Colture microbiche per l'industria alimentare

COLTURE MICROBICHE

Lo studio delle colture microbiche diventa importante perché l’esposizione a queste è molto elevata ogni volta che

si ingeriscono alimenti fermentati.

Gli alimenti fermentati sono entrati nella nostra dieta a partire da 10mila a.C perché rappresentavano il modo per

preservare l’alimento (come il latte).

Il fenomeno alla base di questi prodotti è la fermentazione che è un processo biochimico che avviene in condizioni

di anaerobiosi (non necessariamente) e consente di convertire lo zucchero (glucosio) in prodotti come acido lattico,

etanolo. Si ha la conversione affinchè il mo riesca ad ottenere energia; gli elettroni per riossidare il NADH vengono

scaricati sul substrato organico che portano ad ottenere i prodotti citati.

La fermentazione fin dall’antichità viene vista in modo positivo perché il suo ruolo principale è quello di preservare

gli alimenti attraverso la formazione di metaboliti come acido lattico, acetico, formico, propionico che sono acidi

organici che hanno un’attività antimicrobica anche contro i microrganismi stessi che li producono. Ad esempio il

consumo di lattosio e la produzione di acido lattico porta ad un’acidificazione del mezzo nella matrice latte che

inibisce la crescita di Streptococcus thermophilus, la cui crescita diminuisce man mano produce acido lattico.

Altri prodotti sono l’etanolo, le batteriocine che sono piccoli peptidi che hanno attività antimicrobica. Questa

conservazione dell’alimento avviene anche perché la fermentazione viene combinata con una diminuzione

dell’attività dell’acqua impiegando sale o disidratando l’alimento. La produzione di queste sostanze porta ad un

aumento della sicurezza dell’alimento stesso perché possono portare all’inibizione di mo patogeni. In molti casi la

fermentazione porta alla produzione di vitamine, acidi grassi, amminoacidi essenziali, proteine o peptidi grazie alla

crescita dei mo nella matrice. Infine c’è anche un miglioramento delle qualità organolettiche dell’alimento (latte che

diventa yogurt: l’aroma dell’acido lattico), oltre che la produzione di composti aromatici come aminoacidi, aldeidi o

isopolisaccaridi che sono prodotti di molti batteri lattici che rendono lo yogurt cremoso. Quindi ci sono 4 ruoli

fondamentali della fermentazione: mantenere l’alimento, aumentare la sicurezza, aumentare il valore nutrizionale

e la qualità organolettica.

La fermentazione viene eseguita da batteri o lieviti (Saccharomyces cerevisiae per la pizza, birra ecc.). Questi

processi di fermentazione potrebbero avvenire spontaneamente oppure nel momento in cui si aggiungono delle

colture starter, ovvero colture tra cui anche alcune delle biomasse microbiche dell’industria alimentare che

consentono di far partire la fermentazione e di velocizzarla. A seconda delle colture starter utilizzate e della

combinazione si possono ottenere caratteristiche diverse del prodotto, ad esempio non si può utilizzare qualsiasi

ceppo di Streptococcus in combinazione con qualsiasi ceppo di Lactobacillus bulgaricus ma anche la combinazione

porta ad ottenere una qualità ed una texture del prodotto finito differente.

EFFCA: European food and feed coltures association: si occupa delle colture microbiche per l’industria

alimentare.

Le colture microbiche (MFC: microbial food coltures) sono batteri, lieviti e muffe che devono essere vive e sicure,

cioè non devono provocare danni alla salute dell’uomo e dell’animale perché queste colture non sono utilizzate solo

per la produzione di alimenti destinati all’uomo ma anche per gli animali (feed). Queste colture microbiche che

vengono volontariamente aggiunte alla matrice diventano un ingrediente dell’alimento stesso e una delle

caratteristiche fondamentali del prodotto finito.

Le colture possono essere inoculate direttamente nella matrice alimentare e portano a determinati cambiamenti

nella matrice:

- aumento della conservabilità e della shelf-life

- aumento del valore nutrizionale

- modifica delle qualità sensoriali

- aumento del valore economico (costo della farina, pane, latte, yogurt, formaggio ecc.)

Alcune fermentazioni possono avvenire spontaneamente ma il fatto di aggiungere nella matrice una coltura starter

o delle biomasse microbiche (all’interno di queste ci sono colture starter) in generale nell’alimento consente di

ottenere dei prodotti che abbiano ripetutamente la stessa qualità; con la fermentazione spontanea invece si possono

avere dei prodotti variabili e non comparabili tra loro. 1

Esempi di prodotti fermentati che non esisterebbero se non ci fossero le colture microbiche e che sono stati

ottenuti grazie all’aggiunta di queste colture starter sono: roquefort, camembert, panetto per pizza o pane, yogurt,

birra, vino ecc.

Storia:

- 1665: scoperta del microscopio e della presenza di microrganismi.

- 1860 Pasteur: consapevolezza che qualche microrganismo può cambiare qualcosa della matrice alimentare e

definizione della fermentazione come “la vita senza aria”; messa a punto dei sistemi di microbiologia come

diluizione e piastramento.

- 1870 Lister: identificazione dei batteri lattici, tra cui il primo chiamato Bacterium lactic, il quale era stato in grado

di acidificare il latte.

- 1880: iniziano a comparire aziende che producono queste colture di batteri lattici ed il primo a creare

un’azienda di questo tipo fu Christian Hansen.

All’inizio queste biomasse microbiche venivano fatte crescere in latte e vendute in questo modo, ad oggi la

produzione di biomasse microbiche è un processo delicato (subiscono liofilizzazione) e ci sono poche aziende

che si occupano di questa produzione. In Italia, una delle più importanti a livello mondiale è la Sacco di

Cadorago che si trova in provincia di Como.

Le colture microbiche per il settore lattiero-caseario sono:

- Colture starter: contribuiscono al raggiungimento dell’aroma ed eseguono n-reazioni biochimiche all’interno

della matrice latte, le quali sono fondamentali per la produzione e maturazione del formaggio. Queste colture

non solo iniziano il processo di fermentazione, ma sono anche fondamentali per il raggiungimento della texture.

Tra le più importanti vi è il consorzio dello yogurt, in quanto quando più biomasse vengono utilizzate insieme

si parla di consorzio e questo ad esempio è costituito da Streptococcus thermophilus e Lactobacillus bulgaricus.

Questi microrganismi vengono impiegati insieme nell‘interazione che viene chiamata protocooperazione,

ovvero quando l’interazione tra i due mo presenti è positiva per entrambi. Lactobacillus fornisce a Streptococcus

aminoacidi e peptidi perché la maggior parte dei ceppi di Streptococcus thermophilus sono proteasi-negativa

e quindi non sono in grado di trovare questi nutrienti; viceversa Streptococcus fornisce altri nutrienti come

l’acido formico a Lactobacillus e un’altra evidenza è che Streptococcus, grazie ad una sua attività enzimatica, è

in grado di modulare il pH intracellulare di Lactobacillus in modo che entrambi riescano a produrre una quantità

maggiore di acido lattico, in modo da fermentare più velocemente ed avere una migliore texture e qualità del

prodotto. Questo perché più si acidifica velocemente, minore è il processo di sineresi, ovvero di separazione

del siero dal resto del prodotto.

- Colture starter secondarie: sono quelle più implicate nello sviluppo degli aromi, nella maturazione dei

formaggi e nello sviluppo del colore.

- Colture per la maturazione superficiale: sono quelle che vengono impiegate per favorire la maturazione delle

croste dei formaggi. Alcuni formaggi olandesi hanno un colore della superficie che è dovuto a queste colture.

L’impiego di queste colture serve ad ottenere dei formaggi differenti a seconda della coltura. Sono importanti

per la texture, per il profilo organolettico e servono anche a proteggere la superficie del formaggio perché

riescono ad inibire mo patogeni. Quindi anche in questo caso si riesce ad ottenere sempre lo stesso prodotto.

Alcuni esempi:

- Candida krusei + Kluiveromyces marxianus: candida normalmente isolata da latte crudo ed insieme al

Kluiveromyces sono coinvolti nella maturazione di formaggi austriaci e tedeschi

- Brevibacterium linens: è alotollerante (sopravvive ad elevate concentrazioni di sale), si sviluppa sulla superficie

di formaggi che vengono salati durante la maturazione; è un mo aerobio e produce proteasi extracellulari e

quindi è implicato nella maturazione ed in particolare produce il metantiolo, un composto solforato che è

l’aroma di “piedi” tipico di alcuni formaggi; esso quindi è considerato un acceleratore della maturazione di

formaggi. È responsabile ad esempio dell’aroma del cheddar.

- Kluiveromyces marxianus: applicato alla superficie per lo sviluppo degli odori e degli aromi e questo è in

grado di utilizzare il lattosio (enzima beta-galattosidasi che è in grado di scindere il lattosio in glucosio e

galattosio) quindi è lattosio-positivo ed è in grado di produrre numerosi composti volatili (esteri, chetoni, alcoli

e aldeidi). Esso è stato isolato da molti prodotti fermentati come il kefir, il quale è un prodotto estremamente

complesso ed eterogeneo perché i granuli possono variare da produzione a produzione (consorzio di batteri e

lieviti). Questo è uno dei lieviti che si trova quindi nei granuli di kefir. 2

- Staphylococcus xylosus: sono coagulasi-negativi e la coagulasi è l’esoenzima che viene prodotto ad esempio

dallo Staphyloccus aerus che trasforma il fibrinogeno in fibrina e il test della coagulasi viene usato per

distinguere questo mo dagli altri stafilococchi. Questo xylosus viene spesso isolato nei prodotti lattiero-caseari,

appartiene alla famiglia delle micrococcaceae ed è anaerobio facoltativo. Esso aiuta come altri stafilococchi a

sviluppare particolari colori della superficie del formaggio. Si usa principalmente per i formaggi soft.

- Staphylococcus equorum: viene usato per i formaggi semi-duri ed è in grado di inibire le muffe ed è il

responsabile della crosta rossa, grazie alla produzione di pigmenti dalle cellule di questo stafilococco.

- Diversi batteri tra cui ancora Staphylococcus xylosus, Brevibacterium linens ed in più vi è Debaryomyces

hansenii, il quale è un lievito che cresce consumando il galattosio residuo della crescita dei batteri lattici e

questo si trova molto nel gorgonzola e tende ad inibire lo sviluppo di altri mo, poi vi è Arthrobacter

globiformis che è un gram-negativo isolato da formaggi austriaci, appartiene alla famiglia delle

micrococcaceae, è aerobio e produce dei pigmenti gialli dovuti alla produzione di carotenoidi. Inoltre vi è

Geotrichum candidum è presente sulla crosta e per alcuni formaggi viene considerato un contaminante mentre

per altri un ingrediente necessario per il prodotto finale. Questo è un consorzio che viene usato per particolari

formaggi, per questo è un mix di mo.

- Colture per la produzione di aromi e per la formazione di occhiature: sono fondamentali per la produzione

di formaggi come l’emmental. Un ruolo di queste colture che vengono aggiunte come colture starter

secondarie è quello di rallentare lo sviluppo di NSLAB (non starter lactic acid bacteria: sono quei mo che

subentrano dopo la fermentazione dovuta alle colture starter e questi concorrono nella maturazione del

formaggio). Spesso lo sviluppo non controllato di questi NSLAB può portare all’ottenimento di un prodotto non

desiderato. Questi NSLAB derivano dal latte stesso, dal processo produttivo e questi sono fondamentali nella

maturazione del grana padano e del parmigiano reggiano, perché vanno incontro alla lisi e liberano gli enzimi

intracellulari (proteasi, lipasi ecc.) che concorrono alla maturazione del formaggio e di particolari aromi.

Alcuni esempi:

- Leuconostoc mesenteroides e Leuconostoc pseudomesenteroides: impiegati per la produzione di CO e

2

sono batteri lattici mesofili ed eterofermentanti. Sono anaerobi facoltativi e sono in generale adattati a diverse

nicchie e quindi hanno un ampio spettro di proprietà biocatalitiche; non utilizzano bene il lattosio e quindi il loro

ruolo non è nelle prime fasi della produzione del formaggio, ma viene dopo. Vengono utilizzati per la

produzione di formaggi olandesi e si sviluppano nella tarda fase di maturazione del formaggio.

- Propionibacterium freudereichii: usato per formaggi svizzeri, è un mo gram-positivo usato per l’emmental ed

in questo caso a volte viene usato come starter o come starter secondario ed è il responsabile della produzione

di CO , delle occhiature e della produzione dell’aroma tipico dell’emmental che deriva dalla produzione di esteri

2

e acidi grassi a corta catena. Questo mo può essere contabile in piastra come cellule vive fino a 10 9 se si prende

un pezzo di emmental e si effettua il piastramento. La produzione dell’emmental è molto complessa e questo

mo viene aggiunto come starter all’inizio ed è molto resistente agli stress abiotici come stress termico, osmotico

ecc.

Questi sono in grado di sopravvivere al transito gastrointestinale.

- Lactococcus lactis spp. lactis biovar diacetylactis: viene impiegato per la fermentazione del citrato importante

per la produzione di aromi come acetoina e diacetile che sono tipici del burro. All’inizio questi venivano chiamati

i mo appartenenti a questa specie come aroma-bacteria. Durante il metabolismo del citrato, si ha anche la

produzione di CO e quindi la formazione di occhiature.

2

Il citrato viene convertito in acetil-CoA e acetato con la produzione di ATP oppure ad acetoina e -acetolattato

sempre con produzione di ATP.

- Enterococcus faecium: serve per amplificare l’aroma tipico di formaggio. Questa è una specie molto resistente

al sale e alle variazioni di pH. Viene utilizzato in molti formaggi artigianali, spesso come coltura starter per la

formazione di occhiature. Questi sono indicatori di scarsa igiene, però hanno una lunga storia di “utilizzo

sicuro”, ovvero non sono mai state registrate infezioni causate dalla presenza di questo Enterococcus. Questo

appartiene ai batteri lattici quindi sono gram-positivi e l’aroma di formaggio deriva da attività metaboliche come

la glicolisi, la lipolisi del grasso del latte, proteolisi o dal metabolismo del citrato.

- Lactobacillus fermentum: batterio lattico eterofermentante, importante per il cheddar ed emmental ma anche

per la produzione di caciocavallo silano (formaggio calabrese). Questo fa parte del gruppo dei NSLAB, in

particolare del gruppo di Lactobacillus reuteri che è una specie che include dei ceppi, alcuni dei quali hanno

proprietà probiotiche. Non tutti i ceppi resistono allo stesso modo all’attraversamento gastrointestinale.

NB: Le colture microbiche vengono quindi selezionate in base a determinate caratteristiche. 3

- Colture protettive: sono microrganismi vivi che possono essere aggiunti ad un alimento e l’obiettivo principale

è di ridurre il rischio che in quell’alimento possono crescere dei mo patogeni. Quindi consentono l’inibizione di

lieviti, muffe, Listeria monocytogenes o di clostridi, per esempio per evitare il rigonfiamento di una forma di

parmigiano. Queste colture vengono selezionate per inibire i mo sopracitati, ma non devono interferire con la

fermentazione degli starter; queste non vengono indicate in etichetta e vengono considerate come un metodo

di bioprotezione naturale.

Esempio: sono alcune specie che appartengono al genere Carnobacterium, i quali vengono utilizzati nel settore

lattiero-caseario, nell’industria di produzione di gorgonzola e sono in grado di inibire Listeria monocytogenes e

questi vengono messi sulla superficie durante la maturazione del gorgonzola perché sono tolleranti al sale e sono

in grado di duplicarsi sulla crosta. Sono in grado di inibire Listeria grazie alla produzione di batteriocine. Ad esempio

Carnobacterium divergens produce la divericina.

L’azione di queste colture di protezione si basa:

- sull’esclusione competitiva: la presenza ad esempio di Carnobacterium va a competere con ad esempio

Listeria, quindi toglie nutrienti necessari a Listeria.

- sulla formazione di acidi organici (lattico, propionico, formico ecc.) oppure di etanolo e perossido di idrogeno

(acqua ossigenata) che è antimicrobico perché è un agente antiossidante ed è in grado di agire contro le

endospore di alcuni sporigeni. Inoltre la produzione di CO che è dannosa per i mo aerobi che necessitano di

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ossigeno.

- Lieviti: vengono utilizzati come colture starter ad esempio nella produzione di gorgonzola (la qualità del

gorgonzola varia molto con la stagione, l’umidità ed altri parametri essenziali; esso ha diverse qualità A

(gastronomia), B (supermercato), C (mense) e D (pizzerie: scarsa qualità)). Il latte viene inoculato con i due mo

(Streptococcus thermophylus e Lactobacillus bulgaricus) e il lievito subentra dopo lo sviluppo dei lattici e questo

Saccharomyces cerevisiae utilizza il galattosio che non hanno usato i due batteri lattici (essi utilizzano il galattosio

in antiporto per portare all’interno una nuova molecola di glucosio). Utilizzando il galattosio porta alla

produzione di CO che serve per lievitare “il giusto” la forma quindi il coagulo, questo perché negli spazi che si

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formano nel gorgonzola si va ad inserire Penicillium roqueforti che è una muffa che ha bisogno di ossigeno per

potersi sviluppare. Oltre a Saccharomyces cerevisiase, vi sono anche molte altre specie, tra cui il Kluyveromyces

lactis che viene utilizzato per la produzione della nelle prime fasi della maturazione deiformaggi perché

-gal,

in grado di usare il lattosio analogamente a ciò che fa Kluyveromyces marxianus che è termotollerante.

- Muffe: le più importanti specie di penicillium che sono ascomiceti sono P.roqueforti e il P.camemberti (crosta

bianca del brie e camembert); il ruolo di queste muffe è