Approches innovantes pour la préservation et la sécurité des aliments : développement de l'emballage actif et dépistage microbiologique avancé

Innovative approaches to food preservation and safety : development of active packaging and advanced microbiological screening

• Auteur / Autrice : Francesco Rizzotto
• Direction : Jasmina Vidic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies
• Date : Soutenance le 13/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Microbiologie de l'Alimentation au Service de la Santé humaine (Jouy-en-Josas)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Karbowiak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elena Rodica Ionescu, Mariza Manzano, Emanuela Torelli, Yanxia Hou-Broutin, Michel Federighi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Karbowiak, Elena Rodica Ionescu
• DOI : 10.70675/e770f532zaaffz42bbza639zcf51af693cbe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sondes à ADN

Aptamères

Nanoparticules

Électrochimie

Mots clés libres

Emballage actif

Préservation des aliments

Dépistage microbiologique

Biocapteurs

Pathogènes

Nanomatériaux

Food preservatioN

Active packaging

Nanomaterials

Microbiological screening

Pathogens

Biosensors

Résumé

La conservation et la sécurité des aliments font partie des préoccupations majeures du secteur agroalimentaire. Le gaspillage alimentaire, dû à la détérioration et à la contamination microbienne, a un fort impact économique. De plus, les agents pathogènes d'origine alimentaire posent un risque sérieux pour la santé des consommateurs. Les techniques conventionnelles de conservation des aliments et d'analyse microbienne présentent des limites qui nécessitent d'innovation. Cette thèse a pour objectif de développer des solutions pratiques et durables pour améliorer la qualité et la sécurité des aliments. Les nanoparticules (NPs) métalliques et d'oxyde métallique sont des matériaux polyvalents, en raison de leurs propriétés uniques, telles que leurs activités antioxydantes, antimicrobiennes, optiques et catalytiques. Ils peuvent être ajoutés aux films d'emballage pour inhiber la croissance microbienne et prolonger la conservation des aliments. Dans cette étude, des NPs ont été développées en dopant le TiO2 avec du fer. Les NPs Fe2TiO5 obtenues n'ont pas été trouvées cytotoxiques, comme démontré sur les cellules Caco-2. De plus, il n'y avait pas de migration d'ions de fer ou de titane vers des simulants alimentaires des films incorporant Fe2TiO5 dans de l'alginate. Ceci suggère leur sécurité en tant que matériau d'emballage. Une forte efficacité antioxydante a également été montrée par les Fe2TiO5, confirmée par un test de conservation des fruits frais avec le film d'alginate contenant les Fe2TiO5. L'alginate, matériau biodégradable, offre une alternative aux plastiques pétroliers, favorisant une préservation alimentaire durable.Deux solutions différentes ont été étudiées pour développer de nouveaux tests de dépistage des pathogènes alimentaires. La première consistait en un test colorimétrique pour détecter les spores de B. cytotoxicus, qui posent un risque sérieux pour les consommateurs, en raison de leur résistance aux traitements lors de la production industrielle. Le principe de détection repose sur l'activité catalytique des nanoparticules d'or (AuNPs) similaire à celle de la peroxydase, amplifiée par les spores. La plateforme de détection comprend un microtube contenant des AuNPs et des particules magnétiques (MPs), toutes deux conjuguées avec un aptamère sélectionné pour sa spécificité envers les spores de B. cytotoxicus. Lors de l'ajout de l'échantillon, la présence des spores est déterminée par le changement de couleur accru de la solution, dû à l'oxydation de la tétraméthylbenzidine en présence de H2O2. Le test développé a permis une détection à l'œil nu, rapide et spécifique, des spores cibles directement dans les denrées alimentaires telles que le lait ou la purée de pommes de terre. Le deuxième test consistait en un génocapteur électrochimique pour détecter Campylobacter, la cause la plus fréquente de zoonose d'origine alimentaire. La détection était basée sur l'hybridation entre une séquence d'ADN de Campylobacter avec une sonde ADN complémentaire, immobilisée sur une électrode en or sérigraphiée. Une passivation avec du mercaptohexanol a été réalisée pour réduire les phénomènes d'adsorption des molécules d'ADN sur l'électrode, et éviter les signaux non spécifiques. L'étude présentait des capacités prometteuses de détection. Cependant, des défis concernant la passivation de la surface et la stabilité du signal de détection, soulignant la nécessité d'optimisations supplémentaires. Dans l'ensemble, la thèse vise à améliorer la qualité et la sécurité des aliments, contribuer à un système alimentaire plus durable et stimuler la recherche et le développement technologique.

Food conservation and safety are major concerns in the agri-food sector. Food lost and waste, due to deterioration and microbial contamination, have a significant economic impact. Additionally, foodborne pathogens pose serious health risks to consumers. Conventional methods for food preservation and microbial analysis have limitations that urgently require innovation. This thesis aims to develop practical and sustainable solutions to enhance food quality and safety. Metallic and metal oxide nanoparticles (NPs) are versatile materials known for their unique properties such as antioxidant, antimicrobial, optical, and catalytic activities. They can be incorporated into packaging films to inhibit microbial growth and extend food shelf life. In this study, NPs were developed by doping TiO2 with iron to obtain Fe2TiO5 NPs, which were found non- cytotoxic as demonstrated on Caco-2 cells. Furthermore, films incorporating Fe2TiO5 into alginate showednomigrationofironortitaniumionsintofood simulants, suggesting their safety as packaging materials. Fe2TiO5 also exhibited strong antioxidant efficacy, confirmed by a fresh fruit preservation test using alginate films containing Fe2TiO5. Alginate, a biodegradable material, offers an alternative to petroleum-based plastics, promoting sustainable food preservation. Two different solutions were studied to develop new methodologies for detecting foodborne pathogens. The first involved a colorimetric test to detect B. cytotoxicus spores, which pose a serious risk due to their resistance to industrial treatments. The detection principle is based on the peroxidase-like catalytic activity of gold nanoparticles (AuNPs) enhanced by the spores. The detection platform consists of a tube containing AuNPs and magnetic particles, both conjugated with an aptamer selected for its specificity towards B. cytotoxicus spores. Upon addition of the sample, the presence of spores is indicated by an increased color change of the solution, due to the oxidation of tetramethylbenzidine (TMB) in the presence of H2O2. The developed test enabled rapid and specific naked-eye detection of target spores directly in food items such as milk or mashed potatoes. The second test involved an electrochemical genosensor to detect Campylobacter, the most common cause of foodborne zoonoses. Detection was based on hybridization between a Campylobacter DNA sequence and a complementary DNA probe immobilized on a screen-printed gold electrode. After DNA probe immobilization, passivation with mercaptohexanol was carried out to reduce DNA molecule adsorptionphenomenaontheelectrodeandavoid nonspecific signals The study demonstrated promising detection capabilities. However, challenges regarding surface passivation and detection signal stability underscored the need for further optimizations. Overall, the thesis aims to improve food quality and safety, contribute to a more sustainable food system, and stimulate technological research and development.