04221 - MICROBIOLOGIA INDUSTRIALE

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Sconfiggere la fame Salute e benessere Consumo e produzione responsabili

Anno Accademico 2021/2022

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine dell'insegnamento lo studente possiede le conoscenze sui principali gruppi microbici responsabili dei processi fermentativi di interesse industriale. Lo studente è inoltre in grado di gestire ed ottimizzare l'attività microbica nei processi biotecnologici per la trasformazione delle materie prime di interesse alimentare e prevenire l'insorgenza di tossinfezioni alimentari.

Contenuti

Introduzione al corso: presentazione del docente, illustrazione delle finalità dell'insegnamento, delle tematiche affrontate, dei testi consigliati, delle modalità di distribuzione del materiale didattico e di svolgimento dell'esame finale.

Presentazione delle attività del corso che includono:

Lezioni frontali in aula - finalizzate alla comprensione della potenzialità metaboliche dei principali gruppi microbici di interesse agro-alimentare e degli strumenti e condizioni per gestire i processi biotecnologici per la produzione di metaboliti microbici, biomasse microbiche ed alimenti fermentati.

Esercitazioni in laboratorio - finalizzate all'acquisizione della manualità necessaria allo svolgimento di alcuni test per la valutazione delle caratteristiche di colture starter ed alla loro gestione per la produzione di alimenti fermentati.

Esercitazioni in aula - dedicate all'acquisizione della capacità di: i) analizzare in modo critico i risultati ottenuti durante le esercitazioni pratiche in laboratorio; ii) costruire grafici mediante excell utilizzando i dati ottenuti sperimentalmente; iii) navigare sui siti delle collezioni di colture microbiche internazionali ed analizzare le informazioni per la scelta di ceppi di interesse; iv) applicare le informazioni ed equazioni relative alla modellazione dei processi di fermentazione.

Gli argomenti del programma riguardano una parte generale ed una "speciale" relativa ad alcuni dei principali prodotti della microbiologia industriale.

Parte generale

1. Introduzione alla microbiologia industriale - brevi cenni storici, i microrganismi, le fermentazioni alimentari e le fermentazioni industriali.

2. I microrganismi di interesse industriale

- Richiami ai principali microrganismi di interesse industriale e loro attività metaboliche: fermenti lattici, microrganismi probiotici, batteri acetici, microstafilococchi, lieviti, muffe.

- Le collezioni di microrganismi e la conservazione delle colture microbiche: colture liquide, congelate, liofilizzate.

-  Tecniche tradizionali di selezione e miglioramento di microrganismi di interesse industriale: screening primario e secondario, mutagenesi, selezione.

3. I prodotti del metabolismo microbico

- Prodotti primari e prodotti secondari: tipi, caratteristiche e cinetiche di produzione.

- Controllo e regolazione del metabolismo microbico: meccanismi di inibizione e repressione da feed-back di vie metaboliche lineari e ramificate.

- Strategie per l'accumulo di metaboliti microbici: modulazione della composizione del substrato di coltura; modificazione della permeabilità della membrana cellulare; blocco metabolico; rimozione di fenomeni di inibizione/repressione.

4. Biotecnologia delle fermentazioni

- I substrati per le fermentazioni industriali: i principali ingredienti grezzi usati come fonte di carbonio (melassi, siero di latte, liscivo solfitico, surplus agricoli, materiali amilacei,... ) ed azoto (farine vegetali, acqua di macerazione del mais, estratto di lievito, peptone..), vitamine e fattori di crescita, olii, grassi, antischiuma e tensioattivi.

- Bioeconomia ed Economia circolare: definizione e caratteristiche; -Uso di biomasse, residui e sottoprodotti agro-alimentari come materia prima per produrre biomasse microbiche e "bio-based products"; - Bioraffinerie: caratteristiche, pre-trattamenti dei feedstocks, ed esempi.

- Criteri per la classificazione e differenziazione delle fermentazioni industriali: tipologia di prodotti, cinetiche di produzione, modalità di coltura e tecnologia di fermentazione.

- Tipi di fermentazioni su base cinetica: I, II e III tipo. Dinamiche di crescita microbica e di produzione di metaboliti.

- Modalità di coltura: fermentazione in stato solido, in coltura superficiale, in coltura sommersa. Caratteristiche principali, vantaggi e svantaggi, esempi di applicazioni.

- Tecnologia di fermentazione batch, fed-batch, in continuo. Caratteristiche distintive, aspetti critici e vantaggi.

–Cenni ai modelli matematici per la crescita microbica, per la produzione di metaboliti e per il consumo del substrato.

- Fermentatori industriali: caratteristiche principali, parametri di regolazione e bio-controllo. Classificazione dei bioreattori in base ai sistemi di areazione ed agitazione. Principali caratteristiche dei fermentatori ad agitazione meccanica (stirred tank reactor), ad agitazione pneumatica (air lift, bubble column), ad agitazione idraulica, fermentatori a letto fisso ed a letto fluido.

- Sterilizzazione dei fermentatori e dei substrati. Sterilizzazione contemporanea o separata. Processi in continuo o discontinuo. Calcolo dell'efficacia della sterilizzazione.

5. Immobilizzazione di cellule microbiche - Procedure di immobilizzazione passiva (aggregazione, adsorbimento e colonizzazione) ed attiva (legame covalente con la matrice, intrappolamento, cross-linking, microincapsulazione). Vantaggi/svantaggi dell'immobilizzazione. Fermentatori per cellule microbiche immobilizzate. Esempi di applicazioni a livello industriale.


Parte speciale

1. Prodotti alimentari fermentati - Caratteristiche generali, fermentazioni naturali/spontanee o guidate. Colture starter: definizione, classificazione, funzioni delle colture starter e criteri per la loro selezione.

2. Prodotti lattiero caseari: yoghurt e latti fermentati; formaggi. Definizione, tipologie e caratteristiche. Ruolo degli starter e del microbiota naturalmente presente nelle trasformazioni biochimiche.

3. Prodotti da forno - Panificazione diretta ed indiretta. Tipologie di agenti lievitanti biologici - lievito di birra, biga e lievito naturale - e loro ruolo in panificazione. Tipologie di impasto acido: tipo I, II e III; principali caratteristiche, microbiota dominante ed effetto sulle caratteristiche dei prodotti lievitati da forno. 

4. Salumi fermentati: definizione, caratteristiche e classificazione. Evoluzione della popolazione microbica in relazione alle caratteristiche della matrice ed alle fasi del processo produttivo. Ruolo degli starter nella fermentazione primaria. Modificazioni biochimiche durante la fase di maturazione.

5. Biomasse microbiche ad uso alimentare - Caratteristiche richieste in funzione dell'utilizzo. Lievito per panificazione: aspetti metabolici del microrganismo, substrati e condizioni del processo fermentativo, operazioni di recupero e modalità di commercializzazione della biomassa.

6. Metaboliti microbici -Caratteristiche generali e classificazione. Meccanismo generale di biosintesi e fattori che influenzano le cinetiche di produzione.

- Produzione di eso-polisaccaridi.

- Produzione di acido citrico.

- Esempio di prodotti derivati da materie prime naturali: «Bio-based products».

 

Esercitazioni

Esperienze di laboratorio inerenti: i) lo screening primario di microrganismi di interesse industriale; ii) la ri-vitalizzazione di starter microbici in funzione della forma di conservazione; iii) la scelta di starter per uso alimentare sulla base di caratteri tecnologici di interesse; iv) l'effetto di fonti grezze di carbonio (nella formulazione dei substrati di fermentazione) sulla crescita di colture starter; v) produzione di esopolisaccaridi in funzione della fonte di carbonio; vi) produzione di bioetanolo da sottoprodotti agro-alimentari.

 

Attività in aula inerenti: i) analisi dei risultati dei test e delle esperienze svolte in laboratorio e relativa costruzione di grafici mediante uso di excell; ii) esercizi relativi alla modellazione della crescita microbica, produzione di metaboliti o biomassa microbica in funzione del tipo di fermentatore; iii) navigazione su siti di collezioni internazionali di colture microbiche per la scelta di ceppi da usare come colture starter per processi di fermentazione.

Testi/Bibliografia

- Manzoni Matilde "MICROBIOLOGIA INDUSTRIALE", Casa Editrice Ambrosiana
- Farris G.A., Gobbetti M., Neviani E., Vincenzini M. "MICROBIOLOGIA DEI PRODOTTI ALIMENTARI", Casa Editrice Ambrosiana
- Materiale delle lezioni/esercitazioni fornito dal docente tramite Piattaforma di supporto alla didattica "Virtual Learning Environment"
- Articoli suggeriti dal docente per approfondimenti su argomenti specifici

Metodi didattici

L’insegnamento si compone di lezioni frontali e di esercitazioni pratiche nel laboratorio didattico di Microbiologia ed in aula, oltre a seminari tenuti da esperti del settore e visite guidate in azienda.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L’esame di fine corso mira a valutare il raggiungimento degli obiettivi didattici.

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso una prova scritta ed una presentazione orale.
La prova scritta, durante la quale non è ammesso l'uso di libri, appunti, supporti informatici, si basa su una serie di domande aperte e quesiti includenti figure mute, domande a risposta multipla, brevi definizioni, esercizi di calcolo, che tenderanno ad accertare la conoscenza da parte dello studente degli argomenti trattati a lezione, e la soluzione di problemi del tipo di quelli affrontati durante le ore dedicate alle esercitazioni ed al laboratorio che affiancano il corso. Il punteggio delle domande sarà differenziato a seconda della tipologia e sarà indicato nel compito a fianco di ciascun quesito. Per superare la prova scritta è necessario che il candidato raggiunga almeno 18 punti.

La presentazione orale, realizzata con strumenti informatici (power point), riguarderà l'analisi critica di un processo/prodotto di fermentazione scelto dallo studente in accordo con il docente.

La modalità di svolgimento dell'esame (in presenza o a distanza) sarà stabilità in relazione alle condizioni ed in accordo con le disposizioni definite per l'emergenza sanitaria.

Il voto del corso di "Microbiologia Industriale" terrà conto del risultato della prova scritta e della valutazione della presentazione della prova orale.

 

Il voto relativo al corso integrato di "Microbiologia degli Alimenti" viene calcolato come media aritmetica delle votazioni riportate negli insegnamenti di "Microbiologia Alimentare" e "Microbiologia Industriale".

Ad inizio corso verrà segnalato agli studenti il docente responsabile della verbalizzazione.

Strumenti a supporto della didattica

Il materiale didattico presentato a lezione ed oggetto delle esercitazioni viene messo a disposizione dello studente in formato elettronico tramite Piattaforma di supporto alla didattica "Virtual Learning Environment" a cui possono accedere tutti gli studenti iscritti al corso di "Microbiologia Industriale".

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Lucia Vannini