APPLIED BIOLOGY AND MICROBIOLOGY IN THE AGRICULTURAL INDUSTRY
RESEARCH AND INNOVATION
Microrganismi per le produzioni
lattiero-casearie
Giorgio Giraffa, Domenico Carminati
Centro di Ricerca per le Produzioni Foraggere e LattieroCasearie (CRA-FLC, Lodi)
CRA Open Workshop on Applied biology and microbiology in the agricultural industry: research
and innovation. CRA-NUT, Roma, 29 Ottobre 2013
Ruolo dei microrganismi nelle produzioni lattiero-casearie
Il settore lattiero-caseario …
Fatturato dell’industria lattiero-casearia: 15 miliardi di euro
1° comparto alimentare italiano per fatturato (15% del food)
50.000 addetti, circa 3000 imprese
200.000 ton. latte fermentato
1.200.000 ton formaggi
42% formaggi DOP (soprattutto Grana e Parmigiano)
Export formaggi: circa 300.000 ton, valore 2 miliardi di euro
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and innovation. CRA-NUT, Roma, 29 Ottobre 2013
Microrganismi: origine e ruolo
Materia prima (centinaia di specie, decine di generi)
Ambiente lavorazione
Colture starter
Microrganismi: origine e ruolo
latte
microrganismi
Derivati del latte: prodotti
fermentati: microrganismi
(LAB) dominanti
latti fermentati,
panne, formaggi
(qualità
(qualità)
tecnologia
- Colture acidificanti: avviano
un rapido
pH; guidano il
processo fermentativo della
materia prima; indirizzano
maturazione (formaggi)
- Colture con funzioni
«aggiuntive»
(complementari? funzionali?)
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Colture tradizionali
Coltura starter per formaggi tipo Grana Padano, Parmigiano Reggiano, Provolone
Latte
(crudo)
starter
(sieroinnesto)
backslopping
siero
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Colture industriali
- Impoverimento microbico materia prima
- Esigenze di controllo del processo di fermentazione e di
miglioramento/standardizzazione del prodotto finale
- Necessità di innovazione di prodotto
Industria specializzata colture selezionate composte da
batteri isolati da habitat naturali e prodotte in larga scala
Ceppi studiati per caratteristiche di interesse tecnologico e
funzionale (functional foods, designer foods, medicinal foods, nutraceuticals, therapeutic foods,
superfoods, foodceuticals and medifoods (Shah, Food Technol., 2001)
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Categorie «funzionali»
VANTAGGI ORGANOLETTICI E TECNOLOGICI
MIGLIORAMENTO QUALITATIVO E DIVERSIFICAZIONE PRODUTTIVA
- Colture aromatiche (metaboliti primari e secondari: aldeidi, alcoli, a.
organici, composti solforati, ..)
- Proteolisi
- Lipolisi
maturazione
- Trasformazioni di aminoacidi e acidi grassi
- Esopolisaccaridi
SICUREZZA
- Colture protettive (antimicrobici naturali)
- Colture resistenti ai batteriofagi
HEALTH-PROMOTION
- Diretta: probiotici
- Indiretta: prodotti dei metabolismi, microbial cell factories
Starters funzionali per vantaggi tecnologici
Formaggi: accelerazione della maturazione
La fase di maturazione richiede tempo ed ha un costo notevole, pertanto
da tempo si sta cercando come poter accelerare il processo.
Selezione di colture starter e co-colture NSLAB ad elevata capacità
autolitica rilascio anticipato enzimi intracellulari
riduzione tempi di maturazione
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Starters funzionali per vantaggi tecnologici
Starters lattosio-negativi per
produzione di yogurt
Nella produzione di yogurt, il lattosio viene
convertito in acido lattico fino a pH finale di
4,2-4,5.
Durante la conservazione, il pH può
diminuire al di sotto di 4.0
post-acidificazione (da Lb. delbrueckii
subsp. bulgaricus): effetto indesiderato,
gusto troppo acido e amaro.
Mutanti lattosio-negativi permettono di
ottenere yogurt meno acidi poiché queste
cellule possono crescere solo in presenza di
S. thermophilus lattosio fermentanti (protocooperazione)
Starters funzionali per vantaggi tecnologici
Struttura e consistenza
LAB produttori di polisaccaridi (EPS esopolisaccaridi) sono utilizzati per la produzione
di yogurt, panna acida, gelati, e di formaggi a
basso contenuto di grassi
Polisaccaridi aumentano la viscosità e la
consistenza, migliorano la struttura, riducono la
sineresi (spurgo di siero in latticini e formaggi),
esaltano il gusto di prodotti a basso contenuto di
grassi
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Conservazione e sicurezza
Rimozione fattori anti-nutrizionali
ammine biogene in particolari alimenti fermentati: ossidazione a NH4,
H2O2 e aldeidi
Antimicrobici naturali
Batteri lattici selezionati per attività antimicrobiche: lotta biologica,
limitazione/eliminazione additivi
LAB producono diversi antimicrobici naturali:
acidi organici (acido lattico, acetico, butirrico,
caproico, formico, fenil-lattico)
biossido di carbonio (CO2)
acqua ossigenata
diacetile
etanolo
batteriocine (sostanze di natura proteica)
Conservazione e sicurezza
Composti ad attività antifungina prodotti da batteri lattici
Conservazione e sicurezza
Conservazione e sicurezza
Adattamento allo stress: la resistenza ai
batteriofagi
I batteriofagi costituiscono un serio problema per l'industria
degli alimenti fermentati (yogurt, formaggi, probiotici!)
probiotici una delle principali cause di fallimento del processo di
fermentazione
Soluzione: rotazione di colture starter fago resistenti
Meccanismi di fago resistenza:
Inibizione adsorbimento, restrizione-modificazione,
infezione abortiva, CRISPR
Selezione in laboratorio: ceppi con resistenza acquisita in
presenza di particelle virali:
- selezione di varianti già presenti nella popolazione;
- stress adaptation
Applicati ampiamente a livello industriale; NB: performance
tecnologica varianti φR
Health promotion
Microrganismi probiotici
Microbial cell factories
Produzione enzimi, vaccini, citochine, metaboliti, ..
Produzione di vitamine come riboflavina, acido folico.
Un uso controllato di ceppi over-produttori: produzione di
alimenti naturalmente arricchiti.
I geni per la biosintesi di folato identificati in
alcuni LAB (Lc. lactis , L. plantarum, L. bulgaricus).
Via biosintetica include 7 steps, dal precursore
guanosina trifosfato a tetraidrofolato.
Assenza di alcuni geni nel genoma no sintesi
(L. gasseri, L. acidophilus, L. johnsonii).
Studi recenti di ingegneria metabolica aumento
sintesi
Peptidi bioattivi
Il sistema proteolitico di alcuni LAB (es. Lb. helveticus) può contribuire alla
liberazione di peptidi bioattivi agendo sulla caseina del latte, con effetti benefici
quali:
migliorano l'assorbimento nel tratto intestinale;
stimolano il sistema immunitario
esercitano effetti antiipertensivi o antitrombotica
possono avere attività antimicrobica
agiscono come vettori di minerali, specialmente calcio
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Starters funzionali e diversificazione di prodotto - CANADAIR
WP2: Sviluppo di prodotti lattiero-caseari con elevato valore bio-funzionale
Latte vacca scremato
(≠% grasso)
Formaggio
dietetico
S. thermophilus (SLAB, primario)
- acidificazione
- EPS
- acido folico
- gal+
L. plantarum
(NS-LAB,
accessorio)
- peptidasi
- riboflavina
- (att. decolesterolizzante)
Proteine: 1,5%
(caseina ≈40%)
Grasso: 0,4%
Lattosio: 7%
Lisozima: ≈ 4 g/L
studio resistenza
al lisozima
- selezione lysR
- adattamento
- verifica caratteri
Latte d’asina
fermentato
Impatto sulla qualità
qualità!
CRA Open Workshop on Applied biology and microbiology in the agricultural industry: research
and innovation. CRA-NUT, Roma, 29 Ottobre 2013
Prospettive: nuova generazione di colture “tailor-made”
Pre-genomica
1. “Campagne” di isolamento da nuove fonti
LAB con proprietà funzionali per applicazioni industriali da: (nuove)
matrici/alimenti, prodotti artigianali, colture naturali, ..
Key issue: ruolo e valorizzazione delle working collections
Inconvenienti
- Proprietà ceppo-dipendenti: bassa frequenza di biotipi utili
(Parente e
Cogan, 2004)
- Approccio multistep .. lavoro enorme!
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Main selection criteria for LAB probiotics to be used in the
food industry
Category
Selection criteria
Specific requirement(s)
Safety aspects
Origin specification
Taxonomic identity
Human origin
Belonging to Lactobacillus spp. (most
species) and Bidifidobacterium spp. (most
species)
Absence of β-haemolytic, β-glucosidase,
N-acetyl-β-glucosaminidase, and βglucuronidase activities
Search for harmful activities
Antibiotic susceptibility testing
Clinical trials before marketing
Absence of acquired resistance(s)
Lack of toxicity and infectivity
Functional aspects
Search for in vitro properties
Search for in vivo properties (by
ingestion in animals or humans)
Technological
aspects
Viability into food
.. stepwise selections
Functionality into food
Impact on food quality
.. subtractive selections
Stress response
Presence of defense mechanisms
to enhance survival
Prospettive: nuova generazione di colture “tailor-made”
Pre-genomica
1. “Campagne” di isolamento da nuove fonti
LAB con proprietà funzionali per applicazioni industriali da: (nuove)
matrici/alimenti, prodotti artigianali, colture naturali, ..
Key issue: ruolo e valorizzazione delle working collections
Inconvenienti
- Proprietà ceppo-dipendenti: bassa frequenza di biotipi utili (Parente e
Cogan, 2004)
- Approccio multistep .. lavoro enorme!
- Microbi e stress!
CRA Open Workshop on Applied biology and microbiology in the agricultural industry: research
and innovation. CRA-NUT, Roma, 29 Ottobre 2013
Prospettive: nuova generazione di colture “tailor-made”
Microbi e stress
Conseguenze:
Caratteri poco
stabili nel
passaggio da
selezione in
laboratorio ad
applicazione
industriale:
scala pilota
necessaria
Key issue: la
coltivabilità
coltivabilità!
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and innovation. CRA-NUT, Roma, 29 Ottobre 2013
Prospettive: nuova generazione di colture “tailor-made”
Microbi e stress
2. Improving robustness
Composizione del mezzo es.
glucosio e tween-80: >
resistenza al succo gastrico
Pre-adattamento esposizione a
stress subletali (acido, bile, ..)
Cross-protection
overlap di diversi reguloni stress
(es. pre-esposizione a
temperature sub-letali aumenta
tolleranza alla bile o all’acido)
Instabilità
Instabilità fenotipica!
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Prospettive: colture “tailor-made”
Post-genomica
1. Selezione genomica
- sequence availability, genomica comparativa e funzionale associata a
piattaforme genotipiche HT (DNA/RNA arrays) e fenotipiche (es. GC
MS/LC-MS di profili aromatici)
Targeted selection
es.: screening mirato di collezioni per la risposta cellulare
globale allo stress
2. MGM
- tecniche indirette (random mutagenesi, UV, coniugazione o
trasduzione): no DNA esogeno/ricombinante;
- modificazione genetica diretta/presenza DNA esogeno: ostacoli legislativi
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