Microbiologia dei prodotti alimentari

Microbiologia dei prodotti alimentari

Contenuti del corso

Fornire conoscenze di base sul ruolo dei microrganismi nella trasformazione, conservazione ed alterazione degli alimenti di origine animale e vegetale e nella produzione di nuovi alimenti ed ingredienti da biomasse microbiche.

Obiettivi formativi

Acquisire conoscenza dei microrganismi, della loro fisiologia ed attività metabolica utile e/o alterativa negli alimenti. Saper valutare le condizioni ambientali ed apprendere l’utilizzo di tecniche che favoriscono o ostacolano lo sviluppo negli alimenti di microrganismi beneficio indesiderati. Essere in grado di riconoscere, all’interno della filiera produttiva dei diversi alimenti i punti critici su cui intervenire per limitare lo sviluppo di microrganismi indesiderati e per favorire quello dei microrganismi benefici.

Programma

• Definizioni
• Cenni storici e ruolo dei microrganismi nell’industria degli alimenti
• Tassonomia, ecologia e fisiologia dei gruppi microbici di maggiore interesse per il settore alimentare.
• Effetto dei parametri intrinseci ed estrinseci sullo sviluppo dei microrganismi
• Metodi fisici e chimici per limitare lo sviluppo microbico negli alimenti.
• Metodi per determinazione ed identificazione dei microrganismi
• Principali generi microbici causa di alterazione
• Le colture microbiche starter
• Bevande ed alimenti fermentati (sia di origine animale che di origine vegetale)
• Probiotici ed alimenti funzionali
• Alimenti ed ingredienti di origine microbica (MO non come agenti di trasformazione, ma essi stessi come alimento)

Ruolo dei microrganismi

I MO possono essere fonte di infezione e patologie, possono essere utilizzati come biocombustibili, o direttamente perché ad esempio producono etanolo, oppure attraverso fermentazione per ottenere sempre etanolo e usarlo come biocombustibile. I MO sono capaci di crescere su sostanze inquinanti, (es sono capaci di degradare il petrolio, perciò vengono inoculati per ripulire le aree contaminate), possono essere utilizzati per risanare i suoli contaminati da metalli pesanti perché i MO riescono ad assorbirli all’interno della cellula, quindi se ci sono contaminazioni ambientali da metalli pesanti i MO possono essere inoculati in ambiente/suolo/acqua per eliminare metalli pesanti, idrocarburi, alcuni pesticidi.

I MO vengono impiegati anche nelle biotecnologie per la produzione di OGM, per la terapia genica di diverse patologie (es tumori), per la produzione di vari farmaci, questo perché in natura i MO devono “combattere” fra di loro, perciò attuano meccanismi di difesa producendo delle sostanze che sono dannose per altri MO ed è questa capacità che noi sfruttiamo. I MO hanno un ruolo anche nel ciclo degli elementi (carbonio ed azoto principalmente): il ciclo del carbonio sia in aerobiosi che anaerobiosi (sia cianobatteri che demolitori della sostanza organica perché i MO riescono a degradare sia la CO₂ che i composti organici), ed è molto importante anche il ciclo dell’azoto (a partire dalla fissazione dell’azoto atmosferico, si susseguono varie reazioni fino alla ri-immissione dell’azoto in atmosfera).

I MO sono molto importanti nell’ambito degli alimenti: sia per la conservazione degli alimenti (servono tecniche per ostacolarli, come calore, freddo, radiazioni e composti chimici), oppure posso sfruttare le caratteristiche dei MO per trasformare gli alimenti fermentandoli, oppure posso usare i MO anche come ingredienti alimentari (es acido citrico e glutammato sono additivi prodotti da MO).

Definizioni

Microbiologia: è scienza che ha per oggetto gli organismi viventi microscopici (invisibili ad occhio nudo). I MO hanno dimensioni dell'ordine del micrometro (0,5-5 micron per la maggior parte).

Microbiologia degli alimenti: è indistinguibile da “Microbiologia” se non per il contesto in cui opera (indispensabile la conoscenza dei microrganismi e degli alimenti).

Microbiologia industriale: è scienza che studia i processi nei quali si ricorre all’uso dei microrganismi su scala industriale per produrre determinate sostanze o per operare modificazioni di taluni prodotti. Se devo produrre uno starter per fare una fermentazione devo ricorrere alla microbiologia industriale.

Fermentazione

(da fervere) è:

• In senso stretto (biochimica/bioenergetica): processo metabolico di produzione di energia (ATP) da composto organico in anaerobiosi in cui il donatore di elettroni è organico ed esogeno e l’accettore (endogeno) viene generato dal catabolismo del substrato organico. L'energia che il MO riesce ad ottenere attraverso la fermentazione è molto minore dell'energia che può ottenere attraverso la respirazione aerobia perché la catena di trasporto degli elettroni è più corta.
• In senso lato (industriale): ogni processo produttivo basato su microrganismi. Processo industriale in cui le attività metaboliche dei microrganismi utilizzati producono una modificazione chimica di un substrato organico, indipendentemente dalla presenza o meno di ossigeno. Il processo avviene in un bioreattore detto pertanto fermentatore. Quando voglio sfruttare un MO per produrre qualcosa (es acido citrico) parlo di fermentazione anche se questo MO respira. Quindi fermentazione in senso lato vuol dire ottenimento di un prodotto a partire da un MO, non necessariamente attraverso la via biochimica della fermentazione, il MO potrebbe fare anche respirazione aerobia o anaerobia.

La fermentazione riesce ad aumentare la conservabilità di un alimento, sono utilizzate per stabilizzare certi prodotti bloccando l’attività di altri MO che sarebbero dannosi, perché acidificano la matrice (si abbassa il pH) e perché grazie alla fermentazione alcolica si ottiene etanolo e l’etanolo in certe concentrazioni viene usato anche come disinfettante.

Biotecnologia

Sfruttamento dei MO, ottenimento di un qualche prodotto a partire dai MO:

• Uso integrato di microbiologia, biochimica ed ingegneria al fine di realizzare l’applicazione industriale delle capacità di microrganismi o cellule di tessuti coltivate o loro parti
• Applicazione dei principi della scienza e della ingegneria al trattamento dei materiali con agenti biologici per produrre beni o servizi
• Uso di organismi viventi finalizzato alla produzione di prodotti utili all’uomo.

Alimento

Qualsiasi sostanza che viene assunta ed introdotta nell’organismo per produrre, attraverso un processo metabolico, energia, calore e materiale di reintegro e di accrescimento, assicurando il normale svolgimento delle funzioni vitali. (sostanze alimentari, prodotti alimentari, bevande)

G. U. Comunità Europea – 2002: Qualsiasi sostanza o prodotto trasformato, parzialmente trasformato o non trasformato, destinato ad essere ingerito, o di cui si prevede ragionevolmente che possa essere ingerito, da esseri umani. [gomma da masticare inclusa, vegetali prima della raccolta non compresi]

• I gamma è fresco
• II gamma è conservato in scatola
• III gamma è surgelato
• IV gamma è ortaggi lavorati pronti
• V gamma è precotti
• VI gamma è grillati

Cenni storici – periodo pre-scientifico

Raccolta di alimenti (uomo cacciatore) – (8.000 -10.000 anni fa) Produzione di alimenti da 10-8.000 a.C. (cottura) a oggi; (patogeni alimentari!! – 6.000 a.C.) Salagione ed affumicamento (3-1.500 a.C.) Alimenti fermentati: vino (regione Caucasica, 7-8.000 a.C.), birra (Babilonesi, 6-7.000 a.C.), formaggi (Egitto, 3.000 a.C.), carni insaccate (Cina, 1.500 a.C.) Progressi per comprensione natura tali fenomeni praticamente assenti fino XVII sec. È Era scientifica inizia ufficialmente con Pasteur (1850-60)

L’utilizzo consapevole dei MO negli alimenti è abbastanza recente; le prime tecniche di produzione degli alimenti (alimenti fermentati, produzione di vino e birra) risalgono a 7000-8000 anni fa e non era assolutamente noto il ruolo dei MO nelle matrici da cui poi si ottenevano questi prodotti; erano tutte applicazioni per favorire la conservazione di certe materie prime che altrimenti sarebbero andate in deperimento. Le fermentazioni riescono ad aumentare la conservabilità degli alimenti, li stabilizzano, bloccando l’attività di altri MO che sarebbero dannosi.

Tappe significative nello sviluppo della microbiologia degli alimenti (conservazione, alterazione, intossicazioni, fermentazioni)

• 1683 Microrganismi osservati per la prima volta da A.van Leeuwenhoek
• 1765 Spallanzani contro teoria germinazione spontanea (brodo carne bollito in recipienti chiusi non subiva alterazioni), non creduto (si pensava che trattamento escludesse ossigeno) - Pasteur risolve con esperimento con fiasche a collo di cigno.
• 1810 Appert: processo conservazione carne in barattoli vetro bolliti per vario tempo
• 1857 Pasteur: acidificazione latte provocata da microrganismi
• 1860 Pasteur: uso del calore per distruggere microrganismi indesiderati in vino e birra
• 1866 Pasteur pubblica “Etudes sur le Vin” => alterazioni viste come "malattie "
• 1876 Koch dimostra rapporto causa/effetto per carbonchio nei bovini (Bacillus anthracis) => postulati e colture pure di laboratorio!!!
• 1880 Pastorizzazione latte introdotta in Germania
• 1896 Van Ermengem scopre C. botulinum
• 1902 Schmidt-Nielsen introduce il termine “psicrofilo”
• 1907 Metchnikoff isola batterio da yoghurt => L. bulgaricus
• 1912 Richter introduce termine “osmofilo” per descrivere comportamento lieviti
• 1960 Prima segnalazione di produzione di tossine da Aspergillus flavus (aflatossina)
• 1981 Epidemia da Listeria monocytogenes in USA
• 1993 Direttiva Unione Europea su “Igiene prodotti alimentari” => HACCP
• 1997 Adozione del sistema HACCP in Italia (D.L. 155 del 26.V)
• 2005 EFSA segnala infezioni Campylobacter > Salmonella in UE

Ruolo dei microrganismi negli alimenti (prevenzione e uso)

1. Microrganismi dannosi o indesiderati, li vogliamo bloccare, possono apportare conseguenze negative da un punto di vista di:
   • Qualità sensoriale
   • Conservabilità
   • Innocuità (patogeni)
2. Microrganismi utili (o virtuosi), sono i MO che voglio favorire e stimolare, sono MO protecnologici, utili alla produzione dell’alimento
   • Processi fermentativi
   • Fonte di enzimi (amilasi, beta-galattosidasi, glucosio ossidasi, invertasi), sintetizzano degli enzimi che degradano le matrici (soprattutto gli zuccheri) e producono ad es, a partire dall’amilasi, il glucosio che può essere usato da altri MO, oppure enzimi che possono andare a produrre composti che organoletticamente apportano dei benefici all’alimento
   • Fonte di ingredienti e additivi alimentari (aminoacidi, acidi organici, polisaccaridi, ….)
   • Microrganismi come alimento (es il tempeh (non solo MO), o il quorn (a partire da un fungo)) (ci sono anche MO che sono presenti ma non apportano né caratteristiche positive né caratteristiche negative all’alimento)

Indipendentemente dal ruolo loro riconosciuto, i microrganismi operano modificazioni a carico di componenti degli alimenti che fungono così da substrato per il metabolismo microbico; funzione primaria dei microrganismi in natura = moltiplicazione!! Sia nel caso dei MO dannosi che nel caso dei MO utili, vogliono crescere sulla matrice che trovano. Avremo prevalentemente chemiorganotrofi eterotrofi il cui scopo è crescere su questi substrati.

Origine dei microrganismi negli alimenti

1. Contaminazione microbica degli alimenti (fermentazioni spontanee, con popolazioni autoctone che possono essere sia dannose che virtuose)
   • Contaminazione primaria: contaminazione legata a microrganismi naturalmente presenti nell’alimento (es. lieviti o batteri che si possono trovare sull’acino dell’uva e che ritrovo poi in cantina ed opereranno una determinata fermentazione)
   • Contaminazione secondaria: contaminazione legata all’ambiente:
     • Biologica (microrganismi o prodotti del metabolismo)
     • Non biologica (pesticidi, antibiotici, nitrosammine, etilcarbamato ecc)

Quindi oltre all’alimento, occorre considerare anche l’ambiente in cui la matrice alimentare viene prodotta (possibili contaminazioni dall’aria, dall’acqua, dal suolo, dalle materie prime, dall’uomo, macchine/utensili/superfici, contaminazioni crociate). In contaminazioni secondarie numero e tipologia dei microrganismi può essere molto variabile.

2. Utilizzo di colture microbiche selezionate (colture starter) le colture starter sono colture di MO selezionati che io immetto sulla matrice per apportare delle trasformazioni che mi porteranno al prodotto finito; le colture starter sono colture selezionate dai vari laboratori di un determinato MO; generalmente sono colture pure di un certo MO, es. una coltura selezionata di lievito che immetto nei vini per ottenere una determinata fermentazione; quindi non ho una fermentazione spontanea dei MO che abitano la matrice, ma una fermentazione guidata da un MO selezionato in coltura pura e che so che mi porterà determinate caratteristiche al prodotto finito.

Es. Alimento fermentato Def.: sostanza alimentare trasformata per via fermentativa da microrganismi “virtuosi” al fine di essere resa più serbevole o più gradevole. Per la maggior parte, è un prodotto industriale e la fermentazione è realizzata mediante impiego di colture microbiche selezionate (starters)

Alimenti fermentati di origine animale

• Fermentazione trasformativa: Carne → Salami
• Latte fermentati, formaggi → Latti

Alimenti fermentati di origine vegetale

• Fermentazione trasformativa (da uno zucchero. Glucosio, ottengo vari prodotti come etanolo, acido lattico, acido acetico): Cereali prodotti da forno, birra → Pane, Uva Vino → Piante foraggiere Insilati
• Fermentazione estrattiva (viene utilizzata la capacità del MO per degradare alcuni composti organici che fanno sì che io poi possa estrarre il mio composto di interesse più facilmente, es sono in grado di estrarre più facilmente il contenuto dei semi di caffè e cacao, i MO degradano le parti polisaccaridiche e mucillaginose che racchiudono il seme): Caffè, cacao

N.B. alimenti fermentati possono originarsi anche da fermentazione spontanea a carico di microrganismi naturalmente presenti nel materiale di origine.

Produzione di un alimento fermentato

• Adeguata preparazione della materia prima per favorire la fermentazione
• Esclusione di aria (recipienti idonei)
• Adeguata concentrazione di substrati fermentescibili.

Pensando ad un alimento fermentato dobbiamo far sì che nella nostra matrice sia favorita la fermentazione (es presenza/assenza d’aria nel caso del metabolismo dei lieviti: se ha ossigeno respira perché prende più ATP a respirare, se invece levo l’ossigeno inizia a fermentare); quindi dobbiamo conoscere la materia prima che abbiamo a disposizione, quali sono le fermentazioni che vogliamo ottenere, e creare quelle condizioni per lo sviluppo di quel MO che deve fermentare e un’adeguata concentrazione di substrati fermentescibili. Ci sono alcune materie prime che devono essere trattate prima dell’azione dei MO altrimenti il MO non può “lavorare su quella materia prima, ne è un esempio la birra (l’orzo deve essere preparato perché i carboidrati presenti nell’orzo non sono ben attaccabili dai MO quindi si deve prima ottenere il malto d’orzo e poi inoculare i MO)

Batteriocine

Composti microbici prodotti da batteri lattici che hanno un’azione contro altri batteri, ostacolano la crescita di MO che non voglio.

Indipendentemente dal ruolo loro riconosciuto, i microrganismi operano modificazioni a carico di componenti degli alimenti che fungono così da substrato per il metabolismo microbico funzione primaria dei microrganismi in natura = moltiplicazione!!

Processi microbici

Trasformazioni biochimiche a carico dei costituenti degli alimenti Molteplicità di:

• Agenti → muffe, lieviti, batteri (quindi per la maggior parte chemiorganotrofi)
• Matrici → materie prime e prodotti alimentari di diversa natura (in alcuni casi consideriamo condizioni anaerobie e in altri casi aerobie in cui vogliamo far lavorare i MO)
• Reazioni → fermentazioni; redox
• Effetti → desiderati; indesiderati
• Metaboliti → alcoli; acidi; esteri

Entità modificazioni funzione di:

• Numero e tipologia dei microrganismi (interazioni tra microrganismi!!) posso avere una fermentazione spontanea o una fermentazione indotta da una coltura starter; nella prima non è detto che sia il MO che voglio che parta, ma potrebbero essere MO dannosi; nel caso in cui si il MO che voglio la fermentazione potrebbe essere lenta perché il numero di MO spontanei che trovo naturalmente in una certa matrice che possono essere utili è molto inferiore rispetto al numero di MO che io posso immettere con una coltura starter, quindi il tempo della trasformazione della mia matrice in alimento varierà a seconda del numero dei MO che io ho a disposizione, attraverso un inoculo spontaneo o una coltura starter.
• Struttura e composizione dell’alimento
• Caratteristiche chimico-fisiche (pH, T, umidità, atmosfera) dell’alimento e dell'ambiente