L’utilizzo degli scarti da parte dell’industria alimentare costituisce una sfida importante per ridurre le perdite di cibo, aumentare la sostenibilità della produzione alimentare e, pertanto, incrementare la sicurezza alimentare specialmente nei paesi in via di sviluppo. Obiettivo della presente tesi è ottenere aceto dagli scarti dell’ananas tramite idrolisi enzimatica preceduta da pre-trattamento fisico, fermentazione alcolica con differenti ceppi di Saccharomyces cerevisiae, addizionati di Lactobacillus delbruekii o Lactobacillus plantarum del liquido saccarificato, e fermentazione acetica con Acetobacter aceti in un impianto pilota. I campioni ottenuti dalle prove di saccarificazione, fermentazione alcolica e acetica sono stati analizzati per pH, acidità totale, grado Brix, zuccheri, acidi organici, etanolo e per i composti volatili. Una caratterizzazione dettagliata dell’aceto è stata eseguita tramite UPLC/Q-TOF e GC-MS. / Using waste from the food industry is a major challenge to reduce food losses, to increase the sustainability of food production and, therefore, increase food security, especially in developing countries. The objective of this thesis is to get vinegar from pineapple waste by means of: enzymatic hydrolysis proceeded by physical pre-treatment; alcoholic fermentation of the saccharified juice with different strains of Saccharomyces cerevisiae and Lactobacillus delbruekii or Lactobacillus plantarum; acetic fermentation with Acetobacter aceti in a pilot plant. Samples obtained from saccharification, alcoholic and acetic fermentation were analyzed for pH, total acidity, total soluble solid (TSS), sugars, acids, ethanol, and volatile compounds. A detailed characterization of vinegar was carried out through UPLC/Q-TOF and GC-MS.

Circa l’1% della popolazione mondiale è colpita da celiachia. I celiaci sono costretti a seguire una dieta priva di glutine e molto spesso quest’ultima risulta essere sbilanciata e/o carente in molti nutrienti. Recentemente, l’uso di matrici alternative al frumento, come pseudocereali, legumi e cultivar di riso pigmentate sta riscuotendo grande interesse a causa del loro elevato quantitativo di composti bioattivi (polifenoli). Quindi, considerando l’importanza attuale dei polifenoli sia nella formulazione tecnologica che nella promozione di aspetti salutistici degli alimenti senza glutine, lo scopo di questa tesi è stata basata su: 1) profilazione dei polifenoli in matrici prive di glutine (farine non di frumento, legumi, pseudocereali e frutta secca) e loro proprietà antiossidanti in vitro; 2) valutazione dell’impatto di trattamenti termici e di fermentazioni microbiche sul profilo fenolico di queste matrici prive di glutine; 3) valutazione del ruolo dei polifenoli come inibitori degli enzimi amilolitici; e 4) valutazione del destino dei polifenoli caratterizzanti alimenti senza glutine durante processi in vitro simulanti digestione gastrointestinale e fermentazione fecale. I polifenoli sono stati analizzati sfruttando tecniche di metabolomica mirata/non-mirata. / Around 1% of world population is affected by coeliac disease. Coeliac people are constrained to follow a strict gluten free (GF) diet and very often this latter is unbalanced and lacks in many nutrients. In the last years, the exploitation of alternative crops or underutilized species, such as pseudocereals, legumes and pigmented cereal cultivars, is gaining interest because of their amount and profile of bioactive compounds, such as polyphenols. Therefore, considering the actual importance of polyphenols for both the formulation of GF foods and their health-promoting properties, the current PhD thesis was based on: 1) the profiling of polyphenols in GF raw materials (such as non-wheat flours, legumes, pseudocereals and nuts) and their in vitro antioxidant activities; 2) the evaluation of the impact of different heat treatments and microbial fermentations on the phenolic profile of GF raw materials; 3) the investigation of polyphenols in GF foods as inhibitors of digestive enzymes; and 4) the assessment of the fate of polyphenols characterizing GF foods during simulated in vitro gastrointestinal and fermentation processes. Polyphenols were analysed by means of targeted/untargeted metabolomics-based approaches (i.e., high resolution chromatography and mass spectrometry platforms).

I microrganismi selezionati sono impiegati non solo per il processo di trasformazione della materia grezza in prodotto fermentato, ma anche per migliorare la shelf-life, il gusto, l’aroma, la sicurezza e il valore nutrizionale dei prodotti. La globalizzazione del mercato ha portato a considerare non solo i prodotti tipici popolari europei, come per esempio il vino, ma anche i prodotti tipici dei paesi non europei come la cassava. Per quanto riguarda il settore enologico lo scopo della ricerca è quello di migliorare un tipico vino: l'Ortrugo dei Colli Piacentini con ceppi autoctoni di Saccaromyces cerevisiae. Nelle fermentazioni spontanee i lieviti sono associati all'area geografica, alle condizioni climatiche e alla varietà di vitigno. Alcuni ricercatori sostengono che il micro-ambiente è caratterizzato da specifi Saccaromyces cerevisiae che possono influenzare gli aromi dell'uva. Sfortunatamente le fermentazioni spontanee possono causare aromi indesiderati e arresti fermentativi. L'inoculo del mosto con lieviti selezionati è ormai una pratica consolidata per eliminare i rischi delle fermentazioni spontanee, ma questi lieviti non riescono a enfatizzare le caratteristiche della varietà di uva in quanto derivano da ecosistemi differenti. Nasce quindi l'esigenza di utilizzare ceppi starter autoctoni selezionati, isolati dalle microaree dove i vini sono prodotti in quanto tali ceppi sono potenzialmente meglio adattati a svilupparsi in uno specifico microambiente e meglio esaltano la tipologia di un particolare prodotto. Per quanto riguarda la cassava (Manihot esculenta Crantz) microrganismi selezionati possono essere utilizzati per ridurre la concentrazione di glucoside cianogenetico (linamarina e lotaustralina), molecole tossiche. il consumo di cassava e dei suoi prodotti può causare avvelenamento da cianide con sintomi di vomito, nausea, debolezza e occasionalmente la morte. L'introduzione di cianide tramite il consumo di cassava è quasi certamente la causa dell'insorgenza di neuropatie come per esempio il Konzo (irreversibile paralisi alle gambe) che colpisce particolari zone dell'Africa. La World Health Organisation (WHO)ha stabilito il livello di sicurezza di cianide nella farina di cassava a 10 ppm (FAO/WHO, 1991). / Selected microrganisms are important as agents of the main processes of transformation of the raw materials in fermented product but also as responsible of the improvement in the shelf-life, texture, taste, aroma, as well as safety and nutritional value. The market globalization made us to consider not only popular food and/or beverage in Europe but also in non European countries. In this research I consider wine and cassava products. As regards wine the aim is to improve the Ortrugo wine typicalness by Saccaromyces cerevisiae autochtonous strains. In spontaneous fermentations the yeasts vary according to geography location, climatic conditions and/or grape variety. Some researchers believe that each micro-environment is characterised by specific Saccaromyces cerevisiae that may enhance the grape flavours. Unfortunately spontaneous fermentations may cause off-flavours and fermentation stuck. The selected yeast inoculum in must is one of the consolidated practices to eliminate the risks of spontaneous fermentation, but these yeast are not able to emphasise the characters of grape variety because they are from different ecosystems. Autochthonous yeasts e.g. yeasts isolated from a definite micro-environment are adapted to operate in a must whose characteristics are determined by the variety of the grapes and the “terroir” and, therefore, they able to enhance the peculiarities of a wine. As regards the cassava (Manihot esculenta Crantz) selected microorganisms will be used to reduce the cyanogenic glucosides (mainly linamarin and lotaustralin) toxic molecules. Consumption of cassava and its products may cause cyanide poisoning with symptoms of vomiting, nausea, dizziness, stomach pains, weakness, headache and diarrhoea and occasionally death. Cyanide intake from cassava is almost certainly the cause of Konzo (irreversible paralysis of the legs) in eastern, central and southern Africa. The World Health Organisation (WHO) has set the safe level of cyanogens in cassava flour at 10 ppm (FAO/WHO, 1991).

La qualità delle fave di cacao disponibili in commercio, che rappresentano la principale materia prima per la produzione di cioccolato, dipende da diversi fattori inclusi: il tipo di piantagione, le pratiche agricole ed il processo di post raccolta. Tra queste; fermentazione ed essicazzione sono generalmente considerate le più rilevanti, dal momento in cui, durante queste fasi, vengono formati e fissati i precursori degli aromi del cacao. Inoltre, esse rappresentano un step cruciale durante il quale possono verificarsi contaminazioni da parte dei funghi filamentosi. La fermentazione è caratterizzata da una successione ben definita di lieviti, batteri lattici e batteri acetici, a tal fine, lo scopo del presente lavoro di tesi è stato quello di esplorare e descrivere in modo completo le comunità batteriche e fungine coinvolte nella fermentazione delle fave di cacao e valutare se l’origine geografica ed il metodo di fermentazione potessero influenzare la loro composizione. Per ottenere tali risultati il gene 16s rRNA è stato usato come marker per descrivere la comunità batterica totale mediante High Throughput Sequencing (HTS), dimostrando come tale approccio abbia la capacità di evidenziare la totalità delle comunità batteriche a livello di specie. In un secondo approccio l’Internal Transcribed Spacer 1 (ITS1) ed il dominio D1/D2 della sub unità maggiore dell’RNA ribosomiale (26s rRNA) sono stati selezionati per descrivere la popolazione fungina. I risultati hanno evidenziato come le due regioni abbiano la capacità di descrivere la composizione generale delle popolazioni, sebbene il dominio D1/D2 sia stato in grado di analizzare più nel dettaglio la composizione. Infine gli stessi campioni sottoposti all’analisi mediante HTS sono stati analizzati mediante SPME-GC-MS per evidenziare i principali composti aromatici formatisi durante il processo di post raccolta. Complessivamente i risultati indicano chiaramente che l’approccio mediante HTS ha le potenzialità per fornire una dettagliata visione d’insieme delle comunità batteriche e fungine presenti durante le fasi di post raccolta delle fave di cacao, inoltre le analisi statistiche hanno evidenziato come l’ITS1 ed i composti volatili possano essere utilizzati per la tracciabilità geografica. / The quality of commercial cocoa beans, the principal raw material for chocolate production, depends on several factors including type of plantations, the agricultural practices and the post-harvest processing. Among these, fermentation and drying are generally considered the most relevant, since during these phases cocoa flavors precursors are formed and fixed. Furthermore, they represent crucial steps during which filamentous fungi contamination might occur. Fermentation is characterized by a well-defined succession of yeasts, lactic acid bacteria and acetic acid bacteria, so that, the aim of the described studies was to explore total bacterial and fungal communities involved in cocoa bean fermentation and to evaluate if geographical origin and fermentation method might affect their composition. To achieve these results, 16s rRNA gene was used as marker to assess the total bacterial community by using High Throughput Sequencing (HTS), indicating that this approach has the ability to provide a comprehensive view of the cocoa bean microbiota at the species level. In a second approach, Internal Transcribed Spacer 1 (ITS1) and the D1/D2 domain of the Large subunit (LSU) of the nuclear ribosomal RNA (26S rRNA) were screened to assess the total fungal community. Results revealed the ability of these two genomic regions to describe reliably the general composition, even if D1/D2domain was able to go deeper into the fungal composition resulting in a higher resolution. In the last approach the same samples subjected to HTS investigation were analyzed through SPME-GC-MS in order to underline the principal key-aroma compounds formed during the post-harvest processing. Overall, results point out clearly that HTS approach has the ability to provide a comprehensive view of the total bacterial and fungal communities, and statistical analyses have shown how analyses of ITS1 sequences and volatile compounds might be useful for the geographical traceability of the processed cocoa beans samples.

Cinque varietà di sorgo (Sorghum bicolor (L.) Moench) provenienti da Nigeria, Senegal, Burkina Faso e due dall’Italia, sono state caratterizzate per il loro profilo nutrizionale, analizzando la modulazione di due marcatori cellulari (contenuto in proteine totali e attività della GPx), il contenuto di fattori chelanti (tannini e fitati), l’attività fitasica e il contenuto, la bioaccessibilità e la biodisponibilità di ferro e zinco e analizzando l’impatto di due importanti processi alimentari, quali fermentazione e cottura. I risultati mostrano che sia la varietà sia il processo influenzano la maggior parte dei parametri. Tannini e fitati, elementi in traccia, contenuto proteico totale e il processo (soprattutto la fermentazione) sono modulati dalla varietà. La fermentazione riduce il contenuto di fattori chelanti e aumenta l’attività fitasica, incrementando, così, la biodisponibilità degli elementi in traccia; mentre la cottura non ha un impatto significativo. D’altra parte, la fermentazione ha un impatto negativo su entrambi i marcatori cellulari, mentre la cottura solo sul contenuto proteico totale. Le varietà africane, soprattutto quella dal Senegal, hanno mostrato il migliore profilo nutrizionale, mentre, globalmente, le italiane il peggiore. I risultati indicano che la selezione di varietà e di adeguati processi alimentari può avere un impatto significativo sul valore nutrizionale del sorgo. / Five sorghum cultivars (Sorghum bicolor (L.) Moench) from Nigeria, Senegal, Burkina Faso and Italy (two), were characterized for their nutritional values by analysing the modulation of cellular functional markers (total protein content and GPx activity), chelating factors (iron-binding phenolic groups and phytates) content and phytase activity, as well as iron and zinc content, bioaccessibility and bioavailability, also considering the impact of food processing methods as fermentation and cooking. The results revealed that both variety and food processing affect most of the tested parameters. Chelating factors, trace elements, cellular total protein content, as well as the effect of processing (mainly fermentation) were modulated by variety. Fermentation decreased chelating factors content, as well as increased phytase activity, leading to enhancement of iron and zinc estimated bioavailability, whereas cooking had no substantial impact. On the other hand, fermentation process had a negative impact on both cellular functional markers while cooking only on the cellular total protein content. The African varieties, particularly the Senegal one, showed the most promising nutritional profile, whereas the two Italian varieties overall showed a poor one. The results indicate that selection of traditional varieties and processing methods can have a significant impact on parameters relevant to sorghum nutritional value.