Nell’industria lattiero-casearia, la persistenza di contaminanti batterici sulle superfici è un problema critico dovuto alla formazione di spore e biofilm.
La presenza di biofilm e spore negli impianti lattiero-caseari rappresenta una minaccia multifattoriale che colpisce la stabilità economica, la sicurezza sanitaria e l’efficienza operativa delle aziende.
I rischi principali possono essere raggruppati nelle seguenti categorie:
1. Rischi Economici e Qualitativi
La contaminazione da biofilm incide direttamente sulla redditività e sulla reputazione del marchio:
- Riduzione della shelf-life: I biofilm sono responsabili della degradazione della qualità organolettica e della riduzione della vita commerciale dei prodotti finiti. Ad esempio, negli Stati Uniti, la flora sporulante è causa della perdita di circa un terzo del latte di consumo prodotto.
- Alterazioni organolettiche: I batteri che si staccano dai biofilm possono causare difetti di sapore, odore o consistenza, portando a reclami e insoddisfazione dei consumatori.
- Perdite finanziarie dirette: L’intero settore è messo alla prova da “gravi problemi economici” derivanti dalla necessità di gestire contaminazioni persistenti che i processi standard non riescono a risolvere.
2. Rischi Sanitari e Sicurezza Alimentare
La sicurezza del consumatore è il rischio più critico:
- Tossinfezioni alimentari: Ceppi come il Bacillus cereus possono causare sindromi diarroiche o emetiche, rappresentando un serio rischio per la salute pubblica.
- Fallimento della sterilizzazione: Alcune spore sono in grado di sopravvivere ai processi di sterilizzazione commerciale, compromettendo la sterilità dei prodotti a lunga conservazione e mettendo a rischio l’azienda per potenziali ritiri di prodotti dal mercato.
- Contaminazione crociata post-processo: I biofilm agiscono come serbatoi dai quali i microrganismi vengono rilasciati nel latte dopo la pasteurizzazione (contaminazione post- pasteurizzazione), rendendo vano il trattamento termico effettuato.
3. Rischi Operativi e di Persistenza
I biofilm creano un ambiente protetto che rende inefficaci le normali procedure di gestione:
- Contaminazione cronica: Una volta stabiliti, i biofilm diventano fonti di contaminazione permanente degli impianti.
- Resistenza ai processi CIP: Le cellule all’interno del biofilm resistono ai lavaggi chimici standard (soda e acido) molto meglio delle cellule libere (planctoniche), tollerando variazioni di pH e temperatura che normalmente le ucciderebbero.
- Selezione di ceppi super-resistenti: L’uso di cicli di pulizia inefficaci può selezionare spore con una resistenza ancora maggiore agli alcali o con proprietà di adesione superiori, rendendo ogni ciclo di produzione successivo più a rischio del precedente.
L’ecologia microbica: i protagonisti del biofilm latte in polvere
I principali responsabili della contaminazione nelle linee di produzione di latte in polvere e latte ricostituito sono i batteri sporigeni, appartenenti principalmente ai generi Bacillus e Geobacillus.
- Bacilli mesofili: Il gruppo Bacillus cereus è particolarmente problematico a causa del suo potenziale patogeno e della sua capacità di aderire tenacemente all’acciaio inossidabile tramite appendici e l’esosporio.
- Bacilli termofili: Specie come Geobacillus stearothermophilus e Anoxybacillus flavithermus prosperano nelle sezioni degli impianti dove le temperature oscillano tra i 40 e i 65 °C, come gli evaporatori e gli scambiatori di calore.
Spesso è il latte in polvere stesso la fonte iniziale di queste spore, che vengono poi selezionate e accumulate durante i processi termici di produzione.
I punti di accumulo principali identificati includono:
1 – Nicchie strutturali e “punti morti”
I biofilm si formano preferenzialmente in aree dove il flusso del sistema di pulizia (CIP) è meno efficace o dove la superficie presenta irregolarità:
- Zone difficili da pulire: Estremità morte (dead ends), giunzioni, valvole, cavità e fessure.
- Componenti in gomma e guarnizioni: Le guarnizioni delle valvole (come le valvole mix- proof) e altre componenti non metalliche sono siti comuni di adesione.
- Superfici danneggiate: Le fessure presenti nell’acciaio inossidabile alterato possono fungere da rifugio per le spore e i biofilm, proteggendoli dall’azione meccanica e chimica del lavaggio.
2 – Serbatoi di stoccaggio e miscelazione
I serbatoi rappresentano serbatoi critici di contaminazione:
- Tank del latte: Sono stati identificati biofilm nei serbatoi del latte crudo, del latte pastorizzato e del latte omogeneizzato.
- Componenti interne dei serbatoi: La complessità interna dei tank di raffreddamento, che include agitatori, termostati e sonde termometriche, ostacola un lavaggio fluido e favorisce l’accumulo batterico.
- Effetto del flusso: Nei serbatoi, il flusso turbolento può paradossalmente favorire l’attaccamento batterico portando i microrganismi più vicino alle superfici.
3 – Sistemi di trattamento termico
Le diverse temperature lungo la linea di produzione selezionano tipi specifici di biofilm:
- Pastorizzatori e scambiatori di calore: I biofilm si accumulano nei tubi di alimentazione e negli scambiatori di calore a piastre.
- Sezioni a temperature elevate (40–65 °C): In queste zone, come negli evaporatori, prosperano i bacilli termofili (es. Geobacillus), che formano i cosiddetti “biofilm di processo”.
- Sonde e sensori: Le sonde dei sensori nei sistemi di iniezione diretta del vapore (DSI) sono potenziali punti di accumulo.
4 – Linee di filtrazione e confezionamento
- Filtri: I filtri duplex situati prima degli omogeneizzatori e dei sistemi DSI possono trattenere microrganismi che poi formano biofilm.
- Macchine confezionatrici: Queste rappresentano un punto critico per la contaminazione post-pastorizzazione.
- Ugelli spray: Negli impianti di produzione di polvere, persino gli ugelli (spray nozzles) alla fine del processo possono ospitare batteri.
Meccanismi di adesione
L’adesione delle spore di Bacillus cereus alle superfici in acciaio inossidabile è un fenomeno complesso che deriva da una combinazione di caratteristiche strutturali, proprietà fisico-chimiche e fattori ambientali.
Le ragioni principali di questa tenace adesione sono:
- Idrofobicità della superficie: Le spore possiedono un’elevata idrofobicità superficiale, che facilita il loro legame con i materiali inerti come l’acciaio inossidabile. Questa proprietà fisico-chimica è uno dei fattori determinanti che permette alla spora di “aggrapparsi” alla superficie.
- Strutture cellulari esterne: La capacità di adesione è strettamente legata alla presenza di strutture specifiche sulla superficie esterna della spora, in particolare l’esosporio (una membrana protettiva esterna) e le appendici (o filamenti). Queste strutture agiscono come organi di ancoraggio che facilitano il contatto iniziale e il successivo legame stabile con l’acciaio.
- Potenziale genetico e proteico: L’adesione e la successiva crescita in biofilm sono supportate dal potenziale genetico del batterio. Studi proteomici hanno dimostrato che, già nelle prime due ore di formazione del biofilm, B. cereus esprime proteine specifiche che facilitano il processo di colonizzazione.
- Fattori meccanici (Flusso): Le condizioni di lavorazione influenzano l’attaccamento. Ad esempio, un flusso turbolento all’interno degli impianti può favorire l’adesione portando fisicamente le spore più vicino alle pareti delle apparecchiature rispetto a condizioni statiche.
- Resistenza ai lavaggi: Le spore non solo aderiscono facilmente, ma sono anche in grado di sopravvivere ai cicli di pulizia standard (CIP). In alcuni casi, i trattamenti chimici possono addirittura selezionare spore con specifiche proprietà superficiali che le rendono ancora più efficaci nell’aderire.
Una volta aderite, queste spore possono germinare, moltiplicarsi e formare biofilm maturi che diventano serbatoi cronici di contaminazione, proteggendo i batteri dai disinfettanti e rendendo difficile la loro eradicazione dalle linee di produzione.
Perché il sistema CIP standard può fallire?
Il fallimento dei sistemi Cleaning-in-Place (CIP) tradizionali contro i biofilm è dovuto a una combinazione di fattori strutturali, chimici e biologici che rendono queste comunità microbiche estremamente resilienti.
Le ragioni principali per cui il CIP non riesce a eradicare completamente questi biofilm latte in polvere sono:
1 – La barriera protettiva della matrice EPS
I biofilm non sono semplici accumuli di batteri, ma comunità incorporate in una matrice di sostanze polimeriche extracellulari (EPS) da loro prodotta. Questa matrice agisce come uno scudo fisico e chimico che:
- Protegge i batteri dall’azione dei biocidi, rendendoli inaccessibili.
- Rende i microrganismi all’interno del biofilm capaci di resistere a variazioni di temperatura e pH molto meglio delle loro controparti planctoniche (libere nel latte).
- Richiede trattamenti molto severi con potenti ossidanti o enzimi specifici per essere dissolta, superando le capacità dei detergenti standard.
2 – Tolleranza chimica e adattamento
Le procedure CIP utilizzano solitamente soda caustica (NaOH) e acido nitrico (HNO3), ma molti ceppi batterici hanno sviluppato resistenze specifiche:
- Resistenza agli alcali: Ceppi come il Bacillus licheniformis hanno dimostrato un’elevata resistenza alla soda caustica calda (80 °C), sopravvivendo ai cicli di lavaggio.
- Differenza di sopravvivenza: Mentre le cellule planctoniche vengono abbattute di oltre 6 logaritmi dopo 10 minuti di contatto con NaOH o HNO3 a 80 °C, le cellule nei biofilm mostrano una riduzione inferiore nonostante un tempo di esposizione doppio (20 minuti).
- Selezione di ceppi resistenti: Il lavaggio chimico può paradossalmente selezionare spore con proprietà superficiali specifiche (come l’idrofilia) o indurre tolleranza agli alcali, rendendo il biofilm residuo ancora più difficile da rimuovere in futuro.
3 – Persistenza e riadesione delle spore
Le spore di Bacillus e Geobacillus sono una componente critica del fallimento del CIP:
- Ciclo di sopravvivenza: Le spore sopravvivono al lavaggio, possono riaderire alle superfici durante l’applicazione stessa del CIP e formare rapidamente un nuovo biofilm.
- Strutture di ancoraggio: La presenza di appendici e dell’esosporio sulle spore ne facilita l’adesione tenace all’acciaio inossidabile, impedendone la rimozione meccanica.
4 – Limitazioni fisiche e nicchie strutturali
Il CIP è un sistema a circuito chiuso che si basa sul flusso dei detergenti, ma presenta limiti fisici:
- Zone d’ombra: I biofilm si rifugiano in punti dove l’azione meccanica e chimica del lavaggio è debole, come estremità morte (dead ends), fessure, giunzioni, valvole e guarnizioni.
- Superfici danneggiate: Le irregolarità o i danni nell’acciaio inossidabile offrono riparo ai biofilm, proteggendoli dal flusso detergente.
- Architettura 3D: I biofilm maturi sviluppano strutture tridimensionali complesse e compatte (multistrato) che sono intrinsecamente resistenti ai lavaggi industriali classici.
Strategie innovative: la detergenza enzimatica
Per contrastare efficacemente la formazione di biofilm, è necessario andare oltre il lavaggio tradizionale.
I detergenti enzimatici rappresentano una delle strategie più promettenti per superare l’inefficacia dei sistemi CIP tradizionali:
- Dissoluzione della matrice: Gli enzimi agiscono idrolizzando la matrice organica del biofilm (composta da sostanze polimeriche extracellulari o EPS). Questa azione “apre” la struttura protettiva, permettendo ai disinfettanti di raggiungere e uccidere più facilmente i batteri annidati all’interno.
- Integrazione nel CIP: L’incorporazione di enzimi nelle soluzioni di lavaggio del sistema CIP ha dimostrato di migliorare significativamente l’efficacia della rimozione dei biofilm rispetto ai soli trattamenti chimici.
- Ottimizzazione del lavaggio alcalino: Le fonti suggeriscono di rinforzare la fase di lavaggio alcalino con trattamenti enzimatici per favorire un distacco più profondo del biofilm dalle superfici. L’efficacia di questi enzimi può essere ulteriormente aumentata se vengono solubilizzati in tamponi alcalini contenenti tensioattivi.
Per questo motivo Piramide, grazie al lavoro costante dell’R&D di Realco, è in grado di fornire con Biorem® una soluzione enzimatica studiata appositamente per:
- Contenere enzimi appartenenti a più classi enzimatiche, e quindi rivolti a target molecolari differenti
- Contenere enzimi con elevata specificità di substrato
- Contenere enzimi con elevata attività
Questi aspetti sono importantissimi da considerare ogni volta che si valuta un approccio enzimatico per la rimozione di biofilm o, meglio, della sua matrice amorfa. Prodotti poveri di classi enzimatiche, poco specifiche e con scarsa attività possono portare a risultati mediocri.
La soluzione Biorem® 3G
Biorem® 3G rappresenta l’unico cocktail di enzimi octavalente presente sul mercato in grado di idrolizzare il numero massimo di componenti della matrice organica del biofilm, e rappresenta dunque la soluzione più performante soprattutto su biofilm radicati e resistenti.
Grazie all’azione ad ampio spettro e specifica di Biorem® 3G nell’idrolizzare le diverse componenti della matrice extrapolimerica dei biofilm, è possibile eliminare e ridurre il rischio di formazione di biofilm da parte di questi microrganismi. L’approccio enzimatico inoltre non favorisce la formazione di resistenze ed è in grado di bypassare i fenomeni di tolleranza esplicati dalla matrice stessa, garantendo una maggior efficacia nella rimozione di biofilm dagli ambienti lavorativi.
Il team di Piramide è specializzato nell’applicazione di protocolli enzimatici ad hoc studiati sulla base delle diverse realtà produttive, e definire delle strategie di diagnostica pre e post trattamento tramite l’utilizzo di metodi analitici all’avanguardia.
Contattaci per un parere o un’ipotesi di trattamento:
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Tel: 0332-826017
