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Birra: rilevare la concentrazione batterica con un biosensore portatile

La tecnica impedenziometrica rappresenta una valida alternativa alla tecnica standard del conteggio su piastra per il controllo microbiologico in quanto permette una sensibile riduzione dei tempi di misura e si presta a essere implementata come procedura automatica in ambito industriale.

Il controllo di qualità del prodotto è di primaria importanza per l’industria della birra dal momento che la presenza di particolari contaminanti batterici può alterare le caratteristiche organolettiche del prodotto, producendo difetti nell’aroma e problemi di torbidità. Il monitoraggio di qualità è richiesto durante tutte le fasi di sviluppo del prodotto: dal controllo delle materie prime, alla produzione e al confezionamento della birra, fino ai test di qualità sul prodotto finito. La birra è un ambiente ostile per i microrganismi: l’elevata concentrazione di etanolo e il basso pH inibiscono la crescita della maggior parte dei batteri, mentre l’alta concentrazione di anidride carbonica e il basso contenuto di ossigeno determinano condizioni di anaerobiosi in cui solo poche specie batteriche sopravvivono. Tra i microrganismi responsabilidel deterioramento della birra rientrano batteri Gram-positivi e Gram-negativi ma anche lieviti e muffe. Per la crescita rapida e la capacità di sopportare alte temperature e condizioni di basso pH, i batteri Gram-positivi sono considerati i contaminanti più pericolosi nei birrifici, in particolare quelli appartenenti ai generi Lactobacillus e Pediococcuscomplessivamente denominati batteri lattici perché producono acido lattico dagli zuccheri. Le misurazioni di concentrazione microbica sono solitamente effettuate mediante conteggio su piastra (standard plate count, SPC), che rappresenta lo standard di riferimento per le misure di concentrazione batterica. Si tratta però di un metodo di laboratorio caratterizzato da tempi di risposta lunghi (24-72 ore), che richiede personale specializzato e non è automatizzabile. Quest’ultimo aspetto permette di effettuare solo controlli a campione sul prodotto finito e preclude la possibilità di effettuare il monitoraggio online della concentrazione batterica lungo l’intera linea di produzione. Negli ultimi anni sono state proposte diverse tecniche per la valutazione della concentrazione batterica che permettono di ottenere tempi di risposta più rapidi rispetto alla conta su piastra. Tali tecniche sono basate su diversi principi fisici come impedenza, ottica, bioluminescenza, piezoelettricità.

Contare i batteri con la tecnica impedenziometrica

Particolarmente interessante è la tecnica impedenziometrica, in cui si misura l’andamento temporale delle caratteristiche elettriche del campione (impedenza) mediante una coppia di elettrodi a diretto contatto con esso. L’impedenza è un parametro elettrico che misura la forza di opposizione di un bipolo al passaggio di una corrente elettrica alternata. La rilevazione della concentrazione batterica è possibile poiché i batteri, replicandosi, producono ioni in grado di cambiare le proprietà elettriche del mezzo in cui crescono in misura dipendente dalla loro concentrazione. In commercio sono disponibili diversi sistemi per la determinazione impedenziometrica della concentrazione batterica che, pur presentando alcune differenze ad esempio per quanto riguarda il materiale degli elettrodi o la frequenza del segnale di test, si basano tutti sul medesimo principio di funzionamento. Il sistema è costituito da una coppia di elettrodi immersi in un terreno liquido contenente il campione da analizzare. L’impedenza del sistema può essere descritta mediante due componenti: la resistenza del campione Rs, legata alla conducibilità elettrica del mezzo, e la capacità di interfaccia Cs, influenzata dalle proprietà dell’interfaccia elettrodo-elettrolita. Il principio di funzionamento della tecnica è il seguente: il campione è incubato in un mezzo di coltura opportuno a una temperatura che favorisce la crescita batterica e a intervalli di tempo regolari si misurano i parametri elettrici Rs e Cs. Dopo una stabilizzazione iniziale, Rs e Cs rimangono costanti finché non viene raggiunta una soglia critica di concentrazione batterica (107 ufc/ml): a questo punto Rs inizia a diminuire e Cs ad aumentare. L’intervallo di tempo necessario per raggiungere la soglia e indurre una variazione significativa del parametro elettrico monitorato è detto tempo di rivelazione o “Detect Time” (DT) (figura 1). Poiché i valori misurati di DT sono proporzionali al logaritmo della concentrazione batterica iniziale che è ignota, questo valore può essere facilmente estrapolato una volta che il sistema sia stato opportunamente calibrato in funzione del terreno e dei batteri da testare. In generale, campioni con forte concentrazione batterica sono caratterizzati da bassi valori di DT, mentre campioni poco contaminati sono caratterizzati da valori di DT elevati.

Figura 1 – Quando la concentrazione batterica nel campione (indicata in blu) raggiunge la soglia di 107 ufc/ml, la resistenza del mezzo o Rs (indicata in rosso) inizia a diminuire. Il tempo necessario per arrivare a tale soglia è detto DT

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