MICROBIOLOGIA PRODUSELOR ALIMENTARE SI INDUSTRIALE

MICROBIOLOGIA PRODUSELOR ALIMENTARE sI INDUSTRIALE

Multe aspecte ale vietii de zi cu zi sunt influentate de microorganisme pe cai diferite. Aspectele pozitive ale prezentei microorganismelor se regasesc în alimentele si bauturile pe care le consumam, în sinteza industriala a unor compusi, în extractia unor metale pretioase. Sintetizând, mentionam ca unele aplicatii ale microorganismelor se regasesc în:

- Industria alimentara pentru producerea bauturilor alcoolice, a lactatelor, produselor de panificatie, producerea de otet, proteine utilizate ca suplimente alimentare, în special în hrana animalelor;

- Obtinerea de produsi din microorganisme: enzime, aminoacizi, antibiotice, acid citric;

-In industria miniera-extractia metalelor, desulfurizarea carbunilor;

-Agricultura biologica se 727x2316h bazeaza pe producerea pesticidelor microbiene;

- Protejarea mediului se realizeaza prin bioremediere, treapta biologica în tratamentul apelor reziduale, fixarea azotului si compostarea resturilor menajere.

Beneficiile pe care le are omul din utilizarea microorganismelor si modul în care sunt utilizate acestea la scara industriala, reprezinta aspecte care urmeaza a fi prezentate pentru fiecare din domeniile mentionate mai sus.

Asocierea microorganismelor si a produselor alimentare este asociata mai ales cu degradarea acestora, cu toate ca se cunoaste de mii de ani utilizarea drojdiilor în fabricarea pâinii si producerea berii. Nu ne gândim la implicarea acestora în producerea sosurilor, brânzeturilor sau chiar a ciocolatei.

Un pas important în utilizarea microorganismelor s-a realizat prin perfectionarea tehnicilor de izolare a acestora la sfârsitul sec . al XIX-lea care a facut posibila utilizarea culturilor pure în producerea de alimente.

Fermentatia alcoolica

Exista dovezi ca bauturile alcoolice, incluzând berea si vinul, sunt produse cu mii de ani inainte de Hristos.

Etanolul rezulta din procesul de fermentatie, deoarece conversia zaharului la CO₂ si H₂O este incompleta:

C₆H₁₂O₆------------2 CH₃CH₂OH + 2CO₂

De;I vinul poate fi obtinut din orice suc de fructe, producerea industriala se bazeaza pe sucul de struguri, fermentatia naturala a zaharului fiind produsa de drojdiile care se gasesc pe boabe. Pentru ca rezultatele nu sunt satisfacatoare, în industrie mustul obtinut din zdrobirea strugurilor este tratat cu dioxid de sulf pentru a omorî microflora naturala si apoi este inoculat cu drojdia Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus. Fermentatia dureaza cîteva zile la temp de 22-27⁰ pentru vinurile rosii si la o temperatura mai scazuta pentru cele albe, dupa care vinul este separat de coji si ciorchini prin presare. Urmeaza îmbatrânirea acestuia în butoaie de stejar, proces care dureaza câteva luni, timp în care se dezvolta aromele.

Fermentatia malolactica este o fermentatie secundara care are loc la producerea anumitor sortimente de vinuri. Acidul malic este convertit la acid lactic, rezultând un produs secundar, care da aroma vinului.

Mustul obtinut dupa desciorchinare si zdrobire are o compozitie chimica si biologica deosebit de complexa, care asigura conditii favorizante drojdiilor. Dintre acestea, mentionam: importante cantitati de glucide reprezentate în principal din glucoza si fructoza în raport de 1:1, surse diferite de azot asimilabil, numeroase vitamine cu rol de factori de crestere pentru drojdii si bacterii malo-lactice. pH-ul mustului este acid (2,9 - 3,5) favorabil drojdiilor. Mustul are caracter reducator care favorizeaza microorganismele facultativ anaerobe. Adaosul de dioxid de sul favorizeaza procesele fermentative anaerobe, acest compus având si efect antimicrobian.

Microbiota mustului provine din microbiota strugurilor, la care se adauga microbiota de contaminare, prin contactul cu utilajele de prelucrare. În conditii industriale se produce o crestere importanta a numarului de drojdii ale genului Saccharomyces, transferate de musculita de otet.

Fermentatia mustului

În prima etapa a procesului se produce o înmultire a drojdiilor, proces prin care se pierde o cantitate de zahar utilizat în respiratie. În aceasta etapa sunt prezente în numar mare drojdii apartinând genurilor Kloeckera si Torulopsis. Dupa acumularea alcoololui etilic (6 - 8⁰) se dezvolta drojdiile tipice de fermentatie alcoolorezistente, denumite si drojdii fundamentale, care apartin genului Saccharomyces cerevisiae subsp. ellipsoideus. Sub actiunea acestora, în anaerobioza, are loc fermentatia alcoolica propriu-zisa prin care glucidele fermentescibile ale mustului sunt metabolizate pe calea Embden-Meyerhof-Parnass în alcool etilic, CO₂ si produse secundare care dau aroma specifica. Fermentatia alcooloca poate sa dureze 2-4 saptamâni, în functie de compozitie, temperatura, natura si densitatea celulelor de drojdie. Dupa începerea procesului are loc o etapa tumultoasa de fermentatie, caracterizata prin degajarea intensa de CO₂ si prin spumare. Odata cu reducerea cantitatii de glucide fermentescibile, scade si viteza de fermentatie, se produce sedimentarea drojdiilor si limpezirea vinului. Pentru a preveni deprecierea calitatilor vinului, acesta se separa de sediment (drojdie) si se îmbuteliaza. Sunt situatii în care contactul mai îndelungat al vinului cu sedimentul este benefic, eliberându-se compusi asimilabili cu azot, bacteriile care produc fermentatia malolactica fiind stimulate. La fabricarea sampaniei, vinul se mentine pe depozit de drojdie pâna la 3 ani, timp în care se dezvolta aromele caracteristice, iar prin autoliza celulelor se elibereaza substante de natura proteica cu masa moleculara mare, cu influenta pozitiva asupra însusirilor de spumare.

În ciclul evolutiv al drojdiilor de vin, se disting: faza de multiplicare, faza stationara si faza de declin. În procesul de fermentatie a mustului, care în functie de concentratia de zahar poate dura 8 - 40 zile, faza de multiplicare este relativ scurta (2-5 zile).

În practica exista situatii în care are loc oprirea fermentatiei si a înmultirii drojdiilor, desi în must se gasesc surse importante de carbon si azot. Printre cauzele care duc la oprirea fazei de multiplicare se mentioneaza epuizarea mediului în unele substante indispensabile drojdiilor, acumularea de alcool si alte substante cu efect inhibitor asupra acestora. Adaugarea unor factori de crestere înainte de demararea fermentatiei (tiamina), precum si adaugarea unor surse de azot (saruri de amoniu) favorizeaza multiplicarea si marirea vitezei de fermentatie. Acesti compusi nu au influenta în faza stationara si de declin.

Exista si substante cu rol de factori de supravietuire care adaugate în mediu prelungesc viata celulelor care se gasesc în faza stationara. Dintre acestea fac parte sterolii (ergosterolul, colesterolul), acidul oleanolic si hormonul peptidic ocitocina. De asemenea, adaugarea în must a fractiunii bogate în pereti celulari de drojdiiprevine oprirea nedorita a fermentatiei.

În microbiota mustului ti în timpul fermentatiei se stabilesc interrelatii între microorganisme, motiv pentru care este necesar controlul microbiologic. Exista un antagonism biochimic între drojdii si alte microorganisme.

CIDRUL

Este o bautura slab alcoolica, cu 3 - 7⁰ alcool, obtinuta prin fermentatia naturala sau dirijata a sucului de mere.

Fermentatia naturala a sucului de mere prospat presate este initiata de drojdii apiculate (Kloeckera apiculata) si continuata de cele apartinând genului Saccharomyces.   Se produc, pe lânga alcool, cantitati importante de acid succinic, acid piruvic si acid alfa cetoglutaric. Se produc importante modificari si în compozitia substantelor azotate.

Calitatea acestei bauturi este determinata de amestecul de soiurile de mere, de calitatea acestora, de conditiile de obtinere, de calitatea microorganismelor care produc fermentatia.

MICROBIOLOGIA OŢETULUI

Producerea otetului, care este de fapt un vin acru, este cunoscuta tot de atâta timp cât si vinul. Pe lânga otetul din vin, în functie de zona geografica, se obtin oteturi din mere (din cidru), orez, sucuri de fructe, malt de bere, de petale de trandafir, etc.

La fabricarea industriala a otetului, în functie de natura materiilor prime, se folosesc tulpini adaptate care dau randamente superioare de producere a acestui produs.

Procedeul lent de obtinere a otetului a fost înlocuit în sec al XIX-lea de procedeul rapid, mai urapid si mai usor de controlat.

Se utilizeaza suspensii de bacterii acetice care se suspenda pe diferite suporturi în vase de fermentatie, prevazute cu sisteme de aerare si recirculare a mediului de cultura. În timp, aceste vase au fost perfecttionate, randamentul de conversie fiind de 95%. Procedeul de cultivare submersa nu foloseste un suport pentru bacterii, acestea fiind obtinute în cultura pura într-un mediu steril. Prin adaugarea acestor culturi pure sunt reduse la minimum pierderile cauzate de activitatea unor bacterii acetice contaminante care produc oxidarea acidului acetic la produsi finali.

Dupa obtinerea gradului de aciditate dorit, otetul se pasteurizeaza si se filtreaza pentru îndepartarea impuritatilor. Pentru îmbunatatirea calitatilor senzoriale, otetul de fermentatie este supus învechiriiîn butoaie de stejar. Otetul de 9⁰ produs în tara noastra este un produs stabil din punct de vedere microbiologic, deoarece la aceasta concentratie nu este posibila cresterea microbiana.

alcoolul

Alcoolul sau spirtul de fermentatie se poate obtine prin procese de fermentatie si prin procese chimice. Se obtine din:

-materii prime amidonoase:cartofi, cereale;

-materii prime zaharoase: melasa din sfecla, trestie de zahar.

În functie de natura materiilor prime se aplica tratamente fizico-chimice si enzimatice pentru cresterea cantitatii de glucide fermentescibile. Pentru desfasurarea procesului fermentativ se aleg microorganisme bine adaptate, care produc, cu randamente superioare, etanol, butanol, alcool izopropilic, alcooli superior.

Pentru obtinerea bioetanolului utilizat în calitate de combustibil, se mai pot folosi zerul, lesii sulfitice, materii lignocelulozice.

Speciile de drojdii producatoare de alcool sunt:

Saccharomyces cerevisiae, s. Bayanus, S. Coreamus, Schizosaccharomyces pombe

Kluyveromyces polisporus, K. Loderi, Hansenula anomala, Pichia polymorfa, Candida

Bacterii producatoare de alcool:

Zymomonas mobilis, Clostridium therocellum, Clostridium ethanolicus

BEREA este produsa prin fermentarea orzului. Procedeul variaza în functie de tipul de bere care urmeaza a fi produs, dar fazele sunt aceleasi. Pentru ca fermentatia sa se produca, boabele de orz sunt puse la germinat, producându-se enzimele necesare pentru conversia amidonului la maltoza. Se pot adauga cantitati suplimentare de amidon. Hameiul se adauga în aceasta faza, contribuind la aroma si culoarea berii, iar prin proprietatile antimicrobiene previne contaminarea mustului.

Amestecul este încalzit, enzimele sunt inactivate, proteinele precipita sunt omorâte microorganismele. Urmeaza filtrarea mustului si transferarea acestuia în tancuri de fermentatie în care se adauga drojdii selectionate.

Drojdiile folosite la obtinerea berii apartin speciilor Saccharomyces carlsbergensis, produce berea de fermentatie inferioara, de tip lager si S. cerevisiae care produce berea de fermentatie superioara. Celulele de S. carlsbergensis formeaza un depozit care , dupa uscare , este folosit ca suplimet aluimentar pentru animale. S. cerevisiae produce o fermentatie de suprafata.

Fermentatia completa dureaza o saptamâna, la o temperatura potrivita pentru fiecare specie (temp mai scazuta pentru S. carlsbergensis decât pentru S. cerevisiae).Dupa fermentatie , berea este pastrata câteva luni la rece , iar inainte de îmbuteliere este filtrata pentru a îndeparta toate microorganismele.

Berea tipica are alcool (4%), continând si alti produsi secundari cum ar fi care dau aroma.

PRODUSE LACTATE

Laptele poate fi fermentat pentru a produce o multime de produsi, incluzând untul, iaurtul si brânzeturile. Acizii rezultati prin fermentatie produc coagularea proteinelor din lapte.

La fabricarea brânzei coagularea este produsa de renina, o proteaza sau prin actiunea bacteriilor lactice (Streptococcus lactis si S. cremoris). Coagularea duce la separarea celor doua componente, brânza si zerul. Fazele urmatoare sunt diferite, în functie de specificul sortimentului care urmeaza a fi obtinut. În timpul maturarii sunt adaugate saruri, se dezvolta arome datorita actiunii microorganismelor asupra proteinelor si grasimilor. Inocularea sporilor de Penicillium   are ca rezultat obtinerea brânzei Camembert si Brie. Durata maturarii este de la o luna la mai mult de un an în functie de sortiment

Iaurtul este un alt derivat al laptelui, rezultat din actiunea bacteriilor lactice Streptococcus termophilus si Lactobacillus bulgaricus, care transforma lactoza în acid lactic. În plus, Lactobacillus bulgaricus contribuie la producerea compusilor aromatici responsabili pentru gustul iaurtului.

Agentul biologic pentru fabricarea pâinii este drojdia. Tulpinile folosite în panificatie, apartin la fel ca si cele folosite la fabricarea berii, speciei Saccharomyces cerevisiae. La fabricarea pâinii sunt necesare conditii aerobe, mai degraba decât anaerobe, zaharurile prezente în aluat fiind convertite la bioxid de carbon, care contribuie la cresterea pâinii. Cantitati mici de alcool se produc si sunt eliminate prin evaporare.

Multe alte produse alimentare sunt rezultatul proceselor fermentative. Astfel,

murarea verzei, a castravesilor si prepararea maslinelor se datoreaza speciilor Leuconostoc brevis si Lactobacillus plantarum

la prepararea sosului de soia se utilizeaza Aspergillus oryzae, Saccharomyces rouxii

sake-ul se obtine din orez, fermentatia fiind produsa de Aspergillus oryzae, Saccharomyces rouxii

otetul se obtine din vin si cidru, procesul datorându-se speciilor de Acetobacter si Gluconobacter,

în procesul de prelucrare al boabelor de cacao si de fabricatie al ciocolatei intervin Saccharomyces cerevisiae, candida rugosa, Acetobacter, Geotrichum.

Sunt utilizate ca hrana sau ca adaosuri alimentare algele, care constituie o importanta sursa în unele regiuni ale lumii. Spirulina este un supliment alimentar pentru bogatia de saruri minerale si vitamine.

Microorganismele si productia de compusi industriali

Multe produse ale metabolismului bacterian au aplicatii și în alte ramuri industriale, nu numai în industria alimentara. Dintre produsele obtinute din cultivarea microorganismelor mentionam aminoacizii, sterolii, enzimele si antibioticele. O imagine privind doar producerea de enzime si utilizarea acestora în diferite industrii, este prezentata succint în tabelul urmator:

Conditiile de crestere microbiana sunt astfel ajustate încât productia de metaboliti sa se desfasoare la o rata optima. Adesea rata de productie este neobisnuit de ridicata, fiind atinse valori crescute ca urmare a utilizarii tulpinilor mutante sau modificate prin inginerie genetica sau prin manipularea conditiilor de cultivare paentru a favoriza producerea în exces a diferitilor metaboliti.

Dezvoltarea tehnicilor microbiene de producere a acetonei a fost deosebit de importanta la sfârșitul primului razboi mondial, deoarece ea este un precursor important în producerea explozibililor. Identificarea si utilizarea unei tulpini de Clostridium acetobutylicum de catre Chaim Weismann a fost decisiva pentru producerea acetonei si butanolului din melasa.

Producerea microbiologica a aminoacizilor are importanța în industria alimentara, în medicina si industria chimica. Acidul glutamic este produs în cantitati mari; acidul aspartic si fenilalanina sunt componenti ai aspartamului, un îndulcitor produs pe scara larga.

Acidul citric este produs pe scara larga, adesea ca metabolit secundar, de catre Aspergillus niger.

Anumite microorganisme servesc ca sursa de vitamine: riboflavina (produsa de Ashbya gossipy) si vitamina B₁₂ (produsa de Pseudomonas denitrificans) sunt obținute pe scara larga în fermentatoare industriale.

Microorganismele produc acid citric (vitamina C), reducând glucoza la sorbitol si apoi oxidând acest compus la sorboza. Acetobacter suboxydans converteste compusul la acid ascorbic.

Enzimele de origine fungala sau bacteriana sunt utilizate de sute de ani în numeroase procese. Tehnicile actuale sunt capabile sa izoleze si sa purifice enzimele necesare pentru anumite procese specifice. Cele mai utilizate enzime industriale sunt proteazele, amilazele, lipazele si pectinazele, domeniul de utilizare fiind prezentat în tabel.

Antibioticele sunt produse pe scara industriala. Stadiile obligatorii de parcurs pentru obtinerea unui antibiotic sunt urmatoarele:

-izolarea si purificarea tulpinilor producatoare de antibiotic din natura;

-evaluarea eficientei antimicrobiene;

-producerea antibioticului la nivel de laborator;

-testarea toxicitatii compusului;

-producerea la scara pilot;

-efectuarea trialului clinic pe voluntari umani pentru aprobarea si introducerea în terapie, în   productie pe scara industriala.

Izolarea unui antibiotic dintr-o sursa naturala nu este dificila, în timp ce gasirea unui nou antibiotic cu proprietati terapeutice ridica numeroase probleme. Fiecare etapa implica o activitate intensa, numeroase repetitii pentru confirmarea rezultatelor.

Când testele sunt pozitive, producerea pe scara industriala se face în bioreactoare, instalatii complexe, de dimensiuni mari (200 000 l), care dispun de un sistem de monitorizare a tuturor parametrilor (temperatura, pH, spumare, oxigen solvit).

Folosind tehnologia ADN recombinant se obtin proteine deosebit de importante pentru medicina. Utilizând vectori convenabili se pot introduce în celule gazda bacteriene (Escherichiacoli) sau fungale (Saccharomyces cerevisiae) gene care raspund de sinteza insulinei umane sau a unor factori de crestere. Pe aceasta cale pot fi produse enzime pure care au aplicatii in analiza de finete, în depistarea unor cantitați mici de compuși sau în producerea enzimelor utilizate pentru obținerea detergentilor.

Microorganismele sunt utilizate în tratarea apelor reziduale, în tehnici de bioremediere a mediului înconjurator.

O aplicatie mai deosebita a microorganismelor este în industria miniera, mai ales pentru metalele care nu raspund tehnicilor conventionale. Unul dintre metalele astfel extrase este cuprul, bacteria utilizata fiind   Acidithiobacillus ferrooxidans. Oxidarea bacteriana are ca rezultat formarea sulfatului de cupru solubil ce poate fi colectat.

Bacteriile sunt implicate în extractia uraniului si aurului.

Bacteriile care oxideaza sulful au un rol important în industria carbunelui, ele asigurând biodesulfurarea carbunelui înainte ca acestea sa fie folosit drept combustibil.