Biomassa - Presentazione

ROBERTO RANA
Metodi di valorizzazione
Agribusiness Paesaggio & Ambiente -- Vol. VII (2003) n. 3, Marzo 2004
Merci dalla biomassa
Produzione ed impieghi delle spiruline (Arthrospira maxima e
Arthrospira platensis)
Biomass Goods. Production and Use of the Spiruline (Arthrospira maxima and Arthrospira platensis). Some
economic considerations of Spiruline (Arthrospira spp) production and recent food and industrial applications: a review.
The Cyanobacteria (blue-green algae) Arthrospira platensis and Arthrospira maxima due to their nutritional characteristics,
curative property and lack of contraindications are used as feeding supplement and to compound pharmaceutical products.
In the latest years the Arthrospira spp has found new fields of application such as industry, wastewater treatment and
production of methanol.The greater Arthrospira producers in the world are The United States, China and India. The
Arthrospira use has a large chance of development in the industrial and feeding field, whereas, more study should be
undertaken on grounds of expediency in order to transform the micro-algae biomass in “bio-fuel”.
La produzione intensiva, il consumo
ed il commercio su
larga scala di prodotti
a
base
di
microalghe (come
Clorella vulgaris,
Dunaliella salina,
Nostoc commune e
Arthrospira spp. ecc.)
sono attività relativaROBERTO RANA
mente recenti, sebUniversità di Foggia
bene da secoli forniscono alimenti ad alcune popolazioni dell’America centrale, dell’Asia e dell’Africa.
Per le loro proprietà nutrizionali e caratteristiche curative Arthrospira platensis e Arthrospira
maxima sono utilizzate come integratori alimentari, per la produrre farmaci e alimenti per il
bestiame nella mangimistica. I prodotti in commercio, a base di Arthrospire, per uso alimentare sono di due tipi: quelli a base di alghe disidratate sotto forma di pillole, polvere o capsule e quelli che contengono solo in parte queste
microalghe. Negli ultimi anni le Arthrospire
hanno trovato nuovi campi di applicazione, che
consentono di ottenere una serie di prodotti
chimici fra cui l’alcol metilico. I maggiori produttori al mondo sono gli Stati Uniti, la Cina e
l’India; il Giappone pur essendo fra i maggiori
paesi consumatori, per le avverse condizioni
climatiche possiede una modesta produzione.
Anche in Europa, come in Giappone, non esistono impianti di coltivazione anche se in questi ultimi anni, sono state avviate nelle regioni
del Mediterraneo alcune promettenti ricerche
di coltivazione intensiva.
In questo lavoro si vuole passare in rassegna i sistemi di produzione delle Arthrospire
nel mondo, descrivendo le recenti scoperte sugli
aspetti nutrizionali, le nuove applicazioni in
campo industriale e le loro potenzialità.
1. Caratteristiche botaniche
delle Spiruline
Il genere Arthrospira appartiene al gruppo
sistematico dei Cianobatteri, antichissimi organismi procarioti apparsi sulla Terra 3 miliardi
di anni fa 1 . I Cianobatteri, pur essendo organismi primitivi, possiedono caratteristiche tipiche di quelli più evoluti, un sistema
fotosintetico costituito dalla clorofilla-a e dal
204
Merci dalla biomassa
fotosistema II (PS-II), la presenza nella parete
cellulare del glicogeno. Tutto ciò rende difficile la loro classificazione botanica; infatti, alcuni autori li inseriscono tra le alghe
(Cianophicaee o alghe azzurre), altri tra i batteri fotosintetici ossigenici (Cianobatteri) (Istituto Superiore di Sanità, 1999). Molte specie
sono in grado di fissare (ridurre) l’azoto atmosferico disponendo di strutture specializzate
dette eterocisti; si distinguono, inoltre, sia specie tossiche (Microcistis spp.) sia commestibili
(Nostoc, Arthrospira, Aphanizomenon) la maggior
parte delle quali sono adattate ad habitat estremi, che includono le profondità degli oceani,
le sorgenti calde ed i ghiacci antartici.
Esiste una certa confusione tra i termini
Spirulina e Arthrospira dovuta ad una erronea
classificazione botanica delle specie commestibili avvenuta negli anni ‘50. Infatti, tutte le
specie utilizzate per trarre alimenti,
commercializzate con il nome di Spiruline, in
realtà appartengono al genere Arthrospira
(Arthrospira maxima e Arthrospira platensis)
(Cohen, 1995; Viti et al., 1997). Fanno parte,
invece, del genere Spirulina (es. Spirulina
subsalsa, Spirulina major, ect.) un gruppo di
Cianobatteri non commestibile, per il quale
non è stato ancora studiato l’impiego alimentare (Jourdan, 1999). Quando si parla di
Spiruline, quindi, si tratta delle microalghe del
genere Arthrospira, che si presentano all’analisi microscopica come piccoli filamenti avvolti
su se stessi, di lunghezza e larghezza variabile
(rispettivamente tra 100-200ìm e 8-10ìm).
Disponendo di vescicole gassose, queste
microalghe vivono sulla superficie dei corpi
idrici dove spesso, in presenza di un eccesso di
sostanze nutritive, possono provocare la così
detta “fioritura dall’acqua” o flos aquae (von
Denffer et al., 1982). Le Arthrospire per poter
crescere hanno bisogno di acque ricche di sali
1) In generale gli organismi viventi
si dividono in procarioti (ad esempio i batteri, i cianobatteri, ecc) e
eucarioti (ad esempio le piante, gli
animali, i funghi, ecc.) Nei primi non
esiste un nucleo evidente per cui il
minerali, calde (a temperature tra 35-37°C)2
ed alcaline (con un pH tra 8,5 e 10,5) (Jourdan,
1999).
Sembra che le Arthrospire fossero utilizzate come alimento già dagli Aztechi. Le testimonianze dei conquistatori spagnoli e dei missionari che raggiunsero per primi il “nuovo continente”, raccontano che la città di Tenochtitlán
sorgeva al centro di un lago (chiamato Tezcoco)
dove le alghe negli strati superficiali producevano una sostanza melmosa che veniva periodicamente raccolta, essiccata al sole, ridotta in
piccoli pezzi, trasformata in una specie di focaccia dal sapore e dal profumo di formaggio e
venduta nei mercati di tutta la regione. Questo alimento era chiamato nella lingua locale
tecuitlatl, che significa escrementi delle pietre.
Dopo la scomparsa del lago Tezcoco, non è stato possibile sapere di cosa fosse fatto il
tecuitlat; alcuni ricercatori ritengono che questo alimento fosse proprio a base di Spiruline
(Farrar, 1966).
Per inciso, si ricorda che l’Arthrospira platensis
rappresenta una fonte alimentare per una popolazione africana che vive nella regione
lagunare del Kamen in Ciad e questo uso è
stato per la prima volta documentato a metà
degli anni ’60 da una spedizione belga transshariana. Queste microalge seccate al sole formano pani di forma rotondeggiante che sono
tagliati e conservati per molto tempo grazie al
clima particolarmente secco della regione.
Questo prodotto, che in lingua locale è chiamato “dihè”, viene direttamente consumato
dalla popolazione del posto e commercializzato
in tutto il Sahel (Leonard, 1966).
DNA è disperso nel citoplasma (in
strutture a forma di granuli, bastoncini, filamenti), nei secondi, invece
è ben visibile un nucleo all’interno
del quale è presente il DNA ed altri
organuli importanti durante la
205
replicazione cellulare;
2)È possibile ancora il loro sviluppo a 18°C, ma al disotto di 12°C le
Arthrospire entrano in uno stato di
quiescenza;
ROBERTO RANA
Metodi di valorizzazione
2. Caratteristiche nutrizionali
Le Arthrospire sono in sostanza una risorsa
rinnovabile le cui quantità e qualità dei principi nutritivi dipendono da vari fattori come: le
caratteristiche chimico-fisiche del mezzo in cui
crescono, dal sistema di coltivazione (estensivo
o intensivo), dal periodo della raccolta, ecc.
(Macrae et al., 1993; Falquet, 1996). La composizione media delle Arthrospire confrontata
con quella della soia è riportata nella tab. 1.
Come si può rilevare il contenuto di proteine
e di carboidrati dell’A. maxima è maggiore rispetto alla soia; meno marcata è, invece, la differenza di sali minerali.
Tab. 1
Confronto tra la composizione media
dell’Arthrospira maxima e quella della soia
(Glicine max)
P ri ncip i
n utri tiv i
Pro te ine (N x 6,2 5 )
Lipid i
Ca rb oidrat i
M in er ali
A rt hrosp ira
m a x im a
(g /k g d i s .s. )
S oia
(g /k g d i
s.s .)
6 00-700
60-70
130 -16 0
4 0-9 0
4 00
20 0
350
50
Fonte: Macrae, 1993
Le microalghe presentano un valore
energetico di circa 16 MJ/kg. La qualità delle
proteine, pur essendo inferiore a quella del latte
e delle uova per il basso contenuto di cistina,
metionina e lisina, può ritenersi nel complesso buona, in quanto hanno l’indice PER (rapporto di efficienza proteica) uguale a 1,80
(caseina 2,50, riso 2,20, Triticum spp. 1,15), il
valore biologico (BV) del 75% (caseina 88%,
riso 74%, Triticum spp. 55%) e l’indice UP (percentuale di utilizzazione proteica) uguale al
40% (riso 5,4%, Triticum spp. 5,6%. L’indice
NPU (Net Protein Utilization) invece, è inferiore a quello dei più comuni alimenti (caseina
83%, riso 73,8%, Arthrospira spp.65% Triticum
spp. 53,0%)(Macrae et al., 1993; FAO, 2003).
I carboidrati rappresentano il 15-25% della
sostanza secca (s.s.) delle Spiruline e sono costituiti prevalentemente da vari polisaccaridi
tra cui glucosammine (circa il 2% s.s.),
rhamnosammine (circa il 10% s.s.) e glicogeno
(0,5% s.s.), capaci, secondo alcuni autori di
stimolare l’attività di qualche enzima nucleare
preposto alla riparazione dei danni al DNA
(Piñero Estrada et al., 2001). Altri due
polisaccaridi solforati (Ca-SP e Na-SP) delle
Arthrospire, facilmente estraibili con acqua
calda,
sembrano
avere
un’azione
Tab. 2
Contenuto medio di amminoacidi totali e liberi nell’Arthrospira maxima1
A m m i n o a c i d i t o ta l i
A m in o a c id i
A c i d o a s p a r t ic o
A cid o
g lu t a m m ic o
Se rin a
N a t u r a li
(m g / g d i
s .s .)
6 9-7 7 ( 73) 2
1 1 7 - 1 2 3 (1 1 7 )
C o m m e rc i a li
(m g / g d i
s .s .)
7 9 -8 9 ( 8 4 )
1 0 1-115 (10 8 )
A m m i n o a ci d i li b e r i n e l
c it o p la s m a
N a tu r a l i
( m g / g d i s .s .)
C o m m e r c i a li
( m g / g d i s .s .)
0 , 7 6 - 1 ,1 (0 ,9 3 )
5,5 1-6,51 (6,0 1)
2 ,6 - 4 , 0 ( 3 , 3 )
1 , 5 - 2 ,3 ( 1 , 9 )
0 ,0 9 - 0 ,3 9
(0 ,24 )
0 ,0 6 - 0 ,0 8
(0 ,0 7 )
0 ,9 - 1 , 1 (1 , 0 )
2 8 -3 4 (3 1 )
2 5-2 9 (2 7)
0 ,1 5 -0 ,1 7 (0 ,1 7 )
G l ic in a
4 , 1 - 4 ,5 (4 ,3 )
3 , 2 - 3 ,8 (3 ,5 )
Is t id i n a
A r g in i n a
11-13 ( 12 )
9 5- 117 (10 6 )
1 0 -1 2 (1 1 )
9 1 -1 1 7 ( 9 9 )
T re on in a
0 ,2 9 -0 , 3 3
(0 ,31)
0 , 4 4 - 0 ,5 0
(0 ,47 )
0 ,4 4 -0 ,5 2
( 0 ,4 8 )
0 ,4 0 - 0 ,4 4
(0 ,4 2 )
2 ,1 - 2 , 3 ( 2 , 2 )
0 ,1 5 -0 ,1 7 (0 ,1 7 )
0 ,4 9 -0 ,4 7
( 0 ,5 3 )
0 , 2 8 -0 , 3 4
(0 ,31)
0 ,2 0 - 0 , 2 4
(0 ,2 2 )
-
3 4 -3 6 (3 6 )
2 7 -3 3 ( 3 0 )
A la n i n a
12 -14 ( 13 )
1 0 -1 2 (1 1 )
P r o lin a
T iro xin a
V a li n a
22 - 2 8 (2 5 )
24 -2 6 ( 25 )
3 4 -3 9 (3 6 )
18 -22 (20 )
2 4 - 2 6 (2 5 )
2 8 -3 4 ( 3 1 )
M e t io n i n a
C istin a
I s o l e u c in a
1 4- 1 6 (15 )
6 -8 ( 7 )
4 6 -5 4 (5 0 )
1 3-15 ( 14 )
5 - 7 (6 )
41-5 1 (4 6 )
L e u cin a
6 2 -6 8 ( 6 5 )
5 3 -6 3 ( 5 8 )
F e n il a la n i n a
3 5 -3 7 ( 3 6 )
3 2 -3 6 (3 4 )
0 ,9 - 1 ,1 (1 , 0 )
3 6 -4 0 (3 8 )
0 ,8 - 1 ,0 (0 ,9 )
3 6 - 4 1 (3 9 )
6 9 3
64 8
T r ip to fa n o
L is i n a
T O T A L E
0 ,1 7 -0 , 2 3
( 0 ,2 0 )
1 2 ,4
206
0 ,5 3 - 0 ,6 3
(0 ,58 )
0 ,3 0 - 0 ,3 6
(0 ,3 3 )
2 , 3 - 2 ,5 (2 , 4 )
0 , 1 3 - 0 ,1 7 ( 0 , 1 5 )
0 , 6 5 - 0 ,8 5
(0 ,7 0 )
0 ,7 5 - 0 ,8 3
( 0 ,7 9 )
0 , 5 9 - 0 ,7 3
(0 ,66 )
0 ,4 5 -0 ,6 1
(0 ,5 3 )
0 ,5 4 - 0 ,8 4
(0 ,69 )
1 4 ,7
sia i prodotti naturali che
commerciali di Arthrospira
maxima provengono da
Cuba;
2
valore medio.
1
(fonte: Campanella et al., 1999)
Merci dalla biomassa
anticoagulante ( Hayakawa et al., 2000; Kaji(1)
et al., 2002; Kaji(2) et al., 2002).
Le Spiruline sono ricche di vitamine in particolare la vitamina E (tocoferolo), la pro-vitamina A (o â-carotene) e quella del complesso
B12, anche se sull’effettiva biodisponibilità di
queste ultime esistono pareri contrastanti (tabella 3). Le Arthrospire contengono particolari molecole, i ficobilisomi, costituiti da un complesso proteina-pigmento, che conferiscono la
tipica colorazione blu. La parte proteica (che
rappresenta l’80-85% del composto) è rappresentata da polipeptidi colorati chiamati
ficobiliproteine (le più importanti sono
l’alloficocianina e la ficocianina) (Piñero
Estrada et al., 2001).
Le sostanze minerali importanti per fini
nutrizionali sono il calcio (1300-14000 mg kg1
s.s.), il fosforo (7600-9000 mg kg-1 s.s.), il
magnesio (2000-2900 mg kg-1 s.s.), le cui concentrazioni sono paragonabili a quelle contenute nel latte, il sodio (4500 mg kg-1 s.s.), il
potassio (6400-15000 mg kg-1 s.s.) ed il ferro
(580-1800 mg kg-1 s.s.) (Falquet, 1996).
3. La pr
oduzione di Spir
uline:
produzione
Spiruline:
aspetti tecnici ed economici
Esistono fattorie marine in cui le Spiruline
vengono “coltivate” su larga scala utilizzando
impianti estensivi o intensivi. I primi, anche se
meno costosi, producono Spiruline non adatte
all’alimentazione umana perché sospette di
contenere metalli pesanti o di essere venute a
contatto, nella fase di crescita, con specie tossiche (Pulz, 2001). La resa è compresa tra 10-
30 g m-2 gg-1 (3-7 kg m-2 a-1), ma può aumentare di 3-4 volte regolando la concentrazione di
sali nutritivi, il fotoperiodo, l’aerazione, ecc.
(Macrae, 1993).
Gli impianti intensivi possono essere costruiti all’esterno (outdoor) all’interno
(indoor): i primi sono in pratica stagni artificiali in cemento divisi su bacini lunghi e stretti, in cemento (raceway ponds); i secondi sono
grandi serre, che ricoprono vasche, fisse o
flottanti, di forma cilindrica, in vetro, plastica
o cemento (Pulz, 2001). Per ragioni economiche la maggior parte degli impianti intensivi
esistenti al mondo sono del tipo “outdoor”,
peraltro pur incidendo meno nei costi di realizzazione e gestione, rispetto agli impianti
indoor, sono meno produttivi e richiedono
maggiore cura per regolare l’illuminazione, la
temperatura e controllare le sostanze contaminanti (Borowitzka, 1998). Secondo alcuni studiosi, in un prossimo futuro, i sistemi
“outdoor” saranno sostituiti con quelli
“indoor” più produttivi che consentono di ottenere con qualsiasi clima prodotti di qualità,
privi di contaminanti organici ed inorganici.
Un impianto di coltivazione delle Spiruline
di solito è provvisto di adatti agitatori che consentono di mantenere in continuo movimento
la massa vegetale favorendo l’assimilazione
delle sostanze nutritive, eliminando quelle di
rifiuto ed evitando che le microalghe si depositino sul fondo. L’aggiunta di bicarbonato di
sodio è necessaria per stabilizzare il pH e rendere il mezzo acquoso compatibile con la crescita delle Arthrospire.
Raggiunta “la maturazione”, dopo qualche
settimana dalla “semina”, le microalghe sono
raccolte e sottoposte a filtrazione e lavaggio
Tab. 3
Contenuto di vitamine nelle Arthrospire ssp. e fabbisogno in una persona adulta
Vitam ine
B1
B2
B3
B5
B6
B8
B9
B12
C
P rov. A
E
Co ncentrazione
34-50 30-46 130 4,6-25 5 -8
0,0 5 0 ,5 1,5-2,0 T racce 700-1700 5 0-190
(m g/kg s.s.)
Fabbiso gno g iornaliero
1, 5
1,8
20
6-10
2 0, 1-0 ,3 0 ,4 0 ,003 15-30
1
12
(m g)
(fonte: Falquet J. 1996)
207
ROBERTO RANA
Metodi di valorizzazione
per allontanare le impurità e rimuovere i sali
in eccesso. La fase successiva di disidratazione
avviene esponendo al sole le Arthrospire o
impiegando appositi essiccatoi. Il prodotto viene successivamente macinato e confezionato
in tavolette, pillole o polvere pronte per il mercato.
Le prime ricerche sulla “coltivazione”
dell’Arthrospira risalgono ai primi anni ’70,
seguite, qualche tempo dopo, dalla produzione commerciale su larga scala. Il primo impianto, costruito dalla Sosa Texococo S.A. in Messico, produceva circa 300 t, ma venne chiuso
qualche anno più tardi per problemi
sindacali(Borowitzka, 1998).
La produzione mondiale di Spiruline nel
1999 è stata di 3360t; i maggiori produttori
sono gli Stati Uniti d’America, la Cina e l’India (tab. 4). Negli Stati Uniti i grandi impianti
di produzione di Spirulina sono quelli della
Cyanotech , con sede nelle Hawaii e della
Earthrise Farms in California. La Cyanotech
coltiva una varietà dell’Arthrospira platensis
(commercializzata con il nome di Spirulina pacifica®) in un impianto da 350t a-1 formato da
grandi vasche poco profonde (circa 20 cm) che
si estendono per otto ettari, nelle quali si fa
entrare acqua di mare prelevata a circa 500m
di profondità ricca di sostanze nutritive, priva
di contaminanti che viene arricchita con composti azotati, fosfatici, potassici e magnesiaci.
La Eartrise Farm, la più grande azienda del
settore al mondo, produce 500t a-1 in impianti
che occupano una superficie circa quindici ettari (Lee, 1997).
La produzione industriale cinese sviluppatasi rapidamente a partire dalla metà degli anni
’80, in un decennio è passata da poche tonnellate ad oltre 300t, quasi tutta destinata all’esportazione. Gli impianti hanno basse rese
(mediamente 7 g m-2 gg-1) e forniscono un prodotto di qualità scadente soprattutto per la
mancanza del sostegno scientifico da parte dei
centri di ricerca. Attualmente la coltivazione
avviene in più di 80 impianti di capacità produttiva tra 3 e 500t a-1 su una superficie di
oltre 100 ettari (Lee, 1997; Li et al., 1997).
Il Giappone pur essendo tra i primi consumatori al mondo (circa 400t nel 1996), ha una
limitata produzione di Arthrospire. Nel 1978
una società consociata della Dainippon Ink &
Chemicals Incorporated (DIC) avviò la produzione commerciale di Spirulina prima in Tailandia, poi negli Stati Uniti ed infine in Cina.
Tab. 4
Produzione mondiale di Arthrospira ssp. (in tonnellate)
A nni
Burma
Ci le
C in a
Cu ba
19 75
19 76
19 77
19 78
19 79
19 80
19 81
19 82
19 83
19 84
19 85
19 86
19 87
19 88
19 89
19 90
19 91
19 92
19 93
19 94
19 95
19 96
19 97
19 98
19 99
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
4
12
15
20
25
30
30
30
30
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
4
5
5
7
20
50
70
90
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
3
3
8
8
8
12
20
50
12 0
250
50 0
70 0
900
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
2
10
20
40
50
60
70
I ndi a G i appon e M essi co
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
3
3
6
7
7
12
20
80
150
2 50
2 50
3 00
500
0
5
11
20
20
20
30
35
45
47
53
60
60
60
50
35
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
45
65
14 5
200
245
25 0
25 0
25 0
25 0
25 0
25 0
25 0
25 0
25 0
25 0
25 0
25 0
225
10 0
0
0
0
10 0
10 0
(fonte: sito internet http://www.earthrise.com )
208
T aiw an
0
0
4
4
9
14
19
25
25
60
60
60
60
80
80
90
90
90
90
80
50
60
70
80
80
Tai landi a V iet nam
0
0
0
1
50
50
50
60
60
75
100
110
110
110
110
120
120
120
120
130
150
150
150
150
150
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
3
4
4
6
0
0
0
3
5
8
10
20
20
20
USA
T O TAL E
0
0
0
0
1
1
1
20
50
57
65
75
110
120
130
2 00
260
2 80
2 80
370
620
880
950
1 100
14 00
20
50
80
170
2 80
330
350
390
430
490
5 30
5 60
6 00
630
640
710
7 60
800
800
870
1170
1710
2 0 90
2 630
3 360
Merci dalla biomassa
Oggi la DIC è tra le aziende leader del settore
acquacoltura, recentemente ha aumentato la
produzione di Spiruline portandola a 140t a-1
in Tailandia, 440t a-1 negli Stati Uniti e 300t a1
in Cina (Yamaguchi, 1997; Lee, 1997).
Dopo la chiusura negli anni ’90 dell’impianto della Sosa Texcoco, la produzione di
Arthrospire in Sud America si è notevolmente
ridotta e gli impianti, di modeste dimensioni,
producono circa 100t a-1. Attualmente, il maggiore produttore sudamericano è la società statale, GENIX , con sede a Cuba con due impianti, vicino alla capitale, che occupano una
superficie di oltre quattro ettari e producono
circa 70t a-1 di polvere di Arthrospire, per il
consumo interno e l’esportazione (Anonimo,
2003).
In Europa non esistono impianti di produzione; la “coltivazione” delle Spiruline nel
Mediterraneo è ostacolata dalle basse temperature invernali. Recenti ricerche, però, svolte
in due impianti pilota “outdoor” nel Mediterraneo hanno mostrato che è possibile far crescere le Spiruline in questa regione anche in
inverno ottenendo nell’Italia meridionale rese
di 10 g m-2 gg-1in autunno e di 5 g m-2 gg-1 in
inverno e nel sud della Spagna di 14 g m-2 gg1
in estate e di 2 g m-2 gg-1 in inverno. (Chini
Zittelli et al., 1996 ; Jiménez et al., 2003).
4. Usi alimentari delle Spiruline
Le Spiruline trovano largo impiego nell’industria alimentare come additivi, integratori e
health food. Con un semplice processo di estrazione dalle Arthrospire è possibile ottenere un
pigmento blu, la ficocianina, che trova impiego nell’industria alimentare e farmaceutica
come colorante e antiossidante (Kay, 1991;
Piñero Estrada et al., 2001). In Giappone la
ficocianina in polvere è commercializzata con
il nome di “lina blue” utilizzata per colorare
gelati, gomme da masticare, caramelle, yogurt,
ecc. (Yamaguchi, 1997). Negli Stati Uniti, invece, le autorità sanitarie non hanno autorizzato l’uso della ficocianina come adittivo alimentare (Kuntz 1998).
Negli ultimi quindici anni numerosi studi
hanno mostrato come l’assunzione di Spiruline
abbia diversi effetti salutari (health-promoting)
per l’uomo: riduzione dell’ipertensione
(Nayaka, 1988; Belay, 1993), del livello dei
grassi e del numero di globuli bianchi nel sangue dopo trattamenti di radioterapia e
chemioterapia (Li et al., 1997); azione protettiva contro i danni renali e vascolari; sviluppo
della flora intestinale (in particolare dei generi
Lactobacillus e Lactococcus) (Parada et al.,
1998). È anche descritta l’attività antivirale
dell’Arthrospira maxima nei confronti dell’herpes
simplex e citomegalovirus responsabili di fastidiose affezioni (Hernández-Corona et al.,
2002). Altre ricerche hanno permesso di isolare una proteina (cyanovirin-N) che si suppone
sia attiva verso il virus dell’AIDS (Mercola,
1997), di studiare i principi in grado di neutralizzare gli effetti dovuti ad avvelenamento da
metalli pesanti (Babu, 1995; Li et al., 1997) e
di ottenere molecole con proprietà antitumorali
e antinvecchiamento.
Recentemente in Cina, è stata selezionata
una varietà locale di Spirulina che contiene una
elevata concentrazione (1% circa) di DHA (acido cetoleico o erucico), un acido grasso
insaturo che gioca un ruolo importante nella
prevenzione e cura delle malattie cardiache,
nella regolazione del sistema nervoso centrale
e nel funzionamento della retina (Hu, 2001).
Un recente studio sulla capacità delle
Spiruline di accumulare nelle cellule
microelementi (come iodio e selenio) o metalli pesanti (come il mercurio), mostra come queste microalghe sono in grado d’immagazzinare
sia quantità di iodio e selenio utili per la salute umana sia concentrazioni pericolose di mercurio. Se si vogliono ottenere, quindi, prodotti
farmaceutici a base di Spiruline non contaminati da metalli pesanti, ma ricche di iodio e
selenio, è importante valutare attentamente la
qualità delle materie prime impiegate nella
coltivazione
di
queste
microalghe
(Mosulishvili, 2002).
Il consumo di Spirulina è considerato generalmente sicuro, anche se può indurre reazione allergiche in individui particolarmente sensibili ed altri inconvenienti per le loro proprietà anticoagulanti ( Hayakawa et al., 2000; Kaji
209
ROBERTO RANA
Metodi di valorizzazione
et al., 2002 (1); Kaji et al., 2002 (2)).
Il 30% circa della produzione mondiale di
Spiruline è impiegata per la preparazione di
mangimi utili per l’aumento di peso di polli,
bovini e pesci (Belay, 1996). Recenti studi sui
maiali (Grinstead, 2000), hanno mostrato che
l’uso di Arthrospire nell’alimentazione migliori lo stato di salute del bestiame, per la presenza di diverse sostanze antiossidanti ed
antinfiammatorie. Altri studi svolti in Cina fanno ritenere che l’impiego delle Arthrospire nell’alimentazione dei pesci aumenta la percentuale di sopravvivenza del 15-30%. Ciò si traduce in un duplice vantaggio economico per
l’allevatore; all’aumentata produzione di pescato si aggiunge il minore costo del mangime
(Li et al., 1997). Infine, l’elevato contenuto di
carotenoidi (specialmente zeaxantina e âcarotene) delle Spiruline, addizionate ai mangimi, rende più rosate le carni di alcuni pesci e
crostacei ed impartisce una colorazione più gialla al tuorlo delle uova (Yamaguchi, 1997).
5. Impieghi industriali delle
Spiruline
In questi ultimi anni, sono state condotte
numerose ricerche per utilizzare alcuni
microrganismi, tra cui la Spirulina, nella estrazione dei metalli, nella decontaminazione dei
reflui urbani ed industriali e nella produzione
di biocombustibili (Van Hille, 1999)3 .
Le Spiruline sono in grado di estrarre o precipitare i metalli pesanti in base a meccanismi
che sfruttano le proprietà chelanti delle molecole che secernono, le capacità adsorbenti della parete cellulare e quella dell’intera cellula di
assorbire le sostanze chimiche presenti nel
mezzo in cui vivono.
3) Il processo non è nuovo, esso è conosciuto sin dall’antichità. Oggi, la ricerca sta ampliando la varietà di
microrganismi che possono essere impiegati per l’estrazione dei metalli;
4) Com’è noto, infatti, l’estrazione
di un metallo mediante lisciviazione
Sfruttando la capacità di alcuni
microrganismi di adsorbire i metalli (ad esempio oro, cromo, ecc.) è stato proposto un processo “biologico” per separarli da soluzioni
liscivianti (Savvaidis, 1998) 4 . In uno studio sul
recupero dell’oro per via biologica mostra come
impiegando l’Arthrospira platensis rispetto a
Saccharomyces cerevisiae e Streptomyces erythraeus
le rese sono 3 maggiori; inoltre, sembra che
l’estrazione di questo metallo possa avvenire
indipendente dal pH della soluzione lisciviata
(Savvaidis, 1998). C’è già chi pensa di impiegare le Athrospire per decontaminare le acque
di scarico delle industrie metallurgiche e delle
raffinerie di petrolio contenenti metalli pesanti. La depurazione dei reflui industriali attualmente richiede costosi trattamenti per far precipitare i metalli pesanti e che impiegano grandi
quantità di sostanze chimiche alcaline. Utilizzando le Spiruline è possibile ottenere lo stesso risultato a costi più contenuti, che si riducono ulteriormente se l’impianto viene alimentato con acqua di mare e con reflui urbani (in
questo caso si ha il duplice vantaggio di bonificare sia i reflui industriali che quelli urbani).
In un impianto pilota è stato possibile in circa
due settimane abbattere dai reflui industriali
misti a quelli urbani il 90% del ferro, dello zinco, del piombo e del rame e portare il pH da
1,8 a 7 (Van Hille, 1999)
L’impiego delle alghe nella depurazione dei
reflui urbani e zootecnici è nota da tempo
(Oswald et al., 1957; Mitchell, 1980; Lincoln
et al., 1986). Le acque provenienti dai centri
urbani e dalle attività zootecniche, infatti, contengono elevate concentrazioni di azoto e fosforo due fondamentali sali nutritivi per la crescita dei vegetali. Queste acque possono, quindi, essere impiegate come “terreno di coltura”
per la crescita delle Spiruline in modo che, alla
consta di due stadi: nel primo si trattano le rocce con una soluzione acida in modo da disciogliere il metallo
e formare con questo un complesso
solubile; nel secondo, il metallo è separato dalla soluzione mediante l’impiego di carbone attivo, resine a
210
scambio ionico, solventi organici,
anidride solforosa, ecc..L’estrazione
“biologica” prevede, invece, nella seconda fase il trattamento del complesso solubile con una certa quantità di microrganismi (questi possono essere vivi o morti);
Merci dalla biomassa
fine del trattamento, la maggior parte dei sali
nutritivi sarà trasformato in sostanza organica. Alcuni autori (Pedraza, 1989; Lincoln et al.,
1996) hanno messo in evidenza che per impiegare l’Arthrospira platensis nella depurazione dei
reflui urbani e zootecnici è necessario una
diluizione preventiva di 1:1 (50% di effluente
e 50% di acqua priva di cloro). L’aggiunta di
acqua è necessaria per ridurre l’azione tossica
dovuta alle elevate concentrazioni di ammoniaca (non deve superare i 100 mg/l N-NH4) sulla
crescita della Spiruline. La capacità di
depurazione dell’Arthrospira è comunque buona, in quanto riduce l’ammoniaca e il fosforo
rispettivamente del 98% e del 40%. Altra cosa
da non sottovalutare è la resa in biomassa (70
g m-2 gg-1) che risulta essere superiore a quella
di una tipica coltura cerealicola (pari a 10 g m2
gg-1). Vista la buona qualità delle proteine,
degli acidi grassi e delle vitamine che si ottengono si potrebbe ipotizzare una produzione
zootecnica a ciclo chiuso nella quale i reflui
zootecnici sarebbero trasformati in mangime,
poi dal bestiame in escrementi e questi nuovamente in alimento per le Arthrospire e così via
(Cañizares-Villanueva et al., 1994). Questo
sistema sarebbe integrato con la produzione
di biogas, prodotto dalla digestione anaerobica
del letame da impiegare per riscaldare le vasche di allevamento delle microalghe e per la
loro disidratazione. Inoltre, parte della resa di
microalghe potrebbe essere impiegata nell’industria farmaceutica o alimentare (Fig. 1)
(Fedler, 1993).
Un aspetto positivo connesso con l’impiego della Spirulina nel trattamento dei reflui è
la riduzione dei cattivi odori. L’elevata quantità di ossigeno prodotto (100g m-2 gg-1) dalla
fotosintesi clorofilliana, infatti, rende
sovrassaturo il mezzo acquoso, ossidando e
degradando rapidamente le molecole responsabili dei cattivi odori (Lincoln et al., 1996).
La maggiore attenzione di questi ultimi anni
verso la produzione sostenibile di energia ha
spinto alcuni ricercatori a studiare l’impiego
della biomassa di microalghe per fissare
l’anidride carbonica e per produrre
“biocombustibili”. Il processo sviluppato a livello di impianto pilota dalla Cyanotech, si basa
sull’impiego dell’anidride carbonica di due centrali elettriche (180 kW di potenza) nella coltivazione delle Spiruline. La produzione di
microalghe a scopo alimentare di per se non
contribuisce adeguatamente alla riduzione dell’effetto serra che invece si otterrebbe più efficacemente impiegando la biomassa di Spiruline
come biocombustibile al posto dei combustibili fossili (Pedroni et al., 2001). Infatti, le
Arthrospire secche possono essere trasformate in gas combustibile (biogas per
fermentazione anaerobica) e in combustibili
liquidi (metanolo) per ossidazione parziale
della biomassa ad alta temperatura.
Anche su queste nuove applicazioni le soluzioni vanno esaminate sulla base del costo
della biomassa prodotta e dei vantaggi economici che ne derivano dalla produzione di
biocombustibile. Nel campo dei biocombustibili
per il futuro c’è bisogno ancora di molte ricerche sperimentali di base ed applicate svolte da
ricercatori animati da una comune istanza di
natura economica e sociale. I temi di tali ricerche possono riguardare nuove forme di utilizzazione delle Spiruline, la selezione di varietà
più efficienti, l’ottenimento di alimenti, prodotti farmaceutici e combustibili; il più razionale uso della biomassa per ridurre l’effetto
serra, ecc (Hirano et al., 1998).
6. Conclusioni
Le prospettive di sviluppo del mercato mondiale di prodotti alimentari base di Spirulina
sono per alcuni autori promettenti per altri,
meno. I primi sostengono che i costi di produzione sono più ridotti (circa un terzo) rispetto
ai sistemi di coltivazione di altri tipi di
microlalghe, che il costo di estrazione del âcarotene è molto più economico di quello ottenuto da specie simili (es. la Dunaliella) e che
la coltivazione intensiva di Spirulina è ormai
matura: i costi di produzione negli ultimi anni
si sono dimezzati passando da 11-15 $ kg-1 a
7-5 $ kg-1 e rendendo più vantaggiosa la coltivazione.
Secondo altri, invece, il mercato è ormai
saturo e gli impianti sono sopradimensionati,
211
ROBERTO RANA
Metodi di valorizzazione
(fonte: Fedler C. B. 1993)
Fig. 1
Sistema integrato di recupero e produzione di biomassa di Spiruline
per cui, nei prossimi anni si assisterà ad una
riduzione del numero delle imprese che producono Spirulina.
La soluzione per rimanere competitivi sul
mercato sarà quella di puntare contemporaneamente sulla qualità del prodotto e sulla riduzione dei costi di produzione. Solo in questo
modo sarà possibile allontanare dal mercato
prodotti di qualità scadente.
Maggiori prospettive di sviluppo per queste microalghe si hanno nel settore industriale
e in quello mangimistico, mentre, ulteriori approfondimenti delle conoscenze scientifiche nel
campo della trasformazione delle microalghe
in “biocombustibile” potranno offrire indicazioni per attività produttive specializzate, per
materie prime abbondanti e alternative ad altre disponibili in quantità limitate.
Infine, la semplicità di coltivazione delle
Spiruline permette di ricavare anche dalle
microalghe prodotte nei paesi in via di sviluppo sostanze nutritive a buon mercato ricche di
proteine e di grassi.
G
Bibliografia
Anonimo (2003), La produzione di Spirulina dalla ditta
GENIX, da sito internet http://www.siporcuba.it/genix.htm;
Babu M. (1995), Evaluation of chemoprevention of oral
cancer with Spirulina, Nutrition and Cancer, vol. 24, n. 2,
pp.197-202.
Belay A, Ota Y., Miyakawa K, Shimamatsu H. (1993),
Current knowledge on potential health benefits of Spirulina,
Journal of Applied Phycology, n. 5, pp. 235–241.
Belay A., Kato T., Ota Y. (1996), Spirulina (Arthrospira):
potential application as animal feed supplement, Journal of
Applied Phycology, n.8, pp. 303-311.
Borowitzka M.A. (1999), Commercial production of
microalgae: ponds, tanks, tubes and fermenters, Journal of
Biotechnoly, vol. 70, pp. 313-321.
Campanella L., Crescentini G., Avino P. (1999),
Simultaneous determination of cysteine, cystine and 18 other
amino acids in various matrices by high-performance liquid
chromatography, Journal of Cromatography A, vol. 833, pp.
137-145.
Cañizares-Villanueva R.O., Domínguez A.R., Cruz M.S. ,
Ríos-Leal E. (1995), Chemical Composition of cyanobacteria
grown in diluted, aerated swine wastewater, Bioresourse
Technology, vol. 51, pp. 111-116.
Chini Zittelli G., Tomasello V., Pinzani E., Tredici M.R.
(1996), Outdoor cultivation of Arthrospira platensis during
autumn in temperate climates, Journal of Applied Phycology,
n. 8, pp. 293-301.
Cohen Z., Marghei M.C., Tomaselli L. (1995),
Chemotaxonomy of cyanobacteria, Phytochemistry, vol. 40,
212
Merci dalla biomassa
pp. 1155-1158.
Falquet J. (1996), La Spiruline – Aspects nutritionnels,
edition Antenna Tecnology, Genève, Suisse.
Farrar W.V. (1966), Tecuitlatl: a glimpse of Aztec food
technology, Nature, n.7, vol.211, pp. 341-342;
Fedler C.B., Parker N.C. (1993), High-value products
development from biomass, Proceeding of International Winter
Meeting of the Society for engineering in agricultural, food
and biological systems, Washington, 20-23 June.
Food and Agricultural Organization (FAO), Nutrient
composition and protein quality of rice relative to other cereals,
sito internet http://wwww.fao.org.
Grinstead G.S., Tokach M.D., S. Dritz, Goodband R.D.,
Nelssen J.L. (2000), “Effects of Spirulina platensis on growth
performance of weanling pigs”, Animal Feed Science and
Technology, vol. 83, pp. 237-247.
Hayakawa Y., Hayashi T., Lee J.B., Srisomporn P., Maeda
M., Ozawa T., Sakuragawa N. (2000), Inhibition of thrombin
by sulphated polysaccharides isolated from green algae,
Biochimica et Biophysica Acta, vol. 1543, pp. 86-94.
Hernández-Corona A, Nieves I., Meckes M., Chamorro
G., Barron B. L. (2002), Antiviral activity of Spirulina maxima
against herpes simplex virus type 2, Antiviral Research, vol.56,
pp. 279-285.
Hirano A., Hon-Nami K., Kunito S., Hada M., Ogushi
Y. (1998), Temperature effect on continuous gasification of
microalgal biogas: theoretical yield of methanol production and
its energy balance, Catalysis Today, vol. 45, pp. 399-404.
Hu H. (2001), Spirulina containing DHA screened out fist
time in the World, Proceeding of 4° Sino-American Symposium
on Frontier Sciences, Beijing, 20-23 September.
Istituto Superiore di Sanità (1999), Aspetti sanitari della
problematica dei cianobatteri nelle acque superficiali italiane,
Workshop, (a cura di Funari E.), Roma.
Jiménez C., Cossío B.R., Labella D., Xavier Niell F. (2002),
The feasibility of industrial production of Spirulina (Arthrospira)
in Southern Spain, Acquaculture, 2002, vol. 217, pp. 179190.
Jourdan J.P. (1999), Cultivez votre spiruline, édition
Antenna Tecnology, Genève, Suisse.
Kaji T.(1), Shimada S., Yamamoto C., Fujiwara Y., Lee J.B.,
Hayashi T. (2002), Repair of wounded monolayers of cultured
bovine aortic endothelial cells is inhibited by calcium spirulan,
a novel sulfated polysaccharide isolated from Spirulina platensis,
Life Sciences, vol. 70, pp. 1841-1848.
Kaji T.(2), Shimada S., Yamamoto C., Fujiwara Y., Lee J.B.,
Hayashi T., Inhibition of the association of proteoglycans with
cultured vascular endothelial cell layers by calcium and sodium
spirulan, Journal of Health Science, 2002, vol.48, n.3, pp.250255.
Kay R. A. (1991), Microalgae as food and supplemen, Crit.
Rev. Food Sci. Nutr., vol. 30, pp. 555-573.
Kuntz L. A. (edit by) (1998), Food product designed, Weeks
Publishing Company, Northbrook Chicago, USA.
Lee Y.K. (1997), Commercial production of microalgae in
the Asia-Pacific rim, Journal of Applied Phycology, n. 9, pp.
403-411.
Leonard J. (1966), The 1964-65 Belgian Trans-Saharan
expedition, Nature, vol. 209, n.1, pp. 126-128.
Li D.M., Qi Y.Z.(1997), Spirulina industry in China:
Present status and future prospects, Journal of Applied
Phycology, n.9, pp. 25-28.
Lincoln E. P., Wilkie A.C. and French B.T. (1996),
Cyanobacterial process for renovating dairy wastewater, Biomass
and energy, vol.10, pp. 63-68.
Lincoln E.P. , Koopman B., Bagnall L.O. and Nordstedt
R.A. (1986), Aquatic system for fuel and feed from livestock
wastes”, Journal of Agricultural Engineering Research, vol.
33, pp. 159-169.
Macrae R., Robinson R.K., Sadler M.J.(edited by) (1993),
Encyclopaedia of food science food technology and nutrition,
Academic Press Limited, pp. 4131-4135.
Mahajan G. (1995), Gamma-Linolenic acid production
from Spirulina platensis, Applied Microbiology and
Biotechnology, vol. 43, n. 3, pp. 466-469.
Mercola J. (1997), Protein isolated from Blue-green algae
inactive HIV, Antimicrob Agents Chemother, vol. 421, pp.
1521-1530.
Mitchell S.A., Richmond A. (1980), Optimisation of a
growth medium for Spirulina based on cattle wast”, Biological
Wastea, vol. 25, pp. 42-50.
Mosulishvili L.M., Kirkesali E.I., Belokobysky A.I.,
Khizanishvili A.I., Frontasyeva M.V., Pavlov S.S., Gundorina
S.F. (2002), Experimental substantiation of the possibility of
developing selenium- and – iodine-containing pharmaceuticals
based on blue-green algae Spirulina platensis, Journal of
Pharmaceutical and Biomedical Analysis, vol.30, pp. 87-97.
Nayaka N. (1998), Cholesterol lowering effect of Spirulina,
Nutrition Report, vol. 37, n. 6, pp. 1329-1337.
Oswald W.J., Gotaas H. B. (1957), Photosynthesis in
sewage treatment, Trans Am. Soc. Civil Engineering, vol.122,
pp. 73-105.
Parada J. L., Zulpa de Caire G., Zaccaro de Mule M. C.,
Storni de Cano M. M. (1998), Lactic acid bacteria growth
promoters from Spirulina platensis, International Journal of
Food Microbiology, vol. 45, pp. 225–228.
Pedraza G.X. (1989), Cultivo de Spirulina maxima para
suplementación proteica, Livestock Research for Rural
Development, vol.1, n.1 on-line edition (http://
www.cipav.org.co/Irrd/Irrdhome.html).
Pedroni P., Davison J., Beckert H., Bergman P.,Benemann
J. (2001), A Proposal to establish an international network on
biofixation of CO2 and Greenhouse gas abatement with
microalgae, Journal of Energy Environmental Research, vol.1,
n. 1, pp. 136-150.
Pelizer L.H., Danesi E. D. G., de O. Rangel C., Sassano
C.E.N., Carvalho J.C.M., Sato S., Moraes I.O. (2003),
Influence of inoculums age and concentration in Spirulina
platensis cultivation, Journal of Food Engineering, vol. 56, pp.
371–375.
Piñero Estrada J.E., Bermejo Bescós P., Villar del Fresno
A.M. (2002), Antioxidant activity of different fraction of
Spirulina platensis protean extract, Il Farmaco ,vol. 56, pp. 477500.
Pulz O. (2001), Photobioreactors: production systems for
phototropic microorganisms, Applied Microbiology and
Biotechnology, vol. 57, pp. 287-293.
Savvaidis I. (1998), Recovery of gold from thiourea
solutions using microorganisms, BioMetals, vol. 11, pp. 145–
151.
van Hille R.P., Boshoff G.A, Rose P.D., Duncan J.R.
(1999), A continuous process for the biological treatment of
heavy metal contaminated acid mine water, Resources,
Conservation and Recycling, vol. 27, pp. 157–167.
Viti C., Ventura S. Lotti F., Capolino E., Tomaselli L.,
Giovannelli L. (1997), Genotypic diversity and typing of
cyanobacterial strains of the genus Arthrospira by very sensitive
total DNA restriction profile analysis, Res. Microbiol., vol. 148,
pp. 605-611.
von Denffer D., Enrendorfer F., Mägdefrau K., Ziegler
H. (1982), Trattato di Botanica per le scuole superiori, (a cura
di A. Pirola, N. Bagni, D. Lausi e P. Pupillo), Antonio Delfino
Editore, Roma, pp. 548-551.
Yamaguchi K. (1997), Recent advances in micro algal bioscience
in Japan, with special reference to utilization of biomass and metabolites:
a review, Journal of Applied Phycology, n. 8, pp. 487–502.
213