Formazione del microbioma negli alimenti fermentati 2/4 Selezione

Nel primo articolo su questo argomento, abbiamo introdotto la domanda: “cosa determina la formazione del microbioma negli alimenti fermentati?“. Ovvero, quali sono i fattori che determinano la composizione dell’ecosistema microbico che risulta alla fine del processo di fermentazione dell’alimento? Nello specifico questa domanda è fondamentale nelle fermentazioni spontanee, ovvero quello dove non si usa uno starter, perchè dobbiamo essere in grado di gestire la selezione dei microrganismi voluti.

Cosa modella la formazione del microbioma dei fermentati?

Come già accennato, questo articolo è il secondo di 4 articoli dedicati al tema. Basta cliccare sul tag, o qui, per leggere i 4 articoli man mano che li pubblicherò.

Formazione del microbioma dei fermentati

Se non l’hai già fatto, per comprendere appieno questo nuovo articolo, è fondamentale aver letto il primo, link QUI.

Nel primo scritto, abbiamo indicato un quadro (framework) che determina la formazione del microbioma degli alimenti fermentati e che consiste di 4 principali processi:

1. Dispersione
2. Selezione
3. Diversificazione
4. Deriva (drift)

Dopo aver analizzato il primo punto, qui vediamo la Selezione: che è la forza che determina la fitness dei microrganismi disponibili e modella l’abbondanza dei singoli ceppi. Prima di tutto cosa si intende per fitness? In ambito di selezione, la fitness è la capacità di un organismo ad essere idoneo all’ambiente in cui vive. Non si deve confondere con l’adattamento che è un concetto differente. Se un organismo non è idoneo, viene selezionato (in senso negativo) e quindi eliminato dall’ambiente.

L’ambiente crea una selezione, eliminando gli organismi non idonei fra quelli presenti

La selezione include il modo in cui sia l’ambiente abiotico che l’ambiente biotico (interazioni microbiche) possono influenzare l’idoneità delle singole specie e, in definitiva, modellare l’abbondanza delle specie all’interno delle comunità.

Perchè è così importante?
Il tipo di microrganismi che prolifererà e fermenterà l’alimento, determinerà il suo sapore, consistenza e metaboliti prodotti (i.e. aspetto nutrizionale migliorato). Se riesco a direzionare la formazione del microbioma dell’alimento fermentato, determinerò se sarà buono o cattivo da mangiare.
Questa forza selettiva può avvenire in diversi modi e attraverso differenti fattori. Vediamo nello specifico quali.

Selezione abiotica

Per selezione abiotica, si intendono tutte le forze, ovvero fattori, presenti nell’ambiente che incentivano la moltiplicazione di una specie rispetto ad un’altra. Si intendono fattori che non hanno a che fare con la vita, ovvero legate alla presenza di altri microrganismi o altre forme di vita. Fra le più comuni possiamo trovare ad esempio la temperatura, presenza/assenza di ossigeno e fattori simili.

Pre-fermentazione: origine degli alimenti

La selezione abiotica può avvenire anche in concomitanza della fase di produzione della materia prima, ovvero della verdura. Come visto nel primo articolo, in questa fase c’è anche una dispersione dei microrganismi, che si muovono dall’ambiente e finiscono sulla verdura stessa. Questa dispersione dipende dal pool di origine (ovvero i microrganismi presenti nell’ambiente) e la diffusione sulla verdura (ovvero lo spostamento). Ma una volta che i microrganismi si sono insidiati sulla verdura, inizia una fase di selezione che dipende da fattori abiotici che riguardano due fasi principali: la coltivazione e il trasporto.

Dopo che i microrganismi si sono insidiati sulla verdura devono moltiplicarsi

Nella coltivazione, esistono una grande quantità di fattori che agiscono come forza di selezione, fra cui l’uso di pesticidi, la quantità di acqua usata per irrigare, se gli ortaggi sono cresciuti sotto una tettoia o meno (quindi esposizione a UV) e molti altri fattori. Una volta raccolta, il microbiota della verdura subisce una nuova pressione selettiva: il packaging e trasporto. Il modo in cui viene confezionato e trasportato. Anche solo avvolgere un cavolo cappuccio in pellicola, piuttosto che metterlo in cassette di legno, influenzerà la formazione del microbioma degli alimenti fermentati. Il trasporto significa esporre la verdura a condizioni molto diverse da quelle di coltivazioni, fino a influenzare la sopravvivenza di alcuni ceppi rispetto ad altri.

Fortunatamente, questi fattori sembrano essere marginali sul risultato finale, ma non ne abbiamo la certezza, perché mai veramente studiati.

Durante la fermentazione

Durante il processo di fermentazione vero e proprio, è il momento in cui la selezione è al suo apice. In questa fase siamo noi che abbiamo la possibilità di creare delle pressioni selettive, in modo da modellare il microbioma dell’alimento a fine fermentazione. Se andiamo ad indagare vediamo che abbiamo diversi parametri facilmente gestibili. Io personalmente, nel mio percorso, ne ho individuati 9:

1. Nutrienti (natura dell’alimento). La composizione di un alimento è il fattore selettivo predominante nelle fermentazioni. Due cavolfiori fermenteranno in maniera più simile fra loro e in modo molto diverso da una carota, a prescindere da tutti gli altri fattori. In questo parametro ci includo anche la composizione degli ingredienti aggiunti, incluso sale e acqua.
2. Taglio. A seconda di come viene lavorata una verdura, si otterranno microrganismi diversi. Mi è capitato spesso che certi ortaggi, se tagliati in un certo modo, producessero poi determinati metaboliti, come polisaccaridi,  che non si riscontrano se si fermenta tagliando diversamente la verdura.
3. Ossigeno. La presenza o assenza di ossigeno ovviamente determina chi sopravvive e chi no. Esistono microrganismi anaerobi obbligati e facoltativi, che sono molto sensibili anche alla minima presenza di ossigeno e altri che invece se ne fregano.
4. Anidride carbonica. La concentrazione e l’accumulo di anidride carbonica è un fattore molto sottovalutato. L’anidride carbonica se rilasciata o accumulata, fino a raggiungere pressioni importanti, modella fortemente la composizione del microbioma, quindi il suo sapore! Se decidiamo di accumulare anidride carbonica nel vasetto e non sfiatarlo mai otteniamo un prodotto finale e comunità microbica, che saranno diversi rispetto a un vasetto regolarmente sfiatato. Personalmente, paragonando i risultati anche con analisi microbiologiche, ottengo risultati migliori (per le mie finalità) sfiatando il vasetto. Non c’è un giusto e sbagliato, ma approcci diversi per risultati differenti.
5. Salinità. La percentuale di sale aggiunta influenza fortemente la composizione microbica, certo bisogna saper calcolare bene il sale. Se non si è sicuri potete leggere un articolo dedicato, link QUI.
6. Tempo. Quanto tempo si lascia fermentare un alimento determina la sua composizione microbica. Esistono una moltitudine di studi che hanno analizzato l’avvicendamento di gruppi di microrganismi in varie fasi della fermentazione di un alimento. Il tempo è, ad esempio, legato al tempo di generazione, ovvero quanto ci mette un microrganismo a duplicarsi. Più è breve questo tempo, più in fretta colonizza l’alimento.
7. Temperatura. La temperatura influisce la fermentazione in tre modi. Influenza in primo luogo la cinetica della fermentazione, quindi quanto velocemente un alimento viene fermentato, influenzando poi a sua volta il tempo di fermentazione. In secondo luogo, determina la presenza/assenza di determinati ceppi che tollerano bene o male determinate temperature. Basti pensare alla produzione dello yogurt dove si deve tenere una temperatura intorno ai 40°C. Infine, la temperatura, quindi il calore e l’energia, determina anche se i microrganismi riescono o meno a portare avanti determinate trasformazioni. Lo stesso microrganismo potrebbe produrre metaboliti diversi a differenti temperature.
8. Acidità. Esistono microrganismi che mal tollerano l’acidità e altri che invece necessitano di un ambiente acido, anche estremo, per vivere, come gli acidofili obbligati. Possiamo decidere di creare un ambiente acido sin dal principio (e.g. aggiunta di succo di limone) o possiamo aspettare che l’ambiente diventi sempre più acido in funzione della proliferazione di batteri che producono acidi (e.g. acido lattico).
9. Materiale del contenitore. Il materiale del contenitore può fungere da starter, come succede per esempio con l’onggi nella produzione del kimchi (vedi qui l’articolo specifico), ma in questo caso specifico mi riferisco maggiormente a come la composizione influenza la composizione del microbioma. Può essere un’influenza diretta, ovvero il materiale usato potrebbe infastidire alcuni ceppi o favorirne altri. Se uso un contenitore di legno, questo rilascerà sicuramente delle sostanze che potrebbero essere utili al metabolismo di alcuni microrganismi piuttosto che altri. Infine, il materiale può influenzare indirettamente la composizione, isolando o meno i microrganismi da fattori ambientali (variazioni di temperatura o esposizione alla luce diretta).

Ci sono poi almeno altri 2 fattori, molto importanti, se non cruciali, che determinano fortemente la composizione del microbioma dell’alimento fermentato e il suo sapore. Questi parametri sono diventati il mio piccolo segreto nella produzione delle verdure fermentate in LIFe – Laboratorio Italiano Fermentati e rimarranno a lungo segreti. Questi fattori sono fortemente legati alle produzioni in scala, quindi risultano quasi ininfluenti nelle produzioni casalinghe.

Con l’esperienza riusciamo a individuare dei parametri sconosciuti prima, che ci permettono di creare produzioni uniche al mondo

Selezione biotica

La selezione biotica, al contrario di quella abiotica, si riferisce alle interazioni fra gli organismi viventi, in questo caso specifico fra i microrganismi. Semplificando, descrive come la presenza di un microrganismo può determinare la sopravvivenza degli altri.
Mentre i microrganismi si disperdono in un alimento fermentato e vengono selezionati dalle componenti abiotiche, la selezione biotica può svolgere un ruolo importante nel determinare vincitori e vinti all’interno dei microbiomi degli alimenti fermentati.

Questa pressione selettiva è molto poco studiata, ma molto importante. Infatti, le interazioni microbiche sono sempre più riconosciute come fattori importanti della composizione del microbioma e della qualità e sicurezza degli alimenti fermentati. La presenza e la proliferazione corretta di batteri “buoni”, impedisce la moltiplicazione dei patogeni.

La presenza di batteri buoni impedisce la proliferazione dei patogeni

Selezione biotica indiretta

Le interazioni indirette, sono quelle mediate dall’ambiente e si verificano quando una specie microbica altera l’ambiente in un modo che influisce sull’idoneità (fitness) delle specie microbiche vicine.

Immagina che i microbi siano come vicini di casa che, senza parlarsi direttamente, modificano il cortile in un modo che influisca sul modo di vivere. Questo è ciò che accade con le interazioni indirette. Non c’è uno scambio diretto di sostanze chimiche, ma un microrganismo fa qualcosa nell’ambiente (come produrre sostanze o crescere in modo particolare), che cambia le condizioni per gli altri microbi.

Due esempi molto diffusi negli alimenti fermentati sono modificare il pH dell’ambiente e la secrezione di enzimi extracellulari che decompongono il substrato alimentare, liberando nutrienti che possono essere utilizzati da altri microbi. Nella fermentazione lattica delle verdure, rendendo il pH acido, grazie alla produzione di acidi organici, alcuni batteri rendono inospitale l’ambiente per altri microrganismi (compresi i patogeni) con cui sono in competizione. Il secondo esempio è rappresentato dal koji: dove la proliferazione della muffa produce una grande quantità di enzimi che saranno utili a liberare nutrienti metabolizzati da altri microrganismi in fasi successive, vedi sake e miso.

Selezione biotica diretta

I microrganismi sono in grado di cambiare le condizioni dell’ambiente per renderlo inospitale per gli altri, ma hanno anche a disposizione una serie di “armi”, con le quali attaccare direttamente gli altri microrganismi.
Le interazioni dirette includono casi in cui un microrganismo produce un metabolita o un’altra sostanza che inibisce o promuove direttamente la crescita di una specie microbica vicina. In questo caso, l’effetto dell’interazione non è legato a cambiamenti nell’ambiente, perché la sostanza è prodotta direttamente dal microrganismo e agisce direttamente sui vicini.

Un esempio comune di questo è quando i batteri lattici producono le batteriocine, che danneggiano le membrane cellulari dei batteri nelle vicinanze. Si tratta di una sorta di “antibiotico naturale” che è di grande interesse per la comunità scientifica. Infatti, le batteriocine si sono dimostrate efficace sia contro i norovirus, leggi a questo link, e utili alleati per limitare lo sviluppo di antibiotico resistenza, leggi a questo link.

In conclusione, la selezione microbica nei prodotti fermentati è un processo complesso (ma va?!) che può essere influenzato in parte dall’ambiente in cui si fermenta e in parte può essere manipolato da chi gestisce la fermentazione.

Abbiamo analizzato la seconda parte della formazione del microbioma negli alimenti fermentati, che è forse quella più importante. Nel prossimo articolo parlerò di “Diversificazione” e i fattori che influenzano questa fase.