Microbiologia industriale

Microbiologia industriale

Lo scopo della microbiologia industriale è quello di sfrutare i MO per produrre “cose” di interesse

alimentare, in modo positioo

Cenni storici

Quando l’uomo ha iniziato a produrre aliment iniziata la microbiologia alimentare e la biotecnologiao

Quando ieniiano preparat gli impast, una porzione di quest ieniia conseriata come impasto madreo

I MO che c’erano all’epoca erano sconosciut e il loro utlizzo era inconsapeioleo Dalla nascita del

microscopio, la microbiologia è cambiata perché si è riuscit a iedere che ad esempio un MO daia

fermentazione, dal 1600o

Come si fa partre da un MO e otenere sempre quel prodotoo Da qui nasce la microbiologia industrialeo La

prima tappa risale al 1781 doie in Olanda si è utlizzato il lieiito da pane, mentre prima si utlizzaia il lieiito

da birrao Da qui le tappe si sono raiiicinateo Al secolo dopo risale la prima produzione industriale di acido

latticoo Tra la prima e la seconda Guerra Mondiale, c’è stata la scoperta della penicillina che ha consentto

agli americani di iincere la seconda Guerra Mondiale poiché era un farmaco in grado d guarire i soldat così

da poter iiiere più a lungoo Dal dopo-guerra si ha la prima descrizione del DNA, da cui nascerà poi la

tecnologia del DNA ricombinanteo

Biotecnologia: applicazione deliberata e controllata di agent biologici semplici (non uomo o animale) come

cellule microbiche, animali o iegetali, iiie o morte, o component cellulari in operazioni tecnologiche utli,

per la produzione di BENI e SERVIZIo La biotecnologia non è la manipolazione del DNA, è improprio poiché

non è un fatore discriminante per defnire un processo microbiologico o menoo

BENI → biomasse microbiche per nutrizione animale e umana, come:

• commodites chimiche (acido citrico (beiande, caramelle), acido glutammico (dadi da brodo), alcuni

aminoacidi)

• specialità (antbiotci prodotti per iia microbica, iitamine)

• probiotci e iaccini

• starters, enzimi (agent chiaie della moderna tecnologia alimentare, chimosina che funziona come il

caglio proteasi da Bacillus nei iaccini, biomasse da metere nei ferment lattici)

• inoculant del suolo (azoto fssatori) e delle piante (lota biologica)o

SERVIZI → tratamento di rifut liquidi e solidi

• ialorizzazione di residui agro - industriali

• diagnostca mirata (antcorpi monoclonali) e terapia mirata (antcorpi monoclonali come carriers di

farmaci)

I moderni impiant di depurazione si basano sul contato di una popolazione microbica che utlizza come

substrato le molecole present nell’acqua che iiene depuratao

I MO possono dare un ialore aggiunto a uno scartoo

Fermentazione

Processo in assenza di O o Si usa anche in senso lato ossia un processo in cui si usano MO sia con O che

2 2

senza O o

2

Equazione semplifcata di un processo biotecnologico: X + S P



S: substrato o terreno di coltura; X: MO o cellule microbiche; a dare (STEP FERMENTATIVO) P: prodoto,

quello che si iende)o

Cosa si può iendereo Cellule, metabolit primari e secondario

I MO per fare il processo industriale si prendono dalle colture in cui ce ne sono molto I MO ricombinant

hanno subito una manipolazione genetca, hanno il DNA modifcatoo

GRAS: Generally Recognized As Safe, sono certfcat e si sa per certo che non producono tossine e non sono

patogenio Esistono conienzioni ufciali di MO he si occupano di catalogare e mantenere il mondo

microbicoo

X: MICRORGANISMO che può essere isolato da un ambiente naturaleo

S: SUBSTRATOo È essenziale per un processo biotecnologicoo Se si sbaglia a scegliere gli ingredient colturali,

l’azienda può fallire, costtuisce il 40% del costo industrialeo A liiello industriale non è possibile usare gli

ingredient di laboratorio che usiamo noi, ma residui del setore agro-alimentareo Per substrato si intende la

fonte di carbonio, iitamine e mineralio

Dall’accoppiata MO - substrato, dipende l’intero processo fermentatio, è fondamentale scegliere

ingredient che al MO piacciono e che siano economicio Ottica legata al mondo produttiioo Di solito si parla

di materie prime grezze, residui del setore agroalimentareo Bisogna iedere se sono disponibili lungo l’arco

dell’annoo Deie essere sterilizzabile, controllo della schiumao I terreni colturali deiono essere aerat e

quindi con formazione di schiuma potenteo Deiono essere eiitat prodotti secondari, oiiero che non

serionoo

P: PRODOTTO

Il prodoto di un processo microbiologico sono: MO stesso oppure qualcosa che lui produceo Oppure può

essere il prodoto fnale che diienta un tut’uno tra il MO e la materia prima di partenzao I compost che il

MO produce sono classifcat in due grandi categorie: METABOLITI PRIMARI E METABOLITI SECONDARIo

Una cellula è un’enttà singola mentre quello che la cellula produce è una molecolao

I metabolit primari sono quelli che la cellula produce sempre e produrrà sempre quando cresce, quindi

quando si siiluppao Esempio un baterio lattico produce come metabolita primario, l’acido latticoo

Sono metabolit secondari i compost che iengono prodotti nella fase stazionaria di siiluppo della cellulao

Grafco: curia di siiluppo primarioo Al tempo zero si ha il MO

appena inoculato nel fermentatore, il MO si adata all’ambiente

circostante → fase di latenzao Poi la crescita accelera, raggiunge la

ielocità specifca massima in cui cresce molto in poco tempoo Poi

qualcosa nel terreno inizia a mancare e lo siiluppo rallenta fno

alla fase stazionariao I metabolit primari si accumulano tanto nella

fase esponenziale, il MO cresce tanto e accumula tanto acido

latticoo

I metabolit secondari iengono prodotti in fase stazionariao

Nel primo caso, per produrre il metabolita primario, il processo si ferma alla fne della fase esponenziale,

non si prolunga il processo perché anche se si prolungano i tempi non si produce più acido lattico di quello

che si deie produrreo

Nel secondo caso bisogna aspetare di più perché deie arriiare in fase stazionariao Il processo produttiio

durerà di più rispeto al processo che si usa per produrre un metabolita primarioo L’acido lattico si fa in 2

giorni a liiello industriale, mentre l’antbiotco in 10/15 giornio

Che cosa si produce?

Biomasse oiiero MO come lieiito da pane, probiotci, funghio Le biomasse sono un prodoto fondamentale

e possono essere classifcate in biomasse prodote per il loro CONTENUTO oppure per la loro ATTIVITÀo

I funghi, le biomasse per la dietetca (pubblicità di capsule che contengono cellule di un Saccharomyces),

alghe, biomasse preparate e aggiunte per aumentare il ialore nutrizionale di un alimentoo Le biomasse si

possono usare così come sono oppure si possono lisare prima di confezionarle e farne il preparatoo Oppure

si possono produrre biomasse che seriono per la panifcazioneo Si producono cellule di lieiito da pane che

si impiegano impastate a farina, acqua e sale che fermentano nell’impastoo Poi ci sono le colture insetticide

e i ferment lattici, quest ultmi possono essere utlizzat per la preparazione del formaggioo

I metabolit primari iengono prodotti come il risultato del catabolismo della fonte di carbonioo Es: glucosio

al baterio lattico da cui si ottiene l’acido piruiico e poi quello lattico, che iiene riiersato nel terreno

colturale dalle celluleo A fne processo si tolgono le cellule che non seriono e si purifca l’acido latticoo Sono

prodotti fnali o intermedi del metabolismoo L’acido citrico non è un metabolita fnale, è un intermedio del

ciclo di Krebs, sta nel mezzo e non iiene accumulato spontaneamenteo Per accumularlo bisogna bloccare

l’enzima che sta dopo l’acido citricoo Alcuni esempi di metabolit primari prodotti da MO:

acidi organici, aa e loro intermedi (acido glutammico dei dadi da brodo perché è la molecola che dà

l’aroma); alcoli (il bioetanolo è prodoto da lieiit), polialcoli, carboidrat, iitamine, nucleotdi ed acidi

nucleici, lipidi, proteine…

I metabolit secondari, che sono anche conosciut come prodotti di biosintesi, sono i più diiersi compost

che esistono, per molt di essi non si è ancora capito perché il MO inizi ad accumularlio Possono aiere un

ruolo metabolico ben defnito, ma taliolta il ruolo è secondario o non precisabileo I funghi, le mufe e gli

actnomicet sono dei grandi produtori di metabolit secondario Hanno uno scheletro chimico molto

complesso che ha delle part riconducibili a qualche molecola che fa parte del metabolismo primarioo

Prodotti complessi

Sono prodotti in cui il substrato che iiene fornito a un MO iiene trasformato e ingloba il MO stesso, per cui

alla fne del processo non si riesce a separare il metabolita primario e il substratoo I tpici sono: tutti i tpi di

late fermentatoo Le conserie alimentari sono generalmente iegetali o di origine animali come i salumio Le

oliie contengono una sostanza che ha un aroma molto amaro e deie essere eliminatao Le oliie sono

commestbili solo perché sono state sotoposte a una processo fermentatio, poi ci sono i craut e i

formaggi insilato Un altro tpo sono le macerazioni della fbre tessili, ad esempio la slaiatura del colore dei

jeanso Contenuto dei rifut urbani doie ci sono tant MOo

Ci sono prodotti che iengono otenut da MO che portano su di sé delle modifche del codice genetco e

sono otenibili da MO ricombinant, come ribofaiina prodota da un ceppo di Bacillus, dal punto di iista

alimentare si ha la produzione di alfa amilasi; chimosina (caglio microbico, enzima che fa precipitare le

proteina del late); insulina, ormoni della crescita…

VEDERE TABELLA GRANDE “principali generi di funghi flamentosi”

Con le alghe si fanno biomasse che sono integratori alimentari, complessi iitamici, e si produce anche il

bioetanoloo

Quanto si ottiene da un processo microbiologicoo

Tutti i processi, quasi tutti, deiono essere classifcat in base a quanto si ottieneo Ci sono due termini

fondamentali per indicare le forme di resao

Resa di conversione: esprime il rapporto tra il prodoto formato, in grammi, e il substrato consumato, in

grammio Se si ha una resa dello 0,5 o 50% la metà del substrato consumato è andata a fare prodotoo

Se si hanno 100g di fonte di C e si otengono 50g di prodoto: = 50/100= 0,5 =50%

Nell’acido lattico di solito se si inseriscono 100g di glucosio si otengono 90g di acido latticoo La resa è

=90/100=0,9 o 90%o È un numero adimensionale, esprime quanto il MO conierte efcacemente il

substrato nel prodoto, ia da 0 a 1o 0 iuol dire che non c’è prodotoo =1 o 100% iuol dire che tuto il

substrato ia a formare i prodoto di interesseo

Resa di fermentazione: esprime i grammi di prodoto per ogni litro di coltura liquidao È un dato più

impiantstcoo Il nostro datore di laioro sarà interessato a sapere quant grammi di prodoto ci sono da

iendere nel fermentatore da 100Lo la resa di fermentazione è il dato più interessante dal punto di iista

economicoo

Per le biomasse, di solito, è dell’ordine dello 0,5o La resa di fermentazione iaria di 20-40 grammi per litroo

Un’eccezione è la formazione di lieiito da pane, si arriia a 60g/L perché è un processo studiato nei detaglio

Per i prodotti complessi non si riesce a superare la biomassa dal substrato, quindi non si calcolano per i

prodotti complessi, solo per i metabolit primari e alcuni secondario

Composizione dei terreni colturali

Incide fno al 40% del costo totale del processo produttiio, si scelgono ingredient che fanno crescere il MO

al meglio, fare in modo che abbia gli ATP necessari per poi produrre le molecole che seriono a noio Il

terreno colturale deie sempre contenere: una fonte di carbonio, una fonte di azoto, dei sali inorganici

(solfato di magnesio perché è un cofatore di molt enzimi delle iie degradatie; solfato di manganese e

zinco e rame per alcuni terreni); fonte di iitamine che aiutano il MO e si chiamano fatori di crescita, e dei

precursorio I terreni possono essere suddiiisi in terreni SINTETICI e COMPLESSIo

Terreni sintetci: costtuit da materie pure (glucosio, maltosiooo) Sono impiegat a liiello di laboratorio, sono

costosi però hanno il iantaggio di essere di facile standardizzazione, oiiero molto ripetbilio Forniscono rese

di coniersione fermentazione limitate, sia nel caso delle biomasse che a liiello di metabolito Purifcazione

dei prodotti facileo Scarso siiluppo cellulareo

Terreni complessi: usat a liiello industriale e costtuite da materie prime grezzeo La fonte di carbonio può

essere il melasso che è un residuo del processo di produzione del saccarosioo Sono terreni che possono

essere usat su larga scalao Quando abbiamo a che fare con un residuo diierso, si compone un terreno

colturale diiersoo È più difcile la standardizzazione, di solito si prendono quest ingredient da fornitori

diiersi, si mescolano e si usa il mix (ialore medio di contenuto rispeto ai component inserit)o Sono più

economici, perché si prendono gli scarto Forniscono crescita microbica e compost di interesse maggiore

rispeto ai terreni sintetci perché forniscono sostanze utli allo siiluppo e alle attiiità del MOo La

formazione di schiuma è automatca, quindi si deie controllareo La purifcazione è più complessa rispeto al

terreno sintetco ma lo siiluppo cellulare è maggioreo

Nella scelta di un ingrediente di impiego in un terreno industriale si deie riuscire a troiare la massima resa

di coniersione oiiero un substrato adato che fornisca il prodoto, poi si ha la massima resa di

fermentazione e la massima ielocità di formazione del prodotoo Il tempo è denaro in un’aziendao

È necessario rifornirsi sempre degli ingredient freschio

La fonte di carbonio è il terreno più importante: i MO usano la fonte di carbonio per produrre energia e la

utlizzano per produrre il resto delle sostanzeo Ha il peso maggiore nel terreno colturale, è quella presente

in maggiore concentrazione e quindi incide di più sul costo del terrenoo

Ci sono font rinnovabili e font non rinnovabilio Quelle rinnoiabili sono di origine naturale, che deriiano

dal mondo iegetale e animaleo Le font non rinnoiabili sono quelle di origine fossile, petrolchimica che sono

deriiat o sotoprodotti dell’industria di laiorazione del petrolio; o alcoli a catena cortao

Un’altra classifcazione delle font di carbonio è: forme pure o forme grezze, oppure in forme carboidratche

come disaccaridi o polisaccaridi oppure non carboidratche come gli oliio

FONTI DI CARBONIO CARBOIDRATICHE

Si possono suddiiidere in font pure e font grezzeo

Font pure: contengono preialentemente uno zucchero e poche altre coseo Possono essere monosaccaridi

come sciroppi di glucosio, prodotti dall’idrolisi dell’amido di mais; saccarosio e latosio come disaccaridi

(saccarosio come dimero di glucosio e frutosio, mentre il latosio di glucosio e galatosio);

oligosaccaridi come le maltodestrine che sono le ramifcazioni della catena dell’amido;

polisaccaridi come amido e cellulosao

Font grezze: più utlizzate e meno costoseo Quello più utlizzato è il melasso che può essere da barbabietola

da zucchero o canna da zuccheroo Poi c’è il corn molasse, il lisciiio solftco, l’orzo maltzzato, il siero di late,

e i residui cellulosicio

Melassi

Sotoprodoto dell’industria saccarifera, quello che residua da un’azienda che produce saccarosioo Il

saccarosio, comune zucchero, si può estrarre da due font iegetali diierse: la barbabietola da zucchero e la

canna da zuccheroo Sono molto diiersi: la prima è un tubero tpo patata o carota, il saccarosio è quasi

totalmente localizzato nel tubero; la canna da zucchero è un arbusto e il saccarosio è concentrato nel fustoo

La distribuzione delle coltiazioni e quindi la disponibilità dei melassi sono geografcamente molto diierseo

La barbabietola è frequente in Europa (zona mediterranea), USA, Russia, Ucrainao Le canne da zucchero

sono frequent in: Brasile, India, Cina, Messico, Australia, Thailandiao

Come si ottiene il melassoo Il saccarosio deie essere estratoo Bisogna tagliare a striscioline la barbabietola

o la canna per aumentare la superfcie di estrazione, si metono a bagno in acqua e il saccarosio passa in

soluzioneo Alla fne si airà una fase solida rappresentata dal materiale iegetale, e un liquido brunastro che

contene lo zucchero e altri component come le iitamine, i sali minerali, pietrisco non laiatoo La fase

liquida iiene separata dalle impuritào Il concentrato di saccarosio iiene eiaporato e ne risulta un liquido

iiscoso molto concentrato da cui si cristallizza il saccarosioo Quando arriia il melasso al 50% di saccarosio

non è più conieniente recuperarloo Il melasso si presenta come un liquido marrone scuro molto iiscoso che

contene ancora il 50% di saccarosio che non coniiene più cristallizzare perché sarebbe troppo sporcoo Il

melasso di canna da zucchero contene il 30-35% di saccarosio, contene una parte importante di zucchero

iniertto, che può arriiare al 50% (miscela di component del saccarosio singoli, cioè glucosio e frutosio,

20%)o I due melassi contengono il 20% di azoto (proteine iegetali), iitamine come la BIOTINA, iitamina del

gruppo B di cui il melasso di canna è molto ricco rispeto a quello di barbabietolao La biotna è molto utle

per il metabolismo microbico, per cui se si fornisce diretamente con un ingrediente non si deie spendere

per comprarla singola e aggiungerlao È una carateristca fondamentale del melasso di canna da zucchero,

infatti le industrie se lo fanno sempre spedire perché molto ricco di iitamineo

Il termine melasso indica un sotoprodoto di un processo di cristallizzazione del saccarosio ma può essere

inteso anche come residuo dell’otenimento di uno zuccheroo

Il corn molasse è quello che rimane dopo il processo di produzione del glucosio dall’amido di maiso Il mais

iiene tagliato a fetucce ed estrato per otenere l’amido che subisce un processo di idrolisi e ne residua il

corn molasse che contene il 50% di glucosioo Rispeto ai melassi precedent ha un ele