Capacités bactériennes d’adhésion aux composants de l’aliment : ampleur du phénomène, caractérisation, et sensibilité au stress de cisaillement

Bacterial abilities to adhere to food components : extent, characterisation, and sensitivity to shear stress

• Auteur / Autrice : Faustine Gomand
• Direction : Claire Gaiani, Frédéric Borges
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie biotechnologique et alimentaire
• Date : Soutenance le 10/10/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'ingénierie des biomolécules (Vandoeuvre-les-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Cayot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Gaiani, Frédéric Borges, Mickaël Desvaux, Fabienne Quilès-Schmit, Nicolas Desprat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Cayot, Mickaël Desvaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance au stress

Cisaillement (mécanique)

Aliments

Bactéries -- Adhésivité

Lactobacillales

Mots clés libres

Bactéries lactiques

Adhésion

Aliment

Cisaillement

Modélisation

Résistance au stress

Lactic acid bacteria

Adhesion

Food

Shear flow

Modeling

Stress resistance

Résumé

Les bactéries lactiques (LAB) ont suscité ces dernières années un intérêt accru en agroalimentaire du fait de leur potentiel probiotique, i.e. des potentiels bénéfices santé associés à leur consommation. Les interactions adhésives entre bactéries et composants alimentaires sont susceptibles de jouer un rôle-clé à la fois sur la protection et la répartition des bactéries au sein de l’aliment, impactant donc leur action probiotique. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour objectif une meilleure compréhension de ces interactions, afin d’optimiser la fonctionnalité d’aliments contenant des LAB. En effet, le comportement adhésif de la majorité des LAB, ainsi que l’effet des interactions adhésives sur la structuration de l’aliment, sont encore mal connus. En outre, certaines étapes de fabrication alimentaire, telles que l’atomisation, peuvent être génératrices de stress pour les bactéries et donc partiellement compromettre leur capacité à adhérer. Dans le cas où ces bactéries seraient intégrées au sein d’une matrice adhésive, il est également légitime de s’interroger sur les effets de cette adhésion sur la protection des bactéries vis-à-vis du stress infligé. Une méthode de criblage haut-débit a d’abord été développée dans l’objectif d’évaluer rapidement l’affinité adhésive d’une centaine de souches vis-à-vis d’une gamme de biomolécules d’intérêt. Cette méthode a ensuite été appliquée à une collection de 73 souches LAB et a permis de dégager des caractéristiques communes parmi les souches adhérentes, notamment en termes de spécificité d’adhésion. Deux études (expérimentale et théorique) ont été menées conjointement sur l’impact du stress de cisaillement sur la fonctionnalité et l’intégrité des chaînes bactériennes. Ces études suggèrent que la rupture de chaînes bactériennes induite par un stress mécanique serait un processus protecteur de la fonctionnalité bactérienne. Le modèle construit prédit une régiosélectivité des dommages infligés aux cellules bactériennes en chaînes, dont l’intensité dépendrait également de la longueur de chaîne. Appliqué aux interactions adhésives bactéries-particules dans une matrice alimentaire soumise au cisaillement, le modèle suggère un impact défavorable de cette adhésion sur les dommages infligés aux bactéries, d’autant plus important que les particules sont de grande taille. Ce travail pluridisciplinaire apporte ainsi plusieurs éléments-clé qui seront utiles lors la conception et production d’aliments fonctionnels optimisés par rapport à leur action probiotique.

In the last decade, there has been an increasing interest in the potential health effects associated with consumption of Lactic Acid Bacteria (LAB) in foods. Adhesive interactions between bacteria and food components are likely to play a key role on bacterial probiotic action by modulating both bacterial protection and distribution within food matrices. Research presented in this thesis aims a better understanding of these interactions to help optimizing functional food design. Indeed, the adhesive behavior of most LAB, as well as the impact of adhesive interactions on food structuration, remain mostly unknown. Furthermore, some food manufacturing steps, such as spray-drying, may induce stress on bacteria, which can cause partial loss of bacterial adhesive capacities. In case of bacteria integrated within an adhesive matrix, the effect of adhesive interactions on bacterial protection from stress can also be questioned. A high-throughput screening method was first designed to screen quickly a hundred of strains for their adhesive affinities towards a given range of biomolecules of interest. This method was then applied to a 73-LAB strains collection which allowed identifying common characteristics amongst adhesive strains, especially in terms of adhesion specificity. Two studies (experimental and theoretical) were performed in parallel to determine the impact of shear stress on bacterial functionality and bacterial chains integrity. These studies suggest that the stress-induced breaking-down process of bacterial chains can be thought of as a functionality protective process. The proposed model predicts regioselectivity of damages inflicted to bacterial cells within a chain, which intensity would vary with chain length. When applied to bacteria-spherical component adhesive interactions within a food matrix submitted to shearing, the model suggests an unfavorable impact of adhesion on bacterial cell damages, which would be all the more important than spheres are big. This multidisciplinary research project points out several key findings that may help with designing more efficient food matrices for optimized LAB delivery.