Estrazione in continuo di molecole bioattive da scarti di mare

Proposta di ricerca Le industrie di produzione e trasformazione alimentare generano una enorme quantità di materiali di scarto durante la lavorazione delle materie prime e la loro trasformazione in prodotti finiti. Questi scarti di lavorazione sono generalmente “rifiuti organici” ricchi di molecole bioattive che possono essere estratte e commercializzate come ingredienti alimentari funzionali, nutraceutici, prodotti farmaceutici e cosmetici. Per questo motivo gli scarti di lavorazione dei processi alimentari sono di grande interesse, anche se sono ancora molti i problemi correlati al riutilizzo degli scarti di lavorazione e/o all’estrazione di materie prime seconde da essi. Durante l’ultimo decennio c’è stato un aumento significativo di produzione commerciale di prodotti marini lavorati e trasformati con un concomitante aumento della produzione di scarti di lavorazione considerati rifiuti. Gli organismi marini sono ricchi di molecole bioattive molto preziose che possono essere utilizzate in prodotti clinicamente testati a beneficio della salute umana. Gli scarti di lavorazione dei crostacei (variabile in peso tra il 45 ed il 70% dell’animale), sono fonte di acidi grassi, astaxantina, chitina e glucosamina. Il chitosano, forma deacetilata della chitina (composto da glucosamina) ha attirato grande attenzione per la sua solubilità in condizioni acide, proprietà antimicrobiche e biocompatibilità, tanto che chitina e chitosano sono molto utilizzati nell’industria alimentare, cosmetica e farmaceutica. Nel settore agro-alimentare, le possibili applicazioni della chitina e dei suoi derivati spaziano dall’utilizzo in prodotti alimentari ad alto valore aggiunto (es. ingrediente di integratori alimentari), alla conservazione degli alimenti, alla formazione di pellicole biodegradabili, al recupero di materiale di scarto da reflui, fino alla purificazione dell’acqua e alla chiarifica e deacidificazione dei succhi di frutta (Muzzarelli C. et al., 2003). La bioattività di molecole estratte da scarti del mare sembra correlata a tre principali classi chimiche di metaboliti primari, proteine, lipidi e carboidrati (Rasul H.A et al., 2016). I lipidi comprendono acidi grassi polinsaturi (PUFA) conosciuti per la prevenzione di malattie dell’apparato cardiocircolatorio e per il trattamento dell’artrite reumatoide Tra i carboidrati, invece, vengono studiati i polisaccaridi.

Per quanto riguarda le proteine, l’attenzione è principalmente indirizzata a peptidi biofunzionali di dimensioni comprese tra 2 e 20 residui amminoacidici, associati a numerose funzioni fisiologiche tra cui l’attività immunomodulatoria, antimicrobica, antitrombotica, antipertensiva etc (Grienke U., et al., 2014). Inoltre, idrolizzati proteici e peptidi di molluschi e crostacei hanno dimostrato attività antiossidante in vitro. Molti peptidi biofunzionali sono stati segnalati e studiati in tessuti di pesce, ma le fonti quali crostacei e molluschi risultano ancora poco studiate e da approfondire ampiamente (Beaulieu L., et al., 2013). L’estrazione, purificazione, caratterizzazione di questi prodotti e la loro conversione in ingredienti biofunzionali con alto valore aggiunto potrebbero valorizzare la grande quantità di materiale di scarto che si ricava da matrici ittiche e fornire una soluzione ai problemi ambientali di smaltimento dei rifiuti dell’acquacoltura, generando al contempo nuove entrate per le industrie correlate. Per riuscire ad utilizzare le risorse ittiche in modo responsabile ed efficiente è indispensabile stabilire metodi funzionali e sicuri per l'estrazione dei nutrienti e di altri composti bioattivi.

In questo progetto si prevede di applicare una serie di metodiche moderne e tecnologicamente avanzate per estrarre molecole potenzialmente bioattive. Uno dei metodi più utilizzati per purificare miscele complesse di peptidi è appunto la cromatografia liquida preparativa. Mediante questo approccio è possibile ottenere quantità finite (dai mg fino ai kg, in funzioni delle dimensioni della strumentazione e/o dell’impianto) del peptide di interesse ad elevato grado di purezza (fino a > 99%). I processi di purificazione, in base alla complessità della miscele, possono essere effettuati mediante strumentazioni cosiddette a singola colonna (batch) oppure multicolonna. Nel secondo caso, attraverso un controllo di processo altamente automatizzabile è possibile ottenere cicli di produzione in continuo della molecola di interesse. Grazie ad un sistema di valvole controllate da remoto, infatti, è possibile isolare e raccogliere la frazione pura di peptide e reimmettere nel sistema cromatografico (per una ulteriore purificazione) tutte quelle frazioni che contengono il prodotto target ad una purezza non ancora accettabile. Questo approccio, che come si è detto è altamente automatizzabile e completamente gestibile da software, offre diversi vantaggi tecnici rispetto ai più tradizionali metodi di purificazione, primo fra tutti la facile scalabilità a sistemi di dimensioni maggiori e/o a sistemi utilizzati in parallelo. Il processo continuo, in sintesi, consente non solo di massimizzare la resa ma anche di minimizzare il consumo di campione e di solvente, aumentando quindi notevolmente la produttività (in termini di quantità di prodotto purificato per ora) e diminuendo l’impatto ecologico rispetto ai metodi tradizionali in batch (De Luca C. et al., 2020). Metodi innovativi “Green” verranno utilizzati anche per l’estrazione della componente lipidica e chitina/chitosano mediante purificazione e separazione gascromatografia abbinata a rivelatori di massa (GC-FID e GC-MS/MS) e utilizzo di ultrasuoni per ridurre solventi e tempi di estrazione, aumentando così l’efficienza produttiva ma riducendo consumi e impatto ambientale. La messa a punto quindi di questi processi estrattivi e di caratterizzazione su scala laboratorio/pilota è un elemento chiave per ottimizzare il loro impiego su scala industriale e, quindi, di un loro scale-up economicamente sostenibile.

Bibliografia
- Beaulieu L., Thibodeau L., Bonnet C., Bryl P., Carbonneau M. E. Evidence of Anti-Proliferative Activities in Blue
Mussel (Mytilus edulis) By-Products. Mar. Drugs, 11 (2013), 975-990.
- De Luca C, Felletti S., Lievore G., Chenet T, Morbidelli M., Sponchioni M., Cavazzini A., Catani M.
"Modern trends in downstream processing of biotherapeutics through continuous chromatography: The potential of
Multicolumn Countercurrent Solvent Gradient Purification", Trends in Analytical Chemistry 132 (2020) 116051.
- Grienke U., Silke J., Tasdemir D. Bioactive compounds from marine mussels and their effects on human health.
Food Chemistry,142 (2014) 48–60.
- Rasul Suleria H. A., Masci P., Gobea G., Osborneb S. Current and potential uses of bioactive molecules from
marine processing waste. J Sci Food Agric; 96, (2016), 1064–1067.
- Muzzarelli, C., Tosi, G., Francescangeli, O., & Muzzarelli, R. A. Alkaline chitosan solutions. Carbohydrate
research, 338 (2003), 2247–2255.

Cooperativa Santa Lucia - Goro

Periodo: 6 mesi

Il progetto è coerente con i seguenti Ambiti di Ricerca e Innovazione del PNR 2021-2027:

5.6.1 Green technologies
Articolazione 1 - Biochemicals, bioprodotti e processi chimici sostenibili in sinergia con biofuels, bioenergy e agroenergie

5.6.3 Bioindustria per la bioeconomia
Articolazione 2. Bioindustria circolare
Articolazione 3. Recupero e valorizzazione di scarti e prodotti organici a fine vita, per la rigenerazione dei suoli e la protezione dell’ambiente.

La realizzazione dei principi di “circolarità” dell’economia richiede lo sviluppo di una chimica cosiddetta “rigenerativa” che non consumi risorse e non crei rifiuto ma rifinalizzi i prodotti di trasformazioni naturali o antropiche tenendo conto delle peculiarità di ciascuno di essi in termini di provenienza e composizione.

Questo approccio richiede lo sviluppo di filiere integrate in grado di garantire, anche avvalendosi di tecnologie innovative, conoscenza e valorizzazione di tutte le componenti chimiche complesse estraibili e avviabili alla produzione di speciality chemicals quali prodotti nutraceutici, cosmetici e farmaceutici.

In questo principio di circolarità rientra questo progetto finalizzato all’estrazione con metodiche continue innovative e “green technologies” di preziose biomolecole attive da scarti della lavorazione del mare. Il restante materiale organico può essere successivamente valorizzato nella produzione di biocombustibili e bio-based products, seguendo processi biotecnologici/chimici, a seconda della natura della biomassa di partenza e delle economie di processo.

Il progetto inoltre, come indicato nel PNR 2021-2027, risulta fortemente integrato nell’ambito della bioindustria circolare con la valorizzazione della biodiversità acquatica per una produzione sostenibile di bioprodotti (quali componente lipidica, peptidica, chitina e altre molecole)  e la valorizzazione integrata delle biorisorse rinnovabili non alimentari primarie e residuali derivanti dall’ambiente marino, quali appunto gli scarti ittici.

Particolare attenzione è stata posta oltre che allo studio delle potenzialità derivanti dalle biorisorse marine, come fonte di biomasse e biomolecole, anche allo studio di approcci metodologici che rispondano a criteri di sostenibilità e circolarità, considerando l’utilizzo di solventi green e metodologie in continuo che permettano un aumento considerevole della produttività con notevole diminuzione dell’impatto ecologico ed ecotossicità. Queste metodologie potranno  essere riprodotti su scala industriale nel settore di acquacoltura e ittica.

La valorizzazione degli scarti di lavorazione dei prodotti ittici con metodologie di estrazione in continuo presenta inoltre una duplice finalità che rispecchia appieno alcuni dei riferimenti PNR 2021-2027 . Da una parte c’è il recupero di preziose molecole bioattive attraverso la realizzazione di nuove catene di valore circolare e connessioni industriali (industria nutraceutica, cosmetica, farmaceutica, mangimistica). Dall’altra, il progetto mira a realizzare la forte riduzione o addirittura la totale eliminazione degli scarti di lavorazione, permettendo quindi la gestione del fine vita di materiali organici in un’ottica di economia circolare di biodegradazione e trasformazione controllata ed ecotossicità sostenibile.

Il progetto è quindi fortemente connesso all’area tematica SNSI relativa alle tecnologie per biomateriali e prodotti bio-based nell’ambito della sostenibilità ambientale con progettazione ed utilizzo di nuove tecnologie per l’estrazione di biomolecole e la forte riduzione degli scarti dell’acquacoltura.

• Molecole bioattive
• Estrazione
• Acidi grassi
• Antiossidanti
• Antimicrobici
• Peptidi
• Prevenzione di malattie
• Riduzione degli scarti
• Riutilizzo
• Acquacoltura
• Cromatografia
• Produttività
• Green
• Riduzione di solventi
• Economia circolare
• Biorisorse