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Biofilm nell’industria agroalimentare

Le strategie di intervento per l’eliminazione del biofilm prevedono un adeguato programma di monitoraggio della sua presenza e trattamenti straordinari di sanificazione

Il biofilm è una pellicola viscosa che aderisce alle superfici destinate al contatto con gli alimenti. Esso si può sviluppare su sistemi di raffreddamento, tubazioni alimentari, strumenti chirurgici, filtri a membrana, superfici aperte. É composto da lieviti, batteri e polimeri organici (EPS: eso-poli-saccardi), ovvero conglomerati polimerici costituti essenzialmente di proteine, polisaccaridi, glicoproteine e acidi nucleici. La sua formazione è un fenomeno del tutto naturale che si realizza quando vi è la presenza di residui di sostanze nutrienti derivanti dagli alimenti che sono stati a contatto con le superfici interessate, soprattutto quelle più difficili da raggiungere nelle consuete procedure di pulizia e sanificazione.
La formazione di un biofilm passa attraverso cinque stadi:

  1. in origine alcune cellule planctoniche colonizzano la superficie;
  2.  nuove cellule aderiscono reversibilmente allo strato glicoproteico dei colonizzatori primari tramite cariche elettriche superficiali, forze di Van Der Waals e attrazioni elettrostatiche, con successivo potenziamento delle adesione (adesione irreversibile) e cattura di altre cellule planctoniche, colonizzatori secondari;
  3. accumulo di esopolisaccaridi con formazione della matrice polimerica amorfa (EPS o struttura a glicocalice);
  4. maturazione del biofilm;
  5. distacco di singole cellule in grado di colonizzare siti vicini per costituire nuovi biofilm.

Il biofilm è considerato una problematica di grande importanza, strettamente legata alle procedure di sanificazione, per diversi motivi tecnologici e di sicurezza alimentare:

  • costituisce un potenziale “serbatoio” di microrganismi alteranti e patogeni (soprattutto dei generi Pseudomonas, Staphylococcus, Enterobacter, Corynebacterium, Listeria monocytogenes, lieviti);
  • il distacco imprevedibile di cellule dal biofilm è causa di contaminazioni irregolari e incontrollabili durante la produzione;
  • la sua particolare struttura possiede una resistenza alla disinfezione;
  • la sua formazione genera una resistenza allo scorrimento dei fluidi e un aumento della rugosità delle superfici;
  • è in grado di compromettere le performance termiche di impianti (es.: scambiatori) e di filtrazione (nel caso di filtrazione a membrana) inficiando le rese;
  • favorisce la corrosione delle superfici (bio-corrosione).

Le procedure di sanificazione non devono sottovalutare questo pericolo e devono essere in grado di eliminare ogni residuo organico dalle superfici di lavoro e, qualora necessario, se già formato, eliminare il biofilm stesso. La detergenza classica non è la soluzione contro i biofilm perché l’efficacia idrolitica chimica dei detergenti comuni (alcalini) è molto limitata sugli esopolisaccaridi, e in più, come già accennato sopra, parte del principio attivo biocida nella fase di disinfezione viene neutralizzato dalla struttura stessa del biofilm.
L’eliminazione del biofilm è quindi un trattamento delicato che prevede l’utilizzo di sostanze come gli enzimi (miscele di questi), in grado di ridurre in frammenti i polimeri extracellulari di cui è formata la matrice polisaccaridica del biofilm stesso.

Gli enzimi
Ricordiamo che gli enzimi, detti anche “catalizzatori”, sono proteine che catalizzano, ovvero accelerano, processi biologici senza essere consumati all’interno della reazione. Sono prodotti su scala industriale per fermentazione (da batteri o da lieviti) e sono biodegradabili al 100%.
Gli enzimi utilizzati in detergenza sono proteasi, cellulasi, amilasi e lipasi, ciascuna con una azione specifica sia per tipo di molecola idrolizzata sia per punto di azione (“taglio”) della molecola stessa. L’azione detergente degli enzimi consente di trasformare in modo irreversibile la sostanza organica producendo residui organici più piccoli e solubili in acqua e, contrariamente ai detergenti classici che semplicemente spostano lo sporco che può tornare a depositarsi a valle su altre superfici o nelle canalizzazioni, i prodotti enzimatici trasformano lo sporco dove si trova e non ne permettono la ricomposizione.
Anche senza azione meccanica, impiegando gli stessi protocolli di detergenza dei formulati classici, gli enzimi lavorano facilitando la messa in opera e consentendo un risparmio di tempo notevole; l’azione enzimatica è attiva già a basse temperature consentendo un grosso risparmio di energia; l’enzima non è aggressivo sui materiali e sugli operatori, risultando quindi sicuro sul lavoro e sulle superfici; la risciacquabilità è ottima e quindi maggiore è il risparmio di acqua; infine, depurando in parte i reflui, consentono un risparmio nei trattamenti di depurazione a valle.

Vantaggi conseguenti all’eliminazione del biofilm
L’eradicazione del biofilm dalle linee di produzione garantisce vantaggi importanti da non sottovalutare. In particolare:

  • l’eliminazione del biofilm migliora il processo di produzione ed efficienza degli impianti: il ripristino di un corretto scambio di calore garantisce un efficiente trattamento termico del prodotto;
  • si preserva l’impianto di produzione eliminando una fonte di biocorrosione e sospendendo l’uso massivo e/o per tempi prolungati di agenti ossidanti che incidono su durata dell’impianto, costi, ambiente, utilizzo di sanificanti;
  • le produzioni risultano più sicure dal punto di vista microbiologico e nel contenuto di allergeni;
  • l’eliminazione del biofilm consente il miglioramento delle proprietà organolettiche dei prodotti grazie alla scomparsa di inquinamenti da parte di microrganismi psicrofili biofilmogeni responsabili di odori o sapori indesiderati (ad esempio sapore amaro in latte/formaggi), o di modifiche della consistenza e della struttura del prodotto nel tempo (coliformi, pseudomonadaceae e sporgenti facenti parte della flora biofilmogena sono responsabili di rigonfiamenti e proteolisi destrutturizzanti) o di colorazioni o pigmentazioni anomale (pseudomonadaceae, enterobacteriaceae).
    Tutto ciò si traduce in una riduzione consistente dei costi legati alle non conformità e a un aumento del gradimento da parte del consumatore e della GDO.

Applicazioni nell’industria
alimentare dei protocolli enzimatici per la rimozione dei biofilm
Oggi è possibile, grazie ad audit completi dei sistemi di produzione eseguiti da tecnici specializzati, mettere in evidenza la contaminazione delle superfici e degli impianti da biofilm fungini o microbici e valutare l’entità e la composizione della contaminazione tramite campionamenti pre, durante e post trattamento, poiché il detergente enzimatico consente l’analisi microbiologica della soluzione di lavaggio.
Grazie a test su terreni specifici i microrganismi biofilmogeni vengono rilevati immediatamente e identificati in seguito tramite analisi metagenomiche (PCR in primis).
Sono stati studiati vari casi di contaminazione da biofilm in produzioni dell’industria alimentare, in particolare nel settore lattiero caseario, in quello della ristorazione collettiva, nell’industria delle carni e dei salumi, nel settore ittico e in enologia, per valutare l’efficacia dei trattamenti specifici di rimozione dei biofilm.
L’utilizzo di un protocollo specifico di bonifica degli impianti di produzione per mezzo di un trattamento enzimatico specifico e successiva sanificazione secondo il protocollo brevettato dalla ditta REALCO (Biorem®) ha consentito l’eliminazione della contaminazione e la risoluzione del problema di non conformità saltuarie nei casi descritti qui di seguito.

Mozzarella blu e biofilm
Nel settore lattiero caseario fece molto scalpore qualche anno addietro il fenomeno della “mozzarella blu”, il cui responsabile risulta essere un batterio indicatore di scarsa igiene, Pseudomonas spp. I batteri del genere Pseudomonas sono in grado di provocare negli alimenti fenomeni alterativi importanti, inficiando la qualità e la shelf-life dei prodotti. Nel latte e nei suoi derivati le lipasi prodotte dal microorganismo possono causare la comparsa di sapore amaro e odori di rancido; le proteasi prodotte, invece, degradando le caseine, conferiscono un colore grigiastro, sapori anomali e gelificazione in prodotti UHT. Inoltre, a causa dell’attività metabolica, possono determinare difetti nella struttura del prodotto causando rammollimenti e colliquazioni, screpolature in croste e marciumi superficiali o profondi, colorazioni innaturali dovute alla produzione di pigmenti fluorescenti e/o colorati, piocianine e carotenoidi. Pseudomonas spp. ha tra gli habitat naturali anche l’acqua, è un microrganismo psicrotrofo (continua a duplicarsi seppure con una certa lentezza anche a temperature di piena refrigerazione) che può resistere al normale trattamento di clorazione dell’acqua potabile e che solitamente non viene ricercato nelle analisi routinarie di acqua potabile e alimenti perché non patogeno e solo saltuariamente implicato in casi di danni economico-commerciali legati agli alimenti. Esso però è in grado di formare biofilm e di rimanere a lungo e riprodursi lungo le linee di produzione.

Il caso del mascarpone
In una azienda di produzione lattiero-casearia alcuni casi di produzioni occasionali di mascarpone non conforme erano dovuti alla presenza di biofilm di Pseudomonas. Nonostante vari tentativi di risoluzione del problema da parte del produttore (aumento del numero e della durata dei lavaggi tradizionali soda/acido del CIP di interesse) e trattamenti periodici con peracetico, continuavano ad esserci produzioni non conformi. Durante l’audit specialistico per la rivelazione di biofilm erano stati analizzati campioni di acqua post lavaggio e i valori di carica microbica totale e ATPmetria si erano dimostrati ben al di sotto della soglia di pericolo. Tutto ciò confermava l’ipotesi della presenza di biofilm. Dopo il trattamento enzimatico di rimozione del biofilm gli stessi valori (CMT e ATP) nelle acque di risciacquo raggiungevano valori altissimi, a conferma dell’efficacia del trattamento stesso (disgregazione della matrice polisaccaridica del biofilm e liberazione delle cellule intrappolate in essa). A seguito del trattamento non vi sono state più produzioni non conformi legate alla presenza di biofilm.

Il caso del gelato
In una azienda di produzione di gelati si avevano produzioni occasionali non conformi di gelato a causa della presenza di enterobacteriaceae. Anche in questo caso è stato effettuato un audit di verifica della presenza di biofilm analizzando tutti i punti critici della produzione, ovvero maturatori, pastorizzatore, utensili, tubazioni di collegamento. Un trattamento adeguato di rimozione del biofilm ha consentito l’eliminazione del problema e la bonifica dell’impianto di produzione garantendo produzioni conformi.

Listeria monocytogenes in prosciutto crudo
Una azienda specializzata nella produzione di prosciutto crudo disossato aveva riscontrato problemi in seguito alla presenza saltuaria di Listeria monocytogenes, microorganismo patogeno tendenzialmente anaerobio, che vive e moltiplica più attivamente in assenza o carenza di ossigeno (per esempio negli alimenti confezionati in pellicola plastica sottovuoto). Listeria monocytogenes è psicrotrofo, quindi continua a duplicarsi anche a temperature di refrigerazione (2-4°C) aumentando così la probabilità di episodi di tossinfezione alimentare soprattutto per le categorie a rischio come i bambini, gli anziani, gli individui immunodepressi e le donne in gravidanza. L’audit iniziale condotto in azienda aveva fin da subito mostrato la presenza di biofilm sia sui banchi di lavorazione in teflon sia sui tamponi in acciaio e sugli stampi. In questo caso un trattamento di bonifica dell’impianto per mezzo del cocktail enzimatico specifico e successivo trattamento di disinfezione hanno permesso l’eliminazione completa del problema. Un trattamento settimanale di sanificazione delle superfici di contatto, per mezzo di detergenti enzimatici schiumogeni, ha evitato la ricontaminazione da biofilm e la presenza di Listeria monocytogenes.

Igiene delle camere bianche di affettamento salumi e carpacci
In questo caso la problematica era legata a produzioni saltuarie con non conformità microbiologiche. Il produttore aveva attuato dei tentativi di risoluzione del problema come per esempio una maggiore attenzione al prelavaggio delle linee con lance ad alta pressione con acqua calda per la rimozione dei residui di produzione grossolani; l’aumento della frequenza di smontaggio delle parti della linea per consentire un lavaggio in profondità (soprattuto del gruppo cinghioli); un lavaggio schiumogeno con formulato alcalino clorattivo e disinfezione con acido peracetico a concentrazioni superiori a quelle del protocollo standard. Nonostante ciò il problema continuava saltuariamente a ripresentarsi. Al lavaggio tradizionale (alcalino/acido/disinfezione) è stato aggiunto un lavaggio settimanale enzimatico e sono state condotte analisi microbiologiche delle soluzioni di lavaggio e delle superfici in pre-operativo, ATPmetria e test di rilevazione biofilm su punti di controllo specifici, raccogliendo i dati 2 volte a settimana per 2 mesi. I risultati hanno mostrato una diminuzione della contaminazione fino alla completa eradicazione del biofilm e controllo della sua formazione in 2-3 settimane di trattamento.

Linee di imbottigliamento in enologia
Nel settore enologico, seppure siano stati riscontrati raramente problemi microbiologici sui prodotti finiti grazie al basso pH e alla gradazione alcolica del vino, le conte microbiche e l’ATPmetria delle soluzioni di lavaggio enzimatico dimostrano che anche le linee di imbottigliamento sono spesso affette da contaminazione da biofilm. In questo caso un trattamento specifico di lavaggio con detergenti enzimatici per mezzo di schiumatura manuale è da preferire ai consueti sistemi di lavaggio automatici per consentire di raggiungere tutti i punti dell’imbottigliatrice.

* PhD, Tecnologa Alimentare-Consulente

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