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Le alghe sono un gruppo di organismi di struttura vegetale molto semplice; possono essere unicellulari o pluricellulari, sono eucarioti, autotrofi e sono quasi tutte fotosintetiche quindi producono energia chimica con la fotosintesi generando ossigeno. Il gruppo delle alghe è molto vasto, ad oggi se ne conoscono più di 20.000 specie diverse; mostrano un’ampia variazione nella loro morfologia e possono essere classificate prendendo in considerazione vari fattori.
In base alle loro dimensioni vengono semplicemente suddivise in Macroalghe e Microalghe, mentre in base alla loro colorazione sono catalogate in:
⊃ Chlorophyceae (verdi);
⊃ Rhodophyceae (rosse);
⊃ Cyanophyceae (blu-verde); ora classificati come cianobatteri*
⊃ Pheophyceae (brune).
Le macroalghe sono osservabili a occhio nudo, vivono generalmente in acque salate, poco o mediamente profonde e sono caratterizzate da forme particolari e da colorazioni che possono variare dal blu, al verde, al rosso e al marrone. Le alghe nonostante siano semplici organismi acquatici essendo fotosintetiche, hanno molte caratteristiche simili alle piante superiori; con loro hanno in comune fattori strutturali, come la presenza dei cloroplasti e la tipologia dei pigmenti (clorofille a/b, carotenoidi e xantofille), al contrario presentano cellule poco differenziate che formano un tessuto detto tallo.
Generalmente le alghe non hanno tutte le strutture che caratterizzano le piante terrestri come per esempio le radici; non ne hanno bisogno, perché vivendo immerse nell’acqua, ogni cellula algale può assorbire per conto proprio tutto il nutrimento di cui ha bisogno. Le alghe non hanno né fiori né frutti, e non contengono quelle classi di pigmenti che più li caratterizzano. Antociani, betalaine e chinoni non sono pigmenti prodotti negli ambienti acquatici.
La fotosintesi clorofilliana nelle alghe di tutte le classi, in linea di principio è simile a quella nelle piante terrestri e si svolge nei cloroplasti, tuttavia mostra alcune particolarità che vanno a colmare l’azione di filtro delle radiazioni solari dell’acqua in cui vivono. L’intensità della luce diminuisce con la profondità e soprattutto, non tutte le lunghezze d’onda hanno un identico potere penetrante nell’acqua, in particolare in quella di mare.
La tipologia della colorazione delle alghe e il loro contenuto di pigmenti è diverso a seconda della loro distanza dalla superficie. Le alghe verdi si trovano più vicine alla superficie dell’acqua e assorbono la luce rosso-arancio che avendo lunghezze d’onda maggiori viene arrestata per prima. A profondità maggiori si trovano le alghe brune che assorbono i raggi blu-verdi (più penetranti di quelli rosso-arancio). Ancora più in basso è l’habitat delle alghe rosse che assorbono la luce blu, quella in grado di arrivare più in profondità.
Nelle alghe, il ruolo dei pigmenti accessori (carotenoidi per la maggiore) per la raccolta della luce è molto importante, per ottenere la massima efficienza dalla luce disponibile.
Alghe in FOGLIE Biologiche
Alghe in FIOCCHI Biologiche
FARINA di Alghe Biologiche
Le microalghe hanno dimensioni che variano da pochi a qualche centinaia di micrometri e a meno che non si incatenino tra loro in un numero abbastanza grande, sono osservabili solo al microscopio. Si trovano vicino alla superficie delle distese di acqua, dove la luce è più abbondante e sono costituite da un’unica cellula, completamente autosufficiente. Fanno parte del fitoplancton, hanno quindi un ruolo basilare come produttori nella catena alimentare, da cui dipende la vita degli animali acquatici e riforniscono l’atmosfera di grandi quantità di ossigeno.
*Importante _Tra le microalghe troviamo ancora indicate le cosiddette “Cyanophyceae” o “alghe azzurre“, anche se questo non sarebbe più corretto. A seguito della classificazione proposta da Thomas Cavalier nel 2003, il termine alga sarebbe da usare solo per gli organismi con un nucleo racchiuso in una membrana e plastidi legati in una o più membrane, quindi solo per gli Eucarioti (mono o pluricellulari), mentre per gli organismi come appunto le Cyanophyceae, tra cui la Spirulina verde (Spirulina Platensis), essendo dei procarioti, il termine corretto è Cianobatteri.
Le microalghe, e i cianobatteri sono microrganismi fotosintetici unicellulari adattati a vivere in ambienti molto diversi e che mostrano un’enorme diversità biochimica e genetica. Pertanto, rappresentano un’eccellente fonte di prodotti di alto valore aggiunto (proteine, lipidi, minerali, enzimi, vitamine e pigmenti) con potenziali applicazioni in diversi settori biotecnologici, essendo uno dei percorsi più promettenti per la fornitura di alimenti, mangimi e biocarburanti di prossima generazione.
Allo stesso tempo, con la loro capacità di crescere in ambienti ostili, e di sfruttare l’energia solare tramite la fotosintesi aiutano a frenare l’inquinamento ambientale, potendo essere integrate nei processi di gestione ambientale come la cattura di CO2 e il riciclaggio dei nutrienti dalle acque reflue. La biomassa microalgale ha una vasta gamma di prodotti che possono essere esplorati così da aver attirato l’attenzione dei ricercatori sul come ottimizzare la loro produzione e i loro processi di recupero. Tuttavia ancora oggi, gli alti costi di produzione limitano la commercializzazione dei prodotti algali solo in alcuni mercati di nicchia.
I principali pigmenti algali, includono clorofille a, b, c, d, f, oltre a β-carotene, astaxantine , xantofille ecc. Negli organismi marini come la microalga verde (Chlorella spp.), ma anche nel cianobatterio Spirulina di trova principalmente la clorofilla c, indicata in letteratura come più stabile delle clorofille a e b, ma nonostante questo siccome le clorofille vengono estratte con difficoltà dalle alghe se non con estratti molto contaminati da alti livelli di ioni metallici, di fatto non ci sono clorofille commerciali derivate da questa fonte. Il discorso è diverso quando parliamo di carotenoidi algali, perché nonostante si sappia ancora poco sui geni e sugli enzimi associati alla loro carotenogenesi, e nonostante è riconosciuto che nei loro ambienti naturali la produzione di carotenoidi generalmente è molto bassa, e questo di fatto si traduce in una scarsa efficienza per la loro produzione industriale, le ricerche focalizzate al miglioramento delle rese produttive in condizioni controllate, hanno permesso di arrivare alla chiave di svolta.
Le alghe/microalghe in condizioni particolari, considerate stressanti, nell’intento di difendere le proprie cellule, aumentano la loro produzione di carotenoidi, accumulandoli all’interno dei cloroplasti.
Quando coltivate sotto stress luminosi indotti (luce ad alta intensità), le alghe di fatto migliorano la resa produttiva dei propri pigmenti, anche se l’aumento riguarda solo i carotenoidi, infatti spesso in condizioni stressanti le percentuali di clorofilla, diminuiscono. Oltre alla luce, ci sono altri fattori considerati stressanti e che possono influenzare la carotogenesi, e sono: il calore, la bassa temperatura, la siccità, la salinità e lo stress ossidativo. Ad oggi i prodotti più importanti disponibili in commercio derivati dalle microalghe sono β-carotene da Dunaliella salina e Astaxantina, da Haematococcus pluvialis.
La produzione dei carotenoidi che utilizza le microalghe offre vari vantaggi rispetto alla loro produzione da fonti tradizionali come frutta e verdura; questi microrganismi hanno tassi di crescita più rapidi e un’elevata efficienza di fotosintesi, inoltre non richiedono terreni coltivabili e hanno un minore fabbisogno di sostanze nutritive e di gas a effetto serra. Inoltre, i pigmenti prodotti da microalghe sono stati approvati dalla Food and Drug Administration (FDA) e dall’Autorità europea per la sicurezza alimentare (EFSA) e sono stati raccomandati per sostituire i coloranti sintetici nei mercati alimentari, cosmetici e nutrizionali in quanto sono considerati naturali e sicuri (GRAS).
La lavorazione complessiva delle microalghe consiste in diverse fasi come la coltivazione in condizioni controllate, la raccolta e l’ulteriore lavorazione di recupero a seconda del prodotto finale desiderato. Ogni alga richiede un trattamento specifico, sia per le condizioni coltivazione, di raccolto e di recupero del pigmento.
Per quanto riguarda il recupero dei pigmenti, bisogna sapere che pigmenti microalgali sono di natura intracellulare e generalmente possono essere recuperati dalla biomassa solo dopo che sono stati liberati dall’incapsulamento della parete cellulare; pareti che si dimostrano dinamiche, complesse e ricche di carboidrati e che conferiscono alle cellule una resistenza strutturale e una difesa formidabile. e dove i carotenoidi e altri composti preziosi risultano non così facilmente estraibili. La resistenza strutturale delle cellule microalgali dipende dallo spessore, dalla composizione e dalla stratificazione delle loro pareti cellulari. Alcune specie hanno pareti cellulari spesse e molto rigide (ad esempio Haematococcus pluvialis) che richiedono trattamenti meccanici ad alta intensità energetica, come l’omogeneizzazione ad alta pressione o le idrolisi chimiche, mentre altre specie non hanno parete cellulare (ad esempio Dunaliella salina) o hanno pareti cellulari meno robuste che possono essere rotte da un semplice scongelamento dell’alga congelata o tramite cambiamenti nella pressione osmotica.
L’interruzione cellulare, oltre alla stimolazione della carotogenesi sono i passi necessari, sui quali ci si focalizza per aumentare le rese di produzione delle microalghe.
Quindi, la prima fase di recupero del pigmento, consiste generalmente in una fase di pretrattamento della biomassa in cui le cellule vengono sottoposte ad uno o più trattamenti meccanici, chimici o enzimatici applicati esternamente al fine di:
⊃ facilitare la disgregazione;
⊃ liberare i prodotti intracellulari;
⊃ migliorare l’accessibilità del pigmento per la fase successiva di estrazione.
Tra i diversi metodi di interruzione cellulare, troviamo i non convenzionali tra cui campi elettrici pulsati (PEF), omogeneizzazione ad alta pressione (HPH) o ultra-suoni (USS) e i convenzionali (metodi chimici e biologici), che usati da soli o in combinazione tra loro, hanno sempre l’obiettivo di indebolire e/o rompere la parete cellulare delle microalghe per migliorare le rese di estrazione e la purezza dei carotenoidi microalgali.
Una volta che le cellule si sono rotte, vengono poi sottoposte ad una fase di estrazione al fine di recuperare i pigmenti intracellulari rilasciati. Il solvente di estrazione utilizzato dipenderà dalla solubilità del pigmento o dei pigmenti che si vorrà estrarre. Clorofille e carotenoidi non sono solubili in acqua e quindi per i loro recupero richiedono l’aggiunta di solventi organici (come acetone, etanolo, metanolo, acetato di etile) o anidride carbonica supercritica . La fase di estrazione è spesso pressurizzata o accoppiata con un processo di rottura ausiliario (come microonde o ultrasuoni) al fine di migliorare il trasferimento di massa e quindi il recupero del pigmento. Le ficobiliproteine, (che vedremo nel capitolo dei cianobatteri) essendo solubili in acqua, non richiederanno l’uso di solventi organici o anidride carbonica supercritica per la loro estrazione.
Attualmente la produzione commerciale dei carotenoidi si concentra principalmente su due microalghe: la verde Dunaliella (D. salina o D. bardawil) e la verde, Haematococcus pluvialis. La prima ha il vantaggio che può essere coltivata in monocoltura e in grandi stagni aperti dove a buon mercato, e in condizioni stressanti (elevata salinità, privazione di nutrienti, temperature estreme e alta intensità luminosa), può accumulare un’alta concentrazione di b-carotene, fino al 12% di peso secco, mentre la seconda, essendo d’acqua dolce e necessitando di condizioni sterili per evitare la contaminazione, per la produzione di Astaxantina viene coltivata in fotobioreattori, motivo che rende il prodotto non così economico.
Il genere Dunaliella è tra le alghe il miglior fornitore di β-carotene, in condizioni stressanti ne accumula enormi quantità. Oltre al β-carotene, questa alga è una ricca fonte di proteine, di acidi grassi essenziali e può essere tranquillamente utilizzata come alimento perché come l’Astaxantina ha lo stato GRAS, generalmente riconosciuto come sicuro dall’FDA. IL β-carotene ottenuto da Dunaliella è frequentemente utilizzato per l’alimentazione umana e animale, come fonte di provitamina A e per le sue proprietà antiossidanti. Le specie di Dunaliella contenendo anche carotenoidi ossigenati (xantofille), ha dimostrato di possedere una maggiore biodisponibilità e bioefficacia nelle sue varie funzioni biologiche come l’attività antipertensiva, broncodilatatoria, analgesica, miorilassante e antiedema, oltre a proprietà antitumorali.
I vantaggio di usare le alghe Dunaliella per la produzione di β-carotene è che può essere coltivata facilmente e rapidamente rispetto alle piante e di produrre quantità molto elevate di carotenoidi rispetto ad altre fonti. La Dunaniella in determinate condizioni di coltura, considerate stressanti riesce a biosintetizzare un profilo carotenoide relativamente semplice che arriva fino al 10-12% del suo peso secco. Del β-carotene da D. salina, il mercato nel 2019 è stato di circa 200 milioni di dollari.
I prodotti a base di Dunaliella naturale sono ampiamente distribuiti in molti mercati diversi sotto tre categorie:
⊃ β-carotene come colorante;
⊃ Dunaliella polvere come integratore;
⊃ Dunaliella essiccata come ingrediente alimentare.
Per esempio, le proteine della biomassa di Dunaliella possono essere utilizzate per il pane e altri prodotti, mentre le cellule intere possono essere utilizzate per gli animali, pollame e alimenti a base di pesce perché sono sicuri (GRAS).
Attualmente, su scala commerciale, la coltivazione di D. salina si basa sulla crescita autotrofica in mezzi salini contenenti nutrienti inorganici, come fonte di carbonio e generalmente, gli impianti di produzione si trovano in regioni semidesertico come nella regione di Whyalla, in Australia meridionale dove le condizioni sono ottimali: massimo irraggiamento solare, minima nuvolosità, clima caldo e disponibilità di acqua ipersalina. I due maggiori produttori di β-carotene di D. salina nel mondo sono Western Biotechnology Ltd. e Betatene Ltd. (BASF) entrambi in Australia. In India la principale è la Parry’s Agro Ltd. che produce βcarotene per scopi farmaceutici, un’altra azienda indiana è ABC Biotech Ltd., mentre altri piccoli impianti si possono trovare in Cile, Messico, Cuba, Iran, Taiwan, Giappone e Cina.
I sistemi di coltivazione possono avere sia una finalità estensiva che intensiva dove in quest’ultimo caso si adotta una tecnologia a due stadi, simile a quella utilizzata per l’Astaxantina. Considerando che l’uso di fattori di stress rallenta la crescita delle microalghe, ma favorisce la sintesi di β-carotene, la strategia a due stadi è mirata a migliorare la resa complessiva del β-carotene.
La prima fase, (fase di crescita) viene eseguita in un mezzo ricco di sostanze nutritive (bicarbonato come fonte di carbonio, e altri nutrienti come il nitrato) e livelli ottimali di sale (18%) e necessità da 12 a 14 giorni. Nella seconda fase, per indurre la carotenogenesi, la coltura viene trasferita in un mezzo impoverito di nutrienti, ma più ricco di sale (stress salino), si passa al 27% di NaCl.
Per quanto riguarda la raccolta della biomassa ricca di carotene, nella produzione estensiva viene generalmente effettuata utilizzando la flocculazione seguita da filtrazione, mentre nella produzione intensiva viene utilizzata la centrifugazione. Il prodotto ottenuto, viene generalmente essiccato a spruzzo e poi l’intera biomassa o può essere stabilizzata per produrre polvere di Dunaliella che viene utilizzata principalmente come mangime per animali, in particolare per l’acquacoltura, o può essere utilizzata come materia prima per produrre il colorante. L’estrazione del β-Carotene avviene utilizzando l’olio essenziale d-limonene. L’estratto viene quindi preparato come sospensione al 20- 30 % in olio vegetale dopo la rimozione dell’olio essenziale.
Coltivazioni di Dunaniella
Coltivazioni di Dunaniella
Condizioni di Alta Salinità
è una specie d’acqua dolce ed è più costosa da produrre perché deve essere coltivata in fotobioreattori in condizioni sterili per evitare la contaminazione.
L’astaxantina è una xantofilla nota anche come 3,3dihydroxyl-β,β-carotene-4,4-dione, ampiamente utilizzata nelle industrie alimentari, di acquacoltura, cosmetiche, nutraceutiche e farmaceutiche. Oltre alla sua pigmentazione, l’astaxantina è un prodotto interessante grazie alla sua elevata capacità antiossidante, che è responsabile delle sue proprietà protettive contro il cancro, le malattie cardiovascolari, il diabete, la risposta immunitaria e l’infiammazione L’astaxantina di Haematococcus è riconosciuta dalla Food and Drug Administration (FDA) come generalmente considerata sicura (GRAS) per l’uso come ingrediente in diverse categorie di alimenti.
COS’È L’ALGA CLORELLA?
Chlorella è un genere di alghe verdi unicellulari, in grado di moltiplicarsi piuttosto rapidamente e con minime richieste di substrati esterni:
Il nome Chlorella deriva dal greco χλώρος, chlōros/khlōros, che significa verde, e dal suffisso diminutivo latino ella, che significa piccolo.
PROPRIETÀ: A COSA SERVE?
L’utilizzo ad oggi più solido dell’alga è quello alimentare: si tratta di un’interessante fonte di cibo perché, una volta essiccata, contiene indicativamente:
Sono tuttavia segnalate ampie variazioni in termini di contenuto; il sito WebMD ad esempio riporta che “i prodotti a base di clorella possono variare a seconda delle modalità di coltivazione, raccolta e lavorazione. La clorella essiccata può contenere dal 7% all’88% di proteine, dal 6% al 38% di carboidrati e dal 7% al 75% di grassi”.
Spesso venduto come superfood (per quanto questo significhi…), viene talvolta usato anche come ingrediente in alcuni cocktail a base liquida.
Parte della sua meritata fama deriva dalla grandissima efficienza del suo metabolismo, che le consente (in condizioni ideali, ovvero calde, soleggiate e poco profonde) di convertire il 20% dell’energia solare in una pianta che, una volta essiccata, contiene quasi il 50% di proteine, anche se purtroppo si è dimostrato difficile ottenere la stessa resa anche in laboratorio o comunque in contesti industriali.
Può essere consumata anche da chi aderisce ad un regime alimentare vegano.
BENEFICI
Se appare indubbio il suo valore nutritivo quando consumato come alimento, più difficile è giustificarne razionalmente un utilizzo come integratore per altri utilizzi, tra cui:
Tra gli altri utilizzi per cui è stata proposta figurano:
Ad oggi non esistono infatti studi sufficientemente solidi (le poche ricerche sono state condotte su piccoli gruppi e spesso dalle stesse industrie produttrici) da poter dimostrare un’effettiva efficacia che vada al di là del contenuto nutrizionale.
EFFETTI COLLATERALI
La clorella è generalmente ben tollerata, ma potrebbe causare fastidi gastrointestinali come
Sono state segnalate reazioni allergiche, tra cui asma ed anche anafilassi, nonchè reazioni di fotosensibilità (rash cutanei a seguito dell’esposizione al sole) L’assunzione materna di clorella non dovrebbe causare effetti avversi nella maggior parte dei bambini allattati al seno ed è considerata probabilmente accettabile (sono stati segnalati casi di colorazione verdastra del latte), ma si raccomanda sempre il preventivo parere del pediatra.
CONTROINDICAZIONI L’elevato contenuto di vitamina K della clorella può diminuire l’efficacia del warfarin (medicinale anticoagulante). Si raccomanda cautela in caso di successiva esposizione al sole, a causa della possibilità di sviluppare reazioni cutanee da fotosensibilità.