Domande e risposte microbiologia industriale e genetica

Federico Tagliabue - Domande esame di microbiologia industriale

Produzione di lievito da pane

Nella produzione di lievito da pane, è possibile ottenere importanti livelli di biomassa caratterizzata da elevate performance fermentative. La via che prende dipende dalla disponibilità di ossigeno o dalla disponibilità di substrato. Per esempio, l’effetto Crab Tree ci dice che se siamo in aerobiosi e la concentrazione del substrato è alta (intorno ai 50 grammi litro), il lievito farà la fermentazione e non userà quello ossidativo.

Se io voglio massimizzare la produzione biomassa usando il metabolismo ossidativo ma il cliente le userà per sfruttare il metabolismo fermentativo (perché l’impasto cresce grazie alla produzione della CO₂ e all’etanolo che andrà via con la cottura), voglio massimizzare quindi anche l’attività fermentativa perché se le facessi crescere solo con metabolismo ossidativo avremmo tante cellule che non svolgono la loro funzione fermentativa (perché non hanno attivi gli enzimi fermentativi).

Nei primi stadi della produzione si tengono attive tutte e due le vie e situandosi in mezzo all’effetto Crab Tree. Solo gli ultimi stadi sono dedicati alla produzione di biomassa e quindi al metabolismo ossidativo. Si fa un mix tra respirazione e fermentazione. Facendo così, gli enzimi fermentativi saranno stati attivati con una produzione di biomassa ottimizzata. Questo processo viene chiamato multistadio, cioè gioco con la concentrazione del substrato (effetto Crab Tree), iniziando la coltura in una provetta e fatta crescere pian piano in contenitori più grandi. I primi stadi sono condotti in semi-anaerobiosi, mentre gli ultimi stadi sono condotti in aerobiosi stretta.

Il processo di produzione del lievito da pane è multistadio, di cui i primi stadi sono in condizioni di semi-anaerobiosi, in cui fornisco poca aria in modo da mantenere attivi i due metabolismi e preservare la capacità fermentativa di S. cerevisiae; gli ultimi stadi, sempre per gli stessi motivi, sono condotti in totale aerobiosi, mantenendo però vivi gli enzimi fermentativi. Se dovessi condurre il processo in totale aerobiosi avrei più cellule, ma esse non sarebbero più attive quando si inseriscono nell’impasto, perché non fermenterebbero. Per cui l’unico sistema per ottenere un numero elevato di cellule che abbiano attività fermentativa è il multistadio.

L’inoculo è elevato (circa 20-30%), di conseguenza lo sviluppo microbico è limitato a poche generazioni. Il ruolo chiave è dato dalla concentrazione di substrato: affinché si abbia una produzione di biomassa occorre che la concentrazione zuccherina sia < 50 g/L, concentrazioni superiori fanno deviare il metabolismo verso la fermentazione.

Tipologie di lievito da pane disponibili sul mercato

Le tipologie di lievito da pane disponibili sul mercato sono svariate. Il lievito viene commerciato come:

• Lievito compresso: questa tipologia di lievito contiene il 30% di sostanza secca (cellule) e 70% di acqua e può essere conservato 30 giorni a 4°C.
• Lievito essiccato: questo lievito contiene il 90-95% di sostanza secca e viene confezionato sottovuoto o in presenza di azoto. La sua shelf-life è di circa un anno se mantenuto a temperatura ambiente.
• Lievito liofilizzato: questo lievito ha un uso dietetico perché è un integratore, fonte di vitamine del gruppo B e di sali minerali, viene inattivato col calore.
• Lievito madre: impasto composto da S. cerevisiae, altri lieviti e batteri, a dare un’associazione microbica mista; viene utilizzato per la produzione di prodotti da ricorrenza; posso anche prendere un impasto madre ed essiccarlo, per ottenere un prodotto essiccato in busta, che contiene anche farina.

Il lievito per panificazione non è da confondere con gli agenti lievitanti per torte, dolci e biscotti.

Produzione di Agaricus e sviluppo del primordio

Nella produzione di Agaricus, una volta evidenziato lo sviluppo delle ife fungine, il primordio del carpoforo avviene a spesa energetica del compost che funge da fonte di nutrimento. Lo sviluppo si divide in due fasi:

Fase 1

• Temperatura: 25°C
• Umidità: 100%
• Tensione di ossigeno: bassa

Cosa avviene: le ife che si sono sviluppate nel compost risalgono in superficie in cerca di ossigeno. In questa fase le ife sono visibili sulla superficie del compost. Quando le ife saranno visivamente il 60-70% della superficie totale allora verrà operato uno shock termico in modo da favorire lo sviluppo fungineo (come in natura).

Fase 2

• Temperatura abbassata a 16°C
• Umidità relativa abbassata a 80%
• Tensione di ossigeno aumenta (grazie a immissione aria dall’esterno)

Cosa avviene: grazie al cambio delle condizioni, le ife si riuniscono a formare un pallino (primordio del carpoforo) che andando avanti con il tempo si ingrosserà. Raggiunte le dimensioni di un pisello, la pallina si strozza al centro, il fungo comincia a differenziarsi e si sviluppa. Dopo circa 10 giorni, il carpoforo raggiunge la piena maturità.

Inoculo nella produzione di Agaricus

La produzione di Agaricus viene divisa in tre fasi: la prima è suddivisa in tre step e comprende la preparazione del substrato, la sua pastorizzazione e il suo condizionamento; la seconda fase è la fase dell’inoculo, dell’incubazione e dello sviluppo del micelio, mentre la terza fase è la raccolta dei funghi. Perciò l’inoculo avviene nella seconda fase.

L’inoculo della coltura solida avviene nel compost pastorizzato e condizionato. Quest’ultimo viene trasferito con un nastro trasportatore in un'altra cella con caratteristiche analoghe a quelle in cui sono state condotte le fasi di pastorizzazione e condizionamento. Durante questo trasferimento avviene l’inoculo del compost con spore pregerminate, supportate su semi precotti di frumento, miglio o segale, appositamente preparate da aziende specializzate. Dopo essere stato inoculato, viene incubato a 25°C per 12-15 giorni. Il micelio si sviluppa a spese dal seme in questa fase, formando una fittissima ragnatela che progressivamente colonizza il compost.

Produzione di yogurt: cremoso, compatto e da bere

I due microrganismi che lavorano nella produzione dello yogurt sono in simbiosi, si aiutano a vicenda. Quando vengono inoculati, il primo a lavorare è di solito Streptococcus thermophilus che ha attività proteolitica e libera peptidi che favoriscono il lavoro di Lactobacillus delbruekii. Lactobacillus comincia a lavorare verso la fine del processo ma lavora per più tempo perché più acido tollerante. Streptococcus viene inibito a un certo livello di concentrazione dell’acido lattico. Tutte e due sono omofermentanti, cioè producono solo acido lattico come prodotto finale del metabolismo. Quando fanno glicolisi, l'acido piruvico diventa acido lattico, che è un acido organico quindi abbassa il pH del latte fino a causarne la coagulazione.

L’inoculo di solito viene fatto con i microrganismi associati (Lactobacillus e Streptococccus) in rapporto uno a uno oppure in rapporto diverso (più Lactobacillus più lo yogurt sarà acido). Esistono tre tipologie di yogurt in commercio. La combinazione dei microrganismi è diversa in base allo yogurt.

• Coagulo compatto o intero: è detto anche yogurt greco, viene fermentato in vasetti, di solito di vetro o plastica. Il coagulo è compatto, quasi gelatinoso. Latte inoculato viene aliquotato nei vasetti che vengono chiusi e incubati per circa 8-14 ore a 43-44°C. L’inoculo è di sotto, sopra o di lato (perché non viene mescolato) dopo raffreddo a 20°C e poi raffreddo in frigo. I volumi di produzione sono minori rispetto a quello cremoso perché richiede spazio (causa inoculo in vasetti) e manualità persone. Si devono avere sale dove mettere yogurt. Di solito aziende più piccole. Vengono eventualmente addizionati frutta, succhi o marmellate/confetture e aromi.
• Cremoso (coagulo rotto): in Italia è l’80% del consumo. Viene fermentato nel bioreattore. Si inocula il latte e si trasferisce in un fermentatore a 43-44°C per 8-12 ore senza areazione ma con agitazione. Il coagulo mentre si forma viene rotto dando una consistenza cremosa. Infine, viene fatto passare in dei fori che omogenizzano struttura rompendo il coagulo (laminazione). Gli agitatori sono lenti e hanno la forma di una griglia/gabbia o ancora. Il loro diametro è ampio ed è grande quasi come tutto il reattore. Possiamo aggiungere purée di frutta mescolando il tutto alla fine dando consistenza più omogenea. Quando la fermentazione è finita e il coagulo è rotto si ha il riempimento dei vasetti.
• Da bere: la consistenza è molto liquida. Viene fatto come lo yogurt cremoso però poi viene omogeneizzato a 250 atmosfere (altissime pressioni) che consente la rottura del coagulo facendolo diventare fluido. Infine, viene messo in confezioni che permettono di berlo. Prima del confezionamento, lo yogurt viene quindi omogeneizzato per ottenere la rottura spinta dei globuli di grasso e per conferire al prodotto la fluidità necessaria.

Produzione della birra: ammostamento

La fase di ammostamento consiste nel mettere a bagno il macinato (quello che ho tritato) e solubilizzare la maggior parte dei composti solubili che si trovano nel malto. Intanto scaldo per attivare le attività enzimatiche che ho bloccato nella fase di tostatura. Ogni mastro birraio segue diversi profili di ammostamento in funzione di diverse variabili. Di solito dura 90 minuti. (mesh = inizio ammostamento/ mesch out è sempre a 78°C e inattiva gli enzimi).

I profili di ammostamento sono molto diversi, per esempio:

• Mesch in: porto a 50°C e li mantengo per 10-15 minuti chiamato protein rest (non è obbligatorio). Con questo facilito attività proteasi producendo peptidi questo al fine di stabilizzare la schiuma della birra.
• Porto a 65°C per 10-15 minuti e questo consente alle beta amilasi di lavorare ottenendo maltosio (disaccaride glucosio-glucosio).
• Porto a 68°C che è optimum alfa amilasi (producendo maltosio e glucosio). C'è una lunga azione idrolitica e rimangono destrine.

• Si salta il protein rest
• Mesh in 60°C
• Si fa solo una sosta per la saccarificazione tra optimum alfa e beta amilasi. Lavorano in maniera ottimale beta amilasi e sub ottimale le alfa amilasi perché temperatura più bassa.

Serve a produrre il substrato per la fermentazione idrolizzando l’amido e dandogli anche alcuni amminoacidi. Ammostamento fatta in contenitori molto diversi rispetto al contesto. Es. Poretti li ha in rame perché conducono bene temperatura. In questa fase c’è una movimentazione minima.

La fase di ammostamento ha lo scopo di trasformare e solubilizzare le sostanze insolubili presenti nel malto, a dare un mosto zuccherino e fermentescibile. Durante questa fase avviene la miscelazione del malto con l’acqua in modo da solubilizzare il più possibile le sostanze presenti nel malto; avviene anche un aumento graduale della temperatura della miscela fino alle temperature ottimali per le attività enzimatiche. L’ammostamento consta di tre step a temperatura diversa in sequenza:

• Scaldo e faccio una prima sosta a circa 50°C per qualche ora: le proteasi attivate nel malto idrolizzano le proteine a dare amminoacidi liberi.
• Seconda sosta a circa 60°C: agiscono le beta-amilasi, che partono dalle estremità dell’amido liberando maltosio (glu-glu).
• Terza sosta a circa 70°C: attivo le alfa-amilasi, che lavorano a random nell’amido liberando le destrine.

L’ammostamento viene eseguito per consentire a S. cerevisiae di fermentare il substrato nelle fasi successive, e per fornirgli amminoacidi liberi e garantirgli un maggior benessere.

Produzione della birra: fermentazione alta e bassa

Nella produzione della birra, la fermentazione alta avviene quando al mosto si aggiungono i lieviti Saccharomyces cerevisiae, ossia quello che viene comunemente chiamato lievito di birra. I lieviti fermentati, inoltre, non si depositano sul fondo ma si esauriscono portando le bollicine di anidride carbonica a salire in superficie. Dal momento che la temperatura è più alta, il processo di fermentazione è più... (testo incompleto).