Microbiologia Industriale con quesiti esame

Microbiologia Alimentare e

Industriale

Unità didattica 2, Microbiologia INDUSTRIALE

Con DOMANDE D’ESAME

Rollini

Prof. Manuela Silvia

Corso di Laurea in Scienze e Tecnologie Alimentari (G29)

Facoltà di Agraria - Università degli Studi di Milano

Microbiologia Industriale_Prof.ssa Manuela Rollini

Biotecnologie classiche

Hanno radici antichissime. Il settore alimentare è uno dei campi di applicazione più vasto e più

remoto.

Si occupa dell’elaborazione spontanea di materia prima alimentare di microrganismi ambientali.

Solo con la comparsa del microscopio si è capito quale fosse l’agente responsabili di tali fenomeni,

quindi il loro uso è diventato libero e si è passati ad una trasformazione pilotata e controllata.

Microbiologia industriale

Trasformazione e/o applicazione di agenti specifici per specifiche esigenze di processo.

Primo processo industriale:

1781: Produzione di lievito da pane (Olanda). S. Cerevisiae

1881: Lavoro su acido lattico (batteri lattici)

1928-29: Penicillina

1972-73: Tecnologie DNA ricombinante

Biotecnologie microbiche

Trovano applicazione nella microbiologia industriale.

Si configura come: applicazione deliberata e controllata di agenti biologici semplici, cellule

microbiche, vegetali e animali vive e morte, componenti cellulari in operazioni tecnologiche utili.

Sono usate nella produzione di:

BENI (cose) SERVIZI

• Biomasse microbiche per nutrizione umana o • Trattamento di rifiuti liquidi e solidi

animale • Diagnostica mirata (anticorpi) e terapie mirate

• Commodities microbiche (ac. Citrico, ...) • Valorizzazioni agro-industriali

• Sopecialità (antibiotici, vitamine B ) [SOIA: dall’estrazione dell’olio, il residuo

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• Starters, enzimi, muffe, ... polverizzato e fornito ai microrganismi può

• Probiotici e vaccini portare a prodotti farmaceutici

(anticolesteroleici)]

Fermentazione

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

2

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 in forma semplificata di un processo biotecnologico

Ingegneria di

processo

S X P

----------->

+

(substrato) (cellule microbiche) (prodotto)

Fermentazione

+ Recupero

X: microrganismo

La fermentazione + Recupero è la parte più importante nella tecnologia alimentare in quanto

comprende, appunto, la fermentazione e il recupero del processo in corso.

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Fermentazioni tradizionali: vengono preparate mediante l’uso di popolazioni miste (presente nella

materia prima o in ambienti particolari). coltura pura

Sviluppo di processi su larga scala: si basa sull’impiego di una a seguito

dell’individuazione e isolamento dei responsabili dei processi microbiologici.

Sono ottenute dalle COLLEZIONI UFFICIALI, che sono delle

istituzioni che costituiscono un punto d’interesse in quanto isolano i

microrganismi. Sono fonte di microrganismi di interesse passato,

presente e futuro.

Il loro compito istituzionale è quello di mantenere i ceppi esistenti,

raccoglierne di nuovi, distribuire su richiesta le colture pure. (Il costo

delle colture pure varia a seconda dello scopo a cui serve.)

Nel settore alimentare vengono usati dei microrganismi che rientrano nella classificazione GRAS

(generally recognized as safe), sono sicuri e non sono stati riportati come portatori di patologie in

uomo o animale.

S: substrato

Sono gli ingredienti che vengono scelti per far crescere il nostro microrganismo (x). Svolge un ruolo

fondamentale nello sviluppo di un processo fermentativo in funzione del tipo di microrganismo e di

prodotto.

In funzione dell’accoppiata microrganismo-substrato, determino la riuscita del processo, ma anche

l’economicità del processo intero. Bisogna quindi scegliere dei prodotti che abbiano un costo

ragionevole, ma che mi garantiscano la riuscita del processo e l’ottenimento del prodotto.

I substrati impiegati su larga scala sono materie prime grezze, costituite da residui agro.industriali o

surplus agricoli.

Fattori da considerare nella scelta del substrato

• COSTO, devono essere economici, e la DISPONIBILITÀ, bisogna valutare se è o meno

disponibile durante l’anno;

• FACILITÀ di TRASPORTO e di STOCCAGGIO;

• Deve essere STERILIZZABILE, quando devo far crescere il microrganismo devo farlo crescere in

solitudine, senza rischi di crescita di altre cose diverse dal mio microrganismo;

• ININFLUENTE nei riflessi delle variabili di fermentazione (aerazione, agitazione, schiuma, ...);

• Ottenimento di ALTE RESE si conversione e fermentazione;

• MINIMA FORMAZIONE di prodotti secondari;

• ASSENZA di problemi di tipo igienico-sanitario (tossicità) o di sicurezza.

P: prodotto

Il prodotto può essere:

• Cellule microbiche;

• Metaboliti primari (ac. Lattico)

• Metaboliti secondari (antibiotici) vengono prodotti alla fine dello sviluppo microbico (nella fase

stazionari)

• Enzimi

• Prodotti di biotrasformazione

Il prodotto che ottengo può avere un ruolo importante nel mercato solo se il processo con cui lo

ottengo è efficiente. Non è possibile non considerare quello già presente sul mercato. È quindi

necessario fare una ricerca di mercato per valutare ciò che il mercato già offre.

Economicità: influenzata dalla resa associata alla procedura di isolamento e purificazione in

relazione al valore del prodotto.

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Ruolo dei singoli metaboliti nei confronti della cellula

essenziali

Metaboliti primari: sono quelli per la vita e la riproduzione della cellula

non essenziali

Metaboliti secondari: per la vita cellulare (non è chiaro come mai un metabolita

secondario venga prodotto).

I prodotti della microbiologia industriale

Per differenziare le biomasse microbiche abbiamo due gruppi:

• In funzione del CONTENUTO:

- Funghi superiori commestibili

IMPIEGO - Biomasse per dietetica

INTEGRALE - Alghe

- Biomasse proteiche per mangimi

- Lisati di lieviti

- Estratti proteici-vitaminici

IMPIEGO PER - Lipidi

ESTRAZIONE - Enzimi

- RNA e derivati

• In funzione dell'ATTIVITÀ: - Lieviti per panificazione - Vaccini

SUBSTARTI o - Starters - Colture per fanghi attivi

AMBIENTI - Fermenti lattici - Colture insetticide (sparse sulle piante

COMPLESSI - Colture azotofissatrici hanno funzione insetticida per alcuni insetti)

MOLECOLE - Biomasse impiegabili in biotrasformazioni

PARTICOLARI

Metaboliti primari

Metaboliti di degradazione isolabili, prodotti finali o intermedi del metabolismo energetico

(fermentativo o ossidativo).

Riversati nel terreno colturale, ove si accumulano e da cui vengono estratti.

Derivano dalla degradazione del substrato fonte di carbonio ed energia presente in elevata

concentrazione.

- Acidi organici (lattico, - Vitamine

butirrico, ...) - Nucleotidi e acidi nucleici

- AA e loro intermedi (ac. - Lipidi

Glutammico, ...) - Proteine

- Alcoli (etanolo) - ...

- Polialcoli (glicerolo, ...)

- Carboidrati

Metaboliti secondari

Non sono fatti per la sopravvivenza cellulare, ma ad un certo punto inizia il loro accumulo. Sono

anche conosciuti come prodotti di biosintesi.

Possono avere un ruolo metabolico definito (o comunque individuabile).

I metaboliti secondari vengono generalmente prodotti a partire da quelli primari o loro intermedi,

che fungono quindi da precursori.

Esempio: acetato che non entra nel ciclo di Krebs, può dare origine a terpeni (limonene, ...) oppure

a steroidi (hanno funzione farmaceutiche).

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Prodotti complessi

Entrano in larga misura nel settore alimentare.

Sono quei prodotti dove inserisco il microrganismo nel substrato e ottengo un prodotto nuovo

dove non ha la separazione tra substrato e metabolita --> ho quindi un intero, un prodotto non

isolabile. - Bevande alcoliche, birra

PREPARAZIONI - Tipi di latte fermentato

ALIMENTARI - Prodotti caseari

- Prodotti orientali fermentati

- Vegetali fermentati (olive, ...)

CONSERVAZIONI - Foraggi, insilati

ALIEMNTARI - Stagionatura di carni insaccate

LAVORAZIONI - Macerazioni di fibre tessili

DIVERESE - Trattamento dei rifiuti liquidi e solidi

Prodotti da DNA ricombinante

Sono di difficile classificazione in relazione alla eterogenicità.

Le diverse forme di resa

Per capire se un prodotto sia efficiente, ci sono due parametri:

• RESA DI CONVERSIONE (Y): rapporto tra prodotto formato nel processo fermentativo e

substrato che si consuma. È un numero adimensionale in quanto è un rapporto gr/gr e varia tra

valori di 0 e poco sopra 1. Se tutto il substrato si consuma dà 100% di prodotto il rapporto è 1.

Se il substrato non dà prodotto Y=0/n°=0, di conseguenza con Y=0 il substrato usato è

sbagliato. > è Y, più sarà alta l’efficienza.

• RESA DI FERMENTAZIONE: esprime i grammi di prodotto (in peso secco) per litro di

brodocoltura. La sua unità di misura è g/L (gL

-1

).

Le rese relative alle diverse classi di prodotto

Biomasse microbiche

• RESA DI CONVERSIONE Y= 0,5 per substrati carboidratici. Raggiunge 1 per substrati ridotti

(n-paraffine)

• RESA DI FERMENTAZIONE è variabile tra 20 e 40 g/L

Prodotti complessi Generalmente non è possibile determinare

(appartenenti al settore alimentare).

resa di conversione (Y) e resa di fermentazione.

Composizione dei terreni colturali

È necessario che siano appositamente studiati.

Il terreno colturale deve fornire al microrganismo tutte le sostanze nutritive necessarie:

alla crescira, alla produzione di energia, alla biosintesi dei metaboliti desiderati.

E deve contenere fonti di:

carbonio, azoto (generalmente 10 volte meno di C), sali inorganici, vitamine o altri fattori di crescita,

eventuali precursori (composti che fanno parte della molecola che volevo ottenere).

I terreni colturali li possiamo dividere in:

• Terreni SINTETICI;

• Terreni COMPLESSI.

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SINTETICI:

Terreni formati da materie prime chimicamente pure (costi elevati). Generalmente sono

impiegati a livello di laboratorio, sono facilmente standardizzabili qualitativamente e

quantitativamente. Forniscono crescita microbica e produzione di metaboliti limitata.

COMPLESSI:

Terreni formati da materie prime grezze (costi limitati, e spesso hanno composizione

diversa in funzione dell’origine del prodotto). Vengono usati su larga scala e sono limitatamente

standardizzabili. Forniscono crescita microbica e produzione di metaboliti elevata.

Messa a punto di un terreno: come scelgo gli ingredienti

• Attraverso considerazioni legate al metabolismo microbico:

1. Deve dare la massima resa di conversione

2. Deve dare la massima resa di fermentazione

3. Deve avere la massima velocità di formazione del prodotto (a livello industriale far

funzionare un impianto per più o meno tempo è fonte di guadagno/dispendio per

l’azienda)

4. Garantire la minima formazione di prodotti secondari

• Rifornimento costante nel tempo della materie prima

• Standardizzazione delle materie prime

• Inconvenienti tecnologici legati alle materie prime

• Costi

Fonti di carbonio nel terreni colturali

Le fonti di carbonio le possiamo classificare in:

• (di origine naturale)

FONTI RINNOVABILI

Infatti la CO2 è la più semplice, rinnovabile e disponibile fonte di carbonio.

• (di origine petrolchimica)

FONTI NON RINNOVABILI

Alcali a corta catena (alcani)

• FONTI CARBOIDRATICHE

- Forma pura

- Forma grezza

• FONTI NON CARBOIDRATICHE

Fonti carboidratiche

Forma pura:

- Monosaccaridi (prevalentemente glucosio);

- Disaccaridi (saccarosio e lattosio);

- Oligosaccaridi (maltodestrine), intermedi di degradazione dell’amido;

- Polisaccaridi (amido), maggiormente da mais (cellulosa).

Forma grezza:

- Melasso;

- Liscivo solfitico;

- Siero di latte;

- Corn melasse;

- Orzo maltizzato;

- Residui cellulosici.

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Melasso

Residuo del processo di cristallizzazione del saccarosio. È un sottoprodotto dell’industria

saccarifera ed è un residuo della cristallizzazione del saccarosio. È ottenibile dalla lavorazione della

barbabietola, della canna da zucchero. (Anche residuo del processo da mais).

Si presenta come sciroppo viscoso di colore bruno. Quello di barbabietola e di canna presentano

composizione diversa: Bietola Canna

Saccarosio 50 30-35

Zucchero invertito 1 20-22

Schematizzazione del processo di produzione del saccarosio

Barabbietola/canna

H O Estrazione Residuo

2 Purificazione Impurità

Concentrazione H O

2

Cristallizzazione

Saccarosio Melasso

cristallizzato

Con il termine melasso identifichiamo il residuo finale della cristallizzazione del saccarosio. In senso

lato invece identifica altri sottoprodotti o residui di processi estrattivi per l’ottenimento di zuccheri

diversi dal saccarosio.

CORN MOLASSE HIGH-TEST MOLASSE

Costituito dalle acque del processo di Non è il residuo finale o solito prodotto

produzione del glucosio da mais. Ha un dell’estrazione del saccarosio, ma il prodotto

elevato contenuto di zuccheri, am anche alte principale del processo ottenuto per

concentrazioni di sali. evaporazione con parziale inversione con

invertasi. Non è un melasso in senso stretto.

Liscivo solfitico

È il residuo del processo di produzione della cellulosa da legname. Contiene il 20% di zuccheri

fermentabili in rapporto dipendente dal tipo di legno impiegato. L’impiego dipende dalla

composizione zuccherina.

Estratto di malto

È ottenuto da orzo sottoposto a maltizzazione. È un ottimo substrato per lieviti e muffe.

Siero di latte

È un sottoprodotto del settore lattiero/caseario. Contiene lattosio (4-5%). Forte incidenza dei costi

di stoccaggio e trasporto in relazione del limitato contenuto di lattosio.

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Amido

Sono disponibili diverse tipologie di amido che a secondo del grado di solubilità si differenziano. La

maggior parte dell’amido è ottenuta da mais e patata. È diffuso l’impiego di amido insolubile che

viene trattato direttamente in fermentatore con amilasi. [Glu----glu----glu (legami α 1-4)].

Destrine

Sono ottenute per idrolisi acida o enzimatica dell’amido. Sono solubili.

Il grado di destrinizzazione è espresso come destrosio equivalente (DE) che è l’indice della

percentuale di gruppi riducenti, espressi come glucosio.

L’amido non sottoposto a idrolisi ha un DE pari a 0, mentre il glucosio ha un DE pari a 100.

Cellulosa

Rappresenta uno dei polimeri più abbondanti in natura.

È associata a lignina ed emicellulosa, è presente nei materiali ligninocellulosici, in residui agricoli e

industriali.

È utilizzabili da un limitato numero di microrganismi, ed è una potenziale fonte di sciroppi di

glucosio. [Glu----glu----glu (legami β 1-4)].

Fonti di carbonio non carboidratiche

Sono generalmente costituite da fonti non rinnovabili (tranne gli oli). Sono ingredienti molto

eterogenei, in forma gassosa o liquida. Il loro costo è contenuto.

Possiamo così dividerli:

- Idrocarburi gassosi: metano;

- Alcoli: metanolo, etanolo;

- Polialcoli: glicerolo, mannitolo e sorbitolo;

- Alcani: paraffine;

- Oli: vegetali, o animali (poco usati).

Fonti di azoto nei terreni colturali

Possiamo classificare le fonti di azoto in:

• INORGANICHE: sali d’ammonio (solfati, cloruri), ammoniaca gassosa o idrato d’ammonio.

• ORGANICHE: amminoacidi, proteine, urea.

Come fonti di azoto possono essere impiegate materie prime grezze:

• Corn steep liquor (acqua di macerazione);

• Farina di semi di soia;

• Farina di semi di cotone;

• Borlande di distilleria.

CORN STEEP LIQUOR

È un sottoprodotto del processo di estrazione dell’amido di mais. Ha un costo contenuto ed è

fonte di sostanze azotate, minerali e vitamine (gruppo B).

Ha una composizione sia quantitativa che qualitativa molto variabile, in base:

- Al tipo di mais;

- Al tipo di batteri lattici e intensità di fermentazione;

- Tempo di estrazione;

- Temperatura di estrazione.

Inoltre conferisce (svantaggio) una forte acidità al terreno in quanto si addiziona carbonato di Ca.

Il mais subisce un pretrattamento per immersione in acqua a pH 4 e a 45-50 °C, in controcorrente

per 48 ore circa, in presenza di anidride solforosa.

A questo punto si instaura una fermentazione lattica naturale di tipo termofila. Il mais viene

separato dalla fase acquosa che viene concentrata fino ad ottenere un secco al 40-50%. Ottengo

corn steep liquor.

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