Fermentazioni alimentari: l’importanza dei

microrganismi nella nostra alimentazione

Ruolo dei microrganismi negli alimenti

Gli eventi microbiologici che potenzialmente possono alterare la sicurezza e la qualità di un alimento sono principalmente legati al numero di cellule microbiche presenti.

alimento colonizzato > 104 UFC/galimento contaminato > 106 UFC/g

I microrganismi che si sviluppano in un alimento determinano trasformazione dei componenti presenti con formazione di:

-sostanze positive sia da un punto di vista nutrizionale che organolettico

-sostanze tossiche che determinano la perdita di salubrità e rischio per la salute del consumatore

ATTIVITA’ VIRTUOSE

La trasformazione degli alimenti per via fermentativa è il più antico processo biotecnologico utilizzato per la conservazione di alimenti e bevande nel quale l’attività microbica svolge il ruolo chiave.

Fermentazione comporta:- prolungamento della shelf-life il valore nutrizionale- trasformazione dell’alimento modificandone le caratteristiche aromatiche

gli aspetti salutistici

Consumo quasi totale degli zuccheri sicurezza

microbiologicaGenerazione di composti ad azione antimicrobica

Biosintesi di vitamine, aminoacidi essenziali,Proteine, aumento della digeribilità di fibre e valore nutrizionaledegradazione di fattori antinutrizionali

Batteri lattici

Rappresentano il microbiota dominantenei prodotti lattiero-caseari e sono coinvolti nei processi fermentativi della carne

Lieviti

Intervengono prevalentemente nella produzione di bevande fermentate quali vino, birra, superalcolici.

Batteri lattici e Lieviti

Costituiscono gli impasti acidi

PRODOTTI LATTIERO CASERARI

YOGURT

Principale latte fermentato acido prodotto con batteri lattici termofili.Colture microbiche costituite dall’associazione di L. bulgaricus e S. thermophilus.

Batteri lattici devono mantenersi vivi e vitali per tutto il periodo di conservazione ed in numero minimo di 107 UFC/ml.

Generalmente shelf-life di 30-40 gg e deve essere mantenuto a +4°C

Tipologie più diffuse:- Coagulo intero- Coagulo rotto- Da bere

Gli ingredienti alimentari aggiunti devono essere adeguatamente preparati, pastorizzati, dosati ed opportunamente controllati prima di essere miscelati allo yogurt

Coagulo intero (compatto): Aggiunta di aromi prima della fermentazione, si procede poi direttamente al confezionamento.Fermentazione all’interno dei vasetti (3h a 42°C)

Coagulo rotto (omogeneo):Fermentazione avviene nel fermentatore ed il prodotto viene confezionato dopo il raffreddamento e la rottura del coagulo. Segue il confezionamento e la maturazione 48h a 4°C

Yogurt da bere: ottenuto da yogurt a coagulo rotto generalmente a ridotto tenore in grasso. Iniziale raffreddamento a 18-20°C, aggiunta di zucchero, succo di frutta, aromi. Miscela omogeneizzata e raffreddata a 4°C. Quantità di batteri aggiunta inferiore alle altre due tipologie di yogurt

Ac. piruvico viene ridotto ad ac. lattico mediante l’enzima lattico deidrogenasi.90% del carbonio proveniente dal substrato viene convertito in ac. lattico mentre solo il 5% viene convertito in biomassa.

FERMENTAZIONE OMOLATTICA

Attività metaboliche dei batteri specifici dello yogurt

Catabolismo del lattosio: trasportato all’interno della cellula mediante specifiche permeasi e scisso in glucosio e galattosio dalla β-galattosidasi. Glucosio trasformato in acido lattico e galattosio rilasciato nel mezzo.Acidificazione determina destabilizzazione del complesso calcio-fosfato-caseinato con formazione del coagulo e liberazione di calcio-fosfato colloidale a pH 4.6.

La diminuzione del pH influenza anche lo stato di sospensione del calcio con liberazione dello ione calcio dal calcio-fosfato colloidale e passaggio alla forma solubile.

Produzione di polisaccaridi: S. thermophilus sintetizza in particolare eteropolisaccaridi costituiti prevalentemente da galattosio, glucosio e ramnosio. In alcuni casi anche polimeri contenenti N-acetilgalattosamina fucosio e galattosio acetilato.L. bulgaricus sintetizza eteropolisaccaridi composti da galattosio, glucosio, ramnosio e N-acetilglucosamina nel rapporto 3:1:1:1.

Nell’uomo attività prebiotica:

• Adesione al tratto intestinale

• Facilitazione alla colonizzazione di batteri probiotici

• Riduzione dell’intolleranza al lattosio

• Miglioramento della risposta immunitaria

• Azione antiulcera ed antitumorale

• Potenziale diminuzione del colesterolo

Attività proteolitica: interessa sia la nutrizione azotata dei microrganismi stessi sia le proprietà nutrizionali dello yogurt.Attività proteolitica ridotta ma accumulo di aminoacidi e peptidi liberi in quanto l’attività del sistema proteolitico è superiore ai bisogni plastici cellulari e continua con l’autolisi delle cellule.Valina, istidina, isoleucina, ed in minor quantità alanina, prolina, lisina, acido glutammico, metionina, arginina.

Produzione di composti organoletticamente attivi: acetaldeide prodotta da catabolismo degli aminoacidi, degli acidi nucleici e del lattosio.AcetoinoDiacetile

Yogurt addizionati di batteri probiotici

Yogurt a coagulo omogeneo con microrganismi probiotici appartenenti ai generi Lactobacillus e Bifidobacterium.Trend attuale: esplorare gli effetti sinergici e combinare probiotici con Prebiotici.Bifidobatteri: problema di crescita e sopravvivenza in quanto sono

-anaerobi stretti-normalmente presenti nell’ambiente intestinale-non particolarmente adatti alla crescita in latte

Solo pochi ceppi sono in grado di sopravvivere in yogurt a:-pH 4-temperatura di 5-7°C

88% delle cellule perdono la loro vitalità dopo 7gg di conservazione 10% delle cellule sono vive dopo 15gg

Necessità di selezionare ceppi più resistenti

SALUMI FERMENTATI

Dopo triturazione la carne contiene molte cellule microbiche di gruppi differenti.La loro presenza è dovuta a contaminazione ambientale durante le fasi di lavorazione.

Tali microrganismi appartengono alle seguenti famiglie:

Micrococcacee: micrococchi e stafilococchi– (Staphylococcus e Kocuria)

Batteri lattici– a cellule sferiche (Streptococcus, Pediococcus, Enterococcus),– a con cellule bastoncellari (Lactobacillus)

Enterobatteriacee (coliformi, E. coli, Salmonella e altri).

Batteri anaerobi quali Clostridium botulinum

Altri batteri Gram + quali Listeria monocytogenes

Lieviti

Muffe (Penicillium e Aspergillus)

Sviluppo microbico

Le condizioni che si vengono a creare nell’impasto dopo l’insacco, dovute alla presenza di sale, nitrati, nitriti, zuccheri, alla temperatura di esposizione e allo stato di anaerobiosi, sono tali da inibire lo sviluppo della maggior parte dei microrganismi prima elencati.

– In particolare il sale inibisce le Enterobatteriacee.

– I nitriti agiscono sui clostridi (es. C. botulinum).

In definitiva i batteri che riescono a moltiplicarsi nell’impasto sono i micrococchi (aerobi), gli stafilococchi, i lattobacilli e i pediococchi, gli enterococchi

I micrococchi e gli stafilococchi Ai rappresentanti della fam. Micrococcacee viene attribuita una partecipazione importante alle fermentazioni.

• Sono aerobi obbligati e quindi hanno scarsa possibilità di sviluppo prolungato.

• All’inizio, dopo l’insacco, nell’impasto rimane una certa quantità di aria che ne consente uno sviluppo immediato.

Si tratta infatti, di batteri vigorosi, presenti in buon numero nelle carni e favoriti dalle condizioni ambientali.

Funzioni

• consumano l’ossigeno presente nell’impasto, e creano le condizioni di anaerobiosi

• riducono i nitrati a nitriti e quindi rendono attivi questi composti nei confronti dei batteri nocivi (clostridi)

• eliminano l’acqua ossigenata eventualmente prodotta dai lattobacilli

• posseggono attività proteolitica, anche se non molto elevata

• sono coinvolti nell’attività lipolitica, cioè nella liberazione degli acidi grassi

• successivamente gli aa. grassi liberi possono essere ossidati per formare composti che impartiscono gusti gradevoli.

I batteri lattici

I batteri lattici, e in particolare i lattobacilli, costituiscono la flora microbica principale.• Le loro caratteristiche di tolleranza al sale, ai nitriti, il comportamento

verso l’O2, la capacità di svilupparsi a bassi valori di pH, la presenza iniziale in buon numero nelle carni, consentono rapidi sviluppi negli impasti.

• Si moltiplicano dopo i micrococchi e si moltiplicano più intensamente.• Sono più esigenti in fatto nutrizionale, ma nell’impasto trovano tutto ciò

di cui necessitano.

Specie

Possono svilupparsi nei salami:– i lattobacilli omo ed eterofermentanti,– gli streptococchi e i pediococchi

Predominano i lattobacilli mesofili omofermentanti, (Lactobacillus plantarum, L. casei subsp. pseudoplantarum, L. curvatus, L. sakei).Buone possibilità di moltiplicarsi hanno anche gli eterofermentanti, quali L. brevis e L. fermentum.

Occasionali sono i pediococchi Pediococcus acidilactici e P. pentosaceus.

Funzioni

Svolgono le funzioni più importanti.Riducono il nitrito a ossido d’azoto (colore).Sono gli agenti delle fermentazioni lattiche degli zuccheri e sono fortemente acidogeni a causa della formazione di ac. lattico (omof.) o di ac. lattico e ac. acetico (eterof.).Il loro sviluppo è molto rapido: già dopo 3-4 gg dall’insacco sono presenti in numero elevato e tutti gli altri gruppi risultano sopraffatti.La conseguenza di questo sviluppo è l’esaurimento degli zuccheri e l’abbassamento del pH.

– L’abbassamento del pH determina la coagulazione proteica, il contributo positivo alla formazione del colore e la stabilità microbiologica del prodotto. Il pH dei salami a fine fermentazione, dovrebbe essere pari o inferiore a 5,3.Questi valori di pH permettono alla carne di rilasciare rapidamente l’umidità.Una fermentazione inadeguata porta a un insufficiente asciugamento, a prodotti molli e rende possibile lo sviluppo di batteri alteranti o tossigeni.

BIRRABevanda idroalcolica ottenuta dalla fermentazione di zuccheri derivanti da sorgenti amidacee, normalmente cereali, da specie di Saccharomyces.

L’orzo è il cereale più adatto alla fabbricazione della birra poiché: - germinando produce una maggior quantità di enzimi rispetto ad altri

cereali.- composizione chimica più idonea- cariosside vestita che può resistere alle varie manipolazioni durante il

maltaggio

Maltificazione

Il malto è realizzato tramite germinazione di un cereale, che viene successivamente essiccato e  torrefatto. Il processo di germinazione attiva una serie di enzimi, in particolare α-amilasi e β-amilasi, che trasformano l'amido in zucchero.

A seconda della tostatura, il malto assumerà un colore più o meno scuro che influenzerà fortemente il colore e il sapore della birra.

Il malto viene frantumato per spezzare i chicchi di cereale, in modo da esporre il cotiledone che contiene la maggior parte dei carboidrati.

Fermentazione alta con produzione della Ale: Saccharomyces cerevisiaeMolti di questi lieviti non sono in grado di utilizzare il raffinosio (trisaccaride formato da glucosio, glucosio e galattosio) in quanto privi di α-galattosidasi necessaria a rompere il legame glucosio-galattosio solo 1/3 del raffinosio viene utilizzato.Temperature di fermentazione fra i 15-24°C

Fermentazione bassa con produzione della Lager: Saccharomyces pastorianum sinonimo di S. carlsbergensis.Capacità di utilizzare il raffinosioTemperature di fermentazione al di sotto dei 15°C

Fermentazioni birrarie e i loro agenti

Fermentazione alta (Ale)

Saccharomyces cerevisiae

Deve il suo nome al fatto che i lieviti tendonoa risalire alla superficie della birra versola fine della fermentazione

Le fermentazioni avvengono fra i 15-24°C

Generazioni di crescita dei ceppi di lievito sono maggiori

Temperatura elevata favorisce la rimozione del diacetile ed il calo di pH attorno a 4.1

Lieviti possono essere schiumati od eliminati dal basso se si una un fermentatore a base conica

Fermentazione bassa Lager :

Saccharomyces carlsbergensis

E’ la forma di fermentazione più recente, 3 tipi:

Fermentazione fredda a maturazione fredda: fermentazione fra i 3-8°C, immagazzinamento di circa 2 settimane a 3°C dal quale è derivato il nome Lager (magazzino)

Fermentazione calda a maturazione calda: 10-14°C, più rapide, maggior produzione di diacetile e maggior aroma di lievito.Diacetile viene però rimosso più facilmente a causa della temperatura più elevata.Processo si conclude in meno di 3 settimane Fermentazione fredda a maturazione calda: Maturazione a 12°C, birre stabili con poco diacetile.Ciclo completo in 3 settimane.

VINO

Prodotto ottenuto esclusivamente dalla fermentazione totale o parziale di uve fresche, pigiate e non, o di mosti d’uva. La materia prima è costituita dal frutto di Vitis vinifera (vite europea).

Microrganismi dei mosti

Microflora dei mosti d’uva varia in funzione di:-condizioni fitosanitarie delle uve alla vendemmia-andamento meteorologico-carposfera-tipologia di vendemmia-trasporto

Sono state globalmente riscontrate oltre 200 specie di lieviti.KloeckeraSchizosaccharomycesSaccharomicesTorulasporaZygosaccharomycesDekkeraPichia

Acetobatteri

Batteri lattici

La fermentazione naturale

Mosto d’uva costituisce un ambiente molto selettivo:-forte acidità con conseguenti bassi valori di pH-anossia

Conseguentemente:-inibizione di batteri che prediligono pH prossimi alla neutralità-inibizione di tutte le muffe e dei lieviti con solo metabolismo aerobico-lieviti ad attività fermentativa prendono il sopravvento

Generalmente la fermentazione è iniziata dalle specie dei generi:-Hanseniaspora-Candida-Pichia-Kluyveromyces-Metschnikowia

A metà del processo fermentativo -Saccharomyces cerevisiae

Problematiche

Fermentazione spontanea è condotta da molti generi e specie con caratteristiche differenti vini di grande qualità con caratteri unici che li differenziano dai vini comuni

Processo meno controllabile rallentamenti o blocchi di fermentazione deprezzamento del prodotto.

Diversità intraspecifica dei lieviti

Combinazione di esperienza pratica e conoscenze teoriche in quanto è necessario saper gestire lo sviluppo e l’attività metabolica dei lieviti non-Saccharomyces

LE COLTURE STARTER

I lieviti

Specie più idonea per la guide delle fermentazioni alcoliche in tutte le fasi della vinificazione risulta essere Saccharomyces cerevisiae in quanto:-Più vigorosa ed alcol-tollerante-Più resistente alla CO2

-Fermentazione con maggior resa in etanolo e minor quantità di composti secondari-Specie con ceppi caratterizzati da alto grado di variabilità utili per selezione

Caratteri tecnologici

Permettono di programmare e guidare gli andamenti della fermentazione in tutte le fasi della vinificazione:-Vigore fermentativo-Alcol-tolleranza-Resistenza all’anidride solforosa-Modalità di sviluppo

a cellule disperse (pulverulento)a catene cellulari (aggregate)floculentocon potere schiumogenocon potere filmogeno

-Sviluppo a basse temperature-Sviluppo ad alte temperature

I caratteri evidenziati in rosso conferiscono la dovuta competitività indispensabile affinchè la coltura starter possa prendere il sopravvento sui lieviti naturali.Altri caratteri tecnologici variano in funzioni delle varie fasi di vinificazione

Caratteri di qualità

Causano miglioramento della qualità dei vini per effetto:-Entità di produzione di alcuni composti che si formano durante la fermentazione-Tipo di azione svolta su alcuni componenti dei mosti o dei vini

Sono rappresentati da:1-Entità di produzione di composti secondari:

glicerolo, acido succinico, acido acetico, aldeide acetica, n-propanolo, alcol isoamilico, β-feniletanolo

2-Entità di produzione di composti solforatiidrogeno solforato, anidride solforosa

3-Azione su componenti del vinoazione sull’acido malico, attività β-glucosidica, attività

proteolitica, attività esterasica

4-Capacità autolitica

PANE E ALTRI PRODOTTI LIEVITATI DA FORNO

LIEVITAZIONE

Glutine

Il glutine è un complesso alimentare costituito principalmente da proteine;

si forma durante l'impasto con acqua della farina di alcuni cereali, tra cui

frumento, farro, segale, kamut e orzo, e si presenta come un reticolo

viscoelastico, capace di coniugare coesione ed elasticità.

Il glutine è costituito da due classi proteiche, le GLUTELINE (chiamate

glutenine nel grano) e le PROLAMMINE (chiamate gliadine nel grano). Le

gliadine e le glutenine costituiscono circa l'80% dell'intera frazione

proteica presente nella cariosside di frumento, nella quale ritroviamo altre

due classi di proteine solubili in acqua (al contrario delle precedenti): le

albumine (9%) e le globuline (5-7%).

Glutine e panificazione

La panificazione è resa possibile dalla

presenza del glutine. Aggiungendo acqua

alla farina di grano tenero, le gliadine

(formate da un'unica catena proteica)

cominciano ad associarsi formando delle

fibrille (fibre piccole e sottili) che

conferiscono estensibilità alla massa

glutinica. Contemporaneamente, anche le

glutenine (composte da diverse subunità

proteiche) si assemblano, dando origine a

fibre di dimensioni maggiori e formando una

struttura, stabile e molto coesiva, che dona

all'impasto consistenza ed una certa

resistenza all'estensione.

Agenti lievitanti

Lievito di birra: Biotipi di Saccharomyces cerevisiae ottenuti in coltura pura in laboratorio e coltivati in fermentatori

Capacità lievitante

Rapido adattamento ai cambiamenti di substrato

Capacità di fermentare rapidamente il maltosio

Attitudine a sintetizzare enzimi e coenzimi in anaerobiosi

Lievito naturale

Impasto:- costituito da farina (grano e/o segale) acqua ed eventualmente sale

- fermentato senza l’intervento di microrganismi deliberatamente aggiunti

- ottenuto tramite una serie successiva di rinfreschi con lo scopo di ottimizzarne la capacità acidificante e lievitante

- lieviti e batteri endogeni della farina ai quali si possono aggiungere quelli ambientali

Preparazione del lievito madre o capolievito

- Impasto di acqua e farina lasciato fermentare spontaneamente (24h temperatura ambiente o 25-35°C)

- Successivi rinfreschi

- Impasto con capacità acidificante e lievitante costante attribuibile a microrganismi residenti (batteri lattici e lieviti 100:1)

- 1x109 UFC/g per i batteri lattici 1x107 UFC/g per i lieviti

Lievito naturale maturo risulta caratterizzato da valori di pH pari a 3.5 e 4.3

Preparazione del lievito maturo

Lievito madre

1° rinfrescoMaturazione 25°C in 5-6h

2° rinfrescoMaturazione 25°C in 7-8h

3° rinfrescoMaturazione 25°C in 2-3h

LIEVITO NATURALE MATURO

Piccola parte conservata Agente lievitante per per la successiva lavorazione la produzione di pane

Microflora del lievito naturale maturo:

Durante la produzione del lievito naturale diventano dominanti e persistenti altre specie quali:- Batteri: Pediococcus, Leuconostoc, Enterococcus, Weissella,

Lactococcus, Streptococcus e Lactobacillus. Produzione di ac. acetico e ac. lattico con decremento di pH fino a 4.5.Genere Lactobacillus caratterizza maggiormente il lievito naturale

- Lieviti: Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces exiguus, Issatchenkia orientalis

Fisiologia e biochimica dei lieviti e dei batteri lattici

Lieviti: Prima fase caratterizzata da metabolismo ossidativo e proliferazione cellulare, poi fermentazione alcolica.Carboidrati solubili (maltosio, glucosio, fruttosio e saccarosio) sono presenti nell’impasto in concentrazioni variabili tra 0.5-2%. • Glucosio: elevata velocità di trasporto del con rapida sintesi di etanolo e

CO2

• Saccarosio: scisso in glucosio e fruttosio• Maltosio: scisso in due molecole di glucosio. Può costituire un fattore

limitante in quanto la presenza di glucosio reprime la trascrizione dei geni che codificano per le maltosio permeasi e le maltasi citoplasmatiche

Batteri: Il genere Lactobacillus è quello maggiormente rappresentato

• Omofermentanti obbligati fermentano solo gli esosi con produzione di ac. lattico

• Eterofermentanti facoltativi fermentano esosi e pentosi con produzione di ac. lattico, acetico e CO2

• Eterofermentanti obbligati fermentano esosi e pentosi con produzione di ac. lattico, etanolo/ac. acetico e CO2 in quantità equimolecolari

I batteri lattici contribuiscono essenzialmente ad acidificare l’impasto.

Fermentazioneeterolattica

Produzione di -ac. lattico-etanolo-CO2

Pane quotidiano

Prodotto ottenuto per fermentazione alcolica sostenuta da lieviti aggiunti come starter breve durata e scarsa importanza dei microrganismi naturali presenti.

Scelta della specie microbica-Fermentazione affidata a Saccharomyces cerevisiae.

Fermentazione

-Tempestivo sviluppo di S. cerevisiae-Quantità di CO2 trattenuta dipende dalla quantità di glutine

presente-Lievitazione interrotta con la cottura

Pane a pasta acida

Fermentazione naturale

-Impasto con farina, acqua e sale-Moltiplicazione microbica a temperatura ambiente-Specie differenti (enterobatteri, micrococcaceae, batteri

sporigeni), amilolitiche e non, producenti e non producenti gas.-Batteri lattici inizialmente minoritari, a pH 5 dominanti-Successivamente sviluppo anche di lieviti-Importanza della madre per la partenza immediata della

fermentazione lattica e alcolica-Lattobacilli mesofili omo ed eterofermentanti: Lactobacillus

brevis, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus sanfrancisciencis

-Lieviti: S. cerevisiae, S. exiguus, Candida krusei, Hansenula anomala

Preparazione della madre-Reimpasto della madre con acqua e farina-Fermentazione o.n.-Madre rinnovata viene impastata con nuovi ingredienti-Frazionamento dell’impasto

Lievitazione-Starter naturale: Lieviti

Batteri lattici omo ed eterofermentanti -Eterofermentanti prevalenti ac. lattico, ac. acetico, alcol etilico e

CO2 sensibile abbassamento del pH.-Raffermamento rallentato

-Stabilità microbiologica impedendo lo sviluppo di batteri sporigeni amilolitici le cui spore sopravvivono alla cottura