Microbiologia

FERMENTAZIONE LATTICA ETEROFERMENTANTE:

PRODOTTI FERMENTATI:

In Italia per legge si può chiamare yogurt soltanto il latte bovino fermentato con i

batteri Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus termophilus; ciononostante in molti

prodotti si ritrovano anche altri fermenti. Il Kefir, per esempio, contiene fermenti

lattici che non si ritrovano nello yogurt.

PROCESSO DI INSILAMENTO:

L'insilato è il prodotto di una tecnica di conservazione del foraggio (l'insilamento)

che si realizza per acidificazione della massa vegetale causata da microorganismi

anaerobi, impedendo così ad altri microrganismi di colonizzare la massa vegetale

provocandone la perdita di valore nutritivo e sviluppando sostanze potenzialmente

tossiche per gli animali ai quali il prodotto è destinato.

Pre-appassimento dei vegetali:

- 25-30 % di sostanza secca (ss) ottimale per insilaggio

- <25 % di ss necessita di interventi con additivi.

Stoccaggio in strutture sigillate per impedire la diffusione di O nella massa:

2

- Respirazione dell’O residuo da parte della microflora aerobica ed anaerobica

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facoltativa;

- Instaurazione di microaerofilia ed anaerobiosi.

PROCESSI MICROBIOLOGICI DEGLI INSILATI:

• 9 10 -1

In condizioni ottimali di ss, aumento Batteri Lattici (10 - 10 g )

- fino a pH 5.5-sono presenti Lactobacillus, Pediococcus, Streptococcus,

Leuconostoc

- per pH 5,5-predominano Lattobacillaceae

Inizialmente lattobacilli omofermentanti (L. plantarum e L. curvatus): massima

conservazione di energia e materia. Alla fine, il 75-95 % sono lattobacilli

eterofermentanti (L. buchneri e L. brevis).

Indotti da una bassa [substrato] ed una > tolleranza all'acido acetico prodotto.

• In condizioni di ss < 25 %

[substrato] basso e pH non raggiunge valori < 4

Enterobatteriaceae, ma soprattutto Clostridi non vengono inibiti.

Clostridi:

- Appartenenti alla famiglia delle Bacillaceae, gram positivi

- Movimento per flagelli peritrichi,

- Producono endospore

- Marcato metabolismo fermentativo

- Anaerobi (esistono tutte le forme di passaggio)

- Anaerobi obbligati (C. pasteurianum, C. kluyveri)

- Anaerobi (quasi) aerotolleranti (C. histolyticum, C. acetobutylicum)

Si dividono in:

• Clostridi saccarolitici

• Clostridi proteolitici

Raggruppati in base ai prodotti della fermentazione:

- Acidi: Butirrato, Lattato, Acetato

- Alcoli: Butanolo, 2 Propanolo, Etanolo

- Acetone

- Gas: CO , H

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CLOSTRIDI PATOGENI E PRODUTTORI DI TOSSINE:

- C. hystoliticum: cancrena

- C. septicum: proteinasi distruggono collagene ed altre proteine

- C. tetani: tetano, potente neurotossina, causa spasmi muscolari e rigidità

- C. botulinum: botulino (botulus- salsiccia), neurotossina termolabile; Agisce a

livello delle terminazioni nervose, paralisi anche delle vie respiratorie.

Azione delle tossine del botulino:

Figura a sinistra: dopo uno stimolo da parte del sistema nervoso centrale, viene

normalmente rilasciata acetilcolina che si accoppia a specifici recettori, inducendo il

movimento.

Figura a destra: le tossine del botulino prevengono il rilascio di acetilcolina dalle

vescicole. Ciò porta in una mancanza di stimolo alle fibre muscolari e un

rilassamento irreversibile dei muscoli che porta a paralisi.

Aggiunta di additivi:

• Inibitori di fermentazione:

- Acidi minerali utilizzati per acidificazioni (in disuso): pH < 3 insilato non

appetibile e causa di acidosi; pH 3.6 -4 più appetibile, ma causa

problemi ad alcuni processi fermentativi degli animali

- Acidi organici (miscele di Acido formico e cloridrico): Acido formico

(attività antibatterica in forma ionica, battericida in forma non

dissociata; per acidificazioni intorno a 4: soppressione di Clostridi ed

Enterobatteriacea, soppressione parziale di Lattobacilli che così

possono reinvadere la massa), Formaldeide (sol/ne al 40 %; Proprietà

batteriostatiche ridotte al 20% dopo 100 gg), Paraformaldeide

(polimero solido contenente 90% di formaideide; meno volatile, inibisce

le fermentazioni anomale e previene perdita proteica)

• Stimolatori di fermentazione: melasse

- aumentano ss e [Acido Lattico]

- per basse [substrato] (leguminose) necessitano di elevate quantità di

melasse i cui residui innescano degradazioni aerobiche e perdite di ss al

momento dell'utilizzo

Rumine:

L’animale richiede acidi grassi volatili a basso peso molecolare: questi vengono presi

e traslocati a tutte le cellule tramite il flusso sanguigno. I fermentatori producono

però altri sottoprodotti di fermentazione: CO e metano.

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Cellulosa:

La cellulosa è uno dei più importanti polisaccaridi. È costituita da un gran numero di

molecole di glucosio (da circa 300 a 3.000 unità) unite tra loro da un legame β (1-4)

glicosidico.

• La catena polimerica non è ramificata:

Le catene sono disposte parallelamente le une alle altre e si legano fra loro per

mezzo di legami ad idrogeno, formando fibrille. Queste fibrille localmente sono

molto ordinate al punto da raggiungere una struttura cristallina. La parte cristallina è

idrofoba, e quindi per poter ottenere un prodotto idrofilo occorre sottoporre la

cellulosa ad un insieme di trattamenti detti mercerizzazione, dal nome del chimico e

industriale tessile inglese John Mercer che ideò il processo nel 1844 e lo brevettò nel

1851.

• Cellulasi:

Un gran numero di funghi producono cellulasi extracellulari

- L'abilita di solubilizzare completamente la cellulosa cristallina è ristretta a

pochi funghi capaci di produrre anche la cellobiosio idrolasi

- Thricoderma reesei e Phanerochaete chrysosporium, producono almeno tre

classi di enzimi ad attività extracellulare

- endo β (1-4) glucanasi (EG), rompono a random legami β (1-4) all'interno della

molecola della cellulosa

- eso β (1-4) glucanasi o cellobiosio idrolasi (CBH), rimuovono cellobiosio dalle

terminazioni delle catene di cellulosa β (1-4) glucosidasi, idrolizza cellobiosio o

a glucosio. (A) Rappresentazione schematica dell’idrolisi di

cellulose amorfe e microcristalline da parte di sistemi

di cellulasi non complessati.

(B) Rappresentazione schematica dell’idrolisi di

cellulose amorfe e microcristalline da parte di

sistemi di cellulasi complessati.

CBM: Carbohydrate-Binding Module

Rappresentazione schematica di un

multi-cellulosoma. Questo modello

consiste in un mini-CbpA contenente

CBD, un HLD che è stato postulato

abbia il ruolo di legare i cellulosomi

alla superficie cellulare, e due coesine

alle quali sono attaccate due

molecole di enzima cellulosomiale

(codificate dal gene engB).

Emicellulose:

Sono polimeri ramificati di xilosio C5, arabinosio C5, C6 galattosio, mannosio C6 e

glucosio C6. Le emicellulose legano fasci di fibrille di cellulosa a formare microfibrille

che migliorano la stabilità della parete cellulare. Esse si intersecano anche con

lignina, creando una complessa rete di legami che forniscono resistenza strutturale,

ma anche una protezione alla degradazione microbica.

Lignina:

- Principali monolignoidi trovati in lignina di piante “naturali”:

La lignina è un polimero complesso di unità di fenilpropano, che sono incrociati l'uno

con l'altro con una varietà di differenti legami chimici. Questa complessità ha finora

dimostrato la resistenza al dettaglio: caratterizzazione biochimica come è per la

degradazione microbica, che ostacola notevolmente la nostra comprensione dei suoi

effetti. Tuttavia, alcuni organismi, in particolare i funghi, hanno sviluppato gli enzimi

necessari per rompere la lignina. Le reazioni iniziali sono mediate dalla lignina

extracellulare e perossidasi di manganese, prodotti principalmente da funghi

bianchi. Gli actinomiceti possono anche decomporre la lignina, ma in genere

degradano meno del 20 percento della lignina totale presente. La degradazione è

principalmente aerobica e in un ambiente anaerobico la lignina può persistere per

periodi molto lunghi.

REATTORI A BIOGAS:

All’interno dei reattori si tenta di emulare ciò che accade nel rumine:

Decomposizione anossica: nello schema è rappresentato il modo con cui diversi

gruppi di fermentatori anaerobi cooperano per la conversione di materiali organici

complessi in metano. Dobbiamo considerare delle comunità microbiche che hanno

al loro interno un grande quantitativo di microorganismi fermentatori che hanno

bisogno delle condizioni giuste. Questi organismi producono metano, da carboidrati,

alcoli o acidi. Nel momento in cui i prodotti della fermentazione vengono rilasciati

nel substrato (parte del monomero viene trasformato in energia parte che viene

rilasciata) devono essere consumati da altri microorganismi. Fra i microorganismi

che partecipano al consumo di questi substrati ci sono i microorganismi sintrofici

metanigeni che hanno la possibilità di consumare questi substrati. La condizione dei

fermentatori non è in aerobiosi stretta come quella dei metanigeni.

I processi microbici si articolano nel seguente modo:

1. Idrolisi: microorganismi spezzano le molecole organiche complesse in

sostanze più semplici attraverso enzimi idrolitici extracellulari (proteine in

amminoacidi e acidi organici, polisaccaridi in zuccheri semplici, lipidi in acidi

grassi e glicerina)

2. Fermentazione: I batteri utilizzano come substrato i composti organici

semplici liberati dai batteri idrolitici e producono acidi organici, alcoli a corta

catena (acido acetico, propanoico, lattico, metanolo, etanolo, propan-1-olo,

propan-2-olo), gas CO e H . In questo modo tutto l’O presente viene

2 2 2

consumato rendendo l’ambiente totalmente anaerobico, cosa essenziale

soprattutto per i metanobatteri.

3. Acetogenesi: i metanogeni consumano carbonio producendo acetato:

- Batteri acetogeni: produttori obbligati di idrogeno (OPHA: Obbligate

Hydrogen Producing acetogens), che utilizzano come substrato i

prodotti precedenti dando luogo ad acetato, CO e H .

2 2

CH CH COOH + 2H O 3H + CO + CH COOH

3 2 2 2 2 3

- Batteri omoacetogeni: sintetizzano acetato partendo da anidride

carbonica e idrogeno.

2CO + 4H CH COOH + 2H O

2 2 3 2

4. Metanogenesi: L’ultimo anello di trasformazione dell’idrogeno della

fermentazione che va a scaricare i suoi elettroni sulla CO è il metano che

2

viene scartato dall’animale.

I batteri metanigeni possono essere distinti in 2 gruppi:

- Acetoclastici: che producono metano ed anidride carbonica partendo

dall’acetato (70%, “lavorano” di più rispetto agli altri metanigeni).

- Idrogenotrofi: che producono metano partendo da idrogeno ed

anidride carbonica (30%).

Il CH prodotto dai metanigeni