04221 - MICROBIOLOGIA INDUSTRIALE

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. Sono inoltre previste esercitazioni sia in laboratorio, che in aula.

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.

- Tecniche 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 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.

- 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: fermentazone 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.

–Modelli 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 della microflora 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, microflora 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. Produzione di eso-polisaccaridi. Caratteristiche generali e classificazione. Meccanismo generale di biosintesi e fattori che influenzano le cinetiche di produzione. Princiapli eso-polisaccaridi di orgine microbica di interesse alimentare.

Esercitazioni

Esercizi, svolti in aula, relativi alla modellazione della crescita microbica, produzione di metaboliti o biomassa microbica in funzione del tipo di fermentatore.

Esperienze di laboratorio inerenti: i) lo screening primario di microrganismi di interesse industriale; ii) la ri-vitalizzazione di starter microbici; 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) attività enzimatiche (proteasi e lipasi) di microrganismi di interesse alimentare; vi) Produzione di esopolisaccaridi.

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
- Appunti del docente reperibile tramite AMS Campus - AlmaDL - Università di Bologna
- Articoli suggeriti dal docente su argomenti specifici

Metodi didattici

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

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso una prova scritta ed una presentazione orale.
Durante la prova scritta, della durata massima di 2 ore e mezza, non è ammesso l'uso di libri, appunti, supporti informatici. La prova scritta conterrá 4 domande aperte e 26 domande 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 aperte corrisponde ad un massimo di 2 punti ciascuna, mentre quello delle 26 domande è differenziato a seconda della tipologia, e comunque 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 in accordo con il docente.

Il voto del corso di "Microbniologia Industriale" terrà conto del risultato della prova scritta (90%) e di quella orale (10%).

 

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".

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: https://campus.unibo.it/.
Username e password sono riservati a studenti iscritti all'Università di Bologna, e verranno forniti dal docente durante la prima lezione del corso.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Lucia Vannini