BIOCHIMICA e BIOTECNOLOGIE degli ALIMENTI

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1 Corso di Laurea Magistrale in SCIENZE DEGLI ALIMENTI E DELLA NUTRIZIONE UMANA Insegnamento di BIOCHIMICA e BIOTECNOLOGIE degli ALIMENTI

2 La Birra e il suo processo produttivo

3 La birra La birra, in particolare se non filtrata, ha sempre rappresentato una buona fonte nutrizionale per il suo apporto in carboidrati. È la bevanda più diffusa sul nostro pianeta e pur essendo una bevanda attualissima vanta origini molto antiche. La sua storia ha oltre cinquemila anni e la sua origine va situata fra Mesopotamia e Antico Egitto. A seconda dei tempi e dei Paesi ha modificato la sua natura, senza però mai tradirla, adeguandosi ai gusti, alla cultura, alla disponibilità delle materie prime. Queste varianti sono pressoché infinite e in continua evoluzione

4 La birra

5 La birra Secondo la legislazione italiana la birra è il prodotto ottenuto dalla fermentazione alcolica con ceppi di Saccaromyces carlsbergensis e S. cerevisiae di un mosto preparato con malto, anche torrefatto, di orzo o di frumento o di loro miscela ed acqua, amaricato con luppolo o suoi derivati o con entrambi.

6 La birra Le materie prime usate nella produzione della birra sono: Acqua, malto d orzo e suoi succedanei, luppolo e lievito L acqua, rappresenta oltre il 90% della birra. Deve essere potabile e non troppo ricca in sali minerali

7 La birra Malto d orzo (Hordeum vulgare), è il cereale principale utilizzato nella produzione della birra, dopo che è stato trasformato in malto. Il suo impiego è dovuto all elevato contenuto in amido, dall intensa sintesi di enzimi idrolitici e dalla presenza delle glumelle. Lo scopo principale della maltazione è quello di favorire la sintesi, durante la germinazione, di enzimi idrolitici come amilasi e proteasi, utili nella degradazione dell amido e delle proteine durante l ammostamento

8 La birra Il processo di maltazione si divide in tre fasi: La bagnatura, ha lo scopo di stimolare la germinazione, in questa fase l umidità del seme passa dal 12% al 46%. Al termine il malto detto verde viene essiccato, durante questa fase avviene la formazione dei composti che contribuiscono a conferire colore e aroma alla birra Succedanei, sono cereali non maltati o sostanze zuccherine. In Italia il mais è il cerale succedaneo maggiormente utilizzato.

9 La birra Il luppolo, è una pinta erbacea perenne, con rizoma modificato dal quale si sviluppano esili fusti rampicanti, che possono raggiungere i sette metri d altezza. Essendo una pianta dioica, i fiori unisessuali maschili e femminili, sono presenti su individui separati. Nella produzione della birra si usano solo le infiorescenze femminili dette coni dove è contenuta la luppolina, sostanza amara e gli oli essenziali.

10 La birra Il lievito, sono funghi unicellulari di dimensioni comprese tra i 6 e i 12 µm. Si riproducono per via vegetativa tramite gemmazione o sessuata, tramite le spore. Svolgono il metabolismo in condizioni sia di aerobiosi che anaerobiosi. Nella produzione della birra i ceppi utilizzati appartengono al genere Saccharomyces spp. Tradizionalmente si suddividono in lieviti a bassa e alta fermentazione. Quelli a bassa fermentazione sono usati per produrre birre lager (T 8/15 ), mentre quelli ad alta fermentazione sono usati per birre ales (T 15/23 C).

11 Filiera di produzione della birra

12 Il processo di birrificazione: un processo biotecnologico La birrificazione avviene in tre fasi: Maltazione ORZO MALTO L operazione tecnologica prevede la bagnatura, la germinazione e l essiccamento. Durante questa fase sono sintetizzati gli enzimi idrolitici che avviano un idrolisi parziale dell amido, β-glucano e proteine.

13 Il processo di birrificazione, un processo biotecnologico Ammostamento MALTO MOSTO Il malto viene miscelato con acqua calda, e gli enzimi sintetizzati durante la maltazione, degradano l amido in zuccheri semplici e le proteine in amminoacidi, portando alla formazione del mosto

14 Il processo di birrificazione, un processo biotecnologico fermentazione MOSTO BIRRA Il mosto, un liquido ricco di zuccheri semplici e sostanze nutritive, verrà trasformato in birra dai lieviti ad opera del loro metabolismo.

15 Impiego degli enzimi nell industria della birra Dalla germinazione della cariosside d orzo alle varie fasi di produzione della birra gli enzimi svolgono funzioni essenziali. MALTO AMIDO ENZIMI

16 Impiego degli enzimi nell industria della birra Nella sua forma originaria l amido è molto resistente all attacco degli enzimi idrolitici e per questo deve essere preventivamente gelatinizzo, cioè passa dalla struttura cristallina a quella amorfa in seguito al rigonfiamento con acqua

17 Gli enzimi: la fitasi Per far si che tutti gli enzimi del malto lavorino correttamente, è importante che il ph sia acido (5,1 5,8). Infatti, la miscela di acqua e malto ha un ph 6,0 e per abbassare questo valore si sfrutta l attività catalitica delle fitasi. Essa agisce ad una temperatura tra i C,e degrada la fitina, sale insolubile in cui gran parte dei fosfati del malto sono legati all acido fitico. Questa reazione produce il rilascio di ioni fosfato, con conseguente riduzione del ph + 5

18 Gli enzimi: la β-glucanasi Il β- D-glucano è un polimero del D glucopiranosio con legami β-(1 3) e β-(1 4) ed è uno dei componenti della parete cellulare degli amiloplasti. Il β-gluconasi è un enzima idrolitico in grado di tagliare i legami β-(1 3) e β-(1 4) facilitando la liberazione dei granuli di amido, i quali risulteranno più accessibili alle amilasi consentendo la saccarificazione del mosto

19 Gli enzimi: le proteasi e peptidasi Gli enzimi proteolitici hanno il ruolo di degradare una buona quantità di proteine presenti nel malto. Ciò consente di avere un mosto con un buon contenuto di amminoacidi liberi necessari per la crescita del lievito e ridurre la quantità di proteine in eccesso, che possono danneggiare il prodotto finito La percentuale finita del rapporto tra proteine degradate/proteine totali dovrebbe essere pari al 36%-40%, una riduzione eccessiva della quantità di proteine potrebbe portare un impatto negativo sul prodotto finito (schiuma).

20 Gli enzimi: le amilasi Le amilasi sono enzimi in grado di idrolizzare l amido, un polisaccaride di riserva delle piante, costituito da una miscela di amilosio e amilopectina. Amilosio Amilopectina

21 Gli enzimi: le amilasi Le amilasi si di distinguono in α e β-amilasi, entrambe idrolizzano il legame α 1 4 dell amilosio e dell amilopectina, ma con diversa modalità d azione Le α-amilasi agiscono tagliando i legami α (1-4) a caso all interno della molecola di amilosio o amilopectina, formando inizialmente molecole di destrine (oligosaccaridi conteneti ramificazioni) riducendo quindi il peso molecolare delle molecole, con conseguente diminuzione della viscosità. Successivamente le a amilasi possono idrolizzare le destrine a molecole ancora più piccole. Non intaccano minimamente i legami α (1-6)

22 Gli enzimi: le amilasi β-amilasi, agiscono tagliando i legami α (1-4) alle estremità non riducenti delle molecole di amilosio e amilopectina, formando quindi principalmente maltosio (zucchero fermentescibile). Non intaccano minimamente i legami α (1-6); Gli oligosaccaridi contenenti ramificazioni non vengono degradate ulteriormente e vengono dette destrine limite, queste costituiranno gli zuccheri non fermentescibili della birra per la loro difficoltà di internalizzazione nella cellula di lievito durante la fermentazione. Le destrine sono responsabili del corpo del prodotto finito.

23 Taglio delle α e β-amilasi

24 Protocollo per saccarificazione di una birra lager L impasto della miscela acqua e malto avviene alle temperatura di 42 C per 10 minuti. In questa fase si ha azione sia delle beta glucanasi, che liberano i granuli di amido, sia della fitasi, che fa diminuire il ph del mosto; Sosta proteolitica alla temperatura di 50 C per 15 minuti. Si ha l azione delle proteasi e peptidasi Prima sosta di saccarificazione alla temperatura di 63 C per 35. Maggiore attività delle beta amilasi con produzione di maltosio ed altri zuccheri fermentescibili. Seconda sosta di saccarificazione a 72 C prevalenza di attività delle alfa amilasi responsabili della produzione di destrine, che in parte degradate dalle beta amilasi. Se si preferisce una birra con più corpo si diminuisce la precedente sosta di saccarificazione. Questa sosta durerà sino alla completa saccarificazione dell amido.

25 Protocollo per saccarificazione di una birra lager La decozione aiuta l'esplosione dei granuli di amido e la rottura della matrice delle proteine del malto non modificato, aumentando l'efficienza dell'estrazione, e aiuta la formazione di melanoidi. Questi elementi vengono formati dagli amminoacidi e dagli zuccheri riducenti in presenza di calore, e sono responsabili del sapore ricco delle lager maltate.

26 Protocollo per saccarificazione di una birra lager La decozione aiuta l'esplosione dei granuli di amido e la rottura della matrice delle proteine del malto non modificato, aumentando l'efficienza dell'estrazione, e aiuta la formazione di melanoidi. Questi elementi vengono formati dagli amminoacidi e dagli zuccheri riducenti in presenza di calore, e sono responsabili del sapore ricco delle lager maltate.

27 Il luppolo e la bollitura Dopo la fase di ammostamento, grazie all ausilio degli enzimi prodotti durante la maltazione, il mosto viene filtrato e sottoposto alla bollitura. Questo passaggio ha lo scopo di: Sterilizzare il mosto Concentrare il mosto Amaricare il mosto dopo l aggiunta del luppolo Precipitare le proteine e le impurità dovute alla filtrazione

28 Il luppolo e la bollitura Il luppolo conferisce alla birra il caratteristico sapore amaro e contribuisce al suo profilo aromatico. Inoltre, ha una azione antisettica, antiossidante e contribuisce alla sterilizzazione del mosto. Il luppolo favorisce anche la precipitazione di composti insolubili, riducendo i fenomeni di intorbidamento e migliora la stabilità della schiuma. Gli alfa- acidi, responsabili del sapore amaro. Gli oli essenziali, responsabili dell aroma

29 Il luppolo e la bollitura La concentrazione degli alfa acidi nel luppolo varia dal 2-17%, sono debolmente amari e poco solubili nel mosto. Per diventare solubili e conferire il tipico gusto amaro alla birra, devono essere isomerizzati e si avranno così gli iso-alfa acidi La reazione di isomerizzazione è favorita dall'alta temperatura, dal ph alcalino e dalla presenza di ioni Ca e Mg. Il processo impiega tempi abbastanza brevi (circa 15 ) Maggiore è la quantità di α-acidi presenti nel luppolo, maggiore sarà l'amaro estratto. Gli iso-α acidi sono invece molto solubili, amari e possiedono proprietà antisettiche.

30 Il luppolo e la bollitura Gli oli del luppolo rappresentano lo 0,5-3% del peso dei coni essiccati e sono caratterizzati per la maggior parte da elevata volatilità La frazione idrocarburica consiste principalmente da derivati terpenici: di mircene (monoterpenico), cariofillene, umulene e in certi casi anche farnesene (sesquiterpenici) Molto importanti sono anche gli alcoli quali il linalolo e il geraniolo (note floreali). Molti esteri sono responsabili delle note fruttate (es. isobutirrati)

31 I liviti I lieviti Saccharomyces (cerevisiae, carlsbergensis, delbrucki), sono quelli impiegati nella produzione della birra. Gli intervalli di temperatura a cui crescono sono essenzialmente due: 8-13 C Lieviti detti a bassa fermentazione S. carlsbergensis C Lieviti detti ad alta fermentazione S. cerevisiae Il ph è circa 5,2 unità, tale valore molto basso e fa si che si possano crescere in condizioni svantaggiose per i batteri, evitando infezioni.

32 I lieviti e la fermentazione Affinché il mosto si trasformi in birra è fondamentale l azione dei lieviti, i quali vengono addizionati durante il processo produttivo della birra. Nelle birre ad alta fermentazione (birre ALE) si aggiunge il Saccaromyces cerevisiae, meglio noto come lievito di birra (proprio quello che si usa in cucina), che lavora tra i C. Dopo tre o quattro giorni risale in superficie, da cui il nome alta fermentazione, e viene recuperato. Questo lievito conosciuto fin dall antichità, produce esteri in quanto hanno bisogno di temperature maggiori per fermentare. Gli stili che usano questi ceppi hanno varie gradazioni di fruttato e dolce nell'aroma

33 I lieviti e la fermentazione Nelle birre a bassa fermentazione si usa invece il Saccharomyces carlsbergensis, che lavora a temperature più basse, tra i 5 e gli 8 gradi. A causa della temperatura inferiore questo lievito impiega più tempo a completare il suo lavoro, dopodiché tende a dividersi in due: grossi fiocchi che salgono verso la superficie e cellule di sfaldamento che si depositano sul fondo. Questo lievito dunque non è recuperabile. Fu scoperto dal danese Jacob Christian Jacobsen, fondatore della Carlsberg, I lieviti lager, in confronto con gli ale, producono birre che mancano di esteri e alcooli amilici perché agiscono a temperature minori.

34 I lieviti e la fermentazione La fermentazione è un processo anerobio, ma nonostante questo dopo l inoculo del lievito all interno del fermentatore, si procede ad ossigenare il mosto. Infatti, nelle prime fasi è necessario che il lievito respiri, perché l etanolo, prodotto ultimo della fermentazione alcolica è un composto di rifiuto del lievito, ed ha potere inibitorio sulla crescita di altri lieviti. In presenza di O 2 le cellule possono riprodursi per mitosi e sintetizzare tutti gli apparati biosintetici necessari nelle condizioni anaerobiche (in condizioni anaerobiche le cellule si replicano per gemmazione); l O 2 permette la sintesi degli steroli, fondamentali per il corretto funzionamento della plasticità delle membrane (durante il processo anaerobico fermentativo si riscontra un sensibile calo della quantità di steroli nelle cellule di lievito)

35 I lieviti e la fermentazione Le proteine trasportatrici di mono e oligosaccaridi ricoprono un ruolo fondamentale nella fermentazione; Sono presenti trasportatori di monosaccaridi, disaccaridi, trisaccaridi. Mentre le destrine sono internalizzate con molta difficoltà.

36 I lieviti e la fermentazione

37 I lieviti e la fermentazione La fermentazione alcolica permette di ripristinare il NAD + producendo etanolo e anidride carbonica, i composti fondamentali per una buona birra:

38 I lieviti e la fermentazione Il profilo aromatico di una birra viene definito durante la fermentazione, di questo sono responsabili le vie metaboliche secondarie. I metaboliti secondari sono composti non direttamente implicati nella produzione di energia, ma vengono sintetizzati in risposta a determinati stimoli; I metaboliti secondari del lievito degni di nota per quanto riguarda le caratteristiche organolettiche sono: olio di fusello (miscela formata da alcoli superiori, aldeidi, esteri e acidi grassi); chetoni (diacetile che conferisce un sapore di burro)

39 I lieviti e la fermentazione Gli alcoli superiori sono i componenti principali dell olio di fusello, vengono sintetizzati a partire dagli amminoacidi e a secondo del tipo di amminoacido coinvolto nella reazione si avranno i vari alcoli superiori

40 I lieviti e la fermentazione Molti sono i chetoni prodotti dal lievito, ma tra tutti il mastro birraio fa attenzione ai livelli di diacetile nella birra finita. Esso va controllato soprattutto in alcuni stili di birra per il suo caratteristico aroma di burro di arachidi che lascia al prodotto finito. Il diacetile prodotto viene espulso all esterno della cellula e i livelli di diacetile sono dipendenti dalla valina. In alte concentrazioni di valina verrà prodotto il diacetile. Mentre, in particolari condizioni (innalzamento di temperatura) per l elevata tossicità, il diacetile viene riassorbito e convertito in composti innocui.

43 Lieviti selvaggi tipicamente contaminanti in birreria Molti sono i possibili contaminanti e sono per lo più lieviti selvaggi o batteri presenti nell aria o residenti negli ambienti promiscui dei birrifici. Tra questi: Saccharomyces diastaticus lievito superattenuatore che lascia profilo fenolico e attenuazione più bassa del 10 % Saccharomyces cerevisiae var ellipsodeus lievito solvente e frutta marcia da vino Hansensula o candida fioretta Saccharomyces baianus lievito da champaigne