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Cosa sono le microalghe: storia e utilizzo
Le microalghe, compresi i cianobatteri, sono organismi unicellulari fotoautotrofi che, a partire da CO2 ed energia radiante proveniente dal sole o da fonti di illuminazione artificiali, producono zuccheri per il proprio metabolismo energetico e biosintetico ed ossigeno che in parte usano nei propri processi di respirazione cellulare e in parte rilasciano nel mezzo esterno [1].
Il potenziale della fotosintesi delle microalghe per la produzione di composti salutistici preziosi o per un uso energetico è ampiamente riconosciuto anche grazie al loro più efficiente utilizzo dell’energia solare rispetto alle piante superiori.
Le microalghe hanno tre attributi fondamentali che possono essere convertiti in vantaggi tecnici e commerciali:
- Sono geneticamente un gruppo molto diversificato di organismi con una vasta gamma di caratteristiche fisiologiche e biochimiche; in grado di produrre naturalmente molti grassi diversi, carboidrati, composti bioattivi, ecc.
- Possono incorporare in modo conveniente gli isotopi stabili 13C, 15N e 2H nella loro biomassa e quindi nei vari composti che producono.
- Comprendono un ampio gruppo di organismi inesplorati e quindi forniscono una fonte di prodotti ancora limitatamente utilizzatati [2].
Sebbene il numero di specie di microalghe in natura sia stimato tra 200.000 e 800.000, solo alcune sono utilizzate nelle applicazioni alimentari [3].
Il primo impiego delle microalghe da parte dell’uomo risale a 2000 anni fa. La popolazione cinese fu tra le prime a sfruttare l’elevato valore nutrizionale delle alghe, in particolare della specie Nostoc, per sopravvivere alle carestie.
Tuttavia, la biotecnologia delle microalghe ha davvero iniziato a svilupparsi solo a metà del secolo scorso.
Le microalghe sono microrganismi eucariotici aventi un’elevata capacità adattativa alle diverse condizioni ambientali.
Le alghe unicellulari comprendono alghe giallo-brune (Chrysophyta) alle quali appartengono le diatomee (Bacillariophyceae) e alghe dinoflagellate (Dinophyta).
Quelle pluricellulari si dividono principalmente in alghe verdi (Chlorophyta), alghe rosse (Rhodophyta) e alghe brune (Phaeophyta) [4] (Fig 1).
I cianobatteri (Cyanophyceae) sono organismi procarioti, fotoautotrofi, possono vivere come cellule singole o riuniti in colonie, sono di forme diverse, da tondeggianti a filamentose. Essi vengono anche chiamati impropriamente alghe azzurre o verdi-azzurre a causa della presenza della ficocianina, pigmento verdognolo o bluastro che riesce a coprire il colore verde brillante della clorofilla [5].
Metodi di coltivazione delle microalghe
La coltivazione di biomasse algali in ambiente controllato rientra nelle attività di allevamento di organismi vegetali acquatici.
Le tecniche di coltura delle microalghe si basano essenzialmente sull’utilizzo di sistemi aperti e chiusi (Fig. 2)
I sistemi aperti sono quelli che utilizzano come ambiente di coltura grandi vasche, stagni, canali, unità a circolazione di acqua bassa in forma di pannelli o di circuiti costituiti da tubi in policarbonato a circolazione forzata.
Invece, i sistemi chiusi utilizzano come ambiente di coltura grandi sistemi in polietilene o fotobioreattori cilindrici, elicoidali anulari o a pannello, ai quali viene fornita energia radiante in semi-continuo al fine di massimizzare la crescita algale [1].
I sistemi aperti, in particolare, sono adatti per le specie algali che possono tollerare condizioni ambientali estreme, con rapida crescita, tra cui clorella, spirulina e dunaliella [7].
Le rotaie o gli stagni aperti sono quelli più utilizzati per la loro semplicità e per i bassi costi [8]. Gli stagni possono essere scavati e rivestiti con materiali impermeabili e sono dotati di sistemi per l’agitazione e il mescolamento (pale).
Infatti, l'agitazione è necessaria per mantenere le cellule algali in sospensione, fornendo ad ogni cellula un'esposizione uniforme alla luce, per aumentare il trasferimento di massa così da ridurre il gradiente dei nutrienti nel brodo di coltura e per evitare la sedimentazione cellulare.
Le canalette, invece, sono stagni allungati con un’elevata capacità di volume che consentono la coltivazione di quelle microalghe in grado di catturare la luce per la fotosintesi anche in profondità, consentendone la coltivazione.
La quantità di luce fornita alle microalghe è un elemento molto importante. Infatti, una riduzione dell’attività fotosintetica può essere correlata a fenomeni di ombreggiamento che si verificano in profondità liquide superiori a 30-40 cm ma un’eccessiva energia può causare danni cellulari alle microalghe sensibili alle forze di taglio, influenzandone le prestazioni [9].
Tra i sistemi chiusi invece, emergono i fotobioreattori, in particolare quelli più utilizzati sono quelli tubolari e a piastra.
Queste apparecchiature possono raggiungere un’alta densità cellulare e facilitare la manutenzione di monocolture di specie algali, grazie alla struttura chiusa e all’ambiente relativamente controllabile [10].
Sono per lo più reattori in vetro o in plastica trasparente. I fattori limitanti sono gli elevati costi del materiale in caso di ridimensionamento, lo stress idrodinamico causato da alcuni tipi di fotobioreattori chiusi, nonché gradienti di pH, O2 e CO2 disciolti lungo i tubi.
Al contrario, i principali vantaggi della coltivazione in fotobioreattori chiusi includono un’ampia superficie di illuminazione, che permette una maggiore produttività, un aumento nel trasferimento di massa e un migliore controllo della contaminazione [11].
Aspetti nutrizionali e uso nell’industria alimentare
Ad oggi l’attività di ricerca scientifica è molto interessata alla possibilità di sfruttare la biomassa microalgale come supplemento nutrizionale. Infatti, le microalghe possiedono un’ ampia gamma di importanti nutrienti: vitamine, minerali, carotenoidi, proteine, carboidrati, lipidi, fibra grezza.
Proprio per questo motivo le microalghe trovano applicazione dal settore nutraceutico, alla cosmesi, fino all’ industria alimentare e mangimistica.
Risultano essere una fonte proteica alternativa commercialmente rilevante in quanto sia l’uomo che gli animali non sono in grado di sintetizzare da sé gli amminoacidi essenziali, presenti invece abbondantemente nelle cellule vegetali [12].
Le microalghe sono, inoltre, un’importante fonte di grassi insaturi importanti per la salute per la loro capacità di ridurre il rischio di patologie cardiovascolari (ipertensione, ipercolesterolemia) e rafforzare il sistema immunitario.
Per questo diversi studi ne valutano il loro impiego per la messa a punto di integratori alimentari. In particolare, la microalga verde Chlorella spp. e la Spirulina sono tra le più commercializzate come fonte proteica alternativa sotto forma di compresse, capsule o sottoforma liquida. Dunaliella salina è invece coltivata poiché importante fonte naturale di β-carotene, pigmento colorato dalle proprietà antiossidanti, utilizzato come integratore ma anche come colorante e additivo naturale in alimenti destinati al consumo umano e animale.
L’impiego della spirulina nel settore alimentare, è oggetto di forte rilevanza. Oltre a poter garantire all’organismo una serie di proprietà benefiche grazie alle componenti nutrizionali che la contraddistinguono, conferisce al prodotto un sapore più deciso e strutturato, oltre ad una caratteristica nota di colore che vira dal verde al blu.
Dal pane, alla pasta, in letteratura ci sono tantissimi possibili impieghi di quest’alga per la fortificazione di alimenti tradizionali.
Tuttavia, tra i risultati più interessanti vi è sicuramente l’uso specifico di polvere di spirulina come additivo innovativo nella lavorazione dello yogurt.
Dato il suo elevato valore in termini di proteine e fibra alimentare, riesce a svolgere il ruolo di stabilizzatore fisico nel mantenimento della consistenza, migliorando l’aspetto sensoriale e potenziando la sineresi e la viscosità apparente del prodotto.
L’incorporazione di spirulina all’interno dello yogurt, ha evidenziato, inoltre, dei miglioramenti dei livelli di carotenoidi, clorofilla, ficocianine, potenziandone l’attività antiossidante [13].
Conclusioni
Le microalghe, grazie alla loro composizione e alla facilità di coltivazione in sistemi aperti o chiusi, possiedono un elevato potenziale per l’impiego nell’industria alimentare, tuttora non totalmente sfruttato. Dalla formulazione di integratori, alla produzione di alimenti innovati, nuovi studi e miglioramenti in campo tecnologico aprono la strada a tantissime possibili applicazioni.
Speriamo che tu abbia trovato la lettura di questo articolo sulle microalghe nell’industria alimentare interessante. Per altri contenuti simili, consulta la sezione Blog del nostro sito web. E se vuoi restare sempre al passo con le ultime novità in fatto di Agrifood, iscriviti alla nostra Newsletter!
[1] Di Martino V. & Stancanelli B. Colture indoor di microalghe finalizzate alla produzione di biomassa da destinare a produzioni zootecniche e bio-energetiche. CNR/ISAFoM- UOS di Catania; Acqua Stories. 2015.
[2] I. Priyadarshani, B. Rath. Commercial and industrial applications of micro algae – a review, J. Algal Biomass Utln., 3 (4) (2012), pp. 89-100.
[3] J.L. García, M. de Vicente, B. Galán. Microalgae, old sustainable food and fashion nutraceuticals. Microb. Biotechnol., 10 (2017), pp. 1017-1024.
[4] Sadava, D. et al. (2008) SCIENZE. Available at: www.zanichelli.it (Accessed: 22 December 2019).
[5] Böcker, L. et al. ‘Time-temperature-resolved functional and structural changes of phycocyanin extracted from Spirulina’, Food Chemistry. Elsevier Ltd, 316. 2020
[6] https://www.microbiologiaitalia.it/didattica/le-alghe/
[7] Y. Chisti. Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv., 25 . 2007. pp. 294-306.
[8] Richmond A. Biological principles of mass cultivation. Richmond (Ed.), Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology, Blackwell (2004), pp. 125-177
[9] E. Molina Grima, J. Fernández, F.G. Acién Fernández, Y. Chisti. Tubular photobioreactor design for algal cultures. J Biotechnol, 92 (2001), pp. 113-131
[10] Y.K. Lee. Microalgal mass culture systems and methods: their limitation and potential. J. Appl. Phycol., 13 (2001), pp. 307-315
[11] Ugwu, C.U., Aoyagi, H., Uchiyama, H., 2008. Photobioreactors for mass cultivation of algae. Bioresour. Technol. 99, 4021–4028.
[12] Becker, E. W., 2007. Microalgae as a source of protein. Journal of Biotechnology Advances 25(2), 207–210.
[13] M. Barkallah, M. Dammak, I. Louati, F. Hentati, B. Hadrich, T. Mechichi, M.A. Ayadi, I. Fendri, H. Attia, S. Abdelkafi., 2017. Effect of Spirulina platensis fortification on physicochemical, textural, antioxidant and sensory properties of yogurt during fermentation and storage. LWT – Food Sci. Technol., 84, pp. 323-330
Cinzia Dingeo
Laureata in Scienze e Tecnologie Alimentari presso il DiSSPA
(Dipartimento di Scienze del suolo, della
pianta e degli alimenti) dove ha svolto diverse collaborazioni.
Si occupa di ottimizzazione e realizzazione di
prodotti a base di legumi e cereali fermentati e della caratterizzazione di alimenti a base di alga spirulina.
