Microbiologia industriale

Corso di microbiologia industriale

Prof.ssa Manuela Rollini© Laila Pansera

Sommario

• Introduzione ......................................................................................................................................................... 5
• Tappe principali ................................................................................................................................................... 5
• Biotecnologie microbiche ................................................................................................................................ 6
• Fermentazione ..................................................................................................................................................... 7
• Equazione semplificata di un processo biotecnologico ....................................................................... 8
• Microrganismi (X) ........................................................................................................................................... 8
• Substrato (S) ..................................................................................................................................................... 9
• Prodotto (P) ...................................................................................................................................................... 9
• Prodotti della microbiologia industriale .................................................................................................. 10
  • A. Biomassa ............................................................................................................................................. 10
  • B. Metaboliti primari ................................................................................................................................ 11
  • C. Metaboliti secondari ...................................................................................................................... 11
  • D. Prodotti complessi .......................................................................................................................... 12
  • E. Prodotti da DNA ricombinante....................................................................................................... 13
• Le diverse forme di resa ................................................................................................................................ 14
  • Resa di conversione (Y) ............................................................................................................................. 14
  • Resa di fermentazione ............................................................................................................................... 14
  • Rese di conversione e fermentazione per le diverse classi di prodotto .................................. 14
• Composizione dei terreni colturali ............................................................................................................ 15
  • Fonti di carbonio nei terreni colturali .................................................................................................. 16
    • Fonti di carbonio carboidratiche ....................................................................................................... 16
    • Fonti di carbonio non carboidratiche .............................................................................................. 20
  • Fonti di azoto nei terreni colturali ......................................................................................................... 21
  • Fonti di vitamine e fattori di crescita nei terreni colturali ............................................................. 23
  • Fonti di minerali nei terreni colturali .................................................................................................... 23
• Agenti antischiuma ..................................................................................................................................... 23
• Correttori di pH ............................................................................................................................................ 24
• Precursori ....................................................................................................................................................... 25
• Acqua ............................................................................................................................................................... 25
• Criteri di scelta del terreno di coltura ....................................................................................................... 25
• Terminologia ...................................................................................................................................................... 26
• Tipi di coltura ..................................................................................................................................................... 27
• Il fermentatore .................................................................................................................................................. 29
• Sistemi di controllo ..................................................................................................................................... 30
• Aerazione e agitazione .............................................................................................................................. 32
• Sterilizzazione del fermentatore ............................................................................................................ 33
• Tipi di coltura e impieghi .......................................................................................................................... 34
• Come funziona la linea di prefermentazione .................................................................................... 34
• Biomasse microbiche ...................................................................................................................................... 36
  • Biomasse da batteri, lieviti e muffe ....................................................................................................... 37
  • Lievito per panificazione ............................................................................................................................... 39
• Produzione del lievito da pane ............................................................................................................... 39
• Tipologie di lievito ...................................................................................................................................... 42
• Birra ....................................................................................................................................................................... 43
  • Produzione della birra ............................................................................................................................... 44
• Funghi a carpoforo .......................................................................................................................................... 48
  • Il carpoforo .................................................................................................................................................... 48
  • Produzione dei funghi a carpoforo ....................................................................................................... 49
  • Lentinula ..................................................................................................................................................... 49
  • Pleurotus .................................................................................................................................................... 50
  • Flammulina velutipes ............................................................................................................................. 50
  • Agaricus ...................................................................................................................................................... 51
• Yogurt e latti fermentati ................................................................................................................................ 54
  • Yogurt .............................................................................................................................................................. 55
  • Latte acidofilo termofilo ............................................................................................................................ 57
  • Latti e yogurt probiotici ............................................................................................................................ 58
  • Latte fermentato al bifido......................................................................................................................... 58
  • Kefir .................................................................................................................................................................. 58
• Aceto .................................................................................................................................................................... 60
  • Fermentazione lenta o in superficie ..................................................................................................... 60
  • Fermentazione per immersione ............................................................................................................. 61

Introduzione

Il settore alimentare è un settore in cui le biotecnologie sono state applicate fin dall’antichità. Si sapeva ad esempio come fare il pane, una bevanda alcolica, l’aceto. Si sapevano una serie di operazioni, ma non avevano una conoscenza approfondita del fenomeno microbiologico che avveniva nelle matrici alimentari da loro lavorate.

Tappe principali

• 1663: Invenzione del microscopio: ha cambiato le biotecnologie, in quanto si passa dallo sfruttamento passivo di una procedura all’analisi attenta e attiva dei microrganismi coinvolti.
• 1675: Van Leeuwenhoek utilizza il primo microscopio portatile e descrive e disegna tutto ciò che vede.
• 1781: In Olanda viene messo a punto per la prima volta un processo di produzione di lievito per la panificazione.
• 1857: Pasteur studia la fermentazione lattica.
• 1860: Pasteur capisce il ruolo dei lieviti nella fermentazione alcolica.
• 1863: Pasteur mette a punto la pastorizzazione, che permette di avere latte fresco senza problemi di natura tossicologica.
• 1881: Produzione di acido lattico.
• 1928-1929: Fleming scopre la penicillina: Fleming era un microbiologo medico e lavorava con gli streptococchi. Dimenticando una piastra Petri sulla scrivania e trovandola dopo molto tempo, si accorse che la piastra aveva un inquinante, una muffa, e notò che intorno alla muffa gli streptococchi non c’erano più. Si interrogò su come facesse la muffa a lisare le cellule di streptococco, quindi isolò e coltivò la muffa. Essa apparteneva al genere Penicillium e lasciava nel terreno una sostanza che aveva chiamato penicillina, e che ora si sa che è un metabolita secondario della muffa, prodotto in alcune condizioni. Si dice che gli americani abbiano vinto la seconda guerra mondiale perché avevano gli antibiotici per curare le infezioni dei soldati provocate dai combattimenti al fronte, e che quindi morivano meno soldati. Gli americani avevano un mezzo per produrre su grande scala la penicillina e rifornirla ai soldati. A partire dalla penicillina sono stati messi a punto tutti gli altri antibiotici con attività diverse, come l’amoxicillina.
• 1953: Watson e Crick scoprono la doppia elica del DNA e per questo vincono il Nobel. In realtà ad avere visto per prima la struttura del DNA era una ricercatrice che lavorava con loro.
• 1972-1973: Dopo la scoperta della struttura del DNA è iniziata una branca della microbiologia, la tecnologia del DNA ricombinante. Il primo prodotto ottenuto nel settore alimentare tramite l’applicazione di tecniche di ingegneria genetica è stata la chimosina, un enzima che favorisce la coagulazione del latte, per cui viene impiegata per fare il formaggio.
• 2001: Pubblicazione della sequenza del genoma umano.

Quindi le tappe delle biotecnologie sono state molto dilatate nei primi millenni, dalla messa a punto del microscopio in poi il tempo tra una scoperta e l’altra si è sempre più ridotto.

Biotecnologie microbiche

Trovano applicazione nella microbiologia industriale. La biotecnologia è l’applicazione deliberata e controllata di agenti biologici semplici, quali cellule microbiche, vegetali e animali vive o morte, o loro componenti cellulari, in operazioni tecnologiche utili alla produzione di beni o di servizi.

I beni possono essere:

• Biomasse microbiche per nutrizione umana o animale
• Commodities microbiche (acido citrico, acido glutammico)
• Insetticidi
• Starters, enzimi, muffe
• Antibiotici, vitamine
• Probiotici e vaccini

I servizi possono essere:

• Microrganismi utilizzati negli impianti di depurazione
• Valorizzazione dei residui del settore agricolo (impianti di produzione di biogas)
• Diagnostica mirata e terapia mirata.

Per fare un processo biotecnologico efficiente le competenze devono essere numerose. Un processo biotecnologico per essere espandibile su larga scala deve essere competitivo. La competizione sul mercato è data dal costo e dal valore aggiunto (ho qualcosa di nuovo e ho l’esclusiva). È un lavoro di associazione di diverse competenze.

Fermentazione

Definizione storica: processi microbiologici di trasformazione di zuccheri in etanolo e CO₂.

Definizione in senso stretto: vera fermentazione (anaerobie).

Definizione in senso lato: processo che usa un microrganismo (aerobiosi/anaerobiosi).

Fermentazione tradizionale: processo di produzione di lievito da pane, birra e vino.

Equazione semplificata di un processo biotecnologico

S + X → P

• Substrato (S)
• Cellule microbiche (X)
• Prodotto (P)

Microrganismi (X)

Le fermentazioni tradizionali (es: processi di produzione di vino e aceto) vengono allestite con una popolazione mista: microrganismi di più specie diverse. Ad esempio nella produzione dell’uva, schiaccio gli acini da cui esce un succo ricco in zuccheri, che viene trasformato in etanolo e CO₂ ad opera dei lieviti presenti naturalmente sul frutto. È molto raro che un’azienda vitivinicola utilizzi lieviti selezionati. Di solito la fermentazione è spontanea.

Con lo sviluppo dei processi su larga scala si è cercato di selezionare colture pure, a seguito dell’individuazione e dell’isolamento dei responsabili dei processi microbiologici. Questi lieviti puri si trovano in bustine. Questi ceppi vengono isolati a partire dall’habitat naturale.

In ingegneria genetica posso usare dei microrganismi ricombinanti, microrganismi in cui il DNA è stato modificato. Sono ceppi molto delicati dal punto di vista del mantenimento e non vengono utilizzati nel settore alimentare, infatti è vietato l’utilizzo di OGM nel settore alimentare. Posso però utilizzare questi microrganismi ingegnerizzati per sintetizzare un enzima che verrà utilizzato nel settore alimentare.

Un gruppo di microrganismi che la biodiversità ci mette a disposizione sono i microrganismi GRAS (Generally Recognised As Safe). Essi sono microrganismi che hanno sicuramente tra i loro antenati l’assenza di mutanti patogeni, quindi sono sicuri dal punto di vista alimentare. Lo è per esempio Saccharomyces cerevisiae, anche se ultimamente sempre più individui hanno problemi di intolleranza nei confronti di questo lievito. Anche Streptococcus thermophilus e Lactobacillus bulgaricus sono GRAS.

Per recuperare i microrganismi, esistono 2 modalità:

• Li isolo dall’habitat naturale: in questo caso è utile isolare i microrganismi da ambienti diversi, per poter scoprirne di utili e più o meno resistenti a determinate condizioni.
• Li chiedo alle collezioni ufficiali: esse sono enti che si occupano di isolare e catalogare i microrganismi. Questi enti hanno il compito di mantenere la biodiversità. Questi enti all’occorrenza distribuiscono colture a pagamento. Il prezzo varia in base allo scopo per cui si usa il microrganismo. Per noi europei è più facile comunicare con quelle europee.

Substrato (S)

La scelta del substrato è fondamentale per lo sviluppo del processo fermentativo. Dall’affinità microrganismo-substrato dipende l’economicità dell’intero processo. Devo fare molta attenzione alla scelta del substrato, che non deve essere prezioso o ricercato perché andrebbe a costare molto di più del prodotto che andrò a vendere.

In sintesi quando scelgo un substrato, devo considerare i seguenti fattori:

• Costo, non devono costare molto
• Disponibilità durante il corso dell’anno, ed eventualmente pensare a come stoccarlo se non è disponibile durante tutto l’anno
• Facilità di trasporto e stoccaggio
• Deve essere sterilizzabile, perché deve crescere solo il microrganismo scelto
• Non deve interferire con il processo, per esempio non deve essere schiumogeno
• Deve consentire delle alte rese di conversione e fermentazione
• La formazione dei prodotti secondari deve essere minima
• Non deve presentare problemi igienico-sanitari o di sicurezza.

Prodotto (P)

Posso sfruttare i microrganismi per produrre:

• Biomassa
• Metaboliti primari
• Metaboliti secondari
• Prodotti complessi
• Prodotti da DNA ricombinante

Ovviamente per ottenere un prodotto che abbia uno sbocco sul mercato devo prima fare una ricerca di mercato per valutare cosa viene già offerto, e poi calcolare l’economicità del processo, in modo che si riesca a stabilire il valore del prodotto e verificarne la competitività.

Prodotti della microbiologia industriale

A. Biomassa

Posso produrre biomassa microbica sia perché mi interessa il suo contenuto, sia perché mi interessa una sua attività particolare. Se produco biomassa per il contenuto posso avere:

• Impiego integrale:
  • Funghi superiori commestibili
  • Biomasse per dietetica
  • Alghe
  • Biomasse proteiche per mangimi