e strategie di sopravvivenza dei microrganismi Presentazione di fine corso in Biotecnologie Microbiche Alimentari a.a. 2014/2015 Fattori intrinseci che influenzano lo sviluppo microbico negli alimenti e strategie di sopravvivenza dei microrganismi Gruppo di lavoro : Angiuoni Marika De Martino Domenico Di Cairano Margherita Gravina Fabio

FATTORI INTRINSECI DEGLI ALIMENTI Attività dell'acqua Potenziale di ossidoriduzione Contenuto di nutrienti Antimicrobici naturali pH Inizia Fabio La variazioni dei fattori influenza la crescita dei m.o. endogeni degli alimenti

Attività dell'acqua (aw) e Stress osmotico Tra le varie strategie usate per conservare i prodotti alimentari una delle più utilizzate è quella di abbassare l'aw aumentando la pressione osmotica aw = P/P0 P = pressione di vapore del substrato (alimento). È inversamente proporzionale alla concentrazione di soluti. P0 = pressione di vapore dell'acqua pura alla stessa T Acqua distillata = aw pari a 1.00 Assenza di acqua = aw pari a 0.00

L'essiccamento o l'addizione di elevate concentrazioni di composti osmoticamente attivi, come sali o zuccheri, abbassano l'aw negli alimenti. Ogni variazione di concentrazione osmotica ambientale può modificare la probabilità di sopravvivenza di un microrganismo Valore limite aw Batteri 0.90 Lieviti 0.85 Muffe 0.80 Batteri Alofili 0.75 Muffe xerofile 0.65 Lieviti osmofili 0.60

Strategie di sopravvivenza Al diminuire della attività dell’acqua nell’ambiente, i m.o. reagiscono mediante produzione e accumulo di SOLUTI COMPATIBILI Osmoliti Zuccheri Proteine Alcoli Batteri: betaina, carnitina, prolina, ioni K+, glutammato, glutamina, alanina, saccarosio, trealosio Funghi alofili e xerofili producono alcoli poli-idrici, come glicerolo, eritritolo, arabitolo, mannitolo

Adattamento dei m.o. agli stress osmotici γ-butirro betaina Finisce Fabio Batteri

Adattamento dei m.o. agli stress osmotici Lieviti

Potenziale redox e stress ossidativo ANAEROBI AEROTOLLERANTI Tutti gli organismi viventi generano l’energia necessaria alle loro attività metaboliche attraverso le reazioni di ossidoriduzione. POR = misura della tendenza di un substrato ad acquisire o cedere elettroni AEROBI Richiedono ossigeno per produrre energia necessaria per la loro crescita MICROAEROFILI Richiedono ossigeno per produrre energia necessaria per la loro crescita, ma in concentrazione minore di quello presente nell’aria ANAEROBI FACOLTATIVI Possono crescere sia in presenza sia in assenza di ossigeno ANAEROBI OBBLIGATI Crescono solo se non è presente ossigeno libero, che risulta tossico per la cellula ANAEROBI AEROTOLLERANTI Possono crescere sia in presenza che in assenza di ossigeno producendo la stessa quantità di energia e di prodotti metabolici in entrambe le condizioni Inizia Marghe

Potenziale redox e stress ossidativo Il POR di un alimento è determinato da diversi fattori: POR naturale dell'alimento O2 dell'atmosfera circostante grado di interazione tra atmosfera ed alimento processi di trasformazione a cui l'alimento è sottoposto metabolismo microbico pH dell'alimento

Prodotti dello stress ossidativo Origine endogena ed esogena Danni dovuti allo stress ossidativo Modifica della struttura delle proteine di membrana e di enzimi Inattivazione dei composti antiossidanti Denaturazione del DNA

Strategie di sopravvivenza Sia eucarioti che procarioti hanno sviluppato diverse strategie per difendersi dalla tossicità dell’ossigeno. Queste difese includono meccanismi non enzimatici ed enzimatici.

Contenuto di nutrienti Per la crescita i microrganismi richiedono: FONTI di ENERGIA: zuccheri alcoli aminoacidi carboidrati complessi grassi FONTI di AZOTO: aminoacidi nucleotidi peptidi proteine Esigenze di nutrienti: Gram + > Gram - > Lieviti > Muffe

Tutti gli alimenti hanno caratteristiche tali da soddisfare le esigenze nutritive dei m.o. , ma una carenza dei nutrienti, determinata sia dall’esaurimento degli stessi sia dal mancato trasporto all’interno della cellula, induce i m.o. ad entrare nella fase stazionaria con blocco della crescita. Tre sono i composti che possono venire a mancare durante la fase stazionaria: Carboidrati (zuccheri), porta ad una diminuzione dell’energia disponibile Fosfati, utili per la formazione di ATP ed essenziali per i processi di replicazione e di sintesi di DNA e RNA Azoto, essenziale per la sintesi delle proteine

Strategie di sopravvivenza Lo stress nutritivo è lo stress più comune al quale le popolazioni batteriche vanno incontro, per questo le loro strategie di resistenza sono molto diversificate. Formazione di spore (es. Bacillus e Clostridium) Regolazione dell’espressione genica Modificazione della morfologia cellulare

Antimicrobici naturali Molti alimenti contengono naturalmente delle sostanze dotate di attività antimicrobica che conferiscono un certo livello di stabilità microbiologica. Tra i costituenti antimicrobici più importanti ritroviamo: Oli essenziali Tannini Glicosidi Resine Fitoalessine Lectine Inizia Marika

Alcune sostanze antimicrobiche possono essere prodotte anche durante l'applicazione di alcuni trattamenti tecnologici agli alimenti. Durante l'affumicatura (carne, pesce, formaggio) si producono sostanze come i fenoli che oltre ad avere effetto antimicrobico abbassano il pH superficiale dell'alimento. Strategie di sopravvivenza???? Nei processi di fermentazione vengono prodotte dai batteri lattici sostanze biologicamente attive chiamate batteriocine in grado di instaurare competizione intraspecifica

pH Il pH degli alimenti misura la concentrazione degli ioni idrogeno liberi. Ogni specie di m.o. ha un suo range di pH di sopravvivenza ed anche all’interno della stessa specie i range possono cambiare. pH min pH max Optimum Muffe 1.5 9.0 3.0-3.5 Lieviti 2.0 8.5 4.0-4.5 Batteri 4.5 6.8-7.2

Il processo di acidificazione può essere indotto sia dalla fermentazione stessa dei microrganismi presenti nell’alimento e sia dall’aggiunta di acidi deboli come bioconservanti ACIDO PROPIONICO Applicato come antimicotico nei formaggi e nel pane ACIDO ACETICO attivo nei confronti di lieviti e batteri ma non muffe. Efficacia maggiore a basso pH. Aggiunto a maionese, salsa pomodoro, semiconserve ittiche ACIDO SORBICO Blocca lo sviluppo di muffe inibendo l’enzima deidrogenasi. È utilizzato per i prodotti da forno, succhi di frutta, confetture. ACIDO BENZOICO attivo soprattutto su muffe e lieviti a basso pH quindi è aggiunto nei prodotti ad alta acidità (succhi di frutta, conserve pomodoro, bevande gassate) ACIDI ORGANICI Aggiunti negli alimenti o prodotti dalle fermentazioni microbiche

Il pH ha effetti sull’attività di: 1. enzimi della catena respiratoria della cellula 2. trasporto dei nutrienti all’interno della cellula 3. membrana citoplasmatica I m.o. di origine alimentare possono sopravvivere negli ambienti acidi grazie alla loro abilità a regolare il ph interno attraverso: aumento del catabolismo degli amminoacidi movimento controllato di cationi mediante proteine di membrana induzione di enzimi riparatori del DNA Finisce Marika funzionamento della memb citoplasmatica

Strategie di sopravvivenza dei Batteri Lo stress indotto da acidità può essere descritto come una combinazione di effetti biologici dovuti all’abbassamento del pH e all’azione degli acidi deboli presenti nella matrice alimentare. E. coli O157:H7 S. typhimurium

Acid Response (AR) e Acid Tolerance Response (ATR) RpoS

Strategie di sopravvivenza dei Lieviti Espulsione di H+ attraverso ATPasi di membrana (Pma1) Meccanismi di modificazione dell’espressione genica (War1, Msn2) S. cerevisiae Finisce Dome

Grazie per l’attenzione !