Il Raffreddamento e la Microbiologia degli Alimenti

 Gli effetti della Surgelazione e del congelamento sui microrganismi

Il problema della conservazione degli alimenti è di enorme importanza per ragioni economiche, geografiche, politiche, climatiche, per l’incremento demografico e per il continuo aumento dell’urbanizzazione. Alcuni alimenti si mantengono inalterati per molti anni o indefinitamente.

I cereali, in particolare, se sono protetti dai parassiti si alterano difficilmente, e per contrasto, la conservazione degli alimenti carnei è estremamente difficile poiché le proteine di cui sono ricchi rappresentano un ottimo substrato per molti microrganismi; particolarmente attivi sulle carni sono i germi putrefattivi che generalmente rendono tali alimenti inadatti al consumo. I problemi igienici inerenti alla lavorazione delle sostanze alimentari si riferiscono sia al rispetto delle norme di carattere generale (pulizia degli ambienti e delle persone), sia alla necessità di impedire che i microrganismi o parassiti dannosi per l’uomo invadano gli alimenti per i quali hanno particolare affinità. 

Conservare gli alimenti significa impedire o contrastare il naturale processo di decomposizione in cui va soggetto tutto ciò che proviene dal regno vegetale e animale, processo dell’irrancidimento dei grassi e dall’azione di microrganismi che si nutrono delle sostanze organiche componenti ogni prodotto vegetale e animale. Conservare significa anche eliminare questi microrganismi o inibirne la loro azione.

La cottura è una pratica antichissima attuata per migliorare il gusto dei cibi, per sterilizzarli, per uccidere eventuali parassiti, per rendere i cibi talora più digeribili e per distruggere alcune sostanze tossiche eventualmente presenti.

Considerando questi aspetti introduttivi si può affermare che i fattori ecologici estrinseci come la Temperatura, ed in questo caso la bassa Temperatura, hanno un’azione importante sulla crescita microbica.

Ogni microrganismo presenta un intervallo di temperature entro cui può crescere, determinato dalla temperatura alla quale sia gli enzimi che la membrana possono svolgere le proprie funzioni. Nella Figura 5a è riportato un esempio dell’effetto della temperatura sul tasso di crescita di un batterio. Come si può vedere si possono individuare tre limiti di temperatura che sono:

• Minima: al di sotto non vi è più crescita in quanto le proprietà della membrana sono alterate non consentendo più il trasporto dei materiali all’interno della cellula.
• Ottimale: massimo tasso di crescita.
• Massima: al di sopra non vi è più crescita in quanto gli enzimi sono denaturati. Anche proteine e lipidi di membrana sono danneggiati.

Nel nostro caso ci soffermeremo su due tipologie microrganismi: i Psicrofili e i Mesofili.

 Nel primo caso perchè il tecnologo dovrà vedersela con i microrganismi che vivono a basse temperature, mentre nel secondo caso perchè si tratta dei microbi che sono maggiormante riscontrabili nelle produzioni alimenatari e che devono essere tenuti a bada.

I PSICROTROFICI  sono quei microrganismi in grado di svilupparsi alle temperature di refrigerazione degli alimenti (da -5°C a +7°C). Hanno una grande importanza in quanto sono responsabili delle alterazioni degli alimenti refrigerati. Fanno parte di questo gruppo specie di batteri (Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Brochothrix, Carnobacterium e altri), lieviti (Candida, Saccharomyces e altri) e muffe (Aspergillus, Penicillium e altre).

Grazie ai lipidi di membrana contengono un’alta percentuale di acidi grassi insaturi i quali abbassando il punto di solidificazione consentono alla membrana citoplasmatica di svolgere le proprie funzioni di assorbimento e trasporto dei nutrienti anche a bassa temperatura. Inoltre a temperature superiori a 30°C vi è una minore stabilità di alcuni enzimi.

I MESOFILI  sono quei microrganismi la cui temperatura ottimale di crescita si aggira attorno ai 25-45 °C. Solitamente il termine identifica una certa tipologia di microrganismi che rappresentano quelli maggiormente diffusi.

I mesofili sono diffusi in ambienti molto diversi quali il suolo, le acque dolci e di mare, gli scarichi fognari, gli animali, il corpo umano. La temperatura ottimale di molti mesofili patogeni è di 37 °C, all'incirca la normale temperatura del corpo umano. Non tutti gli organismi mesofili sono patogeni, molti di quelli innocui trovano importante utilizzo nella preparazione di cibi fermentati quali il formaggio e lo yogurt nonché nella produzione della birra e del vino.

Altre tipologie di organismi classificati sempre in base alla temperatura ottimale di crescita sono gli psicrofili, che preferiscono ambienti freddi, i termofili (ambienti caldi) e gli ipertermofili (ambienti molto caldi).

Conservazione refrigerata

Conservazione degli alimenti a temperature comprese tra -1-0°C fino a 5-10°C.

Le basse temperature determinano un allungamento della fase lag e una riduzione del tasso di crescita dei batteri psicrotrofi e allo stesso tempo inibiscono la crescita dei mesofili, allungando la vita di conservazione degli alimenti.

I tempi di conservazione dipendono da una serie di fattori, tra i quali sono determinanti il livello iniziale di contaminazione, soprattutto di psicrotrofi, la natura dell’alimento e l’impiego combinato con altre tecnologie di conservazione (trattamenti preliminari dell’alimento come lavaggio e scottatura; atmosfera protettiva, ecc).

Controllo dei microrganismi con la temperatura

Effetti del congelamento sui microrganismi

• Abbassamento della temperatura dell’alimento a valori di -18°C.
• Al di sotto nessun microrganismo è in grado di moltiplicarsi.
• Il congelamento determina un abbassamento dell’attività dell’acqua (a -18°C a_w=0,841) e una concentrazione dei solidi disciolti, che influenzano l’attività dei microrganismi.
• Durante il congelamento di un alimento, una parte della popolazione microbica subisce danni irreversibili.

La resistenza dei microrganismi al processo dipende:

• batteri Gram-negativi più sensibili dei Gram-positivi
• spore sono altamente resistenti
• cellule più sensibili in fase attiva di crescita
• velocità di congelamento: maggiore è la velocità di congelamento (18°C in meno di 30 min) minore è il danno cellulare

A basse temperature si ha un processo noto come Inattivazione microbica.

Il termine inattivazione microbica indica la soppressione dell'attività funzionale di un microrganismo, intesa come capacità di riprodursi e di produrre molecole o reazioni enzimatiche evidenti e non indica necessariamente la morte o più generalmente la scomparsa dello stesso (sterilizzazione), anche se di fatto attualmente non è possibile distinguere un microrganismo danneggiato non in grado di riprodursi ma ancora vivo da uno morto.

L'inattivazione può riferirsi non all'intera popolazione di microrganismi ma piuttosto solo a quella dei patogeni e in questo senso il termine è molto spesso legato alla preparazione e alla conservazione di alimenti (es.: nel latte pastorizzato i microrganismi patogeni vengono inattivati, ma altri sopravvivono).

La crescita batterica è controllata da diversi fattori tra cui la disponibilità di acqua, nutrienti, sostanze antimicrobiche naturali, pH, umidità e temperatura. Un controllo di questi fattori può garantire l'inattivazione dei microrganismi. Vi sono diversi metodi per inattivare organismi viventi tra cui:

• calore: sia alte (riscaldamento) che basse (congelamento) temperature: (autoclave, pastorizzazione, ecc)
• radiazioni ionizzanti (irradiazione γ, X) o non ionizzanti (UV, infrarossi, microonde)

Queste due metodiche sono le più utilizzate su larga scala e per molteplici usi; per usi soprattutto alimentari vi sono:

• alte concentrazioni saline
• conservanti
• atmosfera controllata (sostituzione dell'aria con miscele di gas diversamente combinati (es. azoto, anidride carbonica, ossigeno)
• pH
• alte pressioni idrostatiche
• corrente ad alto voltaggio

I microrganismi esposti ad un agente inattivante non ne vengono inattivati tutti allo stesso tempo, ma seguono una cinetica di tipo esponenziale come la curva a destra. Questa è una cinetica di 1º ordine e può essere descritta dalla equazione sottostante:

dove N₀ è il numero di microrganismi vitali all'inizio del trattamento, N_t è il numero di microrganismi vitali al tempo t e N₀/N_t è il grado di inattivazione.

Non tutti i microrganismi hanno la stessa resistenza ai processi di inattivazione, e questo dipende dalle loro caratteristiche intrinseche (maggiore o minore tolleranza al calore, al pH, ecc). Esistono 2 parametri che indicano l'efficienza di un trattamento antibatterico:

• D-value è il tempo necessario per ridurre il numero dei microrganismi sopravvissuti ad un determinato trattamento di un fattore 10 (diminuzione del 90% della carica batterica). È un valore indipendente dal numero di organismi iniziale
• Z-value rappresenta il valore (espresso in gradi °C) di incremento di temperatura richiesto per ridurre di un fattore 10 (diminuzione del 90%) il valore D di un organismo.

Ecco come si presenta la resistenza termica di una popolazione di batteri (sospesa in un terreno nutritivo liquido) esposta ad una temperatura costante di X°C per un determinato periodo di tempo.

Se riportiamo graficamente il numero (UFC/ml) dei batteri sopravvissuti nel tempo avremo la curva di sopravvivenza termica della popolazione microbica.

Se riportiamo gli stessi valori su una carta semilogaritmica (asse x lineare e asse y diviso in parti uguali ogni una delle quali rappresenta un ciclo logaritmico) avremo una retta in cui per ogni ciclo log il 90% della popolazione risulta uccisa dal trattamento, ovvero il 10% della popolazione sopravvive

Tempo di riduzione decimale

La pendenza della retta  è direttamente correlata al tempo di riduzione decimale, D.

D è il tempo necessario, ad una data temperatura, a ridurre la popolazione microbica del 90% o di un logaritmo, o, che è la stessa cosa, a ridurre ad 1 decimo la popolazione iniziale.

Il valore di D diminuisce all’aumentare della temperatura.

Il tempo di riduzione decimale può essere calcolato con la seguente equazione:

D=t/logN_o-logN_t

dove: N_o è il numero di microrganismi presenti prima del trattamento e N_t è il numero di microrganismi presenti dopo un tempo t di trattamento termico.

Costante di resistenza termica (z)

Il valore di z è definito come l’incremento di temperatura necessario per ridurre del 90% o di un ciclo logaritmico il valore di D. Esso è calcolato riportando graficamente il log dei valori di D alle rispettive temperature, ovvero:

z=T₂-T₁/logDT₁-logDT₂

Dove: T₁ e T₂ rappresentano, rispettivamente la temperatura più bassa e più alta dei trattamenti termici applicati, mentre, DT₁ e DT₂ i rispettivi valori di D.

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Il congelamento degli alimenti può essere effettuato mediante raffreddamento rapido oppure lento. Il quick freezing o Fast freezing, e il processo attraverso il quale la temperatura degli alimenti viene portata a circa meno 20 gradi centigradi entro 30 minuti. 

Questo trattamento può essere realizzato per immersione diretta dei prodotti confezionati in liquidi criogenici, per contatto indiretto dell'alimento con un mezzo refrigerante o facendo circolare tra gli alimenti da congelare un flusso di aria fredda forzata. Lo slow freezing e invece il processo che consente di raggiungere la temperatura desiderata in 3- 72 ore ed è essenzialmente il metodo di congelamento degli apparecchi domestici. In termini di qualità del prodotto il quick freezing è più vantaggioso rispetto allo slow freezing.

È stato dimostrato che numerose specie microbiche possono crescere a temperature pari o inferiori a 0 gradi centigradi, tale capacità dipende, oltre che da caratteristiche intrinseche del microrganismo, anche da altri fattori, qual'è il contenuto di nutrienti, il pH e la disponibilità di acqua allo stato liquido.

 Il valore di AW degli alimenti diminuisce quando la temperatura scende sotto il punto di congelamento, la relazione tra temperatura e AW dell'acqua e del ghiaccio e riportate in tabella. Il valore aw è per l'acqua a 0 gradi centigradi ma scende a 0,8 per l'acqua -20 gradi centigradi ea 0,62 per l'acqua -50 gradi centigradi.

È scientificamente dimostrato che gli effetti del processo di congelamento sulle cellule vitali, quali batteri ed altri microrganismi, come pure sugli alimenti, sono complessi. La risposta dei microrganismi alle temperature inferiori a 0 gradi centigradi sarebbe in gran parte determinata dalla concentrazione dei soluti e dal congelamento intracellulare, sebbene ciò sia stato dimostrato chiaramente solo in alcuni casi. 

Perché solo certi batteri, ma non tutte le cellule, vengono uccisi dal congelamento?

A differenza della maggior parte dei batteri alcuni organismi piccoli microscopici sono incapaci di sopravvivere al congelamento, ne sono un esempio il virus responsabili della malattia api idee bocca e la gente della trichinellosi. In assenza di composti proteici i protozoi sono generalmente uccisi quando vengono congelati a temperature inferiori a - 5 o - 10 gradi centigradi.

La sopravvivenza di microrganismi al congelamento ha grande importanza per il processo di scongelamento punto congelamento e scongelamento i ripetuti possono distruggere i batteri per rottura della membrana cellulare, inoltre quanto più rapido e lo scongelamento, tanto maggiore è il numero di batteri che sopravvivono, anche se le ragioni di tale fenomeno non sono ancora ben chiari.

Dall'elenco riportato dei cambiamenti che avvengono durante il congelamento risulta evidente che il processo di scongelamento diventa critico se porta al ripristino delle attività vitali. È stato osservato che lo scongelamento è intrinsecamente più lento del congelamento e ha un andamento potenzialmente più dannoso tre problemi associati allo scongelamento di campioni e prodotti e scambio energia termica sostanzialmente per conduzione vi sono i seguenti.

È stato dunque appurato che i microrganismi muoiono più nel corso dello scongelamento che durante il congelamento. Il motivo per il quale alcuni microrganismi riescono a sopravvivere al congelamento e altri no dipende dalla capacità di sopravvivere alla disidratazione e di andare incontro a disidratazione quando il mezzo di coltura congela. Per quanto riguarda la capacità di sopravvivere alla liofilizzazione si è osservato che potrebbe essere dovuta al fatto che i batteri non congelano ma semplicemente si disidratano.

Tra gli effetti che le basse temperature hanno sulla crescita e sull'attività dei microrganismi di origine alimentare ricordiamo che i psicotropi hanno un metabolismo più lento. Le ragioni precise per le quali le reazioni metaboliche sono rallentate alle basse temperature non sono ancora del tutto comprese. Con la riduzione della temperatura la crescita dei degli psicritrofi diminuisce più lentamente di quella dei mesofili. Diversi ricercatori hanno dimostrato che i coefficienti di temperatura per alcuni substrati come acetato e glucosio sono più bassi per gli psicotrofi in fase di crescita che per i mesofili.

Qui di seguito riportiamo una parte di un lavoro di ricerca pubblicato dove viene spiagata la relazione vita cellulare- reazioni chimiche ed informazione genetica.


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