Innovazione

Upcycling. Produrre amido a partire dalla CO2. Ricerca cinese

Upcycling. Produrre amido a partire dalla CO2. Ricerca cinese

Un gruppo di ricerca cinese ha messo a punto un metodo innovativo per produrre amido a partire dalla CO2, attraverso un sistema chemio-enzimatico. Un processo di upcycling con una resa 8,5 volte superiore rispetto agli attuali metodi di sintesi dell’amido nel mais. (1)

La prospettiva è assorbire un gas-serra per ricavare l’equivalente biotech di una materia prima la cui domanda in crescita – per gli usi industriali più vari, dal bioetanolo alle bioplastiche, prodotti alimentari e mangimi, etc. – è tuttora in competizione con quella alimentare.

Amido, caratteristiche e categorie

L’amido è un carboidrato di riserva costituito da diverse unità di glucosio, sintetizzato da diverse piante (foglie verdi, tuberi e cereali). Si compone di due unità, amilosio e amilopectina, in proporzioni che variano nelle diverse specie di vegetali e influiscono su diverse funzionalità come resistenza, solubilità, gelatinizzazione. (2)

Le varie categorie di amidi si distinguono per il numero di unità di glucosio e i livelli di digeribilità, misurati come tempo di conversione degli enzimi in glucosio:

– unità di glucosio. 1. Tipo A (23-29, cereali), tipo C (26-29, legumi), tipo B (30-44, tuberi),

– digeribilità degli amidi. Può essere rapida (20m), in alimenti cotti come patate e pane, ovvero lenta (>100m) in amidi a struttura complessa. Gli amidi resistenti (>120m) sono invece quelli che favoriscono lo sviluppo del microbiota intestinale. (3)

Applicazioni industriali

Le modifiche chimico-fisiche all’amido nativo, alterando la struttura di amilosio e amilopectina, consentono di ottenere texture peculiari e adeguate ai diversi utilizzi. (4) Nel settore alimentare, come si è visto, l’amido modificato presenta funzionalità analoghe a quelle di alcuni additivi. Addensante, stabilizzante, gelificante e di rivestimento, in una varietà di prodotti da forno ma anche salse, zuppe, dolci, gelati, etc. (5)

Le applicazioni degli amidi in settori diversi da quello alimentare sono innumerevoli e talora comportano l’utilizzo di amido nativo da piante diverse. Mais geneticamente modificato, piuttosto che altre specie amilacee (es. riso, patata, frumento. V. nota 6). Per i ‘biocombustibili’ e i bio-polimeri, l’industria cartiera, l’alimentazione animale, farmaci detergenti, cosmetici, etc.

Amido dalla CO2

L’amido biotech è stato ottenuto grazie all’uso combinato di modelli computazionali e di ingegneria proteica, mediante impiego di specifici enzimi in grado di catalizzare la reazione. I ricercatori hanno poi sperimentato 62 enzimi, in 11 percorsi, per trovare la reazione ottimale con il metanolo ottenuto dalla conversione della CO2.

Il percorso selezionato, ASAP 1.0 (Artificial Starch Anabolic Pathway), ha permesso di incrementare notevolmente le rese e ridurre gli intermedi di processo.
L’intero processo richiede solo 11 reazioni principali, rispetto le 60 che avvengono in natura. E consente di ottenere – in 2-4 ore, a una concentrazione di 1.3-1.6 g/l – un amido con caratteristiche pressoché identiche a quello naturale.

Vantaggi e svantaggi del metodo

La catalisi chemio-enzimatica è una combinazione dei processi di chemiocatalisi e biocatalisi, che permette di combinarne i principali vantaggi. In essenza il risparmio di risorse, tempi e costi. Oltre alla riduzione dei composti intermedi instabili e del numero di reazioni di processo.

Il passaggio dalla fase sperimentale a quella industriale non è tuttavia immediato. Le reazioni di chemiocatalisi e biocatalisi tendono infatti a inattivarsi mutualmente. Bisogna perciò sviluppare una soluzione in grado di ottimizzare la combinazione dei due tipi di catalisi. (7)

Conclusioni provvisorie

L’innovazione tecnologica cinese appare molto promettente per ottenere amido con un significativo risparmio di risorse essenziali e limitate come il suolo e l’acqua. La messa a punto del sistema consentirà di realizzare un prodotto molto versatile e idoneo a molteplici impieghi con maggiore efficienza rispetto a quanto accade in natura.

La disponibilità di amido biotech potrà alleviare le pressioni sul comparto agricolo per la produzione di varietà di mais con destini non-food. Con un impatto potenzialmente favorevole sulla fornitura di cibi sicuri e nutrienti alla popolazione del pianeta. #SDG2 (Stop Hunger), #SDG12 (Sustainable production and consumption), #SDG15 (Life on land).

Dario Dongo e Andrea Adelmo Della Penna

Note

(1) Cai et al. (2021). Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide. Science 373:1523-1527, https://doi.org/10.1126/science.abh4049

(2) Bashir et al. (2019). Physicochemical, structural and functional properties of native and irradiated starch: a review. J. Food Sci. Technol. 56(2):513-523, https://doi.org/10.1007/s13197-018-3530-2

(3) Magallanes-Cruz et al. (2017). Starch Structure Influences Its Digestibility: A Review. Journal of Food Science 82(9):2016-2023, https://doi.org/10.1111/1750-3841.13809

(4) Ostrander (2019). Maize Starch for Industrial Applications. In: Industrial Crops – Breeding for BioEnergy and Bioproducts. Springer, ISBN 978-1-4939-1447-0

(5) Egharevba (2019). Chemical Properties of Starch and Its Application in the Food Industry. Intechopen, http://doi.org/10.5772/intechopen.87777  

(6) Beckles et al. (2014) Use of Biotechnology to Engineer Starch in Cereals. Encyclopedia of Biotechnology in Agriculture and Food, https://doi.org/10.1081/E-EBAF-120051354

(€) Xu et al. (2021). Recent advance of chemoenzymatic catalysis for the synthesis of chemicals: Scope and challenge. Chinese Journal of Chemical Engineering 30:146-167, https://doi.org/10.1016/j.cjche.2020.12.016

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