Francesca Masin, Stefano Manfredini, Silvia Vertuani
Le materie prime di derivazione biotecnologica sono sempre più di attualità nella formulazione dei cosmetici.
Sono frutto della moderna ricerca scientifica che tende a valorizzare sostenibilità, tradizione e innovazione. Uno dei processi maggiormente impiegati nella
produzione di questi ingredienti è la chimica della fermentazione.
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Il settore cosmetico si contraddistingue per una continua e instancabile ricerca di prodotti innovativi che soddisfano le esigenze del consumatore per funzionalità ed estetica, in linea con i sempre più dinamici e fluidi trend di mercato, non dimenticando tuttavia l’importanza delle proprie responsabilità sociali e ambientali. Il prodotto cosmetico, dunque, è il risultato di una strategia per nulla lasciata al caso che volge lo sguardo verso prodotti tecnicamente complessi, sostenibili e frutto di studi all’avanguardia, un esempio sono i “cosmetici fermentati”, presenti ormai da alcuni anni sul mercato mondiale, in particolare quello orientale. Esaminando il termine in sé si può intuire l’azzardo linguistico, infatti il cosmetico fermentato finito e pronto all’acquisto non è fermentato come può far pensare il termine, bensì è caratterizzato da uno o più ingredienti ottenuti da biotecnologie, più precisamente dalla chimica della fermentazione. La presenza di queste materie prime ottenute da biotecnologie è spesso il claim accattivante dell’intero prodotto, spesso è il focus di un’intera linea con un’inclinazione più commerciale, tuttavia il valore della materia prima di derivazione biotecnologica è il riflesso di una coscienza più ampia, che abbraccia ricerca scientifica, sostenibilità e tradizione.
Il nostro gruppo di ricerca è da diversi anni impegnato nello studio di nuovi ingredienti cosmetici più sostenibili, che derivano in particolare da fonti biotecnologiche, come per esempio lo studio dell’antiossidante verbascoside (Vertuani et al., 2011), il cui ottenimento consente di risparmiare centinaia di litri di acqua rispetto alla coltivazione in terreno. Nell’ambito dei fermentati il nostro interesse si è rivolto in questi ultimi anni ai polisaccaridi, in particolare all’acido ialuronico, con l’ottenimento di forme semisintetiche, in particolare crosslinkate, al fine di valorizzarne le proprietà salutistiche. (Fallacara et al., 2018; Fallacara et al., 2019). Infine i nostri sforzi sono rivolti non solo all’ottenimento di “specialties” ma anche di “commodities” utili a sostituire, con forme sostenibili, i tradizionali ingredienti da petrolchimica particolarmente impattanti sull’ambiente: es. emulsionanti, viscosizzanti e conservanti da via fermentativa.
È nostra premura chiarire il termine biotecnologie oggi utilizzato per identificare unicamente processi connessi alle tecniche del DNA ricombinante e OGM, in realtà secondo Unite Nations Convention on Biological Diversity “è qualsiasi applicazione tecnologica che utilizza sistemi biologici, organismi viventi, o derivati, per fabbricare o modificare prodotti o processi per uso specifico” (Taussig et al.,2008) e dunque comprende anche quelle tecniche che producono cellule microbiche come prodotto (biomassa), enzimi microbici, metaboliti microbiologici e prodotti ricombinanti attraverso varie e complesse tecnologie tra cui anche la fermentazione. L’utilizzo delle tecniche biotech ha determinato un impatto positivo sia economico che sociale nel tessuto lavorativo, infatti osservando il rapporto sulle biotecnologie in Italia, realizzato da Assobiotec, Associazione nazionale per lo sviluppo delle biotecnologie, in collaborazione con ENEA circa i dati forniti dalle imprese biotech a fine 2018, si delinea un crescente interesse socio economico, un fatturato in crescita del 16% e un numero di addetti pari a 13.000 unità, riportando un incremento significativo di un settore caratterizzato da un’intensa attività di ricerca e una popolazione di impresa sempre più in aumento. Da questi dati emerge il potenziale umano ed economico di un settore dedito alla ricerca, alla sperimentazione e allo sviluppo di molteplici tecnologie, pur essendo eterogeno nei diversi ambiti di applicazione.
Oltre la metà delle imprese italiane censite è rappresentata dalle biotecnologie dedite alla salute dell’uomo; si parla di biotecnologia rossa o della salute, caratterizzata da un’ampia e consolidata categoria di prodotti, come i farmaci biotecnologici, finalizzati a raggiungere in modo mirato un singolo bersaglio, una proteina, un recettore o anche una sequenza del DNA. Si pensi per esempio agli anticorpi monoclonali, come gli inibitori del TNF-α (per esempio l’INFLIXIMAB), o ai prodotti ottenuti dalla tecnica del DNA ricombinante, questi ultimi sono caratterizzati dal trasferimento di un gene di interesse, per esempio un gene umano, codificante per una specifica proteina che si vuole utilizzare come farmaco, questo è inserito in un organismo ospite che viene successivamente fatto crescere in un fermentatore e sarà capace di secernere la proteina codificata dal gene inserito. Sono moltissimi gli esempi che hanno sfruttato questa tecnica come per esempio l’insulina, si pensi al farmaco pionieristico Humulin, ottenuto utilizzando l’Escherichia coli (Walsh et al., 2005; Wick et al., 2017) o al farmaco per la terapia dell’acromegalia Pegvisomant, antagonista del recettore dell’ormone della crescita ottenuto utilizzando ancora una volta E. coli (Goeddel et al., 1979; Trainer et al., 2000), o all’interferone per la terapia dell’epatite C.
Tuttavia le biotecnologie coinvolgono moltissimi altri settori come quello dell’agricoltura, si parla in questo caso di biotecnologia verde rivolta in particolare a una maggiore aderenza alla sostenibilità, al biologico o ancor meglio all’idroponico. Le biotecnologie bianche invece sono rivolte alla produzione di sostanze e prodotti di consumo di massa, per esempio biotecnologie che guardano allo sviluppo di prodotti innovativi nell’ambito alimentare, cosmetico, energetico. La scelta di questo tipo di tecnologie determina in primis un notevole risparmio in termini di denaro, tempo e infrastrutture riducendo allo stesso tempo scarti inquinanti e l’uso di acqua, dal momento che si avvale prevalentemente di enzimi, lieviti e di cellule vegetali. Sarebbe tuttavia limitante ed errato affermare, come già premesso, che le biotecnologie si avvalgono esclusivamente di modifiche genomiche e tecniche di ingegneria genetica Negli ultimi anni in particolare nell’ambito delle biotecnologie verde e bianca stanno acquisendo sempre più interesse tecniche note nel passato, storicamente inserite nel contesto culturale, specie italiano, come per esempio la fermentazione.
Meccanismi ossidativi e tecnologia
Il concetto di fermentazione può essere considerato secondo due modalità che non si escludono tra loro, una biochimica, l’altra rivolta a un’ottica più industriale. Il termine fermentazione indica un processo biochimico catabolico dei composti organici, funzionale alla rigenerazione del NADH, ossia alla sua ossidazione. Il catabolismo degli zuccheri infatti è un processo ossidativo che produce, durante alcune tappe della glicolisi piridin nucleotidi ridotti (NADH), i quali devono essere riossidati per continuare il processo catabolico. In presenza di ossigeno, l’equivalente riducente, cioè la coppia di elettroni, immagazzinato nel NADH, è ceduto tramite un sistema di trasporto al mitocondrio, dunque in questo caso grazie all’ossigeno si ossida. Al contrario se l’ossigeno non è sufficiente, condizione di anaerobiosi, il NADH rimane ridotto bloccando il processo di produzione di energia nella cellula. Per evitare ciò ha inizio la fermentazione che è finalizzata proprio all’ossidazione del NADH a NAD+; in questo caso l’equivalente riducente è accettato dal piruvato, che sarà ridotto fungendo da ossidante nei confronti del NADH. Durante un intenso sforzo muscolare, in caso di basse concentrazioni di ossigeno, la produzione di ATP sarebbe compromessa, perciò le cellule del muscolo hanno creato un meccanismo alternativo come la fermentazione lattica proprio per evitare lo stop della glicolisi; la reazione è catalizzata dall’enzima lattato deidrogenasi, il piruvato è trasformato in lattato e contemporaneamente il NADH è ossidato. Anche i microrganismi sono in grado di ridurre il piruvato ad una vasta gamma di prodotti finali: il piruvato che si forma dal catabolismo del glucosio è successivamente metabolizzato a seconda di meccanismi che sono caratteristici dei particolari microrganismi. Dunque in questo caso il termine fermentazione viene usato in stretto senso biochimico e indica un processo di produzione di energia.
I microbiologi industriali invece considerano il termine fermentazione nella sua accezione più ampia, usando questo termine per descrivere tutti quei processi che portano a nuovi prodotti per mezzo di colture di microrganismi. Ancor più esaustiva la definizione di fermentazione data da Hussain et al. (2016), definita come un processo guidato da un microrganismo che, partendo da un substrato di basso valore (low grade), lo converte e lo elabora sotto l’azione di enzimi microbici, creando nuovi composti bioattivi.
Come premesso all’inizio di questa trattazione, la definizione di cosmetico fermentato, per i non addetti al settore può essere confuso, senza colpa, con un immaginario cosmetico contenente cellule biologicamente attive e vitali alla stregua di alcuni prodotti alimentari, come per esempio lo yogurt, che per definizione è latte fermentato. Ma lo yogurt, come è noto, è ottenuto attraverso una serie di step controllati e successivi tra cui l’aggiunta di microrganismi, nello specifico Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus thermophilus, coltivati direttamente sul latte precedentemente pastorizzato e lasciati fermentare. Durante il processo avvengono profonde trasformazioni di natura fisica, chimica, batteriologica, organolettica e nutrizionale che modificano le caratteristiche del latte e portano all’ottenimento dello yogurt. È necessario considerare che le proprietà del prodotto ottenute durante la fermentazione, come per esempio l’abbassamento del ph a 4,5 o la presenza dell’acido lattico nella percentuale dello 0,8-1,4%, sono legate alla presenza, fino all’atto del consumo dei suddetti microrganismi; essi infatti devono essere vivi e vitali in quantità totale non minore di 10 milioni (107) per grammo di prodotto. Negli ultimi anni inoltre sono addizionati probiotici, cioè veri e propri ceppi batterici, che conferiscono all’ospite, non più al prodotto, benefici specifici (Parvez et al., 2006).
Da questa breve descrizione della fermentazione per l’ottenimento dello yogurt è chiara la condizione completamente differente rispetto a un prodotto cosmetico contenente ingredienti o attivi di derivazione biotecnologica. Il termine “cosmetico fermentato” manifesta la scelta di una tecnologia biotech, basata sulla chimica delle fermentazioni, in cui è stata preferita la fermentazione come tecnica di produzione di alcuni componenti. Il cosmetico non può contenere cellule biologicamente attive, sarebbe di certo instabile a livello chimico, organolettico, microbiologico e anche poco accattivante tuttavia può caratterizzarsi di materie prime ottenute da un processo fermentativo. Dunque il comune denominatore tra prodotti alimentari fermentati e cosmetici fermentati è l’utilizzo di una tecnica antica e resa oggigiorno sempre più all’avanguardia in cui i microrganismi guidano l’intero processo di ottenimento della materia in oggetto.
Biopolimeri e applicazioni nell’industria
Tra i biopolimeri presenti nel panorama delle applicazioni tecnologiche cosmetiche e biomediche la gommma xantana è tra gli esempi più noti e conosciuti. La sua scoperta infatti risale al 1950, da parte di Allen Rosalind Jeanes del Dipartimento di Agricoltura degli Stati Uniti, il suo potenziale è da subito riconosciuto prima in ambito alimentare tant’è che è approvato come polimero non tossico e sicuro da FDA nel 1969, trovando principale applicazione come agente viscosizzante e stabilizzante, poi anche in ambito cosmetico e biomedico. La gomma xantana è, di fatto, il secondo polisaccaride, ottenuto da microrganismo dopo il destrano (primi del 1940) e commercializzato in scala industriale. In Europa la gomma xantana è prodotta su larga scala da Jungunzlauer Autria AG e Solvay, tuttavia dal 2005 il principale produttore al mondo è la Cina. Il polimero è tra i gli esempi di ingredienti ottenuti da fermentazione con una consolidata storia di applicazioni in differenti ambiti tra loro trasversali, e pur essendo conosciuta da anni è ancora molto fervida la ricerca per nuove applicazioni. Come noto è un polisaccaride, il cui nome deriva dalla fermentazione del glucosio usando il batterio Gram negativo del genere Xanthomonas, che presenta numerose specie, tuttavia X. campestris è il più utilizzato a livello industriale. (Kumar et al., 2018)
La struttura principale è costituita da una backbone di unità ripetute di cellobiosio mentre le ramificazioni sono caratterizzate da un trisaccaride di D-mannosio, D-acido glucuronico e D-mannosio, circa metà dei mannosi terminali contengono residui di acido piruvico legati in posizione 4 e 6, tuttavia la loro distribuzione è sconosciuta, mentre è certa la presenza di un acetile in posizione 6 del primo mannosio della catena laterale. La composizione della xantana, in particolare delle sue ramificazioni, dipende dalle condizioni di fermentazione e dalle caratteristiche del batterio in uso, che andranno a influenzare le differenti caratteristiche del prodotto, poiché la struttura ramificata favorisce non solo la costruzione di reti fisiche ma anche quelle chimiche (Petri et al., 2015). A fermentazione conclusa segue un processo di pastorizzazione per eliminare i microrganismi, la gomma è fatta precipitare in alcol, spry-dried o risospeso in acqua e fatta riprecipitare. Tuttavia per le applicazioni in vivo è purificata secondo un protocollo in cui sono previsti step precisi (adsorbimento, enzimolisi, filtrazione e precipitazione) al fine di raggiungere un alto grado di purificazione.
Questo prodotto di derivazione biotech, ottenuto da fermentazione microbica, ha svariate applicazioni tecnologiche. È principalmente utilizzato nel settore alimentare e cosmetico come viscosizzante acquoso, con range di utilizzo tra 0,05 e 0,7%. La sua versatilità è data anche dalla stabilità in un ampio range di pH, di temperatura e di forze ioniche. In ambito cosmetico è utilizzato nei dentifrici, negli shampoo, lozioni, geli acquosi ed emulsioni olio in acqua, ritardando in questi ultimi i fenomeni di coalescenza. Recentemente è stata utilizzata anche nei prodotti da forno per evitare la migrazione dell’acqua dal ripieno alla sfoglia. È stato aggiunto nei prodotti gluten-free grazie all’elasticità che riesce a conferire a tali prodotti. In ambito farmaceutico la gomma xantana è presente come eccipiente principalmente nelle compresse e all’interno di idrogeli come viscosizzante (Petri et al., 2015).
Le sue applicazioni eterogenee sono date principalmente dalla conformazione della gomma che può alternarsi da una conformazione a bobina (coil) a una struttura a doppia elica. La persistenza di una piuttosto che dell’altra è influenzata da vari fattori come la temperatura e la forza ionica delle catene, oltre che dalla presenza di ioni Ca2+ che stabilizzano la struttura a elica, ma soprattutto la formazione di network fra le singole catene. Il numero di connessioni nel network può aumentare con l’aggiunta di un crosslinker come l’acido citrico, il glicerolo o la glutaraldeide, creando ponti con altri polimeri come la cellulosa, il chitosano o i poliacrilati. (Bueno et al., 2014). Inoltre può essere utilizzata come carriers per farmaci e biomolecole, grazie alla sua elevata stabilità a pH acidi protegge il farmaco dalla degradazione nello stomaco ed il rilascio è controllato in funzione del pH dell’ambiente (in condizioni alcaline i legami esterei sono idrolizzati), si creano dunque network che veicolano farmaci, proteine e attivi. Ogni sistema sarà ovviamente influenzato dal pH della matrice, dalla forza ionica e altri parametri. Un esempio in ambito medico è la veicolazione di omega 3, curcumina e quercetina attraverso idrogeli e microsfere a base di gomma xantana per il rilascio a livello colon rettale, al fine di trasmettere gli adiuvanti nella terapia del cancro al colon. (Trombino et al., 2019). Infine idrogel a base di gomma xantana sono studiati per l’ottenimento di scaffolds celluari data la sua natura biocompatibile e biodegradabile. (Del Agua et al., 2018) Dunque una molecola semplice ma, grazie alle sue caratteristiche e sicurezza, decisamente poliedrica…