Uno studio condotto dalla Cornell University parla delle alghe come del cibo del futuro, in grado di garantire una produzione di nutrienti.
“Anche solo con una striscia di terra strettissima potremmo riuscire a produrre più di tutte le proteine di cui 10 miliardi di persone avranno bisogno“.
È con queste parole che Charles Greene, Professore emerito di scienze della Terra e dell’Atmosfera alla Cornell University dello Stato di New York, ha scelto di commentare i risultati di uno studio che indica nelle alghe uno, se non il cibo per il futuro del Pianeta. Già, perché stando ai risultati emersi da uno studio(1) della Cornell University pubblicato sulla rivista scientifica Oceanography, la coltivazione di microalghe nutrienti e ricche di proteine con sistemi di acquacoltura a terra, alimentati con acqua di mare, potrebbe essere in grado di aumentare la produzione alimentare mondiale del 50% e nutrire, entro il 2050, ben 10 miliardi di persone. Un’alternativa sostenibile, come dichiarato dai ricercatori, a sostituzione dell’agricoltura animale, un’attività non etica e fortemente inquinante.
Le microalghe sono organismi fotosintetici microscopici che sfruttano l’energia solare in modo più efficiente rispetto alle piante superiori. Sebbene questi microrganismi vengano utilizzati in alimentazione da circa 2000 anni, la biotecnologia in questo campo si è sviluppata solamente verso la metà del secolo scorso. I primi riferimenti storici dell’utilizzo delle microalghe, in particolare della microalga Arthrospira platensis, come fonte alimentare risalgono al 1300 d.C grazie a dei cronisti spagnoli che descrissero dei pescatori locali nell’atto della raccolta dal lago Texcoco di masse blu-verdi che venivano poi essiccate e consumate come delle torte secche note come “tecuitlatl” (Garcìa et al., 2017; Priyadarshani et al., 2012).
Questi microrganismi saranno sempre più presenti all’interno delle nostre diete per due motivi principali:
1. Presentano dei vantaggi commerciali e tecnologici. Infatti tra i metaboliti prodotti dalle microalghe, sono presenti i carotenoidi che possono essere impiegati come coloranti naturali nell’industria alimentare e nei cosmetici. Inoltre, grazie alla composizione chimica di questi organismi, e alle proprietà antiossidanti, anticancerogene ed antimicrobiche, attribuite ad alcuni composti prodotti dalle microalghe, il loro utilizzo negli alimenti consente di migliorarne il valore nutrizionale e di soddisfare la richiesta di alimenti con caratteristiche funzionali ed innovative.
2. Rappresentano una importante fonte alternativa di macronutrienti: dato importante se si considera che la quantità di cibo attualmente prodotta, nel 2050 non sarà in grado di soddisfare il fabbisogno nutrizionale della popolazione mondiale, che si stima raggiungerà i 9.8 miliardi. Le microalghe possono rappresentare una risposta all’attuale incremento della domanda proteica e, secondo quanto riportato da Caporgno e collaboratori (2018), entro il 2050 rappresenteranno circa il 18% delle fonti proteiche per diversi segmenti di mercato riducendo al contempo gli impatti dannosi dell’attuale sistema alimentare sul clima, sull’uso del suolo, sulle risorse di acqua dolce e sulla biodiversità.
Solamente poche decine di migliaia di specie algali su un totale che va da 200.000 ad 800.000 specie sono state descritte in letteratura (Wolkers et al., 2011), fra queste specie note, le microalghe che presentano una maggiore rilevanza biotecnologica sono rappresentate da: Dunaliella salina, Haematococcus pluvialis, Arthrospira platensis e dalle specie appartenenti al genere Chlorella.
DUNALIELLA SALINA è una delle microalghe eucariotiche unicellulari maggiormente studiate, le specie appartenenti a questo genere presentano una forma ovoidale, sono mobili grazie alla presenza dei flagelli e rivestite da uno strato glicoproteico denominato glicocalice. L’interesse verso questa specie algale risiede nella sua risposta nei confronti dello stress osmotico; essendo una microalga alotollerante in presenza di pH stressanti (che inibiscono la crescita degli organismi non tolleranti), questa specie è in grado di sintetizzare una maggior quantità di glicerolo e di β-carotene, quest’ultimo composto viene sintetizzato ed accumulato all’interno di globuli lipidici presenti nello stroma del cloroplasto (Hickman et al., 2012).
Il β-carotene appartiene alla classe dei carotenoidi, presenta un’importante rilevanza a livello nutrizionale data dal ruolo di pro-vitamina A e dalla caratteristica di ciascun antiossidante cioè di bloccare i radicali liberi (Arienti 2016).
Oltre al β–carotene questa specie è in grado di sintetizzare in quantità significative anche le xantofille, in particolar modo la zeaxantina. Anche in questo caso le xantofille vengono prodotte in maggior quantità quando la microalga si trova in condizioni di crescita non ottimali, in questo caso in presenza di stress termico, per cui a livello biotecnologico è possibile sfruttare i parametri di crescita come elementi selettivi per ottenere differenti carotenoidi (Plaza et al., 2009).
HAEMATOCOCCUS PLUVIALIS è un’alga verde unicellulare comune nei corpi d’acqua dolce. Questa microalga sintetizza le clorofille di tipo a e b, mentre tra i carotenoidi prodotti quali β–carotene, luteina, violaxantina, neoxantina e zeaxantina questa specie algale si caratterizza in quanto sotto condizioni di stress è in grado di accumulare una grande quantità di astaxantina, fino al 2-3% del peso secco (Plaza et al., 2009).
Uno studio condotto da Yoo Kyung Kim della Inha University e collaboratori ha esaminato un gruppo di soggetti umani sani, femmine e di età media di 21.5 anni, cui è stata somministrata giornalmente astaxantina, proveniente da Haematococcus pluvialis, sotto forma di capsule soft-gel da 0, 2 a 8 mg per un periodo di 8 10 settimane. La risposta immunitaria dei soggetti è stata valutata alla settimana zero, alla quarta e all’ottava settimana, dimostrando che l’introduzione di questo carotenoide nella dieta promuove la risposta immunitaria; inoltre la sua attività antiossidante consente di prevenire il danno ossidativo nei fumatori cronici sopprimendo la perossidazione lipidica (Park et al., 2010; Koyande et al., 2019).
L’attività antiossidante di H.pluvialis è legata al suo contenuto in carotenoidi. Per quanto riguarda l’astaxantina, che rappresenta il principale carotenoide sintetizzato da questa microalga, è stata osservata l’esistenza di una relazione tra il grado di esterificazione dell’astaxantina con gli acidi grassi e la sua attività antiossidante. Infatti, i di esteri dell’astaxantina presentano una capacità antiossidante superiore del 60% rispetto alla frazione mono esterificata, mentre rispetto all’astaxantina libera la capacità antiossidante dei di esteri è doppia (Plaza et al., 2009).
ARTHROSPIRA PLATENSIS: questa microalga viene denominata SPIRULINA a causa della sua organizzazione cellulare filamentosa a forma di spirale (Tang et al., 2011). Si differenzia dalle altre specie algali perché appartiene al gruppo dei cianobatteri. L’importanza commerciale di questa microalga è legata al suo elevato contenuto proteico, che può raggiungere fino al 70% del peso secco.
La restante percentuale è rappresentata dai carboidrati che costituiscono approssimativamente il 15% della sostanza secca e sono rappresentati principalmente dai polisaccaridi; mentre la frazione lipidica costituisce all’incirca il 5% della sostanza secca (Plaza et al., 2009). L’importanza del contenuto proteico risiede anche nel fatto che questa specie sintetizza tutti gli amminoacidi essenziali, fatta eccezione per gli amminoacidi solforati, sintetizzati in minor quantità (Tang et al., 2011).
Oltre ad essere un eccellente fonte proteica, Spirulina è anche una naturale fonte di composti bioattivi quali vitamine, minerali, acidi grassi essenziali e di xantofille e carotenoidi (Koyande et al., 2019). La produzione annua di Spirulina è all’incirca di 3000 tonnellate per cui questa microalga viene ampiamente commercializzata a livello mondiale (Gouveia et al., 2008).
All’interno dell’industria alimentare viene impiegata oltre che per il suo elevato contenuto proteico, per la presenza di altri composti bioattivi come Vitamina B12, acido γ-linolenico e ficocianine. Del genere Arthrospira le specie più commercializzate sono A. platensis ed A. maxima.
CHLORELLA è un genere eucariotico, che presenta un’organizzazione unicellulare. La produzione annua di questa microalga è di circa 4000 tonnellate; il motivo di questa elevata produzione risiede nella composizione della biomassa algale; ricca in proteine (circa 53% della sostanza secca) in clorofilla, polisaccaridi, vitamine, minerali e amminoacidi essenziali. I minerali e gli oligoelementi costituiscono il 5% della sostanza secca; inoltre questa microalga è in grado di sintetizzare un’elevata quantità di vitamina B12, la cobalammina, vitale nella formazione e rigenerazione delle cellule del sangue. Il composto bioattivo più importante sintetizzato da Chlorella spp. è l’omopolisaccaride 1,3-β-glucano, di cui è nota l’attività immunostimolante, e la capacità di ridurre i radicali liberi e il colesterolo nel sangue (de Morais et al., 2015).
COMPOSIZIONE CHIMICA DELLE MICROALGHE
Le microalghe grazie alla loro composizione chimica possono essere utilizzate per produrre un ampio range di metaboliti quali proteine, carboidrati, lipidi, vitamine e pigmenti (Priyadarshani et al., 2012). La composizione della biomassa algale non è costante ma varia da una specie all’altra e dipende fortemente dai parametri ambientali di crescita, quali: temperatura, pH, residuo fisso dell’acqua di coltivazione (cioè suo contenuto in minerali), esposizione alla luce e agitazione. Questi parametri variano in base al sistema di coltivazione che quindi influenza notevolmente la composizione chimica delle microalghe (Chacón‐Lee et al., 2010).
PROTEINE E CONTENUTO AMMINOACIDICO
L’elevato potenziale delle microalghe ai fini della estrazione delle proteine rappresenta un fatto rilevante considerando che attualmente circa 1 miliardo di persone presenta un apporto proteico inadeguato e che le fonti proteiche convenzionali nel 2050 non saranno in grado di soddisfare la popolazione mondiale, che si stima raggiungerà i 9.8 miliardi di persone. Inoltre, stiamo assistendo ad un mutamento nelle abitudini alimentari, testimoniato dalla crescente diffusione delle diete vegetariana e vegana, e ad una maggiore sensibilizzazione nei confronti delle problematiche ambientali (Buňka et al., 2014; Caporgno et al., 2018).
CARBOIDRATI
Il valore nutrizionale del prodotto algale non è influenzato solo dal contenuto proteico, ma anche da altri componenti della biomassa algale, come i carboidrati, che sono dei macronutrienti e costituiscono una delle principali sorgenti d’energia nell’alimentazione umana (Arienti 2016; Becker 2004).
I CARBOIDRATI nelle microalghe si trovano sotto forma di zuccheri semplici, di amido, di cellulosa e di altri polisaccaridi quali alginati, laminarine, fucani, agar, carragenani ed ulvano. Questi polisaccaridi e oligosaccaridi sono stati correlati a effetti benefici sulla popolazione microbica intestinale, in quanto agiscono come prebiotici, cioè come composti che, se assunti in quantità adeguata, favoriscono selettivamente la crescita e l’attività dei batteri (probiotici) già presenti nel tratto intestinale o assunti insieme al prebiotico (Pina-Pérez et al.,2017; Ministero della Salute, 2009).
I LIPIDI sono presenti in tutta la materia vivente, la definizione di “lipidi” è molto generica infatti comprende molte molecole diverse, tra cui le più importanti dal punto di vista alimentare sono i triacilgliceroli o trigliceridi (principale forma di apporto degli acidi grassi alimentari); nelle microalghe, queste molecole, oltre alla funzione di deposito di energia hanno anche quella di sostegno e d’isolamento termico.
VITAMINE
L’organismo umano, per sopravvivere, necessita sia di macronutrienti, quali: proteine, carboidrati e lipidi, sia di micronutrienti, i quali agiscono come coenzimi o come trasportatori attivi di elettroni/protoni nel processo di degradazione dei macronutrienti. Le vitamine rientrano nei micronutrienti, e la biomassa algale rappresenta una valida fonte di questi oligoelementi soprattutto nel contenuto in provitamina A (β-carotene), vitamina E (tocoferolo), vitamina B1 (tiamina) e vitamina B9 (acido folico), che, in uno studio condotto da Febregas e Herrero risultarono particolarmente elevate nelle microalghe.
I PIGMENTI sono delle molecole che assorbono la luce dello spettro visibile. Oltre alle clorofille, che rappresentano i principali pigmenti verdi fotosintetici, le microalghe sintetizzano vari pigmenti accessori o secondari come i carotenoidi e le ficobiline (Gouveia et al., 2008).
PROPRIETA’ NUTRIZIONALI E FUNZIONALI DELLE MICROALGHE
Le proprietà nutrizionali delle microalghe sono associate al loro contenuto in nutrienti e in nutrienti complessi, mentre le loro proprietà funzionali sono legate alla presenza nella loro biomassa di composti bioattivi con effetti benefici per la salute.
FONTE PROTEICA
Le proteine rientrano nei nutrienti complessi; attualmente stiamo assistendo ad una rinascita nell’interesse verso la ricerca di nuove fonti proteiche, a causa del cambiamento climatico e della crescita della popolazione mondiale. È possibile considerare le microalghe come ottimo candidato a costituire una fonte proteica alternativa ed innovativa, dato l’elevato contenuto proteico che caratterizza varie specie microalgali.
FONTE DI AMMINOACIDI ESSENZIALI
In alimentazione la presenza di tutti gli amminoacidi essenziali in quantità adeguata rappresenta un requisito fondamentale per assicurare il mantenimento della massa corporea e di un bilancio azotato positivo (Arienti, 2016). Una delle proprietà nutrizionali delle microalghe è data dal loro contenuto in amminoacidi essenziali. In Chlorella spp. e in Arthrospira spp. il contenuto in amminoacidi essenziali è più bilanciato rispetto alle altre specie.
FONTE DI ACIDI GRASSI ESSENZIALI
Tra gli acidi grassi essenziali ω3 sintetizzati dalle microalghe, l’acido docosaenoico (DHA) e l’acido eicosapentaenoico (EPA) presentano un elevato valore nutrizionale. L’acido eicosapentaenoico (EPA) è molto importante nello sviluppo neonatale, perché nel neonato regola il corretto accrescimento del cervello e degli occhi, mentre l’acido docosaenoico (DHA) sempre durante i primi mesi di vita rappresenta un importante acido grasso strutturale per lo sviluppo del nostro sistema nervoso e delle abilità visive (Sathasivam et al., 2019; Milledge, 2010).
Il consumo degli acidi grassi ω3 è stato associato alla regolazione della produzione di molecole biologicamente attive, ovvero gli eicosanoidi. Queste molecole derivanti dall’acido arachidonico, influenzano varie funzioni cellulari e tissutali (ad esempio intervengono nei processi infiammatori) sono importanti nella profilassi e nella terapia di malattie croniche e degenerative, inclusa la riduzione del colesterolo nel sangue, e nella protezione contro malattie cardiovascolari, come la coronaropatia patologia strettamente legata ad una carenza dietetica in acidi grassi ω3 (Gouveia et al., 2008).
L’acido γ-linolenico (GLA) è un importante precursore nella sintesi delle prostaglandine, le quali hanno un ruolo fondamentale nella regolazione della funzione piastrinica e del tono vascolare. Inoltre, alcuni studi clinici hanno dimostrato che quest’acido grasso ω6 è utile nel trattamento di malattie come l’artrite, obesità, alcolismo, depressione, schizofrenia, Morbo di Parkinson, e sclerosi multipla (Arienti, 2016; Sathasivam et al., 2019).
PROPRIETÀ SALUTISTICHE
Le microalghe sono una fonte di diversi composti di valore, rappresentati da: proteine, acidi grassi polinsaturi, carboidrati, pigmenti e vitamine. Questi composti, oltre ad incrementare le proprietà nutrizionali dei prodotti alimentari in cui vengono incorporati, presentano degli importanti effetti benefici sulla salute, grazie alla loro attività antiossidante, antitumorale e antimicrobica (Caporgno et al., 2018).
ATTIVITÀ ANTIOSSIDANTE
Gli antiossidanti sono delle molecole capaci di bloccare lo sviluppo di reazioni radicaliche a catena, di prevenire l’ossidazione di un substrato ossidabile da parte degli ossidanti non radicalici e dei radicali pro-ossidanti. In base alla loro provenienza è possibile distinguere gli antiossidanti in endogeni, sintetizzati dal nostro organismo, e in esogeni, introdotti cioè con l’alimentazione e per questo denominati anche nutrienti antiossidanti (Arienti, 2016; Koyande et al., 2019).
Gli antiossidanti esogeni sono rappresentati dal retinolo (vitamina A), tocoferolo (vitamina E), dall’acido ascorbico (vitamina C) e dalle due grandi famiglie dei carotenoidi, e dei polifenoli. Le specie reattive dell’ossigeno o ROS (acronimo dal termine inglese Reactive oxygen species) vengono prodotte continuamente dall’organismo umano in risposta a stress esterni rappresentati ad esempio dal fumo e da un’eccessiva esposizione alla luce solare. Per contrastare questi radicali liberi le cellule del nostro organismo sintetizzano gli antiossidanti che vengono per l’appunto definiti endogeni.
È presente un equilibrio fisiologico nel rapporto tra ossidanti e antiossidanti, l’importanza di questo equilibrio è fondamentale all’interno del nostro organismo, in quanto un qualsiasi scivolamento in senso pro-ossidativo porta ad un accumulo di radicali liberi. Questo fenomeno, noto come stress ossidativo, che oltre a svolgere un ruolo fondamentale nel danno cellulare e tissutale è correlato a numerose malattie come il diabete, i disordini autoimmuni, l’aterosclerosi, l’Alzheimer e l’artrite reumatoide.
In caso di stress ossidativo l’assunzione di antiossidanti esogeni è di fondamentale importanza (Arienti, 2016; Khan et al., 2005). È possibile considerare la biomassa microalgale come un sistema antiossidante multi-componente, in cui una singola specie microalgale è in grado di sintetizzare più elementi, come ad esempio in Chlorella sorokiniana in cui il contenuto in α-tocoferolo, βcarotene e in luteina è rispettivamente di 112, 600 e di 4300 µg/g di sostanza secca (Koyande et al., 2019).
La biomassa microalgale rappresenta una ricca fonte naturale di antiossidanti, e questo ne aumenta il potenziale economico e nutrizionale per l’industria alimentare e farmaceutica.
ANTITUMORALI
Il cancro è attualmente la causa di morte più diffusa negli uomini e nelle donne in tutto il mondo e la sua incidenza globale è raddoppiata nell’ultimo decennio. Secondo l’Associazione Italiana per la Ricerca sul Cancro in Italia ogni giorno si diagnosticano 1.000 nuovi casi di cancro (Amaro et al.,2013; AIRC, 2018). La prima linea di trattamento per distruggere o inibire la crescita delle cellule cancerose è rappresentata dalla chemioterapia e dalla radioterapia. Tuttavia questi trattamenti risultano essere associati a gravi effetti collaterali ad esempio l’efficacia del sistema immunitario dei pazienti è influenzata negativamente dalle radiazioni.
Questi effetti collaterali posso essere ridotti fornendo dei composti medicinali complementari e alternativi, che possono essere ottenuti dalle microalghe. Tra i composti algali con attività antitumorale rientrano i carotenoidi, in uno studio clinico condotto da Hosokawa e collaboratori (1999), è stata testata l’attività antitumorale della fucoxantina, isolata da Undaria pinnatifida, contro le cellule leucemiche umane HL-60; i risultati hanno dimostrato un significativo impatto preventivo della fucoxantina sulla proliferazione delle cellule HL-60.
In tale studio, la vitalità delle cellule HL-60 è stata ridotta al 46,0% e al 17,3% dopo aver usato la fucoxantina per 24 ore rispettivamente a 11,3 μM e 45,2 μM. Questa riduzione viene attribuita dagli Autori alla capacità della fucoxantina di indurre l’apoptosi nelle cellule HL-60.
Tra i carotenoidi sintetizzati dalle microalghe, l’astaxantina ha attirato un notevole interesse a causa della sua capacità antitumorale. Questo composto inibisce efficacemente la proliferazione cellulare e il suo meccanismo d’azione comporta il blocco del ciclo cellulare oltre la fase G1 impedendo quindi la replicazione del DNA e di conseguenza anche l’entrata del nucleo in mitosi (Amaro et al., 2013).
Un’ulteriore attività antitumorale riportata da Khan e collaboratori (2005) è legata ai 21 polisaccaridi solforati, questi composti sembrano inibire l’invasione del tumore e le metastasi del melanoma B16-BL6.
ANTIMICROBICHE
L’interesse della ricerca nei confronti delle proteine algali non è collegato esclusivamente ad un aspetto nutrizionale ma anche alla possibilità di generare dei peptidi bioattivi con un effetto antimicrobico. Questi composti sono costituiti generalmente da 12-50 amminoacidi e la loro bioattività si manifesta solamente dopo l’idrolisi dalla ”proteina parentale”. Oltre ai peptidi, anche i polisaccaridi, gli acidi grassi polinsaturi, e gli antiossidanti presentano un dimostrato potenziale antimicrobico (Pina-Pérez et al., 2017).
Tra i polisaccaridi i carragenani, sintetizzati dalla microalga Porphyridium cruentum, sono in grado di inibire uno dei più importanti patogeni alimentari, come Salmonella enteritidis. Questo polisaccaride solforato inoltre presenta un effetto inibitorio nei confronti del papilloma virus umano. L’attività antimicrobica degli acidi grassi è influenzata dalla lunghezza della loro catena carboniosa e dal grado di insaturazione, ed è stata attribuita all’acido palmitico, oleico, miristico, e all’acido eicosapentaenoico (EPA). Il loro meccanismo d’azione colpisce varie strutture dei microrganismi, tuttavia le più danneggiate sono le membrane cellulari (de Morais et al., 2014).
Fonte: Università Politecnica delle Marche, Dipartimento di Scienze Agrarie Alimentari e Ambientali, Corso di Laurea in: Scienze e Tecnologie Alimentari, TESI: LE MICROALGHE IN ALIMENTAZIONE UMANA Valore nutraceutico delle microalghe e loro applicazione commerciale all’interno dell’industria alimentare. Studente: GIOVANNA TESEI. Relatore: PROF. FRANCESCA CLEMENTI.
BIBLIOGRAFIA
