Microbiologia alimentare

Microbiologia alimentare

Microbiologia degli alimenti

La microbiologia alimentare è un settore della microbiologia che si occupa in maniera specifica delle relazioni che intercorrono tra alimento e microrganismo, ovvero la relazione che c’è tra ciò che si mangia e i microrganismi. Quando un alimento va a male è colpa dei microrganismi ma questo non era noto intorno alla metà del 1600 quando un monaco ipotizzò che la carne va a male perché vi cresce qualcosa; non esistendo il microscopio, egli decise di descrivere dei vermi visibili a occhio nudo che davano le alterazioni, (no dimostrazione, solo ipotesi). Grazie all’avvento del microscopio si ebbe l’inizio della microbiologia alimentare che viene attribuito a Pasteur, il quale scoprì che il latte va a male per la presenza di microrganismi e che per eliminarli è necessario scaldare il prodotto, ovvero con la pastorizzazione.

Un alimento è ciò che si mangia, è un ecosistema molto complesso e dinamico che possiede delle caratteristiche fisiche, chimiche e strutturali che permettono lo sviluppo di microrganismi diversi; sull’alimento i microrganismi che crescono variano nel tempo perché variano le caratteristiche dell’alimento stesso in quanto è un ecosistema dinamico. La variazione dei microrganismi è determinata da fattori che dipendono dall’alimento stesso, intrinseci, e da fattori esterni, estrinseci, o da relazioni che si vengono a creare nell’ecosistema nei vari microrganismi.

Il processo

La microbiologia studia i microrganismi, e quindi il loro habitat, le esigenze, i parametri chimico-fisici e il comportamento al variare dei parametri, ma anche gli alimenti, ovvero come prodotti sono realizzati, il processo. Una delle prime cose che in un’azienda alimentare si deve fare quando si studia un alimento nuovo/modifica già noto è vedere il processo; il prodotto che si ottiene, l’alimento, è il risultato di un processo che prevede serie di passaggi anch’essi complessi che sono tra di loro strettamente correlati.

Si ha sempre una materia prima che si recupera in natura e che viene presa a livello industriale e sottoposta a una lavorazione che può essere di tipo diverso (grano macinato in un mulino, frantumazione senza modifica); si ha quindi un intervento umano per ottenere un prodotto finito che è confezionato quindi si ha anche un’operazione di confezionamento che diventa una fase importante che contribuisce a dare delle caratteristiche particolari al prodotto e influisce sul suo ecosistema. L’imballaggio ha una funzione di conservazione e di influenza sulla tipologia di prodotto. La distribuzione avviene svolgendo un ruolo importante sulla popolazione microbica di un alimento; inoltre, la lavorazione comporta anche dei rischi: dalla materia prima si svolgono operazioni diverse che portano al prodotto finito dove però si hanno tanti momenti in cui il prodotto va incontro alla contaminazione.

La contaminazione

Esistono vari tipi di contaminazione: quella più immediata è quella chimica, non biologica, data da sostanze diverse che possono essere ritrovate nell’alimento anche volontariamente o accidentalmente. Si parla quindi di sostanze come pesticidi (per lo sviluppo di animali), antibiotici, estrogeni, metalli pesanti, composti radioattivi, residui di lavaggio (detergenti). La contaminazione non biologica è rappresentata anche da materiali estranei come il vetro, le fibre sintetiche, capelli, pezzi di plastica, fibre metalliche, frammenti estranei, infestanti come frammenti di insetti.

La contaminazione biologica è dovuta a forme microbiche microscopiche ma anche ad animali superiori; si parla quindi di microrganismi come batteri, lieviti, muffe (eumiceti) e dei protozoi; gli animali superiori, i residui di piante, le sostanze tossiche prodotte dai microrganismi e i virus. Gli alimenti sono ricchi naturalmente di microrganismi quindi la presenza è una contaminazione; segue poi una verifica per cercare di capire il loro ruolo: alcuni sono voluti altri no (patogeni). Per controllare la contaminazione biologica bisogna sapere l’origine della contaminazione e l‘azione che i microrganismi svolgono sugli alimenti; la contaminazione biologica può essere controllata conoscendo le fonti di contaminazione, la materia prima, il metabolismo dei microrganismi, le loro caratteristiche, come si sviluppano e come il processo che porta alla produzione dell’alimento ne influenza la crescita.

Fonti di contaminazione microbica

La contaminazione primaria è rappresentata dai microrganismi residenti, naturalmente presenti, autoctoni che sono presenti sempre e naturalmente sulla materia prima che si trova in natura; si tratta di microrganismi che caratterizzano la materia prima e che danno informazioni proprie su di essa; è una microflora non tanto eliminabile. Quella che conta di più è la contaminazione secondaria che si somma a quella residente; avviene in un secondo momento e contribuisce maggiormente a danneggiare o conservare un determinato prodotto.

La contaminazione secondaria è legata a tutto ciò che avviene dopo che la materia prima è stata raccolta: si parla quindi dell’ambiente di lavorazione, delle modalità in cui viene trasportata, di come viene elaborata e commercializzata. I fattori che più influiscono sulla contaminazione secondaria sono l’aria, la terra, il suolo e l’acqua, i vegetali, gli animali (particolarmente l’uomo), gli agenti infestanti e l’attrezzatura di lavoro.

• L’aria non è un ambiente ideale allo sviluppo microbico: è una fonte di contaminazione perché trasporta i microrganismi in quanto vi sono disperse infinite particelle di polvere a cui è potenzialmente adeso almeno un microrganismo; quando una particella va a finire in un alimento può dare origine a una cultura microbica. Inoltre, le particelle continuano a muoversi: si muovono 10⁵ particelle di 0,3 micron in 1 minuto quando l’aria sta ferma; con tutti movimenti che si fanno si muovono tantissime particelle. Quando si parla di aria in un’azienda alimentare si parla di aria confinata o in-door in quanto è chiusa in un ambiente interno; l’aria confinata viene dall’esterno e grazie a movimenti e minime correnti sposta le particelle che vanno dappertutto (muri, pavimenti, piani, nastri trasportatori e quindi sul prodotto) creando tantissime possibilità di contaminazione in una realtà industriale.
• Il suolo e l’acqua possiedono un ruolo importante per la contaminazione e sono strettamente correlati; il suolo è il principale serbatoio di microrganismi, si trova una quantità di microrganismi elevatissima con biodiversità elevata e che possono essere vivi e vitali (in grado di duplicarsi) ma anche vivi e non vitali. Le forme microbiche che si trovano nel suolo e nell’acqua dipendono dalle pratiche di raccolta e concimazione che influiscono sulla popolazione microbica che si trova nell’acqua. L’acqua può essere quella di coltura, quella che viene utilizzata per il lavaggio delle materie prime e dei macchinari, per l’irrigazione, l’agente solvente, l’ingrediente base dell’alimentazione.
• I vegetali possiedono una popolazione microbica estremamente elevata (anche 10⁸ per grammo di prodotto); la contaminazione dipende dal tipo di prodotto, dalla modalità di coltivazione e dal tipo di crescita.
• L’uomo è colui che contribuisce maggiormente alla contaminazione: le persone che lavorano possono causare una contaminazione attraverso le loro mani, la pelle, l’apparato respiratorio, l’apparato gastro-intestinale, le unghie. La pelle presenta una microflora indigena presente naturalmente con forme patogene o saprofite ma anche una microflora transitoria non tipica e quindi le mani svolgono il ruolo di veicolo di trasporto. L’apparato digerente vincola i batteri gram negativi, gli enterococchi, i lattici e i bifidobatteri; mentre l’apparato oro-faringeo è legato a cocchi, bastoncini di gram positivi. Importanti sono quindi le procedure operative: nelle aziende sono presenti cartelli che spiegano come deve avvenire il lavaggio delle mani con figure rappresentative, GHP; spesso è indicato il tempo di strofinamento. L’operazione deve essere svolta ogni volta che ci si allontana dal luogo di lavoro; molte aziende presentano regole che devono essere rispettate come l’utilizzo di un copricapo, di guanti e di mascherine in modo da prevenire le fonti di contaminazione non biologica dai materiali esterni.
• Le infestazioni da parte di animali sono una fonte di microrganismi anche patogeni che non stanno in ambienti puliti; si tratta di una contaminazione che deve essere solo prevenuta grazie all’utilizzo di ostacoli all’ingresso dell’attività lavorativa.
• Le superfici sono una fonte di contaminazione e possono essere pulite o sporche: una superficie sporca attira i microrganismi; una superficie liscia e pulita è comunque fonte di attrazione per microrganismi anche se in misura minore. Lo sporco grossolano è dovuto a residui di lavorazione che sono difficili da allontanare: i grassi, le proteine coagulate, gli zuccheri caramellizzati sono difficili da rimuovere. I residui di lavorazione devono essere allontanati il più velocemente possibile; i microrganismi si sviluppano anche su una superficie pulita di qualsiasi natura (legno, plastica inossidabile). L’adesione è un processo complesso dovuto alle forze di attrazione e di repulsione che si esplicano tra le varie superfici (piano-microrganismo) e questo sta alla base del biofilm, ovvero il problema più grosso dell’industria alimentare in quanto si cerca di prevenirlo ma c’è sempre.

L’adesione microbica

La contaminazione dovuta a un processo che porta alla formazione di biofilm è un film di natura biologica e si identifica come una patina. In passato si pensava che i microrganismi vivessero liberi nei liquidi, solo nella forma planctonica; ma in realtà i microrganismi si trovano sotto forma sessile, vivono adesi a qualcos’altro o una superficie (qualunque) e in comunità tra di loro. Il 99% dei microrganismi di interesse alimentare vive nella forma sessile non libera ma adesa a qualcosa; il meccanismo di adesione di una cellula è importante: il processo avviene in modo ciclico e c’è sempre una superficie solida.

L’adesione microbica avviene con tre step: una fase iniziale di adsorbimento molto rapida che avviene grazie a fenomeni di repulsione e attrazione che si vengono a creare tra la superficie e quella esterna del microrganismo; segue la fase successiva di fissazione in cui il microrganismo cerca di non spostarsi perché si trova in condizioni ideali, lavora per attaccarsi e si tratta quindi di una fase più lenta perché il tempo è dato dal metabolismo microbico relativo alla capacità di produrre qualcosa che permetta di fissarsi alla superficie, in genere sostanze mucillaginose. Dopo di che il microrganismo inizia a moltiplicarsi e a colonizzare formando il biofilm. Inizialmente si ha un microrganismo che fluttua in forma planctonica quindi le cellule sono indipendenti e vicino alla superficie con una propria carica; la parte esterna della cellula possiede una carica e ha quindi la possibilità di svolgere un’attrazione, in caso di cariche opposte, oppure una repulsione. Avviene una sorta di lotta e i microrganismi si appoggiano su di essa; è una fase estremamente rapida: le cariche si attirano o si respingono.

Una volta che i microrganismi si sono attaccati avviene la produzione di sostanze per l’attacco; è una fase più lenta perché il tempo è dettato dal metabolismo. Inoltre, la fase di adsorbimento è reversibile quindi se interviene qualcosa più forte delle forze attrattive il microrganismo si stacca; mentre quella di fissazione è irreversibile, una volta iniziata non si ferma più e il microrganismo continua a produrre sostanze, svolge una continua attività. A questo punto il microrganismo inizia a moltiplicarsi formando colonie sempre più grandi fino a quando diventano visibili: biofilm. Si tratta di una comunità microbica racchiusa in una matrice polimerica che prende il nome di EPS sostanza eso poli saccaride; una volta che le cellule si trovano nella matrice le cellule incominciano a comunicare tra di loro. Le cellule possono tornare in forma planctonica e ogni cellula è in grado di produrre un nuovo biofilm; se microrganismi decidono di rompere biofilm; altrimenti esiste la possibilità di formazione di un consorzio di molte specie microbiche in quanto conviene per la loro vitalità.

I fattori che influenzano la formazione di biofilm sono la cellula e la superficie; inoltre, la presenza di acqua è importante in quanto in un ambiente privo non si ha biofilm, tuttavia gli alimenti non sono mai privi totalmente di acqua. Intervengono poi fattori ambientali come la temperatura; la presenza di materiale organico che attira i microrganismi per chemioattrazione. Potenzialmente tutti i microrganismi sono in grado ma c’è chi ne produce di più in base alla tipologia; Pseudomonas è un microrganismo Gram negativo perché è a forma di bastoncino, è aerobio e quindi sempre presente nei prodotti freschi; esso costituisce il problema più grosso nell’industria dell’acqua, ovvero nell’imbottigliamento e nelle tubazioni. Il biofilm è un fenomeno molto naturale come ad esempio la carie dei denti; Listeria monocytogenes trova possibilità di formazione di biofilm soprattutto nel settore della carne e dei derivati con caratteristiche di patogenicità.

La tipologia della superficie è fondamentale, ovvero il tipo di materiale, ma anche la presenza di sporco, la reattività chimica dello sporco, la geometria della superficie. Sulla base di questo si è sviluppato un altro aspetto: la progettazione igienica è un argomento di base nella messa a punto dell’impiantistica alimentare. Lo scopo della pastorizzazione è di trattare termicamente un prodotto quindi si hanno sostanze che scorrono che non devono creare residui; il pastorizzatore deve essere facilmente pulito. Le superfici idrofiliche tendono a respingere biofilm anche se si forma lo stesso; un altro fattore è l’usura, ovvero la presenza di fessure piccole che anche dopo una pulizia estrema si trovano comunque 2 x10⁴ microrganismi. Tutti le cellule microbiche penetrano nelle fessure e non possono essere esportate; la rugosità può essere misurata per diverse tipologie di superfici come ad esempio l’acciaio inox e il PVC. La presenza della rugosità favorisce la formazione di biofilm; se è meno profonda il microrganismo si riesce a rimuovere più facilmente.

Se un alimento è contaminato si riduce la sua shelf life; ci sono poi forme patogene di microrganismi. Il biofilm nelle tubazioni può provocare un danno meccanico perché quando è tanto restringe il diametro delle tubazioni. La rottura del biofilm causa una dispersione da cui una cellula dà poi origine ad altri biofilm; vi è la possibilità che un problema non si risolva con la pulizia perché si causa una distribuzione dappertutto: in questo caso cambiare le tubazioni è l’unica soluzione. I microrganismi possono contribuire alla bio-corrosione all’interno della ruggine accelerando il processo della sua formazione.

I microrganismi possono rallentare la crescita a seconda della loro necessità; con il biofilm non è possibile contare cellule perché sono protette, sono vive ma no vitali. È necessario rompere il biofilm che si caratterizza come una massa esterna mucillaginosa co funzione protettiva: se si va a pulire è necessario romperla. Un sistema è l’utilizzo di enzimi che hanno lo scopo di rompere la parte esterna e favorire l’entrata del disinfettante. All’interno della massa possono cambiare le informazioni genetiche; il fenomeno della comunicazione va sotto il nome di quorum sensing: le cellule comunicano tra di loro ciò che è meglio fare grazie alla produzione di sostanze chimiche. Non sempre le sostanze sono recepite da altri microrganismi, ma solo quando raggiungono una certa concentrazione, il quorum, per cui hanno prodotto tante sostanze chimiche con cui emettono le informazioni e le cellule provvedono alla raccolta di esse. L’informazione può essere di produrre una tossina o biofilm, di moltiplicarsi, di produrre una sostanza chimica con un meccanismo di informazione genetica; esistono microrganismi che emettono una fluorescenza, ad esempio sulla superficie dei pesci, che viene prodotta solo quando la concentrazione è abbastanza elevata.

La regola più importante quando si producono alimenti è lavorare in un ambiente pulito; la pulizia è data da due operazioni distinte: la detergenza, ovvero l’allontanamento dello sporco grossolano con detergenti; la disinfezione, la quale è successiva alla detergenza e consiste nella riduzione numerica dei microrganismi. La disinfezione è tanto più efficace quanto meno sostanza organica è presente, è necessario allontanare lo sporco grossolano; l’insieme di queste due operazioni che stanno alla base nella produzione di un prodotto alimentare sono costose e consentono di ottenere un prodotto migliore e insieme costituiscono la sanificazione.

Ruolo dei microrganismi sull’alimento

Per capire il ruolo dei microrganismi, è necessario tenere conto dell’attività metabolica, delle caratteristiche fisiologiche e delle attività metaboliche coinvolte dei microrganismi coinvolti. È possibile fare una divisione funzionale dei microrganismi rispetto agli alimenti:

• I microrganismi pro-tecnologici sono utili, aiutano la tecnologia, senza di essi non si ottiene il prodotto; essi si trovano nello yogurt, nel formaggio, nel pane, nel vino, nel panettone e nei salami. Essi consentono di ottenere il prodotto e sono detti starter.