Microbiologia alimentare e industriale - microbiologia alimentare

Microbiologia alimentare

Nel 1659 definivano i microrganismi (MO) come vermi invisibili ad occhio nudo. Nel 1674 Antoine Leeunwenloek e nel 1857 Louis Pasteur contribuirono allo sviluppo della microbiologia.

Microbiologia degli alimenti

Questo ramo si interessa delle relazioni tra i MO e gli alimenti, studiando cosa fa un MO su un alimento. È necessaria la conoscenza dei processi e dei MO (habitat, comportamento, esigenze).

Alimento

Un alimento si realizza attraverso un determinato processo, che è necessario conoscere perché all'interno delle trasformazioni che avvengono vi sono i MO.

Esempio di processo

• Raccolta della materia prima
• Stoccaggio
• Trasporto
• Approvvigionamento
• Lavorazione
• Macinazione
• Trattamento termico (bonifica della materia prima)
• Fermentazione e stagionatura (di cui i principali responsabili sono i MO)
• Assemblaggio di varie materie prime, a volte già in parte lavorate
• Confezionamento (non più solo come protezione ma influisce sulle caratteristiche del prodotto finito)
• Prodotto finito
• Stoccaggio (nei grandi centri commerciali o la messa in vetrina)
• Distribuzione
• Presentazione per la vendita
• Vendita
• Trasporto e conservazione domestica
• Consumo

Sono tutte operazioni che incidono sul prodotto finito che al momento del consumo deve rispettare tutte le caratteristiche di qualità e igiene. Il consumatore dà per scontato che il prodotto acquistato sia sicuro e la scelta è guidata da caratteristiche visive e olfattive. L'igiene dei processi alimentari è data da una serie di operazioni da rispettare per ottenere un prodotto sicuro. È necessario che questo sia controllato durante tutto il processo.

Contaminazioni

• Biologiche: MO come schizomiceti (batteri), eumiceti (lieviti e muffe), protozoi, virus
• Animali superiori (es. uccelli)
• Vegetali
• Sostanze tossiche prodotte dai MO

Le contaminazioni possono essere controllate e prevenute conoscendo:

• Le fonti di contaminazioni
• Le attività dei MO
• Le caratteristiche dei MO
• I fattori che influenzano la crescita microbica

Fonti di contaminazione

• Primaria: MO che sono naturalmente presenti sulla materia prima. Sono MO autoctoni che caratterizzano il prodotto.
• Secondaria: avviene mentre il prodotto viene trasformato e si somma a quella primaria che non può essere eliminata. Può essere determinata da qualunque cosa che accidentalmente o volontariamente viene a contatto con l’alimento.

Le fonti secondarie includono:

• Aria (vettore di MO)
• Suolo
• Acqua
• Uomo e animali
• Insetti (portatori di molteplici MO)

Acqua, aria e suolo sono i principali habitat microbici.

Uomo

L'uomo possiede una microflora:

• Indigena: corynebacterium, micrococcaceae (saprofiti, patogeni)
• Transitoria: tutti i MO esistenti possono essere trasportati dall’uomo sull’alimento, come gram negativi, coliformi, enterococchi, virus, acari.

Apparato orofaringeo: cocchi e bastoncini gram positivi. Apparato digerente/feci: bastoncini gram negativi, enterococchi, batteri lattici e bifido batteri.

Ambiente di lavorazione

Un altro tipo di contaminazione secondaria è data dall’ambiente di lavorazione:

• Aria: che si trova nell’ambiente (aria confinata) ed è responsabile della distribuzione dei MO sulle superfici sulle quali sarà poi appoggiato il prodotto.

Sulle superfici si trovano i residui di lavorazione (sporco) che possono essere costituiti da zuccheri, sostanze proteiche, grassi e materiale minerale. L’adesione dei MO dipende anche dal tipo di superficie, dalla sua porosità, dalla sua geometria e dalla sua reattività chimica. I MO vanno a formare un biofilm: patina superficiale più o meno spessa che rende difficile l’esportazione. Questi sono tenuti insieme da sostanze extracellulari, da loro prodotti.

Pulizia (sanificazione)

• Detergenza: eliminazione irreversibile dello sporco grossolano delle superfici di lavoro e dalle attrezzature, svolta dai detergenti che sollevano e tengono in sospensione lo sporco che poi verrà asportato.
• Disinfezione: provoca l’uccisione dei MO riducendoli numericamente e distruggendo gli organismi patogeni.

La sanificazione è studiata ad hoc per ogni tipologia di prodotto lavorato. Regole di igiene:

• Proteggere le finestre con reticelle antinsetto.
• Cura negli infissi e nelle porte.
• Sistema di areazione e filtrazione dell’aria.
• Evitare gli stoccaggi di prodotti diversi insieme.
• Evitare di appoggiare il prodotto a terra.

Il personale inoltre deve conoscere le principali fonti di contaminazione dei prodotti.

Ruolo dei MO nei confronti dell’alimento

Lo sviluppo microbico avviene solo quando il MO trova il substrato ideale, che possono essere zuccheri (carboidrati), composti azotati e lipidi.

Carboidrati

I carboidrati possono andare incontro a fermentazione (che è diversa a seconda del MO) e via aerobica (producendo CO₂ e H₂O). Ci sono anche carboidrati complessi per cui solo determinati tipi di MO, come muffe e gram negativi (pseudomonas), hanno complessi enzimatici particolari: cellulasi, pectinasi, pectinesterasi.

Composti azotati

L'attacco delle proteine prevede più passaggi enzimatici: proteine → polipeptidi → peptidi → peptidi semplici → amminoacidi. La degradazione proteica spesso avviene in assenza di O, giungendo alla putrefazione che porta al maleodore. I MO più attivi in questo campo sono i gram negativi.

Lipidi

L'attacco dei lipidi è il più difficile perché i lipidi sono insolubili in acqua e i MO non possiedono enzimi così complessi. La quantità di lipidi attaccabile è pochissima e riescono solo i batteri e le muffe lievemente. Lo sviluppo di questi MO provoca motivazioni che possono essere positive (utili con MO protecnologici) o negative (dannose).

Indici

• Tipicità: MO pro tecnologici: il loro numero per g o ml permette di caratterizzare quel determinato prodotto. Senza il loro sviluppo non otterremmo quel prodotto. Sono il risultato di una contaminazione voluta e positiva.
• Qualità: MO che contribuiscono a ridurre le caratteristiche sensoriali del prodotto. Il numero presente fornisce indicazioni circa la conservabilità dell’alimento: durerà più a lungo più è prodotto in modo igienico. Influiscono sulla shelf-life.
• Salubrità: MO che possono costituire un pericolo per la salute del consumatore. Dato dal MO come tale o dalle sostanze prodotte. La salubrità permette di stilare una lista di MO, mentre per quanto concerne tipicità e qualità dipende da MO a MO e in quale situazione viene considerato. Es. per l'aceto il MO acetico è di tipicità, per il vino è di qualità.

Protecnologici

Per eccellenza, i batteri lattici rappresentano un gruppo eterogeneo di MO aventi in comune:

• Forma di cocco e/o bastoncino
• Sono tutti Gram positivi
• Immobili
• Non sporigeni
• Sono anaerobi ma ossigeno tolleranti
• Non sono patogeni ma protecnologici
• Sono mesofili (crescono a temperatura ambiente, dai 5° ai 55/60°)
• Fermentano (fermentazione lattica che porta alla produzione di acido lattico)

Acido lattico

Fermentazione omolattica: da un glucosio si ottengono due molecole di acido lattico. Fermentazione eterolattica: da una molecola di glucosio, con l’intervento di fosfochetolasi, producono acido lattico in quantità minori ma producono anche acido acetico, etanolo e CO₂. La riserva naturale di batteri lattici è il suolo, ma trovano quasi ovunque ottimali condizioni di crescita. Nei formaggi si ha una contaminazione data dall’ambiente che è però positiva. Si trovano più frequentemente nel settore lattiero-caseario e in quello enologico.

Alcuni sono probiotici, altri invece producono batteriocine: sono diverse dagli antibiotici anche se hanno un’azione tossica sui batteri patogeni, arrivando ad ucciderli.

Caratteristiche dei batteri lattici

Forme a cocco

• Pediococcus
• Lactococcus
• Streptococcus
• Enterococcus
• Leuconostoc
• Oenococcus

I primi 4 hanno una fermentazione omolattica, mentre il quinto e il sesto sono eterolattici e producono una discreta quantità di gas. Pediococcus è tipico dei vegetali (es. crauti). Lactococcus è fondamentale nel settore caseario, responsabile di caratteristiche aromatiche e sensoriali di tutti i formaggi fatti senza starter. Streptococcus è tipico del settore caseario (streptococcus termofilo), hanno una crescita a temperature elevate. Il burro quando è cremoso o pannoso è proprio grazie all’attività della fermentazione e produzione di sostanze aromatiche di questi batteri. Enterococcus ha come habitat l’intestino, importanti nel settore caseario. Oenococcus eni cresce in ambiente enologico; grazie a questo avviene la fermentazione malolattica del vino.

Forme a bastoncino: Lactobacilli

• Omofermentanti obbligati
• Eterofermentanti obbligati
• Eterofermentanti facoltativi

I primi fanno solo acido lattico, crescono attorno ai 45° e non producono ammoniaca da arginina. I secondi producono acido lattico (sempre come racemo), CO₂ e acido acetico. Avviene perché manca l’enzima aldolasi e grazie alla fosfochetolasi. Tipico dei prodotti da forno (panettoni e colombe). Carnobacterium: etero obbligato che produce solo l’osomero L ed è importante nel settore delle carni come produttore di batteriocine specifiche (carnicine). I terzi sono omofermentanti ma in presenza di zuccheri a 5 atomi di C viene indotta la sintesi della fosfochetolasi quindi si comportano come eterofermentanti. Sono molto importanti nei vegetali. * = producono la stessa quantità di isomero L e D

Probiotico

Qualcosa che introdotto vivo con la dieta influenza positivamente l’ospite e migliora l’equilibrio intestinale

Prebiotico

Sostanze che ingerite con la dieta favoriscono lo sviluppo dei probiotici.

Caratteristiche di un MO probiotico

• Essere in grado di sopportare l’ambiente acido e biliare (acidità dello stomaco) in quanto devono arrivare vivi e in grado di riprodursi nell’intestino.
• Essere di origine umana
• Aderire alla mucosa intestinale per riprodursi
• Devono avere un’attività, produrre qualcosa che blocchi lo sviluppo dei MO patogeni, gasogeni

I batteri lattici con i probiotici

• Ristabiliscono la microflora intestinale dopo il trattamento con antibiotici
• Facilitano la digestione di alcuni alimenti
• Proteggono dalle infezioni intestinali
• Abbassano il livello di colesterolo ematico

Bifidobacterium

• Non è un batterio lattico
• È probiotico
• È il MO numericamente più elevato
• È il MO che colonizza il nostro intestino, man mano aumenta con la crescita e diminuisce con la vecchiaia
• Anaerobio stretto quindi catalasi negativa
• Non è sporigeno
• Si dispone a formare forme strane (pleumorfo)
• Specie umane di questo MO crescono a 36-38°
• Specie animali di questo MO crescono sopra i 40° e non sono probiotiche per l’uomo
• Porta alla produzione di acido acetico e lattico rispettivamente in rapporto 3 a 2 per farlo applica una fermentazione particolare (shoute)

Propionibacterium

• Gram positivo
• Pleumorfo
• Anaerobio facoltativo
• Microaerofilo (cresce bene in presenza di minime quantità di ossigeno)
• Fermentazione propionica a partire dal lattato
• Catalasi positiva

Se si trovano in ambienti diversi possono diventare dannosi. Il test della catalasi si fa per capire la capacità del MO di scindere l’acqua ossigenata. È un test molto importante da eseguire sui gram negativi per caratterizzarne i vari generi e specie. Catalasi positiva: con acqua ossigenata liberano ossigeno. Aerobi: catalasi positiva. Anaerobi: catalasi negativa. Anaerobi facoltativi: vanno studiati caso per caso. I batteri lattici e le specie del genere clostridium sono tutti catalasi negativi, gli altri generi che si possono trovare negli alimenti sono catalasi positivi.

Protecnologici: batteri acetici

• Gluconobacter
• Acetobacter

Dalcol producono acido acetico, habitat di ambiente vegetale e seguono l’attività dei lieviti. Ha flagelli polari. Sono gram negativi, aerobi stretti (si deve usare tantissimo ossigeno), catalasi positiva, abbastanza acido tolleranti, mesofili. Facilmente distrutti dalle temperature alte. Si distingue dalla posizione dei flagelli che sono peritrichi. La demolizione dell’alcol non si ferma a produrre acido acetico ma anche CO₂ tramite il ciclo di Krebs. Ossidasi positivi. L’ossidasi permette di sapere se un determinato MO ha la citocromossidasi ovvero se c’è la catena di trasporto degli elettroni.

Evoluzione dei MO

• Moltiplicazione: quando avviene una modificazione più o meno evidente sulle caratteristiche sensoriali del prodotto, rendendolo meno buono, significa che il MO si è moltiplicato.
• Stasi: prodotto accettabile
• Riduzione: aumenta la conservabilità del prodotto perché la presenza dei MO è più bassa

Indicatori di qualità

• Carica batterica totale: non si può stabilire la presenza o l’assenza di un MO però più è alta più il prodotto si conserva.
• Enterobatteraceae: indicatore di processo, se è presente sugli alimenti significa che il processo di lavorazione ha avuto dei problemi o delle lacune.

• Pseudomonadaceae
• Bacillaceae
• Muffe: indice di pulizia dell’ambiente di lavorazione

Bastoncini, gram negativi, catalasi positivi, debolmente psicrotrofi (possono in alcuni casi crescere anche alle temperature frigorifere), immobili, ubiquitarie, asporigeni, hanno fermentazione acido mista e 2-3 butilenglicol: queste due fermentazioni si distinguono per la diversa quantità di sostanze acide prodotte: sono prodotte più sostanze acide in quella acido mista perché nella seconda si ha la presenza di un prodotto neutro intermedio in più (2-3-butilenglicol).

Si distinguono in:

• Coliformi: generi di MO che fermentano il lattosio: totali (crescono a 37°) e fecali (crescono a 44°), si comportano come alteranti a seguito della produzione di gas (es. gonfiore nella produzione di mozzarella) e hanno un’attività proteolitica (demoliscono le proteine).
• Escherichia coli
• Enterobacter
• Hafnia
• Citobacter

Patogeni: Non fermentano il lattosio:

• Salmonella
• Shegella
• Proteus

Importante alterante degli alimenti, bastoncini, gram negativi, aerobi stretti, mobili, catalasi positiva, ossidasi positiva, ubiquitari, esigenze nutrizionali ridotte perciò crescono davvero ovunque, mesofili. Caratteristiche più importanti: - psicrotrofia: crescono anche in frigorifero, più lentamente ma crescono - molto esigenti in H₂O: crescono solo con un’attività dell’acqua tra lo 0.98 e lo 0.99. Alterano i prodotti freschi (carne, pesce, vegetali), non sono termoresistenti ma lo sono i loro enzimi. Il MO muore ma i loro enzimi restano per cui l’alimento si deteriora comunque. Questi complessi enzimatici sono molto sofisticati e attaccano strutture molto complesse.

Bastoncini, sporigeni, gram positivi, mobili, mesofili. Si dividono in:

Bacillus

• Catalasi positiva

Anaerobio facoltativo aerobio, si divide in 3 gruppi distinti dalla posizione della spora:

• I gruppo: spore ovali, centrali o sub terminali, hanno una parete sottile che non deforma lo sporangio (cellula). Sono le più diffuse e le più aerobie. Fanno parte tutte quelle del gruppo “cereus” che sono patogene per l’uomo.
• II gruppo: bastoncini con spore ovali, centrali o sub terminali che tendono a deformare lo sporangio. Più anaerobie e più termofile. Fanno parte la specie “termophilus” e “stearotermophilus”.
• III gruppo: non rientra nel settore alimentare. Utilizzato anche in campo industriale per i suoi enzimi.

Clostridium

• La spora tende ad essere nella parte terminale e deforma lo sporangio. Dà problemi alle conserve ma svolge anche le fermentazioni indesiderate come quella butirrica che può dare alterazioni ai formaggi ad alta stagionatura. Sono mesofili, sopravvivono anche in condizioni estreme e sono sfruttati anche in campo industriale (es. acetone). Hanno spiccate attività enzimatiche, attaccano i vari AA con la reazione di Stickland. La loro attività enzimatica permette la separazione in diversi gruppi: scarsamente proteolitici ma saccarolitici, non proteolitici ma saccarolitici, fortemente proteolitici, non proteolitici, privi di attività. Entrambi sono tipici del suolo e la loro pericolosità è data dal fatto che le spore restano intatte per molto tempo. Più alto è il numero di MO meno conservabile sarà il prodotto.

Clostridi butirrici

• Butyricum
• Tyrabutiricum

Entrambi alterano i formaggi a lunga conservazione provocando gonfiore tardivo. I secondi attaccano il lattato e fermentano dando gas che fanno scoppiare la forma.

Micrococcaceae

• Gram positivi, sono cocchi, tendono a formare strutture irregolari a grappolo o regolari a tetraedro:
• Staphylococcus
• Micrococcus

Anaerobio facoltativo, grappoli, catalasi positivo, adattabile nutrizionalmente, attività prote-