Academic literature on the topic 'Idrofobici'

2012/2013
La tecnologia dei sistemi micro-elettro-meccanici (MEMS) ha dimostrato d’avere grandi potenzialità in molti campi, in particolare nei sistemi bio-medicali. Essa si basa infatti su processi di fabbricazione ad altro volume produttivo, permettendo una considerevole riduzione dei costi per dispositivo. Un ulteriore beneficio di questa tecnologia risiede nella possibilità di dimensionare i dispositivi fino a raggiungere l’ordine del submicron, così da consentire l’integrazione e il monitoraggio in tempo reale di sistemi sensibili a biomarker di tipo medicale e biologici. Tra gli obiettivi futuri dei MEMS biomedicali (BioMEMS) vi è la realizzazione di dispositivi in grado di interfacciarsi direttamente con il paziente e definirne lo stato di salute grazie alla rilevazione del livello di centinaia di diversi biomarker (siano essi chimici o fisici). La medicina assumerebbe in questa visione una configurazione ad personam nella quale al paziente verrebbe prontamente somministrato un quantitativo di medicinale adatto alle risposte del suo organismo. A tale scopo i dispositivi MEMS devono essere in grado di effettuare analisi multiple operando in un ambiente liquido. Tuttavia è proprio l’ambiente liquido a comportare la riduzione di sensibilità e, quindi, di performance dei sensori MEMS. La presente ricerca si pone lo scopo di sviluppare nuovi sistemi elettronici di misurazione e attuazione di due distinte tipologie di BioMEMS risonanti operanti in liquido, i cantilever e i pillar. In particolare verrano trattati tre argomenti: la realizzazione di setup ottici per applicazione dei MEMS in liquido ed in aria, la progettazione di sistemi elettronici di attuazione e lettura di singoli pillar nel loro comportamento in frequenza e lo sviluppo di un software LabVIEW in grado di programmare un FPGA ed ottenere un PLL digitale da impiegarsi nell’analisi in tempo reale del comportamento in frequenza di RF-MEMS. Il primo progetto è stato sviluppato in collaborazione l'Università di Kaiserslautern (Germania) e prevedeva la realizzazione di sistemi microfluidici e setups ottici, interfacciati in modo tale da permettere la rilevazione della risposta in frequenza di molteplici MEMS operanti in parallelo. Nel secondo progetto l’obiettivo era la realizzazione di un sistema elettronico in grado di integrare in un unico dispositivo i sistemi di attuazione e lettura dei pillar. In particolare siamo stati in grado di modulare l’ampiezza di risonanza dei nostri dispositivi risonanti mediante l’applicazione della forza di polarizzazione Kelvin mentre lo sviluppo del sistema di lettura richiede ulteriore lavoro di indagine. Infine, nell'ultimo progetto è stato realizzato un sistema PLL digitale con 10 MHz di banda passante utilizzando la tecnologia della National Instruments (FlexRIO NI5781R). Mediante questo PLL si è potuto identificare la frequenza di risonanza di diverse tipologie di MEMS e se ne è seguite le variazioni in tempo reale . Le attività di ricerca sperimentale sono state eseguite presso il laboratorio CNR- IOM a Trieste.
XXVI Ciclo
1985

L’attività di tesi ha previsto la progettazione e realizzazione di sorgenti di plasma di non equilibrio a pressione atmosferica e l’individuazione delle condizioni operative ottimali per l’idrofobizzazione di materiali tessili. La prima parte delle attività di tesi hanno riguardato lo studio e l’approfondimento della letteratura scientifica al fine di individuare le sorgenti e i processi plasma assistiti per l’idrofobizzazione dei materiali. Relativamente alle sorgenti di plasma di non-equilibrio a pressione atmosferica, studi di letteratura riportano che sorgenti di tipo APPJ (Atmospheric Pressure Plasma Jet) consentono di effettuare un trattamento localizzato in un punto, mentre sorgenti DBD (Dielectric Barrier Discharge) risultano idonee a trattamenti di materiali large area. Per quanto riguarda i processi plasma assistiti, sulla base di quanto riportato in letteratura il processo di idrofobizzazione può avvenire principalmente mediante polimerizzazione di gas organici contenenti fluoro, introdotti nella regione di plasma, con la conseguente deposizione di coating fluorurati. Le attività sperimentali condotte durante la tesi hanno avuto l’obbiettivo di valutare la possibilità di rendere idrofobico un filato di fibra tessile naturale mediante l’utilizzo di una sorgente plasma jet operante con miscela di argon e gas organoflorurato. Il filato, messo in moto a diverse velocità, è stato fatto transitare attraverso la piuma di plasma. In particolare, si è passati da una velocità di movimentazione di 1 m/min a una di 10 m/min. I risultati ottenuti hanno evidenziato che maggiore è la velocità di movimentazione del filato attraverso la piuma di plasma, minore è il grado di idrofibizzazione raggiungibile sul filato stesso, in quanto minore è il tempo di esposizione del materiale al plasma. Infine, nell’ultima parte dell’attività di tesi, è stata progettata una sorgente DBD, che caratterizzata da una maggiore area di generazione del plasma rispetto alla sorgente plasma jet, consente di incrementare il tempo di esposizione del filato al plasma a parità di velocità di movimentazione del filato.

La ricerca di materiali più sostenibili si sta concentrando nel trovare delle materie prime che possano aiutare a ridurre l’utilizzo di materie plastiche derivanti da fonti fossili. La cellulosa sembra essere uno dei candidati migliori come potenziale sostituta di polimeri nel settore del packaging. La sua rinnovabilità e biodegradabilità la rendono un materiale molto promettente. La ricerca nel campo dell’idrofobizzazione della cellulosa è vasta, ed esistono in commercio vari additivi che possono promuoverne l’idrofobicità. Sono state perciò sviluppate applicazioni di questi additivi che prevedono l’utilizzo di una loro emulsione in fase acquosa, in modo da non utilizzare solventi e mantenere il prodotto finale biodegradabile e sicuro dal punto di vista alimentare. Queste emulsioni non sono stabili di per sé, e per garantire il loro stoccaggio e la loro conservazione nel lungo periodo si devono utilizzare degli agenti stabilizzanti, i cosiddetti retention aids, che promuovono sia la stabilità dell’emulsione sia la ritenzione dell’additivo da parte delle fibre cellulosiche. Recentemente la ricerca si sta orientando sull’utilizzo di retention aids anch’essi provenienti da fonte naturale, che possono venire opportunamente modificati a questo scopo. In questo progetto di ricerca si è andati quindi a sintetizzare un retention aid costituito da amido funzionalizzato, e quest’ultimo è stato utilizzato per lo sviluppo di emulsioni stabili di un additivo idrofobizzante. Si è studiata la stabilità dell’additivo in emulsione ed una volta trovate le migliori condizioni questa è stata additivata alla cellulosa, creando dei sistemi che sono stati sottoposti a stampaggio a compressione ottenendo dei campioni in cellulosa che presentano caratteristiche di idrofobicità. Questi campioni sono stati testati per valutarne il grado di idrofobicità e le loro proprietà meccaniche.

L’obiettivo della mia tesi è stato quello di valutare gli effetti delle alte pressioni di omogeneizzazione sulla vitalità, idrofobicità, modulazione degli acidi grassi di membrana e la risposta genica, legata soprattutto alla biosintesi di acidi grassi, di Lactobacillus paracasei A13 quando sottoposto a trattamenti ad alta pressione di omogeneizzazione compresi tra 50 e 200 MPa. I dati di carico cellulare, registrati anche dopo trattamento a 200 MPa, hanno dimostrato che Lb. paracasei A13 è fortemente baro tollerante. Inoltre, il trattamento iperbarico induce un incremento di idrofobicità del ceppo, soprattutto quando trattato a 150 MPa, influenzando potenzialmente in modo positivo l’interazione tra il microrganismo oggetto di studio e l’intestino dell’ospite. I dati riguardanti gli acidi grassi hanno dimostrato che la membrana cellulare, ritenuta uno dei bersagli più suscettibili alla pressione, è in grado di rispondere agli stress sub letali provocati dal trattamento iperbarico. In particolare, all’aumentare della pressione, aumenta il grado d’insaturazione della membrana, accompagnato anche da un incremento degli acidi grassi ciclici, da una riduzione della catena carboniosa degli acidi grassi C12, 13, 14 e da una diminuzione degli idrossiacidi, giustificata con la ben nota capacità di molti batteri lattici di trasformarli, in condizioni di stress, in molecole quorum sensing quali ad esempio i furanoni. I dati relativi allo studio di specifici geni, indicano chiaramente una iperespressione dei geni fabH e fabD, responsabili delle prime fasi di biosintesi degli acidi grassi. Pertanto, la loro significativa iperespressione a 150 e 200 MPa rende ragione del significativo incremento di acidi grassi a corta catena registrato in tali condizioni. Anche il significativo aumento degli acidi grassi insaturi può essere spiegato attraverso l’incremento di espressione di fabF e fabZ responsabili dell’introduzione di doppi legami nella catena carboniosa.

Al fine di aumentare il benessere dell’individuo, la ricerca nelle ultime decadi si è incentrata nell’individuazione di specifiche strategie alimentari, diete, alimenti funzionali. In particolare, particolarmente apprezzati, sono gli alimenti contenenti microrganismi probiotici. Tra questi, Lactobacillus acidophilus 08 risulta una coltura probiotica riconosciuta e commercialmente distribuita. Studi recenti hanno dimostrato come le alte pressioni di omogenizzazione (HPH) su Lb. acidophilus, siano in grado di modularne l’idrofobicità di membrana, la capacità di autoaggregazione nonché la resistenza a stress gastrico-duodenali simulati; proprietà che influiscono direttamente sulla capacità di adesione e colonizzazione del ceppo con gli epiteli intestinali. Tuttavia, ancora poco studiati sono i meccanismi genici microbici messi in atto a seguito dello stress iperbarico. Obiettivo della mia tesi è stato, quindi, quello di valutare gli effetti dei trattamenti HPH sulla vitalità, idrofobicità, ed espressione genica di Lb. acidophilus 08, quando sottoposto a 50 MPa. I risultati ottenuti, evidenziano, oltre alla barotolleranza del ceppo di Lb.acidophilus 08, anche un sensibile incremento della sua idrofobicità di membrana. Ciò potrebbe influenzare positivamente l’eventuale interazione stabilita tra il microrganismo e l’epitelio intestinale. Il cambiamento riscontrato non è esclusivamente di tipo meccanico, il trattamento induce infatti la modulazione di una serie di geni coinvolti nei fenomeni di adesione cellulare e di risposta agli stress quali groEL, efTU, slp e clpP. I risultati di questa tesi risultano funzionali per la messa appunto di nuove strategie al fine di migliorare le performance probiotiche del ceppo considerato, individuando nel trattamento HPH un ottimo sistema per stimolare la risposta adattiva di Lb. acidophilus.

Stato dell’arte: I microrganismi probiotici negli alimenti potrebbero causare cambiamenti significativi nel sapore e nella reologia, a causa del loro metabolismo attivo. È importante, quindi, controllare il metabolismo dei microrganismi probiotici negli alimenti, senza influenzare negativamente la vitalità e le caratteristiche funzionali. Un modo per superare questo problema è l'utilizzo di colture starter attenuate attraverso l’utilizzo di metodi fisici o chimici. Alcuni autori hanno studiato l'omogeneizzazione come metodo per attenuare/modulare il metabolismo delle colture starter nei prodotti caseari (Lanciotti et al., 2004, 2006, 2007); in questo progetto di tesi ho utilizzato una nuova tecnologia emergente, gli ultrasuoni. (i) È stato effettuato uno screening delle combinazioni possibili di ultrasuoni (US) (potenza/durata) su diversi microrganismi probiotici e sono state studiate le caratteristiche probiotiche e tecnologiche dopo l'esposizione agli US. (ii) Sono stati studiati gli effetti degli US sul rilascio di componenti intracellulari. (iii) È stata valutata l'interazione dei ceppi attenuati con il microbiota intestinale utilizzando la fermentazione in vitro (batch culture fermentation). Problematiche: (i) Non si conoscono gli effetti dell’attenuazione mediante US sulle caratteristiche tecnologiche/probiotiche dei microrganismi; (ii) non è chiara la risposta delle cellule microbiche al trattamento con gli US e il danno che ne deriva, in quanto in letteratura sono disponibili pochi dati; (iii) non sono disponibili dati sull'interazione di ceppi attenuati con il microbiota intestinale. Obiettivi: (i) Scelta della migliore combinazione di ultrasuoni (potenza/durata), in grado di evitare la post-acidificazione senza compromettere la vitalità dei ceppi, studio dei cambiamenti delle caratteristiche probiotiche e tecnologiche che i microrganismi potrebbero subire a seguito dell’attenuazione; (ii) valutazione del rilascio di componenti intracellulari (acidi nucleici e proteine) dopo l'applicazione degli ultrasuoni; e (iii) studio dell’effetto di ceppi attenuati sul microbiota intestinale. Pianificazione della ricerca: Nella prima parte sono stati usati tre diversi generi di microrganismi probiotici: Lactobacillus, Bifidobacterium, Propionibacterium. I ceppi sono stati trattati con ultrasuoni e sono state studiate le caratteristiche tecnologiche e probiotiche. Nella seconda parte, sono stati studiati gli effetti degli US sul rilascio di componenti intracellulari. I ceppi sono stati studiati a seguito del trattamento fisico per valutare il rilascio di costituenti intracellulari (acidi nucleici, proteine) ed eventuali lesioni della membrana cellulare. Nell'ultima parte, è stata studiata l'interazione di ceppi attenuati con il microbiota intestinale. Questo studio è stato condotto presso l'Università di Roehampton (Regno Unito). Materiali e metodi: (i) Caratteristiche tecnologiche: Prove di acidificazione in mezzo di laboratorio, crescita a diverse temperature, pH e contenuto di sale; caratteristiche probiotiche: antibiotico resistenza, sopravvivenza a pH 2,5 e in presenza di sali biliari (0,3%), idrofobicità e formazione di biofilm. (ii) La valutazione del danno sulle cellule microbiche è stato determinato attraverso letture spettrofotometriche a 260 e 280 nm per quantificare il rilascio di DNA e proteine. (iii) L'interazione dei ceppi attenuati con il microbiota intestinale è stata valutata utilizzando la fermentazione in vitro (batch culture fermentation). Risultati: (i) Le migliori combinazioni in grado di evitare la post-acidificazione sono state le seguenti: potenza, 60%; tempo, 6 minuti; impulsi, 2 s per Lactobacillus e Bifidobacterium, 40%, 8 min P. jensenii; 60%, 4 min P. freudenreichii subsp. freudenreichii. Gli US non hanno influenzato la vitalità a 45 °C e a pH 9, ma hanno determinato una diminuzione della crescita microbica a pH 4 (lattobacilli e bifidobatteri). Tuttavia, gli US non hanno influenzato il GI dei propionibatteri. L'effetto dell'attenuazione potrebbe essere migliorato con la refrigerazione. Il trattamento con gli US non ha influenzato la maggior parte dei tratti tecnologici, ma ha causato un aumento della suscettibilità ad alcuni antibiotici. Per quanto riguarda i tratti probiotici, gli US hanno causato un aumento di idrofobicità per L. reuteri e P. freudenreichii spp. freudenreichii. Questi risultati sono stati confermati con l'adesione alle cellule Caco-2 per L. reuteri. L. reuteri attenuato ha registrato un significativo aumento di idrofobicità (dal 3 al 25%) e una maggiore adesione alle cellule Caco-2. Inoltre, gli US hanno migliorato la stabilità dei biofilm nel tempo e questo risultato ha confermato i dati ottenuti con l'idrofobicità. (ii) Il rilascio di acidi nucleici e proteine, evidenzia che la membrana cellulare potrebbe essere un altro target del trattamento fisico. (iii) Per quanto riguarda gli effetti degli US sul microbiota intestinale: i ceppi attenuati non hanno influenzato il microbiota intestinale, ma in alcuni casi sono stati evidenziati effetti positivi. Importanza e impatto della ricerca di dottorato: Il metabolismo attivo dei microrganismi probiotici potrebbe costituire un problema quando questi ultimi vengono aggiunti agli alimenti. Infatti alcuni ceppi di batteri lattici continuano a produrre acido lattico e causano post-acidificazione (diminuzione del pH durante la conservazione). Pertanto, è importante controllare il loro metabolismo. Un modo possibile per controllare il metabolismo dei probiotici negli alimenti è l'attenuazione attraverso metodi fisici o chimici. Una delle tecnologie emergenti sono gli ultrasuoni (US). Questo approccio è stato utilizzato per evitare la post-acidificazione in una bevanda commerciale di riso (Bevilacqua et al., 2016). La presente tesi di dottorato ha contribuito a valutare gli effetti dell'attenuazione mediante ultrasuoni, su alcune caratteristiche tecnologiche e probiotiche, testando tre diversi generi di ceppi probiotici. Inoltre, questo progetto di dottorato ha studiato i cambiamenti in termini di caratteristiche tecnologiche e probiotiche che i microrganismi probiotici potrebbero subire a seguito dell'attenuazione; il rilascio di proteine, acidi nucleici. Infine, la novità di questa tesi di dottorato è stata lo studio degli effetti di ceppi attenuati sul microbiota intestinale. Proposte future: una prospettiva futura potrebbe essere focalizzata sull'uso degli US per migliorare o modulare l'adesione dei ceppi probiotici, considerando l'aumento di idrofobicità e la maggiore adesione alle cellule Caco-2. È importante studiare gli effetti di altri ceppi attenuati sul microbiota intestinale modulando le variabili del trattamento.
Scientific background: Probiotics in foods could lead to significant changes in food flavor and rheology, due to their active metabolism. A possible way to overcome this problem is the attenuation of probiotics through a physical or chemical method. Some authors studied homogenization as a way to attenuate/modulate the metabolism of starter cultures in dairy products (Lanciotti et al., 2004, 2006, 2007); in this project I have used a new emerging technology, the ultrasounds. (i) A screening of the ultrasound (US) (power/duration) on different probiotic microorganisms was perfomed, and were studied the probiotic and technological characteristics after US-exposure. (ii) The effects of US on the release of intracellular components, was investigate. (iii) The interaction of attenuated strains with gut microbiota was evaluated, using in vitro batch culture fermentation. Open questions: (i) Few data are available on effects of US on probiotics and technological characteristics of probiotic strains; (ii) few data are available on the effect of attenuation with ultrasound on the sub-lethal injury; (iii) no data are available on the interaction of attenuated strains with gut microbiota. Aims: (i) Choice of the best combination of ultrasound to avoid post-acidification without affecting the viability of the strains, and study of the probiotic and technological characteristics to evaluate if attenuation could change them; (ii) study the release of intracellular components (nucleic acids and proteins) after the application of ultrasound; and (iii) evaluation the effects of attenuated strains on gut microbiota. Planning of the research: In the first part three different genera of probiotics were used: Lactobacillus, Bifidobacterium, Propionibacterium. The strains were treated with ultrasound and studied for technological and probiotic characteristics. In the second part, the effects of US on the release of intracellular components, was investigated. The strains were studied after physical treatment to assess the release of intra-cellular constituents (nucleic acids, proteins) and injury of the membrane. In the last part, the interaction of attenuated strains with gut microbiota, was studied. This study was carried out at University of Roehampton (UK). Materials and Methods: (i) Technological traits: acidification in lab medium, growth at different temperatures, pHs and salt content; probiotic traits: antibiotic-resistance, survival at pH 2.5 and in the presence of 0.3% bile salt, hydrophobicity, and biofilm formation. (ii) Injury characterization was evaluated by leakage of UV-absorbing substances. (iii) The interaction of attenuated strains with gut microbiota was evaluated, using in vitro batch culture fermentation. Results: (i) The best combinations to avoid post-acidification were the following: power, 60%; time, 6 min; pulse, 2 s for Lactobacillus and Bifidobacterium, 40%, 8 min P. jensenii; 60%, 4 min P. freudenreichii subsp. freudenreichii. US did not affect viability at 45 °C or at pH 9, but it determined a decrease of microbial growth to pH 4 (lactobacilli and bifidobacteria). However, the US did not affect the GI of propionibacteria. The effect of attenuation could be enhanced by the storage under refrigeration. US-treatment did not affect most of the technological traits, but generally caused an increase of susceptibility to some antibiotics. Concerning probiotic traits, US caused an increase of hydrophobicity for L. reuteri and P. freudenreichii spp. freudenreichii, after US-exposure. These results were confirmed with adhesion to Caco-2 cells for L. reuteri. US-attenuated L. reuteri experienced a significant increase of hydrophobicity (from 3 to 25%) and a higher adhesion to Caco-2 cells. Moreover, US improved the stability of the biofilm over the time, and this result confirmed the data obtained with hydrophobicity. (ii) The release of nucleic acids and proteins was found, highlighting that cell membrane could be another target physical treatments. (iii) Concerning the effects of US on gut microbiota, the ultrasound didn’t affect the gut microbiota, but in some cases, it could have a positive effect. Significance and Impact of PhD research: A main drawback of probiotics in foods can relate to their active metabolism, some strains of lactic acid bacteria continue to produce lactic acid and cause post-acidification (the decrease of pH within the storage). Therefore, it is important to control their metabolism. A possible way to control the metabolism of probiotic in foods is the attenuation through physical or chemical methods. One of the emerging technologies is ultrasound (US). This approach was used to avoid post-acidification in a commercial rice drink (Bevilacqua et al., 2016). The present PhD thesis contributed to evaluate the effects of attenuation with ultrasound, on some technological and probiotic strains, testing three different genera of probiotic strains. Moreover, this PhD project has investigate the changes that may affect probiotic strains after attenuation; the release of proteins, nucleic acids. Finally, the novelty of this PhD thesis was the study of the effects of attenuated strains on gut microbiota. Future trends: A future perspective could be a focus on the use of US to improve or modulate the adhesion of probiotic strains, considering the increase of hydrophobicity and the higher adhesion to Caco-2-cells. It is important to investigate the effects of other attenuated strains on gut microbiota by modulating the variables of the treatment. Key words: Hydrophobicity, acidification, growth, attenuation, gut-microbiota, proteins, nucleic acid, ultrasound, attenuated microorganisms, probiotics, lactic acid bacteria.

La mia tesi si inserisce nelle attività di ricerca del progetto Alma Idea, finalizzato alla selezione di un ceppo di Lactobacillus spp. di origine vaginale, come coltura aggiuntiva nella formulazione di un alimento di genere in grado di preservare il benessere femminile, considerando anche l’importanza della qualità organolettica e sensoriale dell’alimento stesso. In questo contesto, l’obiettivo del presente lavoro di tesi è stato indagare alcune proprietà funzionali di un pool di ceppi appartenenti alle specie di Lactobacillus crispatus (BC1, BC3, BC4, BC5, BC6, BC7 e BC8), Lactobacillus gasseri (BC9, BC10, BC11, BC12, BC13 e BC14) e Lactobacillus vaginalis (BC16 e BC17), con lo scopo di selezionare quelli più promettenti per una loro futura applicazione come probiotici in un alimento tipo formaggio. In particolare, sono state indagate la capacità di autoaggregazione, l’idrofobicità, la facoltà di deconiugare i sali biliari e la resistenza alla digestione gastrica duodenale simulata, quando inoculati in latte conservato a 4°C. Infine, è stata testata la capacità dei ceppi di aderire a cellule intestinali tipo Caco-2. I risultati ottenuti hanno evidenziato come i ceppi Lactobacillus crispatus BC3, Lactobacillus gasseri BC9, Lactobacillus gasseri BC14, Lactobacillus vaginalis BC16 e BC17 fossero caratterizzati da elevati valori di idrofobicità e di autoaggregazione. Inoltre, i test effettuati hanno dimostrato come i ceppi di Lactobacillus crispatus BC4, BC6, BC7 e BC8 manifestassero attività enzimatiche (BHS) in grado di agire modulando il metabolismo lipidico. Durante la digestione gastrica simulata, testata sia dopo l’inoculo in latte che dopo 7 giorni di conservazione a temperature di refrigerazione, la resistenza dei ceppi si è dimostrata elevata. Infine, Lactobacillus crispatus BC8 e Lactobacillus vaginalis BC17 sono gli unici ceppi ad aver dimostrato medie capacità di adesione alle cellule Caco-2.