Omofermentanti ed Eterofermentanti: I Segreti dei Batteri Lattici negli Alimenti Fermentati

Batteri Lattici: I Protagonisti Chiave delle Fermentazioni Alimentari

Con questo articolo iniziamo una serie di approfondimenti sui microrganismi responsabili delle fermentazioni alimentari. Esploreremo chi sono, cosa fanno e come ci aiutano a produrre questi alimenti, semplificando concetti di microbiologia per renderli accessibili a tutti. Iniziamo con i batteri lattici (tra l’altro recentemente modificati nella Tassonomia microbica: la disciplina che si occupa di classificazione, nomenclatura ed identificazione dei Microorganismi), provocando non poca confusione. In futuro esploreremo anche altri batteri, lieviti e funghi.

Definizione e Caratteristiche dei Batteri Lattici

Si definiscono "Batteri Lattici" quei batteri che producono acido lattico dalla fermentazione dello zucchero.  Questa definizione tuttavia non è precisa, poiché questa capacità appartiene anche ad altre specie non incluse in questo gruppo (come Escherichia coli e Staphylococcus spp.).

Oggi, definiamo i batteri lattici come microrganismi:

• Di forma sferica o bastoncellare
• Gram positivi
• Non sporigeni
• Anaerobi facoltativi o micro-aerofili
• Negativi alla catalasi (un enzima che scompone il perossido di idrogeno in acqua e ossigeno, proteggendo le cellule dallo stress ossidativo)

Questi batteri hanno alte esigenze nutritive, soprattutto per i nutrienti azotati come gli amminoacidi. Il rapporto carbonio/azoto (C/N) di un alimento può determinare il tipo di fermentazione che si sviluppa. Ad esempio, nel mosto d'uva, dove il rapporto C/N è spostato verso il carbonio, prevalgono i lieviti, portando a una fermentazione alcolica. Quando gli zuccheri si esauriscono, spostando il rapporto C/N verso l'azoto, inizia la fermentazione malo-lattica operata dai batteri lattici, cruciale per la qualità del vino.

I batteri lattici presentano diverse temperature ottimali di crescita (mesofili 20-30°C, termofili 35-45°C) e sono generalmente resistenti a basse acidità.

Classificazione Metabolica dei Batteri Lattici

Il gruppo dei batteri lattici si suddivide in due categorie principali in base al loro metabolismo:

1. Omofermentanti: Utilizzano gli esosi (carboidrati a 6 carboni, come il glucosio) per produrre quasi esclusivamente acido lattico.
2. Eterofermentanti: Producono acido lattico, acido acetico/etanolo e anidride carbonica dagli esosi.

Questa distinzione è fondamentale nel mondo dei fermentati, poiché spesso gli alimenti fermentati con un tipo di batteri lattici non possono esserlo con l'altro tipo.

Figura 1- Principali Vie Metaboliche energetiche compiute dai Batteri Lattici, meraviglioso grafico che ho trovato nell’articolo “Lactic metabolism revisited: metabolism of lactic acid bacteria in food fermentations and food spoilage” di Michael G Ganzle, pubblicato nella rivista “Current Opinion in Food Science”. Nell’immagine possiamo vedere: (a) La Glicolisi, o Via di Embden-Meyerhoff-Parnas (EMP), metabolismo omofermentante degli esosi. (b) Via metabolica della Fosfochetolasi, fermentazione eterolattica degli esosi. (c) Via dei pentoso fosfati per quanto riguarda la fermentazione omolattica dei pentosi. (d) Sempre la via della Fosfochetolasi eterofermentante, ma con un pentoso come fonte di energia

Omofermentanti e Prodotti Lattiero-Caseari

Più tecnicamente si dice che i batteri lattici omofermentanti fermentano solo gli esosi attraverso la via di Embden-Meyerhoff-Parnas, anche chiamata glicolisi. Hanno quindi un potere acidificante maggiore rispetto agli eterofermentanti (che producono anche altri metaboliti). I batteri lattici omofermentanti si trovano spesso come unico microbiota di fermentazioni a base di carni (nei salami ad esempio batteri eterofermentanti nell’impasto potrebbero causare diversi problemi per via della produzione di CO2, poiché causerebbe delle bolle di anidride carbonica nell’impasto dove potrebbero crescere muffe e causare inverdimenti) e latticini, ma anche condimenti ad alte concentrazioni di sale.

I batteri lattici omofermentanti sono anche in grado di fermentare i pentosi, ma utilizzano la via dei pentoso-fosfati. Per questi batteri l’acido piruvico (prodotto dal glucosio nella glicolisi) è il punto di diramazione centrale del metabolismo ed il fruttosio è usato unicamente come fonte di carbonio. Non vale la stessa cosa per gli eterofermentanti come vedremo successivamente.

Il destino dell’acido piruvico poi dipende dalla quantità di ossigeno e di substrati, poiché può seguire vie diverse che vanno a formare diverse molecole anche aromatiche ed importanti.

Nella produzione di latti fermentati e prodotti lattiero-caseari si è soliti utilizzare i batteri lattici omofermentanti (non è sempre così: ad esempio, nel koumiss di cavallo tradizionale non è raro trovare anche eterofermentanti, infatti è leggermente carbonato; ma anche nel kefir e nei formaggi si possono trovare entrambe le tipologie, tipo Streptococcus spp.) con risultati diversi che dipendono dalle molecole prodotte, come il diacetile, una molecola che ricorda il sapore di burro e latticello, molto apprezzata. I latti a fermentazione naturale comunque utilizzano come starter una parte del prodotto precedentemente sviluppato, poiché negli starter sono selezionati batteri lattici ad alto potere acidificante che abbassano immediatamente il pH, inibendo gli altri microorganismi, soprattutto gli enterobatteri che sono tra le principali specie riscontrate nel latte appena munto (degradativi). I latti fermentati poi sono suddivisi in base alla temperatura alla quale si tiene il latte, poiché i latti fermentati si suddividono in mesofili e termofili in base a quale gruppo di batteri lattici andiamo a selezionare (rispettivamente temperature tra 20-30°C per i primi e superiori a 35-37°C per i secondi).

I batteri lattici nella produzione di fermentati a base di latte sono molto importanti per tre funzioni:

1. Il metabolismo del lattosio per via glicolitica (EMP).
2. Utilizzo del citrato – l’acido citrico è una molecola che si trova in tantissimi alimenti che vengono fermentati (frutta, verdura, latte, si aggiunge come additivo nella produzione di salami o salsicce fermentate). Non tutti i batteri lattici sono in grado di fermentarlo e la sua degradazione porta alla formazione di molecole aromatiche come diacetile, acetoino, butandiolo e acetaldeide. Soprattutto il diacetile è una delle molecole più importanti per i prodotti lattiero-caseari e il burro (ma è un carattere negativo per birra, salami e vino, quindi è importante controllare la sua produzione).
3. Altri metabolismi coinvolti nella produzione di aromi (es: attività esterasica che produce acidi grassi liberi che successivamente possono essere coinvolti nella formazione di altre molecole aromatiche).

Un’altra cosa interessante e particolare dei batteri lattici nella produzione di latti fermentati come yogurt e formaggi a basso contenuto di grasso è la loro capacità ceppo-specifica (non tutte le specie e non tutti i ceppi della stessa specie allo stesso modo) di produrre EPS (esopolisaccaridi). Gli EPS sono quelli che noi vediamo comunemente nel kefir, poiché gli stessi granuli sono formati da esopolisaccaridi. Sono carboidrati (polisaccaridi) che vengono rilasciati fuori dalla cellula (eso-) e si è visto che queste molecole possono dare un forte contributo alla struttura del prodotto e possono aiutare a produrre fermentati a basso contenuto di grassi senza dover utilizzare altri tipi di additivi. Ceppi di Streptococcus thermophilus e Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus (i due batteri responsabili della produzione dello yogurt) sono in grado di produrli ed è stato visto che anche i bifidobatteri sono capaci, ma si sconsiglia il loro utilizzo nelle fermentazioni poiché sono batteri non molto competitivi nelle matrici latte che hanno temperature ottimali di crescita tra 37-40°C e soprattutto producono molto acido acetico dal glucosio.

Eterofermentanti e Impasti Naturali

Gli eterofermentanti si dividono ulteriormente in eterofermentanti obbligati e facoltativi: i facoltativi fermentano gli esosi allo stesso modo e i pentosi con la via del 6-fosfogluconato/fosfochetolasi, mentre gli obbligati fermentano sia pentosi che esosi con quest’ultima.

Gli obbligati sono la specie microbica maggiormente presente nei lieviti naturali chiamati anche “Lievito Madre” per produrre prodotti da forno lievitati. Questo è dovuto alla loro grande efficienza nell’uso dei carboidrati dell’impasto. Uno dei batteri più comuni è il Lactobacillus sanfranciscensis (il nome deriva dal “Pane di San Francisco”), che è molto abile ad utilizzare il maltosio della farina fino al suo esaurimento. Inoltre, i batteri lattici eterofermentanti obbligati fermentano anche i pentosi come xilosio, ribosio ed arabinosio tramite la via del 6-fosfogluconato/fosfochetolasi e lo fanno in maniera molto efficiente in bassi tempi di fermentazione rilasciando composti aromatici.

La differenza è che gli eterofermentanti possono usare il fruttosio non come fonte di energia ma come accettore di elettroni. Questo piccolo dettaglio permette loro di sintetizzare acido acetico anziché etanolo, perché riescono meglio a ripristinare i cofattori utilizzati durante i metabolismi ed in più si produce 1 ATP in più (la molecola energetica).

La produzione di acetato e la veloce acidificazione aiuta la proteolisi, l’idrolisi delle proteine della farina (proteolisi primaria), poiché gli enzimi della farina responsabili sono attivi a pH tra 3 e 4,5. I peptidi liberati vengono poi metabolizzati dai batteri lattici con produzione di svariate molecole importanti a livello aromatico soprattutto in fase di cottura (l’azione dei lattici sui peptidi è responsabile della produzione dell’odore della crosta del pane tipo la 2-acetil-pirrolina sintetizzata dall’ornitina liberata nell’ambiente da alcuni eterofermentanti a partire dall’arginina).

Tutto questo succede in ogni singolo metabolismo microbico perché ci sono dei vantaggi per questi ultimi nel farlo. Questi vantaggi si traducono in una maggior competitività e semplicemente nell'avere a disposizione molecole di ATP in più per svilupparsi più velocemente e riuscire a prevalere nei confronti di altri microrganismi presenti nel mezzo o nell’alimento, nel nostro caso.

Nei lieviti naturali poi è molto interessante la consociazione batteri lattici-lieviti (non per forza Saccharomyces cerevisiae) perché ci sono diversi vantaggi che traggono rispettivamente da questa collaborazione. Ad esempio, lieviti come Candida milleri sono stati visti capaci di rendere disponibile il fruttosio che viene poi utilizzato dai batteri lattici per una migliore performance metabolica e per produrre acido acetico anziché etanolo.

I lieviti naturali contengono principalmente specie eterofermentanti per due motivi:

1. Preferita fermentazione del maltosio, anche efficiente dal punto di vista energetico, e questa fermentazione non interferisce con la crescita dei lieviti tramite relazione mutualistica con lieviti che non fermentano il maltosio.
2. Utilizzano accettori di elettroni esterni come il fruttosio (lo riducono a mannitolo) che viene continuamente sintetizzato dai lieviti per migliorare la competitività dei batteri lattici formando acido acetico anziché etanolo.

Conclusioni

In questo articolo abbiamo esplorato le caratteristiche principali dei batteri lattici, fondamentali nella produzione di numerosi alimenti fermentati. Abbiamo visto come le loro diverse capacità metaboliche influenzino i processi fermentativi e le caratteristiche dei prodotti finali.

Ho cercato di utilizzare un linguaggio il più semplice possibile, senza approfondire eccessivamente questioni più rilevanti a livello scientifico-accademico. Spero che questo approfondimento vi sia stato utile per comprendere meglio il ruolo di questi microrganismi nelle fermentazioni alimentari.

Nei prossimi articoli potremmo approfondire le vie metaboliche citate o esplorare altre classi di microrganismi come lieviti, muffe e batteri acetici. Fatemi sapere se siete interessati ad approfondire questi temi, che sono tecnicamente importanti a seconda dei propri obiettivi personali.

Bibliografia

Farris, Giovanni Antonio, Marco Gobbetti, Erasmo Neviani, and Massimo Vincenzini. 2012. Microbiologia Dei Prodotti Alimentari. Microrganismi, Controllo Delle Fermentazioni, Indicatori Di Qualità, Igiene Degli Alimenti Fermentati e Non. ed. CEA.

Gänzle, Michael G. 2015. “Lactic Metabolism Revisited: Metabolism of Lactic Acid Bacteria in Food Fermentations and Food Spoilage.” Current Opinion in Food Science 2(Figure 2): 106–17. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2214799315000508.

García-Burgos, María et al. 2020. “New Perspectives in Fermented Dairy Products and Their Health Relevance.” Journal of Functional Foods 72(Giugno): 104059. https://doi.org/10.1016/j.jff.2020.104059.

Hugenholtz, Jeroen. 1993. “Citrate Metabolism in Lactic Acid Bacteria.” FEMS Microbiology Reviews 12(1–3): 165–78. http://doi.wiley.com/10.1016/0168-6445(93)90062-E.

McDonald, L. C., R. F. McFeeters, M. A. Daeschel, and H. P. Fleming. 1987. “A Differential Medium for the Enumeration of Homofermentative and Heterofermentative Lactic Acid Bacteria.” Applied and Environmental Microbiology 53(6): 1382–84. https://journals.asm.org/doi/10.1128/aem.53.6.1382-1384.1987.

Sharma, Heena, Fatih Ozogul, Elena Bartkiene, and João Miguel Rocha. 2023. “Impact of Lactic Acid Bacteria and Their Metabolites on the Techno-Functional Properties and Health Benefits of Fermented Dairy Products.” Critical Reviews in Food Science and Nutrition 63(21): 4819–41. https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/10408398.2021.2007844.

Shiby, V. K., and H. N. Mishra. 2013. “Fermented Milks and Milk Products as Functional Foods—A Review.” Critical Reviews in Food Science and Nutrition 53(5): 482–96. http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10408398.2010.547398.

De Vuyst, Luc, Andrea Comasio, and Simon Van Kerrebroeck. 2021. “Sourdough Production: Fermentation Strategies, Microbial Ecology, and Use of Non-Flour Ingredients.” Critical Reviews in Food Science and Nutrition 63(15): 2447–79. https://doi.org/10.1080/10408398.2021.1976100.

Zambonelli, Carlo, Tini, Giudici, and Grazia. 2001. MICROBIOLOGIA DEGLI ALIMENTI FERMENTATI. ed. Edagricole.

Redatto da Renato Iliano per I'm in fermentation