Tout au long du processus de transformation et de stockage, les matières premières alimentaires sont susceptibles d’être colonisées par des micro-organismes. On estime que 5 à 10 % de la production alimentaire mondiale est perdue du fait de la prolifération de levures et/ou moisissures au sein de ces matrices. L’industrie laitière est la deuxième filière agro-alimentaire au monde et celle-ci n’est pas épargnée par ces contaminations. Pour résoudre cette problématique et répondre à la demande grandissante des consommateurs visant à éliminer les conservateurs chimiques dans les produits alimentaires, la biopréservation par des ferments bactériens représente la meilleure alternative. Dans cette étude, la capacité antifongique de 18 souches de lactobacilles a été analysée vis-à-vis de la croissance de souches fongiques isolées de produits laitiers contaminés. Quatre souches de Lactobacillus présentant le spectre d’inhibition le plus large ont ainsi été sélectionnées. La caractérisation des molécules antifongiques produites a été réalisée à partir de cultures en milieu MRS, milieu lait et fromages frais, révélant la synergie de l’acide lactique avec d’autres molécules. Ces molécules se sont révélées faiblement produites et correspondent à des acides organiques issus de la dégradation d’acides aminés (acide phényllactique, acide benzoïque, …), des acides gras (C12, C14, C16 saturé ou non, C18 saturé ou non) et des molécules volatiles ou semi-volatiles (diacétyle, acide acétique, …). L’augmentation de l’activité antifongique par surproduction de ces molécules a par la suite été tentée par différentes approches : mutagénèse aléatoire, ajout de précurseurs dans le milieu, etc, malheureusement sans succès. / Throughout the processing and storage process, food raw materials are likely to be colonized by micro-organisms. It is estimated that 5 to 10% of global food production is lost due to the proliferation of yeasts and/or molds within these matrices. The dairy industry is the second largest food industry in the world and is not immune to this contamination. To solve this problem and meet the growing consumer demand to eliminate chemical preservatives in food products, biopreservation with bacterial ferments is the best alternative. In this study, the antifungal capacity of 18 strains of Lactobacillus was analyzed with respect to the inhibition of growth of fungal strains isolated from contaminated dairy products. Four Lactobacillus strains with the broadest inhibition spectrum were selected. The characterization of the antifungal molecules produced was carried out from cultures in MRS medium, milk medium and fresh cheese, revealing the synergy of lactic acid with other molecules. These molecules have been found to be weakly produced and correspond to organic acids resulting from the degradation of amino acids (phenyllactic acid, benzoic acid,...), fatty acids (C12, C14, C16 saturated or unsaturated, C18 saturated or unsaturated) and volatile or semi-volatile molecules (diacetyl, acetic acid,...). The increase in antifungal activity by overproduction of these molecules was subsequently attempted by different approaches: random mutagenesis, addition of precursors to the environment, etc., unfortunately without success.

Les endospores bactériennes sont l’une des formes les plus résistantes du vivant. Leur capacité à survivre aux traitements de décontamination et leur potentielle pathogénicité pose de réels problèmes aux industriels de l’agroalimentaire. L’usage de conservateurs ou de traitements thermiques reste aujourd’hui la seule solution pour empêcher leur développement dans les aliments. Cependant, les impacts négatifs de ces deux procédés sur les qualités nutritionnelles et la santé du consommateur poussent les industriels à se tourner vers des méthodes de décontamination alternatives.Le procédé de traitement par hautes pressions hydrostatiques (HP) est l’un des nouveaux procédés de décontamination athermique le plus rependu pour la pasteurisation des aliments. Cependant, ce procédé n’a que très peu d’effet sur les endospores et doit donc être combiné avec d’autres méthodes de décontamination. L’objectif de cette thèse a été d’évaluer le potentiel de la combinaison du traitement HP avec la biopréservation pour inactiver des spores thermorésistantes et pathogènes. Cette méthode de décontamination douce met en œuvre des bactéries lactiques protectrices ou les molécules antimicrobiennes qu’elles produisent, telles que la nisine. Des méthodes d’investigations globales telles que la microspectroscopie, la spectroscopie infrarouge et le dichroïsme circulaire, il a été démontré que les HP avaient un effet non négligeable sur l’effet antimicrobien de la nisine. En affectant les structures secondaires de cette protéine, la pression induit une diminution non négligeable de son action antimicrobienne. Cependant, présente dans le milieu de recouvrement de spores traitées en pression, la nisine peut induire une inactivation conséquente (>7 log) d’une population de spores thermophiles et pathogènes. Cette sensibilisation des spores à a nisine par les HP est due l’initiation des toutes premières phases de la germination des spores induites par la pression, non détectées par des méthodes d’analyses classiques. Ces résultats apportent ainsi de nouvelles données pour la compréhension de l’effet des HP sur les spores. Ils permettent aussi d’envisager l’utilisation conjointe des HP et de la nisine à l’échelle industrielle. / Bacterial endospores are one of the most resistant life form on earth. Their capacity to survive to decontamination processes and their potential pathogenicity represent a real problem for the food industry. Currently, the only way to prevent their development in foods is the application of thermal treatments or the use of preservatives. However, these two methods have negative impacts on the nutritional properties of foods and on the consumers’ health. High hydrostatic pressure (HP) is a non-thermal process widely used for commercial pasteurization of foods. However, this process has a very low effect on spores and has therefore to be combined with other decontamination processes to enhance its effectiveness. The objective of this work was to evaluate the potential of the use of biopreservation as an additional hurdle for the inactivation of thermoresistant and pathogenic foodborne spores by HP. Biopreservation is a gentle decontamination process involving protective culture or the antimicrobial agents they produce, like nisin. Thanks to global investigation methods such as microspectroscopy, infrared spectroscopy or circular dichroism, this study showed that HP treatment could affect the antimicrobial properties of nisin. By affecting the secondary structures of this protein, HP can induce a drastic drop in its antimicrobial activity. However when added in the recovery medium of HP-treated spores, nisin can induce their synergistic inactivation (> 7log). This HP-sensitization of spore to nisin is due to the induction of the very first steps of the germination process, usually not detected by the current methods of germination analysis. These results bring knew knowledges about the underlying mechanisms of spores germination under HP and gives new perspectives for the combined used of HP and nisin at the industrial scale.

Carnobacterium maltaromaticum est une bactérie lactique atypique isolée de fromages à pâte molle. Les caractéristiques majeures de cette bactérie sont i) sa capacité à produire un arôme de type malté ou chocolaté, le 3-méthylbutanal à partir du catabolisme de la leucine ii) sa capacité à produire des bactériocines, peptides à activité antibactérienne vis-à-vis de flores pathogènes et/ou d'altération fréquemment rencontrées en industries alimentaire, telle que Listeria monocytogenes. Une caractérisation phénotypique et génotypique réalisée sur six souches de C. maltaromaticum isolées du même biotope a montré que celles-ci ne sont pas phylogénétiquement identiques. Même si ces souches n'ont pas la capacité à coaguler rapidement le lait, elles sont acidotolérantes. Elles n'influent pas sur la capacité ni la rapidité de coagulation des starters, Lactococcus lactis et Streptococcus thermophilus utilisés en industrie laitière. L'étude de l'impact de C. maltaromaticum sur la flore bactérienne du fromage a révélé que sa présence provoque la diminution de la concentration de Psychrobacter, germe pouvant être responsable d'une accélération du phénomène de vieillissement du fromage. Un plan d'expérience a été réalisé pour mettre en évidence ces inhibitions et les éventuelles interactions entre différents facteurs (concentration cellulaire initiale, concentration en NaCl, pH, durée d'incubation). Deux modèles ont été choisis i) Psychrobacter sp. et ii) L. monocytogenes. La concentration cellulaire de C. maltaromatiucm est le facteur le plus important pour inhiber les bactéries testées. Cette espèce opportuniste pourrait être considérée comme un auxilliaire de fabrication intéressant et pourrait être retenue comme flore bactérienne d'affinage. Toutes les souches de C. maltaromaticum testées sont capables de produire du 3-méthylbutanal pouvant conférer une flaveur maltée au fromage. Les études menées sur la biosynthèse du 3-méthylbutanal ont montré la présence et la fonctionnalité de deux voies métaboliques; la voie directe impliquant l'alpha-cétoacide décarboxylase et la voie indirecte passant par l'alpha-cétoacide déshydrogénase. L'oxygénation du milieu de culture a un impact positif sur la formation du 3-méthylbutanal et du 3-méthylbutanol avec la stimulation des voies directes et indirectes / Carnobacterium maltaromaticum is a lactic acid bacterium isolated from atypical soft cheeses. The major characterstics of this bacterium are i) its ability to produce a malty or chocolate-like flavor 3-methylbutanal from leucine catabolism ii) its ability to produce bacteriocins against pathogenic and spoilage bacteria for instance, Listeria monocytogenes. Phenotypic and genotypic characterization of six strains of C. maltaromaticum isolated from the same habitat showed that they were not phylogenetically identical. Although these strains lacked the ability to coagulate the milk quickly, they were acid tolerant. They did not affect the milk coagulation capacity of startes, Lactococcus lactis and Streptococcus thermophilus used in dairy industry. The study on the impact of C. maltaromaticum on the bacterial flora of cheese showed that its presence resulted in the decrease of the concentration of Psychrobacter, which might be responsible for accelerating the aging phenomenon of cheese. An experimental plan was realized to highlight these inhibitions and possible interactions between factors (cell concentration, NaCl, pH, incubation time) by choosing two models i) Psychrobacter sp. and ii) L. monocytogenes. The cell concentration of C. maltaromatiucm was the factor more significant for the inhibitions of the tested bacteria. Being psychrotrophic, alkalinophilic, malty or chocolate flavor producing and biopreservative agent, this species could play a role as a ripening flora of cheese. All strains of C. maltaromaticum tested were able to produce 3-methylbutanal conferring any malt flavor to cheese. The results on the physiology involved in the biosynthesis of 3-methylbutanal showed the presence and functionality of both metabolic pathways; the direct by alpha-ketoacid dacarboxylase enzyme and indirect comprising alpha-keto acid dehydrogenase enzyme. The oxygenation of culture medium had a positif impact on the formation of 3-methylbutanal and 3-methylbutanol with the stimulation of both direct and indirect metabolic routes

L'industrie alimentaire cherche constamment à améliorer les processus de conservation des aliments. La biopréservation s’impose comme une alternative à l’utilisation de conservateurs dits «chimiques» et fait appel à des micro-organismes sélectionnés en tant que cultures protectrices pour leurs propriétés antimicrobiennes naturels. L'objectif de cette étude était de tirer profit de la diversité de Carnobacterium maltaromaticum afin d’identifier des souches capables d'inhiber la croissance du pathogène alimentaire Listeria monocytogenes. Pour cela, une méthode de typage moléculaire permettant la reconnaissance fine de souches a été établie, puis une méthode de criblage d’activités antibactériennes à robustesse élevée a été mise au point. La méthode de typage moléculaire est une méthode MLVA (Multiple-locus variable-number tandem repeat (VNTR) analysis) avec 3 loci de VNTR (VNTR-A, VNTR-B, VNTR-C) permet de discriminer 15 génotypes différents au sein d’une collection de 24 souches. Cela confirme la grande diversité génotypique et phénotypique présente au sein de la population de C. maltaromaticum et la performance de la méthode. La méthode de criblage est basée sur la réalisation d’essais de compétition à haut débit où chaque membre d’une collection de C. maltaromaticum a été co-cultivé avec une souche bioluminescente de L. monocytogenes. Il a été montré que la production de luminescence est le reflet de la croissance de L. monocytogenes en micro-culture et qu’il est ainsi possible de tester la stabilité du pouvoir antagoniste de chaque membre de la collection dans de multiples conditions de cultures différentes. Cette méthode a ainsi permis d’identifier des souches de C. maltaromaticum dont la propriété anti-L. monocytogenes est peu influencée par les conditions de cultures. Outre l’intérêt fondamental que présente cette méthode pour l’étude des interactions compétitives dans l’aliment, elle a permis d’identifier des souches présentant un fort potentiel de valorisation dans le domaine de la biopréservation alimentaire / The food industry is constantly seeking to improve food preservation processes. Biopreservation imposes itself as an alternative to the use of chemical preservatives and involves micro-organisms selected as protective cultures for their natural antimicrobial properties. The aim of this study was to benefit from the diversity of Carnobacterium maltaromaticum in order to identify strains capable of inhibiting the growth of Listeria monocytogenes, a food-borne pathogen. For this purpose, a molecular typing method that enables fine strain identification has been established, then a method of screening of antibacterial activities with high robustness has been developed. The molecular typing method is a MLVA (Multiple-locus variable-number tandem repeat (VNTR) analysis) with 3 VNTR loci (VNTR-A, VNTR-B, VNTR-C). It allowed to discriminate 15 different genotypes among a collection of 24 C. maltaromaticum strains. These results confirmed the high strain diversity within this species and showed the high performance of this method. The screening method is based on high throughput competition assays where each member of a collection of C. maltaromaticum strains was co-cultivated with a bioluminescent strain of L. monocytogenes. It was established that the bioluminescence of this strains is highly correlated to bacterial growth in micro-cultures, indicating that it is possible to investigate the stability of antagonistic properties of each collection member under multiple different culture conditions. The use of this method allowed to identify C. maltaromaticum strains with bioprotection properties that are poorly influenced by culture conditions. Besides the fundamental interest of this method for investigations of competitive interactions in food, it allowed to identify strains with high potential for bioprotection applications

Parmi les différentes méthodes de lutte contre les microorganismes pathogènes et/ou altérants en agroalimentaire, l’utilisation de bactéries lactiques (LAB) bioprotectrices s'avère être un outil prometteur pour la préservation des aliments. Ce travail de thèse collaboratif, entre l'équipe PAPC (AgroSup Dijon, Université de Bourgogne) et le laboratoire BioDyMIA (Université Lyon1-Isara Lyon), concerne l'étude de systèmes bioprotecteurs immobilisant des cellules entières de LAB dans une matrice polymérique d'alginate de sodium et de caséinate de sodium pour une activité ciblée contre Listeria spp. Dans un premier temps, la méthodologie mise en œuvre a consisté à sélectionner des souches de LAB bioprotectrices sur la base de leur activité antimicrobienne évaluée par la méthode de diffusion en milieu gélosé contre trois souches de Listeria spp. Quatre souches sur 19 ont ainsi été sélectionnées. Une caractérisation partielle des métabolites antimicrobiens produits par ces 4 souches a ensuite été réalisée en appliquant des traitements thermiques et enzymatiques aux surnageants de culture correspondants pour évaluer si ces traitements altéraient l’activité des métabolites antimicrobiens présents. Une purification et une identification partielle des actifs antimicrobiens de nature peptidique ont été réalisées uniquement pour la souche d'intérêt principale : Lactococcus lactis LAB3. Dans un second temps, une formulation de la matrice polymérique d’immobilisation des LAB sélectionnées a été choisie en réalisant le diagramme de phases du système aqueux alginate de sodium/caséinate de sodium : 1,5 % (m/m) d'alginate de sodium / 4 % (m/m) de caséinate de sodium / 20 % (m/m) bouillon MRS. Cette formulation a permis d'obtenir une matrice composée d’une phase continue riche en alginate et d’une phase dispersée riche en caséinate dans laquelle les cellules de LAB se localisent préférentiellement d’après les observations en microscopie de fluorescence confocale à balayage laser. Suite à l'inclusion des cellules de LAB dans ces matrices liquides et gélifiées d'alginate seul et d'alginate/caséinate, leur cultivabilité et leur activité anti-Listeria ont été suivies à 30°C pendant 12 jours. Ceci a révélé que la cultivabilité et l’activité antimicrobienne des cellules de LAB se maintiennent à des niveaux plus élevés dans les matrices d'alginate/caséinate que dans celles uniquement à base d’alginate. Ces matrices à base d’alginate et de caséinate apparaissent donc comme un système prometteur pour l'immobilisation de LAB bioprotectrices. Leur intérêt pour l’inclusion de LAB a pu être corrélé à leur viabilité et à la structure composite de cette matrice à base de protéines qui favoriserait la production et la libération des métabolites antimicrobiens / Among the various methods to control foodborne pathogenic and/or food spoilage microorganisms in food chain, bioprotective lactic acid bacteria (LAB) appear to be promising tools for food biopreservation. This collaborative study, between PAPC (Agrosup Dijon, University of Burgundy) and BioDyMIA (University Lyon1-Lyon Isara) laboratories, concerned the development of sodium alginate/sodium caseinate polymeric matrices intended to entrap LAB cells selected for their anti-Listeria spp. activity. First, 4 LAB strains from 19 LAB strains were selected for their anti-Listeria spp. activity: this screening was performed by the method of agar diffusion against three Listeria spp strains. Then, antimicrobial metabolites produced by the selected LAB strains were partially characterized by assessing the effect of various thermal and enzymatic treatments on the anti-Listeria spp. activity of their culture supernatants. A partial purification and identification of antimicrobial active peptides produced by the main strain of interest (Lactococcus lactis LAB3) was also performed. A composition of the polymer matrix has been selected by performing the phase diagram of sodium alginate/sodium caseinate system: 1.5% (w/w) sodium alginate / 4% (w/w) of caseinate sodium / 20% (w/w) MRS broth. This formulation provides a rich alginate continuous phase and a rich caseinate dispersed phase in which LAB cells localize according to the study by confocal microscopy. LAB cells were immobilized in liquid and gelled matrices of alginate and alginate/caseinate. Culturability and anti-Listeria activities were measured during a storage at 30°C for 12 days. The alginate/caseinate matrices were more effective in better maintaining LAB cells cultivability and their antimicrobial activity than alginate matrix. This effectiveness seemed correlated with cell viability and the dispersion-like structure of the protein-based system which enhance production and release of antimicrobial metabolites. Thus, this type of polymeric matrix appeared as a promising immobilization system of bioprotective LAB