Le microalghe disvelano il loro potenziale, sul fronte ‘nutrition and health’, anche grazie alla loro capacità di produrre sostanze bioattive come l’astaxantina, un carotenoide con uno straordinario potere antiossidante. Le sue destinazioni d’uso sono molteplici, dai functional foods e gli integratori alimentari ai cosmetici e i medicinali, fino all’acquacoltura e la zootecnia.
La microalga Haematococcus pluvialis è la specie di maggior interesse economico per la produzione di astaxantina naturale, se pure altre specie di microalghe (accompagnate da lieviti e batteri) possano venire altresì venire utilizzate per l’estrazione di questo prezioso ingrediente (o additivo, a seconda degli impieghi). (1) Un approfondimento.
1) Astaxantina naturale e di sintesi
L’astaxantina è un carotenoide noto per il colore rossastro e le sue straordinarie proprietà antiossidanti, di gran lunga superiori a quelle di altre molecole quali le vitamine C ed E, la luteina e il β-carotene. La microalga Haematococcus pluvialis (o H. lacustris) è la prima fonte naturale di astaxantina, i cui costi di produzione non sono peraltro competitivi con quelli di sintesi chimica della stessa molecola. L’astaxantina di sintesi è quindi molto diffusa nel settore dei mangimi (al di fuori delle filiere biologiche), ma il suo utilizzo in alimenti e integratori alimentari non è autorizzato in UE.
Le sostanziali differenze (vantaggi e svantaggi) tra astaxantina naturale e di sintesi si identificano come segue:
- l’astaxantina naturale ha una bioattività e un potere antiossidante marcatamente superiori, maggiore sicurezza di consumo, minore impatto ambientale. Con gli svantaggi di maggiori costi di produzione, minori rese e minore conservabilità,
- la sua replica di sintesi ha caratteristiche antitetiche. E dunque bassi costi di produzione, elevata disponibilità, maggiore stabilità, ma anche un impatto ambientale gravoso a causa dell’impiego di reagenti petrolchimici e vie di biosintesi complesse, non rinnovabili.
2) Astaxantina da microalghe, i protagonisti
Il prezioso carotenoide può venire estratto da alcune specie ittiche (es. olio di krill, esoscheletri di crostacei) ovvero, nelle versioni vegan, da alcune microalghe e microrganismi. EFSA, nel riconoscere a Haematococcus pluvialis lo status di QPS (Qualified Presumption of Safety), la indica come la prima fonte di astaxantina. Rispetto ad altre microalghe – come Chromochloris zofingiensis e Chlorococcum spp., Botryococcus braunii – ma anche rispetto ai microrganismi da cui essa può venire ricavata (v. par. 4).
3) Chromochloris zofingiensis, una microalga rivoluzionaria
Chromochloris zofingiensis (già nota come Chlorella zofingiensis) è una microalga verde candidata a sostituire Haematococcus pluvialis (lacustris) proprio per estrarre astaxantina. Essa ha infatti una capacità di moltiplicazione e produzione di biomassa più rapida, soprattutto in condizioni di particolare stress ambientale.
L’estrazione e il recupero del carotenoide (i.e. downstream processing) sono a loro volta più agevoli, grazie a una maggiore efficienza distruttiva della parete cellulare e separazione del metabolita. Con il solo limite di una minore resa produttiva di astaxantina per volume di cellula e di biomassa complessiva.
Condizioni di stress indotte attraverso elevate irradiazioni luminose, stimolate attraverso led blu (da non somministrare in eccesso, onde evitare blocchi metabolici) e lampade a fluorescenza bianca si sono rivelate ottimali ad incentivare il bioaccumulo di astaxantina in C. zofingiensis (max 39.8 mg/L). Per incrementare ulteriormente la produttività, dovranno venire considerati in futuro anche la densità cellulare, la concentrazione di azoto, oltre al tipo e l’intensità della radiazione luminosa. (2)
4) Alternative alle microalghe
Microrganismi quali lieviti e batteri possono altresì venire utilizzati per produrre astaxantina naturale. Tra questi:
- Phaffia rhodozyma/Xanthophyllomyces dendrorhous. Forma asessuata e sessuata dello stesso lievito, era la fonte di astaxantina più utilizzata prima dell’avvento della microalga H. pluvialis. La sua produttività è inferiore ma sono in corso diverse prove di upcycling per produrre biomassa attraverso l’utilizzo di nutrienti a basso costo, quali scarti alimentari, (3)
- Paracoccus carotinifaciens. Questo batterio non produce astaxantina in purezza, bensì un mix di carotenoidi di cui essa rappresenta il componente primario. Attraverso tecniche di selezione mutagenica classica (es. UV, trattamento chimico), sono stati selezionati ceppi più produttivi, insieme a parametri colturali più idonei.
4) Novel foods a base di astaxantina
L’utilizzo dell’astaxantina negli alimenti in UE è attualmente autorizzato nei soli integratori alimentari, con avvertenza di non idoneità al consumo per bambini e ragazzi al di sotto dei 14 anni (v. par. 6). La prima autorizzazione a Novel Food riguarda la ‘oleoresina ricca di astaxantina da H. pluvialis’, ed è ora in corso di valutazione una proposta di modifica delle sue condizioni d’uso. È stata inoltre presentata un’ulteriore richiesta di autorizzazione NF per oleoresina e farina d’alga di H. pluvialis. Un altro novel food con (esteri di) astaxantina, già autorizzato, è l’olio di Calanus finmarchicus (piccolo crostaceo copepode).
5) Azione antiossidante e altri benefici per la salute
I benefici dell’astaxantina sono molteplici, grazie alla bioattività antiossidante superiore in misura esponenziale rispetto ad altre molecole (Mularczyk et al., 2020). (4) Trattandosi di composto liposolubile, la sua biodisponibilità aumenta ove assunta con oli o grassi. Diversi studi clinici hanno dimostrato la capacità di astaxantina di ridurre le infiammazioni e rafforzare il sistema immunitario, in aggiunta alle attività antimicrobica e antivirale. Altri benefici riportati in letteratura (Ambati et al., 2014) con diversi livelli di evidenza scientifica, riguardano:
- riduzione di colesterolo e trigliceridi nel sangue,
- prevenzione delle malattie cardiovascolari,
- riduzione del danno al DNA e minore incidenza di tumori,
- recupero dalla fatica mentale,
- protezione cutanea dai raggi UV,
- mantenimento della funzione antiossidante dopo stress ossidativo da attività fisica. (5)
Altri studi clinici (Hayashi et al., 2021) hanno mostrato la capacità di astaxantina a prevenire l’ansia, l’ulcera gastrica e il danno retinico, oltre a migliorare la funzione cognitiva. Ipotizzando che tali effetti derivino non solo dall’astaxantina ma anche da altri ARE (astaxanthin-rich carotenoids) come l’adonirubina e l’adonixantina. (6)
6) Livelli di esposizione, ADI
EFSA (2020) ha rivalutato la sicurezza dell’astaxantina sull’uomo, sulla base dell’esposizione dai novel food autorizzati (max 8 mg/die di astaxantina) e dal consumo di pesci e crostacei che la contengano per via del suo utilizzo come additivo per mangimi. I risultati, per popolazioni target, sono stati i seguenti:
- adulti (peso corporeo 70 kg): l’esposizione a 0,174 mg/die per kg di peso corporeo è sicuro, essendo del 13% sotto il livello di ADI (Acceptable Daily Intake) stabilito, nei pareri sugli additivi per mangimi, a 0,2 mg di astaxantina su kg di peso corporeo,
- adolescenti tra 14 e 17 anni (peso corporeo 61,3 kg). L’esposizione è di 0,2 mg/die su kg di peso corporeo, equivalente all’ADI,
- adolescenti tra 10 e 13 anni (peso corporeo 43,3 kg). L’ADI viene superato per 0,056 mg/die per kg di peso corporeo (28% dell’ADI complessivo),
- bambini sotto i 10 anni. L’esposizione varia tra 0,25 e 1 mg/die per kg di peso corporeo (ADI superata in misura 123-524%).
6) Astaxantina in acquacoltura
L’acquacoltura è un settore ove l’astaxantina trova ampio utilizzo grazie alla sua capacità di conferire la tipica colorazione ‘salmone’ alle specie ittiche di allevamento, quali trote salmonate e i salmoni stessi, crostacei, nonché anche pesci ornamentali. L’integrazione nutrizionale con astaxantina ha poi rivelato ulteriori benefici per la salute performance produttive degli animali d’acquacoltura. Essa è infatti in grado di promuovere la crescita e l’incremento di peso.
La somministrazione di astaxantina assieme alla biomassa algale consente inoltre di:
- fornire amminoacidi essenziali, acidi grassi mono- e polinsaturi, polisaccaridi e vitamine, che potenziano l’effetto del carotenoide,
- promuovere la funzionalità del sistema immunitario, grazie al potere antiossidante, e così ridurre la necessità d’impiego degli antibiotici in acquacoltura,
- ridurre la perossidazione lipidica, aumentando la stabilità dell’alimento e le sue proprietà nutrizionali (Lu et al., 2021. V. note 8,9).
7) Astaxantina in avicoltura
L’avicoltura è un altro settore della zootecnia ove l’astaxantina sta rilevando un grande potenziale sia per la sua azione antiossidante, sia per gli effetti positivi sul sistema immunitario e la salute degli animali. Nella prospettiva di ridurre e magari anche eliminare l’uso di antibiotici e altri farmaci veterinari, come già sperimentato in Italia con Algatan. (10)
Recenti studi sperimentali sull’impiego di astaxantina in avicoltura (Zhu et al., 2021; Pertiwi et al., 2022) hanno infatti dimostrato l’utilità del suo apporto sia per favorire la crescita del pollame da carne (broiler), sia per la salute e il benessere delle galline ovaiole, con impatto favorevole anche sulla qualità delle uova (11,12).
8) Utilizzi in suinicoltura
Gli antiossidanti non solo influiscono sulla salute e le condizioni dei suini, oltreché sulla qualità della carne. Yang et al. (2006) hanno dimostrato una riduzione di dieci volte del contenuto di grasso dorsale e un aumento della massa muscolare dopo 14 giorni di alimentazione con 3 mg/kg di astaxantina. (13)
L’accumulo di astaxantina naturale nel tessuto muscolare dei suini, a seguito del suo inserimento nella razione alimentare, ha un’azione antiossidante stimata essere quattro volte superiore a quella della vitamina E. Con effetti superiori all’azione della stessa molecola aggiunta alle carni, per mantenerne la qualità e la conservazione.
8) Conclusioni provvisorie
Il dominio delle microalghe continua a esprimere potenziali a tutt’oggi inespressi o comunque sottovalutati. In vista della produzione di ingredienti nutraceutici, medicinali e cosmetici naturali, anche attraverso upcycling di CO2 e scarti di altre filiere, come si è visto (14,15).
La produzione globale di alghe e microalghe – come si legge nel rapporto del Parlamento europeo (2023) che segue la ‘EU algae initiative‘ (2022) – è aumentata da 0,56 a 35,82 milioni di tonnellate, tra il 1950 e il 2019 (16,17,18). E l’Asia ne è protagonista assoluto, con il 97%.
Ricerca e innovazione sono essenziali a sviluppare e validare processi efficaci e prodotti innovativi, per stimolare anche nel Vecchio Continente la nascita della blue bioeconomy. Come mostra ad esempio il progetto di ricerca ProFuture, nel programma Horizon, in Horizon4Proteins (19).
Dario Dongo e Andrea Adelmo Della Penna
Note
(1) Villarò et al. (2021). Microalgae Derived Astaxanthin: Research and Consumer Trends and Industrial Use as Food. Foods 10:2303, https://doi.org/10.3390/foods10102303
(2) Chen et al. (2017). Enhanced production of astaxanthin by Chromochloris zofingiensis in a microplate-based culture system under high light irradiation. Bioresource Technology 245:518-529, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.08.102
(3) Gervasi et al. (2019). Astaxanthin production by Xanthophyllomyces dendrorhous growing on a low cost substrate. Agrofor. Syst. 94:1229–1234, https://doi.org/10.1007/s10457-018-00344-6
(4) Mularczyk M, Michalak I, Marycz K. (2020). Astaxanthin and other Nutrients from Haematococcus pluvialis-Multifunctional Applications. Mar Drugs. 2020 Sep 7;18(9):459. doi: 10.3390/md18090459
(5) RR Ambati et al. (2014). Astaxanthin: Sources, Extraction, Stability, Biological Activities and Its Commercial Applications – A Review. Mar. Drugs 12:128-152, https://doi.org/10.3390/md12010128
(6) Hayashi et al. (2021). Commercial Production of Astaxanthin with Paracoccus carotinifaciens. In: Carotenoids: Biosynthetic and Biofunctional Approaches. Advances in Experimental Medicine and Biology 1261:11–20, https://doi.org/10.1007/978-981-15-7360-6_2
(7) EFSA (European Food Safety Authority) NDA Panel (2020). Safety of astaxanthin for its use as a novel food in food supplements. EFSA Journal 18(2):5993, https://doi.org/10.2903/j.efsa.2020.5993
(8) Lu et al. (2021). Astaxanthin as a microalgal metabolite for aquaculture: A review on the synthetic mechanisms, production techniques, and practical application. Algal Research 54:102178. https://doi.org/10.1016/j.algal.2020.102178
(9) Per il suo impiego in acquacoltura, l’astaxantina deve essere autorizzata come additivo per mangimi (categoria ‘additivi organolettici’, gruppo ‘coloranti’). Nel registro UE sono attualmente presenti tre additivi autorizzati (astaxantina, astaxantina-dimetilsuccinato, biomassa di Phaffia rhodozyma ricca di astaxantina), con le relative specie ammesse. Ed è in corso una valutazione sulla sicurezza di Paracoccus carotinifaciens, altresì da impiegare come additivo per mangimi
(10) Dario Dongo, Andrea Adelmo Della Penna. Avicoltura senza antibiotici, la via italiana. GIFT (Great Italian Food Trade). 14.12.20
(11) Yuanzhao Zhu et al. (2021). Astaxanthin supplementation enriches productive performance, physiological and immunological responses in laying hens. Animal Biosci. 2021 Mar; 34(3): 443–448. doi: 10.5713/ab.20.0550
(12) Herinda Pertiwi et al. (2022). Astaxanthin as a Potential Antioxidant to Improve Health and Production Performance of Broiler Chicken Vet. Med. Int. 2022; 2022: 4919442. doi: 10.1155/2022/4919442
(13) Yang, Y.X.; Kim, Y.J.; Jin, Z.; Lohakare, J.D.; Kim, C.H.; Ohh, S.H.; Lee, S.H.; Choi, J.Y.; Chae, B.J. (2006). Effects of dietary supplementation of astaxanthin on production performance, egg quality in layers and meat quality in finishing pigs. AJAS 2006, 19, 1019–1025. doi: 10.5713/ajas.2006.1019
(14) Dario Dongo, Andrea Adelmo Della Penna. Alghe e microalghe per uso alimentare in Europa, l’ABC. GIFT (Great Italian Food Trade). 14.11.22
(15) Dario Dongo, Giulia Pietrollini. Alghe e microalghe. Carbon farming e upcycling di CO2. GIFT (Great Italian Food Trade). 18.1.23
(16) European Parliament (2023). The future of the EU algae sector. https://bit.ly/733-114 Research for the PECH Committee doi:10.2861/922543
(17) Marta Strinati. La Commissione europea propone 23 azioni per l’industria delle alghe. GIFT (Great Italian Food Trade). 23.11.22
(18) European Commission’s Communication ‘Towards a Strong and Sustainable EU Algae Sector (COM/2022/592 final)’https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A52022DC0592&qid=1685431066833
(19) Dario Dongo. ProFuture, microalghe per nutrire il pianeta. Il progetto di ricerca UE. GIFT (Great Italian Food Trade). 18.6.19
Dario Dongo, avvocato e giornalista, PhD in diritto alimentare internazionale, fondatore di WIISE (FARE - GIFT – Food Times) ed Égalité.
Laureato in Tecnologie e Biotecnologie degli Alimenti, tecnologo alimentare abilitato, segue l’area di ricerca e sviluppo. Con particolare riguardo ai progetti di ricerca europei (in Horizon 2020, PRIMA) ove la divisione FARE di WIISE S.r.l. società benefit partecipa.
