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Domenico Pirozzi » 7.Produzione di lieviti

Applicazioni commerciali dei lieviti

Le applicazioni commerciali dei Lieviti riguardano principalmente il settore alimentare. Di seguito sono elencati i principali prodotti commerciali contenenti lieviti:

lievito da cucina
integratori alimentari
probiotici
ingredienti per mangimi animali

I lieviti sono molto usati anche in processi finalizzati alla produzione di metaboliti primari (come l’etanolo) e secondari.

Lievito da cucina

Il lievito da cucina è costituito da colture miste di lieviti, prevalentemente Saccharomyces cerevisiae. E’ usato negli impasti di farina per determinarne la “crescita”, provocando modifiche chimiche e reologiche necessarie alla buona riuscita della successiva fase di cottura:

la fermentazione alcoolica degli zuccheri causa la produzione di CO₂ (ca. 3,5 ml/g_pasta), aumentando la porosità della pasta e dunque la leggerezza del prodotto finale
gli acidi carbossilici e loro esteri rilasciati nel corso della fermentazione influenzano il sapore del prodotto finale
il glutatione rilasciato riduce i legami S-S del glutine, modificando morfologia e proprietà meccaniche del prodotto finale

Figura 1 – Cellule di Saccharomyces cerevisiae fotografate al microscopio ottico. Le cellule, di forma ovale o ellitica, di diametro pari a 5-10 micron, si riproducono in prevalenza per gemmazione.

Produzione industriale di lieviti

La produzione di lievito è un processo a basso valore aggiunto. Dunque, si usano come nutrienti a basso costo i residui di lavorazioni agro-industriali (melasse), come la produzione di zucchero di canna o di barbabietola.

Per ottenere i livelli desiderati di minerali e di vitamine (biotina), si mescolano melasse da fonti diverse o si aggiungono additivi.

Le melasse sono pretrattate per separare pigmenti e proteine che possono alterare la colorazione ed il sapore del prodotto finale.

La sterilizzazione è sostituita dalla pastorizzazione (breve trattamento a 80°C, poi rapido raffreddamento), per evitare la decomposizione degli zuccheri e la loro interazione con le proteine (colorazione), e per consentire la sopravvivenza dei batteri dell’acido lattico, che durante la crescita generano prodotti carbonilici che influenzano il sapore del prodotto finale.

Produzione industriale di lieviti

Le condizioni operative dei bioreattori industriali per la produzione di lievito da cucina sono dettate da esigenze talvolta contrapposte.

Il pH è inizialmente basso (ca. 4) per limitare i rischi di contaminazione. Nella fase finale del processo viene aumentato a 5,5, per aumentare la velocità di crescita e rallentare le reazioni di colorazione.

La temperatura è di circa 30°C, per massimizzare la velocità di crescita e la resa in biomassa, anche se temperature più elevate migliorerebbero la solubilità dell’ossigeno nel terreno di coltura.

Produzione industriale di lieviti

La crescita dei lieviti in condizioni aerobiche è rapida grazie all’energia prodotta dall’ossidazione completa degli zuccheri (36 moli di ATP per mole di glucosio). L’esotermicità del processo rende necessario il controllo della temperatura.

La crescita della biomassa può essere limitata dal trasporto di ossigeno. L’aria viene fatta gorgogliare nel reattore, la cui altezza deve consentire elevati tempi di permanenza delle bolle, contenendo però le spese di pompaggio.

Il fattore di moltiplicazione della biomassa è limitato, in quanto la concentrazione dell’inoculo deve essere non inferiore all’1% (w/w), mentre la concentrazione finale di lieviti non supera il 4-6% (w/w), in quanto l’aumenta della viscosità del mezzo riduce i coefficienti di trasporto dell’ossigeno.

Produzione industriale di lieviti

Ossidazione completa del glucosio:

$C_{6} H_{12} O_{6}+6 O_{2} \rightarrow 6 CO_{2}+H_{2}O~~~~~~~[1]$

rapporti stechiometrici (teorici):

Y_O2/glucosio = 1,07 g/g Y_CO2/glucosio = 1,47 g/g

La somma delle reazioni che avvengono nel corso della crescita aerobica dei lieviti corrisponde alla reazione:

$200 g\; C_{6} H_{12} O_{6}+10\; g\; NH_{3}+100\; g\;O_{2}+ 7,5 \;g\; sali\; minerali \rightarrow 100 g\; biomassa + 140\; g\; CO_{2} + 70\; g\; H_{2}O~~~~~~~[2]$

rapporti stechiometrici:

Y_O2/glucosio = 0,50 g/g Y_CO2/glucosio = 0,70 g/g
Y_{biomassa/glucosio} = 0,50 g/g

Il confronto tra i rapporti ponderali indica che circa metà dello zucchero consumato viene ossidato completamente, mentre l’altra metà segue altre vie metaboliche, consentendo la sintesi di nuova biomassa. La massima resa in biomassa è pari a 0,5 g di biomassa per g di glucosio consumato.

Produzione industriale di lieviti

Concentrazioni di zuccheri maggiori di 9 g/L, possono determinare la produzione indesiderata di etanolo (effetto Crabtree), abbassando la resa in biomassa. Infatti, lo zucchero che attraversa le membrane cellulari eccede la capacità respiratoria dei microorganismi, e lo zucchero in eccesso viene ossidato parzialmente producendo etanolo (vedi Cap. VIII).

L’alimentazione della fonte di azoto viene sospesa 1 h prima della fine del ciclo produttivo (fase di maturazione), per impedire la sintesi delle proteine, e di conseguenza la riproduzione dei microorganismi.

La maturazione determina:

assenza di cellule giovani nel prodotto finale, e dunque una crescita della pasta più uniforme
stabilizzazione del prodotto finale, grazie all’accumulo di carboidrati endocellulari ed alla bassa concentrazione di proteine

Selezione del bioreattore: bioreattori discontinui

La produzione di lieviti in reattori discontinui richiederebbe concentrazioni iniziali di zucchero elevate per allungare la durata dei cicli produttivi, riducendo l’incidenza dei tempi morti.

Tuttavia, i livelli di concentrazione degli zuccheri sono limitati dall’esigenza di evitare l’effetto Crabtree.

Selezione del bioreattore: bioreattori fed-batch

I fermentatori fed-batch consentono di mantenere concentrazioni di zucchero abbastanza basse da evitare l’effetto Crabtree, evitando nel contempo il rapido esaurimento dello zucchero.

La limitatezza del fattore di moltiplicazione della biomassa richiede l’impiego di sequenze di reattori fed-batch di dimensione crescente. Ad ogni stadio del processo la biomassa prodotta viene separata per centrifugazione ed utilizzata come inoculo per il reattore successivo.

Nella tabella a lato viene esemplificato il progressivo aumento della biomassa in una sequenza di 8 reattori.

Tabella 1 – Variazioni della biomassa in una sequenza di 8 reattori. Nei primi due stadi del processo, ad alto rischio di contaminazione, la biomassa viene sterilizzata. La biomassa prodotta nello stadio 6 viene ripartita in tre frazioni, che vengono utilizzate come inoculo di tre reattori (stadio 7). Analogamente, la biomassa prodotta in ciascuno dei reattori dello stadio 7 viene ripartita in tre frazioni, con cui vengono inoculati i 9 reattori dello stadio 8.

Selezione del bioreattore: bioreattori CSTB

I bioreattori continui miscelati sono in linea di principio compatibili con l’esigenza di evitare l’effetto Crabtree, in quanto consentono di mantenere condizioni di regime stazionario caratterizzate da valori ridotti della concentrazione di zuccheri.

Tuttavia, presentano diversi inconvenienti:

la maturazione del prodotto richiede un secondo reattore in continuo
i rischi di nei processi continui sono elevati, soprattutto quando sono aerobici e quando la durata dei cicli produttivi è elevata

Di conseguenza, i fermentatori CSTB sono meno diffusi dei fermentatori fed-batch.

Downstream

Centrifugazione e filtrazione, per separare la biomassa dai componenti non fermentabili del terreno di coltura (circa il 40% delle melasse di partenza come peso secco), che vengono impiegati come fertilizzanti o come ingrediente per mangimi animali.

Lavaggio per eliminare le impurezze residue.

Essiccazione per portare il livello di idratazione finale della pasta di lieviti al 70% (w/w), in modo da garantire la stabilità del prodotto finito.

Estrusione per ottenere i cubetti di lievito essiccato.