Nuove tecnologie alimentari: un modo per aiutare a nutrire la popolazione in crescita
Poiché la popolazione mondiale è destinata a raggiungere circa 10 miliardi di persone entro il 20501, dobbiamo produrre più cibo. Tuttavia, espandere il settore agricolo non è la risposta adeguata, poiché il suolo arabile disponibile non è sufficiente. Possono le nuove tecnologie alimentari fornire una fonte alimentare alternativa e migliorare al contempo la sostenibilità della produzione alimentare globale in termini di impatto climatico, utilizzo di suolo e risorse e dell'impronta ambientale complessiva?
Nutrire una popolazione in crescita
Tra le molte sfide che il sistema alimentare globale si trova attualmente ad affrontare, quella di nutrire una popolazione in rapida crescita è la più urgente. Si prevede che, entro il 2050, la popolazione mondiale aumenterà di oltre il 25% rispetto al 2020, arrivando a circa 10 miliardi di persone1. Tuttavia, poiché i sistemi alimentari sono già responsabili di oltre un terzo delle emissioni di gas effetto serra2 e dipendono fortemente dalle pratiche agricole e industriali a utilizzo intensivo delle risorse, espandere semplicemente queste pratiche e consumare le risorse alla velocità attuale non è una risposta sostenibile.
La mancanza di sufficiente suolo arabile è solo uno degli aspetti. Poiché probabilmente la crescita della popolazione mondiale sarà notevolmente concentrata in Africa e nelle aree meridionali e orientali dell'Asia, l'insicurezza alimentare e l'accesso delle persone a una dieta sana e nutriente diventeranno problemi sempre più pressanti. Altrettanto problematica sarà la perdita costante di biodiversità a causa dell'uso eccessivo di acqua, suolo e prodotti agrochimici.
In che modo le nuove tecnologie alimentari possono intervenire?
Le nuove tecnologie alimentari potrebbero fornire una soluzione possibile a questi problemi. Sebbene i nuovi alimenti possano coprire una vasta gamma di tecnologie proteiche alternative, in questo ambito ci riferiamo principalmente a due tecnologie basate sulla fermentazione: la fermentazione della biomassa, in cui i prodotti ricchi di sostanze nutritive analoghi alle proteine convenzionali sono realizzati con microrganismi quali i funghi, e la fermentazione di precisione, in cui i microrganismi vengono utilizzati come "fabbriche cellulari" per la creazione di altri ingredienti funzionali.
Come modalità per produrre tali proteine alternative, entrambi i metodi condividono vantaggi specifici rispetto alle pratiche agricole attuali, tra cui uno dei più importanti è la notevole riduzione della quantità di suolo necessario per la produzione3. Rispetto alle proteine convenzionali, queste proteine alternative richiedono meno input per produrre le sostanze nutritive e le calorie equivalenti e ciò si traduce in un consumo ridotto di energia e di altre risorse naturali mediante la catena di produzione3. Tuttavia, ogni tecnologia ha anche una serie specifica di considerazioni da tenere a mente in relazione al rispettivo impatto climatico e alle implicazioni dell'adozione su vasta scala.
Fermentazione della biomassa
Quando si tratta dell'aspetto della sostenibilità della fermentazione della biomassa "il settore degli alimenti e delle bevande è solo all'inizio della curva di apprendimento", afferma Lilly Li, Sustainability Manager di Tetra Pak. "A seconda della precisione con cui si produce il processo e del relativo impatto in termini di acqua, suolo, utilizzo di energia e rifiuti la situazione può variare".
Le micoproteine (biomassa proteica fungina) costituiscono attualmente gli ingredienti principali utilizzati per la produzione di sostituti vegetariani e vegani della carne tramite la fermentazione della biomassa. Gli studi iniziali suggeriscono che sostituire il manzo nelle diete globali con tali micoproteine potrebbe avere un effetto significativo sulla deforestazione e sulle emissioni di CO2.
Fonte: Humpenöder, F. et al. Nature 605, 90–96 (2022).
Analogamente, un'analisi dell'impatto ambientale delle micoproteine, incluse le impronte ambientali dell'utilizzo di suolo, acqua e carbone per ciascun prodotto proteico, rispetto ai prodotti paragonabili, ad esempio le proteine di origine animale e vegetale per il consumo umano, tramite un approccio dell'analisi del ciclo di vita produce risultati altrettanto incoraggianti.
Il vantaggio maggiore proviene dall'utilizzo del suolo. Come dimostra il grafico seguente, i prodotti alimentari realizzati con metodi tradizionali, come carne di manzo tritata, tagli di prima scelta di carne suina e petto di pollo, richiedono uno spazio di gran lunga maggiore per produrre la quantità equivalente di proteine rispetto alle microproteine (quasi 80 volte più efficiente se paragonato alla carne di manzo tritata svedese)5.
Fonti: Quorn Carbon-Trust-Comparison-Report-2022.pdf; Quorn Sustainability-Report-2022.pdf, Mycorenaimpact report 2022; J Hadi, G Brightwell-Foods, 2021
Le micoproteine inoltre utilizzano meno acqua in termini di litri per chilogrammo richiesti per produrre un prodotto proteico finito (l/kg). Per un principale produttore di micoproteine, questa cifra è solo 31 l/kg, quindi il 62% più efficiente rispetto al tofu, il 71% più efficiente rispetto ai semi di soia e l'84% più efficiente rispetto alla carne tritata svedese6.
Fonti: Quorn Carbon-Trust-Comparison-Report-2022.pdf; Quorn Sustainability-Report-2022.pdf, Mycorenaimpact report 2022; J Hadi, G Brightwell-Foods, 2021
Nel complesso, ciò significa che l'impronta ambientale totale, definita come tutti i gas effetto serra rilasciati dai vari processi richiesti per realizzare il prodotto proteico finito dalle materie al trattamento, per le micoproteine è notevolmente inferiore: solo 0,79 kg di CO2e/kg per un principale produttore di micoproteine. Ciò rappresenta una riduzione dell'82% rispetto al petto di pollo, una riduzione del 92% rispetto ai tagli di prima scelta di carne suina e del 98% rispetto alla carne di manzo tritata svedese7.
Fonti: Quorn Carbon-Trust-Comparison-Report-2022.pdf; Quorn Sustainability-Report-2022.pdf, Mycorenaimpact report 2022; J Hadi, G Brightwell-Foods, 2021
Fermentazione di precisione
Secondo Ashish Acharya, Food Technology Manager di Tetra Pak, vi sono due filoni distinti di fermentazione di precisione, entrambi da considerare separatamente: l'utilizzo di tale tecnica per biomateriali e nel settore biofarmaceutico e il suo impiego per la generazione di nuovi componenti alimentari. "La fermentazione di precisione non è nuova: è stata utilizzata per molti anni, in alcuni casi perfino decenni, per produrre o raccogliere componenti rari o complessi che avrebbero altrimenti richiesto il consumo di enormi quantità di risorse o che è impossibile ottenere naturalmente", afferma. Gli esempi includono molti ingredienti alimentari e prodotti nutritivi diversi come la chimosina, componente chiave del caglio, utilizzato nella produzione di formaggio, e gli oligosaccaridi presenti nel latte umano, elemento vitale della nutrizione infantile.
"Alcuni di questi processi di fermentazione richiedono un consumo intensivo di acqua e di energia ma, nel caso di alcuni elementi, ad esempio gli oligosaccaridi, produrli naturalmente su larga scala è impossibile. Ovviamente, possiamo prendere in considerazione metodi per riciclare il calore, purificare le acque reflue e implementare alcune delle nostre altre tecnologie avanzate per rendere il processo più efficiente ma, attualmente, non vi sono alternative di produzione per questi componenti".
Tuttavia, la fermentazione di precisione sta diventando sempre più importante, anche dal punto di vista della sostenibilità, in relazione alla produzione di proteine del latte e animali. "Se si osserva l'impatto crescente delle pratiche agricole industriali sulla deforestazione o sulle emissioni di gas effetto serra, si nota che la fermentazione di precisione può aiutare ad affrontare alcuni di questi problemi", afferma Acharya. "Ad esempio, le proteine del latte: in futuro, grazie agli ulteriori avanzamenti nella fermentazione di precisione, non sarà necessario lo stesso numero elevato di mucche, quindi non sarà necessario utilizzare gli stessi quantitativi di suolo, acqua, cibo per gli animali e nemmeno gli stessi volumi di terreno per produrre tale cibo. Si ridurrebbero inoltre le emissioni di gas metano associate al bestiame, un gas effetto serra con un impatto 25 volte maggiore della CO28".
La stessa considerazione può essere fatta per il manzo, un prodotto che, afferma Acharya, "si ritiene abbia il maggiore impatto negativo in termini di cambiamento climatico9", e per altre proteine animali. Mediante l'utilizzo della fermentazione della biomassa e di precisione su vasta scala potremmo ridurre significativamente aspetti sostanziali dell'impatto climatico relativi alla catena di produzione: deforestazione, acqua per gli animali e suolo necessario per il pascolo e la produzione di cibo per gli animali.
Affrontare il problema dei rifiuti e dei sottoprodotti
Tuttavia, la fermentazione della biomassa e di precisione producono rifiuti e sottoprodotti, fattori da considerare quando si valuta l'impatto climatico complessivo del processo. "Entrambe le tipologie di fermentazione producono una rilevante quantità di gas", afferma Acharya. "Nella maggior parte dei casi, si tratta di CO2, ma questi processi emettono anche altri gas, a seconda di quale composto si produce, del tipo di fermentazione e del tipo di microrganismo utilizzato". Grazie agli avanzamenti nella biotecnologia, forse in futuro questi gas potrebbero essere purificati o reimmessi nel ciclo come carbonio da utilizzare come materia prima. Attualmente, sono in corso molte ricerche in questo settore10.
Vi è inoltre il problema dei microrganismi dopo l'utilizzo e di come trattare tale materiale di scarto. La fermentazione di precisione implica la modifica del genoma dei microbi utilizzati; di conseguenza, esiste un severo quadro regolatore per il trattamento di tali prodotti di scarto.
"Attualmente, viene eseguito un processo definito distruzione dell'OGM (Organismo Geneticamente Modificato)", afferma Acharya. "Si aggiunge idrossido di sodio concentrato e si aumenta il pH a >11; in tal modo, si neutralizza e si denatura/deframmenta tutto il DNA". A seconda del livello di contenimento dell'OGM specifico, il materiale di scarto viene trattato diversamente, ma l'obiettivo finale è lo stesso: nessun materiale genetico attivo deve essere rilasciato nell'ambiente11.
"Gli OGM con un livello di contenimento inferiore possono essere distrutti tramite disinfezione chimica e/o trattamento a caldo", afferma Christina Schornack, Equipment Safety Specialist di Tetra Pak. "È il livello di contenimento che specifica i requisiti della procedura di trattamento12: ciò protegge coloro che lavorano con agenti patogeni, la comunità più ampia e l'ambiente, soprattutto in relazione al trattamento dei rifiuti".
Inoltre, aggiunge Lilly Li, "i rifiuti OGM richiedono un Life Cycle Assessment su vasta scala, soprattutto in relazione ai potenziali rischi di tossicità per gli ecosistemi e gli esseri umani". Sono in corso ricerche anche sul riciclo o sul riutilizzo di questo flusso di rifiuti, afferma Li, particolarmente per quanto riguarda la fermentazione della biomassa. "Le potenzialità di riutilizzo e recupero di una quantità sostanziale di acqua dai flussi dei rifiuti della fermentazione della biomassa sono significative", afferma Li. "Prevediamo di vedere ulteriori risultati dal settore di ricerca e sviluppo nell'integrazione dei concetti di circolarità nella progettazione del processo nei prossimi anni".
Attualmente sono disponibili dati molto limitati sui confronti diretti tra i prodotti realizzati con metodi tradizionali e quelli che integrano le proteine realizzate con fermentazione di precisione. "Questo tipo di produzione degli ingredienti è ancora nella fase iniziale, ma si sta sviluppando rapidamente", afferma Acharya. "Esistono quindi valutazioni del ciclo di vita sul processo utilizzato per produrre componenti singoli, come le proteine del latte, ma si tratta solo di un composto nel prodotto finale: non è lo spettro completo dei componenti del latte prodotti utilizzando la fermentazione di precisione".
Tuttavia, per Acharya, le potenzialità della fermentazione di precisione e della biomassa appaiono evidenti. "Le possibilità sono enormi, soprattutto se si considera la creazione di alimenti funzionali: realizzare proteine superiori a livello nutritivo ed eliminare le allergie alle proteine", afferma Acharya. "Se esaminiamo l'attuale resa dei componenti proteici di interesse che è possibile produrre in base al tempo e al volume, nel corso dei prossimi cinque anni circa saremo in grado di aumentare l'efficienza del processo di fermentazione e di conseguenza la resa di un fattore di cinque o sei. Potremo quindi vedere simultaneamente l'implementazione su vasta scala a livelli commerciali. Sarà un vero punto di svolta".
Link correlati
Note a piè di pagina:
- Fonte: https://sdg.iisd.org/news/world-population-to-reach-9-9-billion-by-2050/
- Fonte: https://www.unido.org/stories/new-research-shows-food-system-responsible-third-global-anthropogenic-emissions
- Fonte: https://gfi.org/blog/regenerative-agriculture-and-alternative-proteins/
- Fonte: Humpenöder, F. et al. Nature 605, 90-96 (2022).
- L'impronta ambientale relativa al suolo si riferisce all'area fisica richiesta per realizzare il prodotto finito. Per la carne, ciò include principalmente la terra su cui il bestiame viene allevato (ad esempio il terreno su cui vive il bestiame) e il suolo utilizzato per produrre il cibo consumato dal bestiame. L'impronta ambientale relativa al suolo è espressa in termini di metri quadrati annui per kg di prodotto finito come proteine o proteine contenute nell'alimento (m2a/kg).
Fonti per i dati: Quorn Carbon-Trust-Comparison-Report-2022.pdf; Quorn Sustainability-Report-2022.pdf, Mycorenaimpact report 2022; J Hadi, G Brightwell-Foods, 2021 - La quantità totale di acqua utilizzata durante i processi richiesti per realizzare il prodotto finito. Include l'acqua consumata dagli animali (ad esempio l'acqua bevuta dal bestiame), l'acqua utilizzata per produrre il cibo e far crescere i raccolti e l'acqua consumata durante il trattamento dei prodotti. L'impronta idrica è espressa in litri per kg di prodotto proteico finito (l/kg).
Fonti per i dati: Quorn Carbon-Trust-Comparison-Report-2022.pdf; Quorn Sustainability-Report-2022.pdf, Mycorenaimpact report 2022; J Hadi, G Brightwell-Foods, 2021 - Le unità di misura sono espresse in equivalente di anidride carbonica (CO2e). CO2e è un'unità di riferimento per accedere al potenziale riscaldamento globale di vari gas effetto serra, ad esempio anidride carbonica e metano. L'impronta ambientale è espressa in kg di CO2e per kg di prodotto finito come proteine o proteine contenute nell'alimento (kg CO2e/kg).
Fonti per i dati: Quorn Carbon-Trust-Comparison-Report-2022.pdf; Quorn Sustainability-Report-2022.pdf, Mycorenaimpact report 2022; J Hadi, G Brightwell-Foods, 2021 - Fonte: https://www.epa.gov/gmi/importance-methane#:~:text=Methane%20is%20more%20than%2025,due%20to%20human%2Drelated%20activities
- Fonte: https://www.nature.com/articles/s43016-021-00358-x
- Fonte: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S095816692200057X
- Fonte: The Alkaline Denaturation of DNA Biophys J. 1969 Nov; 9(11): 1281–1311.
- Riferimento alla DIRETTIVA 2009/41/CE DEL CONSIGLIO E DEL PARLAMENTO EUROPEO del 6 maggio 2009 sull'utilizzo contenuto di microrganismi geneticamente modificati