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Francesco Villani » 4.Fattori ecologici intrinseci


Fattori ecologici intrinseci: attività dell’acqua, pH, potenziale redox, strutture e nutrienti, antimicrobici

Fattori intrinseci

Sono l’espressione delle caratteristiche fisiche, chimiche e biologiche dell’alimento

Tratteremo di:

  • pH
  • Attività dell’acqua
  • Potenziale di ossido-riduzione
  • Strutture e nutrienti
  • Antimicrobici

pH, acidità e microrganismi

Definizione di pH

Quando l’acqua ionizza sono prodotte uguali concentrazioni di ioni H+ e OH-

H2O OH-+H+

[H+]=[OH-]=1×10-7 mol/l

Il pH è il logaritmo negativo della concentrazione idrogenionica.

Range di pH di crescita dei microrganismi

I microrganismi hanno valori di pH minimi, massimi e ottimali di crescita.

Generalizzando si possono indicare i seguenti range di pH per i vari gruppi di microrganismi, anche se singole specie possono differire in maniera significativa nei loro valori minimi di pH di crescita.

Range di pH per muffe, lieviti e batteri

Range di pH per muffe, lieviti e batteri


Valori di pH per la crescita di alcuni microrganismi

I valori di pH minimi e massimi non devono essere considerati in termini assoluti in quanto essi sono fortemente dipendenti dai valori degli altri fattori di crescita e dal tipo di acido presente.

Valori di pH di alcuni microrganismi

Valori di pH di alcuni microrganismi


Azione del pH sulla cellula microbica

Il pH interno delle cellule è vicino alla neutralità.

Le membrane cellulari sono impermeabili agli ioni H+ e OH-.

Cellula in ambiente a pH sub-ottimale. Gli ioni H+ e OH- influenzano lo strato esterno della cellula senza modificare il pH interno. Conseguenze possono riguardare le seguenti attività:

  • funzionamento delle permeasi (che sono saturate con ioni H+ 0 OH-) deputate al trasporto all’interno della cellula di nutrienti
  • produzione e attività di enzimi extracellulari
  • meccanismi di produzione di ATP a livello della membrana

Cellula in ambiente a pH estremi. La memrana cellulare viene danneggiata e gli ioni H+ e OH- possono penetrare all’interno della cellula:

  • le proteine e gli acidi nucleici sono denaturati
  • la cellula muore

Azione del pH sulla cellula microbica

I valori di pH minimi e massimi per la crescita dei microrganismi dipendono dal tipo di acido presente e dal loro grado di dissociazione.

  • Gli acidi forti (come HCl e Acidi fosforico) si dissociano completamente
  • Gli acidi deboli (come Acido lattico o Acido acetico) restano in equilibrio con la forma dissociata e non dissociata

Il grado di dissociazione dipende dal pH dell’ambiente:

a pH acido l’equilibrio si sposta verso la forma indissociata che essendo solubile nei lipidi entra facilmente all’interno della cellula dove grazie al suo pH neutro viene dissociata determinando l’abbassamento del pH e la denaturazione delle proteine e degli acidi nucleici con conseguente morte della cellula.

Azione combinata di pH e altri fattori di crescita sul comportamento dei microrganismi

I valori di pH minimi e massimi non devono essere considerati in termini assoluti in quanto essi sono fortemente dipendenti dai valori degli altri fattori di crescita.

Tali valori sono determinati in colture di laboratorio dove i valori degli altri fattori di crescita (temperatura, aw, nutrienti, antimicrobici) sono mantenuti ai loro livelli ottimali.

Attività dell’acqua (aw) e microrganismi

Concetti generali

Per crescere e svolgere le proprie attività metaboliche, i microrganismi hanno bisogno di acqua. In un alimento la quantità totale di acqua (umidità) è presente sia in forma libera (utilizzabile dai microrganismi) che legata a componenti dell’alimento stesso.

L’acqua può essere non disponibile per i microrganismi perché:

  • contiene soluti disciolti come sali o zuccheri
  • è cristallizzata sotto forma di ghiaccio
  • è presente come acqua di idratazione
  • è assorbita sulle superfici

Dunque, solo l’acqua libera presente in un ambiente consente la crescita dei microrganismi

Attività dell’acqua (aw) e microrganismi

Definizione

È la misura della disponibilità di acqua libera presente in un ambiente per lo svolgimento delle funzioni biologiche dei microrganismi.

La pressione di vapore si misura in mmHg e dipende strettamente dalla temperatura:

  • a 0°C l’acqua pura ha una pressione di vapore di 4,579 mmHg
  • a 25°C l’acqua pura ha una pressione di vapore di 23,8 mmHg
Attività dell’acqua

Attività dell'acqua


Attività dell’acqua (aw) e microrganismi

L’aw può assumere solo valori compresi tra 1 [(la pressione di vapore dell'acqua dell'alimento è uguale a quella dell'acqua pura (P=P0=1)] e 0 [(in materiali molto secchi non vi sono molecole di acqua in grado di esercitare una pressione di vapore (P=0)]. In realtà nessun alimento può avere una aw uguale ad 1 o a 0.

L’Umidità Relativa all’Equilibrio, cioè il contenuto di acqua nell’atmosfera sopra un alimento in equilibrio con l’alimento stesso (in pratica l’umidità atmosferica) è correlata con aw secondo la relazione:

ERH=100 x aw

aw=ERH/100

Attività dell’acqua (aw) e microrganismi

MISURA L’attività dell’acqua può essere calcolata mediante la legge di Rault:

  • n1= n° di molecole di soluto
  • n2= n° di molecole di solvente

Attualmente esistono strumenti in grado di misurare in maniera precisa e veloce l’aw di un alimento mediante la misura della pressione del vapore d’acqua sopra l’alimento.

Legge di Raoult

Legge di Raoult


Valori di aw minimi per la crescita dei microrganismi

Valori di aw minimi per la crescita dei microrganismi

Valori di aw minimi per la crescita dei microrganismi


Valori di aw di alcuni alimenti

Valori di aw di alcuni alimenti

Valori di aw di alcuni alimenti


Influenza dell’aw sulla crescita dei microrganismi

Al di sotto dei valori minimi di aw, il comportamento dei microrganismi dipende molto da come l’acqua viene rimossa.

La rimozione rapida dell’acqua (es.: liofilizzazione di una alimento) dalla cellula microbica consente una sua sopravvivenza per lunghi periodi. Quando l’aw di un alimento è abbassata attraverso l’aggiunta di sale o zucchero, le cellule microbiche sono soggette a fenomeni osmotici che ne causano una morte più rapida.
PLASMOLISI DELLA CELLULA

La cellula subisce danni spesso irreversibili.

La morte sopraggiunge per:

  • danni alla membrana e ai suoi enzimi
  • danni agli enzimi citoplasmatici
Cellula in ambiente ipotonico

Cellula in ambiente ipotonico

Cellula in ambiente ipertonico

Cellula in ambiente ipertonico


Meccanismi di adattamento alle variazioni di aw

Strategia generale: accumulo intracellulare di soluti.

I batteri possono adattarsi a variazioni di aw nel range dei valori che ne consentono lo sviluppo mediante accumulo di soluti fisiologicamente compatibili (non tossici) che ristabiliscono le condizioni osmotiche ottimali.

Tali soluti possono essere:

  • sintetizzati dalla cellula (batteri gram-positivi, lieviti e muffe)
  • presi dall’ambiente di crescita (tutti i microrganismi)

I batteri possono accumulare: K+ e amminoacidi

Lieviti e muffe accumulano: K+ e, a seconda della specie, trealosio, saccarosio, glucosio, glicerolo.

Ossigeno e potenziale di ossido-riduzione

MICRORGANISMI E OSSIGENO. I microrganismi, in funzione della loro crescita in presenza o in assenza di ossigeno libero sono raggruppati in:

AEROBI: richiedono ossigeno per produrre l’energia necessaria per la loro crescita. L’ossigeno funge da accettore finale di elettroni durante la respirazione aerobica che coinvolge la glicolisi, il ciclo di Krebs e il sistema di trasporto degli elettroni.

MICROAEROFILI: richiedono ossigeno per produrre l’energia necessaria per la loro crescita, ma in concentrazione minore di quello presente nell’aria (20%).

ANAEROBI FACOLTATIVI: possono crescere sia in presenza che in assenza di ossigeno. In presenza di sufficienti quantità di ossigeno generano energia come gli aerobi. In assenza di ossigeno utilizzano composti organici come accettori finali di elettroni.

ANAEROBI OBBLIGATI: crescono solo se non è presente ossigeno libero che risulta tossico per la cellula. Traggono energia da processi di fermentazione.

OSSIGENO-TOLLERANTI: possono crescere sia in presenza che in assenza di ossigeno producendo la stessa quantità di energia e di prodotti metabolici in entrambe le condizioni. Sono quindi indipendenti dall’ossigeno.

Ossigeno e potenziale di ossido-riduzione

Tossicità dell’ossigeno per le cellule microbiche

  • L’ossigeno quando è assorbito dalle cellule viene ridotto facilmente, producendo sostanze che risultano tossiche per la cellula (radicale superossido, acqua ossigenata).
  • Molti microrganismi possiedono particolari enzimi in grado di proteggerli dall’azione tossica dell’ossigeno.
  • I batteri aerobi, gli anaerobi facoltativi e i batteri lattici hanno l’enzima SUPEROSSIDO DISMUTASI che catalizza la conversione del superossido in perossido di idrogeno e ossigeno.
  • Il perossido di idrogeno è rimosso dall’azione di un altro enzima: CATALASI. E’ presente nei batteri aerobi, negli anaerobi facoltativi e nei microaerofili.
  • I batteri lattici non possiedono la catalasi e scindono il perossido di idrogeno per mezzo dell’enzima PEROSSIDASI.
  • I batteri anaerobi obbligati non hanno gli enzimi catalasi e superossido dismutasi.

Il potenziale di ossido-riduzione

Definizione: il potenziale di ossido-riduzione o redox (Eh) può essere definito come una misura (espressa in mVolt) della tendenza di un substrato ad acquisire elettroni (diventando RIDOTTO) o a cedere elettroni (diventando OSSIDATO).

Il donatore di elettroni riducendo una sostanza ossidata è detto anche AGENTE RIDUCENTE (o ANTIOSSIDANTE).

L’accettore di elettroni ossidando una sostanza ridotta è detto anche AGENTE OSSIDANTE.

Misura. Il potenziale redox di un materiale è misurato in unità elettriche espresse in millivolt (mV) con un elettrodo standard di riferimento (0 mV) di platino/idrogeno collegato ad un Voltmetro.

Le sostanze nel loro stato ossidato (con una tendenza ad accettare elettroni) producono corrente con valore positivo (+ mV), mentre nel loro stato ridotto (con una tendenza a donare elettroni) danno un valore negativo (-mV).

Fattori che influenzano il potenziale di ossido-riduzione degli alimenti

Il potenziale redox di un materiale può assumere valori che vanno da -421 a +816 mV.

Più ossidato è un substrato maggiormente positivo è il suo Eh; più ridotto è un substrato maggiormente negativo è il suo Eh.

Il potenziale redox di un alimento è determinato da:

  • valore presentato in origine dall’alimento
  • concentrazione (tensione) di ossigeno dell’atmosfera circostante
  • grado di accesso dell’atmosfera nell’alimento
  • processi di trasformazione a cui l’alimento è sottoposto
  • metabolismo microbico
  • capacità dell’alimento di resistere a cambiamenti di Eh

Fattori che influenzano il potenziale di ossido-riduzione degli alimenti

Influenza di operazioni tecnologiche

  • Omogeneizzazione: la miscelazione di materie prime in presenza di aria aumenta il loro Eh (latte durante la produzione e l’imbottigliamento).
  • Macinazione: la macinazione aumenta la superficie di esposizione dell’alimento all’aria aumentandone il suo Eh. La carne macinata presenta un Eh di + 200 mV comparata con la carne della carcassa (Eh da -150 a -200 mV).
  • Trattamenti termici: il riscaldamento scaccia l’ossigeno determinando una riduzione dell’Eh (per es. gli alimenti in scatola hanno Eh negativo).
  • Presenza naturale di sostanze riducenti
  • Acido ascorbico in vegetali e frutta
  • Zuccheri riduttori in frutta
  • Gruppi -SH associati alle proteine della carne

Potenziale di ossido-riduzione di alcuni alimenti

I tessuti in vita (animali e vegetali) tendenzialmente hanno un Eh negativo come conseguenza della loro attività respiratoria.

Valori di ossido-riduzione di alimenti

Valori di ossido-riduzione di alimenti


Potenziale di ossido-riduzione e crescita dei microrganismi

Il POR degli alimenti influenza la crescita dei microrganismi.

In un alimento uno o più microrganismi possono modificare il POR favorendo lo sviluppo di specie che normalmente non si sviluppano ai valori di POR iniziale

Il POR degli alimenti influenza la crescita dei microrganismi.

Il POR degli alimenti influenza la crescita dei microrganismi.


Contenuto in nutrienti

Esigenze nutritive dei microrganismi alimentari

I microrganismi per crescere negli alimenti hanno bisogno di sorgenti di energia per le loro attività cellulari e sorgenti di composti chimici per la biosintesi dei componenti cellulari


Contenuto in nutrienti

Esigenze nutritive dei microrganismi alimentari

Sorgenti di energia: Zuccheri, alcoli, amminoacidi, carboidrati complessi, grassi.

Sorgenti di azoto: Amminoacidi, peptidi, proteine, acidi nucleici.

Vitamine: Vitamina B.

I microrganismi mostrano una grande diversità in termini di capacità ad usare per le loro esigenze metaboliche le varie sostanze nutritive di un alimento.

Gli alimenti hanno caratteristiche chimiche tali da soddisfare le esigenze nutritive di un gran numero e specie di microrganismi.

La crescita dei microrganismi che contaminano un alimento raramente è limitata dal loro contenuto in nutrienti.

L’effetto combinato degli altri fattori ecologici hanno un effetto maggiormente selettivo nel determinare la composizione microbica di un alimento.

Strutture biologiche dell’alimento

Alcuni alimenti sono provvisti di strutture esterne che rappresentano una barriera efficace contro la penetrazione dei microrganismi proteggendoli dalle alterazioni:

  • Pelle degli animali
  • Cuticola della frutta
  • Guscio di noci
  • Guscio dell’uovo

La raccolta, la macellazione e i trattamenti tecnologici a cui sono sottoposte le materie prime diminuiscono o eliminano l’efficacia di queste barriere.

Costituenti antimicrobici degli alimenti

Costituenti antimicrobici degli alimenti

Costituenti antimicrobici degli alimenti


Considerazioni conclusive

Fattori ecologici intrinseci: pH, attività dell’acqua, potenziale redox, strutture e nutrienti, antimicrobici

In questa lezione abbiamo preso in considerazione i fattori ecologici intrinseci 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 strettamente influenzata dalla natura dei nutrienti (fonti di carbonio e azoto), dalla presenza di acqua, di fattori di crescita e inibitori e da alcuni parametri che sono inerenti ai tessuti dei vegetali e degli animali, come il pH, l’attività dell’acqua o il potenziale di ossidoriduzione.

I valori minimi e massimi di ciascun fattore non devono essere considerati in termini assoluti in quanto essi sono fortemente dipendenti dai valori degli altri fattori di crescita.

Prossima lezione

Fattori ecologici estrinseci, impliciti e tecnologici

La colonizzazione di un alimento da parte di specie e ceppi di microrganismi appartenenti ad ogni uno dei gruppi passati in rassegna nelle lezioni precedenti, siano essi patogeni o alterativi, così come protecnologici, dipende strettamente dalle condizioni ecologiche che si realizzano nell’alimento stesso. Nella prossima lezione tratteremo dei fattori ecologici estrinseci ed impliciti che influenzano il comportamento dei microrganismi negli alimenti:

  • Temperatura
  • Umidità
  • Tenore dei gas dell’atmosfera dell’ambiente di conservazione
  • Interazioni microbiche

Le lezioni del Corso

I materiali di supporto della lezione

Fattori ecologici intrinseci

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