Francesco Villani » 6.Batteri lattici: ecologia, fisiologia e tassonomia

I batteri lattici

Generalità

Tra i microrganismi coinvolti nella preparazione di alimenti fermentati, i batteri lattici, sia naturalmente presenti sulle materie prime, sia aggiunti agli alimenti come componenti di colture starter e/o protettive, trovano largo impiego nella produzione di una grande varietà di alimenti fermentati, come derivati del latte, della carne, di vegetali, di prodotti da forno, insilati e altri, contribuendo in vari modi nel determinare le loro caratteristiche e la loro stabilità.

Generalità

• I batteri lattici sono considerati organismi di grado alimentare (Food-grade) e la maggior parte di essi sono riconosciuti come generalmente sicuri per la salute umana, cioè organismi GRAS (generally recognised as safe).
• I batteri lattici sono microrganismi ampiamente diffusi in natura, prediligendo habitat ricchi di nutrienti. Sono associati con vari prodotti alimentari come carne, latte e vegetali e alcune specie fanno parte della normale microflora della bocca, dell’intestino e della vagina umana.

Classificazione attuale dei batteri lattici

Batteri e cocchi gram-positivi, catalasi negativi, non sporigeni.

Gruppo eterogeneo di microrganismi. Altre caratteristiche:

• Non hanno citocromi e una catena di trasporto degli elettroni, traendo energia solo dalla fosforilazione a livello del substrato nel corso della fermentazione degli zuccheri.
• Crescono anaerobicamente. La maggior parte delle specie non è sensibile all’ossigeno e possono dunque crescere anche in sua presenza. Sono pertanto considerati come anaerobi ossigeno tolleranti.
• Hanno esigenze nutrizionali complesse richiedendo per il loro sviluppo aminoacidi, purine, pirimidine e vitamine.

Classificazione attuale dei batteri lattici

Sulla base delle sequenze dell’rRNA i batteri Gram-positivi sono distinti in due gruppi principali.

• Batteri Gram-positivi con G+C% del DNA <55%
  • Sub divisione Clostridium: Batteri lattici e altri.
• Batteri Gram-positivi con G+C% del DNA >55%
  • Sub divisione Actinomycetes: bifidobatteri e altri.

Fermentazione omolattica (Via glicolitica)

Il glucosio, attivato da una glucochinasi ATP-dipendente è trasformato in fruttosio-1,6-difosfato che a sua volta è idrolizzato in due triosi, la 3-fosfogliceraldeide e il diidrossiacetonefosfato dall’enzima fruttosio-1,6-difosfoaldolasi. La successiva sequenza metabolica porta alla formazione di piruvato e di ATP mediante fosforilazione a livello del substrato. La riduzione del piruvato ad acido lattico, mediante l’intervento di una lattico deidrogenasi-NAD dipendente, consente di ristabilire il bilancio redox attraverso la riossidazione del NADH formato durante l’ossidazione della 3-fosfogliceraldeide a 1,3-difosfoglicerato. Da una molecola di esoso sono prodotte due molecole di acido lattico (fermentazione omolattica) e due molecole di ATP.

Fermentazione eterolattica

Via del fosfogluconato/fosfochetolasi (o via dell’esosomonofosfato o via dei pentoso fosfato)

il glucosio dopo fosforilazione è ossidato a 6-fosfogluconato che a sua volta è decarbossilato a ribulosio 5-fosfato. Quest’ultimo, dopo trasformazione in xilulosio 5-fosfato, è scisso in gliceraldeide 3-fosfato e acetil fosfato, per mezzo dell’enzima fosfochetolasi. La gliceraldeide 3-fosfato è metabolizzata ad acido lattico secondo la via glicolitica, mentre l’acetil fosfato è ridotto ad acetaldeide e quindi ad etanolo.

Da una molecola di esoso sono prodotti una molecola di acido lattico (in rapporto stechiometrico di 1,8 moli/1mole di glucosio), una di CO2, una di etanolo (in anerobiosi) o una di acido acetico (in aerobiosi) e una di ATP.

L’enzima lattico-deidrogenasi (Figura 6d).

La reazione catalizzata dalla lattico deidrogenasi

Trasporto degli zuccheri

Gli zuccheri possono essere trasportati all’interno della cellula microbica sia come zuccheri liberi che come derivati fosforilati.

• ZUCCHERI LIBERI: lo zucchero è attivato all’interno della cellula attraverso una fosforilazione mediata da una fosfotrasferasi ATP-dipendente;
• ZUCCHERI FOSFORILATI: lo zucchero è trasportato mediante l’intervento di una fosfotrasferasi dipendente dal fosfoenolpiruvato accumulato endogenamente nel corso della fermentazione e che funge da donatore di fosfato. Tale sistema di trasporto, denominato sistema fosfoenolpiruvato-fosfotrasferasi (PEP-PT) è un complesso sistema enzimatico che trasporta lo zucchero attraverso la membrana con simultanea fosforilazione.

I batteri lattici: trasporto del lattosio

Trasporto del lattosio nei batteri lattici

I batteri lattici: attività proteolitica

I batteri lattici possono utilizzare, in funzione del loro corredo enzimatico proteolitico, una serie di composti proteici per soddisfare le loro esigenze in amminoacidi.

• L’esigenza in amminoacidi è ceppo-dipendente e può variare da 4 fino a 14 diversi amminoacidi.
• In latte la crescita dei LAB dipende dai loro enzimi proteolitici.
• Le caseine costituiscono circa l’80% delle proteine nel latte: αs1, αs2, β e k-caseina.
• Le caseine contengono tutti gli amminoacidi necessari alla crescita dei LAB.
• La quantità di amminoacidi liberi e peptidi nel latte è molto bassa.

I batteri lattici: attività proteolitica

Componenti del sistema proteolitico

1. PROTEINASI

Sono localizzate a livello della parete cellulare e appartengono al gruppo delle serina-proteasi. Scindono le proteine in peptidi che sono trasportati nella cellula da un sistema di trasporto degli oligopeptidi.

Sono classificate in base a pH e temperature ottimali ovvero alla specificità del substrato:

• Tipo P_I degrada la β-caseina (C terminale, prolina) e meno specificamente la k-caseina.
• Tipo P_III degrada la β-caseina (N terminale), βs1- e k-caseina.
• I vari tipi dipendono dal ceppo di LAB.
• Dalla β-caseina si hanno più di 100 oligopeptidi.
• Dalla αs1-caseina si hanno circa 25 grossi peptidi.

Componenti del sistema proteolitico

2. PEPTIDASI

Possono essere sia extra che intra-cellulari e idrolizzano i peptidi in amminoacidi.

3. CARRIERS

Sistemi enzimatici di membrana che operano il trasporto di peptidi e amminoacidi all’interno della cellula.

SISTEMI DI TRASPORTO DEGLI AMMINOACIDI

• Simporto accoppiato alla forza proton-motrice (es. Leu/Val/Ile, Ala/Gly, Ser/Thr).
• Antiporto (arginina:ornitina).
• ATP-dipendente (Glu/Gln, Asn, Pro/Gly-Bet).

I batteri lattici: attività aromatica

Metabolismo del citrato e produzione di sostanze aromatiche

• Il citrato è metabolizzato solo da lattococchi e leuconostoc.
• Il citrato non è metabolizzato dalle colture termofile.
• I prodotti sono acetoino, diacetile e CO2.
• L’enzima del trasporto del citrato è una permeasi (citP).
• Il trasporto del citrato è un carattere plasmidico.
• Il trasporto del citrato è pH dipendente.

Considerazioni conclusive

Batteri lattici

In questa lezione abbiamo preso in considerazione le principali caratteristiche ecologiche, fisiologiche e tassonomiche dei batteri lattici.

Alcuni punti di riflessione e studio sono i seguenti:

• I batteri lattici, sia naturalmente presenti sulle materie prime, sia aggiunti agli alimenti come componenti di colture starter e/o protettive, trovano largo impiego nella produzione di una grande varietà di alimenti fermentati, come derivati del latte, della carne, di vegetali, di prodotti da forno, insilati e altri, contribuendo in vari modi nel determinare le loro caratteristiche e la loro stabilità.
• Le attività metaboliche di principale interesse alimentare sono: la fermentazione dei carboidrati, l’azione sulle proteine, la produzione di sostanze aromatiche e la produzione di sostanze ad azione antimicrobica.

Prossima lezione

Batteri lattici: Generi Lactobacillus, Carnobacterium, Weissella, Leuconostoc, Pediococcus

Nella prossima lezione tratteremo l’ecologia, la fisiologia e la tassonomia delle principali specie di batteri lattici coinvolte nei processi di produzione degli alimenti.

In particolare tratteremo i seguenti generi:

• Lactobacillus
• Carnobacterium
• Weissella
• Leuconostoc
• Pediococcus