Extension of the shelf life of foods through the use of innovative biodegradable packaging

The food industry is facing new challenges in terms of the sustainability of food preservation technologies, which are driving the use of innovative packaging capable of prolonging the quality and safety of fresh, perishable products. Plastic polymers pose a problem for the environment due to their disposal and the risk of releasing substances that can compromise food quality and safety. Hence the need to develop packaging that can provide a suitable alternative to non-degradable plastics and reduce food waste. In this context, packaging made from biodegradable biopolymers, as well as edible coatings, represents a potential sustainable solution for preserving food quality. Furthermore, the possible incorporation of active substances into the coating matrix could slow down the rate of degradation and improve the organoleptic properties of the product. A technological approach to monitoring the deterioration processes and changes in the quality parameters of food during storage involves the study of kinetic parameters that describe these changes as a function of the intrinsic characteristics of the food, time and storage conditions. There is a growing need to constantly monitor quality until consumption, in order to define appropriate storage conditions based on shelf-life prediction models that take into account various factors affecting food stability. In light of these considerations, the research evaluated the effects of using biodegradable packaging and/or edible coatings, possibly supplemented with natural bioactive compounds, on the shelf life of minimally processed foods such as vegetables. The study investigated the kinetics of degradation, based on the monitoring of food quality indicators, with particular attention to the dependence on storage temperature. In particular, the experimental process also involved the study of Protected Geographical Indication (PGI) vegetables from the Calabria region, to promote local supply chains and investigate the behaviour of high-quality local raw materials. The PhD thesis began with an exploratory phase dedicated to evaluating the effectiveness of biodegradable materials compared to conventional ones. The first study investigated the behaviour of fresh-cut fennel packaged in polypropylene and polylactid acid (PLA), to verify whether a bio-based material could guarantee preservation comparable to plastic polymers. This initial phase laid the foundations of further insights, demonstrating that PLA can not only replace polypropylene as packaging material for vegetables, but can do so while maintaining their quality and sensory acceptability. From there, the PhD research evolved, integrating in a sustainable approach, a biodegradable material combined with the application on vegetables of an edible coating enriched with an extract obtained by citrus by-products, lemon pomace (Citrus limon (L.) Osbeck), rich in bioactive compounds. Specifically, the application of edible coatings on cherry tomatoes, combined with packaging in PLA and cellulosic materials, has highlighted the complementary role of antioxidant coatings and bio-based packaging, paving the way for more functional preservation strategies. At the same time, the research has introduced a fundamental element: the study of degradation kinetic modelling. This part of the research made it possible to quantify the quality of the products predictively. The mathematical approaches with kinetic models were initially conducted comparing different storage conditions for highly perishable fresh products, such as Isola di Capo Rizzuto PGI minimally processed fennel and Tropea red onion PGI minimally treated bulbs. In the final phase, the modelling was also extended to semi-processed products, such as semi-dried potato slices from Sila PGI, to investigate the transferability of the study to more stable matrices and to confirm the validity of the integrated packaging-coating-kinetic modelling approach. Overall, these assessments can contribute to the development of sustainable strategies for product preservation.

L'industria alimentare sta affrontando nuove sfide in termini di sostenibilità delle tecnologie di conservazione degli alimenti, che stanno promuovendo l'uso di imballaggi innovativi in grado di prolungare la qualità e la sicurezza dei prodotti freschi e deperibili. I polimeri plastici rappresentano un problema per l'ambiente a causa del loro smaltimento e del rischio di rilascio di sostanze che possono compromettere la qualità e la sicurezza degli alimenti. Da qui la necessità di sviluppare imballaggi in grado di fornire un'alternativa adeguata alla plastica non degradabile e di ridurre lo spreco alimentare. In questo contesto, gli imballaggi realizzati con biopolimeri biodegradabili, così come i rivestimenti commestibili, rappresentano una potenziale soluzione sostenibile per preservare la qualità degli alimenti. Inoltre, la possibile incorporazione di sostanze attive nella matrice del rivestimento potrebbe rallentare il tasso di degradazione e migliorare le proprietà organolettiche del prodotto. Un approccio tecnologico al monitoraggio dei processi di deterioramento e dei cambiamenti nei parametri di qualità degli alimenti durante la conservazione prevede lo studio dei parametri cinetici che descrivono tali cambiamenti in funzione delle caratteristiche intrinseche degli alimenti, del tempo e delle condizioni di conservazione. Vi è una crescente necessità di monitorare costantemente la qualità fino al consumo, al fine di definire condizioni di conservazione adeguate sulla base di modelli di previsione della durata di conservazione che tengano conto dei vari fattori che influenzano la stabilità degli alimenti. Alla luce di queste considerazioni, la ricerca ha valutato gli effetti dell'utilizzo di imballaggi biodegradabili e/o rivestimenti commestibili, eventualmente integrati con composti bioattivi naturali, sulla durata di conservazione di alimenti minimamente trasformati come gli ortaggi. Lo studio ha indagato la cinetica di degradazione, basandosi sul monitoraggio degli indicatori di qualità degli alimenti, con particolare attenzione alla dipendenza dalla temperatura di conservazione. In particolare, il processo sperimentale ha coinvolto anche lo studio di ortaggi a Indicazione Geografica Protetta (IGP) della regione Calabria, al fine di promuovere le filiere locali e indagare il comportamento delle materie prime locali di alta qualità. La tesi di dottorato è iniziata con una fase esplorativa dedicata alla valutazione dell'efficacia dei materiali biodegradabili rispetto a quelli convenzionali. Il primo studio ha esaminato il comportamento del finocchio fresco tagliato confezionato in polipropilene e polilattato, per verificare se un materiale a base biologica potesse garantire una conservazione paragonabile a quella dei polimeri plastici. Questa fase iniziale ha gettato le basi per ulteriori approfondimenti, dimostrando che il polilattato non solo può sostituire il polipropilene come materiale di imballaggio per gli ortaggi, ma può farlo mantenendone la qualità e l'accettabilità sensoriale. Da lì, la ricerca di dottorato si è evoluta, integrando in un approccio sostenibile un materiale biodegradabile combinato con l'applicazione su ortaggi di un rivestimento commestibile arricchito con un estratto ottenuto da sottoprodotti degli agrumi, la polpa di limone (Citrus limon (L.) Osbeck), ricca di composti bioattivi. In particolare, l'applicazione di rivestimenti commestibili sui pomodorini, combinata con l'imballaggio in polilattato e materiali cellulosici, ha evidenziato il ruolo complementare dei rivestimenti antiossidanti e degli imballaggi a base biologica, aprendo la strada a strategie di conservazione più funzionali. Allo stesso tempo, la ricerca ha introdotto un elemento fondamentale: lo studio della modellizzazione cinetica della degradazione. Questa parte della ricerca ha permesso di quantificare in modo predittivo la qualità dei prodotti. L'approccio matematico con modelli cinetici è stato inizialmente condotto confrontando diverse condizioni di conservazione per prodotti freschi altamente deperibili, come il finocchio minimamente lavorato dell'Isola di Capo Rizzuto IGP e i bulbi minimamente trattati della cipolla rossa di Tropea IGP. Nella fase finale, la modellizzazione è stata estesa anche a prodotti semilavorati, come le patate semisecche della Sila IGP, per verificare la trasferibilità dello studio a matrici più stabili e confermare la validità dell'approccio integrato confezionamento+rivestimento+modellizzazione cinetica. Nel complesso, queste valutazioni possono contribuire allo sviluppo di strategie sostenibili per la conservazione dei prodotti.