Descrizione del modulo "Biotrasformazioni microbiologiche ed enzimatiche per lo sviluppo eco-sostenibile dei settori agricolo, forestale e alimentare (SV.P14.012.001)"

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  • Descrizione del modulo "Biotrasformazioni microbiologiche ed enzimatiche per lo sviluppo eco-sostenibile dei settori agricolo, forestale e alimentare (SV.P14.012.001)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • I prodotti derivanti dalla biotrasformazione dei materiali di scarto delle produzioni agro-alimentari, in particolare quelli lignocellulosici, sono provvisti di attività antiossidante, prebiotica (stimolante della crescita dei batteri del colon), rappresentano il prodotto di partenza per la sintesi di alcune classi di farmaci (ad es. arabinosio per gli antivirali) e per la produzione di biocarburanti come il bioetanolo. Pertanto, le caratteristiche di questi prodotti li rendono utili alla salute dell'uomo e contribuiscono al miglioramento della qualità della vita. Inoltre, la possibilità di esaltare alcune caratteristiche organolettiche e nutrizionali di alimenti tipici, attraverso studi di metabolismo ed enzimatici che consentiranno di introdurre modifiche innovative alle tecnologie di produzione, porterà all'ottenimento di prodotti ad elevato contenuto nutraceutico e funzionale. (literal)
Tematiche di ricerca
  • La ricerca che si intende svolgere riguarda lo studio di nuovi enzimi e microrganismi adatti ad operare processi innovativi di biotrasformazione (anche in bioreattori) per lo sviluppo eco-sostenibile dei settori agricolo, forestale ed alimentare. Nell'ambito di queste tematiche verranno seguite 2 principali linee di ricerca. La prima prevede lo sviluppo di bioprocessi miranti ad un utilizzo integrato del sistema agro-industriale attraverso la trasformazione dei residui (es. quelli lignocellulosici) in biocarburante (bioetanolo) o prodotti ad alto valore aggiunto (molecole bioattive provviste di attività antiossidante, antimicrobica, antivirale o antitumorale quali oli essenziali, polifenoli, vitamine, ecc. o ad attività prebiotica). La seconda sarà focalizzata sullo studio dei meccanismi molecolari che determinano la produzione di metaboliti che influenzano la qualità e la tipicità degli alimenti allo scopo di valorizzarne le produzioni con l'incremento dei valori nutrizionali, proprietà nutraceutiche e funzionali. Verranno inoltre effettuati degli studi per l'ottimizzazione di processi di fermentazione per l'ottenimento di enzimi da usare nelle biotrasformazioni. (literal)
Competenze
  • Il personale afferente alla commessa possiede una lunga e comprovata esperienza nel campo dell'enzimologia, biochimica, biologia molecolare e microbiologia, con particolare riferimento allo studio dei microrganismi estremofili e agli enzimi dotati di peculiari caratteristiche isolati da essi. Tali competenze sono riconosciute a livello nazionale e internazionale dalle collaborazioni in atto, dalle pubblicazioni su riviste peer-reviewed e dal coinvolgimento in convegni scientifici. Negli ultimi anni i ricercatori afferenti alla commessa si sono dedicati in maniera particolare allo studio di attività enzimatiche, stabili e termotolleranti, da utilizzare in processi di biotrasformazione innovativi. Tra queste sono state isolate e caratterizzate, da microrganismi termofili, cellulasi, xilanasi, e glucosidasi per applicarle in processi di degradazione di scarti lignocellulosici. Nel campo agro-alimentare le competenze di biochimica ed enzimologia del personale sono state utilizzate in progetti di ricerca che hanno consentito di individuare e valutare molecole (anche biologicamente attive) in alimenti tipici e di aumentare le loro caratteristiche nutraceutiche e funzionali. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • L'oggetto della ricerca prevede la valorizzazione dei residui delle lavorazioni, mediante processi sostenibili ed eco-compatibili che li trasformino in intermedi da reintrodurre nei cicli delle produzioni alimentari, cosmetiche e/o farmaceutiche o da destinare alla produzione di biocarburanti. In particolare, la commessa si occuperà del recupero di molecole bioattive, quali quelle provviste di attività antiossidante, antimicrobica e antitumorale e molecole dotate di attività prebiotica. Ulteriori composti bioattivi ottenibili da questi bioprocessi innovativi comprendono zuccheri semplici destinati alla produzione di sciroppi, di bioetanolo e di farmaci antivirali (es: arabinosio). E' inoltre prevista la realizzazione di processi fermentativi fino alla scala dei 100 litri per la produzione di quantità adeguate di microrganismi necessari all'ottenimento degli enzimi da usare nei processi di biotrasformazione. Infine, la presente commessa si occuperà anche dell'ottimizzazione dei processi di produzione di alimenti tipici attraverso uno studio approfondito delle condizioni maggiormente favorevoli all'incremento delle proprietà nutraceutiche e funzionali. (literal)
Tecnologie
  • Tra le metodologie di intervento impiegate in questa commessa un posto predominante rivestono i pre-trattamenti a cui gli scarti agro-industriali saranno sottoposti. Si tratta di metodi fisici, chimici e/o biologici (steam-explosion, trattamento con acidi o alcali, impiego di enzimi come le laccasi, ecc.) atti a rendere più efficiente il successivo processo di degradazione enzimatica della matrice lignocellulosica per la produzione di molecole bioattive e biocarburanti. Altre metodologie impiegate si basano sull'identificazione mediante genomica e proteomica di enzimi di possibile applicazione biotecnologica e sulla loro espressione in diversi organismi per uno scale-up produttivo mediante experimental design e fermentazione in impianto pilota. Lo studio dei processi metabolici che determinano la sintesi di biomolecole ad attività nutraceutica e funzionale in alimenti tipici fornirà informazioni per l'implementazione di tecnologie di produzione innovative. (literal)
Obiettivi
  • La commessa intende sviluppare una ricerca che si inquadra, trasversalmente, nei settori agricolo, forestale ed alimentare. Gli obiettivi delle attività di ricerca della commessa prevedono, in un'ottica di sviluppo integrato del sistema agro-industriale, la valorizzazione dei residui delle lavorazioni mediante processi sostenibili ed eco-compatibili che li trasformino in intermedi da reintrodurre nei cicli delle produzioni alimentari, cosmetiche e/o farmaceutiche o da destinare alla produzione di biocarburanti. Un altro obiettivo fondamentale che verrà perseguito sarà l'individuazione di biomolecole legate a processi metabolici mediate da microrganismi e/o enzimi che influenzano le caratteristiche organolettiche di alimenti tipici in modo da ottenere dei prodotti nutraceutici e funzionali. I processi di biotrasformazione verranno ottimizzati attraverso uno studio approfondito delle condizioni maggiormente favorevoli al recupero delle molecole bioattive quali, ad esempio, l'impiego di enzimi immobilizzati su adeguati supporti prendendo in considerazione anche enzimi provenienti da microrganismi estremofili, in particolare termofili. (literal)
Stato dell'arte
  • I comparti industriali che vedono coinvolti i settori agro-forestale ed alimentare producono una quantità di residui vegetali che sono fonti di inquinamento e, nello stesso tempo, sono costosi da trattare. Alla luce delle attuali considerazioni economiche ed ambientali, risulta che l'eliminazione di tali scarti rappresenta un problema per l'ambiente e varie strategie sono state proposte circa l'utilizzo di tali residui. In questo contesto, la valorizzazione degli scarti agro-industriali, principalmente costituiti da biomasse lignocellulosiche, mediante processi di trasformazione enzimatica e/o microbiologica a molecole utili per l'industria alimentare, cosmetica e farmaceutica o utilizzabili per la produzione di biocarburanti rappresenta una valida soluzione. Recentemente diversi enzimi per la realizzazione di processi di biotrasformazione innovativi sono venuti dallo studio della biodiversità microbica, anche di ambienti estremi, attraverso l'individuazione di microrganismi contenenti enzimi capaci di operare anche in presenza di sostanze inibitorie o tossiche come quelle che normalmente si ritrovano in tali tipi di scarti. (literal)
Tecniche di indagine
  • Le metodologie di indagine impiegate in questa commessa utilizzate per la realizzazione e lo studio dei bioprocessi di trasformazione comprendono: screening di nuovi microrganismi che vivono in ambienti estremi per l'individuazione, l'isolamento e la caratterizzazione di nuovi enzimi da impiegare nei bioprocessi; sviluppo di processi con l'impiego di enzimi (anche già disponibili) per la trasformazione degli scarti agro-industriali; tecniche di purificazione delle proteine; saggi enzimatici; immobilizzazione di enzimi; tecniche cromatografiche per la determinazione dell'efficienza di degradazione enzimatica o microbiologica attraverso l'analisi qualitativa e quantitative delle molecole bioattive prodotte mediante GC-LC e HPLC. Individuazione e quantizzazione di biomolecole nutraceutiche e ad azione funzionale in alimenti tipici. Tecniche di fermentazione, experimental design e scale-up (anche ad elevate temperature). (literal)
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