Développement et analyse d'un modèle dynamique d'attaque de phages lors de l'acidification du lait pour la fabrication du fromage

Development and analysis of a dynamic model of phage attack in milk acidification for cheese-making

• Auteur / Autrice : Michèle Bou habib
• Direction : Ioan Cristian Trelea, Emmanuel Bernuau, Dominique Swennen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 10/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Paris-Saclay Food and Bioproduct Engineering (Massy, Essonne ; 2020-....) - Paris-Saclay Food and Bioproduct Engineering / SayFood
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Modélisation et ingénierie par le calcul
• Partenaire(s) de recherche : Référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Denis Efimov
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Casenave, Jesus Maria Frias Celayeta, Jesús Andrés Pico marco, Jean-Philippe Steyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Céline Casenave, Jesus Maria Frias Celayeta, Jesús Andrés Pico marco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Produits laitiers

Analyse des systèmes

Fermentation lactique

Mots clés libres

Modélisation mécaniste

Procédés alimentaires

Intéractions bactéries/phages

Mechanistic modeling

Food processing

Bactera/phage interactions

Résumé

Avec l'augmentation de la demande pour les produits fromagers, l'optimisation des procédés de production est devenue essentielle. L'une des premières étapes de la fabrication du fromage est l'acidification du lait, qui influence fortement les propriétés organoleptiques, la texture et la sécurité du produit final. Elle consiste à convertir le lactose, sucre du lait, en acide lactique par des bactéries lactiques. Cependant, ces bactéries sont sensibles aux attaques de virus appelés bactériophages. Ces attaques peuvent entraîner la lyse bactérienne, retardant ou arrêtant l'acidification, ce qui engendre des pertes économiques dues au rejet du lait et à la nécessité de nettoyer les installations. Cela souligne l'importance d'une meilleure compréhension des interactions phages-bactéries en fromagerie.Une approche novatrice pour étudier ces interactions est la modélisation mécaniste dynamique. Cette étude vise donc à contribuer à une meilleure compréhension des interactions phages-bactéries dans les processus de fermentation du lait en établissant un modèle dynamique.Pour ce faire, nous avons utilisé une méthode de mesure à haut débit du pH pour générer des données sur l'acidification dans différentes conditions initiales de bactéries et de phages. Cette approche nous a permis de distinguer trois résultats distincts en fonction de ces conditions : pour certaines conditions, l'acidification a été une réussite ; pour d'autres, elle a échoué ; et pour le reste, le résultat n'a été ni un échec complet ni une réussite complète.Le modèle mécaniste développé comprend cinq équations différentielles ordinaires (EDO) et prend en compte divers phénomènes, tels que l'inhibition par le produit, le temps de latence, l'adsorption des phages et la lyse cellulaire. Le modèle a donné des résultats satisfaisants, prédisant avec précision les données expérimentales et identifiant correctement le résultat de l'acidification. Nous avons également comparé différentes structures de modèle et effectué une analyse de sensibilité pour révéler les phénomènes dominants, ce qui a aussi aidé à concevoir de nouvelles expériences informatives.Une analyse théorique du modèle a révélé trois phases temporelles de l'attaque : d'abord, la phase de contamination, un court laps de temps où les phages s'adsorbent aux bactéries ; puis la phase de propagation, dominée par la propagation des phages et l'infection des bactéries sensibles ; et enfin, la phase de décharge, caractérisée par la lyse bactérienne et la libération de nouveaux phages. Le temps de transition entre les deux dernières phases, noté t*, a été relié aux conditions initiales. Nous avons également identifié une composante dynamique rapide qui peut être séparée des dynamiques lentes. En utilisant l'approximation de l'état quasi-stationnaire, nous avons établi une relation analytique entre les conditions initiales des bactéries et des phages et le pH final. Cela montre que l'acidification ne dépend pas uniquement du rapport des conditions initiales. Cette approximation a permis de réduire le modèle, économisant 83 % du temps de simulation.Enfin, nous avons développé un outil pour prédire le nombre d'acidifications réussies possibles avant qu'un nettoyage ne soit nécessaire. Les résultats sont basés sur des données faciles à obtenir, comme la quantité de bactéries utilisée et les résultats d'une acidification précédente. Cela représente une première étape vers la conception d'un outil d'aide à la décision pour les fromagers.Cette étude améliore notre compréhension des dynamiques d'attaque des phages lors de l'acidification du lait et permet des prédictions précises grâce à un système d'EDO et un modèle réduit.

As the demand for diverse cheeses increases, there is a growing interest in optimizing production processes. One of the earliest steps in cheese-making is milk acidification, which highly influences the final product's organoleptic properties, texture, and safety. Milk acidification involves the conversion of lactose, the sugar in milk, into lactic acid by lactic acid bacteria. However, these bacteria are susceptible to attack by viruses known as bacteriophages. This attack can lead to bacterial lysis, resulting in delayed or halted acidification, which incurs significant economic losses as milk is discarded and production facilities require extensive cleaning. This highlights the need for a deeper understanding of phage-bacteria interactions in cheese-making. Research efforts in the dairy industry have primarily focused on characterizing the phages involved and finding new strategies to mitigate phage attacks.One novel approach to studying these interactions is through dynamic mechanistic modeling. Previous models have been developed but have never been applied to the dairy industry. This study aims to fill this gap by contributing to the broader understanding of phage-bacteria interactions in milk fermentation through the establishment of a dynamic model.To achieve this, we first employed a high-throughput pH measurement method to generate acidification data under different initial conditions of bacteria and phages. This methodology proved useful in distinguishing various dynamic behaviors depending on these conditions. It allowed us to delineate three distinct outcomes depending on these conditions: for some conditions the acidification was a success; for some others, it was a failure; and for the rest, the result was neither a complete failure nor a complete success.The mechanistic model we developed consists of five ordinary differential equations (ODEs) and accounts for various phenomena, including product inhibition, lag time, phage adsorption, and cell lysis. The model yielded satisfactory results, accurately predicting experimental data and correctly identifying the acidification outcome. We further investigated the model's structure by comparing various candidate structures and performing a sensitivity analysis to reveal the dominant phenomena throughout the process. The sensitivity analysis also contributed to the design of new informative experimental setups.A theoretical analysis of the model provided insights into the intrinsic dynamics of the system, revealing three time frames of the attack. First, the contamination phase, a short initial time where phages adsorb to the bacteria. Next, the spread phase, where the dominant dynamics involve the spread of phages and the infection of susceptible bacteria. Finally, the discharge phase, where the dominant dynamics are the lysis of bacteria and the release of new phages. The switch time between the last two phases was defined as t∗ and its dependency on the initial conditions was characterized.We also identified a faster dynamic component of the system that can be separated from slower ones. Utilizing the quasi-steady state approximation, we established an analytical relationship between the initial conditions of bacteria and phages and the resulting pH. This relationship indicates that the final outcome of acidification does not solely depend on the ratio of initial conditions but is more complex. The approximation resulted in a reduced model that saved 83% of the simulation time.Finally, we developed a tool to predict the number of potential successful acidifications that can be run before cleaning is required. The results are based on easily obtainable inputs. This represents a first step toward designing a decision aid tool to help cheese makers in their production.This study enhances our understanding of the dynamics of phage attack in milk acidification and facilitates accurate predictions of these dynamics through an ODE system and a reduced model.