Corynebacterium glutamicum: più sapore in cucina

Gli additivi alimentari

Gli additivi alimentari sono sostanze utilizzate soprattutto a livello industriale nel corso nella preparazione di molti tipi diversi di derrate. Differiscono dagli ingredienti in quanto sono privi di importanza dal punto di vista del valore nutrizionale e vengono volontariamente aggiunti ed opportunamente dosati per precisi scopi. In base al tipo di additivo, vanno dall’aumentare la conservabilità dell’alimento (prevenendone ad esempio l’ossidazione dei grassi oppure rallentando lo sviluppo microbico) al migliorarne la lavorabilità, fino a facilitarne il trasporto o la fase di stoccaggio… e molto altro ancora.

Tra gli additivi alimentari ve ne sono alcuni che hanno però la precisa finalità di migliorare le qualità sensoriali dell’alimento quali ad esempio il gusto, il profumo, il colore o la consistenza. In tal modo, aumentano la palatabilità per il consumatore finale.

Il glutammato

Il più utilizzato e celebre da questo punto di vista, essendo assurto in tempi recenti all’attenzione della cronaca per la sua presunta tossicità, è probabilmente il glutammato (Fig.1). Questo è molto utilizzato nella cucina soprattutto asiatica (cinese, indiana e giapponese in particolare), meno invece in quella tradizionale occidentale. Aumenta la sapidità, rendendo così più intenso il sapore del cibo e migliorandone l’appetibilità, grazie alla sua capacità di stimolare particolari recettori del gusto.

Il glutammato è un amminoacido ed è naturalmente presente come tale in quasi tutte le proteine esistenti (che sono appunto polimeri di amminoacidi). La sua forma in sale monosodico (il glutammato monosodico, Fig.1) si utilizza come additivo aggiunto a parte agli alimenti e possiede il potere di esaltare il gusto della pietanza.

Esso ai utilizza spesso anche in combinazione con un altro amminoacido naturale che possiede,sebbene in misura minore,la stessa sorprendente capacità: la glutammina (Fig.1).

Glutammato, glutammina e glutammato monosodico, prodotto da Corynebacterium glutamicum
Figura 1 – Glutammato, glutammina e glutammato monosodico.

Produrre glutammato: il ruolo di Corynebacterium glutamicum

E’ probabilmente poco noto ai più che, in ambito industriale, il glutammato viene prodotto per via fermentativa, cioè sfruttando le particolari capacità metaboliche biosintetiche di un microrganismo, in questo caso Corynebacterium glutamicum (Fig.2). In un secondo momento, dopo essere stato estratto dal brodo di coltura del fermentatore e debitamente purificato, il glutammato viene alla fine salificato attraverso una semplice reazione chimica, formando appunto il glutammato monosodico.

C. glutamicum è un microrganismo procariota, gram positivoaerobio. Appartiene al grande ordine degli Actinomyces (o Attinomiceti) e fa parte del genere dei Corynebacterium, che include circa una trentina di specie diverse.

Morfologicamente si presenta a forma di bastoncino irregolare e nodoso e non forma un micelio di substrato né uno aereo. Fa naturalmente parte della microflora del suolo come tutti gli altri Attinomiceti, in particolare si trova nei terreni poveri. Lo isolarono e carattterizzarono per la prima volta da un gruppo di ricercatori giapponesi nel 1957.

Corynebacterium glutamicum
Figura 2 – Aspetto delle cellule di Corynebacterium glutamicum viste al microscopio elettronico a scansione

Corynebacterium glutamicum in natura

A livello di ecologia ed ecosistema, l’abilità di un microrganismo di sintetizzare acido glutammico (oppure la glutammina oppure entrambi) è importante perchè costituisce il modo più comune per fissare (cioè incorporare in una molecola organica) l’azoto inorganico, che normalmente è presente nel terreno come ione ammonio o NH4+. Permette così il suo rientro nei cicli bio-geochimici della materia.

C. glutamicum predilige terreni a pH neutri o basici (ricchi appunto in ione ammonio che può così utilizzare per sintetizzare glutammato). Non è sporigeno, diversamente da molti altri Attinomiceti, caratteristica questa che insieme a quelle di non essere mobile, di necessitare di biotina per crescere e di essere capace di produrre amminoacidi in quantità significativa già spontaneamente, ne fa un buon candidato per il suo utilizzo a livello industriale.

Utilizzo industriale di Corynebacterium glutamicum

Nelle aziende in cui avviene la produzione di glutammato, C. glutamicum si coltiva ed utilizza tramite coltura in sospensione in grandi fermentatori (detti bioreattori).

I ceppi specifici di questo microrganismo utilizzati con questa finalità precipua si differenziano dal classico wild type, inoltre, per tre peculiarità biochimiche. In particolare, sono tutti alti produttori (producono cioè glutammato in quantità ancor maggiore degli altri), sono mutanti auxotrofi ed inoltre sono mutanti regolatori. Vediamo ora tali caratteristiche in specifico.

Mutanti auxotrofi significa che mancano di uno o più enzimi coinvolti nel cammino biosintetico di un dato amminoacido. Non sono perciò in grado di sintetizzarlo e necessitano che esso venga aggiunto nel terreno colturale, altrimenti non possono crescere e moltiplicarsi. Ciò permette al tecnico addetto al bioreattore di tenerne sotto controllo la proliferazione secondo le necessità dell’impianto di produzione.

Mutanti regolatori significa invece che essi non hanno un feedback significativo, soprattutto di tipo repressivo in senso metabolico, quando crescono in presenza di una molecola che è un analogo strutturale di un amminoacido. Possono quindi crescere ugualmente se ad esempio al brodo di coltura si aggiungerà la p-fluoro fenil glicina invece della normale glicina, diversamente da quanto accadrà ad altri eventuali microrganismi indesiderati contaminanti che fossero accidentalmente presenti nella coltura selezionata per la produzione.

Alcuni ceppi di C. glutamicum presentano queste caratteristiche mutanti già in natura, ma ovviamente si utilizzano a livello industriale anche ceppi che invece sono stati ingegnerizzati opportunatamente tramite tecnologie del DNA ricombinante.

La biosintesi del glutammato

Senza avere la pretesa di entrare negli aspetti tecnici del processo produttivo o di esaurire l’intera biochimica coinvolta in esso, ci si limiterà ad una visione d’insieme. Normalmente il glutammato è prodotto dai microrganismi a partire dall’acido Alfa- chetoglutarico, un intermedio del cosiddetto Ciclo di Krebs. Questo è l’insieme delle reazioni biochimiche che si occupano di ossidare completamente il glucosio dopo che questi è stato processato dalle reazioni della Glicolisi, quando l’ossigeno è disponibile (Fig.3)

Sintesi del glutammato ad opera della glutammato deidrogenasi
Figura 3 – Sintesi del glutammato ad opera della glutammato deidrogenasi

Come si vede nell’immagine, l’enzima coinvolto è la Glutammato deidrogenasi, un enzima che catalizza una reazione particolare di ossidoriduzione denominata:” Amminazione riduttiva”.

Molti prodotti intermedi delle reazioni del ciclo di Krebs sono d’altra parte utilizzati come punto di partenza per sintetizzare, all’occorrenza,altre molecole utili tra cui proprio gli amminoacidi.

Questo può provocare una continua fuoriuscita dal Ciclo stesso di Alfa-Chetoglutarato, che viene quindi sottratto al suo scopo primario: concorrere alla produzione d’energia. Per tale motivo, un buon ceppo produttore di glutammato deve perciò avere efficienti sistemi energetici anaplerotici,cioè che compensino una tale continua fuoriuscita.

Il ruolo della biotina

L’importanza della biotina, cui si accennava, è dovuta in primis a questo aspetto. Infatti, essa è il cofattore dell’enzima Piruvato carbossilasi. Questo assicura il continuo rifornimento al Ciclo di Krebs di Ossalacetato, un suo importantissimo intermedio da cui a seguito di altre reazioni è rigenerato lo stesso Alfa-Chetoglutarato. Ma è importante anche per un altro aspetto non meno interessante. (Fig.4)

produzione ossalacetato
Fig.4 – La Piruvato carbossilasi converte il PEP ed il piruvato provenienti dalla Glicolisi in Oassalacetato, che rientrerà poi nel Ciclo di Krebs andando successivamente a riprestinare le scorte di Alfa-chetoglutarato

La biotina infatti è anche il cofattore di un enzima che partecipa alla biosintesi degli acidi grassi. Essi vengono poi usati, tra l’altro, per formare i fosfolipidi, le molecole che compongono la membrana cellulare.

Quando la concentrazione di biotina disponibile per il microrganismo scende oltre un certo valore, la composizione in fosfolipidi della membrana di C. glutamicum può calare anche fino al 50%. Questa condizione altera la normale fisiologia batterica e promuove l’escrezione spontanea nel brodo di coltura del glutammato. Questa molecola altrimenti sarebbe oggetto dell’azione degli enzimi intracellulari che lo userebbero per altri scopi.

In questo modo il prodotto desiderato si accumula nel terreno di coltura. Può essere così recuperato dal tecnico addetto appena raggiunta la quantità desiderata tramite varie metodiche. Tipicamente, la procedura prevede dapprima la filtrazione del brodo, quindi una serie di passaggi su vari sistemi di resine a scambio ionico, successivamente il trattamento con carbone attivo ed infine la cristallizzazione al pH isoelettrico per l’amminoacido.

La secrezione del glutammato da parte di Corynebacterium glutamicum

Questo fenomeno, ben noto a livello empirico, per molto tempo è sembrato avvalorare l’ipotesi che la presenza di una membrana cellulare più lassa e quindi più instabile agevolasse la secrezione di glutammato in quanto ciò avveniva per semplice trasporto passivo.

Tuttavia, quando si è scoperto che esso si verifica anche in presenza di alte concentrazioni extracellulari di glutammato, cioè apparentemente andando contro gradiente, tale ipotesi è caduta. Ulteriori studi recenti hanno poi portato alla scoperta di specifiche proteine trasportatrici di membrana per il glutammato in C. glutamicum. Queste sono regolate da un gene, denominato Ncgl1221, ma l’esatto meccanismo è tutt’ora oggetto di ricerca.

Per ora si sa per certo che anche altre condizioni che alterano la normale struttura e composizione della membrana cellulare promuovono il processo di secrezione spontanea del glutammato. Ad esempio, l’aggiunta nel bioreattore di tensioattivi come il Tween 60, di glicerolo o di certi acidi grassi oppure la carenza di acido oleico.

La concentrazione di biotina nel bioreattore viene regolata diversamente nel corso delle diverse fasi del processo produttivo. Inizialmente è alta, per assicurare la corretta cinetica delle reazioni anaplerotiche necessarie a supportare la biosintesi del glutammato. In un secondo momento viene lasciata calare per permettere che l’amminoacido così prodotto si accumuli all’esterno delle cellule nel brodo colturale.

Le produzioni industriali più elevate, in cui Corynebacterium glutamicum è spinto a lavorare a pieno regime, possono arrivare anche ad ottenere 150g di glutammato per litro dopo solo 40-60 ore. Si stima che la produzione di glutammato tramite fermentazione industriale ammonti a circa 800000 tonnellate l’anno.

Il mondo dell’incredibilmente piccolo intorno a noi continua a stupirci per la sua capacità di pervadere così tanti aspetti diversi della nostra vita quotidiana. Compreso quello che ci ritroviamo nel piatto ogni giorno.

Simone Rinaldi

Fonti:

Sitografia d’interesse:

Corynebacterium glutamicum è tuttora oggetto di studi approfonditi ed interessanti. C’è ad esempio un gruppo di ricerca universitario a Tokyo che si occupa di caratterizzarne il genoma per identificare tutti i geni coinvolti nella regolazione della sua crescita e del suo particolare metabolismo: https://educ.titech.ac.jp/bio/eng/news/2017_01/053084.html

E di esso si occupa inoltre,tra gli altri, un’importante gruppo giapponese che ha fondato una società dedicata completamente allo studio dell’ordine degli Attinomiceti: http://www.actino.jp/index-e.html

Per approfondimenti sulla sicurezza e tossicità dell’uso del glutammato come additivo alimentare: http://www.sicurezzanutrizionale.org/2015/08/03/il-glutammato-facciamo-chiarezza/

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