Produzioni biotecnologiche agroalimentari: Latti fermentati e Probiotici

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1 Produzioni biotecnologiche agroalimentari: Latti fermentati e Probiotici

2 Il Latte alimentare Prodotto della mungitura regolare, ininterrotta e completa della mammella di animali in buono stato di salute e nutrizione (R.D. 9/5/29 n. 994 e successive modifiche) Se il latte non è di bovina, deve essere specificata la specie animale di provenienza

3 La sua composizione comprende: - Acqua circa 87%; - Zuccheri o glucidi: disaccaride lattosio (glucosio e galattosio) e altri quali glucosio, galattosio, N-acetilglucosammina e N-acetilgalattosammina, per gran parte legati alle proteine e in particolare alla k-caseina; - Frazione lipidica: il grasso del latte è costituito principalmente da trigliceridi; - Frazione azotata: proteine 75-78% caseine proteine organizzate sotto forma di micelle (αs 1, αs 2, β e k-caseina), 18-20% sieroproteine (β-lattoglobulina, α-lattoalbumina) e sostanze azotate non proteiche quali urea, creatina, creatinina e ammoniaca; - Acidi organici: 90% acido citrico; - Sali minerali oligoelementi: cloruri, fosfati, citrati, potassio, sodio, calcio e magnesio. Sodio, potassio e cloruri in forma di ioni liberi e la loro concentrazione correlata in maniera inversamente proporzionale con quella del lattosio. Calcio, magnesio, fosforo e citrati sono presenti nel latte sia associati alla caseina che allo stato libero; - Vitamine: nel latte crudo sono presenti le principali vitamine che, a seconda della loro differente solubilità in acqua, sono distribuite nella fase lipidica o acquosa del latte. I successivi trattamenti di trasformazione possono modificare sensibilmente la composizione vitaminica del latte

4 Il Latte alimentare Il latte contiene anche sostanze antibatteriche rappresentate da: - Immunoglobuline; - Sistema lattoperossidasi (lattoperossidasi + tiocianato + acqua ossigenata); - Lisozima; - Lattoferrina (chelante il ferro); - Agglutinine (lattenine); Potere batteriostatico naturale del latte

5 Il Latte alimentare Tali sostanze rallentano, seppur per breve tempo, l attività dei batteri che contaminano il latte al momento della mungitura Poi inevitabilmente i m.o. prendono il sopravvento..

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7 I latti fermentati Prodotti ottenuti per coagulazione del latte senza sottrazione del siero, ad opera di colture d avvio caratteristiche per ciascun tipo di latte fermentato; tali colture, per legge, devono mantenersi vive e vitali fino al momento del consumo In funzione delle specifiche colture starter impiegate, i latti fermentati vengono classificati in tre tipologie: Latti fermentati acidi Latti fermentati probiotici Latti fermentati acido-alcolici

8 Classificazione dei latti fermentati

9 I latti fermentati Latti fermentati acidi termofili: comprendono quei latti fermentati che vengono ottenuti con l impiego di colture omofermentanti, appartenenti ai generi Streptococcus e Lactobacillus, che presentano una crescita ottimale a temperature relativamente elevate, tra 30 e 45 C, e producono acido lattico. Queste colture sono utilizzate sia singolarmente che in associazione con ceppi mesofili (yogurt, dhai indiano e skyr Irlandese) Latti fermentati acidi mesofili: sono ottenuti per fermentazioni condotte a temperatura ambiente (< 30 C) e sono caratterizzati da m.o. omo e eterofermentanti dei generi Lactococcus, Lactobacillus e Leuconostoc (latticello, creme acide, Ymer, latti fermentati filanti dei paesi scandinavi)

10 I latti fermentati Latti fermentati probiotici: sono ottenuti per fermentazione diretta con lattobacilli termofili o mesofili o aggiungendo allo yogurt specie microbiche probiotiche appartenenti ai generi Lactobacillus e Bifidobacterium Latti fermentati acido-alcolici: sono caratterizzati dall associazione tra batteri lattici e lieviti; contengono quindi come prodotti della fermentazione, non solo acido lattico, ma anche alcol etilico e CO 2 (Kefir, Koumys, Lben, Gioddu)

11 I latti fermentati La diversità e la pluralità dei latti fermentati sono connesse al tipo di latte utilizzato (vacca, pecora, capra, bufala, cavalla, cammella, asina, yak), alla tecnologia di produzione applicata e, soprattutto, dai tipi di m.o. che intervengono nel processo, nonché alle tradizioni delle popolazioni che li producono

12 Principali tipi di latti fermentati

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14 Principali funzioni svolte dai m.o. dei latti fermentati: Bioconservazione del prodotto produzione di acidi organici (lattato e acetato) e batteriocine che inibiscono lo sviluppo di m.o. alterativi e/o patogeni Miglioramento delle caratteristiche sensoriali del prodotto produzione di acidi organici e di composti volatili (acetaldeide, acetile), idrolisi parziale di proteine e grassi e produzione in alcuni prodotti di alcol etilico (kefir, koumiss e gioddu) Miglioramento delle proprietà reologiche consistenza, viscosità e struttura Aumento delle caratteristiche funzionali m.o. probiotici

15 Yogurt E il più noto tra i latti fermentati Origine Turca e Bulgara preparato tradizionalmente da latte di pecora, capra, bufala o vacca (attualmente si impiega quasi esclusivamente latte vaccino) Etimologia: dal turco joggurt significa latte denso

16 Yogurt Definito come: il latte fermentato da m.o. specifici acidificanti Streptococcus thermophilus e Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. Tale latte viene ottenuto impiegando come materia prima latte fresco intero o parzialmente o totalmente scremato sottoposto ad un processo di bonifica termica. La nota qualificante dello yogurt è costituita dalla presenza, in quantità elevata, dei fermenti specifici vivi e vitali nel prodotto finito fino al momento del consumo Lo yogurt viene di norma ottenuto da latte vaccino ma può essere utilizzato anche latte di pecora, bufala o capra; in tale caso deve essere fatta obbligatoriamente menzione nella denominazione di vendita

17 Streptococcus thermophilus Temperatura ottimale di sviluppo C Omofermentante Ossigeno indipendente ph < 5,7 Cocco Gram + Catalasi Produce ac. lattico in quantità < 1% Sintetizza le vit. B6 e B12 Circa 1900 geni Esopolisaccaridi (EPS)

18 Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus Temperatura ottimale di sviluppo C Omofermentante Ossigeno indipendente Tollera ph < 5 Bacillo Gram + Produce ac. lattico in quantità > 1,5% Sintetizza ac. folico, niacina e vit. B6 Esopolisaccaridi (EPS)

19 Tecnologia di produzione Trattamento termico: C per 20 min, oppure 95 C per 5 min Effetti biochimici positivi (riduzione della carica microbica e denaturazione delle proteine del siero per facilitare l aggregazione caseinica)

20 Tecnologia di produzione Raffreddamento alla temperatura idonea ed inoculo con batteri lattici termofili (nell ordine dell 1-3% in modo da avere una carica iniziale di UFC/ml e in un rapporto di 1:1)

21 Tecnologia di produzione Fermentazione: 42 C per 3-6 ore direttamente nelle confezioni di vendita (yogurt a coagulo intero), oppure in fermentatore da cui poi lo yogurt viene prelevato per il confezionamento (yogurt a coagulo rotto)

22 Tecnologia di produzione Raffreddamento C (Questa operazione di raffreddamento è necessaria per rallentare le attività metaboliche dei batteri lattici e per iniziare la gelificazione del prodotto; e può essere condotta sia su yogurt a coagulo rotto sia su yogurt a coagulo compatto; si inizia quando il valore di ph è circa 4,6 e l acidità in SH/50 ml è di 20 22) Eventuali aggiunte di frutta succhi di frutta o estratti di frutta Confezionamento

23 Tecnologia di produzione Al termine del processo lo yogurt deve essere refrigerato a 4 C e conservato a tale temperatura fino al consumo; è un prodotto fresco, senza aggiunta di additivi (ad eccezione di quelli a base di frutta che possono contenere coloranti e conservanti) la cui durata è di circa 30 giorni Devono mantenersi vivi e vitali per tutto il periodo di conservazione e in numero minimo di 10 7 UFC/ml

24 Attività metaboliche dei batteri dello Yogurt Dopo l inoculo i batteri lattici convertono il latte in yogurt in un arco temporale di circa 3-4 ore La loro attività determinano numerose modifiche fisiche, chimiche, microbiologiche, nutrizionali e sensoriali del substrato di partenza Il catabolismo del lattosio, principale zucchero presente nel latte, porta alla formazione di acido lattico e di galattosio

25 Attività metaboliche dei batteri dello Yogurt Il lattosio viene portato all interno della cellula tramite specifiche permeasi Il lattosio è scisso in glucosio e galattosio per intervento dell enzima β- galattosidasi Il glucosio viene convertito ad acido piruvico secondo la via glicolitica mentre il galattosio viene rilasciato nel mezzo in quanto la maggior parte dei ceppi di S. thermophilus e di L. delbrueckii subsp. bulgaricus non sono in grado di utilizzarlo

26 Il lattosio viene portato all interno della cellula tramite specifiche permeasi Il lattosio è scisso in glucosio e galattosio per intervento dell enzima β- galattosidasi Il glucosio viene convertito ad acido piruvico secondo la via glicolitica mentre il galattosio viene rilasciato nel mezzo in quanto la maggior parte dei ceppi di S. thermophilus e di L. delbrueckii subsp. bulgaricus non sono in grado di utilizzarlo

27 S. thermophilus produce l isomero L(+) dell acido lattico L. delbrueckii subsp. bulgaricus produce principalmente l isomero D(-) dell acido lattico La quantità L(+) forma più digeribile dell acido lattico può variare dal 50 al 70% in funzione del rapporto tra cocchi e bacilli

28 S. thermophilus L. delbrueckii subsp. bulgaricus Sinergia

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30 Proprietà nutrizionali Lo yogurt è particolarmente indicato nei casi di intolleranza al lattosio che si riscontra in alcune persone (apporto di β-galattosidasi) L acido lattico ha un attività antinfettiva Lo yogurt contiene vitamine (A, B1,B2, B6, B12, C, D) e sali minerali (Ca, K, P, Na) Antibiosi da batteriocine Attività immunostimolante

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32 Kefir Latte fermentato acido-alcolico originario dei Balcani, dell Europa Orientale e del Caucaso, contenente, oltre all acido lattico (1%), anidride carbonica e alcool (0,5-1%) Etimologia: kefir deriva da kef, ket che in turco significa piacevole, benessere Si ottiene utilizzando come innesto i caratteristici granuli, detti anche miglio del profeta

33 I granuli, di forma globosa e irregolare, di colore bianco o giallastro, sono costituiti da una matrice gommosa elastica di natura proteica e polisaccaridica (kefirano) In essa restano inglobati i m.o. che instaurano una forma di simbiosi molto stabile Le analisi dei granuli di Kefir hanno evidenziato che la sua microflora è composta da LAB, batteri acetici e lieviti che coesistono in una relazione simbiotica all interno del granulo

34 a) Batteri lattici: bacilli mesofili: Lactobacillus casei Lactobacillus brevis streptococchi mesofili: Lactococcus lactis subsp. lactis Leuconostoc mesenteroides subsp. lactis e subsp. cremoris b) Enterococchi: Enterococcus durans c) Lieviti: (10 8 /g si localizzano al centro del granulo di kefir) Saccharomyces delbrueckii Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces kefir Saccharomyces fragilis Torula lactis Torula ellipsoidea Torula kefir Kluyveromyces marxianus Candida pseudotropicalis var. lactosa d) Acetobatteri: (presenza granuli e bevanda /g e /ml) Acetobacter aceti e) Muffe Geotricum candidum (ossida l acido lattico ad anidride carbonica e acqua, produce enzimi proteolitici e lipolitici)

35 I principali prodotti della fermentazione nel Kefir sono l acido lattico, l etanolo (che può raggiungere i 2 g in 100 ml di prodotto) e CO 2 (che ne determina la caratteristica effervescenza) mentre i minori prodotti di fermentazione includono diacetile, acetaldeide, aa liberi e in alcuni casi acetato L associazione di questi m.o. promuove diverse interazioni metaboliche come la produzione di polisaccaridi da parte dei batteri lattici, la produzione di vitamina B 12 e l ossidazione dell acido lattico da parte dei batteri acetici

36 PROBIOTICI Durante tutta la vita l uomo è in stretto contatto e interagisce con i m.o. che lo circondano In particolare, il tratto gastrointestinale ospita un numero elevatissimo di batteri (10 14 cellule con 500 specie diverse) tale da superare di 10 volte il numero delle cellule che compongono il corpo umano

37 Enzimi della saliva Acido cloridrico e enzimi Sali di bile dell intestino tenue

38 Il microbiota intestinale (termine che ha ormai sostituito la vecchia denominazione microflora ) è un ecosistema formato da una pluralità di nicchie ecologiche, che ospitano una popolazione batterica formata da numerosissime specie e da un innumerevole quantità di ceppi È a stretto contatto con la mucosa intestinale, o interfaccia epiteliale, che costituisce, dopo quella respiratoria, la più grande superficie libera del nostro organismo, essendo pari a circa m 2 Il microbiota e la mucosa, insieme al muco, formano la cosiddetta barriera mucosa, importante sistema di difesa nei confronti dei fattori potenzialmente immunogenici o patogeni presenti nel lume

39 Il microbiota di ogni individuo ha una sua specifica impronta digitale batterica, cioè un profilo di specie suo proprio, diverso da quello di altri individui; esiste tuttavia un core di almeno 57 specie batteriche che può essere considerato comune a tutti Il microbiota dell intestino umano è oggi oggetto di ricerche condotte con tecniche molto avanzate, che comprendono anche lo studio del genoma batterico (microbioma). Due grandi progetti, basati sul sequenziamento sistematico del DNA del microbiota, sono al momento in corso: lo Human Microbiome Project (HMP), negli USA, e il Metagenomics of Human Intestine (metahit), in corso in Europa

40 Di quest ultimo è stato pubblicato un primo report, che conferma la presenza, nel microbiota stesso, di una grande varietà di specie batteriche: oltre nei 124 individui campionati, e circa 160 per ogni individuo studiato Un risultato sorprendente dell analisi meta-genomica è quello che vede tuttavia il 15% delle sequenze determinate codificare per funzioni non note o indefinite, lasciando cosi chiaramente intendere che la reale comprensione del ruolo svolto dalla biomassa batterica intestinale richiederà ancora molti anni di ricerca e analisi

41 Analisi del genoma dei batteri intestinali (MICROBIOMA) Lactobacillus acidophilus e Lactobacillus casei sono specie dominanti nelle feci di bambini lattanti, Lactobacillus reuteri e Lactobacillus gasseri sono dominanti nelle feci di adulti; Lactobacillus ruminis è un componente regolare. Bifidobacterium adolescentis e Bifidobacterium catenulatum appaiono molto comuni negli adulti, mentre Bifidobacterium breve e Bifidobacterium infantis sono dominanti nelle feci dei bambini

42 Ruolo del microbiota intestinale Questi microrganismi giocano un ruolo di rilievo, anche attraverso le loro attività metaboliche, nell utilizzazione dei nutrienti assunti con gli alimenti; essi influenzano inoltre in modo significativo anche lo sviluppo ed il funzionamento del sistema immune, e di altre funzioni dell organismo umano

43 Nella definizione FAO/WHO di probiotico oggi utilizzata, non solo il ambito scientifico ma anche in quello normativo, non si fa cenno all origine umana del ceppo microbico Viene precisato che è l azione svolta a essere importante e non l origine ecologica In Italia il Ministero della salute ha definito i probiotici microrganismi che si dimostrano in grado, una volta ingeriti in adeguate quantità, di esercitare funzioni benefiche per l organismo

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47 PROBIOTICI

48 Tabella 3. Cosa cercare in un etichetta di un prodotto probiotico