gestione delle risorse: #rifiuti

Gestione delle risorse: Rifiuto/Sottoprodotto

Faenza, 25 Febbraio 2014

Marco Dalla RosaCentro Interdipartimentale di Ricerca Industriale

AgroalimentareAlma Mater Studiorum Università di Bologna

Campus di Cesena

venerdì 28 febbraio 2014

OUTLINE Premessa

Utilizzo di Scarti e Residui della lavorazione agricola: la bioraffineria

Il problema del packaging e la Bioeconomy

Lo spreco alimentare

Utilizzo di Scarti e sottoprodotti di processo in uso alimentare

Caratteristiche funzionali dei componenti recuperati

Utilizzo composti di valore funzionale nel food design

Conclusioni venerdì 28 febbraio 2014

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ITALY and Emilia Romagna: On the Top in Food culture2

257: Highest number of Geographical indications and traditional specialities


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Le sfide e le opportunità: Beyond the borders

society &Consumer’s

well being sustainability

crossing nutritional, clinical,

psicological, social, cultural Environments

3

Changing Food Technology paradigm


The Bioeconomy Using research and innovation to produce renewable raw materials sustainably in agriculture, forestry, fisheries and aquaculture…

5

…and to process renewable raw materials into value added products in the food, bio-based and energy industries.

J. Lucas, 2013


OUTLINE Premessa








7

White/Industrial Biotechnology (IB): a common challenge for the Technological

Platforms "SusChem" and "Food for Life“ at the European and Italian level

Fabio Fava Ph.D., Professor of Industrial & Environmental

Biotechnology

Faculty of EngineeringAlma Mater Studiorum – University of Bologna

E-mail: [email protected]


8

Food-industry surplus

Tailored crops

Sugars(Lipids, Proteins,other chemicals)

Biochemical treatment

Food and nutrition

products, new ingredients

with beneficial

health properties

“ C o n s t r u c t i o n ” o f p l a n t s w i t h b e t t e r sensory, nutritional and production properties

Proper enzymes and/or microbes

in a suitable biotech process

New/improved fermentative

and enzymatic products with

beneficial health

properties.

Improved production of

microbes carrying bioactive agents

IB for “Food for Life” : food quality & manifacturing

Food-industry residues, wastes

Agro-industryresidues & surplus

Prof. Fabio Fava - UNIBO


9

Biomass,Agroindustry (by)products

Sugars(Lipids, proteins,

etc

BiospecialtiesFood ingredientsPharmaceuticalsFine chemicals

Biomaterials

Fine chemicals

Chemo-physical treatmentand/or enzymes

BiofuelsEthanol, biodiselHydrogen, biogas Bulk chemicals

Base Chemicals

Plants for the Future

andEPOBIO

Innovative and sustainableuse of forest

resources

Food for Life

Biofuels

White Biotech/IB in the Food Value Chain

IB: a common challenge for different ETPs

H2 & fuel cells

Textile & chlotings

White Biotech/IB in the Non Food Value Chain

Prof. Fabio Fava - UNIBO


OUTLINE Premessa







Packaging sostenibile

Biodegradabilià

Biopolimeri

RiciclabilitàClean stream di poliolefineVetroMetalli

11


Toward an eco-design of safe and sustainable bio-based packaging

for food Nathalie GONTARD, EcoBioCAP coordinator, INRA, France

H. ANGELLIER, C. GUILLAUME, V. GUILLARD (Univ. Montpellier II, Fr.), C. SCHÖNWEITZ (Fraunhofer IVV, Ge.), F. FAVA (Univ. Bologna, It.), C.

LAGARON (CSIC, Es.), M. MAJONE (Univ. Roma. It.)


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EFFoST 2013: Sessions Map & Topics4

Food Security, Health, Food Safety, Climate Change and Sustainability are keywords of the next Horizon 2020 Societal Challenges.

Chair M. Dalla Rosa


INPUTS = Resources usedExhaustion vs Renewing

• Energy• Materials • Land

• Air• Water• Soil• Waste

OUTPUTS = Emissions to…

Accumulation vs Elimination

Raw materials production or acquisition

Manufacturing, processing, formulation

Distribution, transportation

Use, reuse, maintenance

Waste production & management

14

Obsolescence vs Sustainability

What sustainable means?

Nathalie GONTARD, EcoBioCAP coordinator, INRA, Francevenerdì 28 febbraio 2014

Fresh fruits and vegetables losses (FAO)

Food and sustainability

Nathalie GONTARD, EcoBioCAP coordinator, INRA, France


Food production Food losses vs. Food waste

Up to 40%Production, distribution,

consumption

Developing countries Developped countries

Up to 20%responsible for obesity and

other diseases

Less than 50% of production reach the target

15% missing food

16

Food and sustainabilityNathalie GONTARD, EcoBioCAP coordinator, INRA, France


Food and sustainabilityLotta allo spreco alimentare


Cicli di vita dei polimeri Biodegradabili18


Molecular (WP2)

Nanoscopic (WP2,3)

Microscopic (WP3,4)

Macroscopic (WP3,4)

Scales

EcoBioCAP

By-products

Stakes

Industrial (WP1,6)

Consumer (safety & quality)

(WP4,6)

Environmental (WP1,5)

STRATEGYNathalie GONTARD, EcoBioCAP coordinator, INRA, France

http://www.ecobiocap.eu/




Necessario valutare l’idoneità tecnologica

20

• Orientamento ad una sempre più ridotta dipendenza dalle risorse fossili: economia “biobased” e conseguente recupero di energia

• Sviluppo di nuovi materiali “amici dell’ambiente”

• Maggior valore aggiunto sul prodotto finale e minore impatto ambientale


Texture Analyser TA.HDi type, with a Tensile Grip (A/TG)

accessory

Perkin-Elmer type Pyris DSC-6 Instrument

Shimadzu DTG-60 simultaneous DTA-TG

apparatus

Sample Thickness Tester DM-G

Perkin-Elmer-1725-X spectrophotometer

GDP-C Brugger Feinmechanik GmbH permeability device

Characterization


Lyfe Cycle Assessment (LCA) can help set the right direction for

product innovation

Human Health

Ecosystem Quality

Climate Change

Resources

Damage Category

Environmental Indicators

Energy consumptionWater consumptionSolid waste Global warmingOzone depletionHuman toxicityAcidificationEutrophicationAquatic ecotoxicity

Multilayer Polymer Bag for Food Packaging Application


LCA imballaggio alimentare23


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Bando “Dai distretti produttivi ai distretti tecnologici”

Progetto TEPASS

Obbiettivo: testare una nuova tecnologia del settore plastico: un masterbatch pellets in granuli in grado di aumentare la biodegradabilità delle materie plastiche in alternativa alle ormai tradizionali "bioplastiche".

Gli additivi, offrono prodotti biodegradabili ma non propriamente compostabiliTali additivi, combinati con le resine plastiche tradizionali con un carico del solo 1%, rendono i prodotti finali completamente biodegradabili

La biodegradazione degli imballagggi realizzati con l'aggiunta degli additivi inizierà soltanto quando, terminato il loro naturale ciclo di vita e d'utilizzo, questi verranno a contatto (in discarica, nei compost, interrati o in qualsiasi altro luogo) con un'altra sostanza che si sta biodegradando.

24


CIRI Agroalimentare

• www.agroalimentare.unibo.it

• www.mam.unibo.it

• [email protected]



• CONTATTI

• MatFood Project è un laboratorio avanzato di ricerca industriale sulle

tematiche alimentari, nutraceutiche, dei cosmetici e dei

materiali e tecnologie per il packaging.

• Nato per rispondere alle richieste interdisciplinari di un settore ad altissima intensità tecnologica,

MatFood Project coordina le attività di oltre 200 ricercatori con

una dotazione strumentale di eccellenza, impegnati su decine di

contratti di ricerca privata e numerosi progetti internazionali

finanziati dalla Comunità Europea.

• MatFood Project è una struttura che si sviluppa direttamente

all’interno dell’industria manifatturiera attraverso laboratori

“in azienda” in cui team misti università-impresa sviluppano soluzioni, prodotti e macchine

innovative per il settore alimentare.

• Nuovi materiali, nanotecnologie, sensoristica avanzata, importanti

partnership industriali ed una consolidata esperienza nelle

tecnologie alimentari e nutrizionistiche consentono a MatFood Project di progettare soluzioni innovative, realizzare prototipi e testarli sul campo.


OUTLINE Premessa







Esempio N.1: Produzione di Biovanillina da Crusca (a)

Obiettivo: Sviluppare un processo per la produzione di vanillina naturale da crusca di grano (con Prof. M. Ruzzi, Univ. Viterbo e Prof. L. Setti, Univ. Bologna).

Sponsor: MIUR (2 PRIN, 2002-05); Azienda (2006-08); FP7 NAMASTE (‘10-’12)

Razionale:

La Vanillina e’ uno dei flavour piu’ usati (12.000 ton/anno) E’ prodotta al 97% via ossidazione chimica di Guaiacolo e Lignina ( ~13 €/kg). La vanillina naturale si ottiene da Vanilla sp. (1% del mercato; ~2,000 €/kg). Puo’ essere anche prodotta da Acido Ferulico via conversione microbica; I costi della produzione biotecnologica possono essere ridotti usando microorganismi piu’ specifici, Acido Ferulico da sottoprodotti largamente disponibili a basso costo, come la crusca di grano (1.7 mil ton/anno in Italia), che lo contiene in grandi quantita’ (5 g/kg), attraverso un processo intensificato.

Attivita’: a) pretrattamento enzimatico crusca per generare Acido Ferulico, b) ottenimento di un microorganismo produttore di vanillina e c) sviluppo di processo per la produzione e il recupero del prodotto.

By courtesy of Prof. F. Favavenerdì 28 febbraio 2014

Obiettivo: messa a punto di una strategia per la valorizzazione integrata dalle acque di vegetazione (~4 Milioni Ton/anno in Italia), attraverso la produzione di poliidrossialcanoati (PHA) ma anche polifenoli e biogas. (collaborazione con Prof. M. Majone, Università di Roma “La Sapienza”)

Sponsor: MIUR (PRIN 06-07), Fondaz. Monte (08); FP7 EcoBioCap (11-14)Razionale:PHA sono polimeri biodegradabili, biocompatibili e, in particolare i copolimeri Poliidrossibutirato/Poliidrossivalerianato, hanno proprieta’ simili al polipropilene a bassa densita’. Molto interessanti per imballaggi alimentari.

La loro produzione e’ di 45000 ton/anno ma diverra’ di 10 Milioni ton/anno nel 2020. Il loro costo (produzione con coltura pura su glucosio) e’ di 9€/kg (contro 1 €/kg del polietilene). Questo puo’ diminuire se li si produce da un rifiuto/effluente agroindustriale molto disponibile a basso costo, quale le acque di vegetazione.Approccio: Produzione di PHA da acque di vegetazione via loro digestione anaerobica verso acidi grassi (VFA) poi impiegati per alimentare colture miste acclimatate che producono PHA. I PHA vengono poi recuperati dalle cellule.

Esempio 2: Valorizzazione integrata di acque di vegetazione (a)

By courtesy of Prof. F. Favavenerdì 28 febbraio 2014

NAMASTE - EUNew Advances in the integrated Management

of food processing wAste in India and Europe: use of Susta inable Technologies for the

Explo i ta t ion of by-products into new foods and feeds

KBBE-2009-2-7-02 “Valor izat ion of by-products in food processing ”

Co l labora t ive p ro jec t (smal l /med ium sca le ) in coord ina t ion w i th DBT ( Ind ia )

Coordinatore: Fabio FavaDICAM, Alma Mater Studiorum-University of Bologna - Italy

( [email protected])


Approccio

MARKETRAW MATERIA

LFOOD

PROCESSING

BYPRODUCTS

Characterization & Preservation

Pre-treatment & Ingredient recovery

New foods formulation (innovative and

sustainable processes/technologies)

New feeds (for aquaculture)

Assessment of products & processes/

technologiesIdentification of new market opportunities

Knowledge transfer &

exploitation

By courtesy of Prof. F. Fava


OUTLINE Premessa








9 novembre 2006

approccio PAN & TAILORED FOODS (cibi su misura)

Food and Drink Europe, Nov. 2006Evidente un’urgente necessità per incrementare gli investimenti in R&D per supportare l’innovazione e promuovere la creazione di prodotti a valore aggiunto più elevato


Incremento di funzionalità e sostenibilità

Prodotti tradizionali arricchiti o fortificatiValutazione della reale efficacia degli interventi di arricchimentoControllo dei benefici in vivo necessario per claimsSimulazione di rilascio bioattivi in fase digestiva

33

Numerosi esempi:Yogurt con steroli / prebioticiPatate al SelenioPiadina al SelenioLatti con fitosteroli e β-glucani Prodotti da forno con steroliRiscoperta di cereali antichi con maggiori

funzionalità ..............


31

Caratterizzazione e produzione di ingredienti

•Coloranti da fonti naturali vegetali, bacche e frutta

•Alternativa ai coloranti sintetici o naturali estratti da fonti non alimentari


© M. Dalla Rosa UNIBO 2013

utilizzo emergente della CO2 nella tecnologia alimentare

ottenimento concentrati a media polarità, solubili anche nei lipidi, ottenuti per via

fisica, senza solventi35

Evoluzioni / Ricerca nel Food Design : estrazione con CO2 in fase supercritica da scarti e sottoprodotti


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2011Alma Mater Studiorum University of

BolognaCampus of Cesena

Valorization of food residues in sustainable food innovation and

new healthy food design

Scientific Responsible

Prof. Marco Dalla Rosa, PhD

Campus of Food SciencePiazza Goidanich 60

47521 CESENA (Italy)

[email protected]

ETP Food For Life Brokerage Event, Bruxelles, 22.11.11 venerdì 28 febbraio 2014

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2011

- -

Identification of potential raw materials


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2011Sustainable food design: layers of

intervention


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2011Characterization and conversion into ingredients

- -


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2011

- -

Design of healthier foods and meals at sustainable cost


Popolazione a rischio povertàat-risk-of-poverty (ROP) threshold, stabilito al 60 % del valore mediano del guadagno disponibile dopo aver considerato gli aiuti sociali

Individuazione delle abitudine della popolazione ROP

valutazione delle carenze o sbilanciamenti nutrizionali

formulazione (Food design anche questo) usando ingredienti funzionali al bilanciamento della dieta dei ROP ma a basso costo

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CENTRO LERICI - BERTINORO 10.12.2009

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Ricerca EU

• KBBE.2010.2.3-03 Health-value-added food products for population groups at risk of poverty

• ….. The health-value-added food products should be developed considering lower production costs, high accessibility, convenience, sensory quality, nutritional quality, shelf-life, and safety.


CEN workshop Agreement x Chance Food

1 ScopeThis document specifies the general, specific requirements and labeling criteria of CHANCE food. It proves specific (as describe below) requirements relevant to raw and functional ingredients, food design and formulation, production process, packaging design and analytical approach for fruit, vegetables and animal origin based CHANCE food and ready-to eat- CHANCE pizza.

Moreover it provides general labeling requirements for CHANCE food.

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Utilizzo sottoprodotti1. Berry cakes

fibre ingredients from the berry press cake (by product of berry juice process) which could be used in different type of products (yogurt, soup or shot).

2. Bioprocessed brans fermentation with lactic acid bacteria has a well-known role in enhancing the

nutritional properties as well as the texture and palatability of whole grain and fibre rich products.

Lactic acid bacteria fermentation is a useful tool to obtain specific results such as the increase in dietary fibre solubility and overall bioactivity, but selection of appropriate strains is an important pre-requisite for successful achievements.

The effect of bioprocessing on different particle size bran to enhance its nutritional properties have been investigated.

3. Tomato pomace (Tomato-processing by-product)

However, it is well known that the main source of fibre, but also of other micronutrients important for nutritionally correct food are contained in peels and seeds. Unfortunately, these parts of fruits are usually discarded as the by- products or the waste in majority of commonly used processing procedures applied in fruit and vegetable processing

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09Elenco proprietà funzionali

tecnologiche•capacità di legare e adsorbire acqua, solubilità•capacità emulsionante, •capacità addensante, •capacità adesiva, •capacità dispersiva,•capacità solubilizzante, •capacità gelificante, •capacità schiumogena, •capacità di legare aromi

•capacità di rilasciare aromi, •capacità edulcorante,•capacità acidificante,•capacità aromatizzante, •capacità di abbassare l’attività dell’acqua, •capacità di innalzare la temperatura di transizione vetrosa•proprietà antiossidante•proprietà antimicrobica



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Proprietà funzionali “protettive o nutraceutiche” (bioattività)

• Effetto antiossidante antiradicalico (oxygen scavenger)

• Promozione dello sviluppo della flora intestinale (prebiotico)

• Bilanciamento nutrizionale (aa essenziali) • Riduzione colesterolo, prevenzione tumori

intestinali, malattie cardiovascolari, diabete



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Messa a punto di un componente funzionale

proteico

Recupero, isolamento e purificazione

delle proteine su scala di laboratorio

Valutazione proprietà

funzionali su sistemi modello

Sperimentazione del processo

ottimizzato su scala pilota

Feed-back / ottimizzaz. Condizioni operative

Valutazione proprietà

funzionali in formulazione

si/no

si/noALL’USO

INDUSTRIALE

Modificazioni delle proprietà funzionali con

mezzi fisici e/o chimici

e/o enzimatici

Studio fondamentale relazioni tra

caratteristiche chimico-strutturali

delle proteine e proprietà funzionali

Feed-back / ottimizzaz. Condizioni operative



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Fattori che influenzano la funzionalità

FATTORI INTRINSECI• - composizione amminoacidica• - sequenza amminoacidica• - struttura secondaria e terziaria• - forze di stabilizzazione intramolecolari (interazioni

ioniche e idrofobiche• - carica netta superficiale, idrofobicità effettiva• - struttura quaternaria• - interazioni secondarie (intra e inter-peptide)• - gruppi sostituenti (fosforico e glucidico)• - legame e/o gruppo prostetico (ferro, calcio, lipidi)• - gruppi disolfuro o tiolici

Idrolizzati proteici da sottoprodotti



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Fattori che influenzano la funzionalità

FATTORI ESTRINSECI• Grado di degrassatura• Rapporto proteine/ proteasi• Tipo e condizioni di utilizzo di proteasi• Trattamenti tecnologici di separazione• Trattamenti termici• Acidità / pH• Forza ionica• Reazione di Maillard in stoccaggio




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METODI DI VALUTAZIONE DELLE PROPRIETA’

FUNZIONALI

• Approccio interdisciplinare

• Analisi fine dei principi molecolari alla base della proprietà funzionali, con mezzi analitici chimici e fisici (NMR, NIR, ecc.)

• Valutazione oggettiva con parametri fondamentali delle modificazioni chimiche, fisiche e enzimatiche

Studio e ricerca a livello molecolare



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VALUTAZIONE DELLE PROPRIETA’ FUNZIONALI

• Ogni singola proprietà considerata singolarmente

• Forte semplificazione del sistema• Carenza informazioni su relazioni tra

prop. Funzionali• Difficoltà di trasferimento al sistema

reale• Necessità di standards di riferimento

-Analisi su sitemi modello




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METODI DI VALUTAZIONE DELLE PROPRIETA’

FUNZIONALI

• Maggiore affinità con lʼapplicabilità pratica

• Scarsa ripetibilità • Non considera alcune variabili

tecnologiche industriali• Scarsa riproducibilità di scala• Necessità di ricorrere a parametri

reologici fondamentali• Necessità di evolvere dalla scala di

laboratorio a quella pilota

-Analisi su sistemi reali




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Dal componente funzionale alla formulazione: Food / Feed (pet-food) design

Necessaria l’impostazione di un piano sperimentale adeguato

•CRITERI: Identificare ogni limite dei componenti della formulazione al fine di specificare la regione sperimentale

•Identificare le variabili - risposta da misurare

• Impostare un modello appropriato per prevedere i risultati in funzione dei componenti della miscela

•Selezionare un piano sperimentale appropriato (DOE)




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Proteine delle carni e componenti funzionali

Yada, Proteins in food processing, CRC press, 2004




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Proprietà funzionali delle proteine allo stato nativo

Solubilità Molto buona Dispersione Molto buona Capacità di legare acqua Buona Viscosità Buona Stabilità al calore Debole Capacità schiumogene Buona Stailità della schiuma Buona Capacità emulsionante Buona Stabilità dell'emulsione Molto buona Attitudine alla gelificazione Molto buona

il trattamento tecnologico di produzione può modificare la struttura delle proteine e di conseguenza le proprietà funzionali




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Cinetiche idratazione Siero UF

Tempo (giorni)

M (g

H2

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g s

.s.)

0

10

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30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20

0,14 0,44 0,76 0,88 0,94 0,98

M finale

K= dM/dt

Giavedoni P., Bressa F. e Dalla Rosa M.: Proprietà funzionali di concentrati di siero ottenuti per ultrafiltrazione. 2: Capacità di idratazione. Il Latte, 1, 71-74, 1995




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Isoterme di adsorbimento Siero UF

Attività dell'acqua

M (g

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O/1

00

g s

.s.)

010

2030405060708090

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

UF 1 UF 2

Giavedoni P., Bressa F. e Dalla Rosa M.: Proprietà funzionali di concentrati di siero ottenuti per ultrafiltrazione. 2: Capacità di idratazione. Il Latte, 1, 71-74, 1995




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Capacità gelificante• Gel proteico riferito ad una entità visoelastica costituita di

catene cross-linked in una struttura reticolare continua capace di immobilizzare una elevata quantità d’acqua

Favorita da denaturazione termica e idrolisi per produrre polipeptidi in strutture lineari in grado di inglobare l’acqua

Tracciato reometrico di proteine miofibrillari di fibre muscolari di pollo





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Effetto idrolisi enzimatica• Miglioramento delle proprietà funzionali• Miglioramento della digeribilità• Maggiore possibilità di utilizzo dietetico• Utilizzo in formulazioni nutrizionali con

arricchimento di amminoacidi essenziali• Maggiore possibilità di utilizzo di sottoprodotti

della macellazione• Ingredienti per alimenti a basso costo (risk of

poverty)




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Criticità nell’utilizzo di componenti / ingredienti

funzionali proteici

• Aspetti normativi / autorizzazioni• Possibile presenza di aspetti sensoriali sgraditi• Disomogeneità / incostanza delle materie prime• Componenti non proteiche

– Dalla materia prima– Dal processo biochimico

• Tendenze di mercato – Riduzione numero di ingredienti– Assenza di ingredienti semi-lavorati non disponibili al

consumatore



OUTLINE

Premessa







Conclusioni


Horizon 2020 WORK PROGRAMME 63


CIRI Agroalimentare Università di Bologna Campus di Cesena59

DirettoreProf. Marco Dalla Rosa


ALMAFOOD IRT: FROM FORK TO FARM

Food and Health: Biochemistry, Physiology and Nutrition

Food and health: clinical aspects

Food safetyPlant food production

Quality and processing of plant - derived foodAnimal food production

Quality and processing of animal- derived food and feed

By-products valorizationEnvironmental impacts and sustainability of food

production systems


ALMAFOOD IRT e Ricerca Europea66


KIC Food4Future: FoodBest Consortium


Possible KIC Food evolution


Grazie per l‘attenzione

e per l’invito

[email protected]

Si ringrazianoProf. F. FavaProf. N. Gontard


gestione delle risorse: #rifiuti

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