DALLO "SCARTO"

AL COSMETICO

Cercare strategie per arginare il crescente problema dell’inquinamento ambientale è una delle sfide quotidiane in cui tutti noi dovremmo impegnarci, e le parole dell’astrofisico Amedeo Balbi "prendiamoci cura della Terra perché non esiste un pianeta B'', dovrebbero aiutarci a riflettere sui nostri comportamenti di scarsa attenzione in tema di ecologia.

L’Economia Circolare con i suoi principi dediti al Recupero, Riciclo, Riutilizzo, le cosiddette “3 R” (1) sta cercando di proporsi come modello virtuoso per gestire in maniera ragionata ciò che manipoliamo, rivolgendo particolare interesse ai prodotti destinati allo scarto e ai materiali impiegati per il packaging, che spesso si tende a smaltire in maniera non corretta, ma che potrebbero rivelarsi una preziosa risorsa se opportunamente valorizzati.

L’invito di sensibilizzare tutti a percorrere questa direzione è anche esteso alle aziende di numerosi settori produttivi, dalla cosmetica all’agro-alimentare, che potrebbero essere un esempio per gli stessi consumatori. Basterebbe infatti che le etichette apposte sui prodotti che acquistiamo riportassero le istruzioni per un corretto smaltimento dei contenitori primario e secondario (se presente); tale atteggiamento consentirebbe di valorizzare un rifiuto, trasformandolo in risorsa.

Dare una veste nuova ai rifiuti è l’obiettivo dell’Upcycling, tema molto discusso negli ultimi tempi anche in contesto di Sostenibilità e Green Deal (2).


La cosmesi, ad esempio, si sta sempre più orientando verso il recupero degli scarti agro-alimentari per estrarre biomolecole utili alla formulazione di prodotti innovativi; ma c’è ancora molto da fare.

  


INTRODUZIONE

Visto il complesso panorama attuale in tema di transizione ecologica e sostenibilità, ambiziosi obiettivi da perseguire globalmente al più presto, si è reso necessario il superamento del modello economico lineare, noto per aver impresso un’accelerazione verso lo sfruttamento indiscriminato e l’impoverimento delle risorse offerteci dall’ambiente in cui viviamo, nonchè la produzione e l’immissione di un enorme quantitativo di rifiuti in tutti gli ecosistemi.

L’adozione del nuovo modello economico proposto dalla Bioeconomia Circolare ha consentito di ripensare criticamente a quanto poco vantaggioso è stato agire secondo questi vecchi dettami.

Nell’ottica di questo cambio di prospettiva, si prevede anche il recupero dei rifiuti, che diventerebbero bio-risorse utili alla realizzazione di prodotti commerciabili con alto valore aggiunto, in modo sostenibile.

Tale strategia di valorizzazione consentirebbe un abbattimento dei costi associati alle operazioni di stoccaggio e smaltimento, apportando benefici in termini ambientali ed economici.

Partendo da questi presupposti, con il nostro lavoro di ricerca abbiamo dimostrato la duplice valorizzazione delle vinacce, il residuo solido della lavorazione dell’uva, in due diversi contesti: come risorsa di partenza per estrarre biomolecole utili ai fini della sintesi di nanomateriali da proporre in cosmetica in qualità di ingredienti multifunzionali, e successivamente, come materiale adsorbente per la decontaminazione delle acque da inquinanti di diversa natura (figura 1).

Entrambi questi obiettivi sono perseguiti dai progetti “G.A.I.A. (Gestione sostenibile di scarti Agroalimentari come fonte Innovativa di biomateriali multifunzionali per la salute umana e l’Ambiente)-Horizon Europe Seeds” e “I.R.I.S.S. (Incontro tra Ricerca & Impresa per lo Sviluppo Sostenibile del territorio: valorizzazione di scarti alimentari per la rimozione di contaminati emergenti dalle acque)-REFIN”, al fine di creare i presupposti per un proficuo connubio tra Accademia e realtà industriali-imprenditoriali del territorio.


VALORIZZARE I RIFIUTI SI PUÒ. COME NASCE L’IDEA  

Figura 1. La «doppia vita» delle vinacce; da scarto a risorsa.

Step 1. Le vinacce vengono pretrattate in acqua calda per estrarre la componente polifenolica, ottenendo così un Estratto Acquoso Polifenolico Di Vinacce (EAPV) che, posto a reagire in opportuni rapporti con una soluzione acquosa di acido tetracloroaurico, consente di ottenere nanoparticelle di oro funzionalizzate dai polifenoli derivati dall’estratto (AuNPs-EAPV).

Step 2. A seguito dell’estrazione dei polifenoli, le vinacce esauste vengono impiegate come materiali adsorbenti per la decontaminazione delle acque da contaminanti appartenenti a differenti classi chimiche.

Schema riadattato da Gubitosa et al., 2022, Antioxidants, 11, 994.


Ponendo come primo obiettivo l’ottenimento di nanoparticelle di oro (AuNPs) seguendo un approccio di sintesi che fosse anche in accordo con i principi della Green Chemistry (3) oltre che con quelli dell’Economia Circolare, il primo step sperimentale è stato incentrato sul pretrattamento delle vinacce (impiegandone buccia, semi e tralci), la matrice di nostro interesse selezionata, per ottenere un Estratto Acquoso Polifenolico di Vinacce (EAPV)(figura 1).

Successive analisi HPLC/MS/MS eseguite per la caratterizzazione di tale estratto hanno confermato la presenza di diverse classi di polifenoli in elevate concentrazioni.

Il secondo step invece, ha visto la formazione di AuNPs funzionalizzate con i polifenoli derivati dalle vinacce (AuNPs-EAPV) in un unico step di reazione, dopo aver posto in contatto, in opportuni rapporti, un’aliquota definita di EAPV ed una soluzione acquosa di acido tetracloroaurico in qualità di precursore dell’oro (figura 1).

Nello specifico, le AuNPs-EAPV ottenute hanno la caratteristica di mostrare una “doppia natura” organica ed inorganica dovuta alla presenza dei polifenoli derivati dall’estratto di vinacce e dell’oro metallico, rispettivamente. Questo è stato possibile grazie alle proprietà redox dei polifenoli in grado di ridurre l’acido tetracloroaurico da Au (III) ad Au (0). (4)

A seguito della sintesi, le AuNPs sono state caratterizzate grazie all’ausilio di numerose tecniche analitiche per dimostrare il ruolo chiave dei polifenoli nelle fasi di formazione e stabilizzazione delle nanostrutture sintetizzate. (4)

I DETTAGLI DELLO STUDIO  

È stato valutato l’effetto di parametri chimico-fisici quali pH, forza ionica, temperatura, ed irraggiamento luminoso sulla stabilità delle AuNPs-EAPV.Nello specifico, le AuNPs-EAPV si sono mostrate essere stabili in un ampio intervallo di valori di pH (da 4 a 12); soltanto a pH 2 si è riscontrata una certa instabilità con macroscopica aggregazione, confermata da analisi dimensionale (Dynamic Light Scattering, DLS) e potenziale Zeta.Per esplorare la stabilità delle AuNPs-EAPV al variare della forza ionica, è stata preparata una dispersione acquosa colloidale in presenza di anioni o cationi appartenenti a sali a diversa concentrazione e valenza. Si è osservato come la stabilità delle AuNPs-EAPV venisse maggiormente inficiata dalla presenza di cationi multivalenti in elevata concentrazione.LeAuNPs-EAPV si sono invece mostrate stabili in un ampio range di temperature (da 10 a 80°C), e fotostabili a seguito di irraggiamento per un tempo pari a circa 4 ore utilizzando un simulatore di spettro solare come sorgente luminosa. (4). Questi risultati hanno consentito diipotizzare l’aggiunta di questo nano-ingrediente in qualità di filtro solare ad una formulazione cosmetica per garantire un booster di fotoprotezione assicurata dalla contemporanea presenza del core metallico di oro in grado di riflettere la radiazione solare incidente che si comporterebbe da filtro fisico, e dei polifenoli noti filtri solari organici naturali. A questo proposito, applicando una relazione matematica (5), è stato preliminarmente stimato per via spettroscopica un fattore di protezione solare (SPF)teoricopari a 5,ma andrebbe valutatol’SPF in vivo.

STABILITÀ CHIMICO-FISICA DELLE AuNPs-EAPV

Figura 2. Saggio dell’ABTS.

Attività Antiossidante espressa in termini percentuali, calcolata a diversi tempi di incubazione per l’estratto Acquoso Polifenolico Di Vinacce (EAPV), in concentrazione pari a (2 mg/L), in presenza di un’aliquota nota e fissata di ABTS (A), comparata a quella esibita dalle AuNPs-EAPV presenti a differenti concentrazioni per un tempo di incubazione pari a 30 minuti (B).

Riadattato da Gubitosa et al., 2022, Antioxidants, 11, 994.


È ben noto che un aumento della produzione di radicali liberi comporti un danno a proteine, lipidi, e DNA, i principali costituenti delle nostre cellule, per stress ossidativo, e si traduca in invecchiamento cellulare (6).

In virtù della capacità di modulare l’equilibrio ossido-riduttivo, le proprietà antiossidanti dei polifenoli sono state a lungo studiate (7).

La funzionalizzazione polifenolica delle AuNPs sintetizzate ha permesso di ipotizzare un potenziale potere antiossidante utile in cosmesi.

Per esplorare tale attività sono stati eseguiti il saggio dell’ABTS(figura 2), e test in-vitro su linee cellulari di fibroblasti.

Nello specifico, dal confronto tra l’estratto acquoso polifenolico derivato dalle vinacce (EAPV) e le AuNPs-EAPV è emerso come all’aumentare della concentrazione di AuNPs funzionalizzate si avesse un incremento dell’attività antiossidante, calcolata in termini percentuali, a parità di tempo di incubazione (30 minuti) (figura 2).

Dagli studi in-vitro preliminari condotti su linee cellulari di fibroblasti umani è emerso come, in seguito al loro pretrattamento con le AuNPs-EAPV per 15h, sia stato possibile osservare un ruolo citoprotettivo dallo stress ossidativo indotto dal perossido di idrogeno, aggiunto come agente ossidante modello, oltre che un ruolo protettivo nei confronti del DNA cellulare. Ne deriva che le AuNPs-EAPV possano essere considerate degli scavenger di radicali liberi.

LE PROPRIETÀ ANTIOSSIDANTI DELLE AuNPs-EAPV  

Figura 3. Saggio della Tirosinasi.

% di Inibizione della Tirosinasi calcolata per diverse concentrazioni di estratto Acquoso Polifenolico Di Vinacce (EAPV) in presenza di una quantità fissa di enzima (A), comparata a quella esibita dalle AuNPs-EAPV presenti a differenti concentrazioni. Tempo di incubazione: 30 minuti (B).

Riadattato da Gubitosa et al., 2022, Antioxidants, 11, 994.


La melanogenesi, il processo di biosintesi della melanina, avviene nei melanociti, cellule situate tra i cheratinociti dello strato basale dell'epidermide, per azione della tirosinasi, enzima chiave che interviene nei primi due step (8).

La principale funzione della melanina è quella di proteggere la pelle dagli effetti dannosi delle radiazioni UV, tra cui il manifestarsi di iperpigmentazioni, inestetismo sempre più frequente anche tra i giovani, che insorge principalmente a seguito dell’adozione di comportamenti non corretti durante l’esposizione solare come evitare l’applicazione di un prodotto solare indicato per il proprio fototipo, che invece garantirebbe una protezione adeguata e sicura (8).

L’inibizione della tirosinasi è uno dei meccanismi più studiati tra i diversi approcci dermocosmetici depigmentanti. (8).

Gli estratti derivati dalle radici di liquirizia, l’acido azelaico, l’acido kojico, l’acido ellagico, l’acido ascorbico e l’idrochinone sono alcune tra le sostanze note per esibire la loro azione a questo livello (8).

Anche le AuNPs-EAPV agiscono seguendo questo meccanismo di inibizione; in particolare, i polifenoli derivati dall’estratto di vinacce che funzionalizzano le AuNPs, sono in grado di chelare i due atomi di rame presenti nel sito attivo dell’enzima (5, 9, 10, 11, 12). L’azione depigmentante è ascrivibile alla perdita di attività dell’enzima (5, 9, 10). Come già osservato per l’attività antiossidante, sempre confrontando l’estratto con le AuNPs-EAPV, all’aumentare della loro concentrazione si osserva un incremento nell’inibizione della tirosinasi, calcolata in termini percentuali, a parità di tempo di incubazione (30 minuti) (figura 3).

LE PROPRIETÀ SKIN-LIGHTHENING DELLE AuNPs-EAPV 

I promettenti risultati ottenuti hanno permesso di dimostrare come le AuNPs funzionalizzate con i polifenoli estratti dalle vinacce siano in grado di esibire un’attività antiossidante (5, 9) agendo da scavenger dei radicali liberi, nonché depigmentante per un meccanismo di inibizione della tirosinasi, enzima chiave nel processo di melanogenesi, ma anche di filtro solare grazie alla natura ibrida organica (grazie proprio alla presenza dei polifenoli) ed inorganica (grazie alla presenza dell’oro).

Un ingrediente multifunzionale, quindi, che farebbe pensare ad una potenziale applicazione in formulazioni cosmetiche anti-age per la fotoprotezione accessoria nel caso di un prodotto solare.

Resterebbe da esplorare anche l’aspetto della sicurezza tossicologica prima del loro impiego.

Così facendo, anche altri scarti agro-alimentari potrebbero essere valorizzati, diventando potenziali risorse versatili in numerosi settori produttivi, non solo in cosmesi.

Sansa di olive, noccioli di ciliegie, pesche e albicocche, bucce di patata, melograno, banana o kiwi (13, 14), gusci di frutta secca come noci, nocciole e mandorle, etc., oltre a trasformarsi in microgranuli esfolianti per prodotti scrub, quindi alternative eco-friendly alle microplastiche, sarebbero fonte di biomolecole utili anche in nutraceutica, oppure materiali adsorbenti long-lasting per la decontaminazione delle acque da inquinanti di diversa natura chimica.

Questo aprirebbe spiragli di interazione tra diverse expertise aziendali, andando a costituire una rete oltre che un ciclo virtuosi.


AuNPs E RIFIUTI IN COSMESI: IL FUTURO 

Riferimenti bibliografici

JENNIFER GUBITOSA1             VITO RIZZI1

PAOLA FINI2              PINALYSA COSMA1 

DANILO DI BONA1             NUNZIATA RIBECCO1

1. Università degli Studi “Aldo Moro” di Bari | Italia

2. Consiglio Nazionale delle Ricerche CNR-IPCF, UOS Bari | Italia

Bio...

PEER REVIEWED

EDIZIONE SPONSORIZZATA DA:

ECONOMIA CIRCOLARE