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Alimenti probiotici: origini e nuove sfide
Tradizionalmente, gli alimenti probiotici appartengono alla categoria degli alimenti lattiero-caseari.
Questo li rende una categoria esclusiva, impedendone il consumo ai soggetti intolleranti al lattosio, allergici alle proteine del latte o ai soggetti che seguono diete ipocolesterolemiche, vegetariane o vegane.
Gli sforzi della ricerca convergono verso lo studio di matrici alimentari non lattiero-casearie come veicolo di microrganismi probiotici.
Le matrici plant-based, ricche in minerali, vitamine, antiossidanti e fibre, rappresentano una valida alternativa [4,5].
Il processo produttivo delle bevande probiotiche plant-based prevede l’addizione del probiotico e, in alcuni casi, una fase di fermentazione [5].
Il metabolismo attivo e la fermentazione determinano la produzione di metaboliti con alterazione delle proprietà sensoriali, il “probiotic off-flavor” [6].
Tuttavia, il consumatore non è disposto a dare priorità ai potenziali benefici per la salute rispetto agli attributi sensoriali [7].
Pertanto, una delle maggiori sfide nella formulazione di queste bevande è il controllo delle interazioni matrice-probiotico.
Recentemente, l’attenuazione è stata proposta come strategia tecnologica per la modulazione e/o il controllo delle performances dei probiotici negli alimenti [8].
Questo apre le porte verso nuove strategie di probioticazione e verso una nuova categoria di alimenti probiotici.
Gli ultrasuoni per ottenere probiotici attenuati
L’attenuazione metabolica, con particolare riferimento alla fermentazione, può essere ottenuta tramite trattamenti di natura fisica o chimica.
Indipendentemente dal tipo di trattamento, le cellule microbiche vengono sottoposte a condizioni di stress o a trattamenti sub-letali tali da attenuarne, modularne, il metabolismo.
Accanto all’induzione di un’alterazione metabolica, temporanea o permanente, altro obiettivo è la preservazione della vitalità [8] e delle proprietà funzionali che rendono il probiotico tale.
Nell’era delle tecnologie non-termiche, gli ultrasuoni rappresentano una possibile strategia per contrastare il fenomeno dell’acidificazione e dalla post-acidificazione nelle bevande probiotiche [9-12].
L’effetto della sonicazione sulle cellule microbiche dipende da parametri operativi (frequenza, potenza, modalità di emissione, tempo di esposizione), dal disegno sperimentale e dalle caratteristiche della cellula trattata [13].
Gli effetti biologici degli ultrasuoni sulle cellule microbiche possono essere categorizzati come stimolazione, inattivazione o distruzione e sono la conseguenza del fenomeno della cavitazione acustica.
La propagazione delle onde sonore in un mezzo liquido genera dei punti di alta e di bassa pressione, ossia zone di compressione e di espansione che causano la formazione e l’implosione di microbolle, dette bolle di cavitazione.
Al raggiungimento della dimensione massima, le bolle di cavitazione collassano generando reazioni a catena che danneggiano meccanicamente, termicamente e chimicamente la cellula microbica.
Le elevate forze di taglio e l’incremento localizzato della temperatura (hot spots) danneggiano la parete e la membrana cellulare; gli hot spots, a loro volta, generano radicali liberi che ossidano componenti extra e intracellulari [13,14].
Parete e membrana cellulare, funzionalità metabolica e integrità del materiale genetico sono i livelli in cui possiamo osservare e studiare il danno indotto dagli ultrasuoni.
Se da un lato la letalità della sonicazione sui microrganismi è stata ampiamente studiata, dall’altro le applicazioni come strategia di attenuazione sui probiotici sono limitate.
Cosa succede ai probiotici sonicati? Il caso studio
Questo è lo scenario in cui si inserisce un progetto di ricerca seguito presso il Dipartimento di Agraria dell’Università degli Studi di Napoli Federico II.
I probiotici più comuni appartengo al gruppo dei batteri lattici (Lactic Acid Bacteria, LAB) e specialmente al genere Lactobacillus, recentemente riorganizzato in 23 nuovi generi [3]. Il Lacticaseibacillus casei ATCC 393 è uno dei tanti ceppi probiotici esistenti, ampiamente utilizzato sia in integratori sia in applicazioni alimentari [15-17] e, pertanto, è stato scelto come probiotico modello per esplorare gli effetti della sonicazione.
Poiché l’obiettivo dello studio è quello di attenuare il metabolismo del probiotico, sono stati applicati due trattamenti di sonicazione blandi con bassa potenza (57 W), modalità di emissione pulsata (non continua) e ridotta esposizione (6 o 8 min).
Probiotici attenuati e metabolismo fermentativo
Le cellule, sonicate e non, sono state poste in condizioni ideali, inoculate nel loro terreno di crescita, l’MRS brodo, e incubate a 37 °C.
Il pH è stato monitorato dopo 6 e 24 h di incubazione.
I risultati ottenuti (Tab 1) hanno dimostrato un effetto di attenuazione temporaneo per il trattamento di 6 min (LC_S6).
Infatti, sebbene dopo 6 h di incubazione il probiotico sembrerebbe non in grado di fermentare, dopo 24 h, invece, si comporta in modo analogo al controllo.
Diversamente, il probiotico sonicato per 8 min (LC_S8) dopo 24 h di incubazione è in grado di fermentare, ma molto più lentamente.
Potenzialmente, la sonicazione altera la corretta funzionalità delle proteine coinvolte nel trasporto e nella metabolizzazione degli zuccheri risultando in una ridotta attività metabolica [13].
La coltivabilità dopo la sonicazione
Diluizioni decimali seriali e la tecnica della semina in piastra per spatolamento sono state utilizzate per valutare la coltivabilità.
I dati raccolti mostrano valori di riduzione della coltivabilità del probiotico sonicato direttamente proporzionali al tempo di esposizione (Tab 2).
La coltivabilità è la capacità di formare colonie su un terreno di coltura agarizzato.
Per secoli, la coltivabilità è stata usata come sinonimo di vitalità, ma non è sempre vero.
Esiste uno stato fisiologico indotto da condizioni di stress, come la sonicazione, in cui le cellule sono vive ma non coltivabili [18,19].
Con i test di coltivabilità la popolazione non coltivabile viene erroneamente considerata non vitale.
Quindi, sono necessarie ulteriori analisi per valutare correttamente la vitalità del L. casei post-sonicazione.
I probiotici presentano delle caratteristiche funzionali uniche.
Le proprietà adesive
L’adesione tra la superficie della cellula batterica e le cellule epiteliali intestinali favorisce le interazioni probiotico-ospite.
Ciò incrementa la persistenza nell’intestino e ne permette, quindi, la colonizzazione; per esempio la formazione di biofilm è uno dei meccanismi utilizzati dai probiotici per colonizzare l’intestino [20].
Nello studio, un test colorimetrico è stato utilizzato per capire l’effetto della sonicazione sulla formazione di biofilm, quindi sulle proprietà adesive.
Un’elevata intensità nel colore è stata positivamente correlata alla formazione di biofilm.
Nella Fig. 1 si può osservare come la sonicazione abbia stimolato la formazione di biofilm.
Una possibile spiegazione è l’alterazione della composizione della superficie cellulare e, quindi, della sua normale funzionalità.
Prospettive future dei probiotici attenuati
In conclusione, l’attenuazione del metabolismo fermentativo del probiotico L. casei ATCC 393 dipende dall’intensità del trattamento di sonicazione.
In particolare, l’incremento dell’intensità induce un’attenuazione più duratura e influenza positivamente la formazione di biofilm.
Tuttavia, causa anche una riduzione significativa della coltivabilità.
Nonostante i dati raccolti siano interessanti, è importante sottolineare alcune limitazioni dello studio.
I risultati ottenuti non possono essere generalizzati e dipendono in modo essenziale dal disegno sperimentale e dal ceppo trattato.
Quali proteine sono attivate o inibite?
Quali geni sono sovra-espressi o sotto-espressi?
Queste sono le domande a cui dobbiamo rispondere per una comprensione più dettagliata del fenomeno della sonicazione su cellule probiotiche.
Conclusioni
Il controllo delle performances microbiche è di grande interesse nel campo degli alimenti probiotici.
L’attenuazione mediante ultrasuoni è un promettente mezzo per la formulazione di bevande probiotiche con caratteristiche sensoriali stabili e maggior potenziale benefico grazie alle migliorate abilità adesive.
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Irene Giordano
Dottoranda in Food Science presso il Dipartimento di Agraria dell’Università degli Studi di Napoli Federico II. Incentra l’attività di ricerca sullo studio dei microrganismi probiotici e il loro metabolismo. Con il suo progetto di dottorato sta elaborando una strategia per il controllo del metabolismo microbico.
Gianluigi Mauriello
Professore Associato di Controllo microbiologico degli alimenti presso il Dipartimento di Agraria dell’Università degli Studi di Napoli Federico II. Svolge la sua attività di ricerca nell’ambito della sicurezza alimentare e delle attività metaboliche delle colture starter e non starter. Si occupa da alcuni di anni di sistemi innovativi per il controllo della crescita microbica negli alimenti.
