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1. Fermentazioni alimentari: l’importanza dei microrganismi nella nostra alimentazione
2. 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/g alimento 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
3. 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 microbiologica Generazione di composti ad azione antimicrobica Biosintesi di vitamine, aminoacidi essenziali, Proteine, aumento della digeribilità di fibre e valore nutrizionale degradazione di fattori antinutrizionali
4. Batteri lattici Rappresentano il microbiota dominante nei 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
5. 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
6. 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
7. FERMENTAZIONE OMOLATTICA 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.
8. 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.
9. Produzione di polisaccaridi: S. thermophilussintetizza in particolare eteropolisaccaridi costituiti prevalentemente da galattosio, glucosio e ramnosio. In alcuni casi anche polimeri contenenti N-acetilgalattosaminafucosio e galattosio acetilato. L. bulgaricussintetizza 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
10. 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. Acetoino Diacetile
11. 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
12. SALUMI FERMENTATI
13. 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 – (Staphylococcuse Kocuria) Batteri lattici – a cellule sferiche (Streptococcus, Pediococcus, Enterococcus), – a con cellule bastoncellari (Lactobacillus) Enterobatteriacee (coliformi, E. coli, Salmonella e altri). Batteri anaerobi quali Clostridiumbotulinum Altri batteri Gram + quali Listeria monocytogenes Lieviti Muffe (Penicilliume Aspergillus)
14. 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
15. I micrococchi e gli stafilococchi Ai rappresentanti della fam. Micrococcacee viene attribuita una partecipazioneimportante 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.
16. 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.
17. 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.
18. Specie Possono svilupparsi nei salami: – i lattobacilli omo ed eterofermentanti, – gli streptococchi e i pediococchi Predominano i lattobacilli mesofili omofermentanti, (Lactobacillusplantarum, 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 pediococchiPediococcusacidilacticie P. pentosaceus.
19. 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.
20. BIRRA Bevanda 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
21. 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.
22. Fermentazione alta con produzione della Ale: Saccharomycescerevisiae Molti 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: Saccharomycespastorianumsinonimo di S. carlsbergensis. Capacità di utilizzare il raffinosio Temperature di fermentazione al di sotto dei 15°C
23. Fermentazioni birrarie e i loro agenti Fermentazione alta (Ale) Saccharomycescerevisiae Deve il suo nome al fatto che i lieviti tendono a risalire alla superficie della birra verso la 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
24. 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.
25. 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).
26. 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. Kloeckera Schizosaccharomyces Saccharomices Torulaspora Zygosaccharomyces Dekkera Pichia Acetobatteri Batteri lattici
27. 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 -Saccharomycescerevisiae
28. 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
29. LE COLTURE STARTER I lieviti Specie più idonea per la guide delle fermentazioni alcoliche in tutte le fasi della vinificazione risulta essere Saccharomycescerevisiae 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
30. 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) floculento con potere schiumogeno con 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
31. 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 solforati idrogeno solforato, anidride solforosa 3-Azione su componenti del vino azione sull’acido malico, attività β-glucosidica, attività proteolitica, attività esterasica 4-Capacità autolitica
32. PANE E ALTRI PRODOTTI LIEVITATI DA FORNO
33. LIEVITAZIONE
34. 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%).
35. 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.
36. Agenti lievitanti Lievito di birra: Biotipi di Saccharomycescerevisiaeottenuti 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
37. 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
38. 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
39. Preparazione del lievito maturo Lievito madre 1° rinfresco Maturazione 25°C in 5-6h 2° rinfresco Maturazione 25°C in 7-8h 3° rinfresco Maturazione 25°C in 2-3h LIEVITO NATURALE MATURO Piccola parte conservata Agente lievitante per per la successiva lavorazione la produzione di pane
40. Microflora del lievito naturale maturo: Durante la produzione del lievito naturale diventano dominanti e persistenti altre specie quali: - Batteri: Pediococcus, Leuconostoc, Enterococcus, Weissella, Lactococcus, StreptococcuseLactobacillus. Produzione di ac. acetico e ac. lattico con decremento di pH fino a 4.5. Genere Lactobacilluscaratterizza maggiormente il lievito naturale Lieviti: Saccharomycescerevisiae, Saccharomycesexiguus, Issatchenkiaorientalis
41. 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
42. 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.
43. Fermentazione eterolattica Produzione di -ac. lattico -etanolo -CO2
44. 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 Saccharomycescerevisiae. Fermentazione -Tempestivo sviluppo di S. cerevisiae -Quantità di CO2 trattenuta dipende dalla quantità di glutine presente -Lievitazione interrotta con la cottura
45. 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: Lactobacillusbrevis, Lactobacillusplantarum, Lactobacillusacidophilus, Lactobacillussanfrancisciencis -Lieviti: S. cerevisiae, S. exiguus, Candida krusei, Hansenula anomala
46. 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 prevalentiac. 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