Valorization of Cranberry Bean By-Products for the Development of Protein-Based Edible Films Enriched with Clove Essential Oil

The increasing demand for sustainable packaging highlights the need to develop biodegradable alternatives that valorise agri-food by-products and align with circular economy principles. This study investigated Cranberry beans (Phaseolus vulgaris L.) rejected for quality defects (e.g., damaged, shriveled, or discolored) as a source of protein isolate (CPI) for the development of edible films enriched with clove essential oil (CEO). CPI was obtained via alkaline extraction and spray-drying, and subsequently used as the film-forming matrix, with glycerol as a plasticizer and CEO (0, 0.1, 0.3, and 0.5% w/v) as the active ingredient. The films were evaluated for structural, physical, mechanical, optical, antioxidant, and biodegradability properties. CPI had a protein content of 56.25% (dry basis), and spectroscopic analysis confirmed interactions between CEO and protein functional groups. The CEO incorporation enhanced film flexibility, reduced light transmission (4003800 nm), and significantly increased antioxidant capacity, with the 0.5% CEO film reaching 98% ABTS and 81% DPPH radical scavenging activity. However, the higher CEO levels increased moisture content and water solubility, slightly weakening film barrier performance. All films showed complete biodegradation within one week, confirming environmental compatibility. These findings demonstrate that CPI-based films enriched with CEO hold strong potential as eco-friendly active packaging, particularly for low-moisture foods requiring light and oxidative protection. Moreover, this study confirms the feasibility of upcycling Cranberry bean by-products into high-value biomaterials, thereby enhancing food quality, extending shelf-life, and advancing sustainability in food packaging innovation.

La crescente domanda di imballaggi sostenibili sottolinea la necessità di sviluppare alternative biodegradabili capaci di valorizzare i sottoprodotti agroalimentari, in linea con i principi dell’economia circolare. In questo studio sono stati impiegati fagioli Borlotti (Phaseolus vulgaris L.), scartati perché non conformi agli standard qualitativi (ad esempio danneggiati, raggrinziti o scoloriti), come fonte di isolato proteico (CPI) per la produzione di film edibili arricchiti con olio essenziale di chiodi di garofano (CEO). Il CPI è stato ottenuto mediante estrazione alcalina e successiva essiccazione spray-drying, quindi utilizzato come matrice filmogena, con glicerolo come plastificante e diverse concentrazioni di CEO (0, 0,1, 0,3 e 0,5% p/v) come agente attivo. Le pellicole sono state caratterizzate in termini di proprietà strutturali, fisiche, meccaniche, ottiche, antiossidanti e di biodegradabilità. L’isolato proteico presentava un contenuto proteico del 56,25% e l'analisi spettroscopica (FTIR) ha confermato interazioni tra il CEO e i gruppi funzionali proteici. L'incorporazione di CEO ha migliorato la flessibilità dei film edibili, ridotto la trasmissione della luce visibile (400 - 800 nm) e incrementato significativamente la loro attività antiossidante, con il campione contenente lo 0,5% di CEO che ha raggiunto valori pari al 98% per ABTS e all'81% per DPPH. Tuttavia, concentrazioni più elevate di CEO hanno comportato un aumento del contenuto di umidità e della solubilità in acqua, indebolendo leggermente le proprietà di barriera delle pellicole. Tutti i film hanno mostrato una completa biodegradazione entro una settimana, confermando la loro compatibilità ambientale. Questi risultati evidenziano il potenziale dei film a base di CPI arricchiti con CEO come imballaggi attivi ecocompatibili, particolarmente indicati per alimenti a bassa umidità che necessitano di protezione dalla luce e di conseguenza dai processi ossidativi. Inoltre, lo studio dimostra la fattibilità di valorizzare i sottoprodotti dei fagioli Borlotti trasformandoli in biomateriali ad alto valore aggiunto, contribuendo così al miglioramento della qualità e della conservabilità degli alimenti e promuovendo la sostenibilità nell’innovazione degli imballaggi alimentari.