Microbiologia degli alimenti - parte 1

Introduzione alla microbiologia

La microbiologia è la scienza che studia gli organismi tanto piccoli da non essere visibili ad occhio nudo, cioè i microrganismi. Da qui nasce la teoria dell’infinitamente grande e infinitamente piccolo, definita da Pasteur, il quale diceva che i microrganismi sono infinitamente piccoli ma svolgono delle funzioni infinitamente grandi, in quanto sono in grado di arrecare delle patologie ma sono anche importanti per quanto riguarda la microbiologia alimentare, per la produzione di svariati tipi di alimenti.

Si ricorre all’uso del microscopio perché sono molto piccoli, in modo da vedere la forma delle cellule microbiche, che possono essere di diversi tipi, come di forma coccica, bacillare, catenelle o tetradi (agglomerati). Dalla piastra a vetri si vedono le misurazioni delle colonie microbiche; si prendono i microrganismi e si mettono sulla piastra dove vi sono i principali nutrienti per crescere. L’unica cosa che si può vedere ad occhio nudo non è la morfologia cellulare, ma la morfologia della cellula, perché quando si fa un’analisi microbiologica, le colonie crescono in piastra a vetri (substrato ottimale per la crescita di microrganismi) e si vedono le colonie batteriche o un’alterazione determinata da esse (arancia ammuffita). Le colonie sono una popolazione di cloni, dove si vedono le cellule microbiche al microscopio e dopo avverrà la diluizione perché sono un agglomerato. La morfologia della cellula, nel caso dei batteri, va da 0,1 a 1 µm.

I microrganismi si trovano un po' ovunque, colonizzano quasi tutto, dal corpo umano alle acque termali, agli alimenti, nei fondali marini e si adattano alle condizioni di qualsiasi ambiente e prendono il nome di microrganismi estremofili.

Che cosa studia la microbiologia?

A seconda della branca microbica, essa può essere suddivisa in: microbiologia medica, agraria, alimentare, ambientale, industriale, veterinaria e le biotecnologie, che prevedono l’impiego di microrganismi con lo scopo principale di andare a migliorare un processo tecnologico. Prima è nata la microbiologia medica, poi con l’industrializzazione si sono sviluppate tutte le altre e alla fine le biotecnologie, cioè l’uso consapevole dei microrganismi. Permettono di migliorare un prodotto dal punto di vista igienico-sanitario e organolettico, grazie a molti studi e selezioni.

Principali microrganismi

I principali microrganismi che si occupa questa materia sono:

• Batteri
• Lieviti/muffe che rientrano nel gruppo dei funghi, infatti vengono chiamati funghi filamentosi (muffe) e funghi unicellulari (lieviti)
• Protozoi
• Alghe
• Virus

Da un punto di vista alimentare, i microrganismi più importanti sono batteri, lieviti e muffe, i quali a loro volta possono essere suddivisi in microrganismi protecnologici, alterativi o patogeni.

Tipi di microrganismi

Microrganismo protecnologico è utile al processo di fermentazione (es: Saccharomyces cerevisiae), utilizzato per fare la fermentazione alcolica. Le muffe possono essere microrganismi alterativi o protecnologici (protecnologica come il Penicillium roqueforti), utilizzato per la produzione di formaggi erborinati come il Gorgonzola, oppure il Penicillium camemberti che viene utilizzato per la produzione del Brie, che è un formaggio a crosta fiorita.

I microrganismi alterativi vanno ad alterare le caratteristiche chimico-fisiche degli alimenti, che portano alla comparsa di odori e sapori sgradevoli, quindi vanno a deprezzare qualitativamente il prodotto. Causano un’alterazione del colore, verso il verde (Pseudomonas è il microrganismo più conosciuto che causa alterazione). Un altro esempio è la mozzarella blu, un’alterazione anomala, causata da un microrganismo, lo Pseudomonas fluorescens.

I microrganismi patogeni possono causare dei rischi alla salute del consumatore. La camera bianca è il luogo dove non ci sono contaminazioni microbiologiche, come il latte UHT o ad alta conservazione (shelf-life lunga).

Riconoscimento dei microrganismi

Bisogna per prima cosa riconoscere:

• Fisiologia: a che temperatura crescono, a che condizioni di pH, che esigenze nutritive hanno
• Biochimica: sapere se hanno un metabolismo di tipo fermentativo o respiratorio
• Struttura: in termini di struttura cellulare
• Genetica: patrimonio genetico
• Tassonomia: dare nome e cognome al microrganismo
• Filogenesi

Questi microrganismi si suddividono, secondo la classificazione di Woese, in tre domini:

• Eucarioti
• Procarioti; a sua volta si suddivide in Bacteria (Eubatteri) e Archaea (Archeobatteri). La differenza sta nel confronto dell’RNA ribosomiale, infatti gli eucarioti hanno il gene 18s dell’RNA ribosomiale, mentre i procarioti hanno il gene 16s dell’RNA ribosomiale.

Le grosse differenze tra i due domini sono che le cellule procariote sono delle cellule più semplici rispetto a quelle eucarioti, le quali hanno una distribuzione interna e sono morfologicamente più complesse. Altre differenze stanno nelle dimensioni (la c. procariote è piccola 100 volte di più dell’eucariotica) e poi ha molte strutture in meno.

Storia della microbiologia

Prima si pensava che le malattie fossero dovute a qualcosa di soprannaturale, mentre alcuni decenni prima di Cristo si iniziò a pensare che le malattie fossero portate da esseri viventi però non si pensava al “piccolo”. Si iniziò a pensare ai microrganismi con la scoperta del primo microscopio, inventato da Galileo Galilei, formato da una specie di cartuccia al cui interno vi erano delle lenti che creavano dei prismi e permettevano di ingrandire i campioni che venivano prelevati, ma l’utilizzo di esso, con l’obiettivo principale era osservare le cellule microbiche, fu fatto da Francesco Stelluti, il quale iniziò a prelevare dei campioni ambientali senza annotare nulla.

La vera scoperta però si è avuta con il commerciante olandese Antony van Leeuwenhoek, tra il 1600 ed il 1700, il quale realizzò un vero microscopio rudimentale ma molto simile a quelli moderni, cioè un tavolo come porta oggetto, poi una vite per allontanare e avvicinare il campione, una vite per la messa a fuoco, un punteruolo per collocare il campione ed una lente che permetteva di ingrandire il campione oggetto di analisi.

Fu anche il primo a scrivere tutto ciò che osservava, quindi realizzò un libro costituito da delle tavole all’interno delle quali andò ad osservare e descrivere le prime forme microbiche (cocchi, bastoncelli, catenelle, …); da queste osservazioni iniziò il dibattito su due teorie, la teoria della biogenesi e la teoria dell’abiogenesi.

• Teoria biogenesi: la vita si generava da altra materia vivente; un sostenitore fu Aristotele, il quale sosteneva per esempio che le rane avevano origine dal fango; un altro sostenitore fu Redi, il quale sosteneva che la vita si originava da materia organica vivente.
• Teoria abiogenesi: la vita si generava da materia organica morta.

Redi fece un esperimento, prendendo una seria di barattoli all’interno dei quali mise dei pezzi di carne e ne lasciò uno aperto e osservò che le mosche lasciavano le larve dentro di essa da cui si originava vita. Successivamente ne prese un altro e lo richiuse ermeticamente e non successe nulla; un’altra volta mise sopra una garza e le mosche erano tornate. Infine mise dentro il barattolo una garza e la carne e tornarono le mosche, quindi non riuscì a spiegare né la biogenesi né l’abiogenesi.

Anche Needham fece degli esperimenti per spiegare la teoria biogenetica. Prese un barattolo in cui mise del brodo di carne, lo bollì e lo lasciò aperto, chiudendolo dopo ermeticamente, ma nel frattempo si era contaminato (i microrganismi erano nell’aria). Spallanzani fece un altro esperimento; prese una beuta, la chiuse quasi subito dopo la bollitura e osservò che certe volte il brodo non era contaminato ed altre volte sì, quindi dedusse che l’aria era veicolo di contaminazione.

Pasteur col “collo di cigno” prese dei matracci, mise del brodo di carne, riscaldò il collo e lo curvò, poi bollì il brodo; l’aria era in grado di entrare nel collo, ma non in grado di arrivare al brodo. La conferma la ebbe quando piegò il matraccio e lo fece andare in contatto l’aria ed il brodo e quest’ultimo si contaminò. Tyndall diede la conferma definitiva la vita si origina dalla materia viva, perché scoprì le spore. Alcune spore sono resistenti al calore, quindi l’ebollizione non basta, si deve fare un trattamento termico classico a 121° per 20 minuti. Le spore sono delle forme vegetative che generano i microrganismi.

Pasteur scoprì la fermentazione alcolica e la fermentazione butirrica.

• Fermentazione alcolica: a Lille non riuscivano a produrre del vino di buona qualità, perché diventava aceto, quindi prelevò campioni di mosto e mosto fermentato e osservò che la prima fase (fermentazione) era regolata dai lieviti, mentre l’ultima fase si contaminava con i batteri (Acetobacter). Scoprì l’esigenza di andare ad isolare i mosti dai batteri, prendendo da una matrice alcuni lieviti e selezionandoli. Essi prendono il nome di starter, inneschi commerciali o autoctoni usati per la vinificazione e la panificazione e per il latte, con l’obiettivo di guidare la fermentazione per evitare alterazioni, ovvero deprezzamento. Prese il mosto, lo pastorizzò, inoculò i lieviti selezionati e ottenne un vino di buona qualità.
• Fermentazione butirrica: provoca alterazioni nei formaggi; è operata da alcuni batteri chiamati clostridi butirrici anaerobi (senza ossigeno), che determinano nel formaggio il gonfiore tardivo, al cuore del formaggio in anaerobia; la presenza dell’aria producono CO₂ che provoca lo scoppio del formaggio. Quindi Pasteur scoprì che alcuni avevano bisogno di ossigeno per vivere (aerobi) e altri no (anaerobi). Le mise in una goccia di acqua e vide col microscopio che quando si trovavano al centro erano vive, ma spostandosi nella periferia morivano perché c’era ossigeno: scoprì il metabolismo respiratorio dei batteri. Es: Clostridium botulinum produce CO₂ che causa il rigonfiamento della confezione o tappo, lo stesso uguale al formaggio; se si gonfia al centro il resto viene grattugiato ed ha una qualità inferiore.

Struttura dei microrganismi

Morfologicamente i batteri sono di tre tipi, ma in ambito alimentare sono sferica e bacillare, ma vi sono anche altri come spirale o variabile (batteri pleomorfi). I cocchi si distinguono a seconda della catena:

• Diplococchi (a 2): starter per produzione formaggi; uno attaccato all’altro
• Streptococchi: uno attaccato all’altro, a catenella, a formare una collana di perle; lo Streptococcus thermophilus, insieme al Lactobacillus streptococcus.

Inoltre si strutturano in:

• 2 piani: Tetradi (puzzone di Moena/Pediococcus); non hanno interesse alimentare (2 diplococchi uno sopra l’altro)
• 3 piani: Sarcine (4 davanti e 4 dietro, a forma di cubo) e Stafilococchi sono a grappolo d’uva, quindi agglomerati in massa. Lo Staphylococcus aureus è citotossico, quasi tutti gli stafilococchi sono patogeni e fanno un danno ai globuli rossi. Non sono mai usati come starter.

Variazione forme cocciche: Sono pleomorfi e le variazioni si hanno quando il microrganismo non ha le condizioni ottimali di crescita, indisponibilità di nutrienti, pH sbagliato, temperatura non adatta.

• Lobate
• Scavate
• Acini
• Coniche
• Irregolari
• Appiattite su un lato

Bacilli: non si dividono in piani; le forme che hanno sono:

• Piatte
• Arrotondate (di interesse alimentare)
• Appuntite
• Ramificate

E sono:

• A 2 (Diplobacilli)
• A catenelle (Streptobacilli) come il Lactobacillus sanfrancensis e Weissella cibaria

Batterio:

• Vibrioni (tipo bacilli ma hanno la coda, chiamata “vibrione”, come il vibrio colera)
• Spirilli
• Spirochete: spirilli più flessibili e contorti

Vi sono dei batteri che differiscono dalla forma, chiamati attiromiceti, hanno morfologia simile alle muffe. Hanno ife che si ramificano e costituiscono il micelio. Vi sono due tipi di micelio:

• Micelio aereo: a contatto con l’aria
• Micelio del substrato: subentrano dentro il terreno

La loro scoperta porta alla nascita della microbiologia moderna. Lo streptomices viene utilizzato in medicina grazie a Fleming (inventore dell’antibiotico) perché viene utilizzata la streptomicina, come antibiotico per il tratto gastro-intestinale.

Cellula procariotica

Woese ha determinato che i microrganismi si suddividono in tre domini:

• Batteri
• Archeobatteri
• Eucarioti (eubatteri)

In una cellula procariotica gli organi che ci devono sempre essere sono cinque:

• Nucleoide: rappresenta il patrimonio genetico dell’organismo, dove si trova o il cromosoma o il DNA
• Citoplasma: all’interno vi sono gli organuli cellulari in sospensione ed è formata al 90% di acqua
• Membrana citoplasmatica: è la sede degli scambi
• Ribosomi: sono la sede della sintesi proteica
• Parete cellulare: ha funzione di protezione e che conferisce la forma alla cellula microbica

Gli altri organi invece possono essere presenti ed assenti, come:

• Flagello: definito anche come “organo natatorio” perché favorisce il movimento della cellula
• Strato S: dette anche “proteine di superficie” che hanno una funzione di protezione; avvolgono del tutto la cellula
• Fimbrie e pili: sono degli organi di adesione, cioè che favoriscono l’adesione del microrganismo alla superficie

Parete cellulare

La parete cellulare in natura è sempre presente, ma in laboratorio può essere rimossa e la cellula prende il nome di protoplasto, perché è senza parete. Tutti i protoplasti hanno forma sferica, cioè perdono la loro conformazione perdendo la parete cellulare. Ha sia il compito di dare la forma che di protezione, cioè protegge la cellula dalla lisi osmotica. Previene l’accumulo di acqua della cellula il quale può determinare il rigonfiamento della cellula stessa e la successiva morte. Se in laboratorio si deve analizzare un campione per l’analisi microbiologica e fare una conta microbica (quanti microrganismi ci sono in una matrice alimentare), se la matrice è liquida si può seminare nelle piastre di petri, se invece la matrice è solida (pezzo di carne) si deve preparare il substrato. Di solito per prepararlo si fa un’operazione chiamata omogeneizzazione, dove si prende 1 parte di campione e 9 parti di una soluzione isotonica (fisiologica 0.9% NaCl), cioè che ha una stessa concentrazione di soluto rispetto a quella all’interno della cellula microbica, in modo da prevenire l’ingresso dell’acqua nella cellula e determinarne la morte.

Se si utilizza una soluzione ipotonica che ha una concentrazione di soluto minore rispetto alla cellula, quindi l’acqua si sposterebbe verso una soluzione più concentrata (all’interno della cellula), aumenta di volume e muore (lisi). Se si utilizza una soluzione ipertonica che ha una concentrazione di soluto maggiore rispetto alla cellula, l’acqua uscirà fuori e la cellula microbica morirà per disidratazione, chiamata plasmolisi.

Membrana citoplasmatica

Delimita il citoplasma delle cellule (la parte liquida); è adibita al trasporto dalla cellula verso l’esterno e dall’esterno verso la cellula. Ci sono dei sistemi di trasporto che favoriscono il passaggio dei nutrienti dall’esterno alla cellula e l’allontanamento delle sostanze di scarto o delle scorie dall’interno verso l’esterno. Contiene anche dei recettori che permettono alla cellula di muoversi, in quanto si può spostare verso delle sostanze attraenti e si può allontanare da sostanze repellenti (chemiotassi). La membrana citoplasmatica dei procarioti è composta da lipidi e proteine e il loro rapporto cambia...