Biotecnologie: Produzione di Prodotti da Processi Microbici | Appunti di Biologia, microbiologia e tecnologie di controllo sanitario

CAPITOLO 16: PRODOTTI OTTENUTI DA PROCESSI BIOTECNOLOGICI

L’impiego delle biomasse microbiche

Le biomasse microbiche sono colture di microrganismi che costituiscono esse stesse il prodotto del

processo biotecnologico. Sono ottenute per essere utilizzate come tali:

• in funzione del loro contenuto: come fonte di proteine e vitamine nell’alimentazione e per l’estrazione di

componenti chimici (enzimi, vitamine, acidi nucleici e lipidi)

• in funzione della loro attività: come colture selezionate e starter nella produzione del pane, delle

bevande alcoliche, nel disinquinamento ambientale e come colture insetticide

Biomasse microbiche possono essere ottenute da batteri, lieviti e mu e. L’impiego di biomasse ﬀ

microbiche può avere alcuni inconvenienti, che possono essere legati a:

▪ presenza di acidi nucleici, che possono interferire nel metabolismo animale e umano; la rimozione di

RNA avviene con l’attivazione delle ribonucleasi delle cellule microbiche;

▪ residui tossici o cancerogeni da alcuni substrati come le paraffine;

▪ scarsa digeribilità, legata per esempio alla presenza di chitina;

▪ possibili reazioni allergiche.

Un processo industriale per la produzione di biomasse in genere è articolato in fasi successive, secondo

lo schema seguente:

▪ pretrattamento delle materie prime per il terreno di coltura;

▪ preparazione e messa a punto del terreno colturale;

▪ sterilizzazione del terreno e dell’impianto;

▪ fermentazione;

▪ separazione della biomassa per centrifugazione (microrganismi unicellulari) o filtrazione (microrganismi

miceliari);

▪ trattamento della biomassa (per esempio, attraverso l’essiccamento) e stoccaggio.

I microrganismi unicellulari SCP

Il termine SCP (single cell proteins) indica microrganismi unicellulari impiegati come fonte proteica. È

possibile utilizzare tipi diversi di microrganismi per la produzione di SCP, ognuno dei quali presenta

aspetti più o meno vantaggiosi. L’impiego di SCP riguarda soprattutto l’integrazione proteica

nell’alimentazione umana e animale. L’impiego di batteri dà origine a biomasse ad alto contenuto

proteico (ﬁno all’80%), ma contemporaneamente anche ad acidi nucleici, il che può creare problemi

metabolici nell’alimentazione umana e animale. L’ampio range di pH nella coltivazione dei batteri (5-7)

può facilitare le contaminazioni. Le biomasse ottenute da lieviti corrono inferiori rischi di contaminazione,

per l’azione selettiva del pH (3,5-5).

I lieviti hanno un buon contenuto proteico (ﬁno al 60%) e una percentuale di acidi nucleici inferiore a

quella delle biomasse batteriche. Sono anche un’ottima fonte di vitamine del gruppo B.

Le mu e si sviluppano in tempi più lunghi e in un ampio intervallo di pH; in genere si opera a pH inferioreﬀ

a 5, per evitare contaminazioni batteriche. Il contenuto proteico è buono (ﬁno al 50%), ma nella parete

cellulare può essere presente la chitina, che risulta di digestione assai di cile. Poiché diverse mu e ﬃ ﬀ

producono micotossine, occorre porre attenzione nella scelta del ceppo da selezionare.

Biomasse ottenute da cianobatteri e alghe si usano vasche o reattori tubulari in materiale sintetico

trasparente con terreni colturali sintetici contenenti CO2 , sali minerali, acqua e luce. La coltivazione può

essere e ettuata anche in acqua di mare per la produzione di biomasse per acqua- coltura, fornendo ﬀ

esclusivamente CO 2 . Il processo ha come obiettivi principali quelli di ottenere iodio e pro- vitamina A.

Come substrati colturali possono essere utilizzati il metano, gli alcani, il metanolo, l’etanolo, il siero di

latte, la melassa da barbabietole e canna da zucchero e i residui della lavorazione del riso, del mais e

delle cartiere. L’utilizzo delle n-para ne, che sono residui della ra nazione del greggio, potrebbe ﬃ ﬃ

rappresentare una soluzione al loro riciclaggio, ma nella biomassa possono essere presenti residui

cancerogeni e tossici. Sono quindi utilizzati soprattutto il siero di latte, le melasse e gli alcoli inferiori

etilico e metilico.

Saccharomyces cerevisiae per la panificazione

Il microrganismo usato per la paniﬁcazione è il lievito Saccharomyces cerevisiae. I lieviti sono

microrganismi microaeroﬁli e possono attuare sia un metabolismo fermentativo, sia uno respiratorio: il

metabolismo ossidativo porta alla produzione di biomassa, che poi è utilizzata nell’industria dei prodotti

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CAPITOLO 16: PRODOTTI OTTENUTI DA PROCESSI BIOTECNOLOGICI

L’impiego delle biomasse microbiche Le biomasse microbiche sono colture di microrganismi che costituiscono esse stesse il prodotto del processo biotecnologico. Sono ottenute per essere utilizzate come tali:

in funzione del loro contenuto: come fonte di proteine e vitamine nell’alimentazione e per l’estrazione di componenti chimici (enzimi, vitamine, acidi nucleici e lipidi)
in funzione della loro attività: come colture selezionate e starter nella produzione del pane, delle bevande alcoliche, nel disinquinamento ambientale e come colture insetticide Biomasse microbiche possono essere ottenute da batteri, lieviti e mu e. L’impiego di biomasseff microbiche può avere alcuni inconvenienti, che possono essere legati a: ▪ presenza di acidi nucleici, che possono interferire nel metabolismo animale e umano; la rimozione di RNA avviene con l’attivazione delle ribonucleasi delle cellule microbiche; ▪ residui tossici o cancerogeni da alcuni substrati come le paraffine; ▪ scarsa digeribilità, legata per esempio alla presenza di chitina; ▪ possibili reazioni allergiche. Un processo industriale per la produzione di biomasse in genere è articolato in fasi successive, secondo lo schema seguente: ▪ pretrattamento delle materie prime per il terreno di coltura; ▪ preparazione e messa a punto del terreno colturale; ▪ sterilizzazione del terreno e dell’impianto; ▪ fermentazione; ▪ separazione della biomassa per centrifugazione (microrganismi unicellulari) o filtrazione (microrganismi miceliari); ▪ trattamento della biomassa (per esempio, attraverso l’essiccamento) e stoccaggio. I microrganismi unicellulari SCP Il termine SCP (single cell proteins) indica microrganismi unicellulari impiegati come fonte proteica. È possibile utilizzare tipi diversi di microrganismi per la produzione di SCP, ognuno dei quali presenta aspetti più o meno vantaggiosi. L’impiego di SCP riguarda soprattutto l’integrazione proteica nell’alimentazione umana e animale. L’impiego di batteri dà origine a biomasse ad alto contenuto proteico (fino all’80%), ma contemporaneamente anche ad acidi nucleici, il che può creare problemi metabolici nell’alimentazione umana e animale. L’ampio range di pH nella coltivazione dei batteri (5-7) può facilitare le contaminazioni. Le biomasse ottenute da lieviti corrono inferiori rischi di contaminazione, per l’azione selettiva del pH (3,5-5). I lieviti hanno un buon contenuto proteico (fino al 60%) e una percentuale di acidi nucleici inferiore a quella delle biomasse batteriche. Sono anche un’ottima fonte di vitamine del gruppo B. Le mu e si sviluppano in tempi più lunghi e in un ampio intervallo di pH; in genere si opera a pH inferioreff a 5, per evitare contaminazioni batteriche. Il contenuto proteico è buono (fino al 50%), ma nella parete cellulare può essere presente la chitina, che risulta di digestione assai di fficile. Poiché diverse mu e ff producono micotossine, occorre porre attenzione nella scelta del ceppo da selezionare. Biomasse ottenute da cianobatteri e alghe si usano vasche o reattori tubulari in materiale sintetico trasparente con terreni colturali sintetici contenenti CO2 , sali minerali, acqua e luce. La coltivazione può essere e ettuata anche in acqua di mare per la produzione di biomasse per acqua- coltura, fornendoff esclusivamente CO 2. Il processo ha come obiettivi principali quelli di ottenere iodio e pro- vitamina A. Come substrati colturali possono essere utilizzati il metano, gli alcani, il metanolo, l’etanolo, il siero di latte, la melassa da barbabietole e canna da zucchero e i residui della lavorazione del riso, del mais e delle cartiere. L’utilizzo delle n-para ffine, che sono residui della ra ffinazione del greggio, potrebbe rappresentare una soluzione al loro riciclaggio, ma nella biomassa possono essere presenti residui cancerogeni e tossici. Sono quindi utilizzati soprattutto il siero di latte, le melasse e gli alcoli inferiori etilico e metilico. Saccharomyces cerevisiae per la panificazione Il microrganismo usato per la panificazione è il lievito Saccharomyces cerevisiae. I lieviti sono microrganismi microaerofili e possono attuare sia un metabolismo fermentativo, sia uno respiratorio: il metabolismo ossidativo porta alla produzione di biomassa, che poi è utilizzata nell’industria dei prodotti

da forno per ottenere la lievitazione naturale dell'impasto di farina e acqua, con produzione di CO 2 e modeste quantità di etanolo che evapora durante la cottura. Un parametro di cui occorre tenere conto in questo tipo di produzione è la concentrazione del substrato nutritivo zuccherino, che deve essere inferiore a 50 g/L per non incorrere in un e etto inibitore noto come effetto Crabtree: in condizioni diff aerobiosi, il metabolismo respiratorio-ossidativo è inibito da concentrazioni zuccherine superiori a 50 g/L. A tali concentrazioni, il substrato stesso esplica un’azione di repressione della sintesi degli enzimi del ciclo di Krebs o ne blocca l’attività catalitica. La fonte di carbonio è rappresentata da melassa che fornisce anche vitamine come la biotina, mentre l’azoto viene fornito da sali di ammonio e urea: nitrati e nitriti non sono utilizzati dal lievito. Vengono aggiunti fosfato di sodio e solfato di magnesio. La produzione di lievito per panificazione avviene in più stadi, di cui i primi sono in condizioni di semianaerobiosi, allo scopo di non deprimere la capacità fermentativa per repressione degli enzimi responsabili. Gli stadi finali sono invece in aerobiosi, cui segue una sosta di un paio d’ore per la «maturazione» delle cellule. Le caratteristiche fondamentali richieste a un lie- vito per panificazione sono: ▪ elevata efficacia di glicolisi, che si traduce in un’alta velocità di produzione di CO 2 ; ▪ alta velocità di sviluppo; ▪ lunga conservabilità; ▪ buona capacità di utilizzo del maltosio, principale zucchero dell’impasto. Il lievito per panificazione è commercializzato come: ▪ lievito compresso, con una shelf-life di circa 30 giorni a 4 °C; ▪ lievito essiccato e confezionato sottovuoto (shelf- life di un anno a temperatura ambiente); ▪ lievito liofilizzato come integratore alimentare (fonte di vitamine del gruppo B e sali minerali) Colture insetticide da Bacillus I pesticidi o fitofarmaci sono molecole usate in agricoltura per il controllo e l’eliminazione dei parassiti dannosi. Sono impiegate tossine ottenute da specie di Bacillus e colture di Bacillus thuringiensis. I geni plasmidici che codificano per la tossina, detti geni cry, possono essere clonati in batteri naturalmente presenti nei vegetali. Colture dell’azotofissatore Rhizobium Rhizobium è un batterio endosimbionte delle radici delle leguminose come fagioli, lenticchie, soia; esso è in grado di fissare l'azoto atmosferico rendendolo disponibile per la pianta, che a sua volta fornisce al batterio carbonio e altri nutrienti. Le radici delle piante emettono flavonoidi, che attirano i batteri e inducono in questi l’espressione di geni noduli i quali codificano per la produzione dei noduli radicali. Altri batteri azotofissatori vivono liberi nel terreno. I batteri azotofissatori svolgono un ruolo fondamentale in agricoltura arricchendo il terreno di azoto e, nel caso degli azotofissatori simbionti, fissandolo alle piante. La formazione dei tubercoli radicali si svolge in varie fasi. ▪ I batteri invadono i peli radicali formando il «filamento di infezione». ▪ Il filamento entra nella radice attraverso le cellule corticali. ▪ I rizobi sono liberati nel citoplasma delle cellule radicali. ▪ Inizia a formarsi un nodulo radicale. ▪ I rizobi assumono forme irregolari (ramificate, clavate, sferoidali) formando i batteroidi che fissano l'azoto atmosferico. Le componenti delle bioplastiche L’acido poli-b-idrossibutirrico (PHB) è una sostanza di riserva carboniosa batterica che alcuni microrganismi, accumulano in notevole quantità all'interno della cellula, soprattutto in condizioni di stress nutrizionale. Si tratta di polimeri di acidi grassi a catena corta, media o lunga. Con questo composto, si ottiene un materiale termoplastico biodegradabile con caratteristiche simili al polipropilene, lavorabile in fogli e forme cave con cui si ottengono bottiglie e bicchieri. I polimeri dell’acido β-idrossi butirrico, formati da un numero variabile di unità monomeriche, sono indicati anche con il nome di poliidrossialcanoati (PHA), impiegati per la produzione di plastiche biodegradabili ottenute da ceppi di E. coli ingegnerizzati, in cui sono stati trasferiti i geni di Alcaligenes eutrophus che codificano per la loro sintesi. Colture di Ralstonia eutropha sono fatte sviluppare su terreni colturali adatti per ottenere rapidamente consistenti biomasse. Nella fase stazionaria di sviluppo, la composizione del terreno è poi modificata mantenendo

invece impiegato per trattare la ruggine come sequestrante del ferro. L’acido gluconico è prodotto usando la mu a Aspergillus niger o il batterio Gluconobacter suboxydans e glucosio come substrato. Siff tratta di una bioconversione per ossidazione diretta del glucosio, che avviene in due fasi: da glucosio a δ-gluconolattone e quindi ad acido gluconico ( Il processo, in cui non si assiste a sviluppo del microrganismo (che agisce esclusivamente come biocatalizzatore), ha per questo motivo una resa molto elevata. È condotto in coltura sommersa, alla temperatura di 30-33 °C e a pH 6,5. L’acido gluconico è sintetizzato dai microrganismi direttamente nell’ambiente extracellulare: la glucosio ossidasi di Aspergillus niger è localizzata nella parete cellulare. L’H 2 O 2 che si forma durante il processo è scissa dalla catalasi prodotta dallo stesso microrganismo. Impiego e produzione di etanolo È un precursore di altri tre composti industrialmente importanti: acido acetico, etilene e acetaldeide. A loro volta questi composti sono alla base della produzione di beni di largo consumo come polimeri dell’etilene e acetati di cellulosa. L'uso di etanolo come combustibile, detto bioetanolo, e l'incremento della sua produzione da materiali cellulosici oltre che dalle tradizionali fonti di saccarosio e amido. L’etanolo può essere ottenuto sia per via chimica che fermentativa: quest’ultima è preferita, oltre che per convenienza economica, soprattutto perché consente di usare residui ed eccedenze di varie produzioni agricole e industriali. La fermentazione alcolica si può realizzare partendo da svariate materie prime contenenti zuccheri anche complessi come i polisaccaridi, previa idrolisi. Molti microrganismi sono in grado di produrre alcol etilico da substrati zuccherini, amidi e scarti della lavorazione del legno e della cellulosa. I più utilizzati sono i lieviti Saccharomyces cerevisiae, S. carlbergensis, S. elipsoideus e batteri come Zymomonas mobilis (anaerobio facoltativo, Gram negativo). Impiego e produzione degli aminoacidi Gli aminoacidi si ottengono per: idrolisi delle proteine, sintesi chimica, fermentazione e bioconversione enzimatica. La microbiologia industriale si è concentrata nella produzione degli otto aminoacidi essenziali, che l’organismo umano non è in grado di sintetizzare. Esempio della L-lisina: la via biotecnologica si basa sull’utilizzo di due intermedi metabolici dei microrganismi, che sono acido piruvico e semialdeide aspartica. Impiego e produzione degli enzimi Per la produzione biotecnologica degli enzimi si utilizzano microrganismi modificati con la tecnologia del DNA ricombinante, soprattutto batteri del genere Bacillus e muffe del genere Aspergillus. I terreni di coltura contengono substrati amidacei o altre fonti di carboidrati, fattori di crescita, sali minerali, fonti di azoto come urea o sali d’ammonio. Una suddivisione degli enzimi microbici distingue fra tre tipi di enzimi. ▪ Enzimi endocellulari, il cui utilizzo richiede la preventiva lisi delle cellule produttrici. Alcuni sono idrolitici, come la penicillina acilasi da E. coli ; altri sono non idrolitici come la catalasi e la glucosio ossidasi da Aspergillus niger. ▪ Enzimi esocellulari, facilmente recuperabili dalla filtrazione della brodocoltura. Sono prevalentemente idrolitici (idrolasi) e sono impiegati per la degradazione dei polimeri come polisaccaridi, cellulosa, emicellulose, pectine, proteine e lipidi. ▪ Enzimi di superficie, come le disaccaridasi (maltasi, invertasi, lattasi, cellobiasi), presenti soprattutto nella parete cellulare dei lieviti, che infatti non possono usare direttamente i polimeri, ma solo mono-, di- e trisaccaridi. Le amilasi sono enzimi esocellulari presenti naturalmente nel malto d’orzo (orzo germinato) in grado di scindere il legame α-1,4-glicosidico che tiene legate le molecole dei monosaccaridi nell’amido e in altri oligo- saccaridi. Vengono liberate in primo luogo le destrine (polimeri a catena corta), poi i disaccaridi e infine il glucosio. L’α-amilasi dà origine a glucosio e maltosio, mentre la β-amilasi solamente a maltosio. Si impiegano prevalentemente le α-amilasi di origine batterica, prodotte da ceppi selezionati di Bacillus licheniformis e Bacillus amiloliquefaciens o dalla mu a Aspergillus oryzae. Esempi del loro utilizzoff industriale sono la produzione di sciroppi di glucosio e fruttosio da materiali amilacei, l’impiego nei prodotti da forno lievitati per il miglioramento della crosta superficiale e la rimozione dell’amido nei detergenti biologici. La b-galattosidasi o lattasi, ottenuta soprattutto da ceppi di Kluyveromyces, è impiegata per la riduzione del lattosio negli alimenti destinati agli individui intolleranti a questo

disaccaride e nella produzione di gelati per prevenire la granulosità dovuta alla presenza di lattosio. La catalasi da Aspergillus, Corynebacterium e Micrococcus è usata fra l’altro nel trattamento delle lenti a contatto. L’asparaginasi è di grande importanza in medicina per la sua azione antitumorale nella terapia di alcune forme di leucemia, in cui si assiste a una proliferazione incontrollata di globuli bianchi. Tali cellule tumorali richiedono L-asparagina, che invece è scissa dall'enzima asparaginasi in ammoniaca e acido aspartico. I microrganismi impiegati per la produzione di asparaginasi sono alcuni ceppi mutanti di Escherichia coli e Serratia marcescens, ottenuti da mutazioni spontanee o indotte oppure anche con la tecnologia del DNA ricombinante. Le lipasi catalizzano l’idrolisi dei trigliceridi in glicerolo e acidi grassi e sono prodotte da funghi. Sono impiegate nei detersivi per lavatrici e lavastoviglie, settore in cui la ricerca mira alla produzione di lipasi termostabili per trattamenti a temperature elevate. Le proteasi alcaline sono prodotte da Bacillus amyloliquefaciens e sono impiegate nei detersivi per rimuovere grassi e sostanze proteiche dai tessuti. Nell’industria casearia, il caglio di origine naturale estratto dall'abomaso, il quarto stomaco dei ruminanti, è sostituito da proteasi acide, come la rennina, prodotte dalla mu a Rhizomucor pusillus o da chimosina ricombinante, ottenuta dal lievitoff Kluyveromyces lactis. Gli enzimi pectinolitici sono usati per l'estrazione di succhi vegetali o per la chiarificazione di molte bevande. La penicillina acilasi prodotta da ceppi mutanti di E. coli è usata per ottenere acido penicillanico, precursore delle penicilline. Anche la Taq polimerasi e la DNA polimerasi, utilizzate nella PCR, sono ottenute da processi fermentativi. Gli enzimi vengono utilizzati il più delle volte dopo la loro immobilizzazione su una matrice di supporto.

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