Microbiologia degli alimenti fermentati

MICROBIOLOGIA DEGLI ALIMENTI

6 marzo 2018

ECOFISIOLOGIA DEI MICRORGANISMI

E’ lo studio dei parametri che influenzano la crescita microbica. I parametri si

suddividono in due gruppi:

PARAMETRI ESTRINSECI sono i parametri ambientali che caratterizzano

 

il luogo, l’ambiente nel quale la matrice è posta.

PARAMETRI INTRINSECI sono dei parametri che caratterizzano la

 

matrice nella quale il microrganismo si sviluppa.

I più importanti parametri intrinseci sono:

pH;

 attività dell’acqua (a );

 w

potenziale ossido-riduttivo,

 contenuto nutrienti;

 contenuto in sostanze inibitorie;

 presenza di determinate strutture biologiche ovvero l’organizzazione

 

strutturale, tessiturale della matrice che influenzano la crescita

microbica.

Tra i parametri estrinseci più importanti abbiamo:

- temperatura;

- umidità ambientale relativa;

- tipo di gas e loro concentrazione;

- presenza e attività di altri microrganismi.

Temperatura

La temperatura è un parametro fondamentale perché influenza la velocità delle

reazioni chimiche. Se consideriamo una reazione chimica nella sua

individualità, questa è regolata dall’equazione di Arrhenius. E’ caratterizzata da

una serie di parametri in cui è presente la temperatura. In condizioni normali

all’aumentare della temperatura, la velocità della reazione aumenta .

Nel microrganismo si considerano una complessità di reazioni chimiche che

all’aumentare della temperatura aumenta la velocità di reazione. La velocità di

crescita di un microrganismo aumenta linearmente rispetto all’aumento di

temperatura in un ristretto intervallo che è specifico per ogni microrganismo.

INSERIRE GRAFICO

Se andassimo a monitorare la velocità di crescita microbica rispetto alla

temperatura troveremo dei discostamenti dalla linearità. I discostamenti

avvengono in tre punti specifici. I tre punti specifici corrispondono alle

temperature cardinali minimum, optimum e massimo.

La temperatura minima è la temperatura al di sotto della quale la velocità di

crescita del microrganismo è pari a zero. La temperatura massima è la

temperatura al di sopra della quale la velocità di crescita del microrganismo è

pari zero. L’optimum è la temperatura della quale la velocità di crescita del

microrganismo è ottimale.

INSERIRE GRAFICO dove è rappresentata la velocità di crescita e la

temperatura. La velocità di crescita è la variazione del numero di microrganismi

nell’intervallo considerato.

La velocità accresce dalla temperatura minima, fino ad arrivare ad un optimum

e poi tende a scendere fino ad una temperatura massima. La velocità di

crescita è pari a zero ovvero non si sviluppa.

La temperatura massima non è la temperatura letale. Alla temperatura

massima il microrganismo smette di crescere non muore, la temperatura letale

potrebbe essere spostata più avanti.

Generalmente l’optimum di temperatura è più vicino al massimo che al minimo

di temperatura. Infatti la curva non è a campana in modo tale che l’optimum

sia spostato verso il massimo.

Perché il microrganismo smette di crescere al di sotto della temperatura

minima e al di sopra della temperatura massima.

Non cresce al di sotto della temperatura minima il microrganismo, perché le

membrane perdono fluidità, diventano solide, impedendo la traslocazione degli

elementi da un lato all’altro. Si solidifica perché la membrana è costituita da

acidi grassi che ad una certa temperatura solidificano.

Al di sopra della temperatura massima il microrganismo smette di crescere

perché avviene la denaturazione delle proteine. Gli enzimi perdono la loro

funzionalità e il microrganismo smette di crescere.

Sulla base delle temperature cardinali i microrganismi si suddividono in classi:

- microrganismi psicrofili hanno un optimum di temperatura intorno ai 4°C



- mesofili hanno un optimum di temperatura intorno ai 37°C



- termofili hanno un optimum di temperatura intorno ai 60°C



- ipertermofili hanno un optimum di temperatura superiore agli 80°C.



CONSIDERAZIONE: La temperatura ottimale nel microrganismo specifico è

unica, invece andando a considerare gruppi di microrganismi (come nel caso

dell’elenco puntato) la temperatura ottimale invece risulta essere compresa in

un intervallo.

Esiste un gruppo di microrganismi trasversali che in campo alimentare hanno

un’elevata importanza che si chiamano psicrotrofici. Essi sono dei

microrganismi che hanno temperature ottimali tipiche o dei mesofili o dei

termofili ma un minimo vicino allo zero. Hanno una grande importanza, perché

tra i psicrotrofici troviamo microrganismi patogeni e alteranti.

DIFFERENZA TRA PATOGENI E ALTERANTI

- Quello alterante modifica la qualità di un alimento ovvero il suo profilo

organolettico, strutturale, nutrizionale, ma non provoca una patologia (per

esempio un organismo che va a male e il suo odore cambia).

- Quello patogeno potrebbe non essere alterante ma causa un rischio igienico

sanitario al consumatore (causa la malattia, l’intossicazione).

- E’ raro che un microrganismo sia patogeno e alterante.

I microrganismi psicrotrofici pur lentamente crescono alle temperature di

refrigerazione e sviluppa bene alle temperature elevate.

INSERIRE GRAFICO

Possiamo studiare la relazione tra la temperatura e la crescita microbica anche

considerando un parametro di dalla velocità di crescita, ovvero il tempo di

generazione. Esso è il parametro di generazione, ovvero il tempo necessario

affinchè una cellula madre ottenga due cellule figlie (SCISSIONE BINARIA).

Man mano che le temperature si abbassano e si alzano, il tempo di generazione

si allunga. Invece il tempo di generazione è nullo quindi più corto quando si

raggiunge la temperatura ottimale. Il grafico assume a una forma ad U anziché

a campana.

MICRORGANISMI PSICROTROFICI

Comprende diversi alteranti e patogeni. Caratteristiche che consentono a

questi microrganismi di adattarsi a delle temperature basse:

- hanno una più elevata efficienza dei trasporti a livello delle membrane

citoplasmatiche a basse temperature. Questa caratteristica è legata alla

composizione degli acidi grassi leganti ai fosfolipidi di membrana

(presentano un elevato numero di insaturazione doppi legami). si



mantengono fluidi a temperature più basse .

- ha un metabolismo adattato alle basse temperature ovvero ha un più basso

Q . Il Q è un parametro che indica quale sia la variazione dell’efficienza

10 10

della reazione chimica al variare della temperatura e in particolare di 10

gradi (per es. da 20 a 30°C.)

Nei sistemi biologici il Q assume valori che vanno dall’1,5 a 2,5. I mesofili e

10

termofili hanno un valore di Q più elevato (valori intorno a 2).

10

Prendiamo un termofilo e aumentiamo la temperatura da 20 a 30°, la sua

velocità di crescita raddoppia; viceversa dimezza. Nei psicrotrofici il loro

metabolismo pur subendo meno variazioni cresce meno aumentando la

temperatura, ma abbassando la temperatura la sua crescita non si riduce di

molto.

- tolleranza allo shock da freddo definito “cold shock”. Questi microrganismi

presentano dei meccanismi che permettono di riparare i danni strutturali

derivanti da repentini abbassamenti di temperatura. Il coinvolgimento di

alcune proteine per esempio permette di riparare membrane o alcuni enzimi

in seguito ad abbassamenti di temperature.

- I psicrotrofici sintetizzano elevante concentrazioni di sostanze

polisaccaridiche che hanno lo scopo di conferire maggiore resistenza alle

basse temperature (si coprono di capsule mucillagini che li proteggono dalle

basse temperature)

- Produzione di pigmenti che hanno lo scopo di chelare alcune sostanze

nutritive che alle basse temperature diventano indisponibili.

- utilizzazione differenziale dei substrati ovvero per il loro metabolismo



utilizzano numerosi substrati differenti. Questo consente loro una maggiore

versatilità per ricavare energia.

CARATTERISTICHE DEI MICRORGANISMI TERMOFILI

- presenza di enzimi termoresistenti (TAC polimerasi è un enzima



termoresistente che non si denatura)

- presenza di ribosomi termostabili;

- presentano acidi grassi saturi nella membrana cellulare;ù

- da un punto di vista delle richieste nutrizionali, presentano una elevata

richiesta di sostanze nutritive e di ossigeno.

pH

Come per le temperature, Con il pH è possibile stabilire valori di pH cardinali

che prendono il nome di:

- pH minimo

- pH massimo

- pH ottimale

Presentano le stesse definizioni delle temperature max, min e optimum.

Abbiamo microrganismi in tre grandi gruppi in base al pH:

1. acidofili con pH ottimale intorno al 3-3,5

2. neutrofili con pH ottimale intorno alla neutralità

3. basofili e alcalofili con pH ottimale superiore a 8,5

Tra i basofili ritroviamo gli aloalcaofili, una categoria di microrganismi, che oltre

ad avere esigenze elevate di valore di pH, necessitano elevate concentrazioni

saline.

Quando parliamo di pH di crescita di un microrganismo, ci riferiamo al pH della

matrice. Il pH citoplasmatico per tutti i microrganismi non a caso è neutro. I

meccanismi di difesa del cambiamento del pH consentono di mantenere

inalterato ai microrganismi l’attività enzimatica citoplasmatica e la forza

proton-motrice.

Parlando i matrici alimentari, nella maggior parte dei casi ci si trova davanti a

matrici acide o sub-acide. Nella microbiologia alimentare si fa riferimento alle

muffe, lieviti e batteri. Muffe e lieviti presentano un elevato intervallo di pH di

crescita. Le muffe crescono da pH 1 fino a 10. i lieviti invece presentano un

intervallo di crescita leggermente ridotto rispetto alle muffe che va da pH 2 a

pH 8. i batteri (in campo alimentare) invece sono dei microrganismi che non si

adattano a pH inferiori a 4, con due eccezioni:

1. BATTERI ACETICI 2.BATTERI LATTICI

Sono gli unici batteri in campo alimentare che si sviluppano a pH inferiore a 4.

Tutti i batteri patogeni non si sviluppano negli alimenti acidi (ovvero inferiore a

pH 4).

12/03/2018

1.ECOFISILOGIA

Il parmetro che ci permette di avere informazioni sullo sviluppo di

microrganismi è l’ATTIVITA’ DELL’ACQUA. L’ acqua infatti è indispensabile al

microrganismo perche permette la traslocazione dei microrganismi, tuttavia la

disponibilità dell’acqua per i microrganismi è particolarmente influenzata dalla

presenza di sostanze osmoticamente attive come i sali e gli zuccheri. La

presenza di questi soluti rende una parte dell’acqua indisponibile ai

microrgaismi. Questa frazione si chiama ACQUA LEGATA.

Il parametro ATTIVITA’ DELL’ACQUA corrisponde ad un rapporto fra la tensione

di vapore della matrice e la tensione di vapore dell’acqua pura. Questo

rapporto ha dei valori compresi fra 0 ed 1. Il parametro a.d.a. assume valori

pari ad 1 solo nel caso dell’acqua pura, mentre mano a mano che la

concentrazione di soluti aumenta il valore tende a 0.

All’aumentare della concentrazione di soluti si verifica nei microrganismi un

particolare stato di stress chiamato STRESS OSMOTICO. In condizioni normali

all’interno dello spazio citoplasmatico la concentrazione di soluti è maggiore

della matrice. Questo consente un richiamo di acqua dall’esterno verso

l’interno e di conseguenza una pressione idrostatica della membrana

controbilanciata dalla parete. All’aumentare della concentrazione di soluti nella

matrice si arriva ad un punto in cui la concentrazione esterna sarà più elevata

di quella citoplasmatica causando una migrazione di acqua verso l’esterno, di

conseguenza si ha la disidratazione della cellula e la morte per PLASMOLISI

(disidratazione del citoplasma)

Ci sono due modalità per modificare l’attività dell’acqua di un alimento:

1. DISIDRATAZIONE: valori di attività dell’acqua si abbassano

2. AGGIUNTA DI SOSTANZE OSMOTICAMENTE ATTIVE(sali e zuccheri)

L’a.d.a. in una matrice specifica si studia attraverso delle curve chiamate

CURVE ISOTERME DI ADSORBIMENTO E DESORBIMENTO disegnate in condizioni

di

temperatura costante.

Per la curva di adsorbimento si parte dalla matrice disidratata. Quindi da 0 si

comincia ad aggiungere acqua, l’incremento di a.d.a. che otteniamo con

l’aggiunta di acqua non è proporzionale infatti la curva assume un andamento

ad “S” perché la prima aggiunta di acqua sarà assorbita dalla matrice e la

quantità adsorbita dalla matrice dipende dalle caratteristiche specifiche della

matrice stessa.

La prima acqua aggiunta viene:

- adsorbita dai soluti;

- trattenuta per capillarità;

- forma degli strati monomolecolari attorno ai soluti.

Quando tutta l’acqua che può assorbire la matrice sarà adsorbita i valori di

a.d.a. cresceranno rapidamente.

La curva di desorbimento si ottiene disidratando la matrice e la curva ottenuta

non è sovrapponibile a quella di adsorbimento.

La maggior parte dei microrganismi si sviluppa senza alcun problema con valori

di a.d.a. fra 0,95 e 0,99. La maggior parte dei microrganismi iniziano ad avere

problemi con valori di a.d.a. inferiori a 0,90.

VALORI DI A.D.A. IN ALCUNI ALIEMENTI:

-0,98 o superiore: carne fresca, pesce, frutta fresca o vegetali, latte e altre

bevande

-0,93-0,98: latte concentrato, carne cotta, formaggi, pane, insaccati

-0,85-0,93: carne essiccata, prosciutto crudo, formaggi a lunga maturazione

-0,60-0,85: frutta secca, cereali

-inferiore a 0,60: confetture, biscotti, cioccolato

la maggior parte dei batteri alteranti crescono fino ad un valore limite è di 0,90

la maggior parte dei lieviti alteranti crescono fino ad un valore limite è di 0,80

la maggior parte delle muffe alteranti crescono fino ad un valore di 0,80 per cui

risultano essere resistenti.

Esistono delle eccezioni in quanto esistono dei microrganismi adattati allo

stress osmotico:

BATTERI ALOFILI che crescono fino a valori di a.d.a. di 0,75

LIEVITI OSMOFILI e MUFFE XEROFILE che possono crescere fino a valori di 0,60

Staphylococcus aureus

Esiste un unico batterio patogeno che ha un valore di

a.d.a. di 0,86.

Quando parliamo di microrganismi resistenti allo stress osmotico facciamo

riferimeto a microrganismi dotati di meccanismi che permettono la sintesi o la

traslocazione e quindi l’accumulo all’interno del citoplasma di sostanze

osmoticamente attive in grado di controbilanciare il richiamo di acqua da parte

della matrice. I soluti accumulati nel citoplasma si definiscono SOLUTI

COMPATIBILI(il loro accumulo nel citoplasma è compatibile con il metabolismo e

la vitalità cellulare).

I soluti compatibili possono essere di diversa natura:

- derivati amminoacidici, la più comune è la glicina betanina;

- zuccheri come il saccarosio o il trealosio;

- polialcol come il glicerolo o manitolo.

la regolazione dei meccanismi di resistenza allo stress osmotico è legata alla

presenza di specifici sensori di turgore a livello della membrana cellulare.

Un altro parametro che influenza la crescita microbica è il POTENZIALE

OSSIDORIDUTTIVO. Quest’ultimo dipende da fattori descritti nell’equazione di

Nernst. Delle grandezze che rientrano in questa equazione molto interessante è

il rapporto fra la concentrazione di sostanze ossidanti e quelle riducenti.

E= E0

Il composto ossidante di maggiore interesse è l’ossigeno

I composti riducenti sono gli zuccheri e gli aminoacidi.

Il potenziale ossidoriduttivo in un alimento è influenzato da:

-composizione dei gas attorno all’alimento;

- presenza di composti riducenti;

- resistenza intrinseca della matrice ai cambi di potenziali;

- trattamenti tecnologici della matrice alimentare(macinazione

carne/impastamento);

- modificazioni indotte dal metabolismo microbico.

Sulla base del potenziale ossidoriduttivo i microrganismi si dividono in cinque

gruppi:

- AEROBI: metabolismo respiratorio che utilizzano l’ossigeno come

accettore finale di elettrone e che crescono bene a concentrazione di

ossigeno pari a quella atmosferica (20% di O2)

- MICROAEROFILI: sono aerobi che crescono a concentrazioni di ossigeno

inferiori rispetto a quella atmosferica

- ANAEROBI FACOLTATIVI: sono in grado di effettuare la respirazione in

presenza di ossigeno o la fermentazione in assenza di ossigeno. Se questi

microrganismi respirano crescono meglio e più velocemente rispetto a

quando fermentano.

- ANAEROBI AEROTOLLERANTI: metabolismo fermentativo che non

utilizzano l’ossigeno tuttavia lo possono tollerare.

- ANAEROBI STRETTI: metabolismo fermentativo e la presenza di ossigeno

ne inibisce completamente la crescita perché risulta loro tossico.

Esperienza di laboratorio.

Per riconoscere questi gruppi si fa riferimento alla crescita dei microrganismi in

un tubo di batteriologia nel quale si pone un terreno di crescita contenente

l’indicatore la RESAZURINA la quale in presenza di ossigeno assume un colore

rosa-violaceo che ci permette di individuare lo strato di terreno nel quale

l’ossigeno è ancora presente. In questo tipo di saggio il terreno è

supplementare con una piccola percentuale di agar che consente di avere una

consistenza gelatinosa e di evitare il rimescolamento fra gli strati.

CASO A): microrganismo aerobio sviluppa solamente in superficie dov’è

presente l’ossigeno e il terreno risulta opaco.

CASO B): microrganismo anaerobio stretto la sua crescita negli starti

superficiali è assente ma è presente negli strati profondi dove non vi è

ossigeno.