Il topinambur (Helianthus tuberosus), spesso confuso con il girasole (Helianthus annuus), è una pianta perenne della famiglia delle Asteracee. Originaria del Nord America e del Canada, è stata importata in Europa dai primi coloni francesi. Il riferimento più antico alla sua coltivazione in Europa risale a Samuel de Champlain, nel 1605 [ii].
La spiccata capacità di adattamento del topinambur gli ha permesso poi di naturalizzarsi in Italia e in tutti i paesi europei a clima mite. I fiori sembrano delle grosse margherite gialle, per cui la sua coltivazione non ha solo scopo alimentare ma anche ornamentale. Del topinambur si coltivano le radici carnose (tuberi) il cui sapore ricorda vagamente quello del carciofo, da cui il nome "carciofo di Gerusalemme" con cui viene chiamato talvolta. Sono precisamente questi tuberi l'oggetto delle ricerche agroenergetiche, in quanto ricchi di inulina e frutto-oligosaccaridi, sostanze fermentescibili direttamente perché l'enzima Fructan 1-esoidrolasi (1-FEH; EC 3.2.1.80), presente nel tubero [i], è il responsabile della loro depolimerizzazione naturale. La facile fermentazione del topinambur è nota da secoli ai contadini tedeschi che producono tradizionalmente una specie di grappa bianca (Schnapps) ed un digestivo chiamato Rossler, entrambi ottenuti dalla fermentazione diretta del succo dei tuberi e la sua ulteriore distillazione.
Il topinambur è una pianta poco esigente in materia di nutrienti. Bastano 70-100 chilogrammi di N per ettaro, per cui risulta una coltura interessante per terreni marginali situati in zone vulnerabili ai nitrati. Richiede inoltre 80-100 chilogrammi/ettaro di P e 150-250 chilogrammi/ettaro di K.
La tolleranza del topinambur allo stress idrico è buona, grazie alle cospicue riserve immagazzinate nei suoi tuberi, ma per ottenere rese elevate sono necessari almeno 600-700 millimetri per ciclo. E' altresì molto resistente alle avversità, e quando queste compaiono il danno è limitato e non vale la pena effettuare alcun trattamento chimico. La malattia più frequente del topinambur è la muffa bianca (Sclerotinia sclerotiorum) ma talvolta può subire anche l'attacco dell'oidio.
La resa per ettaro può arrivare fino a 80-90 tonnellate/ettaro di tuberi freschi, aventi 17% di zuccheri [i già citato, relativo ad una sperimentazione a Badajoz, Spagna, località che si trova circa alla stessa latitudine di Cosenza e Cagliari]. Una sperimentazione condotta a Viterbo [iii] ha prodotto 18-20 tonnellate/ettaro di materia secca di tuberi e altrettanto di biomassa epigea, valori in linea con quelli riscontrati in Spagna.
Lo svantaggio principale dei tuberi di topinambur è la loro scarsa capacità di conservazione dopo il raccolto, che comporta la necessità di processarli tutti e subito. La rapida marcescenza è causata da un enzima presente nella buccia del tubero, la cui attività si può bloccare immergendo i tuberi in acqua a 80°C per due minuti [i già citato]. Il processo di produzione dell'etanolo è relativamente semplice, analogo alla vinificazione. I tuberi vanno lavati, spremuti e messi a fermentare. Tipicamente si utilizza il lievito Saccharomyces cerevisiae (lo stesso utilizzato per la produzione della birra e di alcuni vini) ma questo organismo non è in grado di fermentare l'inulina, motivo per il quale si rende necessario saccarificare il succo mediante l'aggiunta di inulinasi.
La Foto 1 mostra la differenza di produttività di bioetanolo in funzione del dosaggio d'inulinasi. Un'alternativa all'utilizzo dell'inulinasi abbinata al S. cerevisiae è la fermentazione diretta con Kluyveromyces marxianus - un lievito probiotico impiegato per la preparazione di alcuni tipi di yogurt - capace di fermentare inulina, glucosio, raffinosio, saccarosio e lattosio.
Foto 1: Produzione di bioetanolo mediante fermentazione con S. cerevisiae, in funzione del dosaggio d'inulinasi
(Fonte foto: riferimento [i già citato], grafica dell'autore)
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La massima produttività di tuberi si ottiene nelle latitudini comprese fra 40° e 45° (corrispondenti all'incirca a Sorrento e Padova, rispettivamente). Nei climi più caldi la pianta tende a sviluppare più biomassa aerea che tuberi. Laddove la temperatura raggiunga precocemente i -3°C (cessazione completa della crescita epigea e inizio della fase vegetativa ipogea), i tuberi non raggiungono il loro massimo sviluppo [ii già citato].
La massima produttività di etanolo si aggira attorno a 4mila-6mila litri/ettaro, più 8 tonnellate/ettaro di materia secca, residuo della fermentazione alcolica utilizzabile come sottoprodotto per digestione anaerobica. La biomassa epigea secca o insilata si può utilizzare come substrato per digestione anaerobica. Nella bibliografia si trovano vecchie pubblicazioni (1988) che riportano valori di Bmp dell'insilato degli steli di topinambur di oltre 600 Nm3/tonnellate SV. Tali valori sono dubbiosi, probabilmente viziati da errore di metodo. Prove realizzate con strumenti e metodi moderni indicano valori di Bmp più in linea con altri insilati, compresi fra 256 e 392 Nm3/tonnellate SV, dipendendo dall'età dell'insilato [iv]e [v].
La biomassa epigea del topinambur si può utilizzare anche per la produzione di pellet erbacei, o infine - previa saccarificazione - per produrre etanolo di seconda generazione. I pellet di topinambur sono anche utilizzati come mangime per roditori.
La qualità dei pellet di steli di topinambur è comparabile con quella degli omologhi prodotti con biomassa mista di conifere e latifoglia (Tabella 1).
Tabella 1. Comparazione fra pellet di topinambur e di biomasse forestali
(Fonte foto: [vi], traduzione e adattamento dell'autore)
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Il topinambur tollera la salinità, ma è stato riscontrato che l'irrigazione con acqua avente 12 dS/m riduce del 47% la produzione di tuberi. Cresce meglio su terreni umidi ma ben drenati. Prospera invece su suoli argillosi pesanti in zone soggette a siccità, per la maggiore capacità di ritenzione idrica dell'argilla [ii già citato]. Alle nostre latitudini, il sesto d'impianto più adeguato è in file distanti 50-60 centimetri, con le piantine separate 20-25 centimetri.
Oltre agli utilizzi energetici, il topinambur è una materia prima interessante per applicazioni biotecnologiche. Dalla fermentazione dei suoi tuberi è possibile ricavare, oltre al bioetanolo, anche biobutanolo e acetone (fermentazione con Clostridium acetobutylicum), acido lattico (fermentazione con Lactobacillus casei), acido succinico, acido butirrico, acido citrico e sorbitolo. E' altresì possibile estrarre inulina e oligofruttosio, due ingredienti molto richiesti per la produzione di integratori alimentari [i già citato].
Il topinambur è una pianta molto rustica, adatta alla coltivazione in terreni marginali, anche in zone vulnerabili ai nitrati. Si trova come infestane spontanea in tutto il territorio nazionale ad eccezione della Sardegna. Le latitudini del Centro Nord forniscono le condizioni pedoclimatiche ideali per la massima produttività di tuberi. Il topinambur richiede concimazioni minime, non necessita d'irrigazione laddove le precipitazioni siano comprese fra 500-600 millimetri per ciclo colturale, e neanche l'applicazione di agrofarmaci o erbicidi.
Si coltiva con gli stessi macchinari utilizzati per le patate, avendo l'accortezza di regolare le griglie per il minore diametro dei tuberi. A differenza della patata, fermentescibile solo dopo la saccarificazione con amilasi, il tubero di topinambur è direttamente fermentescibile utilizzando K. marxianus, un lievito impiegato comunemente nell'industria dello yogurt. La biomassa epigea si caratterizza per bassi tenori di N, S e ceneri, per cui è adatta sia alla produzione di pellet che di etanolo di seconda generazione. Il basso contenuto di lignina rende la biomassa epigea utilizzabile anche come substrato per la digestione anaerobica. L'insieme di tali caratteristiche rende il topinambur un candidato estremamente versatile per la produzione agroenergetica.
[i] Linxi Yang, Quan Sophia He, Kenneth Corscadden, Chibuike C. Udenigwe, The prospects of Jerusalem artichoke in functional food ingredients and bioenergy production, Biotechnology reports, volume 5, 2015, pages 77-88, ISSN 2215-017X.
[ii] J. Matías, J González, L. Royano, R.A. Barrena y J. Cabanillas, Obtención sostenible de bioetanol a partir de pataca, Vida Rural (primo julio 2010).
[iii] Francesco Rossini, Maria Elena Provenzano, Ljiljana Kuzmanovic and Roberto Ruggeri; Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.): A Versatile and sustainable crop for renewable energy production in Europe, Agronomy 2019, 9(9), 528.
[iv] Anni Lehtomaki, A. Viinikainen, Jukka Rintala; Screening boreal energy crops and crop residues for methane biofuel production, Biomass and bioenergy 32(6):541-550, june 2008, DOI: 10.1016/j.biombioe.2007.11.013.
[v] Roberto Ciccoli, Maria Sperandei, Francesco Petrazzuolo, Silvia Tabacchioni, Anaerobic digestion of the above ground biomass of Jerusalem artichoke in a pilot plant: Impact of the preservation method on the biogas yield and microbial community. January 2018 Biomass and bioenergy 108:190-197, DOI: 10.1016/j.biombioe.2017.11.003.
[vi] A. Zapalowska, U. Bashutska, Qualitative analysis of pellets produced from Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) Proceedings of the forestry academy of sciences of Ukraine , Article received 2017.09.05.
La spiccata capacità di adattamento del topinambur gli ha permesso poi di naturalizzarsi in Italia e in tutti i paesi europei a clima mite. I fiori sembrano delle grosse margherite gialle, per cui la sua coltivazione non ha solo scopo alimentare ma anche ornamentale. Del topinambur si coltivano le radici carnose (tuberi) il cui sapore ricorda vagamente quello del carciofo, da cui il nome "carciofo di Gerusalemme" con cui viene chiamato talvolta. Sono precisamente questi tuberi l'oggetto delle ricerche agroenergetiche, in quanto ricchi di inulina e frutto-oligosaccaridi, sostanze fermentescibili direttamente perché l'enzima Fructan 1-esoidrolasi (1-FEH; EC 3.2.1.80), presente nel tubero [i], è il responsabile della loro depolimerizzazione naturale. La facile fermentazione del topinambur è nota da secoli ai contadini tedeschi che producono tradizionalmente una specie di grappa bianca (Schnapps) ed un digestivo chiamato Rossler, entrambi ottenuti dalla fermentazione diretta del succo dei tuberi e la sua ulteriore distillazione.
Il topinambur è una pianta poco esigente in materia di nutrienti. Bastano 70-100 chilogrammi di N per ettaro, per cui risulta una coltura interessante per terreni marginali situati in zone vulnerabili ai nitrati. Richiede inoltre 80-100 chilogrammi/ettaro di P e 150-250 chilogrammi/ettaro di K.
La tolleranza del topinambur allo stress idrico è buona, grazie alle cospicue riserve immagazzinate nei suoi tuberi, ma per ottenere rese elevate sono necessari almeno 600-700 millimetri per ciclo. E' altresì molto resistente alle avversità, e quando queste compaiono il danno è limitato e non vale la pena effettuare alcun trattamento chimico. La malattia più frequente del topinambur è la muffa bianca (Sclerotinia sclerotiorum) ma talvolta può subire anche l'attacco dell'oidio.
La resa per ettaro può arrivare fino a 80-90 tonnellate/ettaro di tuberi freschi, aventi 17% di zuccheri [i già citato, relativo ad una sperimentazione a Badajoz, Spagna, località che si trova circa alla stessa latitudine di Cosenza e Cagliari]. Una sperimentazione condotta a Viterbo [iii] ha prodotto 18-20 tonnellate/ettaro di materia secca di tuberi e altrettanto di biomassa epigea, valori in linea con quelli riscontrati in Spagna.
Lo svantaggio principale dei tuberi di topinambur è la loro scarsa capacità di conservazione dopo il raccolto, che comporta la necessità di processarli tutti e subito. La rapida marcescenza è causata da un enzima presente nella buccia del tubero, la cui attività si può bloccare immergendo i tuberi in acqua a 80°C per due minuti [i già citato]. Il processo di produzione dell'etanolo è relativamente semplice, analogo alla vinificazione. I tuberi vanno lavati, spremuti e messi a fermentare. Tipicamente si utilizza il lievito Saccharomyces cerevisiae (lo stesso utilizzato per la produzione della birra e di alcuni vini) ma questo organismo non è in grado di fermentare l'inulina, motivo per il quale si rende necessario saccarificare il succo mediante l'aggiunta di inulinasi.
La Foto 1 mostra la differenza di produttività di bioetanolo in funzione del dosaggio d'inulinasi. Un'alternativa all'utilizzo dell'inulinasi abbinata al S. cerevisiae è la fermentazione diretta con Kluyveromyces marxianus - un lievito probiotico impiegato per la preparazione di alcuni tipi di yogurt - capace di fermentare inulina, glucosio, raffinosio, saccarosio e lattosio.
Foto 1: Produzione di bioetanolo mediante fermentazione con S. cerevisiae, in funzione del dosaggio d'inulinasi
(Fonte foto: riferimento [i già citato], grafica dell'autore)
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La massima produttività di tuberi si ottiene nelle latitudini comprese fra 40° e 45° (corrispondenti all'incirca a Sorrento e Padova, rispettivamente). Nei climi più caldi la pianta tende a sviluppare più biomassa aerea che tuberi. Laddove la temperatura raggiunga precocemente i -3°C (cessazione completa della crescita epigea e inizio della fase vegetativa ipogea), i tuberi non raggiungono il loro massimo sviluppo [ii già citato].
La massima produttività di etanolo si aggira attorno a 4mila-6mila litri/ettaro, più 8 tonnellate/ettaro di materia secca, residuo della fermentazione alcolica utilizzabile come sottoprodotto per digestione anaerobica. La biomassa epigea secca o insilata si può utilizzare come substrato per digestione anaerobica. Nella bibliografia si trovano vecchie pubblicazioni (1988) che riportano valori di Bmp dell'insilato degli steli di topinambur di oltre 600 Nm3/tonnellate SV. Tali valori sono dubbiosi, probabilmente viziati da errore di metodo. Prove realizzate con strumenti e metodi moderni indicano valori di Bmp più in linea con altri insilati, compresi fra 256 e 392 Nm3/tonnellate SV, dipendendo dall'età dell'insilato [iv]e [v].
La biomassa epigea del topinambur si può utilizzare anche per la produzione di pellet erbacei, o infine - previa saccarificazione - per produrre etanolo di seconda generazione. I pellet di topinambur sono anche utilizzati come mangime per roditori.
La qualità dei pellet di steli di topinambur è comparabile con quella degli omologhi prodotti con biomassa mista di conifere e latifoglia (Tabella 1).
Tabella 1. Comparazione fra pellet di topinambur e di biomasse forestali
(Fonte foto: [vi], traduzione e adattamento dell'autore)
Clicca sull'immagine per ingrandirla
Il topinambur tollera la salinità, ma è stato riscontrato che l'irrigazione con acqua avente 12 dS/m riduce del 47% la produzione di tuberi. Cresce meglio su terreni umidi ma ben drenati. Prospera invece su suoli argillosi pesanti in zone soggette a siccità, per la maggiore capacità di ritenzione idrica dell'argilla [ii già citato]. Alle nostre latitudini, il sesto d'impianto più adeguato è in file distanti 50-60 centimetri, con le piantine separate 20-25 centimetri.
Oltre agli utilizzi energetici, il topinambur è una materia prima interessante per applicazioni biotecnologiche. Dalla fermentazione dei suoi tuberi è possibile ricavare, oltre al bioetanolo, anche biobutanolo e acetone (fermentazione con Clostridium acetobutylicum), acido lattico (fermentazione con Lactobacillus casei), acido succinico, acido butirrico, acido citrico e sorbitolo. E' altresì possibile estrarre inulina e oligofruttosio, due ingredienti molto richiesti per la produzione di integratori alimentari [i già citato].
Conclusioni
Il topinambur è una pianta molto rustica, adatta alla coltivazione in terreni marginali, anche in zone vulnerabili ai nitrati. Si trova come infestane spontanea in tutto il territorio nazionale ad eccezione della Sardegna. Le latitudini del Centro Nord forniscono le condizioni pedoclimatiche ideali per la massima produttività di tuberi. Il topinambur richiede concimazioni minime, non necessita d'irrigazione laddove le precipitazioni siano comprese fra 500-600 millimetri per ciclo colturale, e neanche l'applicazione di agrofarmaci o erbicidi.Si coltiva con gli stessi macchinari utilizzati per le patate, avendo l'accortezza di regolare le griglie per il minore diametro dei tuberi. A differenza della patata, fermentescibile solo dopo la saccarificazione con amilasi, il tubero di topinambur è direttamente fermentescibile utilizzando K. marxianus, un lievito impiegato comunemente nell'industria dello yogurt. La biomassa epigea si caratterizza per bassi tenori di N, S e ceneri, per cui è adatta sia alla produzione di pellet che di etanolo di seconda generazione. Il basso contenuto di lignina rende la biomassa epigea utilizzabile anche come substrato per la digestione anaerobica. L'insieme di tali caratteristiche rende il topinambur un candidato estremamente versatile per la produzione agroenergetica.
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Bibliografia
[i] Linxi Yang, Quan Sophia He, Kenneth Corscadden, Chibuike C. Udenigwe, The prospects of Jerusalem artichoke in functional food ingredients and bioenergy production, Biotechnology reports, volume 5, 2015, pages 77-88, ISSN 2215-017X.[ii] J. Matías, J González, L. Royano, R.A. Barrena y J. Cabanillas, Obtención sostenible de bioetanol a partir de pataca, Vida Rural (primo julio 2010).
[iii] Francesco Rossini, Maria Elena Provenzano, Ljiljana Kuzmanovic and Roberto Ruggeri; Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.): A Versatile and sustainable crop for renewable energy production in Europe, Agronomy 2019, 9(9), 528.
[iv] Anni Lehtomaki, A. Viinikainen, Jukka Rintala; Screening boreal energy crops and crop residues for methane biofuel production, Biomass and bioenergy 32(6):541-550, june 2008, DOI: 10.1016/j.biombioe.2007.11.013.
[v] Roberto Ciccoli, Maria Sperandei, Francesco Petrazzuolo, Silvia Tabacchioni, Anaerobic digestion of the above ground biomass of Jerusalem artichoke in a pilot plant: Impact of the preservation method on the biogas yield and microbial community. January 2018 Biomass and bioenergy 108:190-197, DOI: 10.1016/j.biombioe.2017.11.003.
[vi] A. Zapalowska, U. Bashutska, Qualitative analysis of pellets produced from Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) Proceedings of the forestry academy of sciences of Ukraine , Article received 2017.09.05.
