Valorization of tomato cutin as biobased additive for bioplastics : fatty acids extraction, modification and blending

Over the last past two decades, due to the increasing environmental concern, the attention of the industrial world moved to bioplastics. In polymer science, a range of additives is used to tailor the polymer properties to a particular application. From a sustainable point of view, the additives for plastics might be found in agro-food sector, in order to substitute conventional additives that might be toxic or with high environmental impact. In the light of this, tomato wastes can represent a great renewable resource to find sustainable chemicals and additives. In particular, wastes in tomato sauce industrial processing, namely tomato peels, are well known to give an important protection to tomato cores thanks to the cutin, which is a strong polyester network with the role of physical barrier against external agents for tomatoes. When extracted from tomato skins, cutin can be depolymerized to obtain hydroxy fatty acids, which have been exploited in literature mainly for their easy and green extractability. In this work, the application of cutin hydroxy fatty acids as bio-based plasticizers of bioplastics was proposed and investigated from a perspective of circular economy. Among bioplastics, poly lactic acid (PLA) represents one of the most used polymers in the market due to its good mechanical properties and sufficient barrier properties. However, due to PLA limited flexibility, its pristine employment has always been limited, and several plasticizers have been tried to make it softer. For this reason, the aim of this work was to improve PLA flexibility and mechanical properties using cutin acids as bio based renewable plasticizers. The cutin fatty acids were firstly extracted from tomato skins and then modified, to achieve increased compatibility with PLA, and eventually were blended with PLA in different ways. After processing, the PLA filled with functionalized and non functionalized cutin monomers were extensively characterized, by differential scanning calorimetry (DSC), tensile tests, and static contact angle measurements. Blends of cutin acid filled PLA show an evident increase in ductility, and a clear decrease in the glass transition temperature, which will be one of the main effects of plasticizers. This work therefore paves the way for the use of fatty acids as bio-based plasticizers for other bioplastics.

Negli ultimi due decenni, a causa della crescente preoccupazione rispetto alle tematiche ambientali, anche l'attenzione del mondo industriale si è spostata verso le bioplastiche. Nella scienza dei polimeri, gli additivi sono utilizzati per adattare le proprietà dei polimeri per una particolare applicazione. Da un punto di vista della sostenibilità, gli additivi per la plastica andrebbero ricercati nel settore agroalimentare, per sostituire gli additivi convenzionali che potrebbero essere tossici o ad alto impatto ambientale. Alla luce di ciò, gli scarti di pomodoro possono rappresentare una grande risorsa rinnovabile per avere nuovi prodotti chimici e additivi sostenibili. Per esempio, gli scarti della lavorazione industriale della salsa di pomodoro, cioè le bucce di pomodoro, che sono ben note per l’azione protettiva rispetto all’interno dei pomodori, sono ad altissimo contenuto di cutina, che è una forte “rete” composta da biopoliesteri con il ruolo di barriera fisica contro gli agenti esterni. Quando viene estratta dalle bucce di pomodoro, la cutina può essere depolimerizzata per ottenere acidi grassi idrossilati, che sono già stati utilizzati in letteratura soprattutto per il fatto che l’estrazione risulta semplice e poco inquinante. In questo lavoro, l'applicazione degli acidi grassi idrossilati della cutina come plastificanti bio derivati per le bioplastiche è stata proposta e studiata nel rispetto dello spirito dell’economia circolare. Tra le bioplastiche, l'acido polilattico (PLA) rappresenta uno dei polimeri più utilizzati sul mercato grazie alle sue buone proprietà meccaniche e alle sufficienti proprietà barriera. Tuttavia, a causa della limitata flessibilità del PLA, il suo impiego allo stato puro è sempre stato limitato, e sono stati provati diversi plastificanti per renderlo più duttile. Per questo motivo, lo scopo di questo lavoro è di migliorare la flessibilità e le proprietà meccaniche del PLA usando gli acidi della cutina come plastificanti rinnovabili di origine biologica. Gli acidi grassi della cutina sono stati prima estratti dalle bucce di pomodoro e poi modificati, per ottenere una maggiore compatibilità con il PLA, e alla fine sono stati mescolati con il PLA in modi diversi. Dopo la lavorazione, le miscele di PLA con i monomeri da cutina funzionalizzati e con i monomeri da cutina non funzionalizzati sono stati ampiamente caratterizzati, tramite calorimetria differenziale a scansione (DSC), prove di trazione e misure statiche dell'angolo di contatto. Le miscele di PLA caricate con acidi da cutina, modificati e non, mostrano un evidente aumento della duttilità e una chiara diminuzione della temperatura di transizione vetrosa, che sono tra i principali effetti dei plastificanti. Questo lavoro apre quindi la strada all'uso degli acidi grassi come plastificanti bio-based per altre bioplastiche.