Tecnologia lattiero-casearia

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1 Corso di Laurea Magistrale in Biosicurezza e qualità degli alimenti Tecnologie alimentari: Tecnologia lattiero-casearia Il processo di caseificazione: l azione tecnologica degli starter lattici Dott.ssa Francesca Pedonese Dipartimento di Scienze Veterinarie Università di Pisa Tel [email protected]

2 GLI STARTER Gli starter lattici acidificano gradualmente prima il latte e poi la cagliata, favorendo la coagulazione presamica (il caglio funziona meglio a ph acidi) e la trasformazione della pasta in formaggio (azione proteolitica). Sono determinanti, con la loro acidificazione, per un buono spurgo della cagliata (l acidificazione, diminuendo l idratazione delle micelle di caseina e demineralizzandole progressivamente, incrementa la permeabilità della cagliata) Concorrono con i loro enzimi al processo di maturazione, conferendo sapori e aromi Sono antagonisti delle microflore anticasearie

3 GLI STARTER Si dividono in: MESOFILI E TERMOFILI OMOFERMENTANTI ED ETEROFERMENTANTI A FORMA COCCICA O BACILLARE

4 GLI STARTER LATTICI Abbiamo quindi diversi gruppi: Streptococchi omofermentanti termofili: Streptococcus thermophilus Lattococchi omofermentanti mesofili: Lactococcus lactis, Lactococcus cremoris Cocchi eterofermentanti mesofili: Leuconostoc, Lactococcus diacetylactis Lattobacilli omofermentanti termofili: Lactobacillus delbrueckii bulgaricus, Lb. helveticus lattobacilli omofermentanti mesofili (eterofermentanti facoltativi): Lb. casei, Lb. plantarum Lattobacilli eterofermentanti: Lb. fermentum, Lb buchneri

5 I BATTERI LATTICI STARTER I più importanti: Streptococcus thermophilus Lattococchi mesofili omofermentanti (prima classificati come streptococchi, vedi tabella in slide successiva): Lactococcus lactis, Lactococcus cremoris Lattobacilli omofermentanti termofili: Lactobacillus bulgaricus, Lb. helveticus Ogni gruppo ha caratteristiche proprie, per cui a seconda del tipo di formaggio bisogna scegliere i più adatti

6 GLI STARTER LATTICI

7 I BATTERI LATTICI STARTER Starter e tecnologia STREPTOCOCCUS THERMOPHILUS: Omofermentante, termofilo, con ottimo di crescita tra 42 e 45 C. Capacità acidificanti elevate (fino all 1,5% di acido lattico), con produzione rapida ma facilmente arrestabile quando ha raggiunto il livello voluto. Molto sensibile al sale. Adatto per formaggi di buona tessitura ma di scarso sapore che rimangono abbastanza dolci e morbidi. es. Crescenza, Italico, mozzarella (qui a volte anche con mesofili, che danno sapidità)

8 I BATTERI LATTICI STARTER Starter e tecnologia LATTOCOCCHI OMOFERMENTANTI (Lc. lactis, Lc. cremoris): producono relativamente poco acido lattico (0,7-1%), meno dello Streptococcus thermophilus, ma producono acidità in un arco di tempo più lungo rispetto allo Streptococcus thermophilus, aiutando di più la fase di spurgo. Rispetto alle colture termofile si associano, insieme ai lattococchi eterofermentanti, a prodotti più saporiti (es. caciotta toscana, pecorino toscano), perché liberano più aromi, e a maturazione più lunga, perché liberano più enzimi, soprattutto proteolitici, in maturazione. Un altro uso è per i formaggi a coagulazione acida, che Un altro uso è per i formaggi a coagulazione acida, che richiedono un acidificazione lenta e prolungata.

9 I BATTERI LATTICI STARTER Starter e tecnologia LATTOBACILLI TERMOFILI: Omofermentanti, termofili, con ottimo di crescita tra 44 e 46 C. Capacità acidificanti MOLTO elevate (fino al 2% di acido lattico Lb. bulgaricus, oltre 2,8% Lb. helveticus). Però sono molto esigenti a livello di sviluppo, per cui non crescono bene da soli ma serve l associazione con Streptococcus thermophilus. Servono soprattutto per formaggi in cui l alta acidità, superiore a quella ottimale per molti formaggi, è funzionale soprattutto allo spurgo necessario per sopportare una lunga maturazione, es. Grana, asiago, montasio, oppure per mozzarelle, in cui l elevata acidità è funzionale alla filatura.

10 GLI STARTER LATTICI dei principali formaggi italiani

11 Si dividono in NATURALI e SELEZIONATI: GLI STARTER LATTICI I selezionati sono colture batteriche pure o loro miscele fatte sviluppare in latte sterile o altri substrati. Produzione più standardizzata ma con caratteristiche meno tipiche (Colture madri), non più usate Starter semidiretti Starter diretti

12 SELEZIONATI Gli starter lattici Semidiretti: per preparare l innesto in caseificio, liofilizzati o congelati, richiedono riattivazione, personale specializzato, rischi di inquinamento, infezione da fagi, sbilanciamento delle colture Diretti: liofilizzati o congelati, a utilizzo diretto in caldaia, facili da usare, meno rischi di contaminazione, però lag phase, processo produttivo più lungo

13 Gli starter lattici: le tipologie a inoculo semidiretto Le condizioni di incubazione (durata, temperatura) necessarie per prepararli all uso variano con il tipo di starter usato, ma anche con il substrato (substrati tamponati o neutralizzati possono consentire crescite più prolungate). Starter mesofili possono essere incubati a 30 C per 8 ore o a C per ore. Starter termofili dovrebbero essere incubati a C per max 6-8 ore. Al termine dell incubazione é necessario refrigerare rapidamente la coltura per evitare un accumulo eccessivo di acido lattico e un danno alle cellule, con conseguente riduzione della velocità di fermentazione in caldaia. La refrigerazione rapida al termine dell incubazione può permettere di La refrigerazione rapida al termine dell incubazione può permettere di conservare lo starter anche per 2 gg senza perdite notevoli di vitalità ed attività.

14 Gli starter lattici: tipologie a inoculo diretto Normalmente lo sviluppo in latte degli starter arriva a 10 9 ufc/ml. Ciò è dovuto a fattori limitanti, in primis l accumulo di acido lattico. I concentrati (starter a inoculo diretto) si producono per neutralizzazione (tradizionale tecnologia) o rimozione di acido lattico (con tecniche di diffusione), permettendo così di ottenere un numero complessivo di cellule più elevato ( ufc/g di preparazione starter). La raccolta delle cellule avviene per centrifugazione o microfiltrazione, non richiesta nel metodo per diffusione. Il mantenimento dell attività degli starter richiede congelamento o liofilizzazione. I congelati si mantengono a 45 C, o a 18 C a seconda dei tipi I liofilizzati si mantengono per alcuni mesi a 4 C

15 Gli starter lattici: tipologie a inoculo diretto Produzione dei concentrati Se il ph è mantenuto tra 6 e 6,3 per neutralizzazione dell acido lattico, la popolazione lattica può aumentare di volte in dipendenza del neutralizzante usato (idrossido di sodio o di ammonio). La cessazione della crescita in un mezzo a ph controllato è comunque determinata dall accumulo di altre sostanze prodotte dagli stessi batteri lattici, come perossido di idrogeno nisina All accumulo di questi metaboliti si ovvia con il metodo per diffusione in cui il mezzo colturale è pompato attraverso una membrana. Questo metodo è in grado di ottenere le concentrazioni più alte di cellule.

16 Gli starter lattici: tipologie a Svantaggi inoculo diretto Non tutti gli starter rispondono bene alle operazioni di concentrazione e stoccaggio, ciò limita il numero di ceppi disponibili e può creare problemi negli schemi di rotazione contro l infezione fagica e nella scelta della tipologia ottimale per il prodotto.

17 Gli starter lattici: tipologie a inoculo diretto e semidiretto Differenze tra starter semidiretti e diretti Nei diretti le cariche sono dell ordine di ufc/g di preparazione starter, nei semidiretti di preparazione starter. I diretti non apportano acidità né metaboliti al latte in vasca di coagulazione, a differenza di quanto avviene per gli innesti liquidi, sia naturali che selezionati semidiretti Quindi i liquidi permettono di modulare l acidità in caldaia e possono fornire sostanze importanti per la caratterizzazione organolettica del prodotto I diretti sono però molto più pratici e semplici da usare anche in piccole aziende con personale non molto specializzato

18 Gli starter lattici Starter liquidi diretti Esiste anche la tipologia di starter liquidi diretti, meno usati: si immettono direttamente in caldaia e sono molto personalizzabili, però durano solo pochi giorni e ne servono grosse quantità Danno, come i semidiretti, caratteristiche organolettiche ottime per presenza di acidità e metaboliti prodotti dallo starter nel terreno colturale di proliferazione. Corrispondono a sieroinnesti e lattoinnesti naturali ma sono Corrispondono a sieroinnesti e lattoinnesti naturali ma sono prodotti dall industria degli starter invece che dal caseificio.

19 GLI STARTER LATTICI NATURALI O SELEZIONATI NATURALI: lattoinnesti o sieroinnesti. Si lasciano sviluppare naturalmente i microrganismi autoctoni in un substrato di latte o siero, senza operare selezione fra ceppi batterici. Tipicità, mancanza di standardizzazione. I lattoinnesti si usano per formaggi a pasta molle o semicotta, a rapida o media stagionatura. I sieroinnesti, più acidi, si usano nei formaggi a pasta cotta e filata

20 GLI STARTER LATTICI NATURALI SIEROINNESTO NATURALE termofilo per formaggi tipo grana: Il siero è messo in serbatoi di acciaio, a volte con intercapedine dove circola l acqua, con capacità indicativa di litri. La temperatura del siero è quella della cottura della cagliata (53-55 C per il Grana Padano, C per il Parmigiano Reggiano) poi permanenza a temperatura ambiente. Il siero non deve essere pastorizzato per non modificare specie e biotipi presenti Valori di acidità titolabile caratteristici (28-32 SH/50 ml), da monitorare per avviare quando necessario la fase di raffreddamento (sotto i 20 C). Troppa acidità danneggia infatti la vitalità dei lattici

21 GLI STARTER LATTICI NATURALI SIEROINNESTO NATURALE termofilo per formaggi tipo grana: Composizione del sieroinnesto: Prevalenza di Lactobacillus helveticus e Lactobacillus delbrueckii ssp. lactis Con presenza variabile di Lb. delbrueckii ssp. bulgaricus, Streptococcus thermophilus (soprattutto se il siero viene parzialmente raffreddato ad inizio incubazione) e Lactobacillus fermentum Utilizzo del sieroinnesto: 2,5-3,2% del latte in caldaia (incremento di acidità tra 0,7-0,9 SH/50)

22 GLI STARTER LATTICI NATURALI SIEROINNESTO NATURALE per mozzarella di bufala (meso-termofilo): Cizza: è il siero sotto il quale la cagliata ha compiuto la sua acidificazione. Il siero può essere raffreddato e conservato per il giorno successivo o lasciato ancora a temperatura ambiente per alcune ore. Composizione eterogenea : predominanti S. thermophilus e Lc. lactis accanto a Lb. lactis e Lb. helveticus. Anche lattobacilli mesofili, enterococchi, lieviti Acidità titolabile: SH/50 Aggiunto al latte tra il 3 ed il 6%.

23 GLI STARTER LATTICI NATURALI LATTOINNESTO NATURALE termofilo : Per crescenza, Italico, mozzarella. Latte fresco di buona qualità viene trattato a 65 C per minuti e raffreddato alla temperatura di incubazione, compresa tra 40 e 45 C. Si seleziona una microflora termofila, ricca in S. thermophilus, che determina la coagulazione del latte. Subito dopo la coagulazione, l innesto viene raffreddato. Anche presenza di enterococchi

24 GLI STARTER LATTICI NATURALI LATTOINNESTO NATURALE mesofilo : E la forma più semplice di preparazione di un innesto. Si ha per spontanea acidificazione di latte lasciato fermentare a T ambiente. Composizione imprevedibile e grossi problemi di standardizzazione. L utilizzo è, o era, limitato ad alcune produzioni artigianali tradizionali di Fior di Latte.

25 GLI STARTER LATTICI NATURALI La quantità di innesto da usare è molto importante e dipende dal grado di acidità che si vuole raggiungere nel latte, considerando l acidità dell innesto stesso e quella del latte di partenza. F= L (Am-Al)/Ai-Am F: quantità di innesto in Kg; L: quantità di latte; Am: acidità miscela latte- innesto; Al: acidità latte; Ai: acidità innesto

26 GLI STARTER Esistono anche le cosiddette colture lattiche di rinforzo, ad es. da aggiungere al bisogno a innesti naturali. Esistono poi le colture protettive, ad es. ceppi di batteri lattici produttori di batteriocine o acqua ossigenata nei confronti di patogeni, come Listeria monocytogenes o Staphylococcus aureus. Esistono infine le colture sussidiarie non acidificanti, con funzioni diverse, per particolari tipi di formaggi: muffe bianche (Penicillium candidum e Geotrichum candidum, formano il feltro bianco delle croste fiorite, hanno azione anti- Mucor, che sono tipiche muffe alteranti) muffe verdi (Penicillium roqueforti e P. weidemannii, che danno erborinatura verde), lieviti (Kluyveromyces lactis, Saccharomyces, danno apertura della pasta e disacidificazione, utili in alcuni casi), propionibatteri (Propionibacterium, danno classica occhiatura in Emmentaler e simili), microflore superficiali pigmentate (Brevibacterium linens, Micrococcus spp. in formaggi a crosta lavata come il taleggio). Nella slide successiva ne vediamo gli utilizzi in alcuni formaggi.

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28 Gli starter lattici: fattori inibenti o rallentanti lo sviluppo nel latte Il latte mastitico inibisce la crescita dei fermenti lattici, probabilmente a causa dell'attività fagocitaria extra (alto numero di leucociti polimorfonucleati) Alle mastiti è spesso associata la presenza di residui di antibiotici, che è una delle cause più frequenti di inibizione delle colture lattiche e può determinare significative alterazioni della composizione delle colture miste. Alcuni ceppi di fermenti lattici sono in grado di produrre proteine ad azione antibiotica, le batteriocine, che possono agire su diversi batteri anche lattici di altre specie o ceppi. Anche residui di detergenti e disinfettanti possono determinare inibizione delle colture lattiche. Mentre ipoclorito e derivati hanno un effetto limitato perchè vengono rapidamente inattivati nel latte, le basi di ammonio quaternarie presenti in molti disinfettanti sono estremamente inibitorie, mentre gli iodofori sono meglio tollerati. La crescita di batteri psicrofili nel latte con produzione di lipasi termoresistenti può causare rancidità e relativi prodotti inibenti.

29 Gli starter lattici: l infezione fagica Come le cellule degli animali e delle piante, così anche i batteri, compresi i fermenti lattici, possono essere infettati da virus, detti batteriofagi (o, più brevemente, fagi). Le cellule batteriche infettate da un fago litico, dopo un periodo di latenza (30-90 min) di durata paragonabile al tempo necessario per la duplicazione delle cellule stesse, lisano (cioé la loro parete viene dissolta da enzimi prodotti dal fago) e liberano numerose nuove particelle infettive (comunemente da 20 a 150), che attaccano nuove cellule dell ospite.

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31 Gli starter lattici: l infezione fagica I fagi lattici si trovano naturalmente nel latte crudo, resistono alla pastorizzazione, hanno un breve periodo di latenza ed una burst size (numero di fagi liberati da una cellula infetta) relativamente elevata

32 Gli starter lattici: l infezione fagica I lattococchi sono i batteri lattici più colpiti dall infezione fagica I fagi dei lattococchi sono classificati in 12 specie geneticamente distinte (Jarvis et al., 1991). Tre di essi (936, c2, P335) in particolare sono la principale causa di danno agli starter

33 Gli starter lattici: l infezione fagica Nel corso degli anni 90 si è prospettato anche l avvento di fagi contro lattici termofili, in particolare Streptococcus thermophilus, a causa dell uso estensivo come starter

34 Gli starter lattici: l infezione fagica I meccanismi di difesa Ceppi di batteri lattici BIMs, cioè fago-resistenti: bacteriophage-insensitive mutant strains Basati su presenza di plasmidi anti-fago 4 meccanismi: Inibizione dell assorbimento Blocco dell iniezione di DNA Restrizione\modificazione (modifica del sito e digestione ac. nucleico) Infezione abortiva (<burst size)

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36 Gli starter lattici: l infezione fagica Oltre ai fagi virulenti,, che causano invariabilmente la lisi delle cellule sensibili, esistono dei fagi, detti temperati,, che, in seguito all infezione, non causano immediatamente la morte e la lisi dell ospite. Le cellule infette, dette lisogeniche, continuano a moltiplicarsi e con esse si moltiplica il patrimonio genetico del fago. In seguito a particolari stress (p.es. esposizione a raggi ultravioletti e ad antibiotici, ma anche soltanto esposizione alle temperature di cottura del formaggio), il fago temperato esce dal suo stato dormiente e si moltiplica, lisando la cellula e liberando nuove particelle infettive. L importanza pratica dei lisogeni é legata al fatto che un fago temperato per un ceppo può essere litico per un ceppo appartenente alla stessa coltura starter multipla o mista. I ceppi lisogenici sono una delle potenziali fonti di fagi negli impianti caseari

37 Gli starter lattici: l infezione fagica I fagi possono provenire da varie fonti: lo starter stesso: : molti ceppi sono lisogenici: fagi temperati per un ceppo possono essere litici per un altro; ceppi phage-carrier (che portano cioè i fagi sulla superficie delle cellule pur non essendo sensibili) possono introdurre nella coltura bassi livelli di fagi ( UFP (unità formanti placca)/ml) aria o aerosol ad esempio nelle vicinanze delle centrifughe latte crudo (alcuni fagi possono resistere alla temperatura di pastorizzazione) siero (i fagi si accumulano nel siero che inevitabilmente imbratta tutto l ambiente del caseificio) ambiente del caseificio e operatori

38 Gli starter lattici: l infezione fagica Per limitare le infezioni fagiche nelle colture selezionate a composizione definita possono essere adottate una serie di precauzioni: 1. Disinfezione: : Il siero deve essere accuratamente lavato via dall'ambiente di caseificio dopo il lavoro. Gli impianti devono essere lavati con detergenti appropriati. Immediatamente prima dell'inizio della caseificazione tubi, pompe, caldaie devono essere sanificati con disinfettanti con 200 ppm di cloro residuo (meglio se a ppm). 2. Conservazione del siero: : se non viene trattato in qualche modo o eliminato, i serbatoi per la conservazione del siero devono essere sempre posti sottovento rispetto all'impianto. 3. Preparazione dello starter: : la stanza per la preparazione degli starter deve essere sempre separata dall ambiente di caseificazione e devono essere rispettate le massime cautele di asepsi. Il latte per la preparazione degli starter deve essere trattato almeno a 90 C per 30 min.

39 Gli starter lattici: l infezione fagica 4. Uso di starter pronti per l inoculo in caldaia 5. Uso di colture miste: : anche se un ceppo è sensibile, gli altri possono essere resistenti, garantendo così l'acidificazione. Questo causa in genere cambiamenti della composizione che possono causare qualche problema. 6.Rotazione dei ceppi: si possono usare rotazioni di ceppi non correlati da un punto di vista fagico (che sono attaccati da fagi con un range di ospite diverso). Questo evita l'accumulo di fagi a livelli pericolosi.