Les biocontaminations des aliments et des bioproduits (produits de la biotechnologie)

Effets de ces biocontaminations : Effets positifs Microorganismes utiles pour la fabrication du produit Effets négatifs Microorganismes - altérant la qualité du produit - dangereux pour la sécurité du consommateur du produit

Plan 1- Les originesdes biocontaminations 2- Les effets positifs et négatifs des biocontaminations

1- Les origines des biocontaminations

Origine des microorganismes des aliments et des bioproduits : - Origine exogène (contamination par eau, sol, air, poussières) - Origine endogène (microorganismes présents naturellement dans le produit lui-même)

1-1- Origine exogène des microorganismes

1-1-1- Contamination par la flore tellurique (flore du sol) Flore du sol toujours importante : les seules bactéries dans un sol riche représentent jusqu'à 12 tonnes à l'hectare ! Un gramme de terre prélevé peut contenir de un à trois milliards de bactéries… et 100 millions de moisissures et levures…

Genres présents extrêmement variables Genres présents extrêmement variables. Parmi les bactéries les plus représentées - les Actinomycètes, - Pseudomonas, - et bien sûr les sporulés comme Bacillus, Clostridium, etc….. Présence également de moisissures et de levures

Produits les plus exposés : - les légumes, - les fruits.

1-1-2- Contamination par la flore de l’eau Origine des microorganismes de l’eau : - microorganismes du sol, des végétaux bordant les cours d’eau et des plantes aquatiques - microorganismes provenant de la pollution animale et humaine des cours d’eau et donc notamment microorganismes de contamination fécale.

Nature des microorganismes de l’eau Flore abondante et diversifiée : Pseudomonas, Acinetobacter(coques Gram +), Vibrio, Flavobacterium, Aeromonas, Alcaligenes, etc….

Nature des microorganismes de l’eau S'y ajoute ensuite fréquemment une flore fécale par contamination humaine ou animale : entérobactéries, entérocoques, Clostridium, et éventuellement des virus (Entérovirus ou encore le virus de l'hépatite A).

Entérovirus : virus non-enveloppés à ARN simple brin de polarité positive appartenant à la famille des Picornaviridae. ... Virus de l’hépatite A : virus à ARN + sans enveloppe et entouré d’une capside protéique.

Les eaux utilisées en industrie sont donc systématiquement traitées, mais l'aliment peut avoir été contaminé par des eaux sur le site de production (eaux d'arrosage…).

1-1-3- Contamination par la flore de l’air Origine des microorganismes de l’air : microorganismes en transit fixés sur des poussières ou des aérosols et véhiculés par eux provenant - dans une salle vide : du sol - dans une pièce dans laquelle se trouvent des personnes : des chaussures, des vêtements, de la peau, des cheveux, du rhinopharynx……. Conséquence : la composition de la flore de l’air dépend essentiellement de l’activité qui est exercée

Nature des microorganismes de l’ air - Bactéries résistant bien à la dessication : sporulés, Micrococcus, Staphylococcus, peu de Gram - - Moisissures : Aspergillus, Penicillium - Plus rarement des levures

- Bactéries résistant bien à la dessication : sporulés, Micrococcus, Staphylococcus, peu de Gram -

Nature des microorganismes de l’ air - Moisissures : Aspergillus, Penicillium

Conséquences de la présence des microorganismes en suspension dans l’air Très grande importance du rapport surface / volume dans la contamination aérienne Difficulté de bien contrôler cette contamination (importance de la filtration de l’air, de la fermeture des portes, du contrôle des flux des matières, des produits et du personnel, de l’utilisation de salles blanches….

1-1-4- Contamination par la flore humaine L'Homme manipulant les produits, la flore qu'il porte est évidemment source de contamination fréquente : la flore oro-pharyngée, la flore commensale du tube digestif, la flore cutanée

Flore oro-pharyngée : Streptococcus, Staphylococcus, etc., contaminante par les toux, éternuements, les goûtages, et les mains sales (mouchages),

Flore commensale du tube digestif Flore riche en anaérobies (sporulés comme Clotridium ou non), en entérobactéries (Salmonella, Shigella), Staphylococcus aureus….., etc… Flore contaminante essentiellement par les mains sales si pas de lavage à la sortie des toilettes.

Flore cutanée constituée : d'une flore résidente Flore toujours présente sur la peau, souvent organisée en micro-colonies en surface de la couche kératinisée, et qu'il n'est pas possible d'éliminer en totalité,comprenant par exemple : Staphylococcus epidermidis et d'autres staphylocoques, Propionibacterium acnes, des corynébactéries, etc. d'une flore transitoire Flore non permanente, et qui peut être éliminée par des méthodes d'hygiène appropriées), issue des flores oro-pharyngées, commensales, etc.

mais limites du fait de la flore résidente. Intérêt du lavage des mains pour éliminer la flore transitoire, mais limites du fait de la flore résidente.

Remarque : - Possibilité d’effets positifs de cette flore lors de certaines productions locales artisanales (raisins foulés aux pieds, alcools produits par mastication puis fermentation de végétaux, etc.) - mais généralement effets négatifs : flore d'altération, parfois même une flore pathogène (les pathogènes pour l'Homme sont évidemment souvent hébergés par des Hommes).

1-1-5- Contamination par la flore du matériel des locaux Atelier de production, tout comme le matériel utilisé, sont souvent source de contamination, - soit par portage d'une des flores de l’eau, du sol, de l’air, du personnel, - soit parce que le lieu ou le matériel est naturellement contaminé (rôle des caves en fromagerie traditionnelle).

1-2- Origine endogène des microorganismes

Microorganismes provenant de l’organisme à partir duquel le produit est fabriqué : - microorganismes commensaux - microorganismes pathogènes

1-2-1- Flore commensale 1-2-1-1- Microorganismes présents sur les légumes, les fruits mal lavés

1-2-1-2- Microorganismes provenant des animaux a/ microorganismes présents sur la peau, le pelage, le plumage et les muqueuses de l’animal pouvant devenir contaminant - lors de la traite pour le lait (Lactobacillus et Lactococcus du pis) - lors de l’abattage d’un animal

b/ Microorganismes d’origine intestinale contaminant notamment b/ Microorganismes d’origine intestinale contaminant notamment * la viande * l’œuf

* Contamination de la viande - soit à l’occasion de l’éviscération de l’animal et / ou de sa découpe - soit par passage dans le sang en période post prandiale si abattage réalisé lorsque l’animal n’est pas a jeun

* Contamination de l’œuf Œuf expulsé du corps de la poule via le cloaque, donc au contact de résidus de matières fécales Contamination inévitable de la coquille (mais il n'y a normalement pas développement de contaminant dans l'œuf au moins les deux première semaines).

1-2-2- Flore pathogène 1-2-2-1- Cas de la flore pathogène des matières végétales - Pas de danger direct pour le consommateur car les microorganismes phytopathogènes sont presque tours inoffensifs pour l’homme et l’animal - Risque d’altération du produit par ces microorganismes

1-2-2-2- Cas de la flore pathogène des matières animales - Danger possible pour le consommateur car certains microorganismes pathogènes pour l’animal peuvent être pathogènes pour l’homme (ex : Salmonella, Brucella, Mycobacterium bovis………)

2- Conséquences de la contamination

Les microorganismes contaminant l'aliment s’y développent, augmentant la charge microbienne de celui-ci, dès lors que les conditions sont favorables, et notamment : le pH, le potentiel redox la disponibilité de l'eau la température la composition de l'aliment lui-même, qui fournit les nutriments disponibles pour le métabolisme microbien.

Le pH doit être proche de la neutralité (7 à 9 souvent) pour la plupart des bactéries, parfois plus acide ou, plus rarement, plus alcalin pour un certain nombre de Champignons (levures, moississures)

La disponibilité de l'eau Paramètre caractéristique : Aw ou activité de l'eau, Valeur très limitante pour la plupart des bactéries, un peu moins pour les moisissures (voir cours de 1ère année) ,

Influence de la température qui permet de distinguer des aptitudes très différentes entre microorganismes : - psychrophiles, - psychrotrophes, - mésophiles, - thermophiles.

Bilan : Selon la composition de l’aliment, certains microorganismes vont se développer davantage que d’autres. La flore définitive d’un aliment est toujours différente de la flore originelle. La multiplication des microorganismes dans l’aliment va : - soit provoquer des effets indésirables (altérations de l’aliment, maladies du consommateur…) - soit permettre une production du bioproduit.

2-1- Conséquences négatives

Les microorganismes, pour se développer : utilisent les biomolécules contenues dans le produit comme nutriments et altèrent ainsi les qualités organoleptiques épuisent l'aliment, en certains nutriments et altèrent ainsi les qualités nutritives produisent des métabolites secondaires et des déchets pouvant ainsi altérer les qualités organoleptiques et / ou être dangereux pour la santé du consommateur.

Conséquences : Modifications des caractéristiques organoleptiques du fait modification de la texture du produit modification de la composition biochimique du produit, modification des propriétés physico-chimiques aussi (acidification par exemple ; production et consommation de gaz ; etc.) : Effet pathogène du produit du fait de la présence de toxines uniquement de la présence des microorganismes

2-1-1- Modifications des propriétés organoleptiques Sont dues au développement de microorganismes - responsables de protéolyse, de lipolyse - produisant des molécules aux odeurs désagréables : * NH3 (par désamination des acides aminés), * amines (par décarboxylation des acides aminés), * H2S (par dégradation des acides aminés soufrés)

2-1-2- Création d’intoxications Un certain nombre de microorganismes peuvent être à l’origine de troubles chez le consommateur : - soit uniquement par production de toxines induisant une intoxination (entérotoxine de Staphylococcus aureus, toxine de Clostridium botulinum, toxines de Bacillus cereus…) - soit par virulence avec éventuellement production de toxines (Salmonella, Shigella, Yersinia, Listeria, ….)

2-1-2-1- CAS DES INTOXINATIONS ALIMENTAIRES

a/ Exemple : cas du botulisme Toxine secrétée par un des 8 types de Clostridium botulinum (bacille Gram +, anaérobie strict, sporulé de variété antigénique A, B, C1, C2, D, E, F, G, d’où la sécrétion de 8 variétés de toxines ayant des caractéristiques antigéniques différentes). Maladie « jamais » contractée par l’ingestion de bacilles (pas de production de toxines dans l’intestin sans doute en raison de la flore commensale associée).

Cas du botulisme Propriétés des toxines botuliniques : Résistantes à l’acidité gastrique et aux enzymes digestives Dénaturables par la chaleur, d’où la perte de la toxicité (et du caractère antigénique) Inactivables par le chlore (important dans les eaux d’alimentation) Effet toxique considérable par action sur le système nerveux (neurotoxine responsable d’une paralysie musculaire flasque)

Aliments en cause : Conserves mal stérilisées contenant des spores non détruites, notamment conserves de végétaux car présence de spores dans la terre, conserves de poissons et de crustacés car présence des spores dans les sédiments marins. Jambons crus artisanaux (porc hébergeant Clostridium botulinum en commensal dans son intestin et qui peut passer dans les muscles si abattage non correct ou en période post-prandiale).

Pour que la toxine soit produite, il faut : anaérobiose, pH du milieu supérieure à 4,5 absence de nitrites concentration en NaCl inférieure à 10g/L.

Traitement : sérothérapie antitoxique (injection d’antitoxines) traitement symptomatique : notamment respiration assistée.

b/ Exemple : cas de l’entérotoxine staphylococcique L’agent : Toxine secrétée par certains Staphylococcus aureus (il en existe 8 immunotypes).

Propriétés des entérotoxines staphylococciques Très grande résistance Résistance à de nombreuses enzymes protéolytiques (trypsine, chymotrypsine, papaïne) Thermorésistance (chauffage 1 heure à 100°C et quelques minutes à 120°C pour obtenir la dénaturation) Effet toxique dû à son action de superantigène (voir cours sur les toxines). Hyperproduction d’interleukines par les lymphocytes anormalement activés en grand nombre par le superantigène qu’est cette toxine.

Origine des microorganismes contaminant Aliments en cause Salaisons (Staphylococcus aureus cultive en milieu hypersalé), Charcuteries, Pâtisseries à cause des crèmes, Laitages et glaces..... Origine des microorganismes contaminant Essentiellement contamination exogène par le manipulateur (ayant un furoncle, une plaie infectée ou hébergeant des bactéries dans ses fosses nasales ou goûtant les plats). Éventuellement contamination endogène de la matière première.

c/ cas de Bacillus cereus L’agent Toxine émétisante qui a peut-être aussi une action de superantigène secrétée par Bacillus cereus : bacille Gram + sporulé, catalase + , aérobie

Aliments en cause : (retenir avant tout le riz !) - Riz préparé dans les restaurants orientaux… Origine des microorganismes contaminant - Origine tellurique le plus souvent et la bactérie ensuite doit pouvoir se multiplier dans l’aliment.

Ne pas oublier la production d’amines biogènes comme l’histamine - d’aflatoxines ………

2-1-2-2- CAS DES INFECTIONS ALIMENTAIRES

a/ Principales bactéries en cause - Salmonella (50% des toxinfections alimentaires en France), - Shigella , - EIEC, EPEC, EHEC, - Listeria monocytogenes, - Yersinia enterolitica , - Clostridium perfringens de type A

b/ Mécanisme physiopathologique Invasion de la muqueuse intestinale Possibilité de multipliecation dans la cellule et envahissement des cellules voisines, Mise en place parfois d’une réaction inflammatoire, avec destruction des cellules, provoquant un certain nombre de troubles (fièvre, selles sanglantes, diarrhée…). Production fréquente de cytotoxines (Shiga toxine) Possibilité d'invasion de l'organisme suivie éventuellement d’une septicémie. Libération de LPS, par les Gram négatif, chez des individus sensibles, pouvant provoquer des troubles majeurs liés aux interleukines libérées par les macrophages infectés : choc toxique, observé en particulier lors de la typhoïde, mais rare. Dans le cas des Listeria, l'infection intestinale est limitée dans ses manifestations et chez certains individus sensibles, une méningite, précédée d'une septicémie, peut apparaître. La transmission au fœtus provoque souvent avortement ou infection néonatale gravissime

c/ Cas particulier des infections alimentaires à Clostridium perfringens A Bactéries en cause : Clostridium perfringens en grande quantité dans un aliment Clostridium perfrigens : bacille Gram +, anaérobie strict, réduisant les sulfites en sulfures, cultivant à 46°C, même en présence de cyclosérine.

Mécanisme physiopathologique : Clostridium perfringens A ingérés avec l’aliment. Sporulation des bactéries dans l’intestin. Libération dans l’intestin d’une entérotoxine, produite en quantité excessive, protéine qui est un des éléments structuraux de la spore. C’est une protéine comportant 2 zones : zone hydrophile et zone hydrophobe. Fixation de l’entérotoxine sur un récepteur membranaire de la cellule intestinale par sa zone hydrophile. Internalisation de l’entérotoxine dans la cellule intestinale et déclenchement des troubles. Action cytotoxique (activité lécithinasique) : création de pores dans la membrane de la cellule intestinale, d'où fuite d’eau, de NaCl et donc diarrhées.

Aliments ayant subi une contamination fécale. Aliments en cause : Aliments ayant subi une contamination fécale. Beaucoup d’aliments responsables, essentiellement : viandes de mammifères ou de volailles cuites en grande quantité en sauce ou bouillies et consommées froides le lendemain après une mauvaise conservation. plats cuisinés à base de viande. Au cours de la cuisson de ces grandes quantités, le réchauffement des parties internes est lent. Comme il chasse O2, les quelques spores présentes sont activées par le choc thermique et donnent des cellules végétatives qui vont se multiplier pendant le refroidissement lent.

d/ Infections alimentaires virales Exemples de virus - Virus de l’hépatite A - Enterovirus, - Rotavirus (virus le plus fréquemment en cause dans les diarrhées sévères des nourrissons et des jeunes enfants) - ………

a/ Infections alimentaires virales Aliments en cause : - eaux souillées - coquillages - légumes, fruits lavés avec une eau souillée

Quelques rappels du cycle de multiplication des virus animaux Phase de pénétration Phase d’éclipse Phase de maturation Phase de libération

Pénétration des virus animaux par un mécanisme d’endocytose des virus animaux (1 à 6) Invagination de la membrane de la cellule animale Formation d’une vacuole d’endocytose avec la particule virale à l’intérieur Fusion de l’enveloppe du virus avec la membrane de la vésicule : libération de la nucléocapside dans le cytoplasme de la cellule infectée

Autre mécanisme de pénétration par fusion Fusion de la double couche phospholipidique de l’enveloppe du virus avec la double couche phospholipidique de la membrane plasmique de la cellule Libération de la nucléocapside dans le cytoplasme de la cellule infectée

- dès la pénétration si virus à multiplication cytoplasmique Pénétration suivie d’une décapsidation permettant la libération de l’acide nucléique dans le cytoplasme de la cellule animale (action d’enzymes de la cellules hôte pour dégrader les protéines de la capside) - dès la pénétration si virus à multiplication cytoplasmique - ou plus tardivement si virus à multiplication nucléaire

Chez les virus à ADN : phase précoce de la phase d’éclipse ARN polymérase cellulaire Ribonucléotides cellulaires Gènes précoces ARN messagers précoces Ribosomes, AA, facteurs d’élongation cellulaires Protéines précoces enzymatiques : ADN polymérases, inhibiteurs des synthèses cellulaires

Phase tardive de la phase d’éclipse chez les virus à ADN DNA polymérase virale nucléotides cellulaires 1 ADN viral n ADN viraux

3-1- Cas des virus à ADN 3-1-2- Phase tardive ARN polymérase Ribonucléotides cellulaires Gènes tardifs ARN messagers tardifs Ribosomes, AA, facteurs d’élongation cellulaires Protéines structurales