Cours sur le rôle des microorganismes dans les aliments PDF

Univ. Batna2 Faculté SNV Master 1 Microbiologie appliquée Matière: Microbiologie agroalimentaire (S1) Chapitre 1: Rôle et action des microoganismes dans les aliments  Généralités La première prise de conscience que des microorganismes étaient impliqués dans les processus...

Univ. Batna2 Faculté SNV Master 1 Microbiologie appliquée Matière: Microbiologie agroalimentaire (S1) Chapitre 1: Rôle et action des microoganismes dans les aliments  Généralités La première prise de conscience que des microorganismes étaient impliqués dans les processus de production alimentaire remonte à 1837, lorsque des scientifiques ont découvert le rôle de la levure dans la fermentation alcoolique. Plus tard, dans les années 1860, lorsque le célèbre chimiste et biologiste français Louis Pasteur tentait d'expliquer ce qui se passait lors de la production de bière et de vinaigre, il a découvert que des microorganismes en étaient responsables. Cependant, ce n'est qu'après la Seconde Guerre mondiale que l'industrie alimentaire a commencé à développer les techniques biotechnologiques sur lesquelles nous comptons aujourd'hui pour produire une grande variété d'aliments meilleurs et plus sûrs, dans des conditions contrôlées. C’est quoi les aliments ? Substances nutritives consommées par les organismes. Essentiels pour la croissance, le travail, la réparation et le maintien des processus vitaux. Les aliments servent de carburant aux êtres vivants. Ils contiennent des nutriments, qui sont des substances organiques et minérales. Les principaux composants de l'alimentation incluent : Glucides, Lipides, Protéines, Sels minéraux, Fibres, Eau, Vitamines La transformation des aliments répond aux objectifs suivants : 1.Elle aide à prévenir la détérioration des aliments. 2.Elle permet de conserver la valeur nutritive des aliments. 3.Elle assure la disponibilité des aliments tout au long de l'année. 4.Elle garantit la disponibilité des aliments même dans des endroits éloignés ou difficiles d'accès. 5.Elle rend les aliments plus appétissants. Micro-organismes dans les aliments Les micro-organismes, en relation avec les aliments, peuvent jouer l'un de ces trois rôles : Les micro-organismes pathogènes peuvent causer des infections ou des intoxications. Les micro-organismes saprophytes jouent un rôle dans la biodégradation et provoquent l'altération des aliments. Les micro-organismes cultivés, comme les bactéries probiotiques, sont utilisés dans la transformation des aliments. - Micro-organismes présents dans tout l'environnement naturel des sources alimentaires. - Sources alimentaires humaines sont d'origine végétale et animale.  1. Origines des contaminations Diagramme d’Hishikawa (5M ou causes à effets ) =>Permet de recenser les origines des contaminations des aliments Contamination secondaire Apport microbien exogène est souvent inévitable (environnement, contact, manipulations, etc...) Microbiote original  1. 1. Matière: matière primaire =microbiote original - Aliments bruts ne sont pas stériles : ils portent des microorganismes divers et adaptés appelés microbiote original - Microoganismes normalement associés aux plantes et aux animaux. 1.1.1. Plantes et dérivés de plantes ▪ Certaines plantes produisent des métabolites antimicrobiens naturels, limitant ainsi la présence de certains microorganismes. ▪ Les fruits et légumes portent une microflore naturelle, qui n'inclut généralement pas de microorganismes pathogènes. ▪ Surface des fruits et légumes contient des microorganismes, dont le type et le niveau varient en fonction de l'état du sol, du type d'engrais, ainsi que de la qualité de l'eau et de l'air. ▪ Maladies des plantes, les dommages à la surface avant, pendant et après la récolte, ainsi que les longs délais entre la récolte et le lavage, peuvent augmenter considérablement le nombre et la diversité des microorganismes sur les aliments végétaux. ▪ Conditions de stockage et de transport défavorables après la récolte et avant la transformation exacerbent également cette situation. ▪ Flore naturelle de surface des plantes comprend généralement des espèces de détérioration appartenant aux genres Acetobacter, Bacillus, Clostridium, Enterobacter, Erwinia, Flavobacterium, Lactobacillus, Leuconostoc, Micrococcus, Pediococcus, Pseudomonas, et Xanthomonas. ▪ Les plantes peuvent contenir des pathogènes entériques provenant de diverses sources, notamment l'air, le sol, l'eau, les animaux, les humains, et les eaux usées non traitées. ▪ Certaines espèces des genres Rhodotorula, Saccharomyces, et Torula sont des levures importantes présentes sur les plantes, entraînant la détérioration des légumes et des fruits. ▪ Genres de moisissures couramment rencontrés sur les aliments d'origine végétale incluent Aspergillus, Alternaria, Botrytis, Cladosporium, Fusarium, et Penicillium. ▪ Les charges microbiennes sur les aliments d'origine végétale peuvent être réduites grâce à des méthodes appropriées, telles que : ▪ Utilisation d'eaux usées traitées ou d'autres types d'engrais lors de la culture. ▪ Évitement des dommages pendant la récolte. ▪ Lavage rapide avec de l'eau de bonne qualité pour éliminer le sol et la saleté. ▪ Stockage à basse température jusqu'à la transformation. 1.1.2. Animaux et produits dérivés Les sources naturelles de micro-organismes pour les aliments d'origine animale sont la peau, les poils, les plumes, le tractus gastro-intestinal, le tractus respiratoire et les mamelles des animaux. ▪ Tous les animaux et oiseaux en bonne santé possèdent une flore microbienne complexe. ▪ Des parties spécialisées de leur corps sont adaptées à la croissance et à la survie de micro-organismes typiques. ▪ Les sources de micro-organismes chez les animaux comprennent : ▪ La flore de la surface. ▪ Le tractus respiratoire. ▪ La flore du tractus gastro-intestinal. ▪ La peau. ▪ La flore cutanée normale dominante est composée de bactéries à Gram + des genres Corynebacterium, Micrococcus, Propionibacterium, et Staphylococcus. ▪ La viande des animaux et des oiseaux peut être contaminée par divers micro-organismes de décomposition et pathogènes.  La peau et les poils peuvent être contaminés par Staphylococcus aureus. Le tractus intestinal peut être contaminé par des pathogènes entériques, tels que : ▪ Salmonella ▪ Shigella ▪ E. coli pathogène ▪ Yersinia ▪ Listeria ▪ Campylobacter ▪ Streptococcus Le nez et la gorge, ainsi que les membranes muqueuses, sont colonisés par divers genres de micro- organismes, notamment Streptococcus et S. aureus. De nombreux animaux peuvent porter des pathogènes sans présenter de symptômes et contaminer les aliments pour animaux, incluant : ▪ E. coli pathogène ▪ Campylobacter jejuni ▪ Listeria monocytogenes ▪ Yersinia enterocolitica ▪ Coxiella burnetii ▪ Mycobacterium tuberculosis ▪ Salmonella ▪ Brucella Les oiseaux peuvent porter Salmonella enterica subsp. enterica sérotype enteritidis dans les ovaires et contaminer le jaune d'œuf lors de l'ovulation. ▪ Les poissons portent une microflore normale sur leurs surfaces (peau et branchies) et dans leurs tractus digestifs. ▪ La qualité de l'eau, les habitudes alimentaires et les maladies peuvent modifier la microflore et le nombre de micro-organismes. ▪ Les poissons et les produits de la mer sont d'importants vecteurs de pathogènes entériques. ▪ La post-contamination peut survenir durant les processus de fabrication et de manipulation, à partir des équipements, et par abus de température pendant le transport et le stockage, entraînant des niveaux élevés de micro-organismes pathogènes dans les poissons. ▪ Vibrio et Aeromonas sont largement répandus dans les environnements aquatiques. ▪ Aeromonas, E. coli pathogène, S. aureus, Salmonella et Vibrio sont des pathogènes infectieux d'origine alimentaire courants. ▪ Ces pathogènes peuvent être naturellement présents dans le poisson cru ou ajoutés par les personnes qui le manipulent. ▪ Les espèces de Vibrio (comme Vibrio parahaemolyticus, Vibrio vulnificus et Vibrio cholerae) peuvent provoquer des maladies après la consommation de fruits de mer crus ou insuffisamment cuits.  Les poissons vivant dans des eaux polluées par des matières fécales humaines et animales peuvent transporter des bactéries entériques (telles que Salmonella, Vibrio et E. coli). La microflore des poissons dépend de l'environnement de pêche dans lequel ils sont capturés. Les poissons vivant dans des eaux claires et froides portent un nombre réduit de micro-organismes par rapport aux poissons provenant d'eaux chaudes. Plus de 80 % des micro-organismes présents dans les poissons des zones à température chaude sont des bacilles à Gram-négatif, appartenant aux genres Pseudomonas, Moraxella, Acinetobacter, Flavobacterium et Vibrio.  Dans les crustacés, les bactéries prédominantes sont Moraxella et Acinetobacter. La microflore dominante des mollusques se compose de bactéries Gram-négatives (telles que Vibrio, Pseudomonas, Acinetobacter, Moraxella, Flavobacterium et Cytophaga). Des bactéries (comme Salmonella et E. coli) peuvent contaminer les aliments pour poissons. La contamination fongique des aliments pour poissons peut entraîner une aflatoxicose. L'apparition de mycotoxines dans les aliments pour poissons dépend des conditions de stockage des aliments, notamment de la température. 1.2. Contamination secondaire Milieu, Matériel, main d’oeuvre et méthode) 1.2.1. Milieu ( Environnement) Eau, sol et air a. Eau L'eau est utilisée dans la production alimentaire pour plusieurs applications, notamment : L'irrigation des cultures. L'abreuvement des animaux destinés à l'alimentation. Le lavage des aliments. Le traitement et le stockage des aliments, comme le poisson sur glace. L'assainissement des équipements, ainsi que des installations de traitement et de transport. Comme ingrédient dans les aliments. La qualité de l'eau a un impact significatif sur la qualité microbiologique des aliments. L'eau contaminée peut polluer les aliments directement ou indirectement via les mains, les équipements, le lavage, etc. L'eau peut contenir des micro-organismes de décomposition, tels que Alcaligenes, Bacillus, Chromobacterium, Enterobacter, Enterococcus, Escherichia, Flavobacterium, Micrococcus, Proteus et Pseudomonas. Une eau mal traitée peut également contenir: ▪ Bactéries pathogènes (comme Aeromonas, Campylobacter, E. coli pathogène, Legionella pneumophila, Salmonella, Shigella, Vibrio et Yersinia), ▪ Protozoaires (comme Ascaris lumbricoides, Cryptosporidium parvum, Giardia lamblia et Legionella) ▪ Virus entériques (comme les poliovirus, les virus coxsackie, les échovirus et les virus de Norwalk). Les principales sources de pathogènes contaminant l'eau sont les déchets humains et les déchets agricoles et animaux. b. Sol Le sol est naturellement pourvu en microorganismes différents : Bactéries, Champignons ou même des Algues microscopiques. Un gramme de terre prélevé à la surface d’un champ peut contenir deux milliards de bactéries ou bien trois milliards si le prélèvement est provient d’un sol de forêt. Parmi les microorganismes les plus représentés, on trouve : - Bactéries : Actinomycètes (100.000 à 30.000.000 par gramme de terre), Achromabacter, Enterobacter , Alcaligenes, Bacillus, Clostridium, Corynebacterium, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Serratia, Sarcina, Azotobacter, Nitrobacter, Nitrosomonas…etc. - Moisissures : Aspergillus; Rhizopus, Penicillium, Trichothecium, Bothrytis, Fusarium …etc. - Levures : Saccharomyces , Rhodotorula , Torula …etc., souvent associées aux plantes dans le sol. 1.2.2. Main d’oeuvre (Manipulateurs d'aliments) Manipulateurs d'aliments représentent une source importante de contamination par des micro-organismes dans les zones de service alimentaire et de production alimentaire. Plusieurs genres de bactéries sont spécifiquement associés aux mains, aux cavités nasales, à la bouche et au tractus intestinal de l'homme. Ils peuvent transférer des micro-organismes aux aliments lors du traitement, de l'emballage, de la préparation et du service en touchant, en respirant, en toussant et en éternuant. Streptococcus est couramment associé à la cavité nasale et à la bouche de l'homme. Micrococcus et Staphylococcus sont généralement présents sur la peau et les mains, ainsi que dans les cavités nasales et la bouche. Environ 30 à 50 % des personnes en bonne santé portent S. aureus dans leur nez et leur cavité nasale. Des moisissures et des levures peuvent également être présentes sur les mains. Escherichia, Salmonella et Shigella sont généralement associés au tractus intestinal. Une formation adéquate en hygiène personnelle, un contrôle régulier de la santé et le maintien de normes sanitaires efficaces sont nécessaires pour réduire la contamination provenant des manipulateurs d'aliments. 1.2.3. Matériel (Surface en contact avec les aliments) Matériels & instruments (petits et gros) qui véhiculent des germes des eaux souillées ou d’autres aliments en cas de mauvaises pratiques de nettoyage et de désinfection. Les types de micro-organismes sur les ustensiles de cuisine varient selon les aliments manipulés, l'entretien des ustensiles, leur stockage et d'autres facteurs. Les équipements peuvent être contaminés par des micro-organismes provenant de l'air, des aliments crus, de l'eau, des insectes et du personnel. Une utilisation prolongée des équipements de transformation peut entraîner une multiplication des micro-organismes en raison de résidus de produits. Cela peut devenir une source continue de contamination pour les aliments. Un entretien inapproprié des ustensiles, comme les planches à découper et les couteaux, peut provoquer des contaminations croisées. Des micro-organismes tels que Bacillus, Clostridium, Escherichia, et Salmonella peuvent contaminer les aliments via les équipements. Les matériaux d'emballage utilisés dans la production alimentaire doivent respecter les normes microbiologiques. L'utilisation d'équipements appropriés, un design hygiénique et un nettoyage efficace peuvent réduire la contamination microbienne.  1.2.4. Méthode: Fonctionnement et organisation Ingrédients Alimentaires? Nombreux ingrédients chimiques (additifs) ont été utilisés dans les aliments pendant de nombreuses années et ont contribué à la production d'aliments de haute qualité et à longue conservation. Additifs peuvent également être la source de micro-organismes pathogènes et d'altération, ainsi que de leurs toxines. Epices peuvent contenir un nombre très élevé de spores de moisissures et de bactéries. Amidon, le sucre et la farine peuvent avoir des spores de bactéries thermophiles. Des pathogènes (comme Salmonella) peuvent être présents dans les œufs séchés et le chocolat. Des moisissures toxigènes peuvent également s'associer aux ingrédients alimentaires et produire des mycotoxines. Procédures de manipulation inappropriées Une manipulation inappropriée des aliments peut permettre la contamination des aliments par des micro-organismes, entraînant des altérations et des maladies. Evolution de la flore microbienne  Evolution de la flore Le comportement de la flore microbienne va dépendre de plusieurs types de facteurs : niveau de la contamination initiale Structure biologique 1. Caractères propres à Composition en éléments, l’aliment Présence d'inhibiteurs naturels ou artificiels, pH. 2. Paramètres externes à l’aliment  Evolution de la flore Caractères propres à l’aliment Niveau de la contamination initiale: plus elle est élevée et plus l'activité sera précoce et importante. La présence d’enveloppes, coques, peaux etc. confère à certains Structure biologique aliments une excellente protection contre la prolifération microbienne (testas des graines, enveloppes des fruits, coquilles des noix, des oeufs, peau des animaux, etc.) Composition en éléments, Présence d'inhibiteurs naturels ou artificiels, pH.  Présence d'inhibiteurs naturels ou artificiels, acténines et facteurs anti-coliformes dans le lait frais : Le lait frais contient des substances naturelles appelées lacténines, ainsi que des facteurs spécifiques qui agissent contre certaines bactéries, comme les coliformes (bactéries souvent responsables de la contamination des aliments). Cependant, leur activité est limitée dans le temps, ce qui signifie qu'elles sont efficaces seulement pendant une certaine période après la production du lait. Lysozyme dans l'œuf : Le lysozyme est une enzyme présente dans les œufs (notamment dans le blanc d'œuf) qui agit contre les bactéries Gram positif (comme certaines bactéries responsables d'infections). Il dégrade les parois cellulaires de ces bactéries, ce qui limite leur développement. Acide benzoïque dans les airelles : Les airelles (ou canneberges) contiennent de l'acide benzoïque, un composé naturel qui empêche la croissance de levures et de moisissures. Cet acide est souvent utilisé comme conservateur naturel dans certains aliments pour prolonger leur durée de conservation. Thymol, eugénol et aldéhyde cinnamique : Ce sont des composés antimicrobiens présents dans certaines plantes et épices :  Composition chimique de l’aliment Pour proliférer, les microorganismes doivent trouver dans l’aliment des substances nutritives. Rappelons que les microorganismes dangereux sont pour la plupart hétérotrophes chimio-organotrophes et doivent donc trouver leur énergie dans les composants de l’aliment. Ils doivent aussi y trouver de l’eau, une source d’azote, des minéraux et pour certains des vitamines et des facteurs de croissance. Plus la diversité de composition d’un aliment est grande (produits animaux tels que les viandes et dérivés, le lait...) et plus sa susceptibilité à servir de milieu de culture est grande pH pH > 4,5 entre 4,5 et 9,5, de nombreuses altérations sont susceptibles de se produire et la plupart des bactéries pathogènes cultivent dans ces conditions. Aliments pH < 4,5 (Pas de multiplication de microoorganismes pathogènes Activité d’eau Microorganismes capables de se développer dans des produits à faible eau sont qualifiés de xérophiles (milieux fortement sucrés = osmophiles ou salés =halophiles. Moyens d’abaisser l’activité de l’eau sont nombreux : - physiques (congélation, déshydratation) - - additifs (salage, sucrage..) (aliments congelés, séchés, aux salaisons et saumures, confitures et bonbons (cf cours de technologie alimentaire). Potentiel d’oxydo-réduction Selon leur mode de respiration, les microorganismes (aérobies stricts, soit anaérobies stricts, soit aéro- anaérobies, soit micro-aérophiles... Mode respiration détermine la diversité des altérations rencontrées: - Moisissures et levures aérobies strictes se développent en surface formant des voiles plus ou moins épais - Levures fermentantes se multiplient en profondeur avec production de gaz – - Clostridium ne se développent qu’en absence d’oxygène (masse , conserve..) – - Pseudomonas ne se développent qu’en présence d’oxygène (surface) - Lactobacillus microaérophiles ne se développent qu’à une teneur réduite en oxygène. Dans les aliments , on peut considérer la présence ou l’absence d’oxygène comme un paramètre 2. Paramètres externes à l’aliment ▪ Température d’entreposage ▪ Humidité relative ▪ Présence et concentration de gaz ▪ Antimicrobiens produits au cours de la fabrication de l’aliment Activité des micro- organismes  Conditions Conditions Défavorables favorables Possibilités de survie et de Mort des microbienne (peu développement des divers d'incidence si la flore constituants de la flore. incriminée est peu nombreuse, alors que si elle est abondante, il subsistera des cadavres ou des débris pouvant éventuellement se révéler toxiques). Nature de l'aliment et son Pas le développement mais environnement n'entraînent pas la mort, le germe survit (pour germes sporulant, possible pour des germes sous forme végétative.  Amélioration des Détérioration des qualités qualités diététiques et organoleptiques organoleptiques (Gout, odeur, Flore contamination Flore utile, auxiliaire de fabrication (pourri, moisi, ramolli, (yaourt, fromage, charcuterie…) poisseux…) Affecter la qualité intrinsèque de l’aliment et donc sa valeur commerciale. Conséquences de la présence de micro-organismes Danger pour dans les aliments le consommateur Accumulation de micro- organismes pathogènes - Accumulation de métabolites toxiques (toxines bactériennes, mycotoxines, produits de dégradation (histamine) Détérioration des qualités diététiques et organoleptiques (Gout, odeur,texture Action microbienne sur un aliment est variée et affecte les caractères physico- chimiques, nutritifs et organoleptiques Une prolifération microbienne entraîne de nombreuses modifications favorables ou non qui affectent l'odeur, la saveur, l'aspect, la couleur, la texture mais aussi la valeur alimentaire ou hygiénique L'environnement physico-chimique (pH, aération, température) joue aussi un grand rôle. Il est assez facile de prévoir les incidences majeures des modifications d'origine microbienne selon la nature du produit et son environnement.  À mesure que les micro-organismes se développent dans les aliments, en raison de leur diversité métabolique, ils utilisent les composants des aliments et les transforment en une variété de composés chimiques. Composants (Eléments nutritifs) des aliments Diversité Transformation métabolique microbienne Variété de composés chimiques Changements dans les principaux composants alimentaires pendant la détérioration  Changements dans les glucides Utilisation de sucres simples (glucose), varie en fonction des conditions aérobies et anaérobies En présence de l’oxygène il est converti en dioxyde de carbone et en eau par la glycolyse et d'autres voies métaboliques associées. En absence d'oxygène, le processus produit un certain nombre de composés dans différents organismes. Ce processus est connu sous le nom de fermentation. Fermentation alcoolique Action des levures=produits finaux CO2 et Ethanol Fermentation lactique Deux types Fermentation homolactique, principal produits final: acide lactique Fermentation hétérolactique: Produits finaux: acide lactique, acide acétique, éthanol, glycérol et CO2 Fermentation de type coliforme Ce type de fermentation se produit chez les bactéries coliformes. Produits finaux: acides (acide lactique, acide acétique, acide formique), ainsi que de l'éthanol, du glycérol, etc., Fermentation propionique Elle se produit chez les bactéries propioniques Produits finaux: acide propionique, acide succinique et du CO2. Changements dans les composés azotés Protéines sont la principale source de composés azotés dans les aliments. Hydrolyse par des réactions enzymatiques. Source des enzymes peut être soit les micro-organismes, soit les enzymes propres des aliments. protéinases, peptidases Protéines Polypetides Acides aminés Décomposition des protéines peut être aérobie ou anaérobie. odeurs désagréables Décomposition anaérobie (Putréfaction) activité microbienne sur les acides aminés Désamination (élimination du groupe amine), Décarboxylation (élimination du groupe carboxyle). Principaux organismes impliqués dans la conversion des composés azotés incluent Pseudomonas, E. coli, Clostridium, Desulfotomaculum, etc. En plus des composés azotés, d'autres composés responsables de ces odeurs incluent également des composés soufrés. Changements dans les lipides Hydrolyse par les lipases microbienne Lipides Glycérol et les acides gras Conversion par oxydation Action microbienne et par les enzymes propores des aliments  MALADIES MICROBIENNES TRANSMISES PAR LES ALIMENTS Chaque système aliment / microorganisme / consommateur est particulier. Néanmoins il est possible de schématiser les principales interactions susceptibles de se produire de la façon suivante : Mycotoxines produits par les champignons dans les aliments Métabolites secondaires de faible poids moléculaire. Très thermorésistantes et résistent aux températures de traitement conventionnelles. Hautement toxiques pour de nombreux animaux et pour les êtres humains. Maladie d'origine alimentaire causée par l'ingestion de toxines dans des aliments contaminés par des moisissures est appelée mycotoxicose. Mycotoxines peuvent: Affecter : reins, foie., provoquer des irritations cutanées., Entraîner des malformations congénitales. Causer la mort dans certains cas graves. cancérigènes.