Design and development of sustainable polymeric and biopolymeric materials for innovative industrial applications
Author(s)
Lombardi, Andrea
Date Issued
July 10, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The Plastic industry is certainly included among the most emblematic cases of the crisis of traditional linear economic models based on “production-use-disposal”. The elevated dependency on fossil fuels, a rapid obsolescence rate and inefficient reuse and recycle processes allow to include this sector within the main responsible for the “triple planetary crisis”, which involves pollution, loss of biodiversity and climate changes. This dramatic scenario requires a transition towards novel economic models based on circularity principles. In this framework, bioplastics represent a concrete innovation. However, the lack of sustainable raw materials and policies fragmentation, is slowing the process of conventional plastic polymers with bioplastics. The possibility to improve these sustainable polymeric matrices with natural active ingredients allowed these new polymers the opportunity to provide an enhanced added value, especially for specific industrial applications such as food packaging, biomedicine and energy. In this context, this doctoral project aimed to design and develop innovative active materials through the integration in biopolymeric matrices of phenolic-rich extracts derived from agro-industrial wastes and by-products, in a comprehensive compliance with circular economy principles. Firstly, a wide-spectrum literature analysis was conducted, allowing to identify the main critical issue limiting the technological transfer in this industrial sector. Research was focused on polylactic acid (PLA)-based materials, the forerunner of bioplastics in terms of market interest, thanks to its versatility, compliance with conventional plastic production processes and sustainability. Subsequently, an experimental activity was conducted to extract and characterize phenolic fractions from plant biomass and agro-industrial by-products, de-oiled pomace from olive (Olea europaea L. -OLE), wastes from the wood processing of sweet chestnut (Castanea sativa Mill. - CSW), pomegranate peel (Punica granatum L. - PGP) and grape pomace (VVP) and seeds (VVS) of Vitis vinifera L. The chromatographic HPLC-DAD-MS analysis allowed to identify natural phenolic compounds with high-biological value, including hydroxytyrosol, punicalagins, anthocyanins, hydrolysable and condensed tannins. These extracts were tested in vitro to assess their antifungal activity against filamentous fungi and dermatophytes. Results showed high antifungal properties, in particular for PGP and CSW, with low EC50 in some cases. Among the extracts, CSW has been selected for active materials production due to thermal compatibility with PLA extrusion and film forming processes. Three different materials were produced by extrusion using PLA and growing CSW concentration, 1%, 3% and 5% (w/v) respectively. Afterward, the materials were characterized from both a structural and functional perspective. Compared to neat PLA, all formulations showed excellent antioxidant properties, almost blocking the DPPH activity already with 3% of the extract. Due to problems occurred during the material’s antifungal tests, CSW was tested in vitro for antibacterial activity, revealing excellent inhibitory performance against Gram-positive pathogens. The activity was confirmed even after film production, where the material with 5% of CSW inhibited the growth of Staphylococcus aureus and Bacillus cereus. In addition, the material passed the industrial compostability test according to ISO 20200:2016, revealing compliance for use in food contact, also remaining within the legal limits related to overall migration. This project is a concrete example of a sustainable innovation generated by the synergy between academic research and industry, in line with the objectives of the DM 1061/2021 (Dottorato di Ricerca, PON Ricerca e Innovazione 2014–2020).
Il settore industriale della plastica rappresenta uno dei casi più emblematici della crisi che coinvolge i sistemi lineari di produzione e consumo. La dipendenza dai combustibili fossili, un elevato tasso di obsolescenza e sistemi di riuso e riciclo inefficienti, rendono questo settore tra i principali responsabili della tripla crisi planetaria che coinvolge inquinamento, perdita di biodiversità e cambiamenti climatici. Questo scenario impone una transizione verso modelli economici basati sui principi della circolarità. In questo, le bioplastiche rappresentano un’opzione promettente. Tuttavia, la ridotta presenza di materie prime sostenibili e comuni politiche incentivanti livello globale, rallentano la transizione. La possibilità di funzionalizzare con ingredienti naturali attivi le matrici bioplastiche permette di creare prodotti ad elevato valore aggiunto, soprattutto per applicazioni industriali specifiche, come il settore del food packaging, biomedicale e dell’energia. In questo contesto si inserisce il presente progetto di dottorato, che si è prefisso come obiettivo principale la progettazione e lo sviluppo di materiali attivi mediante l’integrazione in matrici biopolimeriche di estratti ricchi in composti fenolici provenienti da processi di recupero di scarti e sottoprodotti delle lavorazioni agro-industriale, in accordo con i principi di economia circolare. Inizialmente, un’ampia analisi della letteratura e delle soluzioni commerciali hanno permesso di identificare le principali barriere tecnico-scientifiche che ostacolano il trasferimento tecnologico in questo specifico settore su scala industriale. La ricerca si è concentrata su materiali a base di acido polilattico (PLA), capostipite tra le bioplastiche per motivi connessi alla versatilità, adattabilità agli attuali sistemi produttivi delle plastiche convenzionali e alla sostenibilità. Successivamente, è stata condotta un’attività sperimentale volta all’estrazione e caratterizzazione di frazioni fenoliche da biomasse vegetali e sottoprodotti agroindustriali, tra cui sansa de-oleata di Olivo (Olea europaea L. -OLE), scarti legnosi della lavorazione del castagno (Castanea sativa Mill. - CSW), bucce di melograno (Punica granatum L. - PGP) e vinacce (VVP) e semi (VVS) di Vitis vinifera L. Le indagini cromatografiche (HPLC-DAD-MS) hanno permesso di identificare composti fenolici ad alto valore biologico come idrossitirosolo, punicalagine, tannini idrolizzabili e condensati, e antociani. Questi estratti sono stati quindi testati in vitro per la loro attività antifungina in vitro, su ceppi di funghi filamentosi e dermatofite di interesse alimentare e biomedicale. I risultati hanno mostrato una forte attività antifungina, in particolare per gli estratti PGP e CSW, con valori di EC50 molto bassi. Tra i gli estratti, CSW è stato selezionato per la produzione dei materiali attivi, vista la compatibilità termica con i processi di estrusione e filmatura del PLA. Sono stati ottenuti 3 tipologie di film attivi, contenenti rispettivamente l’1%, 3% e 5% di estratto. Successivamente, i materiali sono stati caratterizzati sia da un punto di vista strutturale che funzionale. Nel dettaglio, tutte le formulazioni hanno mostrato ottime capacità antiossidanti, bloccando quasi totalmente l’attività del radicale DPPH già con il 3% dell’estratto. A causa di complicazioni nei test antifungini dei materiali, CSW è stato sottoposto ad uno screening delle attività antibatteriche, rivelando ottime performance nei confronti di patogeni Gram-positivi. L’attività antibatterica è stata confermata anche nei materiali, con la formulazione con il 5% di estratto che ha inibito la crescita di Staphylococcus aureus e Bacillus cereus. Inoltre, Il materiale ha superato i test di compostabilità industriale secondo la norma ISO 20200:2016, risultando conforme per l’uso in contatto con alimenti, rimanendo anche entro i limiti di legge per quanto riguarda la migrazione complessiva dell’ingrediente attivo. Questo progetto rappresenta un esempio concreto di innovazione sostenibile generata dalla sinergia tra ricerca accademica e mondo industriale, in linea con gli obiettivi del DM 1061/2021 (Dottorato di Ricerca, PON Ricerca e Innovazione 2014–2020).
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze delle Produzioni Vegetali e Animali