Applicazioni di Nanocellulosa da Scarti e Sottoprodotti come Materiale Sostenibile ad Alte Performance per il Confezionamento Alimentare

In this PhD thesis, an in-depth investigation was carried out to explore the potentiality of waste and by-products as alternative raw materials to achieve eco-sustainable and biodegradable biopolymer, namely cellulose nanocrystal (CNC) and nanofiber (CNF). The targeted supplied agricultural and industrial materials in the form of waste or by-products, such soy hull and cotton powder or carrots or other waste products were chosen among the different biomass feedstock as alternative source of CNC and CNF. The final goal was the acquisition of scientific and technological knowledge regarding multifunctional cellulose-based materials characterized by improved performance and low cost, which are suitably in line with the actual trend and environmental need of reducing synthetic polymers and improve the global environmental impact of the packaged food products. The dissertation consists of five chapters and an executive summary, which altogether cover the development of extraction processes, the optimization attempts with respect to conventional methodologies, along with the characterization and applications of the ensuing nanomaterials. After discussing the general background of the project, highlighting the shortcomings still existing to a widespread exploitation of nanocellulose in the food packaging field, in the first chapter the objective is pursued of identifying the most suitable raw materials for the recovery of their valuable cellulosic nanocomponents, in terms of technological and economic feasibility, and output quality. Over the following chapters, the most promising matrices are broken down into cellulose nanofibers or further disintegrated into the smaller nanocrystals, by developing laboratory-scale deconstructing strategies, which provide, albeit building on previous investigations, innovative and more sustainable approaches entirely customized to the specific raw material. These activities are complemented by an in-depth investigation and comparison of the morphological and physico-chemical features of the nanomaterials produced, also determining how these features can affect the physical, mechanical, and diffusional performance of the nanomaterials once used in applications intended for food packaging.

In questa tesi di dottorato è stato svolto un approfondito lavoro sperimentale per indagare le potenzialità di scarti e sottoprodotti come materie prime alternative per ottenere biopolimeri ecosostenibili e biodegradabili, noti come nanocristalli (CNC) e nanofibre (CNF) di cellulosa. I materiali agricoli e industriali oggetto di studio, in forma di rifiuti o sottoprodotti, come le bucce di soia e la polvere di cotone, la sansa di carote o altri prodotti di scarto, sono stati scelti tra le diverse biomasse come fonte alternativa di CNC e CNF. L' obiettivo finale è stato l'acquisizione di conoscenze scientifiche e tecnologiche su materiali multifunzionali avanzati a base di cellulosa, caratterizzati da prestazioni migliorate e basso costo, opportunamente in linea con l'effettivo trend e la necessità ambientale di ridurre i polimeri sintetici e migliorare l'impatto ambientale globale del confezionamento alimentare. La tesi si compone di cinque capitoli e un sommario esecutivo, che complessivamente coprono aspetti legati allo sviluppo dei processi di estrazione, ai tentativi di ottimizzazione rispetto alle metodologie convenzionali, nonché alla caratterizzazione e alle applicazioni dei nanomateriali risultanti. Dopo un'introduzione generale al contesto del progetto, evidenziando i limiti ancora esistenti ad uno sfruttamento diffuso della nanocellulosa nel settore del confezionamento alimentare, nel primo capitolo l’obiettivo perseguito è stato individuare le materie prime più idonee al recupero dei loro preziosi nano-componenti cellulosici, in termini di fattibilità tecnologica ed economica, e di qualità dell'output. Nel corso dei successivi capitoli, le matrici più promettenti sono scomposte in nanofibre di cellulosa o ulteriormente disintegrate in nanocristalli, sviluppando strategie di decostruzione, in scala di laboratorio, che, seppur basate su precedenti indagini procedurali, propongono soluzioni estrattive completamente personalizzate e ottimizzate sulle materie prime, coinvolgendo approcci innovativi e più sostenibili. Queste attività sono integrate da indagini approfondite che consentono di identificare e confrontare le caratteristiche morfologiche e fisico-chimiche specifiche dei nanomateriali prodotti e determinare come queste ne influenzino le prestazioni fisiche, meccaniche e diffusionali, una volta utilizzati in applicazioni di imballaggio alimentare.