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AKRON Srl

Biotecnologie applicate al settore dell’alimentazione animale


Articoli

08 Ottobre 2021

Dalla collaborazione con #Ruminantia nasce una nuova Rubrica "Fermentum" dedicata al mondo delle #biotecnologie applicate alla fermentazione.

Le biotecnologie nella storia dell’uomo

La biotecnologia può essere definita come una tecnica che utilizza organismi viventi o sostanze ricavate da tali organismi per realizzare o modificare un prodotto, per migliorare piante o animali o per sviluppare microrganismi per scopi specifici utili all’uomo. La biotecnologia non è una scienza nuova. L’utilizzo di pratiche biotecnologiche ha infatti costantemente permeato e sostenuto lo sviluppo delle varie civiltà umane fin dalla preistoria. Molti popoli preparavano bevande e cibi fermentati: numerosi sono i riferimenti biblici a tale riguardo; per esempio, Genesi 9, 20-21 “Noè cominciò a fare l’agricoltore, piantò una vigna. Avendo bevuto del vino, si ubriacò” e nel Deuteronomio viene precisato che i latti fermentati apparvero con Mosè che li considerò costituenti vitali dell’alimentazione che Dio donò al suo popolo. Ulteriori testimonianze derivano dai Sumeri e Babilonesi che producevano vino e birra sin dal 6000 a.C. e dagli Egizi che utilizzavano pane lievitato sin dal 4000 a.C.. Ovviamente gli antichi non avevano la coscienza di mettere in atto dei processi di carattere biotecnologico. Tale consapevolezza sorse solo con il microscopio di Leeuvenhoek, il quale alla fine del 1600 riuscì ad osservare i microrganismi che intervenivano nel meccanismo della fermentazione. Successivamente, un ulteriore e significativo apporto arrivò da Pasteur che, tra il 1857 e il 1876, individuò i batteri responsabili della fermentazione di latte, birra e burro. Ma la vera rivoluzione copernicana in campo biotecnologico avvenne nel 1953 con la scoperta da parte di James Watson e Francis Crick della doppia elica del DNA e con lo sviluppo della tecnologia ricombinante nel 1973 da parte di Paul Berg. Cronologicamente possiamo distinguere tre fasi:

  • Biotecnologia antica o inconsapevole, orientata alla conservazione del cibo (latte, cereali, frutti, ecc.) e alla sua trasformazione in nuovi alimenti (vino, birra, latti fermentati, pane fermentato, ecc.), tramite processi fermentativi, ottenuta in maniera empirica.
  • Biotecnologia tradizionale o classica, basata sullo sfruttamento delle capacità di elaborazione di sostanze ad azione biologica prodotte dai microrganismi come batteri e funghi, alghe monocellulari, ecc.
  • Biotecnologia moderna o innovativa, orientata sulla manipolazione genetica negli organismi viventi, ingegneria genetica.

Ultimamente questa scienza ha conquistato traguardi inimmaginabili grazie agli sviluppi più recenti, come la tecnologia del DNA ricombinante e le tecniche associate e lo sviluppo di anticorpi monoclonali, della tecnologia di manipolazione degli embrioni, ecc. Tutto questo ha introdotto enormi possibilità di modificare i sistemi biologici per il bene dell’umanità.

Noi cercheremo, nell’ambito di questa Rubrica, di valutare i risvolti positivi che può avere quella branca della biotecnologia tradizionale, che si basa sulla produzione di metaboliti primari e secondari derivanti dalla fermentazione dei microrganismi, per un migliore impiego delle risorse naturali all’interno dei processi di produzione animale.

Secondo Business Communication Company (BCC), il mercato globale totale dei microbi e dei prodotti microbici dovrebbe raggiungere quasi 306 miliardi di dollari a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) di circa il 14,6% rispetto al periodo dal 2015 al 2020. Le nuove tecnologie per la produzione di prodotti microbici stanno sostituendo i processi di produzione sintetici a causa di vantaggi tecnici ed economici.

La cellula microbica

“I microrganismi sono in grado di fare quasi tutto, meglio dei biologi o dei chimici o di tutti!” (Perlman, 1979)

La cellula produce due tipi di composti ad azione biologica, chiamati metaboliti:

Durante la crescita batterica, i metaboliti primari vengono sintetizzati continuamente. Sono essenziali per la sopravvivenza e sono necessari per importanti processi cellulari come crescita, sviluppo e riproduzione. I metaboliti secondari invece non sono essenziali per la sopravvivenza degli organismi produttori e non sono necessari per la normale crescita e sviluppo. Piuttosto, forniscono agli organismi produttori un vantaggio in termini di sopravvivenza, come il miglioramento dei nutrienti disponibili per l’assorbimento o la protezione da fattori di stress ambientale (Breitling et al. 2013) e sono quindi considerati eliminabili (Sansinea e Ortiz 2011). La privazione dei nutrienti di solito induce il metabolismo secondario (Ruiz et al. 2010) quindi i metaboliti secondari vengono prodotti durante la fase stazionaria della crescita batterica quando i nutrienti si esauriscono e si accumulano rifiuti. Di conseguenza, si ipotizza che i metaboliti prodotti durante questa fase di crescita mostrino una maggiore attività biologica. 

Campi d’azione dei processi fermentativi

  • Biotecnologia di alimenti, mangimi e bevande (Alimenti e mangimi fermentati, bevande alcoliche, aromi, coloranti)
  • Tecnologia produzione enzimi (produzione ed applicazione di enzimi)
  • Metaboliti derivanti dai microrganismi (aminoacidi, antibiotici, biocine, vaccini, biofarmaceutici, polisaccaridi batterici, poliesteri, materiale plastico)
  • Produzione di combustibili (produzione di biomasse, etanolo/metano/butanolo, single cell protein)
  • Biotecnologia ambientale (trattamento di effluenti civili e industriali, compostaggio di reflui solidi, biodegradazione e depurazione di sostanze chimiche e biologiche tossiche)
  • Biotecnologia agronomica (incremento fertilità del terreno, antagonismo contro patogeni microbici e insetti)
  • Mezzi diagnostici (sistemi di rivelazione e diagnosi per clinica, alimenti, ambiente, agricoltura, biosensori)

Perchè si ricorre alle biotecnologie nel comparto della produzione di mangimi e dell’allevamento animale

  • conservazione (insilati di cereali, foraggi erbosi),
  • eliminazione sostanze antinutritive (soia, tapioca, ecc.),
  • aumento del valore nutrizionale (produzione di peptoni e aminoacidi, idrolisi della fibra e di altri componenti nutritive   di limitata o difficile     assimilazione),
  • utilizzo di metaboliti secondari e primari a fini salutistici (biocine, neuro trasmettittori, metaboliti ad effetto antiossidante, antinfiammatorio ecc., stabilizzatori della flora intestinale, asse cervello intestino con produzione di risposte bidirezionali tra i due distretti),
  • aumento dell’efficacia di molti estratti vegetali.

Come le biotecnologie tradizionali possono migliorare i modelli ambientali e di sviluppo dell’allevamento animale?

La crescita della popolazione mondiale, 7.7 miliardi oggi e 9.7 miliardi nel 2050, inasprirà ancora di più la competizione per la disponibilità di alimenti (cereali, fonti proteiche, ecc.) tra l’uomo e l’allevamento animale. Certamente l’industria mangimistica sarà costretta a ricorrere sempre di più ad alimenti meno performanti in termini energetici e proteici, spesso di derivazione industriale (bioetanolo, industria fermentativa, commodity agro-industriali, ecc.).

Si porrà la necessità di recuperare l’efficienza nutrizionale di queste nuove fonti di alimenti con l’utilizzo di prodotti ad azione catalitica (enzimi) di derivazione biotecnologica.

Il miglioramento dello stato di benessere e di efficienza animale può essere attuato con l’impiego di batteri intestinali specie specifici, anche tindalizzati, per effetto dell’attivazione delle loro proteine di parete sul sistema immunitario. Inoltre, molti batteri producono biocine e peptidi antibatterici, in grado di controllare il microbismo intestinale.

Un altro grave problema che mina la salubrità delle derrate di origine animale è la presenza di residui di pesticidi e di crittogamici nei mangimi di origine vegetale. Numerosi batteri e funghi sono in grado di metabolizzare tali sostanze anche a livello enterico o ruminale.

Sostenibilità, fattore critico 

Le ragioni di una maggiore attenzione verso forme di allevamento degli animali da reddito più sostenibili devono scaturire da un’accresciuta consapevolezza dell’impatto ambientale che l’attività dell’allevamento può aver avuto, ed ha tuttora, sugli equilibri climatici e del suolo.

Lo sviluppo di nuovi modelli di allevamento animale sostenibili può essere descritto come una produzione di alimenti che fa il miglior impiego dei beni e servizi offerti dalla natura senza danneggiarla. È nostra convinzione che i nuovi modelli sostenibili di allevamento animale debbano fare sempre più ricorso a forme di innovazione basate sulla combinazione ottimale di biotecnologie tradizionali non transgeniche.

“Biotecnologie secondo natura

Questo è il motto al quale noi di Akron S.r.l. siamo rimasti fedeli durante tutti gli anni di attività. Abbiamo sempre sopperito ai probabili vantaggi che si possono ottenere con l’uso di microrganismi ingegnerizzati con l’isolamento, la selezione e lo studio delle capacità metaboliche di numerosi ceppi microbici. Attualmente abbiamo più di 150 microrganismi testati in collezione, ognuno con caratteristiche ed attività metaboliche e catalitiche definite, che ci permettono di operare a 360 gradi nei settori zootecnico, agronomico e ambientale, sia civile che industriale.

Inoltre, Akron S.r.l. non ha mai smesso di investire significative risorse umane e finanziarie nella ricerca e nell’innovazione. Fin dall’inizio dell’attività ha optato, per la conservazione dei suoi prodotti a base microbica, per l’esclusione dell’uso di calore, al fine di evitare possibili denaturazioni dei metaboliti prodotti nel corso della fermentazione, e per la fermentazione multipla su terreni colturali differenti.

Attualmente, la produzione si basa sulla Total Fermentation Biomass: secondo questo metodo il prodotto finale è la risultanza di una serie separata di fermentazioni dove i vari terreni supportano la crescita di numerosi complessi microbici differenti (batteri, funghi, lieviti). Alla fine dei processi fermentativi, tutti i metaboliti prodotti dai singoli gruppi microbici vengono sottoposti ad un peculiare trattamento di conservazione che mantiene inalterato tutto il loro potere catalizzante. Questo sistema, sviluppato da Akron S.r.l. e denominato “Colloidal Absorbance System on Microporous Minerals”, consiste nel far absorbire su una matrice minerale porosa l’intero prodotto delle fermentazioni. All’interno dei microtubuli del minerale si forma un idrogel colloidale in grado di legare intimamente tutta l’acqua libera presente, non permettendo ai microrganismi di sviluppare alcuna attività metabolica e ai loro metaboliti di essere degradati. Il sistema, inoltre, permette al prodotto di sopportare i processi di pellettatura senza alterare le proprie caratteristiche. Infatti, la matrice minerale porosa si comporta da volano termico, assorbendo la maggior parte del calore apportato dal vapore o prodotto dall’attrito lungo i fori della filiera. Il poco calore che arriva ai principi attivi viene utilizzato per far evaporare l’acqua che costituisce l’idrogel. In tal modo la temperatura interna al granulo, non subendo variazioni di rilievo, non è in grado di denaturare i metaboliti prodotti dai vari microrganismi.

Innovazione continua

Nuovo sistema produttivo

Recentemente Akron S.r.l. ha affiancato al classico sistema di produzione batterica in sospensione liquida, l’innovativo sistema basato sulla contemporanea crescita microbica e concentrazione del brodo di fermentazione, il tutto sotto vuoto. Il sistema permette di far crescere, per la produzione di metaboliti, microrganismi anaerobi quali Lattobacilli, Propionibacterium e Pediococchi, ed altri come Selenomonas e Megasphera, durante la concentrazione sottovuoto alla temperatura idonea alla loro crescita. Alla fine del processo si ottiene una massa ridotta di 4-5 volte rispetto al volume iniziale, contenente tutti i metaboliti microbici integri non avendo subito nessuno stress termico.

Il doppio sistema di produzione microbica permette di utilizzare una maggiore quantità di microrganismi contemporaneamente.

Maggiore varietà di metaboliti prodotti 

Il grande numero di specie batteriche utilizzate permette di ottenere una varietà di metaboliti in grado di svolgere molteplici azioni, sia di carattere chimico fisico che metabolico, tali da indurre risposte produttive positive e migliori condizioni di benessere negli animali che li assumono.

Contemporaneamente Akron S.r.l. ha iniziato lo sviluppo di una nuova tecnica di fermentazione a biofilm utilizzando, come substrato solido, materie prime scarsamente idrolizzabili dai normali enzimi endogeni e microrganismi specifici in grado di aderire ai substrati stessi, formare dei biofilm strutturati e produrre gli enzimi specifici per la loro digestione. In tale maniera Akron S.r.l. spera di fornire un contributo importante all’industria mangimistica e al settore dell’allevamento animale, permettendo l’utilizzo di materie prime scarsamente fermentescibili e a basso costo.

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