Viaggio nel mondo accademico e della ricerca del territorio italiano

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1 Viaggio nel mondo accademico e della ricerca del territorio italiano A cura di Anna Maria Fioretti Istituto di Scienze delle Produzioni Alimentari L Istituto di Scienze delle Produzioni Alimentari (ISPA) ha avuto origine dalla fusione dei seguenti 6 Istituti e Centri di Ricerca del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR): Istituto Tossine e Micotossine da Parassiti Vegetali (Bari) Istituto per la fisiologia della maturazione e della conservazione del frutto delle specie arboree mediterranee (Sassari) Istituto di Ricerca sulle Biotecnologie Agroalimentari (Lecce) Centro di Studio per l Alimentazione degli Animali in Produzione Zootecnica (Torino) Centro per lo Studio Tecnologico, Bromatologico e Microbiologico del Latte (Milano) Istituto di Orticoltura Industriale (Bari) Il principale obiettivo è sviluppare studi per il miglioramento dei prodotti agro-alimentari attraverso un approccio multidisciplinare basato su competenze in chimica, tossicologia, microbiologia, biotecnologie, scienze veterinarie, agronomia, biologia e patologia vegetale. Bari è la sede centrale dell ISPA, che comprende altri 4 centri di ricerca, a Lecce, Milano, Torino e Sassari, con un totale di 106 unità di personale, di cui 66 Ricercatori, 32 Tecnici e 8 Amministrativi. L attività dell Istituto riguarda ricerche di base ed applicate, trasferimento tecnologico e formazione, e mira allo sviluppo di processi innovativi utili per l industria agro-alimentare. Particolare attenzione viene rivolta alla identificazione di sistemi di produzione sostenibili, alle pratiche agricole con minimo impatto ambientale ed alla riduzione del rischio di contaminazione degli alimenti. Attraverso la identificazione e la rimozione di composti potenzialmente tossici presenti negli alimenti, quali micotossine, pesticidi ed allergeni; i ricercatori dell ISPA contribuiscono ad assicurare la qualità e la sicurezza nei cibi. Le ricerche hanno anche lo scopo di migliorare la qualità nutritiva e sensoriale del cibo, la competitività delle produzioni tipiche e di identificare nuove tecnologie per prolungare la conservabilità e garantire la sicurezza dei cibi. I programmi di ricerca dell ISPA coprono le seguenti aree tematiche: Micologia agro-alimentare La produzione di micotossine da parte di alcuni funghi micromiceti parassiti delle piante e di alcuni agenti di ammuffimento delle derrate agrarie ha una ricaduta considerevole sulla qualità e salubrità dei prodotti delle filiere agro-alimentari. Le ricerche sono concentrate, in particolare, sia sui funghi tossigeni dei generi Fusarium e Alternaria, la cui attività micotossica è più temuta in pre-raccolta, sia sui generi Aspergillus e Penicillium che invece sollevano preoccupazioni di natura micotossicologica per i prodotti in post-raccolta e per le diverse fasi delle preparazioni alimentari. Le ricerche sono in particolare volte a chiarire i diversi aspetti eziologici, epidemiologici ed ecofisiologici dei funghi tossigeni e della loro capacità di accumulare micotossine in importanti colture e nelle principali filiere agro-alimentari dell Italia meridionale (cerealicola, viti-vinicola e ortofrutticola). Tali studi riguardano principalmente i funghi tossigeni responsabili della presenza di tricoteceni, fumonisine, beauvericina e fusaproliferina nel frumento e nel mais, di ocratossine nella filiera viti-vinicola e di contaminazioni micotossiche nelle diverse filiere orto-frutticole. 119

2 Biodiversità fungina e Collezione La biodiversità degli organismi fungini (funghi filamentosi e lieviti) ha particolare rilevanza per scopi agro-alimentari, industriali e farmaceutici; attività specifiche, che includono l isolamento, la collezione e lo studio della biodiversità in campo agroalimentare sono state sviluppate all ISPA. Tra gli strumenti utilizzati vi sono tecniche di identificazione morfo-tassonomica e molecolare e studi biochimici. Tecniche molecolari d avanguardia, che consentano una precoce, più facile ed esatta diagnosi fungina sono oggetto di studio. Le ricerche sulla genetica fungina riguardano sia l applicazione di tecniche d avanguardia per sequenziare specifiche regioni del RNA e del DNA, sia la variabilità dell intero genoma. Le ricerche all ISPA riguardano la messa a punto di marcatori specifici per la diagnosi di funghi tossigeni. La conservazione della biodiversità è di grande importanza in quanto assicura una fonte genetica originale e la sua disponibilità per applicazioni biotecnologiche. A tale riguardo presso l ISPA è stata costituita una collezione di circa esemplari (Collezione ITEM) di funghi tossigeni appartenenti a diversi generi di notevole importanza fitopatologica ed agro-industriale. La collezione è stata riconosciuta da organizzazioni internazionali quali ECCO (Organizzazione Europea delle Collezioni di Colture Cellulari) e WFCC (Federazione Mondiale delle Collezioni di Colture Cellulari) ed il catalogo è disponibile anche su internet al sito: Micotossine e sicurezza alimentare La contaminazione degli alimenti da micotossine è difficilmente controllabile in quanto influenzata da molteplici fattori sia di tipo ambientale che agronomico. La caratterizzazione tossicologica delle micotossine è fondamentale per una corretta valutazione del rischio di queste sostanze. Oltre all analisi chimica degli alimenti suscettibili di contaminazione, l analisi di biomarkers nei fluidi biologici (sangue, urine) permette di valutare in maniera più accurata l esposizione umana e animale alle micotossine anche a livello individuale. In relazione alla presenza di micotossine nelle derrate alimentari, ricercatori dell ISPA hanno sviluppato due nuovi metodi, adottati come metodi ufficiali da organizzazioni internazionali, rispettivamente per l analisi di ocratossina A nel vino e nella birra e di fumonisine nel mais e derivati. L ISPA ha inoltre sviluppato un nuovo metodo per la determinazione del rapporto sfinganina/sfingosina in campioni biologici, quale biomarker di esposizione alle fumonisine tramite la dieta. Lo sviluppo di metodi di detossificazione è essenziale per ridurre le gravi perdite economiche causate da micotossine e per recuperare le derrate contaminate a fini zootecnici. Per accertare l efficacia di alcuni materiali adsorbenti nel diminuire la biodisponibilità di micotossine, è stato applicato un metodo alternativo alla sperimentazione su animali che impiega un modello computerizzato per simulare l apparato gastroenterico di animali monogastrici. Bioprodotti microbici per un agricoltura a basso impatto ambientale Nell ambito di questa tematica vengono studiati microrganismi di possibile impiego per la lotta biologica alle patologie vegetali (malattie fungine e batteriche, insetti dannosi, erbe infestanti), biofertilizzanti e biofitoregolatori per l agricoltura biologica ed integrata, come alternative o in aggiunta ai composti chimici di sintesi. I meccanismi di azione dei bio-inoculanti vengono studiati a livello biochimico e molecolare, al fine di isolare e caratterizzare i metaboliti attivi, gli enzimi e i geni responsabili della loro azione benefica. Vengono inoltre condotti studi di valutazione del rischio nel rilascio nell ambiente di funghi e batteri utili come biofitofarmaci e biofertilizzanti. Un gran numero di promettenti agenti di lotta biologica sono utilizzati nei programmi di ricerca dell ISPA. Funghi e batteri, nonché metaboliti bioattivi vengono valutati in prove di laboratorio, e quindi in serra ed in campo su importanti colture agrarie, anche in 120

3 combinazione con nuove tecnologie agronomiche a basso impatto. Le ricerche condotte sulla produzione di nuovi composti ha portato alla purificazione ed alla caratterizzazione di metaboliti interessanti per l attività biologica che, in aggiunta al potenziale impiego come fitoterapici, potrebbero essere studiati come modelli strutturali per nuovi composti bioattivi. Batteri lattici e qualità degli alimenti Questa area di ricerca riguarda la selezione e la caratterizzazione di popolazioni di batteri lattici (LAB) responsabili della trasformazione degli alimenti. Le comunità di questi microrganismi coinvolti nelle fermentazioni dei prodotti da forno, delle olive da mensa e dei prodotti lattierocaseari del Sud Italia, rappresentano un bacino di ceppi dalle inesplorate potenzialità di applicazione tecnologica. La selezione e l utilizzo di ceppi e loro metaboliti in grado di apportare vantaggi in termini di qualità nutrizionale e di conservabilità dei prodotti e di contribuire alla qualificazione delle produzioni agro-alimentari tradizionali rappresentano le principali finalità delle ricerche. Poiché è noto il contributo dei LAB alla conservabilità di numerosi prodotti, l ISPA ha indagato sulla loro capacità di prevenire la contaminazione fungina negli alimenti, accertando la produzione di acido fenillattico da parte di alcuni lattobacilli isolati da impasti acidi e dimostrando l importante ruolo di questo metabolita nel prevenire la contaminazione fungina. E allo studio l utilizzazione dei metaboliti antimicrobici dei LAB e dei ceppi produttori per prevenire la contaminazione da patogeni e aumentare la conservabilità degli alimenti e/o delle derrate. Notevole impegno è stato dedicato al contributo dei LAB alla reologia e alla proteolisi nella fermentazione dei prodotti da forno e agli effetti sulla idrolisi delle gliadine responsabili delle intolleranze ai cereali. Il miglioramento del valore nutritivo di prodotti a base di cereali è stato ottenuto attraverso studi sugli enzimi dei LAB, esempio la fitasi, che aumenta la disponibilità dei minerali negli alimenti a base di cereali. Gli imprenditori del settore agroalimentare hanno l esigenza di realizzare su vasta scala prodotti con caratteristiche organolettiche tipiche delle lavorazioni tradizionali e di fornire ai consumatori alimenti sani e di elevata qualità. A questo riguardo, le ricerche all ISPA riguardano la selezione di batteri lattici, dotati di caratteristiche tecnologiche utili per l industria alimentare, da alimenti tipici mediterranei ceppi, e la messa a punto di metodi rapidi e sensibili che permettano di seguire i ceppi dalla materia prima al prodotto stagionato. Ulteriori ricerche considerano enterococchi e stafilococchi coagulasi-negativi che, pur svolgendo un ruolo importante nella fermentazione di formaggi e salumi, sono anche associati a gravi episodi clinici. Proteomica applicata allo studio delle allergie alimentari e del latte Allergie alimentari Un cibo di alta qualità deve essere ipoallergenico. Gli alimenti più diffusi che possono provocare allergie sono: latte, uova, cereali, legumi, arachidi e altra frutta secca. La produzione di un cibo ipoallergenico inizia con l identificazione dei principali allergeni. Gli studi dell ISPA riguardano soprattutto la produzione di allergeni puri per il miglioramento dei metodi diagnostici, la valutazione dell allergenicità residua in alimenti sottoposti a trattamenti tecnologici e l individuazione degli allergeni nascosti. Negli ultimi due anni sono stati identificati i Lipid Transfer Proteins (LTP) quali principali allergeni dei frutti delle Prunoidee ed è stata determinata la struttura primaria di quattro nuove LTP. Ciò ha permesso la produzione di succhi di pesca ipoallergenici. Proteine del latte Questa linea di ricerca mira ad identificare i veri allergeni del latte bovino e a perfezionare metodi analitici che possano individuare allergeni del latte nascosti in altri alimenti nonché ad individuare latte alternativi a quello bovino, che siano ipoallergenici e con proprietà nutrizionali 121

4 migliori, e a caratterizzare le proteine associate ai globuli di grasso del latte umano e bovino, completamente perse durante la fase di sgrassatura. Mediante tecniche proteomiche sono state recentemente individuate le classi e sottoclassi delle proteine del latte bovino maggiormente allergeniche, ed è stata messa in rete la prima mappa bidimensionale delle proteine associate ai globuli di grasso del latte umano. Fisiologia, tecnologia della frutta in post-raccolta, e lotta biologica ai patogeni Numerosi Paesi importatori di agrumi impongono appropriati trattamenti di quarantena contro la mosca mediterranea (Ceratitis capitata) e il frutto deve essere certificato come esente da infestazione. Su scala commerciale la disinfestazione dei frutti viene generalmente effettuata mediante esposizione a basse temperature. Poiché alcune cultivar di agrumi sono sensibili al freddo prima della quarantena vengono effettuati trattamenti con fitofarmaci per aumentare la tolleranza dei frutti alle basse temperature. Presso l ISPA vengono sperimentati metodi alternativi di difesa, al fine di ridurre le concentrazioni di fitofarmaci utilizzate nei trattamenti convenzionali. I metodi di controllo biologico dei patogeni di post-raccolta si fondano sullo sfruttamento della abilità antagonista della microflora presente sui vegetali. Oltre 2000 isolati batterici e di lieviti sono stati isolati da diversi frutti ospiti. Alcuni hanno mostrato interessanti proprietà antagoniste, basate principalmente sulla competizione per lo spazio e i nutrienti, nonché la incapacità di produrre composti nocivi per i consumatori, ed una significativa attività interspecifica verso numerose specie di patogeni esaminati. Metabolismo vegetale e miglioramento della qualità degli alimenti L attività di ricerca dell ISPA è orientata alla caratterizzazione delle vie metaboliche coinvolte nella biosintesi di metaboliti primari e secondari delle piante e delle cellule vegetali. Gli studi sono concentrati sulla biosintesi di molecole bioattive coinvolte nei processi d accumulo, secrezione e trasporto in piante e cellule vegetali e nella maturazione dei frutti. Le conoscenze biochimiche e molecolari possono consentire di migliorare il processo di produzione e utilizzo di biomolecole, quali proteine, enzimi e metaboliti secondari. In particolare l'attività dell area si sviluppa lungo due principali linee di ricerca. Applicazioni biotecnologiche di geni ed enzimi d origine vegetale d interesse agroindustriale Scopo di queste ricerche è la caratterizzazione di geni e dei relativi prodotti genici d origine vegetale, per utilizzazioni nel settore agro-industriale, ed in particolare: l identificazione in specie di interesse agrario di nuove sequenze di DNA o geni codificanti per proteine ed enzimi chiave responsabili della biosintesi di prodotti per l industria agroalimentare, e la produzione di prodotti d interesse industriale mediante interventi biotecnologici, utilizzando anche scarti della filiera agroalimentare. Sono state isolate sequenze che codificano gli enzimi lipossigenasi con lo scopo di mettere a punto un sistema per la produzione dell enzima in quantità sufficienti affinché possa essere utilizzato in batteria con altri enzimi, per la creazione di aromi nell industria alimentare. La cellula vegetale come fabbrica di biomolecole L obiettivo di queste ricerche è l'induzione della biosintesi di molecole antiossidanti in piante e cellule vegetali, da utilizzare nella produzione di alimenti importanti per la salute umana. Particolare attenzione è rivolta all individuazione di parametri ottimali per la produzione in vitro di tocoferoli ed antocianine da tessuti vegetali, all induzione di resveratrolo mediante l espressione d enzimi coinvolti nella via biosintetica di questo metabolita e alla produzione di licopene da pomodoro. La ricerca è finalizzata ad ottenere: molecole con proprietà antiossidanti che proteggono il sistema vascolare umano e prevengono l insorgenza di alcuni tipi di cancro; 122

5 una migliore produzione di antiossidanti naturali, da utilizzare in sostituzione di quelli sintetici; l eliminazione dei solventi organici nella fase estrattiva. Sistemi produttivi sostenibili dei prodotti orticoli freschi e trasformati Sistemi produttivi sostenibili I ricercatori dell ISPA affrontano la problematica relativa alla gestione ottimale della fertilizzazione minerale tramite strategie agronomiche basate sulla conoscenza della risposta fisiologica alla fertilizzazione, oltre che sull interazione con gli altri fattori agronomici e ambientali. Sono anche in corso studi sulle coltivazioni senza suolo, in particolare sull impiego di substrati ecocompatibili e sulla gestione della soluzione nutritiva con sistemi a ciclo chiuso. Vengono inoltre condotte ricerche sulle risposte fisiologiche di piante e frutti a stress biotici ed abiotici e, in particolare, sui fattori endogeni e sui meccanismi fisiologici di resistenza a patogeni in diverse specie ortofrutticole. Alcune ricerche sono finalizzate al controllo dell atrofia del capolino del carciofo indotta da salinità. Valore nutrizionale ed attitudine alla trasformazione delle produzioni ortofrutticole La determinazione del contenuto di fattori nutrizionali e antinutrizionali o potenzialmente tossici in ortaggi per il consumo fresco e da trasformazione consente di fare valutazioni in merito alla qualità e alla sicurezza di prodotti agroalimentari. Sono in corso studi per identificare colture orticole dotate di elevata attività antiossidante, come ad esempio il carciofo. Fattori nutrizionali possono essere impiegati per la produzione di alimenti funzionali come la pasta prebiotica arricchita di inulina (estratti da carciofo o cicoria) ed il licopene (estratto dal pomodoro). L ISPA sta individuando linee di pomodoro ad alto contenuto in licopene e sta mettendo a punto tecniche colturali per migliorare la produzione e il contenuto di licopene delle bacche. Qualità e salubrità dei prodotti animali e dei loro derivati Colture foraggiere Il divieto di impiego di proteine animali nell alimentazione dei ruminanti e l esigenza di realizzare modelli agricoli a basso impatto ambientale ha stimolato la ricerca di sistemi di produzione agro-zootecnica alternativi. In questo ambito l ISPA conduce ricerche sull impiego di alcune specie leguminose nell alimentazione dei ruminanti quali fonti proteiche diverse. Gli studi riguardano la definizione della qualità di leguminose foraggiere in relazione a fattori legati allo sviluppo ed alla modalità di conservazione, con particolare attenzione alle trasformazioni del contenuto proteico indotte dal processo di insilamento dei foraggi. Le ricerche riguardano inoltre la valutazione della contaminazione da micotossine in foraggi freschi e conservati e le conseguenze sui prodotti di origine animale destinati all alimentazione umana. Gli studi attuali mirano ad individuare specie foraggiere ad alto contenuto proteico ed elevato valore nutrizionale per i ruminanti, e la realizzazione dei protocolli per ottimizzarne la gestione e la conservazione. Alimenti funzionali Particolare attenzione viene rivolta allo studio degli alimenti dietetici o ad azione preventiva nei confronti delle patologie più temute. Le ricerche mirano alla produzione di alimenti ad alto contenuto di acidi grassi polinsaturi della serie n-3 nei pesci di allevamento, alimentati con diete a base di proteine vegetali, e all incremento di isomeri dell acido linoleico coniugato nelle carni e nel latte bovino, grazie ad opportune strategie alimentari. Tali ricerche dovrebbero portare allo sviluppo di diete integrate sia con oli essenziali sia con biomasse vegetali di basso costo o con prodotti innovativi quali le microalghe, e ad indicazioni sulla variazione stagionale degli acidi grassi di formaggi prodotti in azienda biologica. 123

6 I formaggi tradizionali: un patrimonio culturale e biologico da valorizzare L attuale tendenza ad esasperare le tecniche igieniche, senza aver prima provveduto ad un approfondito studio dei processi produttivi, rischia di provocare un drastico cambiamento nelle caratteristiche originarie delle produzioni casearie, con l estinzione di quei prodotti che maggiormente rappresentano un legame con le tradizioni culturali proprie di ciascuna area geografica, come ad esempio i formaggi prodotti nelle vallate alpine e prealpine, che costituiscono una fonte di reddito rilevante per le popolazioni del posto. Ridurre l'impiego di latte crudo, per esempio, provoca la perdita di una parte fondamentale della microflora lattica, naturale ed autoctona. La difesa di tali prodotti caseari tipici mediante lo studio della microflora caratteristica ed il mantenimento della biodiversità microbica rappresenta quindi un importante obiettivo. Da diversi anni l ISPA organizza programmi di ricerca per la difesa dei prodotti a latte crudo, definendo la composizione microbica di formaggi caprini e vaccini di interesse locale, puntando sulla qualità delle materie prime, sulla creazione di un sistema di controllo valido per le piccole realtà produttive e sulla stesura di flussi di processo per diversi prodotti. Obiettivo prioritario della ricerca è isolare, purificare e identificare la microflora lattica principale costituente e responsabile dei processi maturativi. Dei ceppi isolati vengono valutate le attitudini casearie. I ceppi ritenuti più interessanti, sulla base di questi caratteri fenotipici espressi costituiscono un'importante collezione di batteri utili (oltre 1500) originari di diverse nicchie produttive e rappresentativi della biodiversità riscontrabile nelle specifiche produzioni casearie della regione Lombardia. Si ringrazia il Dr Maurizio Vurro, dell Istituto di Scienze della Produzioni Alimentari del CNR per il contributo a questa rubrica 124