Francesco Villani » 5.Fattori ecologici estrinseci, impliciti e tecnologici

Fattori ecologici estrinseci

Sono l’espressione delle condizioni dell’ambiente in cui è conservato l’alimento.

Tratteremo di:

• Temperatura
• Umidità
• Tenore dei gas dell’atmosfera dell’ambiente di conservazione (CO₂, O₂, N₂)

Temperatura e comportamento dei microrganismi

PSICROTROFICI. Microrganismi in grado di svilupparsi alle temperature di refrigerazione degli alimenti (da -5°C a +7°C). Hanno una grande importanza in quanto sono responsabili delle alterazioni degli alimenti refrigerati. Fanno parte di questo gruppo specie di batteri (Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Brochothrix, Carnobacterium e altri), lieviti (Candida, Saccharomyces e altri) e muffe (Aspergillus, Penicillium e altre).

Perché possono crescono anche a basse temperature?

I lipidi di membrana contengono un’alta percentuale di acidi grassi insaturi i quali abbassando il punto di solidificazione consentono alla membrana citoplasmatica di svolgere le proprie funzioni di assorbimento e trasporto dei nutrienti anche a bassa temperatura. Inoltre a temperature superiori a 30°C vi è una minore stabilità di alcuni enzimi.

Temperatura e comportamento dei microrganismi

Le temperature minime e massime di crescita di un microrganismo dipendono strettamente dai valori degli altri fattori ecologici e sono valide quando questi ultimi sono ai loro valori ottimali.

Esempio di interazione tra fattori ecologici sulla crescita di Staphylococcus aureus:

• A pH 7,0 e a_w di 0,99 il microrganismo ha un range di temperatura di crescita compreso tra 6,7-48°C.
• A pH 5,0 e in presenza del 3% di NaCl (a_w 0,985) il range di temperatura di crescita è invece compreso tra 30 e 42°C.

Controllo dei microrganismi con la temperatura

Conservazione refrigerata

Conservazione degli alimenti a temperature comprese tra -1-0°C fino a 5-10°C.

Le basse temperature determinano un allungamento della fase lag e una riduzione del tasso di crescita dei batteri psicrotrofi e allo stesso tempo inibiscono la crescita dei mesofili, allungando la vita di conservazione degli alimenti.

I tempi di conservazione dipendono da una serie di fattori, tra i quali sono determinanti il livello iniziale di contaminazione, soprattutto di psicrotrofi, la natura dell’alimento e l’impiego combinato con altre tecnologie di conservazione (trattamenti preliminari dell’alimento come lavaggio e scottatura; atmosfera protettiva, ecc).

Controllo dei microrganismi con la temperatura

Effetti del congelamento sui microrganismi

• Abbassamento della temperatura dell’alimento a valori di -18°C.
• Al di sotto nessun microrganismo è in grado di moltiplicarsi.
• Il congelamento determina un abbassamento dell’attività dell’acqua (a -18°C a_w=0,841) e una concentrazione dei solidi disciolti, che influenzano l’attività dei microrganismi.
• Durante il congelamento di un alimento, una parte della popolazione microbica subisce danni irreversibili.

La resistenza dei microrganismi al processo dipende:

• batteri Gram-negativi più sensibili dei Gram-positivi
• spore sono altamente resistenti
• cellule più sensibili in fase attiva di crescita
• velocità di congelamento: maggiore è la velocità di congelamento (18°C in meno di 30 min) minore è il danno cellulare

Controllo dei microrganismi con la temperatura

Alte temperature

I trattamenti termici devono conciliare due obiettivi, ovvero ridurre le popolazioni microbiche a livelli accettabili (patogeni e/o alterativi) e allo stesso tempo mantenere quanto più inalterate possibili le caratteristiche organolettiche dell’alimento.

In base alla temperatura e alla durata del trattamento possiamo distinguere diversi trattamenti termici:

• Scottatura o blanching: sono trattamenti (a circa 100°C) che hanno lo scopo principale di inattivare enzimi e ridurre la maggior parte dei microrganismi che contaminano la superficie degli alimenti
• Termizzazione: trattamento termico effettuato a temperature di 60-65°C per pochi secondi, con l’obiettivo di abbassare il numero di microrganismi contaminanti un alimento. Questi trattamenti non assicurano il completo risanamento igienico del latte e dunque non sostituiscono i trattamenti di pastorizzazione

Controllo dei microrganismi con la temperatura

Alte temperature

Trattamenti termici:

Pastorizzazione: trattamento termico, a temperature comprese tra 60 e 80°C, con l’obiettivo di risanare igienicamente un alimento.

• pastorizzazione del latte: 72°C per 15s (High temperature short time: HTST). Obiettivo: eliminazione di tutte le forme vegetative dei patogeni non sporigeni. Coppie tempo/temperatura stabilite sulla base della eliminazione delle forme vegetative dei patogeni più termoresistenti, quali Mycobacterium tubercolosis, Salmonella spp., Brucella e Coxiella burnetti. Al trattamento resistono spore batteriche e batteri termodurici, come Streptococcus thermophilus, Enterococcus spp. e Micrococcus spp.
• pastorizzazione uova liquide: 64,4°C per 2,5 sec.
• creme di latte: 80°C per 15 sec; 71°C per 10 min.
• succhi di frutta: 65°C per 30 min.

Controllo dei microrganismi con la temperatura

Alte temperature

Trattamenti termici:

Sterilizzazione (commerciale): trattamenti effettuati a temperature superiori ai 100°C con l’obiettivo di eliminare sia le forme vegetative che le spore di patogeni e alterativi.

• latte UHT (Ultra High Temperature): 138-142°C per 2-3 sec.
• conserve a bassa acidità (pH>4,5): 121°C per almeno 2,5 min. Obiettivo: 12 riduzioni decimali (12D) delle spore di Clostridium botulinum.

Per progettare un processo di trattamento termico con combinazioni tempo/temperatura efficaci a raggiungere gli obiettivi tecnologici prefissati, è di fondamentale importanza conoscere l’effetto del calore sui microrganismi.

Controllo dei microrganismi con la temperatura

Tempo di riduzione decimale

La pendenza della retta (Figura 5b) è direttamente correlata al tempo di riduzione decimale, D.

D è il tempo necessario, ad una data temperatura, a ridurre la popolazione microbica del 90% o di un logaritmo, o, che è la stessa cosa, a ridurre ad 1 decimo la popolazione iniziale.

Il valore di D diminuisce all’aumentare della temperatura.

Il tempo di riduzione decimale può essere calcolato con la seguente equazione:

D=t/logN_o-logN_t

dove: N_o è il numero di microrganismi presenti prima del trattamento e N_t è il numero di microrganismi presenti dopo un tempo t di trattamento termico.

Controllo dei microrganismi con la temperatura

Costante di resistenza termica (z)

Il valore di z è definito come l’incremento di temperatura necessario per ridurre del 90% o di un ciclo logaritmico il valore di D. Esso è calcolato riportando graficamente il log dei valori di D alle rispettive temperature, ovvero:

z=T₂-T₁/logDT₁-logDT₂

Dove: T₁ e T₂ rappresentano, rispettivamente la temperatura più bassa e più alta dei trattamenti termici applicati, mentre, DT₁ e DT₂ i rispettivi valori di D.

Esempio: determiniamo i valori di D a varie temperature di una sospensione di spore batteriche. Supponiamo di avere le seguenti coppie Temperatura/D(min): 100/10; 110/1. Il valore di z sarà: 110-100/log₁₀-log₁=10/1-0=10°C. Dunque, è necessario aumentare di 10°C la temperatura (da 100°C a 110°C) per ridurre di 1 log (ad 1/10) il valore di D (da 10 a 1 min).

Controllo dei microrganismi con la temperatura

Tempo di morte termica

E’ indicato con F e indica il tempo necessario per ridurre ad un valore stabilito una popolazione di microrganismi o di spore.

In genere è espresso come multiplo di D (F=1D indica che il trattamento termico è in grado di determinare una riduzione della popolazione microbica del 90%).

Nei trattamenti termici applicati ad alimenti poco stabili si applica F₁₂₁=12D, con D di Clostridium botulinum. A 121°C il valore di D per le spore di C. botulinum è pari a 0,21 min, per cui il minimo processo necessario per alimenti in scatola non acidi, è 12×0,21=2.52 min.

Per convenzione il tempo di un trattamento termico a 121°C con un valore di z pari a 10°C si indica semplicemente con F0 ed esprime la letalità totale di una popolazione di 10¹² spore termoresistenti di botulino.

Umidità dell’ambiente che circonda l’alimento

L’umidità dell’ambiente di conservazione di un alimento influenza lo sviluppo microbico:

• influenza l’attività dell’acqua dell’alimento
• favorisce lo sviluppo superficiale dei microrganismi

Gli alimenti con bassa attività dell’acqua vanno conservati in ambienti con bassa UR in quanto tendono ad assorbire acqua fino a quando non è raggiunto l’equilibrio.

Le alterazioni superficiali a cui vanno incontro alcuni alimenti vengono accelerate in ambienti molto umidi.

Per contro, gli alimenti in ambienti molto secchi tendono a perdere acqua, con una alterazione delle loro caratteristiche organolettiche al punto da risultare indesiderati per il consumo.

Atmosfera gassosa dell’ambiente che circonda l’alimento

La composizione e la concentrazione dei gas dell’ambiente di conservazione di un alimento influenza lo sviluppo microbico.

Gli alimenti possono essere conservati in:

• Atmosfera aerobica: composizione dell’aria
• Atmosfera modificata: sostituzione dell’aria della confezione con concentrazioni note di ossigeno e anidride carbonica
• Sotto vuoto: assenza di gas

I vari gas possono influenzare in modo diverso il comportamento dei microrganismi. La CO2 a concentrazioni elevate è tossica per i microrganismi. L’assenza di gas in una confezione rallenta notevolmente lo sviluppo microbico, soprattutto a basse temperature.

La conservazione in ATMOSFERA MODIFICATA consente l’allungamento della shelf life di molti alimenti (carne, vegetali, ecc.).

Fattori ecologici impliciti

Sono l’espressione dei fenomeni di interazione che si instaurano tra le diverse popolazioni microbiche che colonizzano un alimento.

I microrganismi durante la loro crescita negli alimenti, possono influenzarsi a vicenda attraverso fenomeni di competizione, mutualismo, commensalismo e amensalismo.

• Neutralismo: quando due microrganismi non si influenzano mai vicendevolmente.
• Commensalismo: l’interazione tra due microrganismi in cui uno dei due produce metaboliti che sono utili per la crescita dell’altro, che se ne avvantaggia.
• Amensalismo: quando nell’associazione tra due microrganismi, uno produce metaboliti che sono dannosi per l’altro, senza trarne vantaggi diretti. Ad es. produzione di batteriocine da parte di batteri lattici che inibiscono lo sviluppo di altri batteri.

Fattori ecologici impliciti

Interazioni microbiche

• Mutualismo: quando entrambi i componenti dell’associazione ricavano vantaggi. Ad es. l’associazione tra Streptococcus thermophilus e Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus nello yogurt.
• Competizione: tipo di interazione più frequente tra i microrganismi; due microrganismi che condividono la stessa nicchia ecologica possono competere per gli stessi nutrienti o per lo stesso spazio, ed entrambi sono danneggiati dalla presenza dell’altro componente della comunità. I microrganismi con tasso di crescita più elevato in definite condizioni ecologiche, normalmente diventano la microflora dominante.

L’esistenza dei fenomeni di interazione microbica, concorre in molti casi al controllo dello sviluppo di microrganismi indesiderati, sia alterativi che patogeni.

Considerazioni conclusive

Fattori ecologici estrinseci e impliciti

In questa lezione abbiamo preso in considerazione i fattori ecologici estrinseci e impliciti e la loro influenza sul comportamento dei microrganismi negli alimenti.

Alcuni punti di riflessione e studio sono i seguenti:

• La crescita dei microrganismi negli alimenti è influenzata da parametri che fanno parte dell’ambiente di conservazione dell’alimento, come la temperatura, l’umidità e il tenore dei gas dell’atmosfera dell’ambiente di conservazione (CO2, O2, N2).
• I microrganismi durante la loro crescita negli alimenti, possono influenzarsi a vicenda attraverso fenomeni di competizione, di mutualismo, di commensalismo e amensalismo, concorrendo al controllo dello sviluppo di microrganismi indesiderati, sia alterativi che patogeni.

Prossima lezione

Batteri lattici: ecologia, fisiologia e tassonomia

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.