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Microbiologia industriale

Appunti di Microbiologia Industriale, secondo semestre dell II anno di Scienze e Tecnologie Alimentari basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni della prof. Rollini dell’università degli Studi di Milano - Unimi, facoltà di Agraria. Scarica il file in formato PDF!

Esito esame: 29

Esame di Microbiologia industriale docente Prof. M. Rollini

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ESTRATTO DOCUMENTO

Come è fatta la linea dell’aria in un impianto di fermentazione?

Negli impiant grandi, la linea dell’aria parte con un compressore, uno strumento formato da un motore che

aspira l’aria atmosferica e la immagazzina soto pressione dentro di séo L’aria, appena si apre una qualsiasi

ialiola tende ad uscire, quindi ha una forza motrice importanteo Prima di entrare nel compressore l’aria

passa atraierso una serie di passaggi che la puliscono e la sterilizzanoo

Il primo step è una VALVOLA RIDUTTRICE: una ialiola che riduce la pressione in modo tale che non abbia

un efeto esplosiio una iolta entrata nel liquido del fermentatoreo Se l’aria deie essere immagazzinata a 2

atm di soira pressione rispeto a quella atmosferica, la ialiola la porta a 1 atmo

C’è un manometro che ne misura la pressioneo

Poi passa atraierso il DEOLIATORE e il DEUMIDIFICATORE, quindi l’aria iiene deoleata e deumidifcatao

Perché si deie togliere olioo Perché nel motore c’è una parte oleosa che mantene lubrifcat gli ingranaggio

Gocce di questo olio lubrifcante possono entrare in contato con l’aria e portare nel reatore del materiale

indesiderato; quindi l’aria iiene deoleata, e successiiamente deumidifcatao Questo perché l’aria compressa

può condensare del iapore acqueo eientualmente presenteo

L’acqua è anche ieicolo di MO e compost indesiderat all’interno del reatoreo L’aria deie essere sterile per

entrare nel fermentatoreo

L’aria si sterilizza per FILTRAZIONE, quindi iiene fata passare atraierso 2 fltrio Essi sono format da un pre-

fltro che trattiene le impurità grossolane e un fltro sterilizzante iero e proprioo Dato che i fltri costano

tanto, se ne usano dueo Quando il fltro sterilizzante è un po’ usurato, si sposta il fltro come pre fltro, per

tratenere le impurità grossolano, e si mete il fltro nuoio come secondo fltro, che sarà il fltro sterilizzante

iero e proprioo Il pre fltro è un fltro iecchio che potrebbe aier perso la sua efcienza ma che comunque

può tratenere le impurità grossolaneo Se ce ne fosse uno solo, bisognerebbe cambiarlo con molta

frequenzao

Prima di entrare nel fermentatore, il fusso dell’aria iiene misurato con un FLUSSIMETRO che misura la

portata dell’aria in litri al minutoo Una iolta che si sa quanta aria far entrare nel sistema, si regola il

fussimetro per aiere tanta aria o poca ariao La quanttà di aria immessa in un fermentatore si misura in

vvm, che sta per “iolumi di aria / iolumi di coltura al minuto”o

Un processo fermentatio in condizioni di aerobiosi ha bisogno di un’aerazione pari a 0o5-1 iimo

1 iim sono un litro di aria ogni litro di coltura al minutoo Se si ha un fermentatore da 10 L e si iuole aerare

a 1 iim, iuol dire che si deie aiere un fussimetro che da 10L d’aria al minutoo Ogni minuto si deie poter

immetere 10L di ariao Più si ia aiant con la capacità del fermentatore e più deie essere potenteo 1iim è la

base per aiere aerazione per un MO aerobio, in alcuni casi i processi fermentatii hanno bisogno di 2-3

iimo Ataccato all’aerazione adiacente e collegato dal punto di iista tecnologico c’è il SISTEMA DI

AGITAZIONE, che serie per mantenere omogenea la colturao Se aiessimo un sistema statco, dopo un po’ i

MO tenderebbero a sedimentare per graiitào L’agitazione serie per non far sedimentare gli ingredient

inserit e dei MO; serie anche a disperdere bene l’ant schiuma e faiorisce il passaggio dell’ossigeno dallo

stato gas allo stato liquido disciolto nel fermentatoreo Si eiita la turbolenza, si eiita la formazione di

gradient e si mantene turbolenta la coltura faiorendo lo scambio di gaso

In molt reatori, il sistema di agitazione meccanica, è costtuito da un albero motore che è collegato ad un

motore che imprime una rotazione all’astao Il motore che imprime la rotazione può stare in alto o in basso

al fermentatore; in basso è più scomoda la manutenzioneo Se il motore adoiesse perdere olio, la perdita ia

per terra, se è in alto l’olio ia a fnire sulla testatao Ataccate all’albero motore, ci sono le girant che sono le

pale meccaniche che sono l’organo che ruota e crea turbolenza nella colturao La geometria delle girant può

essere molto iariabile, ci sono agitatori lent e ielocio La più difusa è la turbina Rushton: si trata di un disco

collegato all’albero motore con delle palete perpendicolari rispeto al discoo Esistono anche delle turbine

più inclinate come un’elica marina, poiché le turbine Rushton causano atrito, quindi potrebbero rompersi

con un impato diretoo Questo sistema con le pale meccaniche, ha una ielocità che iiaggia fra i 100 e i

1000 rpmo Nei reatori di grandi dimensioni, il sistema di agitazione potrebbe essere molto difcile da

gestreo Quando si aumentano i iolumi degli impiant di fermentazione, il sistema di agitazione meccanica

sparisce e si usa solo l’aerazione dal bassoo Quando i bioreatori diientano molto grandi, l’agitazione

meccanica non è più utlizzata e iiene applicata l’agitazione dal basso, come negli air lifo

Sistemi di controllo

Il processo fermentatio non può essere lasciato senza controllo, ci sono delle iariabili che deiono essere

misurate e controllateo Bisogna aiere dei sistemi che consentono di misurare dei ialori e nel caso

modifcarli per farli ritornare nel set point, oiiero nel punto in cui rimangonoo

Si suppone di aiere un terreno molto ricco, melasso, farina di soia, MO flamentoso che necessita di

ossigeno quindi aerazione potenteo Quando si fa partre i fermentatore la schiuma è scontatao

Controllo della schiuma

Nella testata c’è uno strato in cui la schiuma si può formareo Sopra il fermentatore c’è una sonda che non

tocca la coltura, che è sospesa nella parte alta della testata, e quando iiene toccata dalla schiuma attiia un

sistema che consente l’ingresso di antschiumao Quindi ci deie essere un serbatoio per l’antschiuma sterile,

un sensore (sonda) e una ialiolao Nel momento in cui la schiuma tocca la sonda, la sonda attiia un segnale,

apre la ialiola e attiia l’antschiumao La schiuma scende subito, la sonda non la sente più la schiuma e la

ialiola si chiudeo

Controllo della temperatura

È fondamentale controllare la temperatura perché da essa dipendono un serie di cose: il MO inoculato ha

un optmum di temperatura entro cui crescere e produrre quello che ci interessao Il problema della

temperatura è che la solubilità dell’ossigeno è iniersamente proporzionale alla temperatura, più aumenta e

più diminuisce la solubilità dell’ossigenoo

In un processo microbiologico, la temperatura tende a salire se lasciata ad andare senza controlloo Sale

perché: il metabolismo microbico è esotermico in quanto le reazioni producono calore; inoltre se si ha un

moiimento meccanico di agitazione come l’albero motore e le girant, producono atrito ed esso genera

caloreo

È presente una sonda che misura la temperatura all’interno della coltura e ci sono sistemi che consentono

la termostatazione, oiiero il mantenimento di una data temperaturao Una può essere la camicia esterna in

doie circola liquido refrigerante, la parte della coltura iicina alle paret si rafredda prima e poi questo si

sparge in modo più o meno omogeneoo La parte centrale della coltura è quella che si rafredda meno, infatti

si usa un serpentno interno, cioè un tubo iuoto che ha un andamento più o meno curio nel fermentatore

in cui il liquido passa nelle spirali e migliora il rafreddamentoo

In alternatia, la coltura può essere preleiata e fata passare all’interno di un fermentatoreo Viene fata

passare in uno scambiatore a piastre in cui iiene in contato con un liquido refrigerante e poi entra nel

fermentatoreo Lo scambiatore esterno ha qualche rischio in più, perché il prodoto potrebbe ienire in

contato con l’ambiente esterno e quindi inquinarsio

Cosa entra in un fermentatore

 Inoculo, quindi ci deie essere un ingresso di una pre-colturao

 Corretore di pH

 Antschiuma

Di solito sono tutti post sopra la testa del fermentatoreo L’unico che sta soto è l’ingresso dell’ariao

Cosa esce dal fermentatore

 sfato dell’aria

 uscita della colturao

Sistemi di controllo con eletrodi e sonde, per pH, temperatura, schiumaoo altri sono più rafnat, come

sensori per controllare l’ossigeno disciolto e la temperatura nel tempoo Sistemi di regolazione della

temperatura, camicia esterna oppure scambiatore, altriment serpentno internoo

Un fermentatore, tute le iolte che si allestsce un processo, iiene scaricato dal processo precedente, iiene

fato un passaggio con acqua un po’ calda per togliere la parte grossolana, poi si ha il laiaggio iero e

proprio con la sanifcazione e bisogna sterilizzare con il vaporeo Tute le iolte che si riparte bisogna laiare il

fermentatore, inserire il terreno colturale e poi sterilizzare terreno e fermentatore insieme, questo si

chiama sterilizzazione contemporaneao Si può inietare diretamente iapore oppure inserirlo nella camicia

o nel serpentnoo

Si può sterilizzare il fermentatore iuoto e sterilizzare il terreno colturale da un’altra parte e riunirli alla fneo

Questa si chiama sterilizzazione discontnuao Il fermentatore iuoto si sterilizza in meno tempo, però il

trasferimento del terreno colturale dal tempo di sterilizzazione al fermentatore sterile può essere

problematco perché le tubazioni per il trasporto lo possono contaminareo

Colture liquide

Tutti gli organismi unicellulari crescono creando una torbidità all’interno della colturao Quindi si ha un

terreno più o meno limpido e quando si scarica il tuto si airà una coltura torbida con la crescita del MO e

non ho niente che mi faccia dire che una cosa è MO piutosto che un contaminanteo Se un MO ha una

pigmentazione carateristca si ritroiao

La iiscosità non è alterata, quindi si ha un liquido iiscoso che scola iia dalle tubazionio Il problema sorge

quando bisogna usare le mufe e funghio Il MO miceliare non è una strutura defnita, ma ha una strutura

allungata; molte mufe e funghi sporifcano producono delle forme di resistenza che sono più o meno

pigmentateo Cosa fa un MO miceliare quando si inocula in un fermentatoreo Quando l’ifa si allunga può

rompersi per i mot di agitazione che ci sono all’internoo Si iedono quindi, all’interno del fermentatore delle

fbre, che aumentano di numero nel corso della fermentazione se l’ifa si frantumao Se aumenta la iiscosità

iuol dire che l’albero motore fa più fatca a girareo Quando le ife iniziano a esser numerose il sistema pone

atrito e ci iuole più energia per mantenere l’agitazione microbicao Questa strutura è defnita morfologia

dispersa: le ife si frantumano e si ritroiano in pezzi nella colturao L’ifa si siiluppa e si riaiiolge su stessa

formando una strutura caia come una pallina da tennis, formando il PELLETo È un agglomerato di micelio

fungino che non si frantuma ma si riaiiolge formando delle sferete di dimensioni iariabilio La strutura

assume un aspeto in cui ci sono delle sferete che galleggiano in una fase liquidao La formazione di pellet è

desiderata perché la iiscosità della coltura non aumenta (così come quando le ife si disperdono e si

rompono), per cui la coltura si riesce a moiimentare, si ha un buon trasferimento di ossigeno e a fne

processo, quando si scarica la coltura, i pellet sferici corrono nelle tubazioni insieme alla parte liquida,

mentre le ife disperse tendono a formare incrostazioni sulle pareto

Coltura batch

Fermentatore pulito, si inserisce il terreno colturale e l’s inoculo, si fa partre aerazione e agitazioneo Non ci

sono aggiunte durante il processo, non si hanno nemmeno prelieii se non qualche ml per iedere se è tuto

corretoo Si controlla pH, temperatura, al massimo si aggiunge un antschiuma ma niente di troppoo Il

iolume iniziale è pratcamente uguale a quello fnaleo È il processo più semplice da gestre e storicamente

quello che è nato primao

Coltura feed batch

Si riempie il fermentatore ma non si mete il terreno colturale tuto subitoo Si mete il MO, si fa partre il

processo e si attiia un ingresso aggiuntio e contnuo del terreno colturaleo Il MO si comporta

diiersamenteo L’ingresso si chiama FEEDING del terreno colturale, ci si ferma quando si è arriiat al limite di

capacitào Il iolume fnale sarà molto maggiore di quello iniziale, si scarica e si riparteo

Questo sistema si usa quando il MO non può iedere tuto insieme il substrato aggiunto in una iolta sola

all’inizio, quindi si aggiunge poco alla ioltao

Coltura contnua

Sistema nato per ultmo, rafnato e difcile da gestre

Parte come coltura batcho Ad un certo punto, si attiia contemporaneamente uno scarico di coltura e un

carico di terreno colturaleo Si attiia un fusso in uscita e un fusso in ingressoo Quello in uscita è di tuta la

coltura e quello di ingresso solo del terreno colturaleo Il iolume resta uguale ma la situazione cambiao È un

sistema dinamicoo

Linea di prefermentazione

Ogni fermentatore ha una linea di prefermentazioneo Se si inocula un fermentatore da 1000 L con una

proietadi coltura da 8-9-10 mL e aspeto la crescita del MO, in modo tale che consumi tuto il terreno,

passa troppo tempoo Si cerca quindi di inoculare il fermentatore con una certa quanttà di MO, si aumenta il

iolume dell’inoculo e il processo di incremento del iolume del fermentatore si chiama Scale Upo Si parte

sempre da una proieta, poi gli increment di iolume sono di fatore 10o Quando si pensa a un impianto di

fermentazione, bisogna pensare anche a quello che sta a monte del fermentatore grandeo

Processi di produzione di biomasse

Perché portare sul mercato delle biomasse microbicheo

Per la loro composizione, contengono un eleiato quanttatio di proteine alternatie alle solite proteine

che si inseriscono con la dieta, quindi potrebbero sosttuire le font proteiche tradizionalio

Possono essere impiegat sia per l’alimentazione animale che umanao Se si iende nel setore zootecnico,

non si può fare pagare tanto quanto potrei se fosse destnata all’uso umano, perché i mangimi costano

menoo

Le biomasse prodote si possono iendere perché costtuiscono aliment come i funghi, oppure si possono

produrre per la loro attività, ad esempio il lieiito che si compra per otenere un alimento non per direta

indigestoneo

Un’altra applicazione potrebbe essere che si producono ceppi di bateri, poi si inseriscono in una

sospensione di enterogermina liquida, oppure delle capsule leoflizzateo Produrre dei formulat con attività

neutraceutcao

I MO possono entrare nella catena alimentareo

Per produrre una biomassa bisogna produrre un terreno colturale, una condizione di processo e alla fne del

processo deio formulare un prodoto fnitoo

Ci sono delle limitazioni nell’utlizzo delle biomasseo Le biomasse microbiche contengono acidi nucleici in

concentrazione consistente rispeto a carne e pesci, oiiero ad aliment di pari concentrazione proteicao Gli

acidi nucleici, se ingerit, possono accumularsi soto forma di acidi urici e possono creare fenomeni di

accumulo nelle artcolazioni, come la gotao Quindi l’uso degli acidi nucleici deie essere ridotoo

Problemi a cui fare atenzione:

 Formare bene il terreno colturale, sopratuto se ha un destno in ambito umano; non si possono

utlizzare come fonte di carbonio dei residui fossili che possono creare tossicità nella biomassa

ienduta, come le parafneo Si usano quindi melassio

 Biomasse fungine perché contengono concentrazioni di chitna, che non riusciamo a digerire ed è

presente nelle paret dei funghio

 Eientuale possibilità di reazioni allergiche che possono insorgereo

Confronto tra composizione % microbica

I bateri arriiano a una concentrazione proteica dell’80%, rispeto al late (35%) e a qualsiasi altra sostanzao

Gran parte di questo quanttatio proteico riguarda gli acidi nucleici, iniece present in basse quanttà negli

altri aliment, infne è anche interessante il contenuto di sali minerali di queste biomasseo

Processo di produzione della biomassa microbica

Si airà un luogo doie stoccare ogni singolo ingrediente del terreno colturale, quindi font di C,N, sali

minerali, fatori di crescitao Ci sarà una linea dell’acqua doie disciogliere gli ingredient nelle quanttà

necessarieo Si procede con la sterilizzazione del terreno, poi si inocula il MO, e si lascia crescere la biomassa

(meno di 10 ore per i bateri, 15 ore per i lieiit, 1 giorno e mezzo per le mufe)o Alla fne del processo si

spegne, si scarica il fermentatore e si airà una biomassa da separare dalla parte liquidao Bateri e lieiit si

centrifugano, iniece i MO miceliari si fltrano su fltri di diiersa composizione perché con la forza centrifuga

le ife o i pellet non si compatanoo Si buta la parte liquida e si tene la biomassa che si doirà laiare una

iolta per eliminare eientuali component del terreno colturali che si possono ataccare, dopodiché si

traterà la biomassa in funzione di quello che si iuole iendereo

Biomasse da batteri

Sono utli per l’alimentazione animale e per fare qualche integratore, come l’enterogerminao Le biomasse

tpiche ad uso umano sono quelle di bateri lattici e probiotcio

Il terreo colturale ha un pH compreso fra 5 e 7, ed è un pH critco perché è un pH ad alto rischio di

contaminazioneo I bateri sono piccoli, diametro medio 1 micron, per separare i bateri si usano centrifughe

ad eleiate ielocità, quindi un eleiato costo energetcoo

Le biomasse ha un eleiato contenuto proteico e acidi nucleici, taliolta si efetua un tratamento che è una

sosta a 60°C doie iengono attiiate delle ribonucleasi endogene che degradano i ribonucleotdio

Biomasse da lievit

Le biomasse da lieiit crescono ad un pH più acido, 3o5-5o Questo rende la coltura meno inquinabile, più

selettiiao I lieiit hanno un diametro medio di 10 microno L’impianto di centrifugazione costa meno perché

le centrifughe sono meno spinteo Hanno un contenuto proteico maggiore del 50% e un contenuto di

iitamina B molto altoo Infatti uno degli integratori ad uso umano più conosciuto sono le cellule di lieiitoo

Biomasse da mufe o funghi

Le biomasse da mufe o funghi iengono prodote con processi che durano di più perché hanno un processo

di produzione più lungoo Le mufe crescono a tutti i range di pH; per limitare la possibilità di inquinamento si

mantene il terreno colturale a pH acidi per rendere più selettiia la colturao

Inquinant: quando si ha un fermentatore e una coltura liquida, un contaminante può entrareo Se esso

entra:

 non troia le condizioni per crescereo

 Troia le condizioni ideali per lo siiluppoo L’inquinante cresce mangiandosi il substrato che abbiamo

preparato per il MO, consuma il terreno colturale crescendo a scapito del nostro obiettiio e

dobbiamo butare iia tutoo

In alcuni casi, l’inquinante potrebbe gradire l’ambiente ma aiere un tempo di duplicazione più lento del

nostro MOo

Comparazione dell’efficienze di produzione di proteine in funzione della loro origine

Proteine del manzo: si ha un manzo di 450kg che produce circa 450g di nuoie proteine al giornoo

Proteine iegetali, semi di soia: la soia ha una produttiiità che è 36kg di nuoie proteine in una stagioneo

Coltura di lieiit: produce circa 50t di biomassa proteica al giornoo

Quorn: i flament dell’ifa ricordano molto le fbrine della carneo No grassi saturi, 0 colesteroloo Perfeto dal

punto di iista nutrizionalio

In funzione del prodoto fnito che si iuole otenere le fasi fnali a cui la biomassa iiene sotoposta sono

diferento Sono state prodote proteine destnate all’alimentazione animale da biomasse fungine, in

partcolare da una coltura della mufa Fusarium venelatum, prodote in un reatore altro 70 metri e largo 7

del tpo air-lifo La mufa cresce in 2/3 giorni dopodichè iiene separata per fltrazione e assemblata a

formare prodotti alimentario Questo prodoto molto innoiatio si chiama Quorn, non molto difuso in Italia

ma già molto presente in Francia e nel nord-Europao

Lievito per panificazione

Le prime tracce dell’esistenza di un processo di panifcazione risalgono agli albori della ciiiltào Le persone

conseriaiano una parte dell’impasto e lo riutlizzaiano la iolta successiiao Dopo l’aiiento del microscopio

sono stat isolat ceppi di lieiito e per la prima iolta sono stat usat nel setore birrario, il lieiito per la

panifcazione era il residuo della laiorazione della birrao Dato che la birra presenta il luppolo che è

responsabile del gusto amaro anche il pane era amaroo Nel tempo si è deciso di utlizzare il lieiito residuo

della laiorazione dell’etanoloo È alla fne del 1700 che si utlizza lieiito per la panifcazione, il primo fu So

cereiisiaeo

So cereiisiae presenta dal punto di iista biochimico due tpi di metabolismo, un metabolismo respiratio ed

uno fermentatioo Entrambi hanno una radice comune che è la glicolisi, una iia metabolica che porta alla

produzione di 1 ATP e 2 molecole di acido piruiico e, non richiede ossigenoo S. cerevisiae dopo la glicolisi

può intraprendere due iie diferent, in presenta di ossigeno l’acido piruiico iiene legato al coenzima A ed

entra nel ciclo di Krebs, in assenza di ossigeno l’acido piruiico iiene aiiiato alle iie fermentatieo Il ciclo di

Krebs è una iia metabolica che produce molta energia sia in termini di ATP, che in termini di component

che possono essere poi utlizzat per otenere amminoacidi, iitamine, ormoni, etco se il microrganismo dopo

la glicolisi intraprendere queste iie ha molta energia e molt intermedi, in queste condizioni cerevisiae è in

grado di crescere e aumentare noteiolmente la biomassao In assenza di ossigeno il ciclo di Krebs è molto

rallentato, si accumula acido piruiico che iiene trasformato in etanolo e anidride carbonicao Questa

trasformazione non ha una resa energetca quindi il microrganismo in queste condizioni non si siiluppa ma

produce etanolo e CO o Questa seconda iia non rende quanto il ciclo di Krebso

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Facendo crescere le cellule in aerobiosi, in modo che accrescano ielocemente, quando queste iengono

compatate e iendute non possono essere usate perché stmolando le iie aerobiche il microrganismo non è

più in grado di fermentare ed è questa attiiità ad essere responsabile della lieiitazione dell’impastoo Infatti

dalla fermentazione dei lieiit nell’impasto iiene prodota la CO e l’etanoloo La CO è responsabile del

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rigonfamento, in cotura iiene rilasciata e la superfcie del pane acquista la carateristca strutura

alieolata, anche l’etanolo, eiapora durante la cotura del pane, se i microrganismi non sono più in grado di

fermentare l’impasto non può lieiitareo

Il processo di produzione di lieiito da pane è più complicato di quanto doirebbe essere perché è necessario

mantenere efciente il complesso enzimatco di entrambe le iie in modo che l’organismo un po’ cresca e

un po’ fermentao Inoltre, S. cerevisiae è soggeto all’efeto Crabtree per cui se si troia in aerobiosi ma ha

molta fonte di C deiia il suo metabolismo iniziando a fermentareo Quindi esso accresce la sua biomassa solo

se si troia in aerobiosi a basse concentrazioni di substrato, quando la concentrazione di substrato si alza

esso inizia a fermentareo

La produzione di lievito da pane

La produzione di lieiito da pane è un processo multstadio in cui nella linea di pre-fermentazione, doie i

reatori sono più piccoli, il lieiito cresce un po’ e fermenta, si troia in una condizione deta di semi-

aerobiosi fno agli stadi più grandi doie iiene spinta solo la aerobiosi, per aumentare lo siiluppo microbicoo

In quest ultmi stadi è importante tenere la concentrazione del substrato soto i 50 g/l altriment il

metabolismo deiiao Una iolta che il fermentatore più grande ha concluso si ha la parte di scarico del

fermentatore e, di recupero ed isolamento del prodoto fnitoo

So cereiisiae è un lieiito che si riproduce per gemmazione, può portare anche più gemme

contemporaneamente su di sé, ogni iolta che una gemma si stacca rimane sulla cellula progenitrice una

cicatriceo Un lieiito può gemmare anche se non è completamente staccato dalla cellula madreo

Composizione del terreno colturale per fare crescere So cereiisiae:

- Fonte di C: saccarosio proieniente da melasso, è importante che sia sempre miscelato un po’ di

melasso da barbabietola e un po’ da canna da zucchero perché quest’ultmo pur essendo costoso da

importare è ricco di biotnao

- Font di azoto: Sali di ammonio, mentre nitrai e nitrit deiono essere assento

- Element inorganici: fosfato di sodio e solfato di magnesio, quest’ultmo è un cofatore dei primi

enzimi della glicolisi, inserendolo la iia metabolica iiene stmolatao

- Vitamineo

Il melasso iiene miscelato in acqua, poi acidifcato, in questo modo precipitano i tannini, oiiero i compost

che danno al melasso la tpica colorazione brunao Il colore del melasso si trasmete nel terreno colturale

quando iengono recuperate le cellule di lieiito alla fne del processo queste hanno assunto la stessa

colorazioneo Dato che iengono richiest panetti di lieiito di colorazioni neutre che non intacchino il colore

dell’alimento in cui ierranno inserite, le cellule subiscono diiersi laiaggi per eliminare i residui del terreno

colturale, infatti il paneto fnito è color nocciolao

I panettieri ordinano panetti da 0,5 kg che sono quasi bianchi, perché li iogliono neutri dal punto di iista

del coloreo Quando si formula il terreno colturale, esso iiene miscelato e sterilizzato intorno ai 120° e poi

tenuto a 80° perché appare meno iiscoso e più facile da pompare da una zona ad un’altrao

Si passa da uno slant di coltura in solido ad un tr di panetti da consegnare in un giorno e mezzo perché c’è

una linea di amplifcazione della biomassa noteioleo Questa linea preiede un’amplifcazione graduale della

coltura che segue un preciso processoo Dallo slant si passa all’allestmento di una serie di colture liquide di

iolume sempre maggiore con cui si inocula un fermentatore, dal quale si passa ad uno più grande e così iia

fno al fermentatore fnale da 450000lo Nelle fasi iniziali fno a 50000l circa i processi iengono allestt in

parziale semi-anerobiosi, in modo che il lieiito un po’ cresca e un po’ fermenta, gli ultmi stadi sono in

totale aerobiosi, si ha un’aerazione spinta ma, è necessario controllare la concentrazione del substrato, se

iiene inserito tuto ha tempo si ierifca l’efeto Crabtreeo

Il metabolismo di Saccahromyces cereviasiae

È caraterizzato da due tpi di metabolismo: efeto Pasteur e efeto Crabtree

Efetto Pasteur

Se è in assenza di ossigeno consuma la fonte di carbonio con il metabolismo fermentatio, quindi i prodotti

del metabolismo sono etanolo e anidride carbonicao

Efetto Crabtree

In presenza di ossigeno, il metabolismo del MO dipende dalla concentrazione del substratoo

Se la fonte di carbonio è in concentrazioni eleiate, il MO fermentao

Se la fonte di carbonio è limitata, il MO ha un metabolismo di tpo ossidatio con produzione di biomassao

Lo snodo di quest due metabolismi

La fonte di carbonio (glucosio) atraiersa la iia glicolitca e si ottiene l’acido piruiicoo Lo snodo è l’acido

piruiico, che ia a formare etanolo e anidride carbonica, con il metabolismo fermentatio; oppure diienta

Acetl-CoA, entra nel ciclo di Krebs, si formano intermedi metabolici e moltssima energia soto forma di

ATPo In questo modo riesce a duplicare sé stessoo

L’efeto Pasteur dice che dal metabolismo si passa da acido piruiico a etanolo diretamenteo L’efeto

Crabtree dice che queste iie dipendono da quanto carbonio è presente nel terreno colturaleo

Questo snodo non è un interrutore, nel caso dell’efeto Crabtree la concentrazione limite per la fonte di

carbonio è di 50g/Lo Al di soto di questo ialore, il metabolismo è ossidatio e fa biomassa;

dal punto di iista applicatio, quest efetti hanno una grande ricadutao Se si deie fare biomassa, si ha solo

una possibilità, metere aria e quindi ossigeno e fare atenzione alla concentrazione del substratoo

Se si iuole far fermentare Saccharomyces cereiisiae si può metere o in assenza di ossigeno, oppure in

presenza di ossigeno ma con concentrazioni di substrato eleiateo

A liiello industriale non si utlizza l’aerazioneo

Quando si iende il lieiito da pane si trata di iendere biomassa che poi iiene fermentatao Se si producono

cellule solo sfrutando il metabolismo ossidatio si airanno tantssime cellule che una iolta mescolate

all’impasto non sono in grado di fermentareo

Bisogna fare in modo che all’inizio della produzione, il MO un po’cresca e un po’ ferment, in questo modo

le cellule mantengono attiii gli enzimi necessari per fare la fermentazione alcolicao

Saccharomyces cerevisiae in melasso

I primi stadi si fanno in semi-anaerobiosi in modo che il MO un po’cresca e un po’ fermento Se doiessi

analizzare la coltura, troierei sempre un po’ di etanolo disciolto, lo stadio fnale è in un reatore molto

grande doie per mantenere bassa la concentrazione di carbonio, si aggiunge il melasso in feedo

Proieta da 4-5 mLo I primi stadi sono di iolume limitatoo

Il processo è sempre intorno ai 30° C poiché il MO è mesofloo

I primi fermentatori sono attiii per 24 ore, poi si inocula in un fermentatore più grandeo

Nella prima fase c’è una bassa concentrazione di substrato e un po’ di ariao

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Lo stadio cruciale è lo stadio dei 50 m /so Quando la biomassa è inoculata a questo liiello, il fermentatore

parte per le prime 4 ore come i processi precedento Dopo le 4 ore si cambia registro, i forniscono 50o000 L

di aria al minuto e il melasso è inserito in feedo Questo è il punto in cu il MO cessa di fermentare e si

riproduce solamenteo Questa fase dura 15-16 oreo

In questa sotofase aerobica il MO cresce e basta, l’etanolo scende a zero perché non è più prodotoo

Dopo le 15-16 ore, tuta la coltura iiene usata come inoculo di un reatore di 50o000-170o000 Lo Questo iuol

dire che abbiamo inoculato con una concentrazione di cellule molto eleiatao Da qui in aiant tuto in

aerobiosi streta e feeding di melassoo

Il 170o000 L iiene inoculato nel reatore più grande in assoluto, in 500o000 Lo

Nello stadio fnale c’è un totale substrato come saccarosio che è 120 g/L, il pH tende a scendere perché

durante il ciclo di Krebs, il MO produce molt acidi organici e inorganicio Se scendesse troppo il MO sarebbe

compromesso, quindi si usa l’idrato d’ammonio a 4o5o

Un paio d’ore prima che fnisca il tempo necessario, il feeding iiene fermatoo Il MO inizia a utlizzare gli acidi

prodotti, il pH si rialzao Il pH sale, potrebbe dargli fastdio e quindi si tampona con acido solforicoo

Il tempo totale è intorno alle 12 ore del processoo

Resa di fermentazione: 60g di cellule ogni litro di colturao

La resa di coniersione è il rapporto tra il prodoto che ho otenuto in g e il substrato usatoo = 0o5o iuol dire

che il 50% della fonte di carbonio è diientata biomassao

Il fermentatore non si scarica subito, sta due ore in sosta e si alza la temperatura di un paio di gradio Questa

fase si chiama maturazioneo In questa fase un po’ di acqua eiapora, facilitando la concentrazione delle

celluleo In questa fase tute le cellule giungono a maturazione, ed è fondamentale perché stabilizza molto le

performance fermentatieo Si ottiene un prodoto più stabile con le cellule adulte mature con le

component nello stato appropriatoo

Dopo queste due ore di sosta si ha il down stream, doie il prodoto iiene scaricatoo Quando il fermentatore

grande iiene scaricato, la coltura iiene centrifugata per concentrare le cellule, si arriia al 18-20% partendo

da 6%o La coltura molto concentrata si chiama crema di lievitoo

Viene fata passare su un fltro a tamburo rotante, che aspira l’acqua e concentra ancora di più l’acqua per

otenere un prodoto semisolidoo

La concentrazione cellulare arriia al 30%o

Quello che esce dal fltro a tamburo iiene compatato per fare i panetti di lieiito, che contene il 30% di

cellule e il 70% di acquao Rimangono confezionat, in sosta in cella a 0°C due giorni per fare dei controlli

sulla iitalità del lieiitoo

Tipologie di lievito

In alcuni paesi, poco in Italia, qualche azienda iende diretamente la crema di lieiito nei tetrapak ma non è

molto desiderata dai panettieri che preferiscono il lievito compressoo Per i panifci sono format pezzature

più grandi di mezzo chiloo Quest hanno una shelf-life di 1 mese a 4-5°C, dopo ammufsce e non può più

essere utlizzatoo

Lievito essiccato: è lieiito compresso che iiene portato a essiccamento, fno al 5% di acquao La bustna di 7-

8g ha l’equiialente di cellule di un paneto di 25go Può essere conseriato a temperatura ambiente per un

annoo Per i panettieri non ia bene, perché quando si inserisce la bustna in un impasto, prima deie

reidratarsi e per i panettieri ci iuole più tempoo Quindi usano quello in panetoo

Lievito madre: con Sacco cero E bateri lattici e dei lieiit diiersi da Sacco come le candideo Essi fanno la

fermentazione lattica e producono etanolo e acido latticoo Non ha le stesse performance di lieiitazione di

Sacc, ma ci metono anche un giorno a lieiitareo

Lieiito lioflizzato: per uso dietetco, come integratore di fonte di iitamine del gruppo B e di sali mineralio

Il processo di produzione della birra

La birra è la beianda più difusa al mondo dopo il the, le bibite gassate e il lateo

I dat di Assobirra danno un consumo di 30 L pro capiteo Nel 2013 il consumo è iniariato per l’Italia, è 29o2 L;

i maggiori consumatori rimangono la Repubblica Ceca, la Germania e l’Austriao

Dal punto di iista normatio, la birra è il prodoto otenuto dalla fermentazione alcolica di un mosto

preparato da malto di orzo, di frumento o di miscele e fermentato da parte di Saccharomyces cerevisiae o

carlsbergensis e amaricata con il luppoloo La specie carlsbergensis non esiste più, quindi i ceppi di questa

specie sono rientrat nella specie cerevisiae o pastorianuso

Materie prime

Viene prodota a partre da 4 ingredient: lieiito, acqua, orzo o graminacea scelta e luppoloo

I lievit iengono classifcat, oltre che nella specie, anche in lieiit ad alta fermentazione e bassa

fermentazioneo I primi impiegat fra 15° e 23° gradi, quelli a bassa fermentazione tra 8° e 15°Co Il termine

alto e basso non si riferisce solo alla temperatura di laioro ma anche alla localizzazione del lieiito a fne

fermentazioneo I lieiit ad alta fermentazione tendono galleggiare con la schiuma a fne processo, i lieiit a

bassa fermentazione tendono a depositare sul fondo del fermentatore tronco conicoo

L’acqua è per iolumetria l’ingrediente più importanteo Sembra scontata ma è uno degli ingredient

fondamentali, le sue carateristche infuenzano moltssimo il prodoto fnitoo È sotoposta a una serie di

tratament che la rendono più gradeiole e idonea al processoo I birrifci più important sono stabilit in

prossimità di sorgent di acqua che ha carateristche partcolario Chi fa birra in casa tende a sotoialutare la

qualità dell’acquao

Una delle realtà in Italia che sta incrementando sono i micro birrifci di produzione brassicola, sono un po’

oiunqueo Non stanno iicino a sorgent partcolari ma hanno la possibilità di modifcare la composizione

dell’acqua, la depurano in modo tale da rimuoiere i cloruri che interferiscono nella fermentazione del

lieiitoo Il pH deie essere appena soto la neutralitào

Il terzo ingrediente è l’orzo che non è stato il primo cereale usato per la produzione birraria in Europa, ma

essa nasce in Germania con il frumentoo A seguito di una caresta è stato emanato l’edito della purezza che

iietaia l’uso del frumento per la produzione di birra ma per destnarlo all’alimentazione umanao L’edito

della purezza ha fato si che il processo produttiio ienisse modifcato con l’orzoo

L’orzo non può essere impiegato così com’è ma deie essere trasformato in malto d’orzoo

Il quarto ingrediente è il luppolo che è una pianta rampicante perenne; per la birra sono usate solo le

inforescenze femminili che si chiamano conio Contene compost che danno l’aroma e altre che danno

l’amaro, quindi aromatzzant e amaricanto

Esistono molt luppoli, tedeschi, olandesi, americani, belgi, inglesi, irlandesi… non è deto che un luppolo

corrisponda a una birra, di solito se ne usano tre o quatroo

La normatia che riguarda il grado alcolico, preiede che le birre iengano classifcate in 3 categorie:

una birra analcolica che ha il massimo di 1,2% di alcol;

la birra light o leggera ha un contenuto alcolico compreso fra 1o2 e 3o5;

il resto delle birre deiono aiere il 3o5% di etanoloo

Oltre non c’è una normatia, né minimo né massimo nemmeno per quelle a doppio maltoo

Le fasi del processo di produzione della birra sono numeroseo

Processo di produzione

Non tutti gli ingredient iengono miscelat subito, i primi ingredient utlizzat sono il malto dei cereali e

l’acquao Poi il luppolo e infne il lieiitoo

Maltzzazione

Il chicco di orzo non può essere tratato così com’è ma deie essere prima maltzzatoo

L’orzo o il frumento iengono post in iassoi a siiluppo orizzontale, iengono bagnat, il locale è ben aerato,

nel giro di qualche giorno in queste condizioni il cereale germina (esce la plantula)o

Quest cereali sono ricchi di amido (glucosio con legami α 1-4 e α 1-6)o Quando si bagna il cereale si attiiano

degli enzimi che sono present nel chicco e che iniziano a degradare l’amido in compost semplici, quindi

glucosio, o maltosio o comunque piccole catene di amidoo Quando la plantula raggiunge i ¾ della lunghezza

del seme, il processo si arresta perché altriment l’amido iiene degradato tuto per far crescere la piantao

Tostatura

Si ha poi la tostatura del chicco così com’è, essa non inattiia gli enzimi ma li bloccao

La tostatura può essere fata a temperature basse per tempi breii per otenere un malto chiaro birre

chiare

La tostatura a temperature più alte e tempi prolungat ia a formare malto più scuro birre scure

Per il frumento è molto simileo Il malto Pilsner e il malto Monaco sono la base di tute le birre perché sono

malt otenut da orzo con un grande quanttatio di amido ed enzimio Più si aumenta la temperatura e più il

malto caramellizzao

Nei birrifci la parte di maltzzazione non iiene condota, ma ci sono maltfci che si occupano di maltzzare i

cereali e di portarli alla tostaturao Ai birrifci arriiano sacchi di malt diiersi, ben conseriat per non farli

ammufre, e iengono poi impiegat con le ricete corrispondent a seconda della birrao

Quando arriiano i malt ai birrifci si fa la macinazione: i malt iengono macinat per aumentare la superfcie

di contato con l’ingrediente successiio che è l’acquao La macinazione è condota con l’impiego di mulini a

martello, che sono strument con una serie di cilindri che ruotano in senso oppostoo Il malto è calato

dall’alto e frantumato perché i mulini hanno una distanza minore della dimensione del chiccoo Ruotano uno

contro l’altro e frantumano i chicco, la distanza dei mulini iiene regolata per macinare più o meno

fnemente il malto che arriiao

I malt macinat fniscono in una della fasi cruciali del processo che è l’ammostamentoo

Ammostamento

I malt macinat iengono messi in una quanttà di acqua noteiole (100/300 g di farina macinata per ogni

litro di acqua); poi iiene alzata gradualmente la temperatura che raggiunge almeno tre stepo

Si parte da una temperatura ambiente di 20°, si ha un primo innalzamento e mantenimento intorno ai 50°Co

questa sosta faiorisce l’attiiità delle proteasi che sono present nel chiccoo

Le proteasi idrolizzano le proteine present nel chicco e si formano gli amminoacidi e piccoli peptdi, quest

seriiranno al lieiito come fonte di nutrimento; la temperatura iiene innalzata ancora e si ha una sosta a

60° gradi che faiorisce l’attiiità delle β-amilasi che disgregano l’amidoo L’ultma sosta è alla temperatura di

70° per l’azione delle α-amilasio

Al mash out, 78° gradi, iengono degradate le attiiità enzimatcheo La birra più ambrata ha uno stadio di

saccarifcazione che sta fra l’attiiità della beta amilasi e quella dell’alfa amilasio

Curve di analisi dei processi produttivi di una birra chiara e una

ambratao

La birra più ambrata ha uno stadio di saccarifcazione che sta a metà

tra l’attiiità dell’alfa amilasi e della beta amilasio A iolte lo stadio

doppio iiene sosttuto da un’unica sosta lunga a una temperatura

intermediao Le alfa amilasi saranno più lente, le beta amilasi

sofriranno un po’ perché è una temperatura superiore al loro

optmumo In quella ambrata il protein rest a 50°C non c’èo

Ammostamento: o c’è una resistenza che scalda tuta la miscela e quindi la porta ad alte temperatura,

oppure si opera tramite un metodo di decozione doie si scaldano delle aliquote della miscela ad interialli

regolari e si re-immetono nella miscelao

La miscela sarà torbida perché gli enzimi liberano gli zuccheri fermentescibili nella fase acquosa e i frustoli

dei chicchi, quindi la miscela ia ftratao

Il tmo di ammostamento di solito ha nella parte bassa una griglia, e quando si scarica dopo il mash out, si

formano le trebbie che sono i residui l’ammostamento dei malt che deiono essere separato In questa fase,

le trebbie rimangono umide e possono tratenere degli zuccheri fermentescibili che altriment andrebbero

persi nel caso ienissero lasciat lìo

Si efetua quindi uno spargingo Fisicamente si prende la canna dell’acqua e si laiano le trebbie, si riscarica

in modo da recuperare il più possibile gli zuccheri che possono essere tratenut in fase di fltrazioneo

Le aliquote in più di acqua e zuccheri che si sono liberate ianno a costtuire il mosto di birra che iiene

sotoposto a coturao Viene portato all’ebollizione (solo adesso si ha l’ebollizione, non prima)) nei tni di

coturao In questa fase iiene aggiunto il luppoloo

Il luppolo non iiene inserito tuto subito ma in più iolteo Più il luppolo iiene fato bollire e più iengono

rilasciate sostanze amareo Il luppolo inserito in bollitura è quello che fornisce l’amaro alla birra perché la

bollitura comporta l’isomerizzazione degli alfa acidio Quelli aggiunt alla fne della bollitura conferiscono

l’aromao La bollitura dura circa 75 minut, e l’aggiunta dei luppoli si calcola facendo un count down, partono

dal 75esimo minuto dall’inizio della bolliturao Quando mancano 30 minut fanno un secondo shot dello

stesso luppoloo Dai 10 fno alla fne iengono aggiunt tre shot di un altro luppoloo

Queste tpologie di luppolo a queste tempistche danno una nota amara molto diferenteo L’unità IBU sta

per Internatonal Biterness Unitso Più è alto l’IBU e più una birra è amarao

Bollitura

Il mosto iiene sterilizzato e concentrato; poi si ha l’inattiiazione degli enzimi present nel malto e che

hanno laiorato nella fase di ammostamentoo Se si sterilizza i MO present muoiono, poi il mosto bolle e una

parte dell’acqua eiapora soto forma di iapore concentrando il mostoo

Le proteine e i compost polifenolici present nel mosto e nel chicco precipitanoo Si ha una parte di

caramellizzazione degli zuccheri con reazioni di Maillard e quindi il mosto acquista coloreo I deposit che

deiono essere allontanat si chiamano trub a caldo; depositano anche i residui del luppolo che ianno

allontanato La bollitura si fa in tni di acciaio con uno sfato, dopodiché bisogna separare i residui nel

Whirlpool che è una centrifugao Lo strumento sta fermo e il liquido girao

Il mosto è alimentato in modo che si formi un moiimento circolare nel serbatoio che faiorisce il deposito

del trub a caldo nella parte centrale (enzimi, residui del luppolo, proteine, polifenoli), si scaricano e il mosto

è illimpidito pronto per l’inoculo del lieiitoo

L’inoculo aiiiene dopo rafreddamento del mosto alla temperatura di fermentazione in base al fato se è

alta o bassao

Generalmente cerevisiae si usa per le fermentazioni alte e il pastorianus per le basseo

Il lieiito recupera gli zuccheri fermentescibili e produce etanolo e anidride carbonicao

Prima dell’inoculo si dice che il mosto iiene ossigenato; entra nel tno di fermentazione e iiene insufflata o

aria o ossigenoo L’ossigeno serie perché all’inizio si iuole che il lieiito un pochino cresca, il lieiito si

riproduce per una generazione, l’attiiità ossidatia poi si ferma e parte la fermentazione iera e propriao

Siamo a temperature intorno a 10° o 20° C quindi l’attiiità fermentatia del lieiito deie durare qualche

giorno, per produrre gli aromi interessant dal punto di iista organoletticoo Ci sta per 7/8 giorni, quindi la

fermentazione per fare una birra dura circa una settimana, si chiama fermentazione primariao

Fermentazione secondaria

La birra appena fermentata iiene trasferita nei maturatori per la fermentazione secondaria che può durare

dai 10 ai 20 giorni per un afnamento dell’aromao Essa iiene condota a temperature intorno agli 0-2° C se

si parla di bassa fermentazione; sia arriia intorno ai 7-10°C si è utlizzato un lieiito ad alta fermentazioneo

Quelli a bassa fermentazione i a fne processo sedimentano sul fondo quindi il fermentatore ideale ha una

base tronco conicao I reatori per la fermentazione alta sono simili a grandi iasche doie poi si recupera la

schiumao Il lieiito può essere riutlizzato e si può usare per una produzione successiiao Nelle grandi aziende

si fa mentre nei micro birrifci è più difcile da gestre, infatti si preferisce ripartre da un nuoio lieiitoo

Di solito nei grossi birrifci, la birra iiene fltrata prima dell’imbottigliamento per eliminare il lieiitoo

Confezionamento

Il confezionamento può essere in bottiglie, lattine o fust di alluminioo Nel corso di questo processo è

fondamentale che la birra non ienga a contato con l’aria, poiché l’ossigeno esercita efetti negatii sulla

qualità della birrao Poiché nella pratca è impossibile la totale eliminazione dell’ossigeno, l’obiettiio è quello

di minimizzare la dissoluzione nella birra durante questa operazione; ialori compresi fra 0,02 e 0,04 mg

ossigeno/L di birra sono indice di un processo controllato in modo ottimaleo Inoltre è necessario regolare la

pressione in modo tale che l’anidride carbonica solubilizzata non sia liberatao Il riempimento delle bottiglie

aiiiene in condizioni isobare per eiitare che la birra schiumi durante il confezionamentoo

Può essere pastorizzata sfusa oppure prima nel contenitore e poi pastorizzatao

Insieme all’etanolo iiene prodota anidride carbonica che iiene stoccata in serbatoi soto pressione, poi

iiene reimmessa in fase di imbottigliamento per dare la frizzantezza della birrao

Alternatve in voga tra chi fa birra artgianale

La prima tecnica si chiama Dry Hopping, il luppolamento a seccoo È l’aggiunta di luppolo dopo la bolliturao

Apporta le sostanze aromatche del luppolo ma non l’amaroo

Nei micro birrifci, quasi sempre non c’è il serbatoio per il recupero dell’anidride carbonica, quindi iiene

sfatata ogni tantoo La frizzantezza è quindi otenuta dall’aggiunta di lieiito e di saccarosio per intrappolare

l’anidride carbonica, il lieiito poi si depositerà sul fondoo


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze e tecnologie alimentari
SSD:
Università: Milano - Unimi
A.A.: 2017-2018

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher _chiara96 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Microbiologia industriale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano - Unimi o del prof Rollini Manuela.

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