Microbiologia alimentare

Microbiologia alimentare

Fattori che influenzano la crescita microbica

Fattori intrinseci (chimico-fisici)

• Struttura:
  • Tegumento: tipico dei semi.
  • Buccia: tipica della frutta.
  • Guscio: tipico di uova e frutta secca.
• Disponibilità di nutrienti.
• Presenza di sostanze antimicrobiche naturali:
  • Uova e latte presentano il lisozima che svolge la sua azione sulla parete cellulare batterica.
  • Latte presenta lattoferrina/agglutine che svolge la sua azione contro i batteri.
  • Chiodi di garofano presentano l'eugenolo che danneggia la membrana di batteri e muffe.
  • Cannella presenta aldeide cinnamica/eugenolo che danneggiano la membrana di batteri e muffe.
  • Senape presenta isotiocianato di allile che danneggia la membrana di batteri e muffe.
  • Salvia e timo presentano eugenolo/timolo che danneggiano la membrana di batteri e muffe.
• Disponibilità di acqua (a_w): a_w = P/P₀ (rapporto tra la tensione di vapore dell'acqua del substrato e quella dell'acqua pura alla medesima temperatura).
  • Temperatura
  • pH
  • Umidità dell'ambiente
  • Stato fisico dell'acqua
  • Presenza di soluti: es. NaCl o zuccheri (concentrazione maggiore del 50%)

  NB1: La capacità di crescita dei microrganismi tende a diminuire in seguito alla riduzione di a_w.

  NB2: Il range di a_w all'interno del quale si avrà crescita sarà tanto più ampio quanto più la temperatura sarà vicina all'optimum.

  NB3: La presenza di un substrato ricco amplia il range di a_w di crescita.

• Riduzione della attività dell'acqua:
  • Aggiunta di soluti:
    • NaCl
    • Zucchero (concentrazioni ≥ 50%)
  • Allontanamento dell'acqua:
    • Essiccamento
    • Evaporazione
    • Liofilizzazione
    • Affumicatura
    • Stagionatura
• pH/acidità: il controllo della crescita microbica dell'ambiente acido è determinato dalla combinazione di due differenti effetti:
  • Concentrazione di ioni H⁺
  • Effetto specifico delle molecole di acido. (NB. la frazione indissociata dell'acido interferisce con la selettività della membrana)

  L'azione antimicrobica si manifesta attraverso: inibizione alla crescita oppure riduzione alla resistenza termica.

  Classificazione:

  • Microrganismi: pH 6,6-7,5 (pH neutro: neutrofili, pH <5,5 acidofili, pH >5,5 alcalofili)
  • Batteri:
    • Patogeni: inibiti dall'ambiente acido (pH 4,5 valore di sicurezza).
    • Alteranti: pH 3,5-4
  • Eumiceti: ambiente acido.
• Potenziale Redox (Eh, mV) rappresenta la capacità di un substrato di cedere o accettare elettroni:
  • Substrato ossidato: Eh + accetta elettroni → crescita degli aerobi stretti che a -1mV non crescono più.
  • Substrato ridotto: Eh - cede elettroni → crescita degli aerobi stretti che a -300mV non crescono più.
  • Il valore del potenziale permette di selezionare la crescita degli anaerobi facoltativi.

  La presenza di gas influisce sul potenziale redox, che a sua volta influenza la popolazione microbica presente fungendo da: microbicida o selettore.

  • Sottovuoto: eliminazione totale dell'aria tramite aspirazione.
  • Atmosfera protetta: atmosfera naturale sostituita con una miscela di gas, con possibili variazioni nel tempo.
• Ossigeno: formazione di radicali liberi e perossidi superiori a quelli che il microrganismo è in grado di smaltire: inibisce le forme anaerobie strette, rallenta quelle anaerobie facoltative, condizioni favorevoli per le forme aerobie.
• Azoto: addizionato nelle varie miscele per arrivare a 100. Agisce nei confronti di alcuni enzimi prodotti dai microrganismi, inibisce la germinazione delle di B. cereus, stimola anaerobi facoltativi.
• Anidride carbonica: influenza la crescita microbica in modo direttamente proporzionale alla sua concentrazione. Inversamente proporzionale alla temperatura. Azione acidificante, modifica la permeabilità della membrana, inibisce i sistemi enzimatici, effetto residuo.

Fattori estrinseci

• Tempo
• Temperatura: la temperatura agisce sulla velocità di crescita:
  • Lunghezza della lag fase
  • Tempo di duplicazione

  Quando parliamo di temperatura distinguiamo:

  • Alta temperatura:
    • Pastorizzazione (minore di 100 gradi): comporta la distruzione delle forme patogene e parte della microflora sporofita. I prodotti pastorizzati sono semiconserve.
    • Sterilizzazione (minore di 100 gradi): provoca la riduzione di 12 cicli logaritmici delle spore di un microrganismo molto resistente (Cl. Botulinum) in un minuto. I prodotti sterilizzati sono conserve.
    • Altri trattamenti
  • Bassa temperatura:
    • Refrigerazione (0-15 gradi)
    • Congelamento (minore 0 gradi)
    • Surgelamento (minore 0 gradi)

  Tutti questi processi sono battericidi o batteriostatici. La bassa temperatura rappresenta una situazione sfavorevole per una cellula microbica a cui quest'ultima risponde:

  • Modificazione della permeabilità di membrana.
  • Riduzione velocità di crescita.
  • Riduzione trasporto di soluti.
  • Produzione sostanze extracellulari.
  • Modificazione di prodotti di metabolismo.
  • Aumento dimensioni.
  • Formazione di flagelli.

  Resistenza termica: tempo necessario ad uccidere ad una data temperatura e a determinate condizioni ambientali i microrganismi presenti in uno specifico substrato.

  I microrganismi si classificano in:

  • Psicrofili: vivono a temperature tra i -15 e i +22 gradi.
  • Mesofili: vivono a temperature tra i 5 e i 50 gradi.
  • Termofili: vivono a temperature tra i 35 e gli 85 gradi.
• Umidità dell'ambiente
• Modalità di confezionamento (gas)

Fattori impliciti

• Interazione microbica:
  • Neutralismo
  • Commensalismo
  • Amensalismo
  • Mutualismo
  • Competizione
  • Parassitismo

Radiazioni

Si definisce radiazione l'emissione e la propagazione di energia attraverso spazio o materia.

Radiazioni non ionizzanti

• Onde sonore
• Onde elettriche
• Microonde: onde elettriche con frequenza compresa tra i 300MHz e i 3GHz generate da un circuito magnetico che converte l'energia elettrica a bassa frequenza in un campo magnetico in cui la polarità cambia ad elevatissima velocità.
  • Il calore si forma per:
    • Oscillazione dei dipoli.
    • Conduzione ionica.

  Il riscaldamento a microonde è tipico quindi delle sostanze in cui sono presenti ioni liberi o molecole bipolari che possono rotare se investite da un campo magnetico che varia in continuazione. L'effetto termico delle microonde dipende da:

  • Temperatura
  • Composizione chimica
  • Contenuto in acqua
• Raggi infrarossi
• Raggi ultravioletti: sono caratterizzati da una lunghezza d'onda compresa tra 136-3900A (l'efficacia maggiore è tra i 2500A e i 2600A).

  L'effetto che hanno sulla cellula microbica è quello di provocare alterazioni alla corretta trascrizione dell'informazione genetica.

  L'efficacia di questo tipo di irraggiamento dipende da:

  • Stato fisico del substrato:
    • Disidratazione: incrementa la radioresistenza.
    • Congelamento: azione protettiva.
  • Composizione chimica del substrato:
    • Proteine: azione protettiva
    • NaCl: esalta effetto letale
    • Nitriti: sensibilizzano le forme sporigene.
  • Tipo di microrganismo:
    • Gram positivi meglio che gram negativi.
    • Spore meglio che forme vegetative.
    • Lieviti meglio che muffe.
    • Virus meglio che batteri.

Radiazioni ionizzanti

• Raggi gamma:
  • Vantaggi:
    • Economici
    • Elevato potere di penetrazione
    • Discreta uniformità di dose
    • Basso rischio ambientale.
  • Svantaggi:
    • Bassa velocità di trattamento
• Raggi X
• Generatori di elettroni

Trattamenti ionizzanti

• Radappertizzazione: dose di energia ionizzante in grado di prevenire il deterioramento e i fenomeni tossici di origine microbica, indipendentemente dalla durata e dalle condizioni di conservazione dell'alimento dopo l'irradiazione.
• Radicidazione: dose di energia ionizzante in grado di ridurre il numero dei batteri patogeni (spore escluse) e parassiti.
• Radurizzazione: dose di energia ionizzante che non modifica le caratteristiche organolettiche del prodotto ma ne riduce sensibilmente la carica saprofita alterativa, allungando così la sua vita commerciale.

Sostanze antimicrobiche

Sono sostanze prive di potere nutritivo, o impiegate a scopo non nutritivo che si aggiungono agli alimenti per conservarne nel tempo le caratteristiche chimiche, fisiche, fisico-chimiche, per prevenirne l'alterazione o esaltarne le caratteristiche sensoriali.

La conservazione degli alimenti sfrutta i parametri chimico-fisici di un prodotto i cui valori saranno modificati in base al risultato che si vuole ottenere, secondo la teoria degli ostacoli, sottoponendo un prodotto ad una opportuna combinazione di:

• Alta temperatura
• Bassa temperatura
• Attività acqua
• Acidità
• Potenziale redox
• Competizione

Il trattamento risulterà complessivamente più blando.

La contaminazione microbica

La microbiologia degli alimenti è quella branca della microbiologia che si interessa della relazioni che intercorrono tra alimenti e microrganismi.

La scoperta dell'importanza dei microrganismi negli alimenti risale al 1659 quando un monaco ipotizzò che la degradazione della carne e del latte avvenisse per opera di "qualcosa di vitale" che egli definì "vermi visibili ad occhio nudo"; va da sé che questa descrizione così poco precisa, seppur dovuta alla mancanza del microscopio (scoperto solo 20 anni dopo), non riscontrò particolare consenso nemmeno nel mondo scientifico di allora.

Si può dire che la progenitrice dell'attuale microbiologia alimentare si ha solo nel 1857 quando Pasteur, per primo, comprese e attribuì l'inacidimento del latte ai microrganismi e dimostrò che l'unico modo per eliminarli era un processo chiamato pastorizzazione.

Per poter affrontare con cognizione la microbiologia degli alimenti bisogna conoscere:

• I microrganismi: cosa sono, dove si trovano, conoscere il loro comportamento.
• Gli alimenti e i processi che stanno alla base della loro produzione.

La preparazione di un alimento, detta processo produttivo, si sviluppa in tre fasi:

1. Fase 1: avviene generalmente al di fuori dell'azienda alimentare e consiste nella raccolta della materia prima (MP) che sia vegetale o animale, che nella maggioranza dei casi si trova in natura. Eventualmente può avvenire uno stoccaggio e un trasporto alle aziende che si occupano della trasformazione.
2. Fase 2: lavorazione, è un processo che può essere molto diverso:
   • Assemblaggio delle materie prime.
   • Modificazione delle caratteristiche della MP (es. macinazione grano e farina).
   • Risultato di attività di natura enzimatica o microbiologica (es. fermentazione o maturazione di un prodotto durante le quali si hanno modifiche delle caratteristiche sia strutturali, sia organolettiche).
   • Bonifica.
3. Fase 3: confezionamento, ormai è una vera e propria operazione tecnologica di estrema importanza. Interviene, infatti, direttamente sulla conservabilità dell'alimento. La fase di confezionamento è seguita da una fase di stoccaggio e distribuzione, che prevede anche la presentazione per la vendita; se a questo punto il percorso dell'alimento terminava qui, dal momento che il prodotto veniva immediatamente consumato, adesso il prodotto viene ancora trasportato e subisce una conservazione domestica. Tutti questi passaggi sono in grado di incidere negativamente sul prodotto finito se non sono tenuti sotto controllo. Se ciò non avviene, infatti, il prodotto potrebbe subire modificazioni alla caratteristiche sensoriali e ridurre il periodo di conservazione (shelf-life), causare danni alla salute o subire delle contaminazioni.

Esistono due tipologie di contaminazione:

• Non biologica accidentale o volontaria.
• Biologica, questa può essere distinta in:
  • Contaminazione primaria: dovuta a microrganismi che sono naturalmente presenti sulla materia prima, la cosiddetta microflora o popolazione microbica residente.
  • Contaminazione secondaria: si verifica in un momento successivo e può provenire dall'esterno o avvenire durante la lavorazione; le fonti di contaminazione secondaria principali sono:
    • Aria: non è di per sé un buon terreno di crescita per i microrganismi ma è un ottimo vettore; al suo interno sono trasportate particelle di polvere in continuo movimento alle quali sono in grado di aderire microrganismi che, in questo modo, possono essere trasportati ovunque. Tutto ciò che viene trasportato va sulle superfici e sugli utensili che possono andare a contatto con l'alimento.
    • Suolo: viene considerato il principale serbatoio di microrganismi che qui possono sopravvivere come forma di resistenza (spore).
    • Acqua: va considerata insieme al suolo in quanto esiste tra loro un continuo scambio dovuto a acque piovane o acque che scorrono e filtrano nei terreni. L'acqua è, inoltre, fondamentale per la vita e per la qualità dell'alimento (basti pensare ai suoi molteplici utilizzi nella produzione alimentare).
    • Uomo: è una delle principali fonti di dispersione di microrganismi nell'ambiente; la contaminazione può avvenire:
      • Dal tratto respiratorio.
      • Da pelle, capelli ecc.
      • Dal tratto intestinale.

      La microflora tipica dell'uomo si distingue in:

      • Residente: tipica di ciascuna parte del corpo.
      • Transitoria: rappresentata da tutto ciò che viene a contatto con la nostra cute e soprattutto con le nostre mani.
  • Altre modalità di contaminazione sono:
    • Infestanti: è necessario che vengano messe in atto tutte le misure di prevenzione per impedire l'accesso a questi animali l'ingresso nei locali destinati a produzione, confezionamento, distribuzione e deposito.
    • Superfici: sulle superfici possono rimanere residui di lavorazione la cui asportazione non è sempre facile. Questi residui sono proprio quelli che attirano i microrganismi fornendogli un terreno di crescita. I microrganismi si possono depositare sulle superfici anche se queste sono pulite grazie alla formazione del biofilm. La scoperta del biofilm e il conseguente studio sono avvenuti grazie alla consapevolezza che i microrganismi si possono trovare in natura in forme differenti:
      • Forma planctonica: le cellule fluttuano indipendentemente le une dalle altre in un fluido.
      • Forma sessile: le cellule sono strettamente legate tra loro ed ad una superficie.

Un biofilm o biopellicola o microfouling, è una aggregazione complessa di microrganismi contraddistinta dalla secrezione di una matrice adesiva e protettiva, e spesso anche da: L'adesione batterica è un fenomeno di carattere generale che avviene qualunque siano i mezzi, i microrganismi e i supporti; meglio se le superfici di contatto sono tessuti animali o vegetali o supporti inerti.

Il meccanismo di adesione si sviluppa nelle seguenti fasi:

• Assorbimento
• Fissazione
• Colonizzazione

I microrganismi, all'interno del biofilm, modificano le loro abitudini di vita:

• Rallentamento della crescita.
• Cellule vitali ma non coltivabili.
• Maggiore resistenza agli stress ambientali (pH, a_w, temperatura).
• Modificazioni a livello genetico.
• Aumento della sintesi dei polisaccaridi.
• Aumento della resistenza alla disinfezione.

La produzione di biofilm può essere influenzata da:

• Acqua
• Ambiente
• Materiali e le loro proprietà chimico-fisiche:
  • Carica o carattere idrofobico.
  • Rugosità.
  • Tipo di sporco.
  • Reattività chimica allo sporco.
  • Grado di bagnabilità.
  • Geometria.

Il biofilm è, inoltre, responsabile di numerose problematiche:

• Riduzione della shelf-life.
• Trasporto di forme patogene.
• Riduzione dell'efficienza degli impianti.
• Biocorrosione

Naturalmente è fondamentale una pulizia profonda.

Microrganismi e alimenti

I microrganismi rispetto agli alimenti si possono distinguere in:

• Microrganismi protecnologici: tutte quelle forme essenziali per ottenere un determinato prodotto alimentare. Sono presenti in numero elevato nel prodotto alimentare e si riducono durante la conservazione. Possono essere naturalmente presenti (es. batteri lattici delle fermentazioni naturali, sieroinnesti naturali, batteri acetici), oppure sono colture selezionate: starter (es. colture da yogurt o burro, lieviti per la panificazione, ceppi per formaggi).
• Batteri lattici: sono presenti in natura (es. suolo, vegetali, tratto gastrointestinale animali), sono utilizzati in molte produzioni alimentari, sia vegetali che animali, nei più svariati settori: lattierocaseario, pro...