* Flavia Milone
** Danila Chiapperini
*** Raffaele Settanni
Le microalghe
* Flavia Milone
** Danila Chiapperini
*** Raffaele Settanni
La microalga Spirulina nel 2007 è stata denominata dalla FAO il “Cibo del futuro” per il suo impiego contro la malnutrizione e le carenze alimentari che affliggono diverse aree del pianeta.
La Spirulina è considerata la migliore fonte proteica nel mondo vegetale dato che, dal punto di vista biochimico, è molto ricca di proteine a elevato valore biologico il cui contenuto varia, a seconda della specie e delle condizioni di coltivazione, tra il 55 e il 70% del peso secco.
Quando sono comparse le prime forme di vita sulla Terra, il livello di anidride carbonica nella nostra atmosfera era probabilmente 100 volte più alto di quello attualmente riscontrato.
Le microalghe, uno dei gruppi più antichi tra gli esseri viventi, hanno giocato un ruolo centrale poiché a partire dall’anidride carbonica e dall’energia radiante del sole, sono state in grado di produrre sia zuccheri per il proprio metabolismo energetico e biosintetico, sia ossigeno che in parte usano con la respirazione ed in parte rilasciano nel mezzo esterno.
Gli scienziati ritengono che, circa 3,6 miliardi di anni fa, questi incredibili organismi unicellulari fotoautrotofi, hanno trasformato la Terra in un pianeta capace di mantenere le condizioni ideali per la vita.
Nel corso dei decenni, questa teoria fu fortemente criticata, fino a quando nel 1979 James Lovelock formulò la “Gaia Ipotesi”, sostenendo che i microorganismi si sono evoluti con l’ambiente fisico producendo un complicato sistema di controllo al fine di mantenere condizioni favorevoli per la vita sulla terra [1].
Lovelock, grazie al supporto di altri illustri scienziati come il microbiologo Margulis, dimostrò che l’atmosfera terrestre, data la sua unicità per l’alta concentrazione di ossigeno, la bassa concentrazione di anidride carbonica e moderate condizioni di pH e di temperatura sulla superficie terrestre, non sarebbe potuta esistere senza l’attività tamponante svolta dalle prime forme di vita [2].
Negli ambienti acquatici, le microlaghe sono i produttori primari e costituiscono un importante anello della catena trofica degli ecosistemi marini, garantendo il flusso di materia ed energia necessario per il mantenimento degli organismi eterotrofi.
Finora sono state descritte circa 40.000 specie di alghe, ma la stima è che non rappresentino più del 20% di quelle presenti sul pianeta.
Il termine “Alghe” non ha alcun significato tassonomico, ma indica un insieme di vegetali, alquanto primitivi, che, pur accomunati da alcune caratteristiche, si presentano molto diversi tra loro dal punto di vista morfologico, fisiologico, ecologico e biochimico.
Risulta difficile descrivere in maniera esauriente le alghe, considerando che sono rappresentate da un gruppo di organismi antichi, sono numerose ed eterogenee, sia per dimensioni sia per la capacità di adattarsi nei diversi habitat. Infatti, alcune si sono adattate a vivere vicino a fonti di acqua calda, altre in zone glaciali come le calotte polari, altre ancora, come per esempio la Spirulina, vivono in condizioni di pH fortemente basico.
Le alghe hanno cellule sia di tipo procariotico, procarion significa “prima del nucleo” che di tipo eucariotico, eucarion“vero nucleo”. Le prime hanno il DNA libero nel citoplasma in una regione definita nucleoide, mentre le seconde possiedono un involucro nucleare che separa il DNA dal resto della cellula.
Le alghe presentano un diverso corredo di pigmenti fotosintetici (soprattutto clorofilla e carotenoidi), e possiedono sostanze di riserva e componenti parietali del tutto specifici, utilizzati come elementi utili per stabilire la loro posizione sistematica.
Le microalghe si accrescono velocemente in presenza di nutrienti quali i sali minerali, luce e anidride carbonica, in misura maggiore rispetto alle piante terrestri.
Inoltre, possono essere sia fotoautotrofe, utilizzando sostanze inorganiche come base per la sintesi di molecole organiche e la luce come fonte di energia, sia eterotrofe, nutrendosi di sostanze organiche prodotte da altri organismi per ottenere energia e piccole molecole, o mixotrofe, sintetizzando le proprie molecole organiche a partire da sostanze inorganiche.
Le microalghe autotrofe utilizzano la radiazione solare per convertire l’acqua e l’anidride carbonica in ossigeno e zuccheri. Esse sono in grado di fissare efficientemente l’anidride carbonica da diverse fonti, tra cui l’atmosfera, i carbonati solubili e i gas di scarico industriali. Ciò rende le microalghe particolarmente interessanti per l’assorbimento di anidride carbonica atmosferica per la produzione di biocombustibili; infatti, dopo la fase di estrazione di olio, la parte restante della biomassa algale può essere trasformata in etanolo, metano oppure utilizzata per la produzione di fertilizzante organico (grazie all’alto contenuto dell’azoto e fosforo), o semplicemente bruciato per la cogenerazione di energia [3].
La fotosintesi delle microalghe è simile a quella delle piante superiori, ma esse sono generalmente più efficienti delle piante nel convertire l’energia solare. Crescendo in mezzi acquosi, esse utilizzano in maniera efficiente l’acqua, l’anidride carbonica ed i nutrienti. Circa 1,8 kg di anidride carbonica vengono fissati per ogni Kg (peso secco) di biomassa microalgale prodotta.
Recentemente, le microalghe sono state coltivate per la produzione di biomassa per una vasta gamma di applicazioni, in particolare nei settori che riguardano la nutrizione umana ed animale, il settore sanitario, cosmetico e l’agricoltura (biofertilizzanti) [4].
Inoltre, le microalghe sono considerate come una promettente risorsa per la produzione di biocarburanti grazie alla rapida crescita, all’alto contenuto lipidico, all’utilizzo relativamente esiguo di terreni e alla capacità di assorbire anidride carbonica (CO2), risultando efficienti da un punto di vista quantitativo [5,6]. Per quanto riguarda l’energia è stato stimato che la biomassa di microalghe potrebbe fornire circa il 25% del fabbisogno energetico mondiale [7].
Considerando invece un sistema a circuito chiuso, le microalghe, per esempio, possono essere utilizzate anche per la depurazione di reflui civili e agro-zootecnici, in quanto sono in grado di eliminare molecole quali NH4+, NO3– e PO4, e utilizzarle come fonte primaria per la crescita delle alghe e per la produzione di biomolecole di interesse commerciale [8].
In entrambi i casi, le ricerche sono in fase sperimentale in quanto, al momento, non sono stati raggiunti standard di produzione con rendimenti prevedibili, programmabili e standardizzati [9].
Per tali ragioni questi settori attualmente richiedono costi di produzione ancora troppo elevati e con una bassa sostenibilità.
Le microalghe di varie specie vengono già prodotte e messe sul mercato in vari Paesi, dove sono utilizzate per ottenere integratori alimentari, mangimi, pigmenti, acidi grassi come gli ω3 e biomasse per acquacoltura. Trovano impiego anche nelle industrie farmaceutica, della cosmetica e nella prevenzione dall’inquinamento ambientale, come bioindicatori.
La coltivazione delle microalghe avviene in bacini, vasche, fotobioreattori o fermentatori con tecniche e volumi diversi, a seconda della specie coltivata e delle particolari applicazioni.
I cianobatteri: microrganismi dalle incredibili proprietà
La classificazione dei Cianobatteri è molto complessa e tutt’altro che definitiva, difatti le proposte in letteratura sono numerose e spesso contrastanti nella denominazione della stessa specie (Tabella 1) [10].
I Cianobatteri (Cyanophyta) o alghe azzurre, conosciuti anche come Cianoficee, sono organismi procarioti, precisamente eubatteri gram negativi, capaci di compiere la fotosintesi ossigenica.
Presentano un’alta diversificazione morfologica, documentata dalla presenza di generi con morfologia unicellulare, filamentosa (tricoma) ramificata o non ramificata. Hanno anche una grande variabilità dimensionale: si va da organismi unicellulari con diametro di 0,2 μm a forme filamentose con lunghezza fino a 200 μm [11].
Alcuni Cianobatteri sono fotoautotrofi obbligati, altri possono crescere anche in assenza di luce a spese di fonti organiche di energia, ma la loro velocità di crescita è sempre abbastanza bassa. Questi organismi possono tuttavia effettuare, in condizioni di necessità, una fotosintesi anossigenica ed una respirazione anaerobica, utilizzando lo zolfo elementare al posto dell’ossigeno; molti di essi sono in grado di sintetizzare sostanze organiche azotate mediante la fissazione biologica dell’azoto atmosferico, grazie alla simbiosi con specie di funghi (licheni).
Grazie alla capacità di adattarsi alle diverse situazione, i Cianobatteri sono diffusi ovunque: laghi, fiumi, geyser, sorgenti idrotermali.
I Cianobatteri, come il resto dei procarioti, hanno solo una riproduzione vegetativa che avviene di norma per scissione binaria, una divisione cellulare amitotica, con separazione delle due parti per invaginazione della membrana plasmatica previa duplicazione del filamento di DNA.
Le forme coloniali possono moltiplicarsi per frammentazione, cioè direttamente per separazione di gruppi cellulari dalla colonia madre, o per sporulazione, cioè per formazione di spore durevoli.
La frammentazione, soprattutto nelle colonie filamentose, porta al distacco di gruppi cellulari detti ormogoni, inizialmente immersi nella medesima guaina gelatinosa. Separandosi, essi riproducono ciascuno una nuova colonia autonoma, assolutamente identica, strutturalmente e geneticamente, alla colonia madre. La separazione degli ormogoni può avvenire per rottura dei filamenti in punti qualsiasi o, più spesso, in corrispondenza di particolari cellule morte, dette necridi o dischi di separazione. Questo processo si verifica in specie come la Spirulina.
La sporulazione, invece, avviene per trasformazione di cellule della colonia in strutture durevoli in grado di divenire quiescenti e resistere alle condizioni avverse, come la siccità. Si tratta di spore, dette acineti, voluminose, con parete fortemente ispessita e pluristratificata, in grado di sopravvivere in vita latente anche per moltissimi anni e di germinare, in condizioni idonee, riproducendo una nuova colonia, tipica del genere Nostoc.
La parete cellulare di molti Cianobatteri si presenta come una semplice parete di peptidoglicano, mentre in altri è paragonabile ad una guaina molto spessa, gelatinosa, costituita almeno nelle specie più studiate, da sostanze pectiche e emicellulosiche. La guaina gelatinosa contribuisce all’aggregazione delle cellule che si presentano spesso come filamenti o come colonie irregolari. Tra questa guaina e la membrana cellulare (locula) è presente una struttura che prende il nome di vaginula. La locula è a contatto con il cromatoplasma, che contiene pigmenti primari e secondari, come glicogeno, sostanze di riserva, lipidi, vacuoli gassosi ecc.. e un sistema di membrane fotosintetiche equidistanti dette tilacoidi. Più tilacoidi impilati uno sull’altro, formano quello che viene detto grana. I tilacoidi negli eucarioti dividono in due porzioni i cloroplasti, ma ricordiamo che i Cianobatteri sono procarioti e quindi sono privi di questi organelli. I Cianobatteri dispongono della sola clorofilla A, più pigmenti accessori come le ficobiline (c-ficocianina di colore blu perché contiene rame, c-ficoeritrina di colore rosso perché contiene ferro, alloficocianina, ficoeritrocianina). Poiché le ficobiline sono associate a proteine, si parla spesso di ficobiliproteine (tetrapirroli a catena aperta coniugati a proteine). Le ficobiliproteine si presentano associate a formare strutture ad alto peso molecolare dette ficobilosomi (si tratta di strutture emisferiche), ove l’alloficocianina si presenta circondata da molecole di ficoeritrina e ficocianina. L’alloficocianina assorbe a 650 nm, la ficoeritrina a 550 nm e la ficocianina a 620 nm, quindi si tratta di pigmenti accessori che permettono di ampliare lo spettro della luce utilizzabile e permette ai Cianobatteri di crescere anche a bassa intensità di radiazione luminosa.
Tra i pigmenti secondari sono presenti carotenoidi (beta-carotene), xantofille (mixoxantina e zeaxantina). Altri inclusi sono il glicogeno (polimero ramificato del glucosio), il prodotto principale della fotosintesi, la cianoficina (polimero dell’arginina e dell’asparagina). L’arginina è quindi una riserva di azoto da utilizzare quando scarseggia nell’ambiente, ma è anche una fonte di energia perché convertita dall’enzima arginina diidrolasi in ornitina con conseguente produzione di ATP).Infine, tra gli inclusi, la volutina e l’alfa-1,4-glucano, l’amido delle cianoficee. I vacuoli gassosi contengono azoto ed hanno un ruolo idrostatico.
La maggior parte dei prodotti in commercio sono prodotti dai seguenti Cianobatteri: Arthrospira, Nostoc e Aphanizomenon. Questi vengono prodotti principalmente per la produzione di cibo funzionale. Per cibo o alimento funzionale (functional food) s’intende “alimento, naturale o formulato, che aumenta la performance fisica, consente di raggiungere uno stato di salute ottimale, previene uno stato di malattia o è utile nel trattamento di uno stato patologico”.
Aphanizomenon, comunemente conosciuta come alga Klamath, ha un contenuto proteico superiore al 50% del peso secco, mentre i valori sono più bassi per Nostoc a causa della grande quantità di polisaccaride extracellulare. Il contenuto di lipidi nei Cianobatteri è molto più basso, in genere è pari al 5-8% [12].
Nel caso di Arthrospira, i valori proteici sono superiori al 60% del peso secco, mentre i valori dei lipidi si aggirano al 6-8%, sono particolarmente ricchi di acidi grassi essenziali [13].
Tra i componenti più importanti per la salute umana, ci sono gli antiossidanti (es. i carotenoidi), le vitamine e i sali minerali molto presenti sia in Aphanizomenon che in Arthrospira.
Il genere Nostoc ha un contenuto di carboidrati superiore agli altri due, ma un contenuto proteico leggermente inferiore [14].
Grazie alle loro interessanti caratteristiche nutraceutiche, negli ultimi dieci anni la produzione è stata incrementa su larga scala. La quantità Arthrospira prodotta è in costante aumento e si stima abbia raggiunto 5000 t di peso secco nel 2010. Più di 3500 t di biomassa viene prodotta ogni anno in Cina da diverse aziende [15]. La produzione annua di biomassa dei tre Cianobatteri risulta essere pari a circa 6800 t di peso secco all’anno, a fronte della produzione totale mondiale di 10000 t di biomassa microalgale. Emerge, quindi, che i Cianobatteri appartenenti al genere Arthrospira, Nostoc e Aphanizomenon coprono il 68% della produzione totale mondiale di biomassa microalgale [16].
La Spirulina – Il Cibo degli Dei
Il termine generico di Spirulina si riferisce ai Cianobatteri fotosintetici appartenenti ai generi Spirulina ed Arthrospira [17]. La maggior parte della Spirulina presente sul mercato ed oggetto di studi scientifici è rappresentata dalla specie Arthrospira platensis.
La microalga Spirulina è attualmente parte di un lungo ed importante progetto dell’ESA (European Space Agency) denominato MELiSSA (http://www.esa.int/SPECIALS/Melissa/), nel quale è coinvolta l’astronauta Cristoforetti, il cui obiettivo è stato quello di studiare e capire come impiegare batteri, alghe, piante per recuperare gli scarti e soprattutto la CO2che si producono durante le missioni spaziali usando la luce come fonte di energia per promuovere la biosintesi.
La storia della Spirulina è strettamente legata al continente africano, alla vita delle sue popolazioni e alle loro tradizioni. La popolazione Kanembu ha sapientemente usato la Spirulina presente nel lago Chad per la produzione di un prodotto alimentare noto come Dihè [18], ottenuto dalla disidratazione e dalla lavorazione di questa microalga.
Il botanico francese Pierre Dangeard osservò per primo la presenza della microalga in diversi laghi situati nella Great Rift Valley, nell’Africa orientale; oltre ad altri laghi dell’Africa centrale come il Bodou e il Rombou, la Spirulina è anche presente in Messico, in prossimità del lago Texcoco.
Uno degli usi più importanti della Spirulina è sicuramente quello alimentare; sia per l’abbondanza di principi nutritivi di notevole valore nutraceutico e funzionale, sia per la sua facilità di coltivazione ed adattamento ad ambienti e condizioni estreme (acque alcaline e temperature elevate).
La Spirulina è stata denominata dalla FAO, nel 2007, il “Cibo del futuro” per il suo impiego contro la malnutrizione e le carenze alimentari che affliggono diverse aree del pianeta [19].
La Spirulina è considerata la migliore fonte proteica nel mondo vegetale. Infatti, dal punto di vista biochimico è molto ricca di proteine ad elevato valore biologico il cui contenuto varia a seconda della specie e delle condizioni di coltivazione.
Il contenuto proteico della microalga Spirulina oscilla tra il 55 ed il 70% del peso secco [20]e le proteine presenti contengono tutti gli amminoacidi essenziali. In aggiunta contiene circa il 20% di carboidrati ma essendo priva di cellulosa risulta più digeribile rispetto ad altre microalghe come ad esempio la Chlorella [21].
Il contenuto in lipidi è piuttosto basso ed il colesterolo è scarso: 10 g di Spirulina contengono 1.3 mg di colesterolo. Molto abbondanti sono invece gli acidi grassi polinsaturi come l’acido linoleico e l’acido γ-linolenico [22] che è un precursore di alcune prostaglandine ed ha un’influenza sui livelli del colesterolo nel sangue.
Oltre a contenere tutti i principali minerali essenziali come il ferro, il calcio, il fosforo, il potassio, la Spirulina è una interessante fonte di vitamine del gruppo B (come la B12), di vitamina C, D ed E.
Accanto ai principi nutritivi citati questa microalga contiene anche altri nutrienti che hanno delle funzioni alimentari benefiche per la salute umana. Tra i pigmenti fotosintetici ci sono la clorofilla che insieme alle altre clorofille è responsabile della colorazione verde, tanti carotenoidi come il β-carotene che hanno una funzione antiossidante e la ficocianina che dona il colore blu a queste alghe.
Quest’ultimo pigmento ha delle proprietà salutistiche che sono state messe in luce da numerose ricerche scientifiche; stimola il sistema immunitario ed ha effetti inibitori contro la proliferazione delle cellule K562 della leucemia umana [23], ha un’attività antivirale [24] esercita effetti di regressione o inibizione di alcuni tipi di cancro e contribuisce alla costruzione delle cellule del sangue [25].
La ficocianina contenuta nella spirulina è usata come colorante naturale per alimenti e cosmetici. Infatti la DainipponInk&Chemicals, nel 1980 ha sviluppato un colorante alimentare a base di ficocianina chiamato Lina-Blue® che è usato per produrre chewing-gum, caramelle, drinks, gelati e salse come il wasabi.
La Spirulina è anche ampiamente utilizzata come integratore proteico nei mangimi per animali ed in acquacoltura per avere dei pesci di allevamento che siano più resistenti ad infezioni e malattie, più simili a quelli pescati e ottenere un miglioramento nel colore, nell’odore e nella qualità.
La Spirulina è presente sul mercato in diversi formati; è reperibile sotto forma di pillole, capsule, tavolette e polvere, ma è sempre più presente in moltissimi prodotti come biscotti, bevande, zuppe, pasta, snack, prodotti dietetici e per sportivi.
A fronte di un consumo crescente delle alghe verdi-azzurre, si rileva la problematica relativa alla difficoltà di riuscire a tracciare in maniera sicura e controllata gli impianti di produzione, in quanto la Spirulina presente sul mercato italiano è per più del 90% di origine extraeuropea.
È diventato quindi necessario controllare in maniera sempre più rigida la sicurezza e la salubrità de prodotto importato, le modalità di produzione e i flussi di provenienza e scegliere prodotti Made in Italy o caratterizzati da una tracciabilità e rintracciabilità.
L’ente Statunitense FDA (Food and Drug Administration) a seguito di studi di sicurezza effettuati, ha stabilito che la Spirulina aggiunta negli alimenti è considerata sicura (GRAS: Substance Generally Recognizedas Safe) a livelli di 0.5-3 g per porzione.
* Biologa, Responsabile qualità e sicurezza
** CEO – Responsabile tecnico
*** Project manager
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