Biorefineria senza nutrienti dell'acqua di macerazione del mais in acido lattico da parte di Bacillus licheniformis OP16-2 in condizioni termo-alcaline con una valutazione su scala pilota

Trasformare un sottoprodotto del mais in una sostanza chimica verde preziosa

L'acido lattico è un pilastro dell'economia moderna: aiuta a conservare gli alimenti, lenisce la pelle nei cosmetici ed è un elemento chiave per plastiche biodegradabili. Tuttavia produrlo in grandi quantità in modo sostenibile ed economico resta una sfida. Questo studio esplora un protagonista inaspettato—l'acqua di macerazione del mais, un sottoprodotto ricco di nutrienti della macinazione umida del mais—e mostra come un resistente batterio del suolo possa convertire questo rifiuto liquido in acido lattico di alto valore senza necessità di nutrienti aggiunti, in condizioni calde e alcaline che riducono naturalmente le contaminazioni.

Una risorsa nascosta nell'industria del mais

Quando il mais viene lavorato in grandi stabilimenti, i chicchi vengono immersi in acqua calda contenente anidride solforosa per ammorbidirli e liberare l'amido. Il liquido residuo, noto come acqua di macerazione del mais, è carico di zuccheri, amminoacidi, vitamine e minerali. Tradizionalmente è stato usato solo in piccole quantità come supplemento nelle fermentazioni. Gli autori di questo lavoro si sono posti una domanda più ambiziosa: l'acqua di macerazione del mais stessa, senza nutrienti aggiunti, potrebbe servire come unica fonte di alimento per i microrganismi per produrre acido lattico, trasformando un sottoprodotto a basso valore in una materia prima centrale per una biorefineria “senza nutrienti”?

Trovare un microrganismo che ami il calore e l'alcalinità

Le fermentazioni industriali spesso affrontano due problemi: il costo degli zuccheri raffinati e il rischio che microrganismi indesiderati rovinino il brodo. Per affrontare entrambi, i ricercatori hanno setacciato campioni di suolo provenienti dall'Egitto alla ricerca di batteri che prosperano ad alte temperature (intorno a 50–60 °C) e in condizioni alcaline (circa pH 9). Tali condizioni difficili scoraggiano naturalmente i comuni contaminanti. Tra 50 candidati, uno ceppo, poi identificato come Bacillus licheniformis OP16-2, si è distinto. Poteva crescere vigorosamente nell'acqua di macerazione del mais, tollerare inibitori come sali e composti solforati residui della lavorazione del mais, e convertire in modo costante gli zuccheri disponibili in acido lattico con efficienza molto elevata.

Ottimizzare la ricetta per la massima resa

Dopo aver scelto questo ceppo promettente, il team ha messo a punto in modo sistematico la ricetta di fermentazione. Hanno testato diversi livelli di zuccheri nell'acqua di macerazione, temperature, inoculi iniziali di batteri e valori di pH. Hanno anche confrontato due modi per controllare il pH mentre l'acido lattico si accumulava: aggiunta di idrossido di sodio (NaOH) oppure uso di carbonato di calcio solido. Successivamente hanno impiegato strumenti statistici avanzati per valutare come tutti questi fattori interagiscono, invece di analizzarli uno alla volta. Questo approccio ha rivelato un “punto ottimale”: circa 80–83 g/L di zuccheri nell'acqua di macerazione, una temperatura intorno a 45 °C, un pH leggermente alcalino intorno a 8,5–9,0 e un inoculo da moderato a elevato. In queste condizioni il microrganismo ha convertito circa il 94% degli zuccheri consumati in acido lattico, una resa notevolmente alta.

Dalla provetta al bioreattore pilota

Le provette da laboratorio sono utili per la scoperta, ma l'impatto reale dipende dalla prestazione in serbatoi più grandi. I ricercatori sono quindi passati a un bioreattore da 50 litri, alimentandolo solo con acqua di macerazione del mais non trattata, aggiustata al giusto livello di zuccheri e pH. In una corsa batch standard hanno raggiunto circa 74–76 g/L di acido lattico, in linea con le previsioni statistiche. Per aumentare ulteriormente la produzione hanno adottato una strategia di tipo “multi-pulse fed-batch”: invece di aggiungere tutto lo zucchero in una volta, hanno alimentato gradualmente l'impianto con acqua di macerazione concentrata man mano che i batteri consumavano gli zuccheri. Questo ha mantenuto la concentrazione di zucchero in un intervallo confortevole per i microrganismi, evitando stress da concentrazioni elevate. In circa una settimana di funzionamento, i livelli di acido lattico sono saliti a circa 153 g/L, mantenendo comunque alta la resa e una produttività costante.

Perché questo è importante per i materiali sostenibili

L'acido lattico derivato da risorse rinnovabili è centrale per produrre plastiche biodegradabili come il polilattide (PLA), oltre a solventi ecologici e ingredienti per alimenti. Questo studio dimostra che un singolo batterio robusto, coltivato in condizioni calde e alcaline, può trasformare l'acqua di macerazione del mais—spesso trattata come flusso di rifiuto—direttamente in acido lattico senza aggiungere estratto di lievito o altri nutrienti costosi. Riducendo sia i costi della materia prima sia quelli legati alla sterilizzazione, questo processo termo-alcalino senza nutrienti avvicina la produzione su larga scala di sostanze chimiche verdi a costi accessibili a partire da sottoprodotti agricoli, trasformando i rifiuti in un ingrediente prezioso per prodotti di consumo più sostenibili.

Citazione: Selim, M.T., Salem, S.S., El-Belely, E.F. et al. Nutrient-free biorefinery of corn steep water into lactic acid by Bacillus licheniformis OP16-2 under thermo-alkaline conditions with a pilot-scale assessment. Sci Rep 16, 4357 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35828-4

Parole chiave: fermentazione dell'acido lattico, acqua di macerazione del mais, biorefineria, Bacillus licheniformis, bioplastiche