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Enzimi per idustria alimentare del vino, panificazione, bevarage, lattiero caseario



per i prossimi decenni ll settore delle biotecnologie e considerato trai più trainanti, più promettenti e con il più alto
tasso di crescita. L’ammontare degli investimenti pubblici e privati nella ricerca e sviluppo di biotecnologie è rilevante: in valore assoluto, |’andamento della spesa è cresciuta in Europa di circa 20 volte dal 1980 a oggi. All’interno di questo settore il comparto degli enzimi ha un peso rilevante: nel corso degli ultimi trenta anni, l’uso di preparazioni enzimatiche industriali si e rapidamente esteso in tanti campi di applicazione. Le prospettive di sviluppo di questi strumenti biotecnologici, ad elevate prestazioni, sono ancora numerose. Le ragioni del successo degli enzimi si possono spiegare con la loro efficacia, precisione, comodità d’uso e non da ultimo per la possibilità di sostituire gli additivi essendo considerati dalla legislazione vigente coadiuvanti tecnologici. Data la loro azione
selettiva, contribuiscono al miglioramento della dualità dei prodotti e spesso alla riduzione dei costi di produzione. Per esempio ì produttori di pane trovano grossi benefici dall’uso di alfa—amilasi che aumentando la morbidezza del prodotto, permette di aumentarne la shelf-life e in alcuni casi di ridurre il tempo di cottura, come nelle baguette
precotte. Negli Stati Uniti |’industria alimentare costituisce il 65% del mercato degli enzimi a uso non farmaceutico: si tratta in genere di estratti ottenuti da tessuti animali e vegetali o da preparati ottenuti attraverso processi di fermentazione microbica. ll Regolamento (CE) n.1382/2008 del 16 dicembre 2008 definisce “enzima alimentare”: un
prodotto ottenuto da vegetali, animati o microrganismi o prodotti derivati, nonché un prodotto ottenuto mediante un processo di fermentazione tramite microrganismi contenente uno o più enzimi in grado di catalizzare una specifica reazione biochimica e che e aggiunto ad alimenti per uno scopo tecnologico in una qualsiasi fase di fabbricazione, trasformazione, preparazione, trattamento, imballaggio, trasporto o conservazione degli stessi.
La storia della tecnologia enzimatica moderna potrebbe iniziare nel 1874, quando il chimico danese Christian Hansen preparò il primo campione di caglio estratto dagli stomaci di vitello disidratati. Oggi le tecniche di ingegneria genetica permettono di trasferire i geni relativi a tali enzimi dagli organismi naturali di provenienza (microrganismi, cellule animali o vegetali) in microrganismi GRAS (Generally Recognized As Safe), ottenendone contemporaneamente quantità significativamente maggiori. Anche l’ingegneria proteica sta contribuendo allo sviluppo del settore, “progettando” enzimi modificati con caratteristiche funzionali migliorate.
Un caso interessante riguarda il lisozima, una 6-glucosaminidasi che
provoca l’idrolisi dei polisaccaridi delle pareti cellulari di numerosi batteri causandone la morte. Scoperto casualmente da Fleming nel 1921 ed ora abbondantemente impiegato nell’industria alimentare. Il lisozima si estrae dal bianco d’uovo ma e anche presente in natura in alcune secrezioni umane come la saliva, le lacrime e il latte ma-
terno. La sua funzione specifica consiste nel tagliare il polisaccaride presente nella parete cellulare dei batteri gram-negativi. Questo polisaccaride e formato da unita alternate di NAM e NAG.

Viene impiegato nella produzione di alcuni formaggi (Grana Padano, Provolone e Asiago), al fine di prevenire l’insorgenza del cosiddetto gonfiore tardivo o gonfiore butirrico provocato in larga parte dai batteri butirrici. Il disciplinare per la produzione del Grana Padano DOP all’articolo 5 ammette “l’uso di lisozima, tranne che per il Trentingrana, fino a un massimo di 2,5 grammi per 100 chilogrammi di latte”.
Dall’inizio degli anni 90 è impiegato anche in enologia nella prevenzione degli spunti lattici e nel blocco della fermentazione malo lattica sui vini dove non e desiderata, consentendo di ridurre l’uso della SOQ da 2 a 4 volte. L’impiego del lisozima in enologia è previsto dal regolamento CE n°2066/2001 a una concentrazione massima di 50g/hl. Un altro esempio significativo riguarda l’enzima di nuova generazione asparaginasi che impedisce la formazione di acrilammide nei processi di cottura, di cui parleremo in seguito in modo più approfondito. Gli enzimi sono catalizzatori naturali le cui proprietà rispetto ai catalizzatori chimici riguardano:
• la specificità della loro azione per un particolare substrato o un tipo di legame all’interno del substrato che si può paragonare a quella di una chiave che apre soltanto la “propria serratura”;
• le reazioni danno come risultato un solo prodotto specifico in confronto a quelle dove sono coinvolti catalizzatori chimici che possono provocare reazioni collaterali indesiderate;
• la velocità della reazione e in relazione alla concentrazione, alla temperatura e al pH del mezzo;
• la semplicità de||‘uso: non sono richieste speciali attrezzature, ne modifiche particolari delle abituali operazioni, ma solo qualche accorgimento.

Classificazione
In passato gli enzimi venivano classificati in base al substrato sul quale agivano (amilasi, maltasi, proteasi, ecc..). Il sistema attuale in uso fin dal 1961 e introdotto dalla Commissione sugli Enzimi (EC) della Unione Internazionale di Biochimica (IUB), prevede l’utilizzo sia del substrato che della reazione a cui |’enzima partecipa; ogni enzima ha un numero di classificazione a 4 codici preceduto da E.C. e un nome sistematico a seconda della reazione catalizzata. Gli enzimi sono suddivisi in 6 classi, in base alla reazione catalizzata: la prima sezione del numero indica la classe di appartenenza.
1. Ossidoreduttasi: Reazioni di ossidoriduzione
2. Transferasi: Trasferimento di gruppi funzionali
3. ldrolasi: idrolisi – Rottura di un legame con intenrento H2O
4. Liasi: Rottura non idrolitica di un legame C-C, C—©, C—N o addizione ad un doppio legame
5. lsomerasi Equilibrio fra isomeri
6. Ligasi: Formazione di un legame accoppiata con idrolisi ATP o altro nucleotide.
Consideriamo a titolo di esempio un enzima con codice: A.B.C.D. A si riferisce alla classe (reazione catalizzata, es. 4. liasi). B e C si riferiscono alla modalità della catalisi e individuano la sottoclasse e la sotto-sottoclasse, D e il numero di serie dell’enzima all’interno della sotto-sottoclasse.
La cinetica di reazione degli enzimi

Uno dei fattori che maggiormente determinano la velocità di catalisi e la quantità di substrato presente. Valutare quindi la velocità iniziale della reazione può essere relativamente semplice ma, procedendo con la catalisi, la quantità di substrato diminuisce e, conseguentemente, diminuisce la velocità. La velocità di reazione è regolata da una costante specifica per il tipo di reazione secondo la formula per cui la velocità della prima reazione Sarà V = ki [ E] [ S ] (dove E : enzima e S = substrato). Di una reazione enzimatica si definisce il numero di turnover caratteristico di ogni enzima, che equivale alla costante K e rappresenta il numero di moli di substrato S convertite nel prodotto P da una mole di enzima nell’unità di tempo. La costante di velocità dipende inoltre dalla temperatura. Sulla base di questo ragionamento Mìchaelis e Menten (1913) elaborarono un’equazione che mette in relazione la velocità di formazione del prodotto P con la concentrazione dei substrato [S]. La costante di Michaelis- Menten
rappresenta la quantita di substrato necessaria affinchè la reazione avvenga a velocità pari a meta della velocita massima. Essa equivale al seguente rapporto KM = (K-1 + K2 ) / K1. La costante di Michaelis—Menten e una grandezza tipica di ciascun enzima e indica affinità (cioè la capacità di agire) di un enzima verso un substrato: più basso e il valore di KM e più bassa sarà la concentrazione di substrato che permette di raggiungere un valore di velocità di reazione pari alla metaàdella velocita massima, il che indica un’alta affinità dell’enzima per il substrato. Viceversa un alto valore di KM indica che sarà necessario più substrato per raggiungere una velocità di reazione pari alla metà della velocita massima, il che significa una minore affinità dell’enzima per il substrato. In alcuni casi l’attività enzimatica può scostarsi da questa cinetica per diversi motivi: l’enzima non si scioglie in modo adeguato nel substrato o il substrato e ricco in grassi che ne limitano la funzionalità, cosi come elevate concentrazioni di zuccheri possono inibire le amilasi. Il pH determina in modo critico la funzionalità dell’enzima in quanto influisce sulla conformazione della proteina e sulla sua carica ionica. Esiste pertanto una pH ottimale per il raggiungimento della Vmax di reazione. Anche la temperatura determina l‘attività enzimatica: esiste una temperatura ottimale alla quale l’enzima svolge al meglio la sua attività, ed una temperatura di denaturazione alla quale l’enzima inizia a perdere la sua attività.

La maggioranza degli enzimi industriali è ottenuta da fermentazioni di microrganismi (batteri, funghi filamentosi) e della successiva purificazione del mezzo di fermentazione. Il processo maggiormente utilizzato è la coltura in ambiente sommerso. II ceppo di microrganismi utilizzato industrialmente deve esprimere l’attività enzimatica ricercata. Non deve essere patogeno e nè produrre tossine. Se si deve migliorare il ceppo, il microrganismo deve essere geneticamente stabile. E’ necessario assicurarsi della purezza della coltura Il succo di fermentazione deve contenere l’enzima in concentrazione importante per delle ragioni di resa. L’enzima è poi recuperato e purificato in funzione dell’applicazione usata. È importante limitare le perdite di attività enzimatica. La fermentazione di questi microrganismi, in condizioni molto definite, permette la sintesi e la liberazione di varie attività enzimatiche desiderate.

Applicazioni in campo alimentare.
Da anni gli enzimi trovano applicazione in diversi settori dell’industria alimentare. Nel settore bakery i primissimi enzimi a trovare impiego furono le alfa—amilasi, usate per migliorare il volume, la sofficità del prodotto e rallentare la retrogradazione dell’amido, Oggi il successo degli enzimi oltre alla loro funzionalità, e legato come dicevamo alla
possibilità di ridurre o addirittura eliminare gli additivi quali per esempio gli emulsionanti. Il DATEM (E472e o estere monogliceridico del’acido diacetil tartarico) usato per migliorare la struttura della maglia glutinica e quindi il volume finale del prodotto, può essere sostituito con delle lipasi che producono una miscela complessa di prodotti che fungono da emulsionanti con lo stesso risultato finale. In questo modo si ottiene una lista ingredienti pulita ed una riduzione dei costi di ricetta. Una importante famiglia di fibre e rappresentata dai componenti della cariosside: le emicellulose e di pentosani (arabinoxilani e arabinogalattani). Le emicellulose sono polisaccaridi complessi formati da una catena di molecole di xilosio, ramificato con catene di arabinosio. Le emicellulose (presenti in ragione del 2% circa sul totale della farina) sono insolubili in acqua e disturbano la formazione della maglia glutinica. I pentosani sono molecole presenti in piccole quantità nella farina (circa 1%) sono in grado di assorbire 10 volte il
loro peso in acqua. Le emicellulasi sono una generazione di enzimi (pentosanasi e xilanasi) che permettono di convertire le fibre da insolubili a solubili. Migliorano la sofficità del prodotto finale aumentando di conseguenza l’assorbimento di acqua da parte dell’impasto. Il meccanismo di interazione dei prodotti ottenuti dalle emicellulasi si svolgono alle interfacce dei sistemi acquosi eterogenei presenti nell’impasto, simili a quelle svolte dagli emulsionanti. Nel settore lattiero caseario oltre agli enzimi usati in caseificazione quali la rennina microbica e chimosina bovina nel processi di caglio del latte, trovano impiego le lipasi nella degradazione dei grassi e le lattasi usate per la trasformazione dello zucchero del latte, il lattosio, nei suoi componenti di base, consentendo di estendere così il consumo del latte e dei suoi derivati adatto anche per gli individui intolleranti al lattosio.
Nel settore del beverage gli enzimi più usati sono la papaina e le pectinasi, usati nella chiarificazione di bevande a base di frutta.
In enologia, in fase di macerazione, vengono usati enzimi pectolitici con attività emicellulasica che favoriscono i processi di estrazione e nei processi di chiarificazione controllata dei mosti; quelli con attività di tipo Beta-glicosidasico nella selezione selettiva dei tannini “non aggressivi” e nella liberazione di aromi a partire da precursori tipici della varietà dell’uva; quelli con attività Beta-glucanasica in grado di rompere la catena del glucano per facilitare le operazioni di pressatura, di chiarificazione e di filtrazione durante raffinamento dei vini.
Nuovi concetti applicativi
Recentemente e stato messo a punto un enzima per la riduzione dell’acrilammide che si forma durante i processi di cottura o frittura ( principalmente bakery e snack), con la prospettiva innovativa di ridurre le molecole tossiche che si producono durante le fasi di trasformazione industriali. Nell’aprile del 2002 ricercatori svedesi hanno scoperto che
significativi livelli di acrilammide, un potenziale carcinogeno, possono essere ritrovati nei cibi cotti o fritti. Questo succede soprattutto nei prodotti amilacei, che una volta portati ad elevate temperature formano acrilammide come il prodotto della reazione tra gli zuccheri riducenti e l’asparagina. L’asparaginasi consente di ridurre in maniera significativa la formazione di acrilammide trasformando l’asparagina in acido aspartico. Test condotti presso l’AIB (American lstitute of Bakery) e la Reading Bakery Systems (RBS) in collaborazione con la Novozyme, hanno portato alla riduzione del 90% di questa molecola nel pane, nel biscotti e nei cookies, e negli snack salati e all’85% nei cracker.
Nel prossimo futuro siamo convinti che queste molecole possano essere un strada percorribile per poter arrivare a ridurre l’utilizzo degli additivi in ricettazione, abbassare i costi di produzione e creare un nuova gamma di prodotti che potremmo chiamare i senza Questa strada alcune aziende l’hanno gia intrapresa con il sostegno e la
collaborazione dei pionieri di questo settore.

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