Microbiologia dei prodotti fermentati

Unipr 2017/2018 S.T.A. II anno microbiologia degli alimenti fermentati

Un alimento fermentato è un alimento trasformato attraverso una fermentazione. La maggior parte degli alimenti che vengono consumati sono alimenti trasformati, in quanto la maggior parte degli alimenti non trasformati (uova, prodotti ortofrutticoli, …) subiscono almeno incartamento, packaging, … e oggigiorno la maggior parte dei prodotti ortofrutticoli appartengono alla IV gamma alimentare.

Storia della trasformazione degli alimenti

In passato la trasformazione degli alimenti veniva effettuata a scopo conservativo (ad esempio prima dell’avvento del frigorifero). Le prime trasformazioni sfruttavano il principio dell’AW come la salatura o l’essiccatura con lo scopo di allungare la shelf life. Nel tempo sono state introdotte nuove modalità di prolungamento della shelf life che non si basano più sulla salatura ed essiccatura (ad esempio i cibi in lattina).

Le metodologie erano fondamentalmente basate sul prolungamento di shelf life con mezzi a disposizione, mentre il cambiamento dello stile di vita ha influenzato molto sul tipo di alimento che veniva consumato, principalmente nel periodo post-rivoluzione industriale per produrre non solo in modalità differente ma anche in quantità differente.

A cavallo della rivoluzione francese, il cuoco Nicolas Appert scoprì intuitivamente che se gli alimenti che si alteravano venivano messi nelle bottiglie di vetro, fatte bollire, e successivamente chiuse ermeticamente, questi mostravano una shelf life maggiore (teorizzato successivamente da Pasteur che scoprì che la modificazione degli alimenti era dovuta alla proliferazione dei microorganismi sull’alimento stesso (all’inizio sul vino)). L’idea venne poi rubata dall’inglese Durant che passò dalle bottiglie di vetro a scatole di latta, fornite poi all’esercito della marina inglese.

In Italia questa invenzione arrivò successivamente con Francesco Cirio alla fine dell’800 con l’apertura del primo stabilimento per la produzione di piselli in scatola. Con l’era spaziale poi aumentò l’ingegneria nel campo con la necessità di nutrire gli astronauti. Anche il concetto di Findus con l’invenzione dei “4 salti in padella” contribuì notevolmente ad ampliare le conoscenze sulle trasformazioni alimentari.

Prolungamento della shelf life

Sebbene sin dall’antichità le principali tecnologie si basavano sulla diminuzione dell’AW senza compromettere di tanto la natura dell’alimento (merluzzo baccalà), oggigiorno le trasformazioni si basano sull’esaltazione ed il cambiamento della natura del prodotto (carne di maiale salame).

Come visto nel primo modulo di microbiologia dei patogeni, una volta avvenuta la contaminazione, se i fattori eco-fisiologici sono favorevoli, avviene lo sviluppo microbico che può presentare un pericolo per il consumatore. NON TUTTI però GLI SVILUPPI sono indesiderati, talvolta lo sviluppo di microorganismi negli alimenti è ricercato per l’attribuzione di caratteristiche organolettiche gradevoli.

Come infatti per il corso precedente, ogni genere, specie, sub specie e persino biotipo microbico è caratterizzato da una diversa resistenza e stabilità ai diversi fattori; quindi in funzione dei fattori eco fisiologici la crescita di alcuni microorganismi è favorita mentre è sfavorita la crescita di altri.

Ricordiamo quindi che in funzione dell’effetto dello sviluppo microbico sull’alimento possiamo classificare i m.o. come:

• Gradevoli (virtuosi): microorganismi benefici. POICHE’ SONO VOLUTI, È IMPORTANTE IL LORO NUMERO.
• Sgradevoli: microorganismi deterioranti/alterativi
• Dannosi alla salute: microorganismi patogeni

Gli stessi alterativi possono essere visti come causa di alterazioni gradite o sgradite, quindi anche gli sgradevoli possono risultare in alcune circostanze microorganismi gradevoli.

Gli alimenti fermentati

Sono alimenti trasformati che, in generale nel mondo, hanno una grande importanza economica. Questi vengono prodotti in modalità estremamente variabili che partono da recentissime tecnologie sviluppate fino a quelle più antiche. In passato la fermentazione è nata come metodo di conservazione degli alimenti, è passata attraverso un iter per arrivare oggigiorno ad avere un ruolo come stabilizzante.

Dal punto di vista nazionale, gli alimenti fermentati italiani entrano generalmente all’interno di un marchio (D.O.P., I.G.P., S.T.G., D.O.C.), all’interno di un registro delle denominazioni di origine protetta e delle indicazioni geografiche protette sul sito del ministero delle politiche agricole http://www.politicheagricole.it/flex/cm/pages/ServeBLOB.php/L/IT/IDPagina/396. Il numero dei marchi registrati ha avuto un profondo ampliamento: da 163 marchi di qualità nel 2007 a 291 nel 2017; Il ministero delle politiche agricole divide i prodotti in categorie in ordine alfabetico dagli aceti fino ai prodotti di panetteria.

Un altro sito molto importante (forse più importante) è quello della commissione europea, sito “DOOR” http://ec.europa.eu/agriculture/quality/door/list.html, che riporta le denominazioni non soltanto riguardanti l’Italia, ma anche tutti gli altri paesi della CE e anche la differenza tra marchio approvato, richiesta effettuata o richiesta non approvata.

Per quanto riguarda i vini, esiste (sempre della commissione europea) un sito chiamato E-BACCUS http://ec.europa.eu/agriculture/markets/wine/ebacchus/index.cfm?event=searchPTradTerms&language=IT molto simile a DOOR ma specifico per prodotti vitivinicoli, in grado di darci anche informazioni riguardanti a certificazioni per vini tipici di paesi non membri della CE.

Esistono altresì altrettanti prodotti fermentati che non rientrano nei marchi. Gli alimenti di QUALITA’, infatti, non sono solo quelli a marchio, ma prodotti industriali vanno verso una produzione sempre più moderna; in particolare negli alimenti fermentati, dove il processo di produzione associa molti step complessi, l’innovazione industriale ha una grandissima potenzialità di produzione. Nei paesi sviluppati i prodotti fermentati fanno parte del 20% della dieta, mentre nei paesi in via di sviluppo la produzione degli alimenti fermentati è alla base della dieta poiché attraverso la fermentazione si aiuta la stabilità del prodotto facilmente preparato, conservato e consumato.

SIAMO SICURI DI COSA SI STA PARLANDO QUANDO PARLIAMO DI ALIMENTI FERMENTATI? Ad esempio, il Natto: un prodotto fermentato giapponese costituito da fagioli di soia fermentati. Questo è apprezzato molto nella tradizione giapponese, mentre dal punto di vista microbiologico è molto interessante in quanto si produce solo con un battere Bacillus subtilis; il microorganismo è in grado di creare dei polimeri di acido glutammico che formano dei filamenti biancastri responsabili del sapore umami. Lo si può trovare in negozi etnici abbinato alla salsa di soia conservato sottovuoto in vaschette di polistirolo.

Anche la salsa di soia può essere un prodotto fermentato: quelle più di nicchia sono prodotti fermentati microbiologicamente mentre quelle più commerciali subiscono un’idrolisi acida. Come tutti gli altri prodotti della soia a differenza del natto, vedono anche il coinvolgimento di muffe. Anche il miso, ottenuto attraverso la cottura di cereali e successivamente fermentato. Il tempeh, prodotto a base di soia è tipico indonesiano e fermentato. Il tofu, ottenuto da una materia prima facilmente gestibile e manipolabile: latte di soia che subisce una sorta di cagliatura ad opera di MgCl. Questi erano solo esempi per ricordare come gli alimenti fermentati possono essere molteplici e talvolta si scostano dall’immaginario collettivo.

Origine dei prodotti fermentati

La storia fa riferimento a processi di trasformazione della carne, latte e cereali. Il passaggio importante dal punto di vista della trasformazione è nato in coincidenza delle scoperte di Louis Pasteur e all’inizio della rivoluzione industriale inglese. Contemporaneamente in modo casuale questi due eventi hanno avviato l’era della comprensione dell’effetto dello sviluppo dei microorganismi negli alimenti.

Louis Pasteur è ritenuto il fondatore della moderna batteriologia e microbiologia. Pasteur è famoso perché ha scoperto l’effetto dell’alterazione degli alimenti a causa dei microorganismi e ha posto le basi per i trattamenti alla base del loro controllo (pastorizzazione); “... quando si osserva la birra e il vino messi alla prova da profonde alterazioni, perché questi liquidi hanno dato asilo a degli organismi microscopici che si sono introdotti in maniera invisibile e fortuita al loro interno, dove, in seguito sono diffusi, come non essere assillati dal pensiero che fenomeni dello stesso tipo possano e debbano verificarsi, talvolta, anche per l’uomo e gli animali? ....”.

Al momento la microbiologia alla base della trasformazione degli alimenti deve essere vissuta e compresa in riferimento alla grande produzione industriale con lo scopo di rendere più efficienti e migliorare le grandi produzioni, e conoscere il più possibile le cause della produzione dei caratteri di sapore e aroma distintivi dei prodotti artigianali affinché possano essere conservati e riprodotti. Al momento attuale non è più solamente la conservazione lo scopo per il quale si effettua la fermentazione dei prodotti alimentari.

Microorganismi negli alimenti

Considerati tutti i fattori che regolano lo sviluppo microbico, esistono delle regole generali da tenere presenti:

• La cellula in condizioni normali non produce metaboliti in eccesso
• Il controllo metabolico è rigoroso ma flessibile
• La cellula è in grado di adattarsi a differenti situazioni

La vita del microorganismo è alla ricerca di nutrienti ed energia necessaria per la loro moltiplicazione. Nel nostro caso dobbiamo fare il possibile per favorire lo sviluppo di questi microorganismi, perché dobbiamo fermentare l’alimento.

Vantaggi della fermentazione alimentare

Che cosa comporta la trasformazione degli alimenti per via fermentativa?

• Favorisce la conservazione
• La fermentazione è un processo biochimico alla base del metabolismo biochimico di alcuni microorganismi che attraverso la degradazione degli zuccheri porta alla produzione di metaboliti. La fermentazione può essere lattica e alcolica. I microorganismi sono differenti ma gli effetti sono simili: l’esaurimento degli zuccheri e l’accumulo di metaboliti acido lattico ed etanolo con CO₂.

Nel caso dell’acido il metabolita abbassa il pH dell’ambiente, nel caso dell’etanolo si otterrà un effetto antimicrobico; l’effetto della fermentazione quindi aumenta la conservabilità dell’alimento, quindi diminuisce lo sviluppo dei microorganismi alterativi e patogeni.

• Modifica il valore nutrizionale
• Arricchisce le proprietà sensoriali dell’alimento.

Prendiamo ad esempio la differenza nella percezione sensoriale tra un latte pastorizzato ed un formaggio. Solo se si è in grado di garantire la shelf life, si può pensare di far maturare il prodotto. Durante la stagionatura e la maturazione degli alimenti si ha una modifica delle caratteristiche sensoriali (che può avvenire con o senza microbi, ad esempio un prosciutto o un Parmigiano). Ad esempio, non è possibile stagionare una lattuga in quanto questa non presenta la possibilità di essere conservata a lungo. Durante la maturazione si ha la degradazione di proteine e grassi che portano alla produzione degli aromi.

• Modifica le proprietà reologiche
• La degradazione degli zuccheri e la presenza di metaboliti possono interagire con i componenti. Alcuni metaboliti però (come nel caso del natto) possono già di per sé compromettere una modificazione reologica: la produzione di esopolisaccaridi è alla base della modificazione di diversi alimenti fermentati.

Può anche favorire la detossificazione.

Il processo fermentativo è alla base talvolta di alcuni alimenti tossici (ad esempio la radice cassava o tapioca). Ad esempio, la produzione di tapioca che è particolarmente diffusa nei terreni tropicali e subtropicali con terreni poveri. Lo sviluppo di queste radici è abbondante e dà luogo ad un alimento alla base di più popolazioni; questo prodotto però contiene naturalmente dei glucosidi cianogenici, ovvero sostanze tossiche (cianuro). Se si mangiano radici di questo tipo crude o poco cotte, si ingerisce una quantità di cianuro e la percezione di questa presenza si ha quando la molecola viene idrolizzata e si libera acido cianidrico (dal sapore di mandorla); il consumo di acido cianidrico era associato ad una malattia neurologica che portava a paralisi, a sua volta associata al consumo di cassava non processata.

Il processo in grado di garantire la salubrità della tapioca è la fermentazione attraverso il lievito Saccharomyces cerevisiae. La fermentazione promuove l’idrolisi del glicoside e l’evaporazione dell’acido cianidrico che così, in presenza di calore, scompare dall’alimento. Il prodotto finale chiamato gari o peujeum è una farina di cassava fermentata. Dall’altra parte della medaglia, un effetto negativo è associato alla produzione di una tossicità. Se il cocco viene a contatto attraverso una contaminazione primaria da un battere Burkholderia, questo interagisce con i processi di trasformazione di ATP in ADP portando alla morte. Nonostante ciò gli effetti negativi legati alla fermentazione degli alimenti sono molto rari.

Classificazione degli alimenti fermentati

Una modalità di classificazione degli alimenti fermentati è quella in funzione della materia prima di origine:

• Animale: dalla trasformazione fermentativa della carne si ottiene il salame, mentre dalla trasformazione fermentativa del latte si ottengono latti fermentati e formaggi.
• Vegetali: dalla trasformazione fermentativa dei cereali si ottiene pane e birra, da quella dell’uva si ottiene vino e aceto, da quella del cavolo si ottengono i crauti mentre da quella delle olive si ottengono le olive fermentate, o capperi fermentati dai capperi. Secondo le ultime tendenze rientrano in questa categoria anche la soia ed il riso. Altre trasformazioni vedono la fermentazione come uno step della produzione con una fase estrattiva: sicuramente di grande interesse troviamo il caffè ed il cacao.

Quali sono i microorganismi che fermentano?

I microorganismi sono diversi, ma principalmente le fermentazioni trasformative sono a carico di batteri e lieviti. Tra i batteri il ruolo principe è svolto dai batteri lattici, ci sono anche altri batteri come i batteri acetici ed i batteri propionici (che non sono batteri lattici!!).

Tra i lieviti, l’importanza principale è legata al lievito Saccharomyces cerevisiae. Anche altri lieviti e muffe svolgono un’azione sinergica alla fermentazione ma che non fermentano direttamente. Con B sono indicate le cellule batteriche, con Y la cellula del lievito e con F le ife delle muffe.

Al di là dell’attività che svolgono, ogni loro metabolismo è legato alla loro moltiplicazione. Questo significa che la biomassa che si forma in seguito al massivo sviluppo di questo m.o. occupa uno spazio differente. Questi microorganismi contribuiscono all’alimento ed in particolare, in alcuni casi, contribuiscono con il sapore (direttamente dato dalla biomassa). L’impatto del m.o. non è solo indiretto in base all’impatto del metabolita, ma è anche diretto in termini di concentrazione della biomassa (principalmente per le muffe).

Nella trasformazione per via fermentativa sono coinvolti altri batteri che hanno un certo interesse, come gli stafilococchi coagulasi negativi nei salami, oppure altri lieviti che non fermentano. Le muffe essendo aerobie obbligate non fermentano, ma sono coinvolte nei processi fermentativi prima e dopo: ad esempio la muffa del formaggio Brie o gorgonzola non fermenta e non interviene nel metabolismo ma aiuta a dare il flavour principalmente a livello della crosta, oltre che a contribuire nella formazione della consistenza tipica della pasta interna.

Questi microorganismi nella maggior parte dei casi non sono coinvolti da soli, ma complessivamente con più microorganismi nella trasformazione di ogni alimento. Alcuni latti fermentati o alcuni formaggi, così come alcune bevande o prodotti da forno però, vengono ottenuti solamente con una specie batterica o di lieviti.

È possibile fermentare qualsiasi materia prima? È vero che devono essere presenti i nutrienti, ma questi devono essere resi disponibili ai microorganismi che fermentano. Questo tentativo di renderli disponibili è alla base del concetto “i microorganismi sono pro-tecnologici o virtuosi? Oppure è la tecnologia che si adegua ai microorganismi?”. In alcune fasi dei processi tecnologici infatti occorre prevedere qualche processo che renda disponibile la presenza dei nutrienti in funzione della materia prima che viene fermentata. Ad esempio, occorre creare il mosto in modo tale da rendere disponibili gli zuccheri per i lieviti, altrimenti questi restando sulla superficie dell’acino non fermenteranno a causa della scarsità dei nutrienti; così come il processo di maltazione della birra. Occorre quindi assicurarsi che i nutrienti presenti siano disponibili. Quindi ogni materia prima è fermentescibile in quanto lo zucchero può essere presente oppure è possibile aggiungerlo.

Se la ragione della possibilità della fermentazione è la presenza di nutrienti, un’altra ragione deve essere la presenza dei microorganismi. Una delle...