anche in questo caso valorizzare una biomassa generalmente scartata che potrebbe invece contribuire allo sviluppo di nuovi botanicals. Un ulteriore recente studio di Raffaele Romano e collaboratori (4), sempre relativo allo studio del mallo, si è focalizzato sull’estratto in CO2 supercritica. Nonostante il costo elevato, dovuto alla complessità dei macchinari, questa estrazione consente un minor impatto ambientale, in quanto il solvente utilizzato non lascia tracce e può essere recuperato e riutilizzato per ulteriori estrazioni. Gli estratti sono stati caratterizzati in termini di contenuto totale di polifenoli, con attività antiossidante e antifungina. Il mallo verde di Noce rappresenta, dunque, un’importante fonte economica di composti bioattivi che ne suggeriscono l’utilizzo per i packaging attivi nell’industria alimentare.

Figura 1
Le nocciole

Corylus avellana L., il Nocciolo, è un albero appartenente alla famiglia delle Betulaceae. Originario dell’Asia minore, si trova ampiamente spontaneo e coltivato in Italia fino a un’altitudine di 1300 m. Il nome scientifico della specie deriva dal greco κόρυς (córys) “elmo”, probabilmente a ricordo della forma della cupula, involucro fogliaceo che attornia il frutto; avellana è invece riferito alla città di Abella, nome latino di Avella Vecchia (Campania), anticamente rinomata per le nocciole. L’Italia è uno dei maggiori produttori a livello mondiale, secondo dopo la Turchia, con circa 86 mila ettari dedicati alla corilicoltura e una produzione di circa 110 mila tonnellate all’anno. Ricordiamo per importanza la Nocciola di Giffoni Igp, la Nocciola delle Langhe Igp e la Nocciola romana Dop.
La valorizzazione dei sottoprodotti delle nocciole (Fig.2) dà un importante contributo per l’isolamento e la purificazione di molecole bioattive che possono essere utilizzate sia per scopi medicinali che industriali.
Recentemente, Sandra Cabo e collaboratori (5) hanno studiato le cupule delle nocciole come fonte di polifenoli antiossidanti. L’estratto dalle maggiori attività antiossidanti è quello in metanolo, tuttavia nello studio vengono riportate ulteriori modalità di estrazione meno impattanti dal punto di vista ambientale, quale ad esempio l’estrazione con acqua, presentata come un’alternativa affidabile e sicura. 
Alessandro Di Michele e collaboratori (6) hanno invece studiato gli estratti dei gusci delle nocciole, isolando anche in questo caso agenti antiossidanti e antibatterici. L’acido gallico è risultato essere il composto fenolico più abbondante e a seguire l’acido clorogenico, rutina e acido protocatecuico.
Gli scarti delle nocciole sono inoltre utilizzabili come materia prima per l’industria della carta. A titolo esemplare, il progetto EcoPaper coordinato dalla Ferrero ha permesso di creare un packaging più sostenibile ed economico a partire dalle biomasse di scarto. 
Si stima che dai residui produttivi, bucce delle fave di cacao e gusci e cuticole di nocciole, inseriti per il 10% nel prodotto finale, vengano prodotte 1,5 milioni di tonnellate di carta annui.

Figura 2
I pistacchi

Pistacia vera L., il Pistacchio, è un albero appartenente alla famiglia delle Anacardaceae. Originario dell’Asia minore, si è diffuso nel bacino del Mediterraneo in età greco-romana. Pistacia, dal greco πιστάκη (pistáke) “pistacchio”, deriva dal vocabolo persiano pistáh, che significa “ricco di farina”. La coltivazione e produzione del Pistacchio in Italia è principalmente diffusa in coltivazioni che non superano gli 800 m di altitudine in Sicilia nella varietà Bianca di Bronte, il famoso Pistacchio che gode denominazione di origine protetta (Dop) ed è un Presidio Slow Food. Si stima che la produzione italiana ammonti a circa 3400 tonnellate, mentre le importazioni siano di circa 10.000 tonnellate.
Anche il Pistacchio, come nei casi precedentemente citati per altra frutta secca, vede nella sua filiera di produzione e trasformazione diversi scarti, principalmente guscio legnoso e “buccia” (Fig.3). 
Queste biomasse inutilizzate hanno attirato l’interesse scientifico nella ricerca di fonti alternative di composti bioattivi, aumentando il valore della produzione del Pistacchio. Un recente studio condotto da Antonella Smeriglio e collaboratori (7) ha dimostrato, mediante saggi in vitro e in vivo, gli effetti antiossidanti e inibitori della biosintesi della melanina di un estratto in metanolo di tegumenti di Pistacchio. I risultati suggeriscono che il tegumento di Pistacchio maturo può essere considerato come una promettente fonte di agenti antiossidanti e sbiancanti per lo sviluppo di nuovi prodotti utili nella prevenzione di disturbi della pigmentazione nell’uomo e/o per migliorare la qualità degli alimenti, aprendo nuove possibilità in campo nutraceutico e farmaceutico.
L’ulteriore lavoro di Nunzio Cardullo e collaboratori (8) riporta la valutazione dei gusci di Pistacchio, un sottoprodotto di scarso valore economico, come promettente fonte di polifenoli antiossidanti. Gli autori hanno proposto e ottimizzato una procedura di estrazione ecosostenibile con etanolo sotto irradiazione a microonde, e un metodo di frazionamento facilmente riproducibile e scalabile, adatto per applicazioni industriali. I risultati hanno evidenziato che la metodologia proposta può essere un modo efficace per recuperare i composti fenolici bioattivi dal guscio duro del Pistacchio, rendendo questo sottoprodotto una promettente fonte di composti con potenziali applicazioni nei settori alimentare e sanitario.

Figura 3
Conclusioni

È importante comprendere appieno il valore dei sottoprodotti derivanti dalla filiera produttiva della frutta secca e determinare la fattibilità tecnica e i metodi da utilizzare nel riciclo. Il problema che molti operatori del settore devono affrontare è quello di trovare macchinari e metodi idonei alla lavorazione di tali sottoprodotti, in grado di garantire il recupero di importanti molecole e composti bioattivi ancora presenti. Fondamentale risulta quindi, nella logica dell’economia circolare relativa al settore agricolo, inserire punti di raccolta dei sottoprodotti agricoli, connessi a sedi di lavorazione provviste dei macchinari adeguati, che alimentino nuovi cicli produttivi. Ancora una volta, da prodotti generalmente considerati di scarto può derivare un valore aggiunto. I riscontri positivi riguardano sia il mondo agricolo sia il mondo dell’impresa innovativa, attenta alla tutela dell’ambiente e delle sue risorse, e al benessere dei consumatori.

Bibliografia

1. Jahanban-Esfahlan A, Jahanban-Esfahlan R, Tabibiazar M et al (2020) Recent advances in the use of walnut (Juglans regia L.) shell as a valuable plant-based bio-sorbent for the removal of hazardous materials. RSC Advances 10(12):7026-7047
2. Zheng D, Zhang Y, Guo Y et al (2019) Isolation and Characterization of Nanocellulose with a Novel Shape from Walnut (Juglans Regia L.) Shell Agricultural Waste. Polymers (Basel) 11(7):1130
3. Vieira V, Pereira C, Abreu RMV et al (2020) Hydroethanolic extract of Juglans regia L. green husks: A source of bioactive phytochemicals. Food Chem Toxicol 137:111189
4. Romano R, Aiello A, Meca G et al (2021) Recovery of bioactive compounds from walnut (Juglans regia L.) green husk by supercritical carbon dioxide extraction. Int J Food Sci Technol 56(9):4658-4668
5. Cabo S, Aires A, Carvalho R et al (2021) Corylus avellana L. Husks an Underutilized Waste but a Valuable Source of Polyphenols. Waste and Biomass Valorization 12:3629-3644
6. Di Michele A, Pagano C, Allegrini A et al (2021) Hazelnut Shells as Source of Active Ingredients: Extracts Preparation and Characterization. Molecules 26(21),  doi:10.3390/molecules26216607 
7. Smeriglio A, D’Angelo V, Denaro M et al (2021) The Hull of Ripe Pistachio Nuts (Pistacia vera L.) as a Source of New Promising Melanogenesis Inhibitors. Plant Foods Hum Nutr 76(1):111-117
8. Cardullo N, Leanza M, Muccilli V et al (2021) Valorization of Agri-Food Waste from Pistachio Hard Shells: Extraction of Polyphenols as Natural Antioxidants. Resources 10(5), doi:10.3390/resources10050045

Le molteplici funzionalità del Carrubo

Le molteplici funzionalità del Carrubo

Da specie antica utilizzata nella dieta
alla possibile valorizzazione nutraceutica
dei sottoprodotti

Massimiliano Brugaletta

Agronomo, presidente associazione CAREX,
vicepresidente Distretto Frutta Secca di Sicilia
massibruga@gmail.com

Parole chiave

Variabilità Carrubo
Locust Bean Gum (LBG)
Ciclitolo