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 DEFINIZIONE DELLE SPECIFICHE TECNICHE DI SVILUPPO DELL’ATTREZZATURA PROTOTIPO PER LA CONCENTRAZIONE DI BIOMASSA MICROBICA DA ESTRATTO DI CASTAGNA Premesso che nell’ambito del progetto “Castagna di Montella: valorizzazione e innovazione tecnologica sostenibile della filiera”, finanziato con Programma di Sviluppo Rurale Campania Misura 124 “Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare e settore forestale”, era previsto da parte dell’azienda partner IPAFOOD, lo sviluppo e l’acquisto di attrezzature-­‐prototipo per un costo totale di E. 30.000, si definiscono nella presente relazione l’obiettivo realizzativo nel cui ambito si ravvede la necessità di sviluppare un protocollo produttivo su scala semi-­‐industriale, lo scopo che si intende perseguire con tale investimento e le specifiche tecniche che l’apparecchiatura dovrà possedere. L’obiettivo realizzativo nel cui ambito si rende necessario lo sviluppo ad hoc di un impianto per la valutazione su scala semi-­‐industriale di prodotti della ricerca è l’OR.3. “Ottimizzazione della tecnologia dei prodotti confezionati in vetro o in materiali alternativi”, in cui sono peraltro previste al punto 3.2. “Prove su impianto pilota e semi-­‐
industriale dei processi ottimizzati”. In particolare, l’obiettivo specifico era, in tale contesto, la formulazione di prodotti dolciari a base di castagna con ridotto contenuto in zuccheri semplici ed in grado di esercitare un maggiore appeal sul consumatore rispetto agli equivalenti prodotti tradizionali. www.locontenaturalimenti.it-­‐-­‐-­‐-­‐[email protected] Stato dell’arte Effetto protettivo dell’estratto da farina di “Castagna di Montella” su ceppi afferenti al genere Lactobacillus spp. durante l’esposizione a succo gastrico simulato. Nel corso di una indagine svolta presso le strutture del Dipartimento di Scienza degli Alimenti era stato valutato il potenziale contributo di componenti chimici della “Castagna di Montella” nella protezione di ceppi probiotici, o potenzialmente tali, durante il transito gastro-­‐intestinale. Tale indagine ha sorprendentemente consentito di individuare, nell’estratto acquoso ottenuto da farina di castagna, un eccellente vettore per la veicolazione di lattobacilli probiotici, in grado di garantire una inalterata vitalità durante 180 min di esposizione al succo gastrico simulato. In collaborazione con il gruppo del prof. Aldo Di Luccia dell’Università degli Studi di Foggia è stato individuato in un piccolo peptide anfipatico, presente da uno screening preliminare nel solo estratto di farina di “Castagna di Montella”, il componente chimico responsabile dell’effetto gastro-­‐protettivo evidenziato. Due ceppi, entrambi afferenti al genere Lactobacillus spp., erano stati selezionati per il prosieguo delle attività; segnatamente il ceppo Lb. rhamnosus LbGG appartenente all’American Type Culture Collection (ATCC) con riconosciuta attività probiotica e Lb. rhamnosus RBM526, proveniente da Parmigiano reggiano e in possesso di requisiti di probioticità, così come desumibili da test in vivo. Effetto termo-­‐protettivo dell’estratto da farina di “Castagna di Montella” su ceppi afferenti al genere Lactobacillus spp. durante l’essiccazione a mezzo spray drying Preliminarmente, alla gestione di qualsivoglia ipotesi applicativa, si è reso necessario individuare condizioni operative per la gestione dei ceppi microbici selezionati in forma anidra, onde poter sviluppare un prodotto che non necessitasse della catena del freddo per la distribuzione e commercializzazione. www.locontenaturalimenti.it-­‐-­‐-­‐-­‐[email protected] Nel prosieguo delle attività progettuali, l’estratto da farina di castagna era stato valutato come protettivo nei confronti dell’esposizione dei ceppi microbici a temperature elevate durante il processo di essiccazione spray drying. L’estratto di castagna, sulla scorta dei risultati ottenuti, si è altresì rivelato un ottimo termo-­‐protettore. I parametri termici risultati ottimali sono 140°C temperatura di inlet, 65°C temperatura di outlet, 4.5-­‐5o bar/min pressione. Tale combinazione è risultata in grado di garantire, immediatamente dopo il processo le migliori performances in termini di vitalità cellulare: le polveri ottenute coltivando i ceppi in MRS ed essiccando le cellule risospese in estratto di castagne hanno dimostrato di possedere oltre 1011 cellule vive e vitali per grammo di sostanza secca, delle quali almeno 1010 con membrana integra. La scelta di una temperatura di inlet più elevata trova giustificazione nella migliore qualità delle polveri ottenute: abbassando, infatti, l’inlet a 130°C si registra un diffuso fenomeno di caramellizzazione delle polveri all’interno del ciclone, fenomeno imputabile alla maggiore concentrazione di acqua trattenuta dalle stesse (42.4%). Tale fattore si era peraltro rivelato pregiudizievole per la vitalità cellulare dei ceppi nella fase di stoccaggio delle polveri. Le cellule essiccate in estratto di castagna, conservavano, inoltre, la tolleranza al succo gastrico, ponendo le basi per la produzione di un alimento in grado di coniugare gli effetti probiotici di Lb. rhamnosus GG con la particolare composizione nutrizionale della castagna. Sviluppo di un protocollo produttivo per “Mousse probiotica alla castagna” Lo sviluppo, presso l’azienda partner IPAFOOD, di una mousse a base di farina di castagne con preparazione a freddo, ha consentito di ottenere un alimento in grado di preservare i batteri probiotici inoculati come essiccati in estratto di castagna. Al fine di garantire una shelf-­‐life più lunga possibile, evitando la catena del freddo, si è pensato di offrire una formulazione in polvere da reidratare solo al momento del consumo. Lo scopo perseguito è stato dunque lo sviluppo di tre prodotti in parallelo: 1.
mousse di castagna “simbiotica”: probiotica (aggiunta Lb. rhamnosus GG) e prebiotica (naturale presenza di amido resistente); www.locontenaturalimenti.it-­‐-­‐-­‐-­‐[email protected] 2.
mousse di castagna “funzionale”: aggiunta di Lb. rhamnosus RBM526, oltre che naturale presenza di amido resistente ma anche MUFA e PUFA, GABA etc nella farina di castagne. 3.
mousse di castagna “classica”, nessuna aggiunta di batteri lattici, ma benefici per l’organismo umano legati in ogni caso all’ingestione di amido resistente, MUFA, PUFA, GABA etc. Alla base anidra, i ceppi venivano aggiunti in forma essiccata nella percentuale dell’ 1%. Sulla scorta delle evidenze sperimentali, ciascuna tipologia di mousse alla castagna funzionale doveva ritenersi in grado di veicolare almeno 108 UFC g-­‐1 valore ben superiore a quello abitualmente raccomandato affinché prodotti probiotici possano esplicare sull’organismo umano la propria azione benefica e pari 6 Log UFC mL-­‐1 (Laurens-­‐Hattingh e Viljoen, 2001). Inoltre, il preparato per mousse non ha mostrato di condizionare la tolleranza dei ceppi nei confronti del tratto gastro intestinale. Dopo monitoraggio dei principali gruppi microbici (carica microbica totale, Enterobacteriaceae, stafilococchi coagulasi positivi, lieviti e muffe e Salmonella spp.) e valutazione della vitalità del ceppo probiotico ad inizio, durante e fine conservazione, si è fissato un TMC di circa 8 mesi. www.locontenaturalimenti.it-­‐-­‐-­‐-­‐[email protected] Criticità nel trasferimento delle acquisizioni su scala pre-­‐competitiva Lo sviluppo di un preparato anidro per mousse a base di farina di castagna arricchito con microrganismi probiotici o potenzialmente tali, ha rappresentato una interessante ricaduta applicativa delle acquisizioni maturate in fase sperimentale. Inoltre, il pregevole impatto sensoriale delle mousse prodotte ha indotto a ritenere auspicabile trasferimento in fase industriale dei prototipi realizzati. Tuttavia nel passare su scala precompetitiva, si presenta il problema di massimizzare le rese in termini di biomassa prodotta. Come ampiamente discusso, gli esperimenti condotti in via preliminare hanno consentito di individuare le migliori condizioni per l’essiccazione a mezzo spray dryer di entrambi i ceppi oggetto di analisi. In sintesi, si è optato, quale soluzione ottimale, la coltivazione dei ceppi in substrato semi-­‐sintetico (MRS) sino al raggiungimento della fase stazionaria di crescita e, previa centrifugazione, la risospensione delle cellule raccolte in estratto di castagna. Con questa procedura, da 1 Lt di brodocoltura, si ottengono, previa risospensione in estratto di castagna e essiccazione spray drying, circa 5 g di polveri, ovvero un quantitativo sufficiente per la preparazione di 500 g di mousse anidra. Se i ceppi vengono allevati direttamente in estratto di castagna, i parametri termici da adottare per l’essiccazione restano i medesimi, tuttavia la resa in termini di vitalità microbica è minore e pari a circa oltre 109 cellule/g, e pertanto circa due decadi inferiore nella base anidra per mousse (107 cellule/g). Inoltre permane il problema della modesta resa in termini di biomassa, rimanendo tale valore comunque pari al 5‰. Riepilogo indicazioni scientifiche 1. L’estratto acquoso ottenuto da farina di castagna, contiene un piccolo peptide anfipatico, presente con effetto protettivo su ceppi di Lactobacillus rhamnosus durante il transito gastrico simulato. www.locontenaturalimenti.it-­‐-­‐-­‐-­‐[email protected] 2. La proteina è fortemente idrosolubile: sono sufficienti 20 min di miscelazione in acqua della farina di castagna. 3. La proteina è fortemente termostabile: tollera un trattamento a 80°C per 20 min. seguiti sa trattamento di sterilizzazione in autoclave (121°C per 15 min., 1 Atm sovrappressione). 4. L’estratto da farina di castagna presenta effetto protettivo sui ceppi microbici durante il processo di essiccazione spray drying (140°C temperatura di inlet, 65°C temperatura di outlet, 4.5-­‐5o bar/min pressione). 5. Le cellule essiccate in estratto di castagna, conservavano tolleranza al succo gastrico. Riepilogo obiettivi tecnici 1. Sostituzione del substrato semi-­‐sintetico per la coltivazione dei ceppi microbici con un brodo di coltura a base di farina di castagna. 2. Aumento della resa in polveri dopo spray drying, attualmente pari a 5 g circa a parità di una vitalità microbica. 3. Trasferimento su impianto pilota dei prodotti della ricerca. Sulla scorta di tali considerazioni, si ritiene dunque indispensabile definire un protocollo idoneo ad aumentare le rese in termini di biomassa dopo essiccazione, e ad aumentare contestualmente il livello di popolazione massima raggiungibile con la coltivazione dei ceppi direttamente in substrato naturale a base di castagna. Portici, 12 aprile 2011. In fede M. Aponte www.locontenaturalimenti.it-­‐-­‐-­‐-­‐[email protected]