D.ssa Pozzo, qual è il significato di "fermentazione solida" in relazione ai cereali e perché è considerata importante?

Si tratta di un processo biotecnologico in cui i microrganismi, ovvero batteri, lieviti o funghi, crescono su un substrato solido senza la presenza di un mezzo liquido libero. In relazione ai cereali, la Ssf viene utilizzata per migliorare il loro profilo nutrizionale e la digeribilità, per produrre composti bioattivi utili, come polifenoli e peptidi, e per migliorare la biodisponibilità di minerali, come ferro, zinco, calcio. Inoltre, il processo di fermentazione solida migliora il sapore dei cereali rendendoli più gustosi e piacevoli da mangiare e ne prolunga la durata di conservazione grazie all’acidificazione e alla produzione di antimicrobici naturali. La Ssf, come processo biologico, non solo può raggiungere una produzione su larga scala e massimizzare il valore dei cereali in modo semplice, ma riduce anche i costi di investimento e di produzione e non produce una grande quantità di acque reflue. Negli ultimi anni, con l'approfondimento della ricerca correlata, la fermentazione allo stato solido è stata ampiamente riconosciuta e applicata.

In che modo la fermentazione solida influisce sui composti fenolici presenti nei cereali?

La maggior parte dei composti fenolici nei cereali è legata ai componenti della parete cellulare come cellulosa, emicellulosa, lignina e pectina, con riso integrale, mais e grano che contengono le percentuali più elevate di fenoli legati, rispettivamente all'88%, all'85% e al 75%. Questi fenoli sono legati tramite legami eterei o esteri. La Ssf aumenta il contenuto fenolico dei cereali grazie all’attività degli enzimi batterici che rompono questi legami, rilasciando fenoli solubili. Sono stati segnalati aumenti significativi dei fenoli solubili/liberi a partire dai fenoli legati. Per esempio, è stato dimostrato che il contenuto fenolico totale nel tef è aumentato dal 14-17% al 17-32% dopo la fermentazione, con un aumento significativo dei fenoli liberi. Gli enzimi che scompongono attivamente la struttura dei fenoli legati dipendono principalmente dal tipo di microrganismo utilizzato. I composti fenolici in forma libera sono fondamentali per la salute in quanto sono più digeribili e facilmente assorbiti nell'intestino tenue e distribuiti in modo efficiente in tutto il corpo.

Quali tipi di microrganismi sono comunemente utilizzati nella fermentazione solida dei cereali e quali effetti possono avere sul rilascio di composti fenolici?

Una vasta gamma di ceppi microbici, come batteri dell'acido lattico, Acetobacter, Micrococcaceae, lievito, funghi o una miscela di questi microrganismi, sono tipicamente utilizzati nella fermentazione e sono responsabili della biotrasformazione dei substrati in composti fenolici. A seconda del tipo di microrganismo utilizzato, l'interazione microbica con i componenti dell'impasto di cereali può aumentare i livelli di molecole bioattive con funzioni nutraceutiche

I batteri lattici, in particolare i Lactobacillus, sono i microrganismi più ampiamente utilizzati per la Ssf dei cereali. È stato segnalato che il gruppo dei Lactobacillus aumenta il contenuto di importanti composti fenolici durante la Ssf di vari cereali, come l'acido transferulico, l'acido p-cumarico, l'acido vanillico, l'acido caffeico, l'acido siringico e l'acido gallico. Inoltre, in alcuni studi è stato osservato l’aumento di altri fenoli comuni, come l’acido clorogenico, l’acido sinapico, l’epicatechina, la quercetina, la rutina, la vitexina, l’acido 4-idrossibenzoico, l’acido diidroferulico e l’acido benzoico.

Oltre ai batteri lattici, anche il fungo Aspergillus è comunemente impiegato nella fermentazione dei cereali. Aspergillus aumenta significativamente i composti fenolici nei cereali fermentati, in particolare l'acido ferulico e l'acido p-cumarico. Le specie di Aspergillus producono xilanasi ed esterasi dell'acido ferulico durante la Ssf che sono altamente efficaci nella scomposizione dell'emicellulosa e nel rilascio di fenoli. È interessante notare che Aspergillus produce anche polisaccaridi benefici per la salute, come β-glucani e galattomannani.

Un altro gruppo di funghi comunemente utilizzato nella fermentazione dei cereali è Rhizopus, in particolare Rhizopus oryzae e Rhizopus oligosporus. A differenza dei batteri lattici e dell’Aspergillus, gli enzimi primari prodotti da Rhizopus non sono l'esterasi dell'acido ferulico e la xilanasi. Rhizopus, infatti, produce enzimi come amilasi, proteasi, lipasi, fitasi, cellulasi ed emicellulosa. La Ssf con Rhizopus migliora significativamente diversi importanti fenoli come acido ferulico, acido vanillico e acido caffeico. 

In generale, i microrganismi utilizzati nella fermentazione solida dei cereali svolgono ruoli cruciali, come migliorare la digeribilità, arricchire il profilo nutrizionale, preservare il prodotto e conferire importanti caratteristiche sensoriali desiderabili. La scelta dei microrganismi dipende dal tipo di cereale che si vuole fermentare e dalle specifiche esigenze di fermentazione.

Oltre all'aumento dei composti fenolici, quali altri benefici per la salute possono derivare dalla fermentazione dei cereali?

I prodotti fermentati a base di cereali stanno riscuotendo un crescente interesse da parte delle persone grazie ai loro benefici per la salute. La fermentazione dei cereali offre un gran numero di vantaggi, tra cui il miglioramento della sicurezza alimentare, del sapore e dell'accettabilità, il miglioramento del valore nutrizionale, la riduzione dei composti antinutrizionali e l’aumento dei benefici per la salute, tra cui effetti antiossidanti, antinfiammatori e protettivi per gli organi. I cereali fermentati ospitano una varietà di microrganismi benefici che possono sopravvivere alla digestione e potenzialmente influenzare la salute. Per esempio, con la fermentazione aumenta la biodisponibilità di minerali essenziali come calcio, potassio e ferro, poiché i microrganismi degradano composti anti-nutrizionali come fitati e tannini presenti nei cereali, che riducono l’assorbimento dei minerali. Alcuni microrganismi producono vitamine del gruppo B, K e antiossidanti durante la fermentazione, arricchendo naturalmente gli alimenti di questi micronutrienti. In alcuni casi, dalla degradazione delle proteine producono peptidi bioattivi, che possono ridurre l'infiammazione ed avere effetti antipertensivi. Gli alimenti fermentati possono anche contribuire all’equilibrio del microbiota intestinale, favorendo la crescita di microrganismi benefici e riducendo quelli dannosi. Sebbene alcuni alimenti fermentati contengano microrganismi vivi, non tutti possono essere considerati come probiotici. Infatti, il termine probiotico può essere utilizzato solo per ceppi di microrganismi ben caratterizzati e testati in vitro ed in vivo, che riescano ad arrivare vivi e vitali nell’intestino. Tuttavia, anche se in alcuni alimenti fermentati i microrganismi non sono più vivi, essi possono comunque esplicare un’attività benefica mediata dai metaboliti prodotti nell’alimento stesso, come gli acidi grassi a corta catena (Short Chain Fatty Acids, SCFA) e, per questo motivo, possono essere considerati come postbiotici. Infine, i prodotti fermentati a base di cereali forniscono scelte dietetiche alternative per coloro che sono intolleranti al lattosio, hanno allergie ai latticini o preferiscono una dieta a basso contenuto di grassi.

Quali prove scientifiche supportano il ruolo dei composti fenolici derivati da cereali fermentati nell'attenuazione delle malattie del fegato?

Le attività biologiche dei cereali fermentati, esplorate attraverso numerosi studi in vitro, sottolineano il loro potenziale di migliorare la salute del fegato principalmente attraverso le loro robuste proprietà antiossidanti. Lo stress ossidativo, un fattore significativo che contribuisce a malattie del fegato come l'epatite virale B o C, la steatosi epatica alcolica, la malattia epatica associata a disfunzione metabolica o Masld, la steatoepatite associata a disfunzione metabolica o Mash, la fibrosi epatica, la cirrosi e il carcinoma epatocellulare, deriva dal metabolismo anaerobico e da varie condizioni patologiche. Molti composti fenolici che aumentano con la Ssf sono stati ampiamente studiati, principalmente su modelli animali e hanno dimostrato un potenziale nel promuovere la salute del fegato attenuando varie malattie epatiche.

Quali specifici composti fenolici presenti nei cereali fermentati sono stati associati a effetti protettivi contro le malattie del fegato e attraverso quali meccanismi agiscono?

Tra i composti fenolici, l’acido trans-ferulico, l’acido p-cumarico, l’acido gallico, l’acido caffeico, l’acido vanillico, l’acido sinapico, l’acido siringico, l’acido clorogenico, la luteolina, l’apigenina, l’γ-orizanolo, l’epicatechina, la rutina, la quercetina e la vitexina sono quelli più comunemente potenziati durante la fermentazione dei cereali. Questi composti hanno dimostrato proprietà epatoprotettive mostrando significativi effetti antiossidanti, riducendo le attività degli enzimi epatici, riducendo i marcatori dello stress ossidativo e aumentando gli enzimi antiossidanti endogeni come glutatione perossidasi, catalasi e superossido dismutasi. Inoltre, sono in grado di diminuire le citochine proinfiammatorie come il fattore di necrosi tumorale-α e l'interleuchina-6, promuovere le citochine antinfiammatorie, come l'interleuchina-10 e diminuire i livelli di ossido nitrico. Hanno dimostrato di essere in grado di alleviare efficacemente la necrosi epatocellulare causata dallo stress ossidativo e dall'infiammazione regolando positivamente l'espressione degli antiossidanti endogeni tramite fattore nucleare Nrf2 e inibendo la segnalazione proinfiammatoria mediata dal fattore nucleare kappa B.

In che modo la fermentazione dei cereali può influenzare il metabolismo lipidico e potenzialmente prevenire la steatosi epatica non alcolica?

Un aspetto significativo che i cereali fermentati esercitano sulla salute del fegato per cui hanno dimostrato di essere promettenti nell'attenuare la steatosi è la regolazione del metabolismo dei lipidi. Sia gli studi in vitro che quelli in vivo indicano che i cereali fermentati possono ridurre l'accumulo di lipidi a livello epatico. Per esempio, è stato dimostrato che la crusca di riso fermentata con Lactobacillus fermentum MF423 ha aumentato il consumo di glucosio e ridotto l'accumulo di lipidi, un fattore critico nella prevenzione della progressione verso condizioni epatiche più gravi, su cellule epatiche insulino-resistenti. Ciò è stato ulteriormente supportato da uno studio sul modello animale, in cui il trattamento con crusca di riso fermentata con Lactobacillus fermentum MF423 ha comportato una riduzione del danno alle cellule epatiche e un minor numero di accumulo di goccioline lipidiche. Analogamente, è stato scoperto che l'orzo fermentato con Lactiplantibacillus plantarum dy-1 è in grado di alleviare la deposizione di lipidi nelle cellule epatiche ad alto contenuto di grassi inibendo la biosintesi degli acidi grassi insaturi. Questi risultati in vitro sono supportati da studi in vivo che hanno mostrato una diminuzione di trigliceridi, colesterolo totale e acidi grassi liberi nel fegato di ratti alimentati con una dieta ricca di grassi quando trattati con brodo di fermentazione di orzo nero. Questi studi suggeriscono collettivamente che i cereali fermentati possono modulare efficacemente il metabolismo dei lipidi, offrendo una potenziale strategia per prevenire e gestire la malattia epatica associata a disfunzione metabolica.

Quali sono le implicazioni future della ricerca sui cereali fermentati e le malattie del fegato, e quali ulteriori studi sono necessari?

Gli studi recenti hanno dimostrato che molti dei composti fenolici potenziati durante la Ssf possiedono effetti epatoprotettivi, come dimostrato sia nei modelli animali in vivo che negli studi in vitro. Tuttavia, la maggior parte delle ricerche esistenti è stata condotta su animali o in vitro utilizzando cellule epatiche, con una mancanza di studi sull'uomo. Nel complesso, la ricerca in corso sulla fermentazione dei cereali e sui loro composti bioattivi promette di sviluppare strategie dietetiche per migliorare la salute del fegato e ridurre il carico globale delle malattie epatiche. Pertanto, la ricerca futura dovrebbe concentrarsi su sperimentazioni cliniche per esplorare ulteriormente il potenziale terapeutico dei cereali fermentati nella prevenzione e nella gestione delle malattie epatiche.

Nicola Miglino