I microrganismi della birra

LA BIRRA E’ TRA LE BEVANDE PIU’ DIFFUSE AL MONDO ED E’ LA PRIMA AD

ESSERE CONSUMATA TRA QUELLE ALCOLICHE.

LA BIRRA, PER DEFINIZIONE E ’ IL “ PRODOTTO OTTENUTO DALLA

FERMENTAZIONE ALCOLICA CON CEPPI DI SACCHAROMYCES DI UN MOSTO

PREPARATO CON MALTO, ANCHE TORREFATTO, DI ORZO O DI FRUMENTO O

DI LORO MISCELE E ACQUA AMARICATO CON LUPPOLO O I SUOI DERIVATI

O CON ENTRAMBI” (D.P.R. n° 272 DEL 30/06/98).

E’ CONSENTITO INTEGRARE LA FERMENTAZIONE ALCOLICA CON QUELLA

LATTICA (Lg. N° 141 DEL 17/04/89).

CLASSIFICAZIONE DELLA BIRRA

TIPO DI BIRRA GRADO ALCOLICO GRADO

SACCAROMETRICO

ANALCOLICA < 1,2 3-8

LEGGERA/LIGHT 1,2-3,5 5-10,5

NORMALE >3,5 >10,5

SPECIALE SENZA LIMITE >12,5

DOPPIO MALTO SENZA LIMITE >14,5

FONTE: ART. 2 DEL D.P.R. n° 272

COMPOSIZIONE MEDIA DELLA BIRRA

• ACQUA: 91%

• PROTEINE: 0.2%;

• CARBOIDRATI: 3,5%

• LIPIDI: 0%

• ALCOL: 2-9%;

• CO2: 0,3-0,4%;

Acqua

• Potabile, privata del cloro

• Bassa durezza, basso contenuto di bicarbonati (la

loro presenza durante l’ammostamento dà un colore

scuro e sapore amaro)

• pH inferiore alla neutralità

• Con corretta composizione in microelementi (basso

livello di Fe, Mg, nitrati, presenza di Ca)

• In generale trattata con resine a scambio ionico

prima del processo

Orzo

• Vengono usati prevalentemente orzi distici (Hordeum disticum): alta resa, più idonei alla maltazione, migliore qualità della birra. In alcuni paesi si usano orzi esastici invernali.

• Distico: quando vengono resi fertili 2 fiori

che danno vita sui nodi a 2 cicchi.

• Tetrastico: quando vengono resi fertili 4

fiori che danno vita a 4 cicchi.

• Esastico: quando vengono resi fertili 6 fiori

che danno vita a 6 cicchi.

Caratteristiche dell’orzo

• Varietà: si devono usare varietà pure, appositamente selezionate;

• Umidità: deve essere inferiore al 16%, altrimenti il prodotto é poco

conservabile;

• Capacità di germinazione e potere germinativo (percentuale di semi in

grado di germinare fra 3 e 5 giorni in condizioni naturali): devono essere

alte e comunque superiori al 96%.

• Dimensioni delle cariossidi: la percentuale di semi di dimensioni superiori

a 2,5 cm deve essere quanto più alta é possibile.

• Contenuto in proteine: deve essere il più basso possibile perché le proteine

riducono la resa in estratto e diminuiscono la stabilità

Composizione dell’orzo (%DM)

Componente %

Amido 63

Zuccheri 2

Pentosani 9

Cellulosa 5

Proteine 11

Grassi 2,5

Minerali 2,6

Altro 4,9

Ecologia microbica dell’orzo

La diversità e la struttura dell’ecosistema microbico dell’orzo sono influenzate da molti

fattori:

• Cultivar

• Clima

• Tipo di suolo

• Pratiche agricole

• Durata e le modalità di conservazione e di trasporto.

Orzo, frumento e cereali in genere, coltivati in diverse aree geografiche hanno comunità

microbiche differenti.

La composizione della comunità microbica cambia in seguito anche alle operazioni di

post-raccolta (rimozione o aggiunta nel corso delle varie fasi di trasformazione).

• In campo, le cariossidi sono colonizzate dai microrganismi subito dopo la spigatura

all’interno delle foglie-guaine avvolgenti (vento, pioggia, insetti, uccelli e le pratiche

agricole li diffondono per tutta la stagione di crescita).

• Nella fase di riempimento della cariosside, la colonizzazione microbica è limitata

all’esterno, tra pericarpo ed epidermide esterna.

• In cariossidi sane, il tegumento ostacola la crescita dei microrganismi nell'embrione.

• Se il tegumento è lesionato, l’endosperma può essere colonizzato da funghi filamentosi

fitopatogeni, come il genere Fusarium.

La cariosside ospita una vasta gamma di microrganismi comprese numerose specie di

batteri Gram- e Gram +, lieviti e funghi filamentosi.

La cariosside è composta da tre parti principali:

• Embrione

• Endosperma

• Tegumento.

I diversi strati presenti nel rivestimento agiscono come vettori di microrganismi

Dominano numericamente

la comunità microbica

presente nella cariosside in

campo (106 cell/gr).

Abbondanti nella fase di

pre-raccolta

Persistono in tutte le fasi di

maturazione della cariosside.

Possono essere divisi in due

gruppi ecologici: funghi

presenti in campo e

funghi che si sviluppano nel

corso della conservazione dei

cereali e del malto.

Alcune specie sono produttori di micotossine di cui alcune particolarmente pericolose per

l’uomo.

Tra i funghi di campo più comuni e diffusi generi come Alternaria, Cladosporium, Epicoccum,

Fusarium, ecc.,

• le condizioni di conservazione (temperatura, umidità e aerazione)

• la percentuale di umidità delle cariossidi in fase di raccolta (13%-14%).

Aspergillus e Penicillium sono i funghi maggiormente isolati nell’ambiente di conservazione,

(presenti come contaminati ambientali nella polvere, nell'aria, sulle superfici dei mezzi di

raccolta o attrezzature).

Funghi Filamentosi

• Il metabolismo microbico provoca variazioni nella composizione di carboidrati, lipidi e

proteine della cariosside e può quindi portare ad una scarsa qualità del malto e della

birra.

• La degradazione incontrollata di tali componenti provoca decolorazione delle

cariossidi e la formazione di off-flauvor e off-colours.

• Pseudomonas spp., i LAB, Enterobacteriaceae (Laitila et al., 2007) e alcuni lieviti

sono in grado di formare biofilm e producono polisaccaridi extracellulari (EPS).

Impatto dei microrganismi sulla qualità del malto e della birra

La flocculazione prematura

La flocculazione prematura del lievito in fermentazione (Premature Yeast Flocculation

PYF) è un problema associato alla cattiva qualità microbiologica del malto.

Questa causa un blocco della fermentazione e un cattivo sapore della birra prodotta,

poiché il lievito, depositandosi anticipatamente sul fondo della vasca di fermentazione,

lascia nella birra un residuo zuccherino elevato.

Le Micotossine

Sono state caratterizate circa 300 micotossine e tra queste le fusariotossine

prodotte dal genere Fusarium sono quelle di maggior interesse

La formazione delle micotossine è strettamente connessa alla crescita

fungina anche se la presenza di funghi tossigeni in un alimento non indica

necessariamente presenza di micotossine.

Le micotossine possono persistere per lungo tempo dopo la morte del fungo

che le ha prodotte. Pertanto, l’assenza di micelio non è indice dell’assenza di

micotossine. Le micotossine sono composti stabili termoresistenti e si

possono ritrovare nel prodotto finito.

Luppolo

• Humulus lupulus

• Pianta perenne, rampicante

• Si usano solo le infiorescenze prodotte

dalle piante femminili

• Le varietà vengono classificate in

aromatizzanti (ricche di olii essenziali:

humulene, mircene, cariofillene,

farnesene) e amaricanti (ricche di resine

amare, - e acidi)

• Viene usato prevalentemente sotto forma

di estratti e pellet

• Molto sensibile all’ossidazione

• Azione antimicrobica

Gli acidi nel luppolo

• Gli -acidi (umulone, coumulone e adumulone) sono la componente più abbondante e la loro quantità viene misurata.

• I -acidi (lupulone, colupulone e adlupulone) conferiscono amaro durante la maturazione della irra in seguito ad ossidazione

-acidi

Maltazione

• Obiettivi: produzione di

enzimi proteolitici ed

amilolitici, maggiore facilità

di lavorazione,

condizionamento di colore e

profilo aromatico

• Fasi:

– A. Bagnatura

– B. Germinazione

– C. Essiccazione

Bagnatura (steeping)

• Serve a portare l’umidità da 12% a 44-46%, per immersioni ripetute alternate a soste in aria. Temperatura fra 12 (T inf. causano ridotta germinazione) e 18°C (T superiori causano eccessiva respirazione).

• 12-14 °C per limitare la crescita microbica.

• Il consumo di acqua è fino a 2,5-3,4 mc per ton di orzo,

Germinazione

• La germinazione viene condotta in germinatoi cilindrici o

rettangolari, con fondo perforato, sul fondo del quale passano le

condotte dell’aria

• L’orzo viene stratificato in strati alti 1-2 m, con periodiche

agitazioni (ogni 12-24 h) con appositi agitatori elicoidali.

• L’aria deve avere la temperatura adatta (deve essere raffreddata in

estate) e deve essere opportunamente umidificata e la CO2 deve

essere rimossa per aspirazione.

5-7 gg a 12-13°C

Con l’avvio della germinazione, l’embrione attiva il suo metabolismo e produce

ormoni della crescita, che inducono l’attivazione della biosintesi di enzimi

proteolitici, emicellulosolitici e idrolitici.

Per indurre la formazione di questi enzimi, la temperatura negli ambienti di

germinazione aumenta lentamente da 16 a 30 °C nell’arco di 24-25 ore. Gli enzimi

proteolitici solubilizzano le proteine quali l’albumina e la globulina, producendo

peptoni e aminoacidi.

Gli enzimi emicellulosolitici liberano le amilasi che iniziano a idrolizzare l’amido

in maltodestrine e maltosio; tuttavia la degradazione dell’amido in questa fase

avviene in misura minima.

I semi sono poi asciugati a 50 °C per 12 ore per prevenire l’inattivazione degli

enzimi.

La germinazione è una fase critica del processo di produzione: la percentuale

minima richiesta di germinazione è del 95%.

Germinazione

In sintesi

• vengono parzialmente decomposte le pareti cellulari e si liberano una serie di enzimi (α-amilasi, β-amilasi, maltasi, proteasi, β-glucanasi) per liberare l’amido dalla matrice dei granuli e a degradarlo, oltre a proteine ed aminoacidi.

• L’intensità del processo può essere controllato da:

– Tempo 7-8 gg;

– temperatura in genere 12-17°C;

– Umidità ottimale é 44-50%.

• Il prodotto finale è il malto verde

• Effettuata ad alte temperature

• Ha lo scopo di preservare gli enzimi formatisi durante la germinazione

• Serve a produrre diverse tipologie di malto per colore e aroma, a seconda della

temperatura utilizzata.

Le principali trasformazioni alle quali è soggetto l’orzo nel corso della maltazione

avvengono a carico delle proteine e dell’amido.

La produzione del malto è un processo complesso che coinvolge una vasta

gamma di reazioni biochimiche e fisiologiche.

L'obiettivo principale della maltazione è quello di produrre enzimi idrolitici

capaci di liberare composti solubili quali proteine, lipidi e carboidrati.

Alla fine della maltazione la composizione fisica, biochimica e microbiologica

è completamente modificata.

Essicazione

Torrefazione • Obiettivi:

– Aumentare la conservabilità riducendo l’umidità al 4% ca.

– Bloccare l’azione degli enzimi inattivandone il meno possibile

– Conferire colore, sapore e aroma

• Riscaldamento graduale con aria a 50°C fino ad un’umidità del 25%, poi trattamento con aria a 70°C, trattamenti finali variabili per i diversi tipi di malto (temperature + alte = colore + scuro)

Il processo produttivo

• Macinazione: del malto torrefatto per ottenere

la farina che verrà usata nelle operazioni

successive.

• Ammostamento: può avvenire per infusione o decozione per estrarre le sostanze solubili : – Degradazione dell’amido e idrolisi del maltosio

– Degradazione delle gomme e delle proteine

• I parametri più importanti sono: – -tempo

– -temperatura

– -concentrazione del mosto.

Enzimi e ammostamento ENZIMI RESPONSABILI DELL’IDROLISI DELL’AMIDO E ALTRI ZUCCHERI DURANTE

L’AMMOSTAMENTO

ENZIMI TEMPERATURA

OTTIMALE

pH

OTTIMALE

TEMPERATURA

DI

INATTIVAZIONE

SITO

DI

ROTTURA

PRODOTTI

β-AMILASI

60-65°C

5,4-5,6

70°C

LEGAME

α-1→ 4 A PARTIRE

DALL’ESTREMITA’

MALTOSIO

α-AMILASI

70-75°C

5,6-5,8

80°C

LEGAME

α-1→ 4 A PARTIRE

DALL’INTERNO

DELLA CATENA

DESTRINE

DESTRINASI

LIMITE

55-60°C 5,1 65°C LEGAME

α-1→ 6

DESTRINE

MALTASI 35-40°C 6,0 40°C MALTOSIO GLUCOSIO

INVERTASI 50°C 5,5 55°C SACCAROSIO GLUCOSIO+

FRUTTOSIO

Glucanasi 40-50°C 4,8-5,0 - - Degradazione

delle gomme

Enzimi

proteolitici

50-60°C 4,5-4,7 - - Formzione di

peptidi

Filtrazione, luppolamento

• Il mosto viene trasferito in tini di decantazione

o filtrato

• Luppolamento: aggiunte variabili da 150-180

g/hl per le birre normali, fino a 300-450 g/hl

per le birre da esportazione e quantità

inferiori per le birre scure.

Cottura • Durata 1-2 h temperature variabili con i tipi di

birra

• Funzioni: – Dissoluzione e isomerizzazione delle sostanze amare

– Coagulazione delle proteine: l’obiettivo é ottenere non più di 20 ml/l di proteine.

– Eliminazione di sostanze aromatiche indesiderabili

– Concentrazione del mosto

– Formazione di sostanze riducenti ed aromatiche: derivate dalla reazione di composti carbonilici, zuccheri ed aminoacidi.

– Inattivazione di enzimi

– Sterilizzazione del mosto

Chiarificazione e raffreddamento

• I complessi (trub a caldo) formati per reazione fra i polifenoli del luppolo e le proteine vengono eliminati in un whirpool, serbatoio cilindrico in cui il mosto viene introdotto tangenzialmente ad alta velocità

• Il mosto chiarificato viene raffreddato con scambiatori di calore a 8-15°C per la bassa fermentazione o 15-18°C per l’alta fermentazione

Fermentazione primaria

• Inoculo di almeno 1x106 cellule per °P (Plato)

• Durata 2-10 gg (più breve per l’alta fermentazione)

• Dopo 6-12 ore inizio fase tumultuosa con formazione di schiume bianche (Krausen)

• Necessità di controllo della temperatura

Lieviti birrai

I Saccharomyces birrari vengono comunemente distinti in lieviti:

• a “alta fermentazione” (top yeast) appartenenti alla specie Saccharomyces

cerevisiae,

• a “bassa fermentazione ” (bottom yeast) ascritti alla specie Saccharomyces

pastorianus, sinonimo di Saccharomyces carlsbergensis.

• I termini “alta fermentazione ” e “bassa fermentazione ” fanno riferimento alla

temperatura alla quale avviene il processo e alla capacità del lievito di flocculare a

fine fermentazione.

• I S. cerevisiae trasformano il mosto di malto in birra a temperature relativamente

elevate, comprese tra i 18 e i 25°C e tendono a rimanere in sospensione nel mosto

in fermentazione.

• I S. pastorianus, al contrario, fermentano a temperature decisamente inferiori,

comprese tra 5 e 15°C e sedimentano sul fondo del fermentatore.

Produzione di aromi

La produzione di aromi è strettamente dipendente:

• dalla composizione del mosto

• dalle condizioni di fermentazione

• dal lievito utilizzato.

Elevate concentrazioni di saccarosio determinano un aumento nella produzione di

alcoli superiori mentre l’aggiunta di sciroppo di maltosio causa una riduzione nella

produzione di esteri dell’acetato.

I prodotti sintetizzati dal lievito nel corso della fermentazione, a parte etanolo e

CO2, quelli che hanno maggiore impatto sull’aroma della birra sono:

• gli alcoli superiori

• gli esteri

• i composti solforati

• gli acidi grassi

• gli acidi organici

• i composti carbonilici

• i dichetoni vicinali

Produzione di aromi Alcoli superiori:

• Noti come “olio di fusello”, sono tra i più importanti composti aromatici della

birra.

• I lieviti birrari si differenziano per qualità e quantità di alcoli superiori

prodotti. In generale questi alcoli sono prodotti in concentrazioni inferiori alla

soglia di percezione ma la concentrazione di alcol isoamilico (aroma di

banana) e 2-feniletanolo (aroma di rose) può facilmente superare la soglia di

percezione nelle birre lager.

Esteri volatili:

• Composti aromatici caratterizzati da soglie di percezione molto basse.

• Anche se prodotti in tracce possono influire marcatamente sull’aroma della

birra e in concentrazioni eccessive possono conferire un gusto amaro o

eccessivamente fruttato. • Gli esteri di maggiore interesse per l’industria birraria sono l’acetato di etile,

l’acetato di isoamile, l’acetato di isobutile, l’acetato di feniletile (tra gli esteri

dell’acetato) e l’esanoato di etile e l’ottanoato di etile (tra gli esteri degli acidi

grassi a media catena).

Composti solforati:

• Idrogeno solforato, solfito, solfuro dimetile e metionale.

• La loro produzione è fortemente influenzata dall’attività del lievito, dalla composizione

del mosto e dalla disponibilità di precursori.

• In generale i composti solforati si considerano responsabili di aromi sgradevoli, tuttavia

se presenti in tracce possono contribuire all’aroma tipico delle birre lager.

• L’idrogeno solforato, che deriva dal metabolismo di aminoacidi e vitamine, ha una soglia

di percezione molto bassa (5-10 μg/L) e, a concentrazioni superiori, impartisce alla birra

odori descritti come di cipolla, vegetali marci, cavolo e altri.

Produzione di aromi

Acidi organici:

• possono essere prodotti dai lieviti o derivare dal malto e dalle materie prime impiegate in

birrificazione.

• Vi si attribuisce generalmente sapore “acido” o “salato” anche se alcuni di essi hanno

sapori o aromi caratteristici.

Aldeidi e i dichetoni vicinali:

• Sono composti indesiderabili nella birra.

• L’acetaldeide conferisce aroma di “erba” che ricorda la mela verde e il sidro e può

superare la soglia di percezione in caso di eccessiva ossigenazione del mosto.

Stagionatura della birra

• A 0-2°C (14 gg - 2 mesi) per le birre di bassa

fermentazione o 8-10°C (qualche settimana) per

quelle di alta fermentazione

• Durante la stagionatura

– Precipitazione composti tanno-proteici e lievito

– Affinamento del gusto

– Diminuzione dell’amaro

Stabilizzazione e confezionamento

• Filtrazione

• Trattamento con polivinilpirrolidone o bentonite per rimuovere composti tanno-proteici

• Eventuale filtrazione sterilizzante

• Confezionamento in fusti, lattine o bottiglie

• Ptorizzazione in continuo (prima del confezionamento) o a piogga (dopo il confezionamento, con trattamento equivalete a 60°C per 20-22 min.

Il processo produttivo

Macinazione

Ammostamento

Chiarificazione

Cottura e luppolamento

Fermentazione Maturazione

Filtrazione

Confezionamento

Microbiota del malting and brewing

Fermentazione principale e maturazione

Microbiology and Molecular Biology, 77, 157-172, 2013

La Storia

• Circa 6000 anni fa, presso i SUMERI

• Durante il medioevo si produce la birra tipo ale, processo condotto da S. cerevisiae.

• La birra lager nasce nel 15mo secolo in BAVIERA, con grande successo nel tempo

Cronologia

• Nel 1838 il nome Saccharomyces fu proposto da Mayer

• Nel 1883 Emile Christian Hansen isola Saccharomyces cerevisiae

• Dal 1883 al 1965 41 specie di Saccharomyces

• Nel 1985 il gruppo di Saccharomyces noto come “sensu stricto” : S. cerevisiae, S. bayanus, S. paradoxus e S. pastorianus

Regno Fungi

Phylum Ascomycota

Sottodivisione Saccharomycotina

Classe Saccharomycetes

Ordine Saccharomycetales

Famiglia Saccharomycetaceae

Genere Saccharomyces

Nel 1870, Reess distinse due gruppi:

• Saccharomyces ellipsoideus (ceppi in grado di fermentare succhi di frutta)

• S. cerevisiae (ceppi provenienti dalla birra).

1998: Kurtzman e Fell distinsero 14 specie suddividendole in:

• Saccharomyces sensu stricto

• Saccharomyces sensu lato

Kurtzman et al. (2011)

distinse 8 specie

biologiche:

S. arboricolus, S.

cariocanus, S.

paradoxus, S. cerevisiae,

S. mikatae, S.

kudriavzevii, S. bayanus,

S. pastorianus

Genere Saccharomyces

Una copia di geni funzionava normalmente, l’altra copia era libera di

essere coinvolta in altre funzioni

Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae si è differenziato dal ceppo ancestrale circa 5-10

milioni di anni fa

Una cellula ha acquisito il doppio del

numero normale di cromosomi

Perdita di circa il 90% dei geni duplicati

Biogeografia

Distribuzione nello spazio e nel tempo degli

organismi viventi e i fattori che la influenzano.

Saccharomyces cerevisiae è presente in diverse

nicchie ecologiche, grazie alla capacità di

adattarsi alle più disparate condizioni.

La pressione selettiva ambientale ha differenziato

popolazioni all’interno di questa specie,

candidando S. cerevisiae come lievito modello

per studi biogeografici.

95% dei ceppi isolati da uve e mosti

costituiscono un gruppo filogeneticamente ben

differenziato e compatto rispetto ai ceppi della

stessa specie isolati da altri habitat (suolo,

essudati di quercia, vino di palma e sakè).