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UNIVERSITE KASDI MERBAH - OUARGLA FACULTE DES SCIENCES DE LA NATURE ET DE LA VIE DEPARTEMENT DES SCIENCES BIOLOGIQUES Projet de Fin d’Etudes En vue de l’obtention du diplôme de Licence Domaine : Sciences de la nature et de la vie Filière : Biologie Spécialité : Microbiologie fondamentale et appliquée Thème Synthèse bibliographique sur la production d’acide lactique sur lactosérum par Streptococcus thermophilus Présentée par: DJABRI Leila Encadreur : Mme BENAISSA Atika M.A.B université KASDI MERBAH Examinatrice : Mme DJARBAOUI Amina Nesrine M.A.B université KASDI MERBAH Année universitaire : 2013/2014 Remerciements Je remercie tout d'abord Dieu tout puissant de m'avoir donné la persévérance et l'obstination de parcourir mon chemin. Merci de m’avoir éclairé le chemin de la réussite. Je voudrais remercier particulièrement Mme BENAISSA Atika MAB , à l’université Kasdi Merbeh, d’avoir accepté de m’encadrer, pour son assistance, son soutien et ses encouragements. Quoi que je dise, les mots ne sauraient exprimer ma profonde gratitude pour avoir dirigé ce mémoire. Merci de m’avoir éclairée par votre savoir, votre générosité. Mes sincères remerciements à mon mari Sofiane pour son engagement, les divers sacrifices et son soutien. Un grand merci à Mme DJARBAOUI Amina Nesrine MAB. à L’Université Kasdi Merbah pour sa disponibilité et pour avoir accepté d’examiner cette thèse. Enfin, j’adresse mes plus sincères remerciements à tous mes collègues d’étude, particulièrement notre promotion microbiologie 2014. J’adresse également mes remerciements, à tous mes enseignants, qui m’ont donné les bases de la science. A vous tous, un grand Merci. Dédicaces Je tiens à dédier ce travail à : Aux êtres les plus chers à mon cœur dans ce monde, mes parents en hommage à leurs sacrifices. Je leur demande de me pardonner pour tous les soucis que je leur ai causés. Que Dieu leur donne santé et longue vie. A celle qui a sacrifié tout ce qu’elle a de cher pour me prodiguer une éducation, un soutien, une assistance et un encouragement pour enfin devenir ce que je suis maintenant. Ma chère mère. A celui qui m’a toujours soutenu moralement et matériellement au cours de mes études, notamment au cours de mes moments difficiles, à qui j’ai éprouvé un profond respect. Mon adorable père. A ma moitié, pour avoir toujours été là quand j’en avais besoin et pour avoir su comprendre les concessions et les sacrifices. Ton amour, ton soutien, ta patience, ta compréhension et le réconfort que tu m’as apporté auront été irréprochables. Ce mémoire est aussi le tien. Mon mari Sofiane. A mes soeurs : karima, Samira. A mes frères : Ahmed, abdel kadder, Amer et surtout Abdel djalil pour leur encouragements incessants et leur soutien moral aux moments difficiles qui furent pour moi les meilleurs gages de réussite. A mes chères amies : Souhila, Nesrine, Samah, Halima, Zineb et Hanane que j'ai eus la chance d'avoir à mes côtés, qui m'ont soutenu tout au long de ces années. À toute ma famille. Liste des tableaux N° Titre page I Composition de différents types de lactosérum (Sottiez, 1990). 13 II Teneur en vitamines dans le lactosérum (Linden et Lorient, 1994). 13 III Teneur en composés protéiniques du lactosérum (De Wit, 1981). 15 IV Acides aminés essentiels (g/100g) (Moletta, 2002). 15 Liste des figures N° 01 Titre page Photo de Streptococcus thermophilus observée en microscopie 5 électronique (Moineau, 1997) 02 Schéma technologique d'obtention des principaux types de sérums 12 issus de la première transformation (Luquet et François, 1990) 03 Formes optiques de l’acide lactique (Södergard et Stolt, 2002). 18 04 Les deux isomères de l'acide lactique (Jarry, 1994) 18 05 Synthèse chimique de l’acide lactique (Datta et al., 1995). 19 06 Production de l’acide lactique par fermentation (Datta et al., 1995) 20 07 Les différentes applications de l’acide lactique (Schaafsma, 1996) 21 08 Courbe de croissance d'une culture bactérienne en discontinue 25 (Sechet, 2000) Sommaire Remerciement Dédicace Liste des tableaux Liste des figures Introduction Chapitre I : Streptococcus thermophilus I - Streptococcus thermophilus 3 I.1-Caractéristiques générales des bactéries lactiques 3 I .2- Streptococcus thermophilus 3 I .2.1-Classification 4 I .2.2- Caractéristiques de Streptococcus thermophilus 5 I .2.3- Métabolisme chez Streptococcus thermophilus 6 I.2.4- Utilisation industrielle de Streptococcus thermophilus 6 I.2.5- Adaptation aux produits laitiers 7 I.2.6- Capacités générales de résistance aux stress 8 Chapitre II : Lactosérum II –Lactosérum 10 II.1-Définition et caractéristiques du lactosérum 10 II.2-Types de lactosérum 10 II.2.1-Lactosérum acide 10 II-2-2-Lactosérum doux 11 II.3-Composition de lactosérum 13 II.3.1- Lactose 13 II.3.2- Les minéraux 14 II.3.3-Protéines du lactosérum 14 II.3.3.1-β-lactoglobuline (β-LG) 16 II.3.3.2- α –lactalbumine (α-LA) 16 II.3.3.3- Sérum albumine bovine (BSA) 16 II.3.3.4- Immunoglobuline (Ig) 16 II.4.Valorisation de lactosérum 17 Chapitre III : Acide lactique III- Acide lactique 18 III-1-Historique 18 III-2- Caractéristiques 18 III-3-Production d’acide lactique 19 III-3-1-Voie chimique 19 III-3-2-Voie fermentaire 19 III-3-3- Différences entre ces deux modes de production 20 III-4- Différentes utilisations de l’acide lactique 20 III-4-1- Applications alimentaire 21 III-4-2- Application comme désinfectants et détergents 22 III-4-3- Application dans l’industrie de textile 22 III-4-4- Application dans l’industrie pharmaceutique ou médicale 22 III-4-5-Application dans l’industrie cosmétique 22 III-4-6-Application dans l’agriculture 22 Chapitre IV : Production d’acide lactique IV : Production d’acide lactique par S.thermophilus sur lactosérum 24 IV-1- Adaptation du S. thermophilus au lait et au lactosérum 24 IV-2- Production d'acide lactique par fermentation 24 IV-2-1- Cinétique de croissance bactérienne 24 IV-2-2- Paramètres de croissance 25 IV-2-2-1-Taux de croissance 25 IV-2-2-2-Rendement métabolique 26 IV-2-2-3-Cinétique d'acidification 26 IV-2-2-4-Facteurs influençant les cinétiques de croissance et d'acidification 26 A-Taille d’inoculum 26 B-Température 26 C-pH 27 D-Aération et agitation 27 E-Concentration en substrat 27 F- Substances antimicrobiennes 27 IV-2-2-5-Modélisation de la croissance et de la production d'acide lactique 27 A- Modélisation de la croissance microbienne 28 B-Modélisation de la production d'acide lactique 28 C- Modélisation de la cinétique de consommation de sucre Conclusion Références bibliographiques 28 29 Introduction Introduction Introduction Le monde a connu un développement très important dans le secteur industriel tandis qu'il y a toujours des risques et des conséquences néfastes sur l'environnement et la santé publique. Pour cela, les écologistes et les biologistes se sont intéressés depuis longtemps aux procédés et techniques qui servent à limiter la pollution engendrée par les industries. Parmi ces dernières, l'industrie laitière est l’une des plus polluantes par le rejet de quantités importantes de lactosérum. Du fait de sa richesse en éléments nutritifs tels que le lactose, les protéines solubles, les vitamines hydrosolubles, les matières grasses et les éléments minéraux, ainsi, le lactosérum constitue un excellent milieu de culture pour les microorganismes, ce qui fait de lui un facteur de pollution redoutable (Agnes, 1986). Vue la richesse du lactosérum en nutriments, il est utilisé dans différents domaines tels que l'alimentation humaine, l'alimentation animale et éventuellement dans le domaine de la biotechnologie afin de produire des protéines d'organismes unicellulaires (P.O.U.), des enzymes, des vitamines, d’alcool, des acides organiques (acide citrique, acide lactique,…etc) (Lin et al., 2006). . Beaucoup de chercheurs se sont intéressés à produire de l'acide lactique à partir de lactosérum en procédant à une fermentation lactique, car cet acide à une large application dans plusieurs secteurs tels que: alimentaire, pharmaceutique, textile et cosmétique. De même, la demande mondiale en acide lactique est estimée en 70,000 MT. Cette demande peut dépasser 200,000 MT en 2011 (Lin et al., 2006). L'acide lactique ou acide α hydroxy propionique est synthétisé soit par voie chimique soit par voie microbienne, il se présente sous deux formes optiquement actives, la configuration L (+) ou lévogyre et la configuration D (-) ou dextrogyre. L'isomère acide L lactique est préféré dans les produits alimentaires, dû à la présence de L lactate déshydrogénase dans l’organisme de l'être humain, tandis que l'isomère acide D- lactique est parfois dangereux au métabolisme humain et peut causer une acidose et une décalcification (Narayanan et al., 2004 ; Zhang, 2007) . Streptococcus thermophilus est une bactérie homofermentaire, produit uniquement l'acide L lactique (Panesar, 2007). C’est dans ce contexte que nous avons réalisé uns synthèse bibliographique sur le thème « Production d’acide lactique par Streptococcus thermophilus sur lactosérum ». Le développement de ce sujet à été rendu possible en faisant recourt aux différentes sources d’information, que se soient écrites comme les ouvrages, les publications et les revues ainsi 1 Introduction que toutes sources d’informations électroniques, qui s’inscrivent dans la thématique du sujet de notre mémoire. Pour une question d’organisation nous avons articulé notre travail au tour de quatre chapitres dont : Le premier, a été consacré aux informations sur la souche étudiée : Streptococcus thermophilus. Le second, à été utilisé pour réunir les données sur le milieu de culture : le lactosérum. Dans le troisième, nous avons essayé de mettre en évidence la valeur industrielle de l’acide lactique. Dans le dernier chapitre, nous avons énuméré les adaptations à apporter à la culture afin d’améliorer la production de l’acide lactique sur le lactosérum en utilisant Streptococcus thermophilus. Et enfin, nous avons terminé notre recherche bibliographique par une conclusion. 2 Chapitre I Streptococcus thermophilus Chapitre I - Streptococcus thermophilus I - Streptococcus thermophilus I.1-Caractéristiques générales des bactéries lactiques Les bactéries lactiques (BL) sont des microorganismes unicellulaires très répandus dans la nature. Elles regroupent des espèces bactériennes à Gram-positif, Onze genres bactériens figurent dans cette catégorie à savoir, Aerococcus, Alloicoccus, Carnobacterium, Enterococcus et Lactobacillus (entres autres les espèces acidophiles dont, delbrueckii, casei, helveticus, lactis, plantarum et rhamnosus), Lactococcus (les espèces cremoris et lactis), Leuconostoc( les espèces cremoris, dextranicum et lactis), Pediococcus (les espèces acidilactici et pentosaceus), Tetragenococcus, Vagnococcus, et Streptococcus (l’espèce thermophilus) (Carr et al., 2002 ; Champagne, 1993). Ces bactéries peuvent avoir des formes en bâtonnets ou en coques, sont immobiles et non sporulantes, catalase négative, oxydase négative généralement nitrate réductase négative, ce sont des bactéries anaérobies facultatives. Elles ont des exigences nutritionnelles complexes pour les acides aminés, les peptides, les vitamines, les sels, les acides gras et les glucides fermentescibles (Dellaglio et al., 1994 ; Hogg, 2005). Les bactéries lactiques sont naturellement retrouvées chez l’homme, les animaux, les aliments fermentés et ont également été retrouvés dans le sol, l’eau, les engrais et les eaux d'égout (Holzapfel et al., 2001; Pascual et al., 2006; Mota et al., 2006 ; Chenoll et al., 2006). Les caractéristiques métaboliques principales des bactéries lactiques est la production d’acide lactique. Cette capacité est associée à la production majeure d’énergie par fermentation des sucres mais elle confère aussi à ces espèces leur intérêt principal pour la transformation et la conservation des aliments. Les bactéries lactiques peuvent avoir un métabolisme homofermentaire (plus de 90% des produits de fermentation est de l’acide lactique), hétérofermentaire facultatif (production d’acide lactique ou d’acide lactique et d’acide acétique) ou hétérofermentaire strict (production d’acide lactique, d’acide acétique ou d’éthanol et de CO2) (Vandamme et al., 1996). I .2- Streptococcus thermophilus Streptococcus thermophilus qui aurait été décrite pour la première fois par Orla-Jensen en 1919, elle est la seule espèce de streptocoques utilisée en technologie alimentaire, c’est la bactérie lactique la plus utilisée par l'industrie laitière après Lactococcuslactis (Hols et al., 2005). Selon Boudjema, (2008), le genre Streptococcus est classé en (06) catégories: Streptocoques pyogènes. 3 Chapitre I - Streptococcus thermophilus Streptocoques oraux. Streptocoques fécaux. -Streptocoques lactiques ou lactocoques du groupe sérologique N, faiblement hémolytiques, mais jamais pathogènes. Streptocoques anaérobies stricts. Les autres Streptocoques de groupe sérologique inconnu, hétérogènes faiblement ou non hémolytiques, parmi les quels on trouve l'espèce non pathogène Streptococcus thermophilus. Cette espèce fait partie des exceptions puisqu'elle est considérée comme sécuritaire pour la santé (GRAS ; Generally Recognized As Safe) (Bolotin et al., 2004). I.2.1-Classification Le genre Streptococcus fait partie de la division des Firmicutes, l’un des deux grands phyla du macrobiote digestif, c‘est une bactérie de la classe des Coccus et de l’ordre des Lactobacillales. Il désigne des bactéries à Gram positif et comprend de nombreuses espèces pathogènes mais aussi des commensaux très présents dans l’environnement. Parmi cette grande diversité, S. thermophilus est une bactérie alimentaire habituelle du milieu laitier animal ou maternel retrouvée dans le tractus gastro-intestinal très précocement chez les nourrissons et sur les plantes en décomposition (Solis et al., 2010). Streptococcus thermophilus est une bactérie lactique thermophile appartenant à la famille des Streptococcaceae, comportant deux genres phylogénétiquement très proches Streptococcus et Lactococcus. D’un point de vue génomique, 70 souches sont référencées au sein de cette famille où l’on peut distinguer des espèces pathogènes de l’homme (Streptococcus pyogenes, Streptococcus agalactiae, Streptococcus pneumoniae) ou de l’animal (Streptococcus suis, Streptococcus equi), d’autres espèces commensales de la bouche et pathogènes opportunistes (Streptococcus salivarius, Streptococcus vestibularis, Streptococcus mitis, Streptococcus mutans, Streptococcus sanguinis et Streptococcus gordonii) et enfin des espèces non pathogènes et largement utilisées dans l’industrie laitière avec notamment Streptococcus thermophilus et Lactococcus lactis. S. thermophilus est phylogéniquement proche de deux bactéries en particulier : Lactococcus lactis, et Streptococcus salivarius dont S. thermophilus était considéré comme une sous-espèce jusqu’en 1991 (Schleifer, 1991). 4 Chapitre I - Streptococcus thermophilus I .2.2- Caractéristiques de Streptococcus thermophilus Streptococcus thermophilus est une bactérie gram-positive, anaérobie facultative, immobile et non-sporulante, utilisée comme remède pour les troubles gastro-intestinaux, c’est l’une des souches de bactéries probiotiques des bacteries lactiques (Dewan et Tamang, 2007). Au microscope, S. thermophilus se présente sous forme de cellules, sphérique ou ovoïde (diamètre de 0,7-1,0 µ.m) en paire ou en longue chaîne (Figure 01) (Moineau, 1997). Figure 01 : Streptococcus thermophilus observée en microscopie électronique (Moineau, 1997). C’est une bactérie thermorésistante, elle survie à un chauffage de 65°C pendant 30 min, sensible au bleu de méthylène (0,1%) et aux antibiotiques (Dellaglio et al., 1994). La température optimale de croissance de cette souche est comprise entre 42 °C et 45°C, mais, elle tolère des températures allant de 22°C à 52°C. L’absence d'antigène de groupe D est une caractéristique de cette espèce (Bergey et al., 1984; Chandan, 2006 et Accolas et al., 1980). Cette espèce est capable de synthétiser des exopolysaccharides (EPS) soit en monoculture, soit en association avec la souche Lactobacillus bulgaricus (Novel, 1993). Son métabolisme est du type homofermentaire. Elle possède une β galactosidase active en présence de cations monovalents ou divalents (Mg2+, Mn2+) (Lamoureux, 2000 ; Desmazeaud, 1990). Streptococcus thermophilus produit de l'acide lactique à partir seulement de quelques sucres, à savoir, le fructose, le glucose, le mannose, le lactose et le saccharose (Schleifer et al.,1991 ; Panesar et al., 2007). Elle est aussi anaérobie facultative, chimioorganotrophe et catalase négative (Klaenhammer et al., 2002). Streptococcus thermophilus est rencontré dans les laits fermentes et les fromages (Dellaglio et al., 1994 ; Roussel et al.,1994). 5 Chapitre I - Streptococcus thermophilus I .2.3-Métabolisme chez Streptococcus thermophilus Streptococcus thermophilus fermente le lactose, ce sucre se trouve en abondance dans le lactosérum (Bael et Sodini, 2003). C’est grâce à une enzyme membranaire, le lactose perméase dépendante, le lactose est transmis à l’intérieur de la cellule bactérienne. L’hydrolyse du lactose en glucose et en galactose est réalisée par une seconde enzyme la β galactosidase ou phospho β galactosidase. Le glucose entre dans la voie glycolytique pour la production de l’acide pyruvique (Desmazeaud, 1983). I.2.4- Utilisation industrielle de Streptococcus thermophilus De nombreuses souches de S. thermophilus ont été utilisées dans les procédés agroalimentaires dont plusieurs ont été isolées et étudiées, et cinq ont été séquencées (Sun et al., 2011). S. thermophilus est le seul streptocoque présentant un intérêt industriel au sein du genre Streptococcus (Doyuk et al., 2002). Seul S. thermophilus n’a pas été impliqué, jusqu’à présent, dans des maladies infectieuses. Le séquençage complet des génomes de 4 souches de S. thermophilus et leur analyse révèlent l’absence ou l’inactivation des gènes liés à la virulence chez les streptocoques pathogènes (Sun et al., 2011). En plus de son usage traditionnel en culture mixte avec Lactobacillus bulgaricus pour la fabrication de yaourt, S. thermophilus est utilisé pour produire de nombreux fromages tels que : l’Emmental, le Parmesan, le Provolone, la Mozzarella et l’Asiago. On l’utilise aussi depuis peu pour la production de fromage de type Cheddar en combinaison avec d’autres ferments mésophiles (Awad et al., 2005). L’un des principaux rôles, joué par S. thermophilus en industrie laitière est de garantir une acidification rapide du lait lors de la fermentation lactique. Cette vitesse d’acidification dépendra bien sûr de la souche utilisée, de sa vitesse de production de lactate mais aussi de son potentiel génétique par rapport au système protéolytique et à l’activité uréasique (Mora et al., 2004). Toutefois, l’utilisation de S. thermophilus ne repose pas uniquement sur la production d’acide lactique mais également à des niveaux moindres de formate, d’acétoïne, de diacétyle et d’acétaldéhyde qui participent également à la flaveur du produit fini. D’autres aspects technologiques importants tels que la production d’exopolysaccharides (EPS) ou de 6 Chapitre I - Streptococcus thermophilus bactériocines dépendent également du potentiel génétique de la souche employée (Mora et al., 2004). I.2.5-Adaptation aux produits laitiers Toutes ces adaptations génomiques se répercutent à l’échelle physiologique. Ainsi S. thermophilus est particulièrement bien adaptée à la croissance en présence de lactose, la principale source de carbone du lait et le convertit rapidement en lactate par fermentation (Foucaud et Poolman, 1992). En fin de croissance dans le lait où les conditions de croissance sont plus difficiles, il utilise le galactose dans la mesure où cette voie du métabolisme avait déjà été démontrée chez certaines souches comme induite lors de l’ultime phase de croissance en lait et produits laitiers comme le lactosérum (Herve-Jimenez et al., 2008). L’importance des voies de biosynthèse des acides aminés pour la croissance en lait de S. thermophilus est clairement établie, mais plus particulièrement celle concernant les acides aminés branchés qui constitue un facteur clé permettant la croissance optimale de S. thermophilus dans le lait et le lactosérum (Herve-Jimenez et al., 2008). Puisque le lait et le lactosérum sont relativement pauvres en acides aminés libres et en peptides mais riches en caséines (80% des protéines du lait), S. thermophilus doit à la fois hydrolyser les caséines, puis transporter et dégrader les peptides ainsi générés. Afin d’hydrolyser ces caséines, la plupart des bactéries lactiques possèdent une protéase ancrée à la paroi dont l’activité est variable selon les souches. Dans le cas de S. thermophilus, cette fonction est assurée une protéase ‘PrtS’, qui lorsque elle est présente, permet à la bactérie de satisfaire à ses exigences nutritionnelles et d’atteindre une population maximale en lait dix fois plus importante que les souches n’en possédant pas (Courtin et al., 2002). Pour ce qui est du transport proprement dit des peptides issus de la dégradation des caséines, l’analyse des génomes montre que S. thermophilus en possède plusieurs qui pourraient assurer cette fonction mais qui restent à caractériser. Par ailleurs, S. thermophilus possède une vingtaine de peptidases intracellulaires lui permettant de dégrader ces peptides en acides aminés (Garault et al., 2002). Plus récemment, une analyse protéomique comparative de la croissance de S.thermophilus en milieu M17 et en lait a montré une augmentation des quantités de protéines telles que la pyruvate formate lyase contribuant indirectement à la synthèse de purines, composés connus aussi pour être limitants dans le lait, mais aussi d’autres protéines impliquées dans la synthèse des purines (Derzelle et al., 2005). 7 Chapitre I - Streptococcus thermophilus Cette étude confirme par ailleurs l’augmentation d’enzymes impliqués dans la synthèse d’acides aminés lorsque S. thermophilus est cultivé en lait (Garault et al., 2002). Enfin, une étude de la physiologie de S. thermophilus au cours de sa croissance en lait combinant à la fois protéomique et transcriptomique confirme bien cette activation des voies d’assimilation des composés azotées et de biosynthèse des acides aminés et révèle également une diversification des voies d’assimilation des sucres en phase stationnaire. Ainsi, S. thermophilus est particulièrement bien adaptée pour se développer dans le lait (Herve-Jimenez et al., 2008). I.2.6-Capacités générales de résistance aux stress Au cours des procédés de l’industrie agroalimentaire, dans leur environnement ou lors de la traversée du transit digestif, les bactéries lactiques peuvent rencontrer de nombreux stress allant du stress nutritionnel, thermique (hyper ou hypothermique), osmotique aux stress oxydant ou acide. La plupart du temps et ce, pour n’importe quel microorganisme, l’exposition à un stress conduit à la dénaturation des protéines qui perdent leur configuration tridimensionnelle native, ceci pouvant même à terme provoquer des dénaturations irréversibles (Perrin et al., 1999). Pour se protéger de ces effets dévastateurs, les bactéries lactiques et surtout la souche S.thermophilus, utilisent des protéines dites de stress qui ont pour rôle de protéger les protéines de la dénaturation, de participer à leur renaturation voire même d’éliminer les protéines dénaturées (Perrin et al., 1999). Sachant que ces protéines de stress agissent aussi en conditions normales en participant à la biogénèse des protéines, assistant leur repliement ou l’assemblage des autres protéines. C’est pour cette raison qu’on leur donne le nom de protéines chaperones (Perrin et al., 1999). Selon les conditions thermiques, on peut distinguer deux types de ces protéines à savoir : les HSP pour Heat Shock Protein et les CSP pour Cold Shock Protein (Perrin et al., 1999). On retrouve aussi des protéases de diverses familles qui sont impliquées non seulement dans le repliement protéique mais aussi dans le transport des protéines à travers la membrane et la réactivation de protéines endommagées suite à stress quelconque (Perrin et al., 1999). 8 Chapitre I - Streptococcus thermophilus Chez S. thermophilus, la régulation générale aux stress fait intervenir des protéines, qui contrôlent l’expression des gènes importants permettant la tolérance à l’acidité et à la carence nutritionnelle (Arena et al., 2006). 9 Chapitre II Lactosérum Chapitre II -Lactosérum II -Lactosérum II.1-Définition et caractéristiques du lactosérum Le lactosérum est un sous produit de la fabrication fromagère, est obtenu suite à la coagulation des caséines sous l'action de la présure (lactosérum doux), ou suivant l’acidification du lait (lactosérum acide) (Morr, 1989). Traditionnellement, l'opération qui suit l'étape de coagulation consiste à séparer la phase coagulée du reste du lait au cours d'une opération d'égouttage. La fraction liquide ainsi recueillie s'appelle le lactosérum. Ce dernier est un sous produit de la fromagerie et de la caséinerie, son pH compris entre 5 et 6,5. Il représente près de 90% du lait mis en œuvre (Kosikowski, 1979 ; Mereo, 1980). Le lactosérum est un liquide jaune verdâtre, contenant une quantité importante de protéines de lait environ 20% (6g/l) et riche en éléments nutritifs (Muller et al., 2003 ; Ilker et al., 2006). Le lactosérum est très fermentescible et fragile. Il représente 85 à 90% du volume de lait utilisé (Guidini et. al., 1984). Il a une haute valeur nutritionnelle car il retient 52 et 73% des éléments nutritifs du lait lorsqu’il provient, respectivement, de la fabrication des fromages cheddar et cottage (knopp, 1988). Il représente essentiellement une source d’énergie et de carbone de part son teneur élevée (75% de la matière sèche) en lactose (kennedy et Cabral, 1985). D’autres éléments de valeur s’y retrouvent, dont les protéines (10% de la matière sèche), le calcium (0.45% de la matière sèche), le phosphore (0.40% de la matière sèche), et les vitamines hydrosolubles, sont les plus importants (Modler, 1988). II.2-Types de lactosérum Le lactosérum doit être considéré comme un produit dérivé plutôt qu'un sous produit de la fabrication des fromages, ou de la caséine. On distingue deux types de lactosérums, celui résultant de la coagulation des laits non acides, par la présure, et qu'on appelle « lactosérum doux » et celui résultant, de la fabrication des fromages à pâtes fraîches, à pâtes molles ou de la caséine lactique appelle « lactosérum acide » (Linden et Lorient, 1994). II.2.1-Lactosérum acide Obtenu après la coagulation du lait par précipitation des caséines à leur pH isoélectrique de 4,6 par ajout d'acide fort ou d'acide lactique (Violleau, 1999). 10 Chapitre II -Lactosérum La caséine est combinée à des sels de calcium, l'acidification entraîne sa déminéralisation qui fait passer dans le sérum une part importante d'élément minéraux, notamment le calcium et le phosphore (Sottiez, 1990). Les lactosérums acides sont moins riches en lactose et plus riches en minéraux. Ils sont aussi plus ensemencés en germes lactiques et moins sujets à des fermentations que les lactosérums doux (Moletta, 2002). Les teneurs élevées en acide lactique et en minéraux posent des difficultés pour la déshydratation de ces lactosérums, aussi, ils sont souvent utilisés à l'état liquide. Le lactosérum acide provient de la fabrication des pâtes fraîches et des pâtes molles, son pH varie entre 3,8-4,6 (Moletta, 2002). II-2-2-Lactosérum doux Le lactosérum doux est obtenu après la coagulation de la caséine sous l'action de la présure sans acidification préalable, on obtient alors un sérum doux, pauvre en sels minéraux et riche en lactose et en protéines. En plus des protéines solubles du lait, ce type de lactosérum contient une glycoprotéine qui provient de l'hydrolyse de la caséine Kappa par la présure (Sottiez, 1990). Lorsque le lactosérum de fromagerie n'est pas traité avec toutes les précautions nécessaires, la poursuite de la fermentation naturelle augmente son acidité. Le lactosérum doux issu de la fabrication de fromage à pâte pressée cuite ou non cuite (Emmenthal, Saint Paulin, Edam…..etc.), est de pH variant entre 5 et 6,3. Les sérums doux sont généralement déshydratés (Morr et al., 1993 et Moletta, 2002). 11 Chapitre II -Lactosérum Lait Pasteurisation écrémage Standardisation Lait écrémé Caséinerie acide Caséine acide Caséinerie présure Caséine présure Crème Fromagerie pâtes fraîches Fromagerie pâtes fraîches Fromage Ultrafiltratio n Fromage frais Protéine Sérum acide de caséine Sérum doux de caséine Centrifugation Sérum acide pâtes fraîches Sérum doux de fromagerie Sérum de Protéine Protéine d’UF Figure 02 : Schéma technologique d'obtention des principaux types de sérums issus de la première transformation (Luquet et François, 1990). 12 Chapitre II -Lactosérum II.3-Composition de lactosérum Selon Sottiez, (1990), la composition moyenne de différents types de lactosérum est indiquée par le tableau I. Tableau I: Composition de différents types de lactosérum (Sottiez, 1990). Liquide (%) extrait sec en % pH Lactose Protéines Cendres Acide lactique Matière grasse Ca en% P en % Chlorure(NaCl) Lactosérum doux Lactosérum acide Pâte Pâte camembert Pâte Caséine pressée pressée fraîche cuite non cuite (Emment (Edam) al) 93.5 95 93.5 94 94 6.5 5.00 6.50 6.00 6.00 6,70 6.50 6.10 6.00 4.60 Composition en g/l 76.00 75.0 75.00 65.5 74.00 13,50 13.50 12.00 12.00 12.00 8.00 8.00 8.25 9.00 12.00 1.80 2.80 2.20 10.00 1.80 1.00 1.00 1.00 0.50 0.50 Matière minérale 0.60 0.65 0.70 1.90 1.80 0.60 0.65 0.70 1,50 1.50 2.50 2.50 2.50 2.50 7.50 Lactosérum déprotéiné perméat Doux d’ultra filtration 4.50 6.40 85.00 4.00 9.00 2.00 0.00 0.60 0.60 2.80 Dans cette composition sont retrouvées les vitamines qui sont des vitamines hydro solubles, parmi les quelles, on note des quantités importantes de riboflavine (B2) ce qui donne la couleur jaune verdâtre du lactosérum, d'acide pantothénique (B5), thiamine (B1), de pyridoxine (B6) et l'acide ascorbique (Tableau II) (Woo, 2002). Tableau II : Teneur en vitamines dans le lactosérum (Linden et Lorient, 1994). Vitamines - Thiamine - Riboflavine - Acide nicotinique - Acide pantothénique - Pyridoxine - Coba lamine - Acide ascorbique Concentration (mg/ml) 0.38 1.20 0.85 3.4 0.42 0.03 2.2 II.3.1- Lactose Le lactose est le principal constituant du lactosérum, c’est un diholoside constitué par l’union d’une molécule de α ou β- D- glucose et d’une molécule de β-D-galactose, ce qui est à 13 Chapitre II -Lactosérum l’origine de la présence de deux lactoses stéréo-isomères réducteurs (Luquet et François, 1990). Le lactose est caractérisé par : Une solubilité limitée. Un pouvoir sucrant faible. Sa seule source importante dans la nature est le lait et les produits laitiers (Visser et al., 1988). II.3.2- Minéraux Selon certaines pratiques fromagères, il y’a ajout de sel, ce dernier avec toutes les matières minérales en solution dans le lait se retrouve dans le lactosérum. Les 8 à 10% des matières salines de l’extrait sec de sérum sont constitués pour plus de 50% de chlorures de sodium et de potassium et pour le reste de différents sels de calcium, principalement sous forme de phosphate de calcium (Vrignaud, 1983). D’après Méreo, (1971), ces sels minéraux constituent les éléments indésirables «du sérum». En effet, il semblerait qu’une quantité relativement élevée constitue un obstacle à l’utilisation du lactosérum dans l’alimentation humaine et infantile. Mais il est utilisé pour la préparation de lactose pur et des protéines. Il est donc avantageux de déminéraliser le sérum partiellement grâce à des techniques physico-chimiques, telle que l’électrodialyse (Linden et Lorient, 1994). II.3.3-Protéines du lactosérum Deux grandes familles de protéines entrent dans la composition du lait à savoir, la première famille est constituée de caséines qui représentent environ 80% des protéines totales du lait et la seconde est composée des protéines solubles constituées essentiellement de β lactoglobuline (β- LG), α lactalbumine (α-LA), l'albumine sérique bovine (BSA), les immunoglobulines (Ig) et les protéases peptones (De Wit, 1981; De Wit et Hontelez, 1981; De Wit, 1989). A l'échelle industrielle, ces protéines solubles sont extraites à partir du lactosérum, ce dernier contient environ 1% de protéines (Morr et al., 1993). 14 Chapitre II -Lactosérum Tableau III : Teneur en composés protéiniques du lactosérum (De Wit, 1981). Composés protéiques Masse moléculaire (KDa) Protéines Teneur (°o) Point isoélectrique β- LG 18.362 50 5.2 α-LA 14.147 22 4,5 – 4,8 5 12 <1 4,7 – 4,9 5,5 – 8,3 8,4 – 9,0 BSA Ig Lactoférrine 69,000 150,000-1000.000 80,000 Enzymes Lactoperoxydases 78,000 9,5 Lysozyme 18,000 9,5 Phosphatase alcaline Catalase Sulphydryle oxydase Plasmine 160,000-190.000 non déterminée <1 60,000 89,000 non déterminée 5,7 non déterminée non déterminée Peptides Protease-peptones Glyco macropeptides non déterminée 7,000 non déterminée 10 non déterminée non déterminée Les protéines ne forment pas la fraction la plus abondante du lactosérum, mais elle est la plus intéressante sur le plan économique et nutritionnel qui est supérieure aux protéines du blanc d'œuf, prise comme protéine de référence (Sottiez, 1990). Selon Moletta, (2002), la teneur moyenne du lactosérum en acides aminés est donnée par le tableau IV. Tableau IV : Acides aminés essentiels (g/100g) (Moletta, 2002). Acides aminés Tryptophane Lysine Méthionine Cystéine Leucine Isoleucine Phénylalanine Valine Thréonine Protéines du lactosérum 1.38 10.9 1.95 1.35 7.09 4.06 3.47 5.54 5.03 Caséines 1.22 8.81 3.07 0.57 9.8 4.8 5.18 3.55 4.7 15 Chapitre II -Lactosérum II.3.3.1-β-lactoglobuline (β-LG) La β-lactoglobuline (β-LG) est la plus abondante des protéines du lactosérum, elle représente environ 2 à 4g/l, ce qui correspond à 50% des protéines totales du lactosérum (Eugenia et al., 2006; Roufik et al., 2007). Il s'agit d'une protéine globulaire de structure compacte, composée de 162 résidus d'acide aminés et dont la masse moléculaire relative est de 18,3 KDa. Jusqu'à présent, 9 variantes génétiques ont été identifiées dans cette protéine (Uchida et al., 1996; Roufik et al., 2007et Eugenia et al., 2006). Bien que le rôle physiologique de la β-lactoglobuline soit encore mal défini. Cette protéine est d’une très grande qualité nutritive grâce à son contenu élevé en acides aminés essentiels, notamment la leucine et la lysine. De plus, elle est riche en méthionine et en cystéine. Principales sources de soufre (Morr, 1989 ; Hambling et al., 1992 et Dibley, 1997). II.3.3.2- α –lactalbumine (α-LA) L’α –lactalbumine est une protéine globulaire de structure primaire présentant de nombreuses homologies de séquences avec le lysozyme d'œuf de poule, avec 47 résidus d'acides aminé identiques sur 123, son poids moléculaire est de 14 KDa et se présente avec une concentration de 1 à 1,5 g/l de lactosérum (environ 20% des protéines totales de lactosérum) (Cheftel et al., 1985). L'α-lactalbumine est une autre protéine fonctionnelle très intéressante par sa composition riche en tryptophane, qui en fait une base de fabrication de peptides destinés à l'alimentation diététique ou alicamenteuse. Cette protéine intervient comme cofacteur dans la biosynthèse du lactose, à partir du galactose et du glucose (De Wit, 1989 ; Brew et Grobler, 1992 ; Creamer et Mac Gibbon, 1996 ; De Wit, 1998). II.3.3.3- Sérum albumine bovine (BSA) Sérum albumine bovine représente 0,1 à 0,4 gr/l des protéines de lait, il est constitué de 582 acides aminés. Les liaisons des acides gras stabilisent la molécule de protéine contre la dénaturation par la chaleur. Il est soluble jusqu'à 35% à température de 3°C dans l'eau distillée, mais subit une précipitation extensive à la température ambiante dans la gamme de 40 à 45°C (Morr et al., 1993 ; Lin et al., 1976 et Gumpens et al., 1979). II.3.3.4- Immunoglobuline (Ig) L’immunoglobuline se réfère à une famille hétérogène des glycoprotéines, ayant une activité d'anticorps (Eigel et al., 1984). 16 Chapitre II -Lactosérum L’immunoglobuline se compose de quatre classes : IgG1, IgG2, IgA, IgM, et IgE. Ceux-ci ont été identifiés dans lait. Ces protéines sont des monomères de deux chaînes polypeptides de 20KDa et deux chaînes polypeptides de 50 à 70 KDa qui sont liées par des ponts disulfide (Brunner, 1977). Le lait de vache contient 0,6 à 1,0 gr/l d’immunoglobuline, 80% c'est IgG. Cette protéine est caractérisée par un plus haut dévoilement thermique que l'αlactalbumine et la β-lactoglobuline (Eigel et al., 1984). II.4-Valorisation de lactosérum Le lactosérum trouve son emploi dans les industries alimentaires (confiserie), ainsi il est destiné à l'élevage industriel des animaux, incorporé dans la ration des vaches laitières ou aux aliments d'allaitement pour veaux. Le lactosérum pourrait être utilisé comme un substrat de fermentation pour de nombreuses espèces microbiennes, vue sa la richesse en lactose. Il constitue un bon milieu de culture pour le développement des levures et des souches de Streptococcus lactis (Botofonja, 1994). Le lactosérum est un bon milieu culture pour les bactéries lactiques (production d'acide lactique) et les levures (Poget-Ramseier, 1993 ; Omar et Sabry., 1991). 17 Chapitre III Acide lactique Chapitre III- Acide lactique III- Acide lactique III.1-Historique L’acide 2-hydroxypropanoïque ou acide lactique est l’élément principal de tous les produits laitiers acidifiés aux quels il donne leurs caractéristiques fondamentales. Il fut identifié en 1847 par Blondeau comme produit de la fermentation bactérienne et mis en évidence pour la première fois dans le lait par Scheele en 1870 (Vick Roy, 1985). Chaque année, environ 50 000 à 80 000 tonnes d’acide lactique sont produites à travers le monde dont 90% sont réalisées à partir de fermentation microbienne. Les 10% restants sont produits synthétiquement à partir du lactonitrile (Hofvendahl et Hahn-Hägerdal, 2000). III.2- Caractéristiques L’acide lactique (acide 2-hydroxy-propionique) est l’un des acides organiques les plus importants. C’est un produit naturel non toxique, odorant, soluble dans l’eau, incolore et très peu volatil. Se présente sous deux isomères optiquement actifs sont les formes L(+) et le D(-) (figure 3 et 4) (Narayanan et al., 2004). Figure 03 : Formes optiques de l’acide lactique (Södergard et Stolt, 2002). Figure 04 : Les deux isomères de l'acide lactique (Jarry, 1994). 18 Chapitre III- Acide lactique L'acide lactique est classé comme à GRAS (Generally recognized as safe). Il est utilisé comme un additif alimentaire par FDA (food and Drug Administration) (Narayanan et al., 2004). L’acide lactique sous la forme L(+) est plus rapidement métabolisée que la forme D(-). Aussi il est souvent attribué à l’acide L(+) des qualités nutritionnelles supérieures (Alma., 1982). III.3-Production d’acide lactique La production d’acide lactique se fait actuellement selon deux procédés distincts soit par synthèse chimique, soit par fermentation microbienne depuis 1881 (Vic Roy, 1985). III.3.1-Voie chimique La synthèse de l’acide lactique par voie chimique à partir du lactonitrile, co-produit issu de la synthèse de l’acrylonitrile. Cette synthèse est réaliser en ajoutant du cyanure d’hydrogène à de l’acétaldéhyde. Le lactonitrile brut est récupéré et purifié par distillation, ensuite dégradé en acide lactique à l’aide d’acide chlorhydrique ou d’acide sulfurique La purification de l’acide lactique est réalisai par estérification avec du méthanol (Figure 5) (Datta et al., 1995). Figure 05 : Synthèse chimique de l’acide lactique (Datta et al., 1995). III.3.2-Voie fermentaire La synthèse de l’acide lactique par voie fermentaire, permet de produire le stéréoisomère d’acide lactique désiré grâce, à l’utilisation de bactéries lactiques homofermentaire. Lors des fermentations, réalisées en mode batch pendant 4 à 6 jours, du carbonate de calcium est ajouté afin de neutraliser l’acide produit. Cet apport entraîne la formation de sels de calcium de l’acide, permettant une séparation plus facile par filtration puis par évaporation. Ces sels seront ensuite acidifiés avec de l’acide sulfurique afin de les convertir en acide lactique et en sulfate de calcium insoluble qui sera enlevé par filtration. Une purification par des colonnes échangeuses d’ions est enfin réalisée sur ce filtrat, suivie d’une évaporation afin 19 Chapitre III- Acide lactique de produire l’acide lactique alimentaire, lequel s’avère peu stable à la chaleur (Figure 6) (Datta et al., 1995). . Figure 06 : Production de l’acide lactique par fermentation (Datta et al., 1995). III.3.3- Différences entre ces deux modes de production Les différences entre ces deux modes de production résident dans l’obtention d’un acide lactique pur optiquement. La synthèse chimique ne peut produire que des racémiques contrairement à la synthèse biologique qui permet d’obtenir une pureté optique, grâce au choix d’une souche ne produisant que l’acide D- ou L- lactique (Hofvendahl et HahnHägerdal, 2000). La synthèse chimique d'acide lactique est moins utilisée à cause de ses effets néfastes sur l'environnement, et même que la demande de source chimique est très limitée (Narayanan et al., 2004). III.4- Différentes utilisations de l’acide lactique Actuellement, 85% l’acide lactique produit, est principalement utilisé dans l’alimentation ou dans des applications liées à l’alimentation, est 15% restants étant utilisés pour des applications non alimentaires ( les industries textiles, cosmétiques, pharmaceutiques, celles du cuir, ou comme herbicide) (Sreenath et al., 2001). Il est également employés lors de la synthèse de produits chimiques de base comme l’ester de lactate, l’acétaldéhyde, l’acide acrylique, l’acide propanoique,… dans les industries chimiques ou pour être polymérisés en acide polylactique biodégradable (Figure7) (Hofvendahl et Hahn-Hägerdal, 2000). 20 Chapitre III- Acide lactique Figure 07 : Les différentes applications de l’acide lactique (Schaafsma, 1996). III.4.1- Applications alimentaire L’acide lactique est utilisé comme conservateur (E270) ou comme acidulant, seul ou en combinaison avec d'autres acides. Il intervient dans presque tous les aliments et les boissons grâce à son léger goût acide qui ne masque pas les flaveurs naturelles aromatiques (Garde et al., 2002). Une large partie de l’acide lactique est utilisée pour produire des agents émulsifiants utilisés en alimentation, particulièrement en boulangerie. Ces agents sont des esters de sels de lactate avec de longues chaînes d’acide gras. La production de ces agents nécessite un acide lactique stable à la chaleur (Garde et al., 2002). L’acide lactique est également utilisé comme acidulant, agent de saveur, maintenant le pH ou inhibant le développement bactérien dans un grand nombre de produits alimentaires, comme les bonbons, le pain ou les produits de boulangeries, les boissons gazeuses, la bière, la confiture et les gelées, la mayonnaise, les potages, et les produits laitiers, souvent en conjugaison avec d’autres acidulants. Il est aussi utilisé afin d’ajuster le pH des bains permettant le durcissement du cellophane, pour le conditionnement des aliments (Garde et al., 2002). Les nouvelles applications de l’acide lactique sont essentiellement dues à sa forme polymérisée, qui sont biocompatibles, biodégradables et bioassimilables (Lunt, 1998). 21 Chapitre III- Acide lactique III.4.2- Application comme désinfectants et détergents Une nouvelle application de l’acide lactique et de ses sels est dans la désinfection des carcasses, de bovin, de la volaille et des poissons. On le retrouve aussi en tant que détergents dans les constructions (Jarry, 1994). III.4.3- Application dans l’industrie de textile L’acide lactique a longtemps, été utilisé dans l’industrie du cuir comme acidulant pour le chaulage et le tannage. Il a aussi été utilisé dans les étapes de finition du textile. Actuellement, les acides inorganiques sont préférés, mais avec la production à faible coût annoncée de l’acide lactique et les restrictions environnementales, ces marchés pourront de nouveau être accessibles (Jarry., 1994). III.4.4- Application dans l’industrie pharmaceutique ou médicale L’acide lactique et l’éthyl lactate ont longtemps été utilisés dans des applications et des formulations pharmaceutiques, particulièrement dans les lotions, les solutions parentérales et des polymères biodégradables pour des applications médicales (comme les sutures chirurgicales, les prothèses, les dialyses et les drogues). Sous forme de polymères ou copolymère lactiques- glycoliques, il est utilisé pour la libération contrôlée des médicaments dans des fibres creuses, elle-même biodégradables. Cet aspect avantageux est encore mis à profit dans des implants chirurgicaux ou des fils de suture. Le sel d’acide lactique, réalisé avec le calcium, est employé dans la thérapie des insuffisances en calcium et comme agent contre les caries (Jarry, 1994). Les applications sont multiples dans le secteur de la médecine (fils résorbables, implants biodégradables) (Lipinski et Sinclair., 1986). III.4.5-Application dans l’industrie cosmétique L’éthyl lactate est la substance active dans les solutions anti-acné, et est employé comme agent hydratant. Il s’avère souvent meilleur que les produits naturels. l’acide lactique est utilisé dans les produits capillaires pour améliorer la texture des cheveux, et dans les dentifrices comme agent détartrant (Smith et al., 1977 ; Narayanan et al., 2004). III.4.6-Application dans l’agriculture L'agriculture en consomme dans le traitement anti brunissement des fruits, dans l'acidification des fourrages ensilés et comme intermédiaire dans la préparation des produits phytosanitaires optiquement actifs et surtout dans le système de relargage pour engrais et pesticides (Lipinski et Sinclair, 1986 ; Jarry, 1994). 22 Chapitre III- Acide lactique L’acide lactique est un produit très efficace pour lutter contre les varroas pour les apiculteurs (Schultermandl et Imdorf, 2002). 23 Chapitre IV Production d’acide lactique par S.thermophilus sur lactosérum Chapitre IV- Production d’acide lactique IV- Production d’acide lactique par S.thermophilus sur lactosérum IV.1- Adaptation du S. thermophilus au lait et au lactosérum Récemment, S. thermophilus a été démontré comme étant naturellement compétente c’est-à- dire capable d’acquérir de l’ADN étranger (Fontaine et al., 2010). Pour les streptocoques en général, l’étape clé du développement de la compétence réside en l’induction du facteur sigma alternatif. Celui-ci contrôle positivement les gènes requis pour les mécanismes permettant la transformation bactérienne et la recombinaison homologue (Johnsborg et Havarstein, 2009). Un autre élément génétique contribuant à l’acquisition de nouveaux gènes dans le génome de S. thermophilus est la présence de transposons (Pavlovic et al., 2004). Enfin, il existe chez S. thermophilus un mécanisme de défense ciblant la multiplication des phages empêchant ainsi indirectement l’incorporation de gènes supplémentaires (Horvath et al., 2008). Toutes ces adaptations génomiques se répercutent à l’échelle physiologique. Ainsi S. thermophilus est particulièrement bien adapté à la croissance en présence de lactose, la principale source de carbone dans le lait et le lactosérum, il est le seul sucre fermentescible du lactosérum et le convertit rapidement en lactate par fermentation, après son hydrolyse en galactose et en glucose (Foucaud et Poolman, 1992). Ce qui montre que S. thermophilus est particulièrement bien adaptée pour se développer dans le lait et le lactosérum. IV.2- Production d'acide lactique par fermentation IV.2.1- Cinétique de croissance bactérienne En milieu liquide, la plus part des bactéries y compris Streptococcus thermophilus ont une croissance homogène dans le bouillon de culture. On peut de façon simple mesurer le nombre des cellules vivantes ou la concentration cellulaire totale, ceci permet de décrire la courbe de croissance des bactéries qui comporte six phases successives (Figure 08). 24 Chapitre IV- Production d’acide lactique Figure 08 : Courbe de croissance d'une culture bactérienne en discontinue (Sechet, 2000). Phase de latence : la vitesse spécifique de croissance est nulle. Il y a adaptation des cellules au milieu avec synthèse d'enzymes. Phase d’accélération : pendant cette phase, on remarque un démarrage de la croissance proprement dite : la reproduction cellulaire commence. Phase logarithmique ou exponentielle : phase ou toutes les cellules se trouvent dans leur état physiologique maximal et peuvent se multiplier. La vitesse de reproduction atteint son maximum et reste constant pendant toute cette phase (Sechet, 2000). Phase de ralentissement : dans cette phase, on remarque un épuisement du milieu de culture suite à la disparition d'un ou plusieurs composés nécessaire à la croissance bactérienne tels que (carbone, azote, phosphore,…etc). Le taux de croissance va diminuer progressivement pour s'annuler à la fin (Meyer et al., 1999). Phase stationnaire : le nombre de bactéries vivantes reste constant, les cellules conservent une activité métabolique, leur structure biochimique subit des modifications (Meyer et al., 1999). Phase de décroissance exponentielle (déclin) : la biomasse dans la phase d'autolyse (Sechet, 2000). IV.2.2- Paramètres de croissance IV.2.2.1-Taux de croissance Chaque cellule Streptococcus thermophilus donne après multiplication deux cellules identiques. Ce ci correspond au temps de génération spécifique à chaque souche bactérienne. 25 Chapitre IV- Production d’acide lactique Après n générations, le nombre initial de cellule se multiplier pour donner des milliers de cellules identiques (Sechet, 2000). IV.2.2.2-Rendement métabolique La consommation de substrat provoquée par des milliers de réactions élémentaires du métabolisme, peut être subdivisée en trois grandes fractions. La fraction qui apporte l'énergie nécessaire aux synthèses, La fraction qui apporte l'énergie nécessaire à l'entretien de la vie cellulaire, La fraction qui représente la ration nécessaire au maintien des cellules en vie (maintenance). En effet, les fractions (1) et (2) représentent la part de substrat utilisée par Streptococcus thermophilus pour la croissance (Monod, 1942). IV.2.2.3-Cinétique d'acidification La production d'acide lactique est généralement modélisée par la relation de Luedeking et Piret, (1959), qui traduit un phénomène de découplage partiel entre la croissance et la production. Cette relation exprime la vitesse de production d’acide lactique en fonction de la vitesse de croissance et de la concentration en Streptococcus thermophilus. La production d’acide lactique dépend de la souche et des conditions environnementales dans les quelles se trouve cette souche (Luedeking et Piret, 1959). IV.2.2.4-Facteurs influençant les cinétiques de croissance et d'acidification Les cinétiques de croissance et d'acidification des cultures pures de Streptococcus thermophilus sont affectées par les facteurs suivants : A-Taille de l'inoculum Les résultats de Reddy et al, (1976), et Amrane, (1991), montrent que la phase de latence diminue quand la taille de l'inoculum augmente. Alors que Belhocine, (1987), a constaté que les performances de la fermentation s'améliorent lorsqu'on multiplie les repiquages du Streptococcus thermophilus. B-Température La température exerce une influence déterminante sur l'ensemble de l'activité cellulaire microbienne. Plusieurs études ont précisé les températures optimales décroissance ou d'acidification de Streptococcus thermophilus en culture pure. Ces températures se situent entre 45°C et 35°C (Tayeb et al., 1984). 26 Chapitre IV- Production d’acide lactique C-pH Selon Amrane et Prigent, (1998), la diminution du pH, lors de la culture libre se combine à l'accumulation de l'acide lactique et conduit à une forte inhibition de la croissance et du métabolisme du Streptococcus thermophilus. Tayeb et al, (1984), préconisent des pH compris entre 6 et 6,5 pour Streptococcus thermophilus pour la production d’acide lactique. D-Aération et agitation Streptococcus thermophilus est une bactérie anaérobie aérotolérante, cultivée en anaérobiose partielle. Elle est plus résistante à l'oxygène par rapport aux autres bactéries lactiques et elle ne produira que de petite quantité d' H2O2 (Juillard, 1987). L'agitation est un facteur complémentaire pour le transfert d'oxygène mais également pour des autres éléments nutritifs contenus dans le milieu. Streptococcus thermophilus est une bactérie microaérophiles, donc tout facteur diminuant la quantité d'O2 dissous dans le milieu de culture stimule leur croissance et favorise la production d'acide lactique (Juillard, 1987). E- Concentration en substrat Amrane et Prigent, (1999), montrent que les vitesses et les rendements de fermentation sont améliorés lorsque le milieu de culture est complété avec des composés facilement assimilables. F-Substances antimicrobiennes Certains produits chimiques modifient la croissance des bactéries en la ralentissant et par conséquence la réduction de la production de l‘acide lactique. Ce sont des inhibiteurs spécifiques, essentiellement liés à la production d'acide lactique, qui est la cause la plus importante de l'inhibition des activités métaboliques (Beal et Sodini, 2003). IV.2.2.5-Modélisation de la croissance et de la production d'acide lactique La croissance microbienne est un phénomène globalement très complexe, par le nombre et le type des réactions mises en jeu au cours de son déroulement et par leur dépendance vis-à-vis des facteurs extérieurs pouvant d'ailleurs exercer des influences susceptibles d'interaction. L'application des méthodes mathématiques et statistiques à l'étude de croissance bactérienne et la production de métabolites, a permis de faire progresser considérablement la connaissance de ces phénomènes et de ce fait de mieux les maîtriser et les exploiter (Scriban, 1999). 27 Chapitre IV- Production d’acide lactique A- Modélisation de la croissance microbienne Le modèle le plus simple, c’est celui qui exprime la vitesse de croissance proportionnellement à la quantité de biomasse présente dans la culture. Cette relation est réalisée lorsque la période de la culture correspond à la phase logarithmique de croissance du Streptococcus thermophilus. A condition qu’il y a absence d'inhibition par un métabolite et qu’aucun des nutriments ne commence à faire défaut (substrat limitant) (Monod, 1942). Powell, (1984), montre que la relation entre la concentration finale en biomasse et le rendement de transformation de substrat, est une relation linéaire à condition qu’il n’y a pas d'accumulation de produit formé, dont l’effet est l'inhibition de croissance bactérienne. Aussi, il faut signaler que la concentration du métabolite inhibiteur influe à la fois la production d’acide lactique et la croissance du Streptococcus thermophilus. B-Modélisation de la production d'acide lactique Luedeking et Piret, (1959), ont montré que la production d'acide lactique est partiellement associée à la croissance. Ils ont déduit que la production est associée au début de la fermentation. La concentration en biomasse correspond à celle existant à la phase exponentielle (la pente de la courbe de croissance). Selon Tayeb et al, (1984), l’inhibition est non compétitive de la croissance en absence de substrat limitant. C- Modélisation de la cinétique de consommation de sucre Pirt, (1975), décrit que la vitesse de consommation du substrat (sucre) correspond à la somme de deux termes d’utilisation, à savoir, à la croissance de la bactérie et au maintien de la biomasse existante. Le rendement est proportionnel à la conversion du substrat en biomasse. 28 Conclusion Conclusion Conclusion Streptococcus thermophilus est une bactérie utilisée dans l'industrie laitière pour la fabrication de produits laitiers fermentes tels que le yogourt et les fromages ; comme plusieurs autres bactéries lactiques utilisées à l'échelle industrielle. Pour la fabrication du yogourt, S. thermophilus est toujours utilisée avec Lb. bulgaricus. Il s'établit entre ces deux espèces bactériennes qui partagent la même niche écologique, une relation symbiotique complexe. La fermentation microbienne se fait dans le milieu de culture « lactosérum » contenant des protéines, riche en élément nutritifs et en lactose….etc. Le principal rôle du ferment dans la fabrication des produits laitiers fermentés est de convertir le lactose du lait en acide lactique, ce qui entraîne une diminution de pH. Le lactosérum représente 90% du volume initial du lait utilisé en fromagerie et il est le principale sous produit, Il est riche en protéines et en lactose, ce qui le rend dommageable aux écosystèmes aquatiques. La composition physico-chimique du lactosérum résultant de l'industrie fromagère, montre que lactosérum à un pouvoir polluant et ainsi qu’une valeur nutritive élevée. Au cours de la fermentation lactique, Streptococcus thermophilus naturellement présent dans le lait cru métabolise le lactose, libérant de l'acide lactique (CH3-CHOH-COOH) ce qui acidifie le lait. II y a plus de 6500 ans, la fermentation des aliments était déjà pratiquée par certaines civilisations. De nos jours, cette pratique est encore utilisée afin de conserver les aliments plus longtemps et d'obtenir des éléments nutritifs ainsi que des saveurs et des textures particulières. De nombreux produits alimentaires comme le lait, la viande, le poisson, les légumes, les céréales et les légumineuses sont couramment transformés selon ce processus. Les études portant sur la S. thermophilus sont toujours en cours afin de mieux comprendre leurs caractéristiques et leurs métabolismes pour élargir leurs utilisations. 29 Références bibliographiques Références bibliographiques Accolas J.P., Hemmed., Desmazeaud M.J., Vassel I., Bouillance C et Veaux MC. 1980Les levains lactiques thermophiles: propriétés et comportement en technologie laitière. Lait, 60: 487-254. Agnes N. 1986- Production des protéines à partir de lactosérum brut. Thèse de 3eme cycle, université de Lyon, France. 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Synthèse bibliographique sur la production d’acide lactique sur lactosérum par Streptococcus thermophilus Résumé : Streptococcus thermophilus est une bactérie lactique thermophile, homolactique et qui produit uniquement de l'acide lactique par la fermentation du lactose contenu dans le lait et le lactosérum. Cette souche est utilisée pour la fabrication industrielle de yogourts et de fromages. La valorisation du lactosérum sert, d'une part, à limiter la pollution engendrée par ce sous - produit, d'autre part, à synthétiser un produit « acide lactique » qui trouve une grande gamme d'application dans les domaines : alimentaire, pharmaceutique, cosmétique, textile…. Vue les adaptations génomiques du S. thermophilus, qui rendent cette bactérie lactique particulièrement bien adapté à la croissance en présence de lactose comme principale source de carbone sur le lactosérum, par fermentation ce suere sera rapidement en lactate. Mots clés : Streptococcus thermophilus, lactosérum, acide lactique. Fermentation, lactose. Streptococcus thermophilus Streptococcus thermophilus « » S. thermophilus . Streptococcus thermophilus Bibliographic study about production of lactic acid of whey from Streptococcus thermophilus Summary: Streptococcus thermophilus is a thermophilic lactic bacterium, which produces only homolactic by the lactic fermentation of lactose contained in milk and acid whey. This strain is used for the industrial production of yogourt and cheese. Enhancement of whey used, on the one hand, to limit the pollution caused by this product, secondly, to synthesize a product "lactic acid" which is a large range of applications in the fields of food, pharmaceutical , cosmetic, textile .... View genomic adaptations of S. thermophilus, lactic acid bacteria that make this particularly well adapted to growth in the presence of lactose as the main carbon source on whey, and fermentation will be rapidly converted the lactose to lactate. Keywords: Streptococcus thermophilus, whey, lactic acid. Fermentation, lactose.
