Microbiologia e Tecniche

Cos'è la Microbiologia e le sue Tecniche

• Studio i microrganismi e la loro attività
• Microrganismi invisibili ad occhio nudo, necessitano di microscopi
• Tecniche di sterilizzazione (es. autoclavi) e mezzi di coltura per l'isolamento e la crescita

Importanza dei Microrganismi

• Cause di malattie (piante e animali)
• Causa di degradazione di alimenti
• Essenziali per la vita (fertilizzazione del suolo e cicli geochimici)
• Importanti per la conservazione (microrganismi nelle fermentazioni degli alimenti)
• Produttori di farmaci e molecole industriali

Biogenesi o Abiogenesi?

• Biogenesi: la vita deriva da altri organismi viventi, tramite la riproduzione
• Teoria di Pasteur, confuta l'abiogenesi
• Abiogenesi: generazione spontanea della vita da sostanze non viventi
• Aristotele: animali da piante e terreno

Postulati di Koch

• Presenza dell'agente patogeno in tutti i casi di malattia
• Assenza dell'agente patogeno negli individui sani
• Isolamento e coltura pura dell'agente patogeno
• Inoculo di coltura pura causa la malattia
• Re-isolamento dell'agente patogeno dall'individuo infettato sperimentalmente

Classificazione degli Esseri Viventi

• Dominio Bacteria: batteri procarioti, diffusi sulla Terra
• Dominio Archea: organismi procarioti, ambienti estremi (es. termofili, alofili)
• Dominio Eukarya: organismi eucarioti, cellule con nucleo (es. funghi, piante, animali)

Gram+ e Gram-: Differenze nella Parete Cellulare

• Gram+: parete cellulare spessa, unico strato di peptidoglicano (mureina), molti legami crociati
• Ritenzione del colorante viola (trattato con cristalli violetto)
• Resistenza alla fucsina, mantiene il colore viola
• Lisozima (albume uovo, saliva): azione litica sulla parete cellulare
• Gram-: parete cellulare sottile, meno peptidoglicano, meno legami crociati
• Cedono la colorazione violetta
• Membrana esterna: doppio strato lipidico, proteine e polisaccaridi
• Funzioni: protezione, barriera per sostanze (inclusi farmaci)
• Adesione dei microrganismi, formazione di biofilm
• Azoto liquido necessario per rompere la membrana esterna e estrarre il DNA
• Lipopolisaccaride (LPS): componente tossica dei batteri Gram- (endotossina)
• Lipide A: porzione lipidica, componente tossica dell'LPS
• Antigene O: regione polisaccaridica, funzione antigenica

Microrganismi Patogeni e Qualità Sanitaria

• Microrganismi Patogeni causano infezioni e intossicazioni alimentari
• Alimento contaminato può essere:
  • Pericoloso: agente patogeno in dosi insufficienti per causare la malattia
  • Nocivo: agente patogeno in dosi sufficienti per causare la malattia
  • Sensibilità individuale: bambini, anziani, immunodepressi più a rischio
• Buona qualità microbiologica: assenza di patogeni, tossine e microrganismi alterativi

Concetti Fondamentali in Microbiologia

• Alimenti NON sterili
• UFC/g: unità di misura per il numero di batteri vitali
  • Alimento contaminato: fino a 10⁴ UFC/g
  • Alimento colonizzato: fino a 10⁶ UFC/g
• Alimento è un ecosistema: fattori intrinseci ed estrinseci influenzano lo sviluppo microbico
• Interazione con l'ambiente determina la crescita o meno dei microrganismi

Cosa Cercano i Microrganismi negli Alimenti?

• Glucidi: riserva energetica
• Proteine: amminoacidi
• Grassi: riserva energetica, acidi grassi essenziali, vitamine
• Minerali: calcio, cloro, magnesio, fosforo, potassio, sodio
• Micronutrienti: vitamine
• Acqua: fondamentale per crescita e sopravvivenza (Aw negli alimenti)

Fermentazione: Metodo di Conservazione

• Fermentazione spontanea: contaminazione microbiologica naturale della materia prima
• Starter naturale: microflora non controllabile
• Fermentazione guidata: utilizzo di starter selezionati per controllare la microflora
• Vantaggi della fermentazione:
  • Aumento della conservabilità degli alimenti
  • Sviluppo di aromi e sapori
  • Miglioramento del valore nutrizionale

Intossicazione da Clostridium Botulinum

• C. Botulinum: batterio anaerobico produttore di tossina neurotossica
• Tossina Botulinica: blocca il rilascio di acetilcolina, paralisi flaccida
• Fattori che influenzano la produzione della tossina:
  • Temperatura: il congelamento non inattiva le spore, ma la bollitura per 15' elimina la tossina
  • pH: lo sviluppo è favorito da pH vicino alla neutralità, l'ambiente acido inibisce la germinazione
  • Aw: valori di Aw ottimali per lo sviluppo e la produzione di tossina
  • Sale: concentrazioni inibenti per il C. Botulinum
  • Eh: C. Botulinum anaerobico, ma può svilupparsi in presenza di O2, il confezionamento sotto vuoto è rischioso
  • Flora competitiva: i batteri lattici hanno effetto antagonista

Vinificazione: I Microrganismi nel Vino

• Uva: composizione e microflora influenzano la produzione del vino

• Acino d'uva:

  • Buccia: ricca di pigmenti, tannini, sostanze azotate
  • Semi: fonte di acidi grassi e sostanze aromatiche
  • Polpa: ricca di zuccheri (fruttosio prevalente), contiene pentosi

• Acidi Organici:

  • Acido Tartarico: non fermentato, precipita come cremor tartaro
  • Acido Malico: fermentato dai lieviti e dai batteri lattici
  • Acido Citrico: non fermentato dai lieviti, utilizzato dai batteri lattici

• Lieviti: ruolo nella fermentazione alcolica

  • Respirazione: in presenza di ossigeno
  • Fermentazione: in assenza di ossigeno, produzione di etanolo
  • Effetto Crabtree: preferenza per la fermentazione in presenza di alte concentrazioni di glucosio
  • Fermentazione Gliceropiruvica: produzione di glicerolo in presenza di solfito

• Batteri Lattici: ruolo nella fermentazione malolattica

  • Trasformazione dell'acido malico in acido lattico
  • Influenza sul sapore e l'aroma del vino

• Il vino è un ecosistema complesso: l'interazione tra i fattori intrinseci ed estrinseci determina la qualità del prodotto

• Controllo dei microrganismi: fondamentale per garantire la qualità e la sicurezza del vino

Batteri Gram+ e Gram-

• I batteri Gram+ e Gram- si distinguono per la struttura della parete cellulare.
• La parete cellulare dei batteri Gram+ è caratterizzata da uno strato spesso e unico di peptidoglicano (mureina) con molti legami crociati. È responsabile della ritenzione del colorante viola (trattato con cristalli violetto).
• La parete cellulare dei batteri Gram- è formata da uno strato più sottile di peptidoglicano (mureina) con meno legami crociati.
• I batteri Gram- presentano una membrana esterna sopra lo strato di mureina.
• La membrana esterna dei batteri Gram- è una membrana a doppio strato costituita da fosfolipidi, proteine e polisaccaridi.
• La membrana esterna dei batteri Gram- funge da barriera per il passaggio di sostanze, compresi i farmaci.
• Il lipopolisaccaride (LPS) è una endotossina, un composto tossico che si sviluppa all'interno dei batteri patogeni.
• Il LPS è composto da due parti: lipide A e antigene O.
• Il lipide A è la porzione lipidica che affonda nel corpo batterico ed è la componente tossica dell'endotossina.
• L'antigene O è la regione estrema del lipopolisaccaride, polisaccaridica e con funzioni antigeniche.

Proprietà organolettiche e qualità tecnologica degli alimenti

• La qualità organolettica di un alimento è l'insieme delle sue caratteristiche fisiche e chimiche percepite dagli organi di senso.
• Le proprietà organolettiche comprendono: vista, tatto, olfatto, gusto e udito.
• La qualità tecnologica di un alimento si riferisce a proprietà come pH, colore del tessuto muscolare e adiposo, capacità di legare o trattenere acqua e conducibilità elettrica.

Qualità microbiologica degli alimenti

• La qualità microbiologica di un alimento si riferisce alla presenza o assenza di microrganismi in grado di provocare fenomeni alterativi.
• La qualità igienica è correlata alla presenza o assenza di microrganismi che non hanno effetti nocivi o tossici.
• La qualità sanitaria è correlata alla presenza di patogeni.
• Le cariche microbiche elevate non incidono necessariamente sulla qualità sanitaria ma incidono sulla conservabilità del prodotto.

Germi alteranti, utili e inerti

• I germi alteranti sono responsabili della comparsa di alterazioni nell'alimento.
• I germi alteranti possono modificare l'odore, la consistenza, il colore e la struttura dell'alimento.
• I germi utili sono importanti nell'industria alimentare (es. batteri probiotici).
• I germi inerti non hanno effetto sulla conservabilità del prodotto.

Funghi: lieviti e muffe

• I funghi sono organismi eucarioti eterotrofi.
• I funghi possono essere unicellulari (lieviti) o pluricellulari (muffe).
• La struttura del fungo è organizzata in tallo o micelio.
• I lieviti hanno un tallo unicellulare.
• Le muffe hanno un tallo pluricellulare.
• I funghi si riproducono per via sessuata (con produzione di cellule aploidi) o asessuata (mitosi).

Muffe: funghi pluricellulari

• Le muffe sono costituite da ife: filamenti lunghi e sottili che formano il micelio.
• Il micelio può essere aereo (funzione replicativa) o vegetativo (funzione nutritiva).
• Le ife possono essere settate o cenocitiche.
• Le muffe possono avere ruoli utili, alterativi o patogeni negli alimenti.

Lieviti: funghi unicellulari

• I lieviti sono organismi unicellulari microscopici.
• Si riproducono per via asessuata (gemmazione e divisione trasversale).

Salmonella

• In Italia, la Salmonella è la prima causa di malattia associata al consumo di alimenti.
• La Salmonella è un batterio enterico Gram- responsabile di infezioni enteroinvasive.
• La Salmonella è responsabile di febbre tifoide, febbri enteriche e gastroenteriti.
• La Salmonella si trasmette attraverso l'ingestione di prodotti alimentari crudi o poco cotti o di acqua contaminata.

Enterobacter sakazakii

• Enterobacter sakazakii è un batterio enterico Gram- considerato un patogeno emergente.
• Enterobacter sakazakii è responsabile di infezioni neonatali, soprattutto meningite ed enterocolite necrotizzante.
• Enterobacter sakazakii è ubiquitario e si trova in suolo, acqua, ambiente ospedaliero, industria alimentare e intestino di insetti.
• Il principale veicolo di trasmissione è il latte in polvere per l'infanzia.

Fermentazione degli alimenti

• La fermentazione è un processo biochimico basato sulla demolizione di carboidrati per formare prodotti finali quali acidi (lattico e acetico), alcol (etanolo) e CO2.
• La fermentazione comporta l'abbassamento del pH, migliorando la conservazione degli alimenti e aumentando la durata di conservazione.
• Modifica il valore nutrizionale degli alimenti, ad esempio tramite la degradazione delle proteine (come il glutine) e dei grassi.
• Arricchisce le proprietà sensoriali, modificando sapori, odori e consistenza, grazie alla presenza di acidi grassi a catena corta.
• Può favorire la detossificazione degli alimenti, grazie alla produzione di enzimi che distrugono i composti tossici dell'ossigeno.
• Genera composti ad azione antimicrobica, come le batteriocine, ad esempio la nisina, prodotta dai batteri lattici.

Tipi di Fermentazione

• Fermentazione trasformativa: si applica a materie prime animali o vegetali.
• Fermentazione estrattiva: si applica a prodotti come caffè e cacao.

Batteri coinvolti nella fermentazione

• Batteri lattici: utilizzati nei formaggi, nel latte fermentato, nelle olive in salamoia e nei salami. Appartengono ai generi Lactobacillus e Pediococcus.
• Lieviti: utilizzati nelle bevande alcoliche e nel lievito di birra (fermentazione alcolica).
• Batteri propionici: importanti nella produzione di alcuni formaggi (quelli con i buchi) per la formazione di CO2 e la formazione della tipica struttura.
• Batteri acetici: utilizzati nella produzione di aceto di vino e di mosto.
• Micrococcaceae: coinvolti nei salami. Generi come Micrococcus (come nel Taleggio) e Staphylococcus (tra cui lo S. aureus patogeno, che produce tossine termo stabili).
• Muffe: utilizzate nei salami e in alcuni formaggi.

Preparazione della materia prima per la fermentazione

• Vino: pigiatura dell'uva per eliminare la buccia e liberare gli zuccheri fermentescibili.
• Birra: germinazione delle cariossidi per idrolizzare l'amido e rendere disponibile il maltosio, uno zucchero fermentescibile.
• Formaggio: coagulazione del latte con il caglio per separare la cagliata dal siero.

Lieviti

• Hanno un ruolo importante nella produzione di pane, vino, birra, formaggi, salsa di soia e nella produzione di acidi come citrico e malico.
• Appartengono al genere Saccharomyces.
• Saccharomyces cerevisiae: utilizzato per pane e birra.
• Saccharomyces pastorianus: utilizzato per birra.

Metabolismo dei lieviti

• Aerobi obbligati: non possono utilizzare il glucosio in assenza di ossigeno.
• Anaerobi facoltativi: possono utilizzare il glucosio sia in presenza che in assenza di ossigeno.
• Il metabolismo del glucosio varia in funzione della presenza o assenza di ossigeno:
  • Respirazione (in aerobiosi): genera un'elevata produzione di ATP (38) e libera CO2. Il piruvato viene ossidato e decarbossilato ad AcetylCoA, una reazione catalizzata dalla piruvato deidrogenasi.
  • Fermentazione (in anaerobiosi): il piruvato viene trasformato in CO2, etanolo e succinato. Richiede più glucosio per produrre la stessa quantità di ATP, quindi necessita di una maggiore glicolisi (anaerobica). Il piruvato viene decarbossilato non ossidativamente ad acetaldeide (piruvato decarbossilasi), e l'acetaldeide viene ridotta ad etanolo (alcol deidrogenasi), dove interviene il coenzima NADH che viene convertito in NAD+.

Effetti Pasteur e Crabtree

• Effetto Pasteur: in assenza di ossigeno, la cellula fermenta; in presenza di ossigeno, la cellula respira, consumando meno glucosio. La respirazione avviene solo a basse concentrazioni di glucosio.
• Contro effetto Pasteur (Effetto Crabtree): in presenza di quantità elevate di glucosio (e piruvato), la respirazione viene inibita e prevale la fermentazione, anche in presenza di ossigeno. Il NADH viene ossidato (NAD+) attraverso la fermentazione.

Controllo dei Microrganismi

• Le basse temperature (congelamento e refrigerazione) e le alte temperature (pastorizzazione e sterilizzazione) sono utilizzate per controllare i microrganismi.

Monitoraggio Microbiologico Ambientale (MAM)

• Il MAM tiene conto della contaminazione diretta (derivante dall’uomo o da strumenti non sterili) e indiretta (attraverso i sistemi di ventilazione).
• Si compone di due momenti: controllo delle superfici e controllo dell’aria.

Controllo delle Superfici

• Le tecniche per il controllo delle superfici includono:
  • Tecnica Swab: lavaggio delle attrezzature con detergenti e prelievo con un tampone
  • Tecnica della Membrana di Nitrocellulosa: utilizzo di una membrana sulla superficie, coltivata su terreno di coltura.

Controllo dell’Aria

• I batteri più comuni nell'aria sono: Bacillus, Pseudomonas, Staphylococcus, Micrococcus.
• Campionamento Passivo: Utilizza piastre Petri di sedimentazione (PCA Agar) con terreno di coltura agarizzato sterile. Si incubano a diverse temperature per determinare la carica batterica mesofila (37°C per 48h) e psicrofila (25°C per 24h).
• Campionamento Attivo: Utilizza un SAS (Surface Air System) per aspirare l'aria in una piastra Petri con terreno agarizzato. Le piastre vengono incubate a 37°C per 48h e a 25°C per 24h.
• L’IMA (Indice Microbico ARIA) è misurato in ufc/dm2/h e rappresenta il numero di microrganismi presenti in una determinata area.

Controllo delle Acque

• I microrganismi possono formare biofilm nella rete idrica.
• Le membrane filtranti trattengono i microrganismi. La membrana viene trasferita su terreni di coltura per la crescita delle colonie e il conteggio delle UFC (Unità Formanti Colonie).

Qualità Microbiologica: IGIENICO-SANITARIA

• Determina la presenza o assenza di microrganismi che possono provocare fenomeni alterativi.
• Qualità Igienica: non implica effetti nocivi o tossici.
• Qualità Sanitaria: considera la presenza di patogeni. Cariche microbiche elevate non incidono necessariamente sulla qualità sanitaria, ma influenzano la conservabilità del prodotto.

Qualità Igienica: Germi Alteranti, Utili, Inerti

• Germi Alteranti: portano alla comparsa di alterazioni nel prodotto. Devono essere sempre eliminati.
• Germi Utili: importati per l'industria alimentare, come i batteri probiotici e prebiotici.
• Germi Inerti: non influenzano la conservabilità, ma possono trasformarsi in alteranti o patogeni se le condizioni cambiano.

Qualità Sanitaria: Patogeno

• Patogeno: responsabile di infezioni e intossicazioni alimentari.
• Pericoloso: l'agente eziologico non è presente in dosi sufficienti per scatenare la malattia.
• Nocivo: l'agente eziologico è presente in dosi tali da scatenare la malattia se l'alimento è ingerito.
• La dose a rischio dipende dalla sensibilità individuale del consumatore.

Buona Qualità Microbiologica: Obiettivi

• Assenza di patogeni, tossine e microrganismi alteranti negli alimenti.
• Si ottiene attraverso:
  • Materia prima a basso carico microbico.
  • Trasformazioni in condizioni igieniche idonee.
  • Conservazione adeguata.

Tre Concetti in Microbiologia

• Gli alimenti non sono sterili.
• UFC/g: unità di misura per il numero di batteri vitali.
• L'alimento è un ecosistema in cui fattori intrinseci ed estrinseci regolano lo sviluppo microbico.

Cosa Cercano i Microrganismi negli Alimenti?

• Glucidi: riserva energetica
• Proteine: contenuto di amminoacidi
• Grassi: riserva energetica, acidi grassi essenziali, vitamine
• Minerali: calcio, cloro, magnesio, fosforo, potassio, sodio
• Altri micronutrienti: vitamine
• Acqua: fondamentale per la crescita e sopravvivenza.

Fermentazione: Metodo di Conservazione

• Fermentazione Spontanea: contaminazione microbiologica della materia prima.
• Fermentazione Guidata: utilizza starter con microrganismi selezionati in laboratorio per produzioni standardizzate.
• Standard di Processo: La fermentazione aiuta a controllare i patogeni, gli alteranti e favorisce la crescita dei microrganismi utili.

Processo Biochimico della Fermentazione

• Demolizione dei carboidrati per formare acidi (lattico e acetico), alcol (etanolo) e CO2.
• Effetti della fermentazione:
  • Abbassa il pH migliorando la conservazione.
  • Modifica il valore nutrizionale dell'alimento.
  • Arricchisce le proprietà sensoriali.
  • Modifica le proprietà reologiche del prodotto.
  • Può favorire la detossificazione.
  • Genera composti ad azione antimicrobica, come le batteriocine.

Classificazione della Fermentazione

• Fermentazione Trasformativa: animale o vegetale.
• Fermentazione Estrattiva: caffè, cacao..

Batteri Coinvolti nella Fermentazione

• Batteri Lattici: formaggi, latte fermentato, olive in salamoia, salami. (Lactobacillus e Pediococcus).
• Lieviti: bevande alcoliche, lievito di birra (fermentazione alcolica).
• Misti: es. Lievito Madre.
• Batteri Propionici: formazione di buchi in alcuni formaggi.
• Batteri Acetici: aceto di vino e di mosto.
• Micrococcaceae: salami. Micrococcus e Staphylococcus (S. Aureus patogeno produttore di tossine termo stabili).
• Muffe: salami e alcuni formaggi.

Materia Prima per la Fermentazione

• Zuccheri fermentescibili e disponibili.
• Preparazione della materia prima:
  • Vino: pigiatura dell’uva per liberare gli zuccheri.
  • Birra: germinazione delle cariosside per rilasciare maltosio, uno zucchero fermentescibile.
  • Formaggio: l'anidride solforosa è utilizzata per controllare i microrganismi e migliorare la conservabilità.

Utilizzazione di Lieviti Selezionati e Anidride Solforosa nella Fermentazione del Vino

• L'anidride solforosa è un antisettico selettivo che favorisce i lieviti ad alto potere alcoligeno e previene lo sviluppo di microrganismi indesiderati nel vino.
• I lieviti ellittici del genere Saccharomyces, come S. cerevisiae e S. bayanus, sono i più idonei per la trasformazione del mosto in vino.
• La solfitazione aiuta a prevenire l'ossidazione del vino.
• Anche i ceppi di lieviti selezionati possono essere aggiunti per controllare la fermentazione.

Questo quiz esplora le basi della microbiologia, includendo lo studio dei microrganismi e le tecniche utilizzate nel loro isolamento e crescita. Scoprirai l'importanza dei microrganismi nella salute, nella produzione alimentare e nell'industria. Inoltre, il quiz affronta le teorie della biogenesi e abiogenesi e i postulati di Koch.