Le piante sintetizzano ed emettono una grande quantità di composti organici “volatili”, che vengono rilasciati da molti tessuti come le foglie, i frutti, i fiori e le radici.
Queste molecole sono sintetizzate dai metaboliti primari come i carboidrati, gli aminoacidi e, in particolare, gli acidi grassi insaturi, inoltre sono caratterizzate, a temperatura ambiente, da bassi punti di ebollizione e da elevate pressioni di vapore (quindi molto volatili).
Tra queste sostanze, alcune sono derivate dagli acidi grassi, in particolare, dall’acido linoleico e linolenico; quelle provenienti dalle foglie verdi (acronimo GLV, green leaf volatiles), sono formate da composti, a catena lineare, con sei atomi di carbonio (C6) e con gruppi funzionali aldeidici, alcolici ed esterei.
Le piante, quando non stressate, rilasciano solo quantità infinitesime di GLV, mentre le sintetizzano rapidamente, anzi, entro pochi secondi, a seguito di uno stress da danno meccanico, da infezione batterica o fungina oppure da stress abiotici come il calore, la luce intensa, la siccità o il contatto con metalli pesanti [1].
Queste molecole volatili sono prodotte dall’ossidazione degli acidi grassi, attraverso la via enzimatica della lipossigenasi (acronimo LOX, l’acronimo della cascata enzimatica: Lox Pathway) ed il ramo dell’enzima 13-idroperossido-liasi (13-HPL), che con successivi interventi di altri enzimi, portano alla formazione di aldeidi (sature ed insature), di alcoli ed infine di esteri.
Questo meccanismo di formazione degli aromi è comune a quello che avviene, in pochi istanti, durante la fase di frangitura dell’oliva, aromi che poi determinano la fragranza dell’olio [2].
La frazione volatile dell’olio di oliva extravergine (EVOO) è costituita da una miscela complessa di oltre 200 composti, che nel loro insieme contribuiscono a definire il loro profilo olfattivo [3, 4], tra questi i GLV sono i più importanti sia dal punto di vista quantitativo che qualitativo. Particolarmente importante è il contenuto dell’aldeide (E)-2-esenale (mandorla amara, mela verde, erba tagliata), che rappresenta oltre il 50% della frazione volatile dell’EVOO.
L’enzima LOX viene liberato dalle cellule della polpa del frutto al fine di produrre, dall’acido linolenico, l’acido traumatico, quale ormone vegetale che induce la cicatrizzazione del danno tessutale [4]. Quindi l’aroma dell’olio è una conseguenza della risposta al danneggiamento cellulare prodotto dalla frantumazione.
L’enzima lipossigenasi catalizza l’ossidazione degli acidi grassi in una posizione precisa della catena carboniosa (la cosiddetta regiospecificità), cioè sia sul carbonio C9 (9-LOX) oppure sul carbonio C13 (13-LOX) dello scheletro carbonioso dell’acido grasso polinsaturo.
Quest’azione ossidativa porta alla formazione degli 13-idroperossidi, successivamente scissi eteroliticamente dalla 13-HPL in aldeidi C6 (fruttato, erbaceo, verde, erba tagliata, mandorla, mela verde, pomodoro, foglia…).
ln seguito le aldeidi C6 vengono ridotte da parte degli enzimi alcol-deidrogenasi (ADH) per formare gli alcoli C6 (erbaceo-fruttato, mela matura, aromatico, foglia…), che possono, infine, essere esterificati con derivati acil-CoA in una reazione catalizzata dagli enzimi alcol-aciltransferasi (AAT) in esteri (fruttato, floreale, fragola, mela, banana, foglia verde…) [2].
L’olivo ha quattro geni LOX: due geni che codificano isoforme che mostrano rigorosamente attività 13-LOX (Oe1LOX2 e Oe2LOX2), con localizzazione nei cloroplasti, e due geni LOX che codificano isoforme citosoliche che presentano, principalmente, attività 9-LOX (Oe1LOX1 e Oe2LOX1).
Tutti e quattro i geni LOX sono presenti nel mesocarpo della drupa e nei tessuti fogliari, con un maggiore coinvolgimento del gene Oe2LOX2 (attività 13-LOX) nella sintesi dei composti volatili dell’EVOO [5].
Finora è stato caratterizzato, nell’olivo, un solo gene HPL (OeHPL) che codifica per una proteina ad attività enzimatica (il cui optimum di attività è a 15°C) con una supposta localizzazione nei cloroplasti e una specificità per i 13-idroperossidi (13-HPL), ciò spiega l’assenza di composti volatili C9 nell’aroma dell’olio d’oliva [6].
Il gene HPL è espresso nelle foglie e nel mesocarpo della drupa dell’olivo, mostrando un lieve picco, significativo, all’inizio della maturazione dei frutti. Inoltre, questo gene dell’olivo sembra essere coinvolto nella risposta a diversi stress abiotici ed alle infestazioni da Bactrocera oleae.
I ricercatori spagnoli [7] hanno dimostrato che l’attività del gene, e l’enzima 13-HPL, è essenziale per la normale crescita e sviluppo della pianta dell’olivo. Il motivo potrebbe essere il ruolo svolto dall’enzima nell’eliminazione degli idroperossidi di acidi grassi polinsaturi che sono tossici per la pianta. Difatti un eccesso di derivati idroperossidici nei tessuti della pianta ne pregiudica la crescita.
Cerezoi S. e collaboratori hanno dimostrato che, se il gene dell’HPL è “silenziato”, gli aromi ‘nota verde’ o ‘fruttato’ o ‘attributo verde’ dell’olio non si formano né sulle foglie dell’olivo e neppure nell’olio prodotto dalle olive, inoltre hanno documentato che senza la presenza del gene, la pianta viene influenzata negativamente durante la sua crescita ed il suo sviluppo.
Inoltre, quando il gene 13-HPL viene silenziato, si verifica anche una drastica alterazione della composizione delle molecole volatili, con una forte riduzione del contenuto di composti volatili a 6 atomi di carbonio ma anche con un aumento dei composti volatili con 5 atomi di carbonio.
In assenza di HPL si formano penten-dimeri e molecole sature ed insature a 5 atomi di carbonio mediante un ramo aggiuntivo della via LOX.
La LOX catalizzerebbe anche, dopo la formazione dell’idroperossido, la sua scissione tramite 13-alchil radicali e radicali pentenici stabilizzati. Questi radicali subirebbero una successiva scissione β, non enzimatica, in modo omolitico per formare penten-dimeri (idrocarburi C10) oppure reagire con un radicale ossidrile per produrre molecole volatili C5, alcoli come 2-penten-1-olo, 1-penten-3-olo, aldeidi come 2-pentenale e chetoni come 1-penten-3-one.
La ricerca del gruppo di Cerezo S. rappresenta uno studio di “genomica funzionale”, che conferma il ruolo fisiologico dei geni legati alla qualità dell’olio d’oliva ed ha avuto come scopo quello di valutare l’effetto della sovraespressione (attività aumentata di 3 volte nelle foglie rispetto al controllo) e del silenziamento del gene 13-HPL, coinvolto nella generazione di composti volatili, sul profilo delle foglie delle piante transgeniche di olivo. Inoltre, è stato valutato anche l’effetto della manipolazione del gene sulla crescita e sullo sviluppo della pianta.
Queste manipolazioni genetiche potrebbero generare nuove cultivar di olivo con livelli di espressione/attività modificati rispetto specifici geni/enzimi della via LOX presenti nel frutto per migliorare alcuni composti volatili desiderati.
Difatti il potenziamento dell’enzima 13-HPL, la riduzione delle attività dell’alcol-deidrogenasi (ADH) e dell’alcol acil-trasferasi (AAT) potrebbero essere utilizzati per aumentare l’aroma “verde” mentre sarebbe possibile un aumento dell’attività dell’AAT per un maggiore aroma fruttato [8].
[1] Ameye M. et al., 2018. Green leaf volatile production by plants: a meta-analysis. New Phytol., 220; 666-83.
[2] Vujovic A. 2020. L’olio di oliva tra storia e scienza. pg. 318-328; Editore Tozzuolo, Perugia.
[3] Angerosa F. et al., 2000. Virgin olive oil odour notes: their relationships with the volatile compounds from the lipoxygenase pathway and secoiridoid compounds. Food Chem., 68; 283-87.
[4] Laudadio M., Angerosa F. 2020. Olio dono divino. Pg. 107-112; Edizioni Mondo Nuovo. Pescara.
[5] M.N. Padilla M.N. et al. 2009. Functional characterization of two 13-lipoxygenase genes from olive fruit in relation to the biosynthesis of volatile compounds of virgin olive oil. J. Agric. Food Chem., 57; 9097-107.
[6] Peres F. et al. 2017. Influence of enzymes and technology on virgin olive oil composition. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 57,14; 3104-26.
[7] Cerezo S. et al. 2021. Modification of 13-hydroperoxide lyase expression in olive affects plant growth and results in altered volatile profile. Plant Sci. 313:111083. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2021.111083.
[8] J.J. Salas J.J. 2004. Characterization of alcohol acyltransferase from olive fruit. J. Agric. Food Chem., 52; 3155-58.
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