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Prof. Francesco Villani
Dipartimento di Scienza degli Alimenti

Microbiologia degli alimenti
Corso di Laurea in Tecnologie Alimentari

LEZIONE 2

2.1 - Microrganismi associati con gli alimenti (batteri, lieviti, muffe, virus)
Quali microrganismi negli alimenti?

Le caratteristiche chimiche e chimico-fisiche degli alimenti sono tali da permettere la colonizzazione e lo sviluppo di un gran numero di microrganismi. Comunque, non tutti i gruppi di microrganismi che contaminano o che sono veicolati dagli alimenti hanno lo stesso impatto nella loro produzione, conservazione e consumo. Sicuramente ai batteri spetta il ruolo più importante, sia come microrganismi utili che come patogeni e alterativi. Anche lieviti e muffe occupano un posto di rilievo, mentre virus, alghe e protozoi hanno un minore impatto (Figura 2.1).

Figura 2.1 - Importanza dei vari gruppi microbici negli alimenti
Batteri, lieviti e muffe svolgono ruoli diversi negli alimenti, dove sono in grado di moltiplicarsi. Le associazioni che questi microrganismi hanno nella produzione, trasformazione, conservazione e consumo degli alimenti è schematizzato nella Figura 2.2.
I virus non sono in grado di moltiplicarsi negli alimenti, pur potendo sopravvivere per lunghi periodi come particelle infettive. Dunque, gli alimenti, rappresentano un veicolo importante di trasmissione dei virus. L'associazione dei virus con i processi produttivi degli alimenti è legata alla loro capacità di determinare severe e importanti malattie nell'uomo. Inoltre, i batteriofagi (virus che hanno come ospite un batterio) determinano spesso il fallimento delle fermentazioni nella produzione di prodotti lattiero-caseari.
Figura 2.2 - Associazioni dei principali gruppi microbici con gli alimenti
Caratteristiche di batteri, muffe e lieviti.
Per affrontare lo studio della Microbiologia degli alimenti e comprendere il ruolo che i microrganismi svolgono negli alimenti è necessario conoscerne le loro principali caratteristiche, che sono state ampiamente trattate nel corso di Microbiologia generale
.
Per una rassegna completa degli argomenti, per lo studio e l'approfondimento si rimanda al corso di Microbiologia generale, a libri di testo e ad alcuni siti on-line.

Dopo questa premessa, di seguito sono semplicemente elencate o richiamate brevemente le conoscenze più importanti sulle caratteristiche dei microrganismi.

Principali caratteristiche dei batteri
- Prerequisiti per lo studio della Microbiologia degli Alimenti:
- La cellula procariota.
- Forma, dimensioni e strutture della cellula batterica.
- Il metabolismo e i tipi nutrizionali di batteri.
- La moltipilcazione e la crescita dei batteri.
- Biologia molecolare e genetica dei microrganismi.
- Identificazione e classificazione dei microrganismi.

Piastra con colonie di batteri e batteri visti al microscopio
Risorse di microbiologia su internet
Corso on line di batteriologia dove è possibile scaricare file ppt, pdf e letture audiovideo che riportano gli argomenti in lingua inglese
Versione on-line di "Baron's Medical Microbiology Textbook". Pur essendo un testo prettamente dedicato agli studenti di medicina, moltissimi argomenti di batteriologia possono essere utilizzati come fonte di consultazione
Libro on-line di batteriologia
wikipedia.Batteri
Ecologia microbica
Portale di informazione microbiologica
Principali caratteristiche dei funghi

Il Regno dei Funghi comprende organismi Eucarioti (il materiale genetico è localizzato in un vero nucleo delimitato da una doppia membrana) che sulla base del ciclo vitale, della struttura e dei metodi di riproduzione viene suddiviso in 4 Phylum (divisioni):

I. Chytridiomycota: presentano micelio con ife non settate (senza divisione trasversale della parete cellulare); la riproduzione asessuata avviene mediante zoospore mobili, mentre la riproduzione sessuata mediante oospore.

II. Zygomycota: micelio non settato, cenocitico (nuclei multipli in un citoplasma continuo); sessualmente si riproducono mediante zigospore, mentre la riproduzione asessuata è affidata a sporangiospore prodotte all’interno di sporangi (corpi fruttiferi) aerei.

III. Ascomycota: hanno micelio con ife settate che producono conidiospore per la riproduzione asessuata e ascospore in strutture specializzate dette aschi, per la riproduzione sessuata.

IV. Basidiomycota: micelio settato che produce grossi corpi fruttiferi (basidiocarpi) che supportano i basidi che a loro volta producono le basidiospore adibite alla riproduzione sessuata. La produzione di spore asessuate è rara. Questo phylum comprende, tra gli altri, anche i funghi eduli.

Fino a pochi anni fa era riconosciuto anche il phylum Deuteromycota, noto anche come gruppo dei funghi imperfetti, che comprendeva le specie fungine incapaci di riprodursi sessualmente o per le quali la forma perfetta (sessuale) non era nota. Nella sistematica attuale i Deuteromycota non sono più accettati come gruppo tassonomico ma sono inquadrati provvisoriamente tra i Funghi Mitosporici (assenza di qualsiasi stadio sessuale nel loro ciclo vitale) che, con metodi di identificazione sofisticati, possono essere classificati in una delle quattro divisioni del regno. Ad esempio, Erotium echinulatum (classificato tra gli ascomiceti) è la forma sessuata di Aspergillus echinulatus (forma imperfetta classificata tra i deuteromiceti). Ai funghi imperfetti o Mitosporici appartengono specie fungine di notevole interesse alimentare, come avremo modo di vedere più avanti.
Ogni phylum è a sua volta suddiviso in classi (desinenza –mycetes), ordini (-ales), famiglie (-aceae), generi e specie. Ad esempio: Ascomycota; Plectomycetes; Eurotiales; Trichocomaceae; Eurotium herbariorum.
I funghi possono essere unicellulari o multicellulari. Sono eterotrofi, aerobi, mesofili e/o psicrotofici. Molte muffe sono in grado di crescere o tollerare ambienti con bassa umidità (xenofili), con alto contenuto di sali o zuccheri (osmofili e osmotolleranti) e con basso pH (acidofili e acidotolleranti).
I funghi di interesse alimentare comprendono due gruppi di organismi che comunemente sono chiamati muffe e lieviti; questa terminologia non ha nessun significato di tipo tassonomico. Alcune caratteristiche di questi gruppi di microrganismi sono riportate di seguito.

Le muffe

Le muffe sono funghi multicellulari con una struttura vegetativa chiamata micelio.
I lunghi e sottili filamenti delle cellule che costituiscono il micelio sono chiamate ife.
L’ifa può essere non-settata, settata uninucleata o settata multinucleata.
L’ifa può essere vegetativa o riproduttiva. In questo ultimo caso l’ifa si estende nell’aria e produce esospore libere (conidi) o in corpi fruttiferi (sporangi).
In generale, la spora germina producendo l’ifa che cresce e si ramifica nella struttura complessa che rappresenta il micelio. A sua volta il micelio, a seconda del tipo di muffa e delle condizioni ambientali, produce le strutture riproduttive che a loro volta producono le spore sessuate e/o asessuate. Non sono mobili e la parete cellulare è costituita da chitina.

Piastra con colonie di muffe e muffe osservate al microscopio

Le muffe sono largamente distribuite nell’ambiente e sono di grande interesse per il settore alimentare. La maggior parte di esse sono causa di alterazione di molti prodotti sia di origine vegetale che animale; altre sono importanti per la produzione e maturazione di alcuni formaggi e insaccati carnei fermentati; infine, altre, possono essere patogene per l’uomo in quanto producono (mico)-tossine negli alimenti.
Del ruolo delle muffe nella produzione e conservazione degli alimenti tratteremo specificamente nei capitoli dedicati alle alterazioni degli alimenti e della microbiologia dei singoli prodotti alimentari. Allo scopo di incominciare a familiarizzare con la nomenclatura microbica, di seguito si riporta un elenco delle principali specie di muffe che avremo modo di incontrare durante questa trattazione.
Zygomycota: Mucor mucido; Mucor racemosus; Rhizopus stolonifer; Rhizopus nigricans; Rhizopus orysae; Thamnidium simplex; Thamnidium elegans.
Ascomycota: Byssoclamys fulva; Byssoclamys nivea; Eurotium amstelodami; Eurotium chevalieri; Neosartoria fischeri.
Deuteromycota (funghi imperfetti): Aspergillus glaucus; Aspergillus niger; Aspergillus flavus; Aspergillus fumigatus; Aspergillus parasiticus; Cladosporium erbarum; Fusarium oxysporus; Fusarium avenaceum; Geotrichum candidum; Monilia fructigena; Penicillium expansus; Penicillium citrinum; Penicillium crysogenum; Penicillium cyclopium; Penicillium camemberti; Penicillium roqueforti (glaucum); Penicillium nalgiovense.

I lieviti

Sono funghi unicellulari che si moltiplicano prevalentemente per gemmazione (dalla cellula madre viene prodotta una protuberanza chiamata gemma che quando è matura si separa dalla cellula madre; una cellula può gemmare fino a 40 volte, poi muore) o in alcuni casi per scissione (Schizosaccharomyces spp.).
In alcuni stadi della loro vita cellulare possono moltiplicarsi sessualmente mediante formazione e fusione di spore.
Alcuni lieviti possono formare uno pseudomicelio (le cellule restano attaccate dopo la divisione) che li fa assomigliare a micro-muffe. Sono aerobi o microaerofili. In anaerobiosi la crescita è notevolmente inibita e il loro metabolismo è di tipo fermentativo. In substrati ricchi di glucosio, la fermentazione in etanolo e anidride carbonica avviene anche in presenza di ossigeno.

Piastra con colonie di lieviti e cellule di lieviti osservate al microscopio
Risorse di microbiologia su internet La maggior parte dei lieviti è mesofita, anche se alcuni si sviluppano anche a bassa temperatura. Alcune specie sono alofile e osmofile. Pur potendosi ritrovare in vari ambienti, la superficie dei vegetali rappresenta l’habitat principale dei lieviti. Alcuni generi e specie sono di grande interesse per il settore alimentare in quanto coinvolte in importanti  fermentazioni (produzione di pane e altri prodotti da forno, vino, birra); altre possono essere responsabili di alterazioni degli alimenti.
I lieviti di interesse alimentare sono tutti ascomiceti, anche se non producono le ascospore in ascocarpi. I più importanti dal punto di vista tecnologico appartengono alle seguenti Famiglie e Generi:
Schizosaccharomycetaceae (Genere Schizosaccharomyces); Saccharomycoidaceae (Hanseniaspora , Saccharomicoides); Saccharomycetaceae (Saccharomyces, Dekkera, Pichia, Torulospora, Zycosaccharomyces,. Candidaceae, Brettanomyces, Kloechera, Candida, Trigonopsis, Debaryomyces). Del ruolo dei lieviti (in particolare di Saccharomyces cerevisiae) nella produzione e conservazione degli alimenti tratteremo specificamente nei capitoli dedicati alle alterazioni degli alimenti e della microbiologia dei singoli prodotti alimentari.
wikipedia. funghi
wikipedia. muffe
wikipedia. lieviti
Guida introduttiva allo studio delle muffe
Compendio in lingua inglese sulla biologia molecolare dei lieviti. Tutti i capitoli sono scaricabili come file pdf.

Gruppi di microrganismi negli alimenti

Tipi e numero di microrganismi presenti negli alimenti, come si dirà più avanti in questa nota, dipendono dall’azione combinata di numerosi fattori. Fondamentalmente (tentando di semplificare) possiamo distinguere i microrganismi rinvenibili negli alimenti in utili, dannosi e indifferenti. Tra i microrganismi utili vanno annoverati gli agenti di trasformazione e conservazione degli alimenti, mentre quelli dannosi comprendono i microrganismi patogeni trasmessi per via alimentare e i microrganismi responsabili di alterazioni degli alimenti.
Un elenco dei principali gruppi di microrganismi presenti negli alimenti è riportato nella Tabella 2.1

Tabella 2.1 - Gruppi di microrganismi associati con gli alimenti

GRUPPO

RUOLO

ESEMPI

MICRORGANISMI DI TRASFORMAZIONE
[PROTECNOLOGICI]

Produzione
Conservazione
Sicurezza

Batteri lattici; Micrococcaceae; Propionibatteri; Acetobatteri; Bifidobatteri; Lieviti; Muffe

 

MICRORGANISMI PATOGENI

[FOOD-BORNE PATHOGEN]

 

Infezioni

Intossicazioni

BATTERI
Salmonella spp; Yersinia enterocolitica; Escherichia coli; Shigella  spp; Campylobacter spp ; Aeromonas spp ; Vibrio spp; Bacillus cereus; Clostridium botulinum; Clostridium perfringens; Staphylococcus aureus; Listeria monocytogenes; Mycobacterium tubercolosis; Mycobacterium bovis; Brucella abortus; Brucella melitensis; Corynebacterium diphtheriae
FUNGHI; ALGHE; RICKETTSIE; PARASSITI; VIRUS

 MICRORGANISMI ALTERATIVI

[SPOILAGE ORGANISMS]

[ANTITECNOLOGICI]

 Alterazioni

(Modificazioni fisico-chimiche e/o biologiche inaccettabili)

 BATTERI
Pseudomonas spp.; Aeromonas spp.; Photobacterium spp.; Achromobacter spp.; Shewanella spp.; Xanthomonas spp.; Vibrio spp.; Flavobacterium spp.; Enterobacteriaceae; Bacillus spp.; Clostridium spp. ; Brochothrix thermosphacta; Micrococcus spp.; Batteri lattici
LIEVITI
MUFFE

MICRORGANISMI MARKER

Indicatori di situazioni di pericolo

CMT, Enterobacteriaceae, Coliformi, Enterococchi, Clostridi

Microrganismi (protecnologici) implicati nelle fermentazioni alimentari
I microrganismi che causano cambiamenti desiderati negli alimenti e dunque coinvolti nella preparazione di alimenti fermentati, come i batteri lattici, i lieviti, le muffe, le Micrococcaceae, i propionibatteri ed altri ancora, sono in genere detti “protecnologici”.
I batteri lattici in particolare, ma anche altri gruppi di batteri e lieviti, come componenti di colture starter e/o protettive, trovano largo impiego nella produzione di una grande varietà di alimenti fermentati, come derivati del latte, della carne, di vegetali, di prodotti da forno, insilati e altri, contribuendo in vari modi nel determinare le loro caratteristiche e la loro stabilità.
Nelle prossime lezioni tratteremo l’ecologia, la sistematica, il metabolismo e il ruolo esercitato negli alimenti dai vari gruppi di microrganismi protecnologici.

Microrganismi alterativi
I microrganismi che causano modificazioni in un alimento tali da renderlo inaccettabile per il consumo umano sono detti alterativi. I principali microrganismi alterativi, appartenenti a diversi gruppi microbici, come batteri gram-negativi, batteri gram-positivi sporigeni e non, batteri lattici, lieviti e muffe, sono riportati nella Tabella 2.1.
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. Nella lezione 12 tratteremo le alterazioni microbiche degli alimenti e i principali microrganismi coinvolti.

Microrganismi patogeni trasmessi per via alimentare
Le malattie causate dall’ingestione di alimenti contaminati da microrganismi infettivi e tossinogeni rappresentano ancora un problema molto diffuso nel mondo contemporaneo, malgrado l’applicazione di moderne procedure di accertamento e controllo delle possibili deviazioni dagli standard di sicurezza delle produzioni alimentari.
Tra i vari agenti causali (batteri, funghi, parassiti, virus ecc.), i batteri risultano quelli maggiormente implicati nelle malattie alimentari. E’ stimato che oltre il 70% degli episodi di malattie che si verificano nel mondo sono da attribuire ai batteri. I principali batteri patogeni responsabili di infezioni e intossicazioni alimentari sono riportati nella Tabella 2.1. Le caratteristiche dei principali patogeni veicolati dagli alimenti saranno prese in esame nelle lezioni 13-17.

Microrganismi marker
Il numero e i tipi di microrganismi presenti in un alimento possono essere usati per giudicare la qualità e la sicurezza microbiologica di quel prodotto. In generale, non è praticabile analizzare ogni alimento per la presenza di microrganismi indesiderati, siano essi patogeni che alterativi. In pratica per accertare sia la qualità microbiologica che la sicurezza di un alimento si fa ricorso alla ricerca di organismi in grado di indicare una situazione potenzialmente pericolosa. Gli “organismi marker” sono organismi in grado di indicare eventi potenzialmente pericolosi nel corso della produzione, conservazione e distribuzione di un alimento. Le caratteristiche dei principali gruppi di microrganismi indicatori di situazioni di pericoli microbiologici saranno prese in esame nella lezione 11.

Nel linguaggio microbiologico comune, i microrganismi sono arbitrariamente divisi in gruppi in base ad alcune caratteristiche fisiologiche e metaboliche condivise, pur non avendo questa classificazione alcun significato tassonomico. Nella Tabella 2.2 sono riportati i nomi e le caratteristiche dei gruppi di microrganismi ai quali faremo spesso riferimento nel corso di questa trattazione.

Tabella 2.2 –Microrganismi raggruppati secondo specifiche attività comuni

Gruppo

Caratteristiche

Gruppo

Caratteristiche

Proteolitici

Idrolisi delle proteine

Acidofili

Crescita a bassi pH

Lipolitici

Idrolisi dei trigliceridi

Alofili

Crescita con alto contenuto di NaCl

Saccarolitici

Idrolisi dei carboidrati

Acidurici

Sopravvivenza a bassi pH

Lattici

Produzione di  acido lattico

Termodurici

Sopravvivenza alla pastorizzazione

Acetici

Produzione di acido acetico

Alotolleranti

Sopravvivenza alto contenuto di NaCl

Butirrici

Produzione di acido butirrico

Gasogeni

Producono gas (CO2, H2, H2S)

Propionici

Produzione di acido propionico

Sporigeni

Producono spore

Mesofili

Crescita tra 20 e 37°C

Aerobi

Ossigeno per crescere

Psicrotrofici

Crescita a T <5°C

Anaerobi

No ossigeno per crescere

Termofili

Crescita a T >50°C

Anaerobi facoltativi

Crescono con e senza O2

Osmofili

Crescita con alto contenuto di zuccheri

Coliformi

Indicatori di igiene

2.2 - La contaminazione microbica degli alimenti

Origine dei microrganismi negli alimenti

I microrganismi presentano un alto grado di adattabilità alle varie condizioni che si realizzano in un determinato ambiente e sono pertanto i più ubiquitari tra gli organismi viventi. Le caratteristiche chimiche e chimico-fisiche degli alimenti sono tali da permettere la colonizzazione e lo sviluppo di un gran numero di microrganismi, alcuni dei quali utili, altri indesiderati, sia patogeni che alterativi. Naturalmente ogni alimento possiede una microflora che è strettamente dipendente dalla natura delle materie prime e dall’ambiente in cui esse vengono prodotte (coltivazione, allevamento) e dalle condizioni in cui esse vengono trasformate, conservate e consumate. Ovviamente vi è una microflora associata con le materie prime, le quali rappresentano l’habitat naturale; tuttavia possono verificarsi diverse circostanze che possono determinare modificazioni quantitative e/o qualitative dei microrganismi contaminanti.

Inizialmente le materie prime possono essere contaminate da microrganismi provenienti dall’aria, dall’acqua, dal suolo, dalla superficie di vegetali e animali (contaminazione primaria). Nel corso della loro trasformazione, gli alimenti possono essere nuovamente contaminati da microrganismi derivanti dagli ambienti di lavorazione e conservazione, dalle superfici, dagli utensili e attrezzature, dal personale impegnato nelle attività produttive. Inoltre, lo specifico processo tecnologico cui l’alimento viene sottoposto, determinerà variazioni quanti-qualitative della microflora presente naturalmente o aggiunta, come conseguenza delle modificazioni delle caratteristiche chimico-fisiche dell’alimento stesso. Infine, l’alimento potrà subire contaminazioni e/o variazioni del contenuto microbico nelle successive fasi di magazzinaggio, trasporto, distribuzione e di consumo.

Dunque i microrganismi possono contaminare gli alimenti attraverso una grande varietà di fonti, le più importanti delle quali sono brevemente richiamate sotto.

Acqua e terreno.

La maggior parte dei microrganismi che contaminano gli alimenti di origine vegetale e animale provengono dall’acqua e dal suolo con i quali questi prodotti vengono in contatto durante la loro produzione e allevamento.Un esempio, non certo esaustivo, dei più comuni microrganismi che sono veicolati dall’acqua e dal terreno sono riportati di seguito.
Gram-negativi: Acinetobacter, Aeromonas, Alcaligenes, Arthrobacter, Alteromonas, Bacteroides, Brevibacterium, Citrobacter, Chromobacterium, Escherichia, Erwinia, Enterobacter, Flavobacterium, Hafnia, Moraxella, Proteus, Pseudomonas, Psychrobacter, Serratia,Shewanella, Vibrio, Yersinia.
Gram-positivi: Bacillus, Clostridium, Corynebacterium, Enterococcus, Listeria. Micrococcus.
Muffe: Aspergillus, Botrytis, Fusarium, Penicillium, Rhizopus.
Alcuni virus, protozoi e alghe.

La contaminazione microbica di un alimento dipende dalla natura delle materie prime, dall’ambiente in cui esse vengono prodotte e dalle condizioni in cui esse vengono trasformate, conservate e consumate. Nella figura sono riportate alcune fasi suscettibili di contaminazione durante la produzione di insaccati carnei fermentati.

Aria e polvere
Veicolano un grande numero di microrganismi, soprattutto sporigeni e micrococchi e spore di muffe.
Superfici di vegetali e animali.
Sono ricche di microrganismi che provengono dall’acqua, dal terreno e dalle feci.
Tratto gastro-intestinale.
Rappresenta una importante fonte di contaminazione, soprattutto di batteri patogeni come Salmonella e altre Enterobacteriaceae.
Nel corso della loro trasformazione, le materie prime subiscono una modificazione della loro microflora iniziale, come conseguenza delle operazioni tecnologiche cui sono sottoposte.
Ambienti di lavorazione.
Superfici, ambiente, attrezzature, personale coinvolto nella produzione, depositi di stoccaggio, il trasporto e la distribuzione rappresentano spesso importanti nuove fonti di contaminazione microbica degli alimenti.
Fasi di preparazione casalinga e consumo. Possono rappresentare una fonte di contaminazione soprattutto di batteri patogeni.

Nella figura sono riportate alcune fasi suscettibili di contaminazione durante la produzione di mozzarella.

Contaminazione crociata.
E’ legata al trasferimento dei microrganismi da alimenti contaminati ad altri che non lo sono. In questo trasferimento di microrganismi in genere sono coinvolte le materie prime contaminate che a loro volta possono contaminare le superfici di lavoro e queste, se non sono soggette ad operazioni di lavaggio, detergenza e disinfezione, a loro volta contaminano altre materie prime o prodotti trasformati pronti per il consumo. Anche le modalità di manipolazione delle materie prime possono giocare un ruolo fondamentale nella contaminazione crociata degli alimenti. Le mani degli operatori, le attrezzature e gli utensili, o la conservazione nello stesso ambiente di alimenti pronti per il consumo e materie prime da trasformare possono diffondere i microrganismi in maniera incontrollabile. Solo con l’applicazione e il mantenimento di condizioni igieniche idonee (cicli di lavaggio, appropriate condizioni di trasformazione trasporto e conservazione, addestramento del personale ecc.) è possibile interrompere e controllare il ciclo della contaminazione microbica.

Libri di testo

Corso e-learning FEDERICA.

VILLANI F. (2007) Letture di microbiologia degli alimenti.

Ulteriori letture

BURGEOIS, C.M., MESCLE, J.F., ZUCCA, J. (1990) Microbiologia alimentare. Ed. Tecniche Nuove, Milano.

GALLI VOLONTERIO A. (2005) Microbiologia degli alimenti. Casa Editrice Ambrosiana, Milano.

JAY J.M., LOESSNER M.J., GOLDEN D.A. (2005) Modern food microbiology. Springer, USA.

RAY B. (2004) Fundamental of food microbiology. CRC PRESS, London.

TIECCO G. (2001) Igiene e tecnologie degli alimenti. Bologna, Edagricole.

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