Progetto DIOR Progetto Pilota di Didattica orientativa in ambito scientifico Seminario di Microbiologia predittiva Dott. Antonio Bevilacqua-ricercatore Unifg 13 aprile 2010

Gli alimenti come ecosistemi Gli alimenti sono di fatto ecosistemi, composti da un habitat (generalmente di origine biotica) e da una comunità di organismi viventi (biocenosi, generalmente composta soltanto da microrganismi, anche se possono essere presenti artropodi) Per la crescita e sopravvivenza dei microrganismi possono essere importanti le caratteristiche di microhabitat, spesso di pochi mm di diametro, che possono essere diverse da quelle presenti nella massa dell’alimento

Ceppo, specie, popolazione, comunità Habitat X: pH, a W, struttura, Eh, T°C, etc. Comunità microbica dell’habitat X Popolazione della specie A (ceppi A1, A2, A3) Popolazione della specie B (ceppi B1, B2, B3)

Gli alimenti come ecosistemi Gli alimenti sono ecosistemi dinamici ed eterogenei da un punto di vista –Spaziale: possono esistere condizioni molto eterogenee nei diversi microhabitat presenti in un alimento –Temporale: è possibile osservare successioni nelle comunità microbiche che colonizzano un alimento, con radicali cambiamenti qualitativi e quantitativi Negli alimenti non esistono catene trofiche sviluppate: data la natura biotica dell’ambiente stesso, sono solo i decompositori ad essere importanti

FATTORI CHE INFLUENZANO LA VITA DEI MICRORGANISMI IN UN ALIMENTO FATTORI INTRINSECI FATTORI IMPLICITI FATTORI ESTRINSECI

FATTORI INTRINSECI ESPRESSIONE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE, CHIMICHE E BIOLOGICHE DELL’ALIMENTO ATTIVITA’ DELL’ACQUA (a w ) pH POTENZIALE DI OSSIDORIDUZIONE (Eh) CONTENUTO IN NUTRIENTI PRESENZA DI INIBITORI STRUTTURE FISICHE DELL’ALIMENTO

FATTORI IMPLICITI ESPRESSIONE DEI FENOMENI DI INTERAZIONE MICROBICA ANTAGONISMO COMPETIZIONE PARASSITISMO NEUTRALISMO MUTUALISMO COMMENSALISMO

FATTORI ESTRINSECI ESPRESSIONE DELL’AMBIENTE IN CUI SI TROVA L’ALIMENTO TEMPERATURA COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA

Attività della’acqua (Aw)

CHE COSA E’ L’ATTIVITA’ DELL’ACQUA

Valori di a w ottimali per diversi gruppi micrbici 0,990-0,995 0,870 0,700 BATTERI = LIEVITI = MUFFE =

GRUPPO MICROBICO awaw PRODOTTO Batteri 0.91 Carne fresca, latte Lieviti 0.88 Succhi concentrati Muffe 0.80 Marmellate Batteri alofili 0.75 Pesce salato Muffe xerofile 0.65 Farine Lieviti osmofili 0.60 Frutta secca Miele Valori di a w limite per diversi gruppi microbici

MECCANISMI DI RESISTENZA A BASSI VALORI DI a w STRATEGIA GENERALE: ACCUMULO INTRACELLULARE DI SOLUTI K +, glutammato, glutammina, prolina, aminobutirrato, alanina, glicina, trealosio, saccarosio, glucosio, glicerolo.

pH

pH APPROSSIMATIVO DI FRUTTI E VERDURE

pH APPROSSIMATIVO DI CARNE E PESCE

Muffe Lieviti Batteri INTERVALLI DI pH DI CRESCITA APPROSSIMATIVI PER GRUPPI MICROBICI pH OTTIMALI Batteri LievitieMuffe

Valori di pH min, max e optimum per lo sviluppo di alcuni microrganismi

EFFETTO DEL pH NON OTTIMALE SULLE CELLULE MICROBICHE 1 FUNZIONALITÁ DEGLI ENZIMI 2 DISPONIBILITÀ E TRASPORTO DEI NUTRIENTI

AMMINOACIDO CARBOSSILASI pH=4,0 AZIONE DI ENZIMI PER RISTABILIRE CONDIZIONI DI pH OTTIMALI DECARBOSSILAZIONE DEGLI ENZIMI LIBERAZIONE DI AMMINE AUMENTO DEL pH AMMINOACIDO DEAMMINASI pH=8,0 DEAMMINAZIONE DEGLI ENZIMI RIDUZIONE DEL pH LIBERAZIONE DI ACIDI ORGANICI

Eh

DEFINIZIONE DI POTENZIALE DI OSSIDO-RIDUZIONE IL POTENZIALE DI OSSIDO-RIDUZIONE (Eh) PUÒ ESSERE DEFINITO COME LA TENDENZA DI UN SUBSTRATO A CEDERE O ACQUISIRE ELETTRONI; ESSO SI MISURA IN mV.

VALORI DELL’Eh PUÓ ASSUMERE VALORI POSITIVI: max 816 SUBSTRATI OSSIDATI PUÓ ASSUMERE VALORI NEGATIVI: min -421 SUBSTRATI RIDOTTI PUÓ ESSERE UGUALE A ZERO: PARI CONCENTRAZIONE DI AGENTI OSSIDANTI E RIDUCENTI

CHE COSA INFLUENZA L’Eh DEGLI ALIMENTI?

ALIMENTO O2O2 N2N2 H2H2 CO 2 H2OH2O INFLUENZA DELL’ATMOSFERA ESTERNA SULL’Eh DEGLI ALIMENTI

PROCESSI DI TRASFORMAZIONE CHE INFLUENZANO L’Eh DEGLI ALIMENTI MACINAZIONE OMOGENEIZZAZIONE TRATTAMENTI TERMICI ……...

Eh positivo Eh negativo INFLUENZA DELLA CRESCITA MICROBICA SULL’Eh DEGLI ALIMENTI METABOLISMO MICROBICO

COMPONENTI CHIMICI CHE STABILIZZANO L’Eh DEGLI ALIMENTI GRUPPI  SH NELLE CARNI: IN FRUTTA E VEGETALI: ACIDO ASCORBICO E ZUCCHERI RIDUCENTI

Eh INDICATIVO DI ALCUNE CATEGORIE DI ALIMENTI

CLASSIFICAZIONE DEI MICRORGANISMI IN BASE ALLE ESIGENZE NEI CONFRONTI DELL’Eh E DELL’OSSIGENO Microrganismi anaerobi: Eh di circa -200 mV Microrganismi aerobi: Eh + Microrganismi anaerobi facoltativi: Eh + e - Microrganismi microaerofili: Eh + ma con poco O 2

ESEMPI DI MICRORGANISMI: AEROBI ANAEROBI OBBLIGATI OSSIGENOTOLLERANTI ANAEROBI FACOLTATIVI MICROAEROFILI MUFFE, MOLTI MICROCOCCHI, Bacillus CLOSTRIDI, BATTERI PROPIONICI LIEVITI, MOLTI STAFILOCOCCHI ALCUNI LATTOBACILLI BATTERI LATTICI

Nutrienti

ESIGENZE NUTRITIVE DEI MICRORGANISMI ALIMENTARI ACQUA FONTE DI ENERGIA SORGENTE DI AZOTO VITAMINE E FATTORI DI CRESCITA SALI MINERALI

SORGENTI DI ENERGIA: ZUCCHERI, ALCOLI, AMMINOACIDI, CARBOIDRATI COMPLESSI, GRASSI. SORGENTI DI AZOTO: AMMINOACIDI, PEPTIDI, ACIDI NUCLEICI, PROTEINE. VITAMINE: VITAMINA B. NUTRIENTI DEI MICRORGANISMI ALIMENTARI

I PRINCIPALI GRUPPI MICROBICI IN RELAZIONE ALLE ESIGENZE NUTRITIVE ESIGENZE NUTRITIVE BATTERI GRAM + BATTERI GRAM - MUFFE LIEVITI

Il concetto degli ostacoli (hurdles) basso pH o bassa a W o alto NO 2 - o … pH subinibitorio a W subinibitoria blando conservante

“Hurdles”, stress e adattamento Gli “hurdles” possono essere usati per: Migliorare l’effetto di un processo letale (calore, UHP, PEF, irraggiamento) Migliorare la shelf-life di un alimento inibendo i sopravvissuti MA I microrganismi si possono adattare allo stress I microrganismi adattati possono crescere in condizioni inibitorie o sopravvivere a stress