• Langue : Anglais
• Discipline : Biotechnologies agroalimentaires, sciences de l'aliment, physiologie
• Identifiant : 2022ULILR037
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 07/10/2022

Résumé en langue originale

La persistance des biofilms reste un problème mondial rencontré dans l'industrie agro-alimentaire. En raison de la résistance adaptative associée aux propriétés physiques de la matrice du biofilm, l'échec de l'éradication totale des biofilms à l'aide de désinfectants conventionnels souligne la nécessité de trouver des stratégies alternatives efficaces. La méthodologie développée dans ce travail est axée sur l'utilisation de terpènes d'huiles essentielles biosourcées, à savoir le carvacrol (CAR) et le thymol (THY), qui représentent de puissants antimicrobiens face aux biofilms. La nanoencapsulation des terpènes est une approche innovante et proactive qui permet de stabiliser les terpènes et d'améliorer leurs fonctionnalités en les protégeant dans une structure d'enveloppe et en assurant une libération contrôlée rémanente. Les résultats de ce travail révèlent une plus grande activité du CAR et du THY nanoencapsulés contre les biofilms de Salmonella Enteritidis et Listeria innocua formés sur des surfaces en acier inoxydable (AI) par rapport à l'activité des terpènes libres. Les propriétés antimicrobiennes puissantes des nanocapsules ont été mises en évidence en induisant des dommages majeurs et évidents aux structures des cellules bactériennes avec une augmentation ultérieure de la perméabilité membranaire, favorisant la fuite des constituants vitaux intracellulaires vers le milieu extérieur. Après avoir confirmé l'activité antibiofilm prometteuse des nanocapsules monocouches (MC) obtenues par séchage par atomisation en utilisant de la maltodextrine comme matériau de support et le caséinate de sodium comme émulsifiant, un autre type de nanocapsules couche-par-couche (CPC) a été développé en ajoutant de la pectine comme couche interfaciale supplémentaire. L'augmentation de l'épaisseur de la structure interfaciale des capsules CPC a été observée au microscope et confirmée par l'augmentation de leur taille. La cinétique de relargage des terpènes des capsules MC et CPC suit un modèle mathématique de Korsmeyer-Peppas dominé par un mécanisme de diffusion Fickien. La libération du THY et du CAR à partir des capsules a montré un profil biphasique commençant par une libération initiale rapide des terpènes, suivie d'une deuxième phase de libération régulière pour les capsules MC, et d'une libération progressive et soutenue dans le temps pour les capsules CPC. Les activités antibiofilms des THY et CAR encapsulés sont cohérentes avec les courbes de libération, mettant en évidence une désinfection durable des surfaces en contact avec les aliments. Une exposition successive aux capsules MC et CPC a assuré une éradication de 99,99 % des biofilms avec une protection des surfaces d'AI contre la recontamination pendant plusieurs heures. L'inhibition a été induite par les nanocapsules MC qui ont assuré une désinfection initiale des surfaces avec une réduction des biofilms dans les premières minutes d'exposition, combinées aux capsules CPC qui ont continué à libérer des terpènes de manière contrôlée pendant plusieurs heures favorisant une désinfection prolongée des surfaces en contact avec les aliments et une protection contre la recontamination bactérienne. L'importante activité de désinfection rémanente obtenue par un traitement successif par des nanocapsules MC et CPC a également été validée sur des biofilms formés dans différentes conditions hydrodynamiques dans un système de canalisation de laboratoire reproduisant certaines des conditions d'écoulement réelles rencontrées dans les industries agro-alimentaires.

Résumé traduit

The persistence of biofilms remains a worldwide problematic encountered in the agro-food industry. As a result of the adaptive resistance coupled with the physical properties of biofilm matrix, the failure to eradicate totally biofilms using conventional disinfectants urges the need to find alternative effective strategies. The current methodology developed in this work is focused on the use of biosourced essential oil terpenes, namely carvacrol (CAR) and thymol (THY) that represent powerful antimicrobial tools facing biofilms. Nanoencapsulation of terpenes is an innovative and proactive approach that stabilizes terpenes and enhances their functionalities by protecting them within a carrier shell structure and by ensuring a sustained controlled release. The results of this work reveal a greater activity of nanoencapsulated CAR and THY against Salmonella Enteritidis and Listeria innocua biofilms developed on stainless steel (SS) surfaces as compared to the activity of free terpenes. The potent antimicrobial prospects of nanocapsules were highlighted by inducing major obvious structural damages to bacterial cells with subsequent increase in permeability, promoting the leakage of intracellular vital constituents to the outer medium. After confirming the promising antibiofilm activity of monolayer (ML) nanocapsules developed by spray-drying using maltodextrin as carrier material and sodium caseinate as emulsifier, another layer-by-layer (LBL) nanocapsule was developed by adding pectin as an additional interfacial layer. The increased shell structure thickness of the LBL capsules was observed microscopically and confirmed by the increase in size. The release kinetics of terpenes from the ML and LBL capsules fitted into a Korsmeyer-Peppas mathematical model dominated by a Fickian-diffusion mechanism. The diffusion of THY and CAR out of the ML and LBL capsules was ascribed to a biphasic release profile starting with an initial rapid burst release of terpenes, followed by a second phase of steady release from the ML capsules compared to a gradual sustained release over time from the LBL capsules. The antibiofilm activities of encapsulated THY and CAR were consistent with the release curves, highlighting a promising sustained disinfection of food contact surfaces. A successive exposure to ML and LBL capsules ensured a 99.99 % eradication of biofilms with a protection of SS surfaces from recontamination for several hours. The inhibition was induced by the ML nanocapsules that ensured an initial disinfection of surfaces with a reduction of bacterial biofilms within the first exposure minutes, combined with the LBL capsules that kept releasing terpenes in a controlled manner over several hours favoring a sustained prolonged disinfection of food contact surfaces and a protection from bacterial recontamination. The prominent persistent disinfection activity using a successive treatment of ML and LBL nanocapsules was also validated on biofilms developed under different hydrodynamic conditions in a lab-scale pipeline system set-up to mimic some of the real flow conditions encountered in agro-food industries.