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/g
alimento contaminato > 106 UFC/g
I microrganismi che si sviluppano in un alimento
trasformazione dei componenti presenti con formazione di:
determinano
-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
- trasformazione dell’alimento modificandone
il valore nutrizionale
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
degradazione di fattori antinutrizionali
valore nutrizionale
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
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
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.
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-fosfatocaseinato 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.
Acetoino
Diacetile
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.
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
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
cerevisiae
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: Saccharomyces
pastorianum sinonimo di S. carlsbergensis.
Capacità di utilizzare il raffinosio
Temperature 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 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
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.
Kloeckera
Schizosaccharomyces
Saccharomices
Torulaspora
Zygosaccharomyces
Dekkera
Pichia
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
fermentazione
rallentamenti o blocchi
deprezzamento del prodotto.
di
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 nonSaccharomyces
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)
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
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,
proteolitica, attività esterasica
4-Capacità autolitica
attività
β-glucosidica,
attività
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
conferiscono
piccole
e
estensibilità
sottili)
alla
che
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
resistenza all'estensione.
ed
una
certa
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° 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
per la successiva lavorazione
Agente lievitante per
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,
Issatchenkia orientalis
Saccharomyces
exiguus,
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.
Fermentazione
eterolattica
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