Francesco Villani » 12.Le alterazioni microbiche degli alimenti e i microrganismi anti-tecnologici o alterativi

Alterazioni degli alimenti

Presupposti

Con poche eccezioni, tutti gli alimenti, dopo la raccolta o la macellazione o nel corso di ogni fase della loro trasformazione e consumo, vanno incontro ad alterazioni di varia natura che comportano una perdita della loro qualità con una velocità che è strettamente dipendente dal tipo e composizione dell’alimento, dalle tecnologie di trasformazione e dalle modalità di conservazione, distribuzione e consumo.

Definizione

L’alterazione di un alimento può essere definita come qualsiasi cambiamento che rende un prodotto inaccettabile per il consumo umano.

Generalità

A volte le modificazioni indesiderate possono essere ovvie:

• sviluppo superficiale di muffe
• produzione di mucillagini batteriche
• danni meccanici (ferite, tagli ecc.)
• danni da insetti

Altre volte l’alterazione riguarda:

• modificazioni strutturali dell’alimento
• comparsa di sapori e odori anomali, che sono il risultato di complesse interazioni tra la microflora che si sviluppa nell’alimento e le modificazioni chimiche che avvengono nell’alimento stesso

Alterazione della qualità degli alimenti

L’alterazione della qualità durante la conservazione degli alimenti è condizionata da una serie di eventi strettamente collegati a:

• condizioni di conservazione (temperatura, umidità, atmosfera, tipo di confezione, luce)
• condizioni del prodotto (qualità iniziale delle materie prime e degli ingredienti, i fattori intrinseci e l’igiene del processo di trasformazione)

Le alterazioni di natura biologica sono imputabili ai processi di degradazione (idrolisi e ossidazioni) a carico dei lipidi, delle proteine e degli aminoacidi, dei carboidrati, degli alcoli ecc., catalizzate da enzimi costitutivi dell’alimento (di origine animale o vegetale) o da enzimi prodotti da microrganismi che contaminano l’alimento.

Alterazione della qualità degli alimenti

L’alterazione di un alimento è il risultato dell’attività microbica di una grande varietà di microrganismi, il cui numero e composizione speciografica risulta strettamente dipendente dalle caratteristiche del prodotto e dalle condizioni ecologiche che in esso si realizzano nel corso della sua trasformazione e conservazione.

Organismi specifici di alterazione

I microrganismi alterativi causano modificazioni in un alimento tali da renderlo inaccettabile per il consumo umano.

Non sempre esiste una stretta correlazione tra numero di microrganismi presenti in un alimento e il grado di alterazione dello stesso. In genere soltanto una parte della popolazione totale partecipa all’alterazione.

Questa microflora è denominata come:

• organismi alterativi specifici (Specific Spoilage Organisms – SSO)

Microrganismi e alterazioni

La crescita dei microrganismi negli alimenti è strettamente associata alla trasformazione di alcuni componenti alimentari:

• Carboidrati (polisaccaridi, trisaccaridi, disaccaridi, monosaccaridi)
• Proteine, peptidi e composti azotati non proteici (amminoacidi, urea, creatina, ossido di trimetilammina)
• Lipidi ( trigliceridi, fosfolipidi, acidi grassi, steroli)

La capacità di utilizzare questi nutrienti varia in funzione del tipo di microrganismo.Lo stesso substrato nutritivo può essere utilizzato in maniera diversa da differenti microrganismi, con la produzione di metaboliti finali diversi: il glucosio può essere trasformato aerobicamente da specie di Micrococcus in CO₂ e H₂O e in condizioni anaerobiche da batteri lattici omofermentanti per produrre quasi esclusivamente acido lattico.

Natura delle alterazioni

La natura delle alterazioni di un alimento dipende da:

• Quantità e tipi di nutrienti presenti
• Tipi di microrganismi capaci di crescere nelle condizioni dell’alimento
• Tipo di metabolismo microbico

I cambiamenti imputabili ai microrganismi riguardano:

• Colore: produzione di pigmenti o ossidazione di composti naturali colorati.
• Odore: produzione di composti volatili
• Struttura: degradazione di pectina nei vegetali per azione di pectinasi; rammollamenti dei tessuti della carne per azione di enzimi proteolitici. coagulazione del latte per azione di proteinasi
• Produzione di gas (CO₂, H₂, H₂S)
• Mucillagine
• Accumulo di acqua

Alterazioni microbiche degli alimenti

Principali modificazioni chimiche: proteine e amminoacidi

Azioni legate ai processi tecnologici (alte temperature, pH, essiccamento spinto, radiazioni ionizzanti, trattamenti meccanici).

Denaturazione proteine: modificazione della struttura secondaria, terziaria e quaternaria senza rottura dei legami peptidici.

• diminuzione della solubilità
• aggregazione e coagulazione
• variazione delle proprietà elettrochimiche e di idratazione
• maggiore sensibilità agli enzimi proteolitici

Modificazioni della catena laterale degli amminoacidi:

• desulfidrilazione di cisteina e cistina: produzione di H₂S
• deaminazione: produzione di NH₃

Reazione di Maillard: sapore di cotto e cambiamenti di colore (grigio) dovuto ad una glicazione delle proteine (reazione tra gruppo carbonilico e gruppo amminico).

Principali modificazioni chimiche: proteine e amminoacidi

Azioni legate all’attività degradativa di enzimi endocellulari e microbici

Putrefazione (fermentazione): processi anaerobici di natura microbica che comprendono l’idrolisi delle proteine e la successiva degradazione degli amminoacidi. Si formano prodotti di cattivo odore, attraverso processi chimici che si possono sintetizzare come segue.

• desulfidrazione: cisteina + (cisteina desulfridasi+H₂O) → acido piruvico+ NH3+H2S
• decarbossilazione: arginina + H₂O → putrescina + urea + CO₂
• produzione di indolo: triptofano (triptofanasi+H₂O) → indolo+ac. piruvico + NH₃
• produzione di NH₃ per deamminazione: idrolitica; idrolitica+decarbossilazione riduttiva; riduttiva +decarbossilazione; ossido-riduzione tra due amminoacidi (Reazione di Stickland)

Alterazioni microbiche degli alimenti

Principali modificazioni chimiche: lipidi

• I grassi alimentari sono costituiti per il 95-98 % da trigliceridi che sono degli esteri degli acidi grassi con la glicerina. L’idrolisi comporta la rottura del legame estere con la conseguente liberazione di acidi grassi liberi. Le reazioni avvengono in presenza di acqua e sono catalizzate da vari fattori quali: enzimi (lipasi) costitutivi o di origine microbica; un ambiente acido o basico.
• L’irrancidimento di un grasso comporta la formazione di odori e sapori sgradevoli (off-flavours) che ne compromettono la qualità sia dal punto di vista sensoriale che nutrizionale. L’irrancidimento ossidativo può essere considerato come la conseguenza delle reazioni tra l’ossigeno atmosferico e gli acidi grassi. I primi prodotti relativamente stabili dell’ossidazione sono gli idroperossidi degli acidi grassi. Questi composti sono di per sé inodori, ma possono decomporsi facilmente dando origine a numerose molecole più piccole (aldeidi, chetoni, alcoli, ossiacidi, idrocarburi, ecc) che sono le vere responsabili dell’aroma di rancido.

Alterazioni microbiche degli alimenti

Inizialmente gli Organismi Alterativi Specifici sono presenti in bassa concentrazione. Durante la conservazione gli SSO crescono più rapidamente della restante microflora e producono odori e sapori anomali associati con l’alterazione. Il numero di SSO alla comparsa dell’alterazione può essere definito come il livello minimo di alterazione e i metaboliti prodotti potrebbero essere usati come un indice chimico di alterazione dell’alimento.

Principali Microrganismi alterativi

I microrganismi alterativi, appartenengono a diversi gruppi microbici:

• batteri gram-negativi: Pseudomonas, Enterobacteriaceae.
• batteri gram-positivi sporigeni: Bacillus spp., Clostridium spp.
• batteri gram-positivi non sporigeni: batteri lattici, Brochotrix thermosphacta
• lieviti e muffe

Batteri Gram-negativi: Pseudomonas spp.

• bastoncini diritti o curvi Gram-negativi
• mobili – catalasi positivi – usualmente ossidasi positivi
• chemiorganotrofi con metabolismo respiratorio (aerobi)
• capaci di crescere tra 4 e 43°C (psicrotrofici)
• habitat: suolo, acqua, superficie di piante e animali

Diverse specie (P. fluorescens, P. solanacearum, P. cichorii, P. syringae, P. gladioli) sono importanti patogeni di piante coltivate, determinando grosse perdite economiche.
Sono tra i più comuni agenti alterativi degli alimenti.
In particolare P. fragi, P. lundensis, P. putida, P. viridiflava e P. fluorescens svolgono un ruolo chiave nelle alterazioni di alimenti di origine animale e vegetale. La loro capacità di alterare alimenti come carne, latte e derivati, pesce e vegetali, anche durante la conservazione refrigerata, è in parte legata alla produzione di proteasi e lipasi.

Batteri Gram-negativi

• Xanthomonas spp. Appartiene alla famiglia delle Pseudomonadaceae. Produce un pigmento giallo e colonie mucose su agar, caratteristiche che aiutano a distinguerlo da Pseudomonas. Determina alterazioni di frutta e vegetali.
• Shewanella putrefaciens. Altro bastoncino della famiglia delle Pseudomonadaceae. Si trova in una grande varietà di alimenti (carne, pesce) dove causa alterazioni con produzione di H₂S e di odori e sapori sgradevoli (off-flavours) dovuti a composti volatili come la trimetilammina (TMA).
• Enterobacteriaceae. Le principali specie alterative sono rappresentate da Enterobacter cloacae e agglomerans, Citrobacter freundii, Erwinia erbicola e carotovora, Serratia spp, Proteus spp.

Le alterazioni causate sono strettamente legate al loro metabolismo con produzione di vari composti volatili (H2S, NH3, TMA, dimetil sulfide. diacetile, ecc.) e alla produzione di enzimi proteolitici.

Batteri Gram-positivi non sporigeni

Batteri lattici. Possono alterare una vasta gamma di alimenti.

• Vino: agrodolce, girato, filante
• Carne: sottovuoto e in atmosfera modificata (Carnobacterium spp.)
• Prodotti carnei:
  • inverdimento superficiale di salumi cotti (Lactobacillus viridescens)
  • inacidimento salumi cotti (Lactobacillus alimentarius)
  • viscosità superficiali (Leuconostoc mesenteroides)
• Rigonfiamento prodotti in scatola (eterofermentanti)
• Produzione di sostanze mucillaginose (es. L. mesenteroides in zuccherifici)

Brochothrix thermosphacta. Bastoncino pleomorfo, catalasi positivo, anaerobio facoltativo in grado di svilupparsi a basse temperature (0-30°C). E’ considerato uno dei principali microrganismi alterativi di carne conservata sia aerobicamente che in MAP.

L’alterazione è imputabile alla produzione di diacetile e di acidi grassi dalla utilizzazione aerobica del glucosio, che conferiscono agli alimenti odori e sapori di acido e burro.

Batteri Gram-positivi sporigeni aerobi: Bacillus spp.

• Bastoncini catalasi e ossidasi positivi
• Aerobi stretti o aerobi-anaerobi facoltativi
• Di solito mobili per ciglia peritriche
• Forme vegetative: pH ottimale tra 6 e 8
• Endospore resistenti ai trattamenti termici
• Temperatura di crescita: 30-55°C – Alune specie e ceppi sono psicrotrofici
• Presenti come microflora naturale del terreno

Alcune specie producono enzimi che idrolizzano carboidrati, proteine e lipidi:

• Latte pastorizzato e UHT (difetto: coagulo dolce).
• Crema di latte (idrolisi lecitine della membrana del globulo grasso).
• B. coagulans
• B. stearothermophilus
• B. subtilis

Batteri Gram-positivi sporigeni anaerobi: Clostridium spp.

Bastoncini Gram-positivi sporigeni, mobili per flagelli peritrichi o immobili, anaerobi stretti e catalasi negativi.

L’alterazione è dovuta alle loro attività saccarolitiche o proteolitiche e si manifesta attraverso la produzione di acidi, gas e odori sgadevoli.

1) Clostridi saccarolitici. Noti anche come “batteri butirrici”. Non sono patogeni e/o tossigeni e non putrefacenti. Operano fermentazioni gasogene. Cl. butyricum e Cl. tyrobutyricum producono dai carboidrati acido butirrico, acido acetico, CO2 e H2.

• Cl. butyricum è responsabile di alterazioni di formaggi, latte condensato e alimenti in scatola con pH>a 4,6.
• Cl. tyrobutyricum è la principale causa dell’alterazione dei formaggi a lunga stagionatura definita “gonfiore tardivo”.

Batteri Gram-positivi sporigeni anaerobi: Clostridium spp.

2) Clostridi proteolitici: sono molto attivi sugli amminoacidi (es. Clostridium sporogenes)

Alterano una vasta gamma di alimenti come formaggi, carne cotta, e vegetali e pesce in scatola.,

3) Clostidi proteolitici-saccarolitici: alterano gli alimenti con formazione di odori e sapori sgradevoli (off-flavours) associati alla fermentazione degli amminoacidi: acido butirrico, isobutirrico e caproico; H2S; NH3; Metil mercaptani; ammine come cadaverina e putrescina. (Es. Clostridium bifermentans)

Considerazioni conclusive

Alterazioni microbiche degli alimenti

In questa lezione abbiamo preso in considerazione i principali aspetti delle alterazioni microbiche degli alimenti.

Alcuni punti di riflessione e studio sono i seguenti:

• Tutti gli alimenti vanno incontro ad alterazioni di varia natura che comportano una perdita della loro qualità.
• Le alterazioni riguardano modificazioni strutturali dell’alimento e comparsa di sapori e odori anomali.
• I microrganismi alterativi causano modificazioni in un alimento tali da renderlo inaccettabile per il consumo umano.
• In genere soltanto una parte della popolazione totale partecipa all’alterazione (organismi alterativi specifici).
• La crescita dei microrganismi è strettamente associata alla trasformazione di alcuni componenti alimentari, come carboidrati, proteine, peptidi, composti azotati non proteici e lipidi.
• Microrganismi alterativi sono presenti tra i batteri Gram-negativi, tra i batteri Gram-positivi sporigeni e non e tra i lieviti e le muffe.

Prossima lezione

Infezioni e intossicazioni alimentari. Batteri patogeni trasmessi con gli alimenti: Escherichia coli enterovirulenti

Nella prossima lezione, dopo una presentazione sulle malattie alimentari veicolate dagli alimenti e sulle infezioni e intossicazioni alimentari, incominceremo a trattare in maniera specifica della biologia, dell’ecologia, delle attività metaboliche e dei fondamenti di sistematica dei principali batteri patogeni trasmessi con gli alimenti.