Microalghe come fonti sostenibili di ferro

Metodologia e disegno sperimentale

Il team di ricerca ha studiato tre specie di microalghe: Arthrospira platensis (Spirulina), Galdieria sulphuraria e Chlorella vulgaris, coltivandole in condizioni autotrofiche, eterotrofiche e mixotrofiche utilizzando sia terreni standard che arricchiti di ferro (Gao et al., 2025). Lo studio ha impiegato il protocollo standardizzato INFOGEST 2.0 per simulare la digestione gastrointestinale, una metodologia ampiamente riconosciuta per valutare la bioaccessibilità dei nutrienti (Brodkorb et al., 2019). L’analisi del contenuto di ferro è stata eseguita utilizzando la spettrometria di massa con plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS) dopo digestione acida assistita da microonde, per garantire una quantificazione precisa delle frazioni di ferro sia totale che bioaccessibile.

Una considerazione metodologica di rilievo ha comportato l’implementazione di rigorosi protocolli di lavaggio per distinguere tra ferro legato alla superficie (biosorbito) e intracellulare (bioaccumulato). Sono state confrontate diverse soluzioni di lavaggio – EDTA, Na₂EDTA e acqua ultrapura – con un’ottimizzazione specie-specifica che ha rivelato come C. vulgaris richiedesse il trattamento con Na₂EDTA per rimuovere efficacemente il ferro extracellulare, mentre l’acqua Milli-Q si è dimostrata sufficiente per A. platensis e G. sulphuraria (Gao et al., 2025). Questa distinzione si rivela essenziale, poiché il ferro biosorbito dimostra una bioaccessibilità notevolmente inferiore e può potenzialmente contribuire all’infiammazione gastrointestinale attraverso la stimolazione di batteri patogeni (Paganini & Zimmermann, 2017).

Bioaccumulo del ferro nelle diverse modalità di coltivazione

L’indagine ha rivelato variazioni sostanziali nel contenuto di ferro in base alla modalità di coltivazione e alla specie. In condizioni di terreno standard, la coltivazione autotrofica ha generalmente promosso un maggiore bioaccumulo di ferro, con A. platensis che ha raggiunto 563,4 mg/kg e C. vulgaris che ha raggiunto 326,5 mg/kg (Gao et al., 2025). G. sulphuraria ha deviato da questo schema, dimostrando un picco di accumulo di ferro (238,9 mg/kg) in condizioni mixotrofiche. Questa risposta specie-specifica può essere correlata a differenziali vie di assorbimento del ferro e alla presenza di composti chelanti il ferro come la ficocianina, che è stato documentato possedere capacità di legame con il ferro (Bermejo et al., 2008; Isani et al., 2022a).

L’analisi della produttività della biomassa ha rivelato che le modalità di coltivazione eterotrofica e mixotrofica hanno notevolmente aumentato i tassi di crescita rispetto alle condizioni autotrofiche. Per G. sulphuraria, la coltivazione mixotrofica ha prodotto una produttività di biomassa di 3,6 g/L/giorno, con un aumento quadruplo rispetto alla coltivazione autotrofica (Gao et al., 2025). Questa maggiore produttività è peraltro avvenuta a scapito di un ridotto contenuto di ferro in C. vulgaris, che è diminuito da 326,5 mg/kg in condizioni autotrofiche a 72,9 mg/kg in modalità mixotrofica. Questi risultati sottolineano la necessità di bilanciare la resa di biomassa con la qualità nutrizionale quando si ottimizza la produzione microalgale per applicazioni di integrazione di ferro.

Bioaccessibilità del ferro

Mentre il contenuto totale di ferro fornisce informazioni preziose, la bioaccessibilità del ferro – la frazione rilasciata dalla matrice alimentare durante la digestione e disponibile per l’assorbimento – rappresenta il parametro più rilevante per affrontare le carenze nutrizionali. Lo studio ha dimostrato che la coltivazione eterotrofica ha costantemente migliorato la bioaccessibilità del ferro tra le specie, laddove C. vulgaris ha raggiunto il 76,3% e G. sulphuraria ha raggiunto il 66,9% (Gao et al., 2025). Al contrario, la biomassa coltivata autotroficamente ha mostrato una bioaccessibilità notevolmente inferiore: 18,4% per A. platensis, 39,8% per G. sulphuraria e 41,8% per C. vulgaris.

Queste differenze derivano probabilmente da variazioni indotte dalle modalità di coltivazione nell’ultrastruttura e composizione della parete cellulare. Precedenti ricerche hanno rilevato che lo spessore della parete cellulare in C. vulgaris aumenta da 82 a 114 nm – con due strati distinti che impediscono il rilascio di nutrienti – quando le colture passano dalla fase esponenziale a quella stazionaria (Canelli et al., 2021). Allo stesso modo, studi sulla bioaccessibilità delle proteine hanno rivelato variazioni dipendenti dalla coltivazione nella digeribilità, con risposte ceppo-specifiche che complicano ulteriormente i quadri predittivi (Canelli et al., 2023). La relazione inversa tra contenuto di ferro e bioaccessibilità osservata in G. sulphuraria coltivata autotroficamente suggerisce che le alte concentrazioni intracellulari di ferro possano alterare i meccanismi di stoccaggio in modi che riducono l’accessibilità digestiva, richiedendo ulteriori indagini a livello molecolare.

Strategie di arricchimento del ferro e potenziale di biofortificazione

Un’area particolarmente promettente esplorata nella ricerca in esame riguarda l’intervento sulla concentrazione di ferro nel mezzo di coltura per migliorare il bioaccumulo. G. sulphuraria ha dimostrato un’eccezionale tolleranza a livelli elevati di ferro, mantenendo una crescita robusta anche a concentrazioni di ferro 150 volte superiori allo standard, raggiungendo al contempo un aumento di 7,6 volte nel contenuto di ferro della biomassa fino a 1.472,4 mg/kg (Gao et al., 2025). Questa notevole capacità di biofortificazione è probabilmente correlata alla natura acidofila della specie, poiché la crescita a pH <2 aumenta sostanzialmente la solubilità del ferro e l’assorbimento cellulare (Abinandan et al., 2019). Questo maggiore bioaccumulo è stato peraltro accompagnato da un relativo declino nella bioaccessibilità, dal 36,8% al 17,1%. Le strategie di ottimizzazione nutrizionale devono così affrontare complessi compromessi.

A. platensis ha mostrato una tolleranza limitata all’arricchimento di ferro: concentrazioni superiori a cinque volte quelle standard hanno causato effetti negativi sulla crescita, producendo solo modesti aumenti nel contenuto di ferro (Gao et al., 2025). Precedenti ricerche hanno documentato un potenziale di bioaccumulo considerevolmente maggiore in A. platensis utilizzando fonti alternative di ferro come il citrato di ferro (III) o composti chelati di FeEDTA, che migliorano l’efficienza di assorbimento rispetto al solfato ferroso (Kougia et al., 2023). La forma del ferro e la presenza di EDTA adeguato per la chelazione rappresentano variabili critiche che richiedono un’ottimizzazione meticolosa, poiché l’EDTA eccessivo può esercitare tossicità mentre livelli insufficienti portano alla precipitazione del ferro. Ricerche future dovrebbero valutare sistematicamente gli effetti della speciazione del ferro su più ceppi per stabilire robusti protocolli di biofortificazione per applicazioni industriali.

Ferro bioaccessibile assoluto

Il concetto di ferro bioaccessibile assoluto, ottenuto moltiplicando il contenuto totale di ferro per la frazione bioaccessibile, offre una valutazione più completa del valore nutrizionale rispetto all’analisi dei singoli parametri considerati separatamente. Questa metrica ha rivelato che G. sulphuraria coltivata autotroficamente con arricchimento di ferro 150 volte superiore ha fornito 251,6 mg/kg di ferro bioaccessibile, rappresentando il valore più alto osservato in tutte le condizioni testate (Gao et al., 2025). Questa cifra supera sostanzialmente i valori ottenuti da alimenti convenzionali, inclusi l’hamburger (21,3 mg/kg peso fresco), il salmone affumicato (2,3 mg/kg peso fresco) e il tofu fritto (4,4 mg/kg peso fresco) analizzati nella valutazione comparativa.

Mentre gli alimenti di origine animale hanno dimostrato un’elevata bioaccessibilità del ferro (89,8% per il salmone, 73,4% per l’hamburger), il loro contenuto totale di ferro relativamente basso ha comportato una quantità di ferro bioaccessibile significativamente ridotta. Il tofu di origine vegetale ha mostrato sia un basso contenuto di ferro che una scarsa bioaccessibilità (19,3%), da attribuire probabilmente alle alte concentrazioni di inibitori dell’assorbimento tra cui acido fitico, polifenoli e tannini (Yin et al., 2020). In termini pratici, consumare 45 g di hamburger fornirebbe circa 1,0 mg di ferro bioaccessibile, equivalente a 3,8 g di polvere di G. sulphuraria arricchita di ferro. Questi confronti evidenziano le microalghe come fonti concentrate e altamente efficienti di ferro che richiedono apporti minimali per ottenere un impatto nutrizionale significativo.

Implicazioni per la nutrizione sostenibile e la sicurezza alimentare

I risultati forniscono evidenze solide a supporto delle microalghe come candidati promettenti per la prevenzione e il trattamento dell’anemia da carenza di ferro tramite interventi dietetici. Oltre al loro elevato contenuto di ferro bioaccessibile, le microalghe offrono vantaggi aggiuntivi tra cui la ricchezza naturale di acido ascorbico (circa 2.000 mg/kg in A. platensis), un potente potenziatore dell’assorbimento del ferro, e concentrazioni minime di inibitori dell’assorbimento come i fitati rispetto alle fonti vegetali convenzionali (Gogna et al., 2022; Igual et al., 2022). La loro produzione sostenibile utilizzando terreni non arabili, requisiti minimi di acqua dolce e potenziale valorizzazione di flussi di rifiuti le posiziona favorevolmente all’interno dei quadri di economia circolare che assumono priorità nei sistemi alimentari del futuro.

Diverse considerazioni richiedono tuttavia attenzione prima di un’implementazione diffusa. Lo studio ha utilizzato protocolli di digestione in vitro standardizzati che, sebbene preziosi per la valutazione comparativa, possono sottostimare la bioaccessibilità a causa di rapporti enzimatici fissi e mancanza di condizioni fisiologiche dinamiche (Brodkorb et al., 2019). La progressione verso studi ex vivo e in vivo rimane dunque essenziale per convalidare l’assorbimento intestinale e la biodisponibilità sistemica. Studi clinici che hanno indagato l’integrazione di ferro microalgale in popolazioni anemiche hanno già mostrato risultati promettenti (Leal-Esteban et al., 2021; Othoo et al., 2021), sebbene siano necessari studi su larga scala e a lungo termine per stabilire l’efficacia, i regimi di dosaggio ottimali e i potenziali effetti avversi. Inoltre, le proprietà organolettiche, la stabilità di processo e le strategie di formulazione meritano indagini per facilitare l’accettazione da parte dei consumatori e le applicazioni pratiche nell’industria alimentare.

Status regolatorio e considerazioni sui novel food

Mentre A. platensis e C. vulgaris beneficiano di storie di sicurezza consolidate e ampia disponibilità commerciale, Galdieria sulphuraria si trova in una posizione regolatoria più complessa all’interno dell’Unione Europea. Una domanda di autorizzazione come novel food della biomassa essiccata di G. sulphuraria è stata formalmente presentata nel 2019, ai sensi del Regolamento (UE) 2015/2283. La specie in questione non ha infatti ottenuto lo status di Qualified Presumption of Safety (QPS), ed è stato perciò necessario predisporre un dossier completo a supporto della domanda, la quale è tuttora in attesa di valutazione da parte dell’Autorità Europea per la Sicurezza Alimentare (EFSA).

Di conseguenza, G. sulphuraria non può ancora venire legalmente introdotta come alimento o ingrediente di integratori alimentari sul mercato UE. Solo dopo che l’EFSA avrà emesso un parere positivo sulla sua sicurezza e la Commissione Europea avrà successivamente incluso la specie nell’elenco ufficiale dell’Unione dei novel food autorizzati, il suo uso commerciale diventerà consentito.

La nostra società Wiise benefit supporta consorzi di ricerca e imprese nella preparazione e presentazione delle domande di novel food. La Food and Drug Administration statunitense ha tra l’altro approvato l’estratto blu di Galdieria come additivo colorante, nel maggio 2025, a conferma dei progressi normativi in altre giurisdizioni e della eventuale possibilità di apportare nuovi dati sulla sua sicurezza nel processo di valutazione europeo.

Conclusioni e direzioni future

La ricerca in esame dell’ETH di Zurigo dimostra che l’intervento strategico sulle condizioni di coltivazione e della composizione del mezzo di coltura consente un sostanziale miglioramento sia del bioaccumulo che della bioaccessibilità del ferro nelle specie microalgali commerciali. La ricerca dimostra che la coltivazione autotrofica promuove in genere un contenuto di ferro più elevato, mentre le modalità eterotrofiche migliorano la bioaccessibilità, prefigurando opportunità per strategie di produzione su misura basate su obiettivi nutrizionali specifici (Gao et al., 2025). G. sulphuraria emerge come particolarmente promettente, combinando la tolleranza a un estremo arricchimento di ferro con la preservazione di un sostanziale contenuto di ferro bioaccessibile assoluto che supera le fonti alimentari convenzionali.

La ricerca futura dovrebbe dare priorità all’elucidazione dei meccanismi molecolari che regolano l’assorbimento, lo stoccaggio e il rilascio del ferro nelle microalghe. La caratterizzazione della speciazione del ferro all’interno delle cellule – inclusi potenziali composti eme, proteine simili alla ferritina e complessi di polifosfato (Gao et al., 2018; Lithi et al., 2024) – potrà ispirare le strategie per migliorare la bioaccessibilità. L’indagine su potenziatori e inibitori dell’assorbimento endogeni alla biomassa di microalghe, tra cui acido ascorbico, polifenoli e fitati, potrebbe guidare interventi di processo o selezione di ceppi per profili nutrizionali ottimizzati. In definitiva, lo sviluppo di integratori di ferro microalgali standardizzati e prodotti alimentari fortificati richiede una collaborazione interdisciplinare che abbraccia la biotecnologia algale, la scienza alimentare e la nutrizione clinica per tradurre questi promettenti risultati in benefici tangibili per la salute pubblica di quel miliardo di persone colpite dalla carenza di ferro a livello globale.

Dario Dongo

Cover Image: Julia Van Etten (2020). Red Algal Extremophiles: Novel Genes and Paradigms. Microscopy Roday. Doi 10.1017/S1551929520001534