Al Dipartimento di Chimica di Pisa si studiano approcci innovativi di biocatalisi per la valorizzazione di lipidi e proteine in panelli di scarto
Lo scarto divenuto risorsa grazie agli enzimi
Nell’industria olearia la spremitura dei semi oleosi per la produzione di oli vegetali genera uno scarto chiamato panello (Fig. 1). Quest’ultimo, risulta ancora ricco di sostanze biologicamente attive come proteine (30-35% in peso) ed acidi grassi polinsaturi (15-18% in peso).
Per molto tempo tale biomassa di scarto è stata considerata un sottoprodotto da smaltire. Al contrario, i moderni processi di bioraffineria, in accordo con il nuovo modello di economia circolare, hanno riconsiderato questa matrice come un’importante fonte rinnovabile di proteine e trigliceridi.
Tuttavia, la matrice biologica in cui sono presenti queste sostanze risulta solitamente molto complessa. Per questo motivo è fondamentale sviluppare ed ottimizzare nuove metodiche di estrazione a basso impatto ambientale che ne permettano un recupero quantitativo, utilizzando solventi il più green possibile.
Una volta estratti, grazie agli enzimi, proteine e trigliceridi possono essere trasformati in molecole più semplici, come amminoacidi, acidi grassi saturi e insaturi e molecole bifunzionali a catena corta. Queste molecole sono ampiamente utilizzate nell’industria chimica, alimentare, cosmetica e farmaceutica.
Biocatalisi e chimica verde
La biocatalisi, ossia la catalisi di reazioni chimiche da parte di cellule o enzimi, è oggi una tecnica consolidata per la sintesi organica, sia nella ricerca accademica sia nell’industria. Tale approccio rappresenta una strategia cruciale in quella che viene definita “chimica sostenibile” o Green Chemistry.
Alcune proteine enzimatiche di batteri, funghi e animali presentano delle proprietà (es. turnover catalitico, stabilità termica, resistenza ad agenti denaturanti) che possono renderle adatte all’impiego in processi industriali.
Negli ultimi trent’anni vi è stato un significativo aumento dell’impiego di biocatalizzatori industriali per la produzione di molecole ad alto valore aggiunto. Infatti, un processo industriale condotto mediante biocatalisi presenta spesso il vantaggio di essere ecocompatibile e privo di costosi smaltimenti di solventi o prodotti indesiderati. Ma il vantaggio più grande è la straordinaria chemo-, regio- ed enantioselettività.
L’applicazione di enzimi, in forma purificata o inseriti in sistemi cellulari, per la produzione di molecole organiche è uno strumento ampiamente utilizzato in diversi campi industriali come quello chimico, farmaceutico, alimentare, cosmetico e tessile.
Enzimi ed ingegneria genetica
L’utilizzo crescente di biocatalizzatori è principalmente dovuto a importanti progressi tecnologici, come l’introduzione di metodi di manipolazione del DNA, quali l’ingegneria metabolica e proteica. Questi approcci hanno permesso di sviluppare varianti cellulari ed enzimatiche mirate all’ottimizzazione di uno specifico processo catalitico e delle rese di reazione per il prodotto di interesse. L’ingegneria proteica, affiancata alla possibilità di immobilizzare gli enzimi su opportuni supporti, ha inoltre permesso di superare il limite della stabilità degli enzimi in diverse condizioni, laddove parametri, quali la temperatura e la presenza di solventi e/o reattivi e prodotti, possono provocare la denaturazione del biocatalizzatore.
Ad oggi, l’applicazione della biocatalisi su scala industriale è possibile attraverso l’ottimizzazione del biocatalizzatore in funzione sia del substrato e della reazione che dovrà catalizzare, sia delle condizioni di reazione richieste dalla tecnologia industriale. La biocatalisi può inoltre essere una valida alternativa green dal momento che le condizioni di reazione sono solitamente più blande rispetto alla sintesi chimica.
L’innovativo studio italiano
Combinando la biocatalisi e il concetto di economia circolare, la Dott.ssa Elisabetta Parodi, dottoranda in Scienze Chimiche e dei Materiali presso il Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell’Università di Pisa, ha sviluppato un bioprocesso innovativo per la produzione di amminoacidi, a partire dalle proteine, e di molecole bifunzionali a catena corta, a partire dai trigliceridi dei panelli ottenuti dalla spremitura di semi di lino, girasole e Camelina sativa (Fig. 2).
Sotto la guida della Dott.ssa Antonella Petri e del Dott. Oreste Piccolo, tale progetto di ricerca ha l’obiettivo di identificare gli enzimi più efficienti nella depolimerizzazione delle proteine e nell’idrolisi dei trigliceridi in molecole a base biologica di grande interesse per l’industria chimica ed alimentare.
Secondo la Dott.ssa Parodi: “La sfida scientifica sta nel trovare il giusto enzima e le giuste condizioni di reazione per effettuare le trasformazioni desiderate. Le variabili di processo sono molte: temperatura, concentrazione di substrato, complessità del materiale di partenza, quantità di enzima, pH, agitazione”.
Infatti, dato che enzimi diversi, derivanti da microorganismi differenti, sono caratterizzati da differenti selettività, dovute alla conformazione specifica del sito attivo, è necessario effettuare un ampio screening iniziale.
A tal proposito, la Dott.ssa Parodi ha aggiunto: “Una volta identificati quegli enzimi in grado di catalizzare le trasformazioni desiderate, si procede con l’ottimizzazione delle condizioni di reazione, agendo sulle diverse variabili di reazione fino al raggiungimento delle condizioni ottimali”.
Gli enzimi adoperati
In questo studio scientifico, sono state studiate due principali classi di enzimi: le proteasi o peptidasi e le lipasi (Fig. 3).
In particolare, l’autrice dello studio ha spiegato che: “Per la produzione di composti bifunzionali a catena corta a partire dai trigliceridi sono stati impiegati, come stadio iniziale, enzimi idrolitici, derivanti dai microrganismi appartenenti ai generi Candida e Pseudomonas, mentre per la trasformazione delle proteine sono stati utilizzati degli enzimi proteasi, estratti da microrganismi appartenenti ai generi Bacillus e Aspergillus“.
I risultati preliminari di questo innovativo schema di economia circolare hanno mostrato rese incoraggianti, confermando la fattibilità di questo processo di produzione innovativo di amminoacidi e intermedi per la sintesi chimica a partire da fonti rinnovabili di scarto.
La Dott.ssa Parodi ha concluso riportando che: “Le prospettive future di questo progetto di ricerca sicuramente riguarderanno lo studio più estensivo dei processi enzimatici di interesse e l’ottimizzazione degli stessi. Inoltre, lo studio delle reazioni di rottura della catena degli acidi grassi polinsaturi si rivelerà una sfida, in quanto gli enzimi necessari per effettuare la rottura selettiva dei doppi legami sono particolarmente delicati”.
Nicola Di Fidio
Sitografia:
- Nicola Di Fidio (8 aprile 2020, Microbiologia Italia). Biocatalisi nella sintesi organica: un utile strumento per la chimica verde. Estrapolato da: https://www.microbiologiaitalia.it/micologia/biocatalisi-nella-sintesi-organica-un-utile-strumento-per-la-chimica-verde/
- Nicola Di Fidio (24 ottobre 2018, Microbiologia Italia). Processi sempre più green grazie alla biocatalisi industriale. Estrapolato da: https://www.microbiologiaitalia.it/batteriologia/processi-sempre-piu-green-grazie-alla-biocatalisi-industriale/
- Nicola Di Fidio (26 febbraio 2020, Microbiologia Italia). Nuova vita in Italia per la prima bioraffineria di seconda generazione al mondo su scala industriale basata su biocatalisi e chimica verde (Proesa®). Estrapolato da: https://www.microbiologiaitalia.it/micologia/nuova-vita-in-italia-per-la-prima-bioraffineria-di-seconda-generazione-al-mondo-su-scala-industriale-basata-su-biocatalisi-e-chimica-verde-proesa/
- Simone Rinaldi (4 aprile 2018, Microbiologia Italia). Biocatalisi: quando il Chimico ed il Microbiologo s’incontrano. Estrapolato da: https://www.microbiologiaitalia.it/batteriologia/biocatalisi-quando-il-chimico-ed-il-microbiologo-sincontrano/
Bibliografia:
- Ramachandran, S., Singh, S. K., Larroche, C., Soccol, C. R., & Pandey, A. (2007). Oil cakes and their biotechnological applications–A review. Bioresource technology, 98(10), 2000-2009.
