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Aceto e batteri acetici: una produzione antica
L’aceto è un condimento dal sapore pungente, utilizzato quotidianamente in cucina, e ottenuto mediante fermentazione di un prodotto alcolico.
Ad oggi la sua produzione non prevede solo l’impiego di vino o di alcol come base iniziale, ma anche di frutta (Fig. 1), cereali, miele o qualsiasi altro substrato contente zuccheri fermentescibili dai quali ottenere etanolo tramite una fermentazione alcolica.
Infatti, il processo chiave nell’ottenimento di un aceto è l’ossidazione dell’etanolo in acido acetico condotta dai batteri acetici.
Nello specifico, l’etanolo è ossidato ad acido acetico attraverso due reazioni catalizzate da due ossidoreduttasi di membrana:
- Alcol deidrogenasi (ADH);
- Aldeide deidrogenasi (ALDH).
Entrambe le reazioni sono localizzate sulla parte esterna della membrana citoplasmatica. L’ADH ossida l’etanolo in acetaldeide che è a sua volta ossidata in acido acetico dall’ALDH mediante trasferimento di elettroni all’ubichinone; quest’ultimo a sua volta è riossidato dall’enzima ubichinolo ossidasi con riduzione di ossigeno.
I batteri acetici sono microrganismi appartenenti alla famiglia delle Acetobacteraceae che, nel mondo dei prodotti fermentati, stanno riscontrando sempre più successo.
Si tratta di microrganismi versatili, in grado di convertire varie fonti di carbonio in molecole di interesse industriale tramite processi biologici più sostenibili rispetto ai processi chimici utilizzati fino ad oggi.
Ciò giustifica l’interesse sempre crescente dei batteri acetici in ambito alimentare, biomedico, farmaceutico e ingegneristico [1].
I batteri acetici crescono prevalentemente ad una temperatura compresa tra 25 e 30 °C in un range di pH tra 5 e 6.5. Vi sono, tuttavia, delle eccezioni, difatti alcune specie sono in grado di svilupparsi a temperature superiori a 37°C e a valori di pH inferiori a 3 [2].
Riferendoci esclusivamente alla produzione di aceto, tra i 19 generi coinvolti in questa produzione identificati fino ad oggi, i più importanti sono: Acetobacter, Gluconobacter, Gluconacetobacter e Komagataeibacter.
Ad oggi i bioprocessi più sfruttati riguardano l’ossidazione di molecole per l’ottenimento di acidi organici (come nel caso dell’aceto), derivati di zuccheri e chetoni.
Tuttavia, i batteri acetici, tramite una parziale ossidazione di zuccheri, sono in grado di sintetizzare esopolisaccaridi (cellulosa batterica e fruttoligosaccaridi) che stanno riscontrando un forte interesse in diversi ambiti industriali e di ricerca.
La cellulosa batterica: un biopolimero dai molteplici usi
La cellulosa batterica (Fig. 2) è un biopolimero sintetizzato a partire da fonti di carbonio come ad esempio glucosio, fruttosio, mannitolo e glicerolo.
Tale aspetto risulta di particolare interesse in ottica di sostenibilità ambientale ed economia circolare. Difatti, la produzione di cellulosa batterica da parte dei batteri acetici è un processo che richiede modeste quantità di energia e può utilizzare sottoprodotti della filiera ortofrutticola (ricchi in carboidrati) come substrato di crescita, permettendone la valorizzazione.
Tra le specie batteriche con la più alta produzione di cellulosa batterica troviamo Komagataeibacter hansenii, Komagataeibacter sucrofermentans e Komagataeibacter xylinus, con quest’ultima considerata come quella di riferimento nella sintesi di questo biopolimero.
La struttura chimica della cellulosa batterica è identica a quella ottenuta dalle piante ma differisce da quest’ultima per una maggior purezza dovuta all’assenza di lignina e pectina, delineandosi come un prodotto più vantaggioso e rapido da sintetizzare.
Inoltre, la cellulosa batterica è riconosciuta come “Generally recognized as safe” (GRAS) dalla Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti, e recentemente il gruppo di esperti sui rischi biologici (BIOHAZ) dell’European Food Safety Authority (EFSA) hanno incluso la specie Komagataeibacter sucrofermentans nella lista dei “QPS-recommended biological agents” intenzionalmente addizionati agli alimenti [3].
Perciò, in ambito alimentare la cellulosa batterica può essere utilizzata come fibra o coadiuvante grazie alla sua capacità di assorbire colore e odori.
Poco diffusi in Europa, i prodotti alimentari contenenti cellulosa batterica sono una tradizione radicata dei Paesi asiatici, ma negli ultimi anni stanno trovando spazio anche sugli scaffali della grande distribuzione occidentale. Un esempio è il Kombucha tea (Fig. 3), una bevanda fermentata ottenuta attraverso la fermentazione di tè zuccherato ad opera di lieviti e batteri acetici [4].
Inoltre, sempre più consolidato è l’utilizzo di cellulosa batterica in campo biomedico e farmaceutico.
Attualmente, bendaggi in cellulosa batterica sono utilizzati per trattare scottature di terzo grado agendo come barriera fisica alle infezioni esterne e assorbendo l’essudato corporeo permettendo una cicatrizzazione più rapida [5].
Oltre a ciò, diversi studi riportano la possibilità di utilizzare la cellulosa batterica come veicolo per il rilascio di antibiotici o medicinali [6][7].
Il levano e gli effetti benefici sull’uomo
Quando si parla di esopolisaccaridi di sintesi batterica, un ruolo di grande importanza è svolto dal levano. Tale composto è un fruttoligosaccaride, ottenuto dal saccarosio per azione dell’enzima levansucrasi.
Come nel caso della cellulosa batterica, il levano può essere di origine vegetale o batterica ma si differenzia per la struttura, lineare nel primo caso e ramificata nel secondo.
Diverse ricerche hanno mostrato gli effetti benefici di questo composto sul corpo umano; ne è un esempio la fermentazione del levano da parte dei bifidobatteri con conseguente rilascio di acidi grassi a corta catena, quali butirrato e propinato, utili alla riduzione del rischio di sviluppo di tumori intestinali [8][9].
Nel mondo dell’agrifood, il levano è utilizzato come addensate e stabilizzante nella realizzazione di prodotti alimentari o come composto prebiotico nella realizzazione di prodotti funzionali [10].
Oltre a ciò, il levano trova uso anche nei prodotti gluten–free come sostituto del glutine stesso e in prodotti ipocalorici.
Ad oggi non risultano presenti claims specifici per i prodotti contenenti levano approvati dall’EFSA, tuttavia, gli effetti benefici sono stati ampiamente dimostrati (aumento del livello di colesterolo HDL, attività antivirale e antiossidante).
Infine, è stato osservato che pesci nutriti con diete arricchite di levano hanno presentato un aumento nella risposta immunitaria senza l’utilizzo di antibiotici [11].
L’utilizzo di levano come supplemento potrebbe permettere la riduzione dell’utilizzo di antibiotici nei pesci allevati tramite acquacoltura, riducendo il rischio di crescita di microrganismi antibiotico-resistenti, oggigiorno particolarmente critici nella filiera agroalimentare.
Conclusioni
Conosciuti prettamente per la produzione di aceto, i batteri acetici stanno suscitando sempre maggiore attenzione per la possibilità di essere impiegati nella realizzazione di prodotti alimentari prebiotici e prodotti biomedici/farmaceutici innovativi a minore impatto ambientale.
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[1] La China, S. et al., Oxidative fermentations and exopolysaccharides production
by acetic acid bacteria: a mini review, 2018
[2] Mamlouk, D.; Gullo, M. Acetic Acid Bacteria: Physiology and Carbon, 2013.
[3] Brugnoli, M. et al., Assessing effectiveness of Komagataeibacter strains for producing surface‑microstructured cellulose via guided assembly‑based biolithography, 2021.
[4] La China, S. et al., Exploring K2G30 genome: a high bacterial cellulose producing strain in glucose and mannitol based media, 2019.
[5] Czaja, W. et al., Microbial cellulose – The natural power to heal wounds, 2006.
[6] Volova, T.G. et al., Production and properties of bacterial cellulose by the strain Komagataeibacter xylinus B-12068, 2018.
[7] Alemida, T. et al., Bacterial nanocellulose toward green cosmetics: recent progresses and challenges, 2021.
[8] Hertadi, R. et al., Enhancement of antioxidant activity of levan through the formation of nanoparticle systems with metal ions, 2020.
[9] Esawy, M. A. et al., Production of levansucrase from novel honey Bacillus subtilis isolates capable of producing antiviral levans, 2011.
[10] Srikanth R. et al., Review on production, characterization and applications of microbial levan, 2015.
[11] Hoseinifar, S. H. et al., Prebiotics and fish immune response: a review of current knowledge and future perspectives, 2015.
Marcello Brugnoli
Dottorando al primo anno in “Food and Agricultural Science, Technology and Biotechnology” presso l’Università di Modena e Reggio Emilia. Attualmente sta sviluppando un progetto di ricerca focalizzato sullo studio di composti organici ed esopolisaccaridi di sintesi batterica e la loro applicabilità industriale.
