La microbiologia (dal greco mikrós, piccolo; bíos, vita; lógos, discorso) è la branca della biologia che studia gli esseri viventi le cui dimensioni sono dell’ordine di grandezza dei micrometri (10 -6 m).
La microbiologia degli alimenti costituisce una branca della microbiologia e studia il ruolo svolto dai microrganismi nella produzione, alterazione e conservazione degli alimenti e le malattie microbiche trasmesse attraverso gli alimenti stessi.
Pur essendo un’area specialistica, la microbiologia degli alimenti abbraccia vari aspetti di altre aree, come la microbiologia industriale, la biotecnologia delle fermentazioni, la microbiologia agraria, la microbiologia medica, la biologia dei microrganismi, l’igiene, ecc. La produzione di alimenti con determinate caratteristiche organolettiche e nutrizionali e allo stesso tempo stabili nei confronti delle alterazioni e sicuri per la salute umana è stato un obiettivo e un’esigenza sempre crescente nella storia dell’uomo.
Sebbene la produzione di alimenti basata sull’attività fermentativa svolta dai microrganismi, così come le alterazioni e i metodi di conservazione degli alimenti siano conosciuti e applicati fin dai tempi antichi, fu con la scoperta da parte di Antony van Leeuwenhoek, tra il 1676 e il 1683, della vasta distribuzione dei microrganismi in natura, che si incominciò ad ipotizzare il loro possibile ruolo nelle alterazioni e fermentazioni alimentari e solo a partire dal 1800 furono stabilite in maniera scientifica le relazioni tra microrganismi e alimenti.
Nel 1837 Schwann propose di considerare i lieviti coinvolti nella fermentazione alcolica come delle piante microscopiche, mentre tra il 1857 e il 1876 Pasteur dimostrò la natura microbica delle modificazioni chimiche che avvenivano negli alimenti e nelle bevande. Queste prime osservazioni e scoperte rappresentarono il primo passo per lo sviluppo della moderna microbiologia degli alimenti. I successivi sviluppi delle biotecnologie e le migliori conoscenze sulla fisiologia, sul metabolismo e la genetica dei microrganismi coinvolti nei processi fermentativi hanno consentito di evidenziare molti attributi fisiologici degli stessi che possono contribuire al controllo di microrganismi indesiderati, sia alterativi che patogeni, così come assicurare il conseguimento di specifici obiettivi industriali e contribuire al miglioramento della salute umana.
Alcune date importanti della microbiologia
- 384-322 a.C.: Aristotele (filosofo greco) pensava che gli animali potessero originarsi spontaneamente dalle piante e dal terreno
- Fino al XVII secolo: si pensava che gli organismi viventi potevano generarsi spontaneamente dalla materia in decomposizione
- 1665: Francesco Redi (medico e scienziato italiano) confutò la teoria della generazione spontanea (si intende la credenza, molto diffusa dall’antichità fino al XVII secolo, per cui la vita potrebbe nascere in modo “spontaneo” dagli elementi naturali inanimati, in quanto comunque dotati di influssi vitali), conducendo esperimenti sulla carne in putrefazione
- 1676: Antoni van Leeuwenhoek (ottico e naturalista olandese) descrive per la prima volta i microrganismi utilizzando un rudimentale microscopio
- 1765: Lazzaro Spallanzani ( gesuita e naturalista italiano), confutò la generazione spontanea e dimostrò che bollendo il brodo di carne richiudendo immediatamente dopo il recipiente preveniva la comparsa di organismi microscopici
- 1804: Nicholas Appert (inventore francese) inventò il metodo per la conservazione ermetica dei cibi, inizialmente in bottiglie di vetro chiuse e bollite in acqua
- 1810: Pierre Durand (imprenditore inglese) sostituì le fragili bottiglie di vetro di Appert con cilindriche lattine in alluminio, sviluppando la conservazione in barattoli metallici
- 1812: Bryan Donkin e John Hall (imprenditori inglesi), presero in considerazione entrambe le invenzioni e iniziarono a produrre delle conserve. e nel 1813 produssero i primi cibi in scatola per l’esercito inglese.
- 1854 Luis Pasteur (chimico, biologo e microbiologo francese.) studia le anomalie della fermentazione della birra
- 1857: Luis Pasteur dimostra che la fermentazione lattica è dovuta a un microrganismo
- 1861:Luis Pasteur dimostra che i microrganismi non si creano spontaneamente. Un brodo bollito sviluppava microrganismi solo quando era contaminato dai batteri della polvere
- 1862 Luis Pasteur dimostra il principio della pastorizzazione (processo di risanamento termico applicato ad alcuni alimenti per distruggere i microrganismi, chiamata così in suo onore) attraverso i famosi esperimenti pubblici del 20 aprile 1862
- 1863:Luis Pasteur applica i principi della pastorizzazione e la prima applicazione, ad opera dello stesso Pasteur, fu sul vino, su incarico di Napoleone III
- 1876:Robert Koch (medico, batteriologo e microbiologo tedesco) dimostra che il carbonchio è dovuto ad un microrganismo
- 1878: Joseph Lister (medico inglese) isolò lo Streptococcus lactis da latte acido in coltura pura
- 1881: Robert Koch coltiva per la prima volta i batteri sulla gelatina
- 1884: Gram sviluppa la tecnica di colorazione differenziale dei batteri
- 1895: Emil Pierre van Ermengem (microbiologo belga) isola la neurotossina botulino ed il microrganismo denominato allora Bacillus botulinum che nel 1922 per il suo aspetto morfologico venne chiamato Clostridium botulinum (dal greco kloster: filo attorcigliato)
- 1907: Metchnikoff (zoologo e scienziato russo) isolò e classificò un batterio dello yogurt (Lactobacillus bulgaricus)
- 1906:fu scoperto l’avvelenamento alimentare dovuto a Bacillus cereus
- 1908: il benzoato di sodio fu ammesso negli Stati Uniti come conservante
- 1997: irradiazione della carne (fino a 4,5 kGy) ufficiale in USA
Cenni sui microrganismi
I microrganismi sono organismi viventi estremamente piccoli, microscopici, unicellulari:
- alcuni microrganismi hanno una struttura cellulare eucariotica, cioè è presente un nucleo organizzato (alghe, protozoi, miceti)
- alcuni microrganismi hanno una struttura cellurare procariotica, cioè non è presente un nucleo organizzato, pur essendo presente materiale nucleare (batteri).
Si precisa per chiarezza espositiva che il nucleo della cellula è la presenza di una zona specifica dove il materiale genetico è localizzato, quindi i batteri hanno il materiale genetico, ma non in un nucleo delimitato, bensì sparso all’interno della cellula.
Suddivisione dei microrganismi
I microrganismi che prenderemo in considerazione in questo corso sono i seguenti:
- batteri
- muffe e lieviti
- virus
I batteri sono dei microrganismi unicellulari, cioè formati da una sola cellula.
Essi hanno una grande importanza poiché ricoprono un ruolo fondamentale per tutti gli esseri viventi in quanto coinvolti nel processo di decomposizione dei prodotti di rifiuto che, trasformati in sostanze più semplici, possono essere riutilizzati dalle piante e reintrodotti nel ciclo alimentare. I batteri costituiscono, però, la causa più comune delle malattie alimentari che interessano anche il settore della produzione di alimenti. Si comportano come tutti gli altri esseri viventi che si conoscono (compreso l’uomo) cioè si nutrono, si riproducono, hanno delle precise esigenze di vita e muoiono.
Gli schemi sottostanti evidenziano in modo sintetico cosa sono e come sono fatti i batteri.
Gli aspetti fondamentali dei batteri che prenderemo in considerazione nel corso riguardano:
- La riproduzione della cellula batterica
- La forma della cellula batterica
- La produzione di spore
- Le esigenze nutrizionali dei batteri
- La temperatura di crescita dei batteri
- L’acqua
- L’acidità
- L’ossigeno
- L’azione patogena dei batteri e le malattie alimentari
processo di riproduzione di tipo asessuato in cui una cellula batterica si divide in due cellule figlie identiche.
La riproduzione della cellula batterica
I batteri si riproducono per scissione binaria. In questo processo si verifica:
- la duplicazione del cromosoma batterico
- l’allungamento della cellula
- la formazione di un setto trasverso in posizione centrale
- la suddivisione di una copia del cromosoma e del citoplasma nelle due cellule figlie
I batteri, nelle condizioni ideali, hanno una velocità di riproduzione molto elevata. Per renderci conto della velocità di riproduzione dei batteri proviamo a pensare quanti batteri avremmo dopo 4 ore, dopo 10 ore e dopo 24 ore. Supponiamo di considerare il tempo di riproduzione per scissione binaria impiegato da un batterio di una data specie, immaginando che corrisponda a 20 minuti circa. Supponiamo inoltre di avere, nell’istante iniziale t0 = 0′, un solo batterio ed ogni batterio si riproduce ogni 20′ circa.
Come si vede dal disegno sopra, alla prima generazione (t1) ci sono 2 batteri, perché quello di partenza, riproducendosi per scissione binaria, si divide letteralmente in 2 batteri-figli. Alla seconda generazione (t2), poiché ciascuno dei 2 batteri precedenti è andato incontro ad un processo riproduttivo, ci sono 4 batteri. Alla terza generazione ce ne sono 8, e così via. In sostanza, poiché ciascun batterio di ogni generazione “si sdoppia”, per avere il numero di batteri della generazione successiva basterà moltiplicare per 2 il numero di batteri della generazione precedente.
Il concetto in sé è piuttosto semplice, ma non possiamo stare a disegnare ogni volta degli schemi del genere, soprattutto quando ragioniamo su un numero elevato di generazioni. Bisogna trovare una regola, un algoritmo matematico che consenta di generalizzare il procedimento.
Per il calcolo possiamo pertanto ricorrere al concetto di elevamento a potenza. Elevare a potenza un numero naturale significa considerare una moltiplicazione in cui compare come fattore un numero (la base della potenza) tante volte quante sono indicate nel numero scritto in alto (l’esponente della potenza). Siccome in tal caso raddoppiamo ogni volta il numero di batteri della generazione precedente, la potenza in questione avrà base 2, mentre il suo esponente sarà dato dal numero di generazioni considerate. Abbiamo visto che il numero di batteri in un’ora sarà il numero di batteri di 3 generazioni, ossia 2^3 = 8, in quanto gli intervalli di tempo utili a risolvere il nostro problema sono 3 da 20 minuti ciascuno. In 4 ore quindi avremo 12 intervalli da 20 minuti ciascuno, per cui la potenza risolutiva del problema sarà:
- 212 = 4096 batteri dopo 4 ore
- 230 = 1.073.741.824 batteri dopo 10 ore (circa un miliardo)
- 272 = 4.722.366.482.869.650.000.000 batteri dopo 24 ore (circa quattromila settecento miliardi di miliardi)
È importante studiare la crescita batterica per analizzare come il numero degli individui in una popolazione varia rispetto al tempo in seguito a scissione binaria e come si verifica un aumento del numero degli individui con costituzione di una coltura batterica o popolazione. Di seguito è rappresentata una curva di crescita dei batteri di una coltura in un sistema chiuso (coltura batch), che prevede diverse fasi correlate al consumo dei nutrienti e all’accumulo dei prodotti di scarto.
Curva di crescita batterica
Fase di LATENZA (lag): fase di adattamento dei microrganismi al mezzo di coltura (sintesi di proteine, ATP, enzimi); la velocità di crescita è zero
Fase ESPONENZIALE (log): fase in cui i batteri si accrescono alla velocità massima. Il numero di batteri raddoppia ad intervalli regolari di tempo.
Fase STAZIONARIA: la mancanza di nutrienti e l’accumulo di metaboliti tossici rallentano la crescita fino ad azzerarla (v = 0). Numero di microrganismi costante
Fase di MORTE: il numero di cellule vitali decresce in modo esponenziale (il numero di microrganismi dimezza ad intervalli costanti di tempo)
Fase di latenza: La fase di latenza o fase lag (lag vuol dire ritardo) corrisponde al tempo necessario alle cellule batteriche per adeguarsi alle condizioni del terreno. La fase di latenza non sempre è presente e la sua presenza è influenzata da:
- stato fisiologico delle cellule
- tipo di terreno colturale
- modalità di inoculo
Fase esponenziale: Nella fase esponenziale o fase log (log sta per logaritmo ed è un modo di esprimere numeri esponenziali- molto grandi o molto piccoli- con numeri piccoli). Diversi fattori possono influenzare la velocità di crescita di una coltura batterica ed il suo tempo di generazione (tempo che intercorre tra due generazioni successive).
Fase Stazionaria: Nella fase stazionaria il numero totale di cellulare vitali rimane costante, si ha un arresto della riproduzione, il tasso riproduttivo controbilanciato dal tasso di mortalità. Le possibili cause sono:
- il raggiungimento di una densità critica di popolazione
- l’accumulo dei cataboliti (azione tossica)
- la limitazione dei nutrienti
- la limitata disponibilità di O2 (ossigeno)
Fase di Morte: Nella fase di morte il numero di cellule vitali decresce in modo esponenziale (il numero di microrganismi dimezza ad intervalli costanti di tempo).In questa fase si ha perdita irreversibile della capacità di riprodursi. In alcuni casi, il tasso di mortalità rallenta causa un accumulo di cellule resistenti.
