Utilisation d’extraits d’épices et d’enrobages naturels pour préserver la qualité des aliments transformés Monique Lacroix, Ph.D. Professeur Laboratoires de recherche en Sciences Appliquées à l’Alimentation INRS-Institut Armand-Frappier Université du Québec 531 Blvd. des Prairies, Laval,Qc, Canada H7V 1B7 Tel: 1 450 687 5010 poste 4489 Fax: 1 450 687 5792 e.mail: monique.lacroix@iaf.inrs.ca Web: www.labo-resala.com www.iaf.inrs.ca Au Canada, l’industrie des produits de boulangerie représentait en l’an 2000 une production de plus de 2.3 Milliards de dollars. Les produits de boulangeries sont périssables et leurs deux principaux problèmes de conservation sont lié à la croissance de moisissures et le rancissement. L’ approche traditionnelle d’utiliser des composés chimiques est efficace particulièrement à bas pH. De plus, la demande croissante du consommateur pour avoir accès à un produit de plus en plus naturel, organique, artisanal, avec un temps de conservation plus long, nous obligent à songer au développement de nouvelles technologies pour répondre à ces demandes. Je vais ds cette présentation présenter les technologies disponibles et certaines en émergence dans ce domaine. Laboratoires de Recherche en Sciences Appliquées à l’Alimentation

Les facteurs principaux responsables de la croissance microbienne dans les aliments sont: L’ Acidité = pH et L’eau disponible

L’Aw : ACTIVITÉ DE L’EAU Aw=disponibilité de l’eau = eau libre : Facteur le plus important pour contrôler la qualité des aliments Pression de vapeur de l ’eau dans l ’aliment (P) / pression de vapeur de l ’eau (Po)

Aw et croissance microbienne 0.93 - 0.96 (G -) surtout (Pseudomonas, Enterobacteriacea) Bactérie sporulantes 0.94 Lactobacillus 0.91 - 0.88 Majorité des bactéries 0.88 Levures 0.86 Staphylococcus aureus (tolère le sel) 0.80 Moisissures

Aw de quelques groupes d ’aliments Fruis et végétaux frais, viande, poisson 0.98 - 1 Viande cuite 0.95-0.98 Fromage 0.91-0.95 Saucisses 0.87 -0.91 Riz cuit 0.8-0.87 Confitures 0.75-0.80 Bonbons, fruits secs 0.60-0.75 Épices, vermicelles, lait en poudre 0.2-0.6 0.93 - 0.96 (G -) surtout (Pseudomonas, Enterobacteriacea) Bactérie sporulantes 0.94 Lactobacillus 0.91 - 0.88 Majorité des bactéries 0.88 Levures 0.86 Staphylococcus aureus (tolère le sel) 0.80 Moisissures

Les conséquences des maladies alimentaires: Importance de préserver la qualité des aliments Mortalité: Toxines bactériennes (tétrotoxine) Salmonella: endocardite, artériosclérose, osto myélite Salmonella, Shigella, Yersinia: arthrite dans les jenoux Listeria: méningite, avortement, séquelles au cerveau Campylobacter: syndrome de Guillian-Barré, paralysie E.coli: urémie, diabètes, coma, arrêt cardiaque E.coli 0157:H7: 30 – 50% lésions aux reins. 10% conséquences neurologiques. 20% développent le diabète Effets à court terme des maladies alimentaires; L’ingestion d’une toxine de S.aureus, ou d’une bactérie Salmonella ou Campylobacter. Ceux-ci sont incubés dans l’organisme. Des symptômes tel que nausées, indigestion, crampes diarrhée s’ensuit. Le temps de réaction dépend de la bactérie, de la toxine et de la concentration et aussi sur l’état de santé de la personne. Selon le centre de contrôle des infections aux USA, sur plus de 76 millions de cas/an moins de 1% se rendent à l’hôpital. Et pourtant les maladies alimentaires ont de lourdes conséquences sur les pertes économique au travail et à l’école. De plus, certaines personnes restent avec des conséquences lourdes à long terme ou peuvent même mourir. Les morts sont souvent relié Aux bactéries: Listeria ou Salmonelle passage direct dans le sang est une conséquence directe. Et aux toxines: tetrotoxines du poisson: mort en quelques heures Si survivance: Salmonella peut infecter le cœur (valves) provoquant une endocardite qui conduit éventuellement à la mort. ou si infection des vaisseaux sanguins: endartérite provoquant de l’artériosclérose. Salmonella peut infecter les os provoquant une osto myélite. Effets à long terme Listeria peut envaser le sang et infecter des organes tel que le système nerveux central provoquant ainsi une méningite ou le placenta provoquant un avortement. Une méningite peut avoir des conséquences à long terme en laissant des séquelles dans le cerveau. Effets sur le système immunitaire: Campylobacter jejuni, une des causes les plus importantes de toxiinfection alimentaire. Cette bactérie provoque le syndrome du Guillian-Barré. Aprèes 1- 6 semaines l’indivisu note que ses pieds ne fonctionnent pas normalement. S’en suit par la suite une paralysie. Contrairement à Salmonella, Campylobacter ne quitte jamais l’intestin. Ceci engendre une affectation du système immunitaire. On note une production d’anticorps qui attaquent les tissues et les nerfs résultant une paralysie. Salmonella, Shigella, Yersinia peuvent provoquer de l’arthrite spécialement des joints tel le genoux, E.Coli est envasé dans le sang spécialement les petits vaisseaux sanguins attaque les organes majeurs tel que les reins, le cerveau et le pancréas provoquant urémie, diabètes, apolexie (coma), arrêt cardiaque. 30 – 50% des personnes ayant été atteints par E.coli 0157:H7 ont des lésions aux reins. 10% des patients subissent des conséquences neurologiques. 20% des patients développent le diabète. Les infections virales spécialement les hépatites A et B provoquent des lésions au foie,

Traitements technologiques Additifs chimiques Séchage Congélation Fumage filtration Entreposage sous atmosphère modifiée Haute pression Pasteurisation à froid Composés naturels antimicrobiens Enrobage et emballage actifs Les additifs chimiques les plus importants: Acides organiques: acides benzoiques ou sorbique: (levures, moisissures: jus, confiture, marinade,) Acide acétique: tous les microorganismes: jus, fromage,pain, patisserie Citrique, ascorbique, lactique, fumarique: conserve, semi conserve, aliments déshydratés Sels: NaCl diminue le Aw. Nitrites, 0.02%: Nitrate de sodium, salpêtre: donne le gout, charcuterie contre clostridium. Anhidrides sulfureux 300 ppm: bactéries et moisissures: vin, cidre, fruit, legumes, jus,confiture, fruits de mer. sucres, : augmentation de la pression osmotique et diminution de la disponibilité de l’eau alcool, Gaz: oxyde d’éthylène: emballage, épices, cacao, amidon, noix, Séchage: à l’air, lyophilisation (viande, champignon, fruits de mer, café), réduction du Aw. La teneur en eau ds l’aliment passe de 80% à 1% (viande), 3% œuf, 6% (jus, légumes, lait) et 11% haricots. Pression osmotique excessive: saumure de marinades, sirop, confiture, bonbons, fruits confits, Plasmolyse: Déshydratation bactérienne et arrêt de la division Congélation: Fumage: 45-70’C, destructuction des germes de surface par chaleur et déshydratation Filtration: 0.2 à 1 micron—0.8 (levures), 0.6 (bactérie du vin), 0.2 (traitemetn de l’eau et air) Séchage et congélation: bactérie en latence

Nouveaux agents antimicrobiens naturels Polyphénols de plantes et végétaux Bactéries lactiques et leurs bactériocines Huiles essentielles Antimicrobiens provenant de produits animaux: ex: Lactoferrine du lait, lysozyme des œufs Acides organiques Toutefois, suite à la demande du consommateur de réduire l’utilisation de produits chimiques dans les aliments, on voit une utilisation grandissante de préservatifs naturels tel que l’utilisation de bactéries lactiques, des polyphénols de raisin ou même des extraits de plantes. Toutefois, leurs stabilité étant limité, l’immobilisation de ces composés dans des polymères est de plus en plus étudiée.

Les Huiles essentielles Contribue au goût, propriétés antimicrobiennes et antioxydantes. Applications aux aliments:efficacité variable: Propriétés antimicrobiennes de certains huiles sont parfois inhibées une fois mis dans un aliment La concentration minimale inhibitrice est différente d’une huile à l’autre. Une huile peut être efficace contre une bactérie et pas nécessairement contre un autre pathogène. Plusieurs huiles essentielles provenant d’extraits d’épices ont un large spectre de propriétés antimicrobiennes. Ils contribuent en même temps au goût et certains ont un fort pouvoir antioxydant. Efficacité variable: essence de menthe inhibe Salmonella enteritidis et Listeria monocytogenes en culture mais une fois ajouté dans du tzatziki et taramasalata et ds paté, l’effet est variable et moins efficace. Salmonella résiste ds le pâté en présence d’huile de menthe . Pourtant ds le milieu nutritif la bactérie meurt. E.coli, Salmonella, Listeria et S.aureus sont inhibé ds un milieu de culture en présence d’huile d’origan. Toutefois, une fois dans la salade d’aubergine, taramasalata et mayonaise l’efficacité dependra du pH du milieu, de l’huile utilisé et de la température d’entreposage. Le clou de girofle, la canelle et le thym a été ajouté ds le fromage. Une fois mis ds le fromage maigre tous les extraits d’huiles essentielles inhibent Listeria mais ds le fromage gras seulement l’huile de clou de girofle a un effet. La CMI est d’une grande importance car affectera le goût.

• Monoterpènes phénoliques • Monoterpènes hydrocarbonés Composition des huiles essentielles Varie en fonction de: - Origine géographique - Partie de la plante utilisée - Stade de développement de la plante Constituants majoritaires: • Monoterpènes phénoliques • Monoterpènes hydrocarbonés Thymol Eugénol Carvacrol

Composés actifs de certaines huiles Eugénol Cannelle Cuminaldéhyde Cumin Piment Géraniol Palmarosa Bornéol-Carvacrol Thym satureioide Thymol Carvacrol Serpolet Carvacrol Origan Principe actif Huile Eugénol Carvacrol Thymol

A: Non traitée / B: Traitée Mécanisme d'action Perméabilisation de la membrane Acidification du cytosol Perturbation du gradient pH Arrêt de la synthèse d’ ATP Échappement des ions inorganiques Réduction du métabolisme cellulaire A: Non traitée / B: Traitée (Burt et al., 2003)

Electron micrograph Of L.monocytogenes Untreated Origano This slide represent the shape of bacteria when treated with ess. Oils. An example with, L monocytogenes. Is presented. An incomplete and deformed shape of the cells is observed when bacteria are treated with oregano ess. Oils. savory essential oils, produced also an important deformation of the bacteria the deformation observed is different depending of the bacteria evaluated. A more important deformation was observed with L. monocytogenes as compared with E. coli O157:H7. Cinnamon do not affect significantly the shape of the bacteria Cinnamon Savory J. Food Protection 2005, 68, 12, 2571-79

MIC/MTC E. coli S. typhimurium S. aureus L.monocytogenes Plant species Pepper 0.1/0.025 0.2/0.006 Cinnamon 0.025 / 0.006 0.05 / 0.025 0.025 / 0.013 0.05 / 0.013 Lemongrass Citronella >0.8/0.05 0.4/0.1 0.05/0.025 0.4/0.2 Thyme 0.025 / 0.003 0.02 5 / 0.006 0.013 / 0.006 Origano 0.05 / 0.006 Savory The results showed, the most efficient essential oils against the four pathogenic bacteria was observed at concentration ≤ 0.05% were: Between them we can recognize (cinnamon); (thyme); (origano) and (savory) who Showed a MIC < 0.05% and a MTC < 0.025 E.coli O157:H7 , Pepper and lemon grass extract showed a lower antimicrobial activity showing a MIC ranging between 0.1% and 0.2% (vol/vol) against the four bacteria tested Some compounds are efficient only against one bacteria. For example, citronella is efficient only against S.aureus.

Solution aqueuse de polymères Agents de réticulation Concept bio-enrobage Principes Solution aqueuse de polymères + Agents de texture Agents plastifiants Agents de réticulation Composés actifs Séchage Enrobage vaporisation Sur l’aliment Emballage

Création d’un enrobage sans agent actif pour le contrôle du transport de l’eau Invisible Assure un contrôle du transport de l’eau entre les éléments d’un met préparé ex: pizza, tarte Capacité de retenir: Les arômes Les composés antimicrobiens et antioxydants

La composition de l’enrobage Pourcentage d’inhibition du transport de l’eau de la garniture vers la pâte selon La composition de l’enrobage Optimisation d’une formulation Création de plusieurs formulations Pour diverses applications

Application commerciale potentielle Barrière à l’eau Avec l’enrobage Sans l’enrobage Avec LongevitaTM Sans LongevitaTM

Autres développements Limitation du transport des huiles Chocolat Arachide Huile La migration des huiles, et de l’eau est un problème très courant dans les produits de confiseries. La migration de ces composantes engendre des détériorations visuelles(tâches blanches) et sensorielles (goût rance). Ces défauts sont dus à la migration des huiles de l’amande vers l’extérieur. L’enrobage des amandes peut permettre de limiter cette migration. Toutefois,l’efficacité de l’enrobage dépendra de la structure des polymères et de la composition des formulations utilisées.

Problématique Facteurs principaux de la diffusion de l’huile Température  Température =  taux de diffusion  Diffusion à 20°C Composition en lipides du noyau Surface de contact entre noyau/enrobage Noyau endommagé Facteurs principaux de la diffusion de l’huile

Rejet par consommateur Retour du produit au manufacturier Problématique Rancissement Chocolat  ferme Fat bloom Rejet par consommateur Retour du produit au manufacturier

Mesure de la diffusion d ’huile en fonction de la formulation Résultats Mesure de la diffusion d ’huile en fonction de la formulation Taux de diffusion (%) Mesure de la diffusion en conditions accélérées soit 35’C pendant 12 semaines. Comparaison entre une formulation commerciale et deux des formulations que nous avons essayé. Temps (semaines)

Solution: Réduction de 80% la diffusion de l’huile grâce à cet enrobage Chocolat Arachide Huile Enrobage à base de protéines

Création d’un enrobage contenant des agents actifs pour augmenter le temps de conservation de mets préparés 0 kGy 1 kGy 2 kGy Contrôle Enrobage 1 et 2 Tourtière Avec LongevitaTM Sans LongevitaTM L’enrobage de la pizza a permis d’améliorer le temps de conservation de 3 à plus de 20 jours selon la composition de l’enrobage et ce sans affecter la qualité sensorielle du produit. D’autres agents antimicrobien naturels sont à l’étude. Avec l’enrobage Sans l’enrobage

Immobilisation des huiles essentielles dans des films Cette technologie permet de: Optimiser l’efficacité des composés naturels dans le temps en les stabilisant Protéger les principes actifs contre la dégradation (oxydation) Contrôler la diffusion ou la disponibilité du composé actif Permet l’obtention de concentrations élevées au niveau des sites de croissance microbienne

Effet d’un film bioactif déposé sur de la viande contenant des huiles essentielles sur la croissance de E.coli 0157:H7 Beef without film film with pepper pepper + origano extract ---Films containing Oregano based films was evaluated for their antimicrobial properties on meat. Pimento based films was also added to the films for their antimicrobial properties but also for their high antioxidant activities. ---The growth of E.coli was evaluated during storage. Results showed that oregano based films was THE MOST EFFECTIVE AGAINST the growth of E.coli and were able to produce a 1.12 LOG REDUCTION OF E. COLI O157:H7 LEVEL on beef during storage. Origano extract

Effet d’un film sur la croissance de L. monocytogenes et S Effet d’un film sur la croissance de L.monocytogenes et S.typhimurium pendant l’entreposage de la bologne Traitement Jour 1 Listeria Salmonella Jour 4 Jour 5 Listeria Salmonella Origan 3 3 1.6 2 0 2 Cannelle 0 1 0 1 Sarriette 1.5 2 Cinnamon based films were the most efficient to eliminate pathogenic bacteria. L. Monocytogenes were completely eliminated in 4 days in presence of cinnamon. Also a 2 log reduction of S. typhimurium was observed after 4 days of storage in presence of cinnamon. Origano and savory based films were able to reduce by 1 log the presence of Salmonnella after 5 days of storage.

Taux de libération des composés actifs Traitement Jour 2 Jour 3 Jour 4 Origan 17 63 66 Cannelle 20 72 78 Sarriette 62 84 Jour 5 72 89 96 --The evaluation of the active compounds availability in films showed that cinnamon and origano based films showed the lower release level of active compounds during the first 2 days of storage. --However, from day 3 to the end of storage, Origano -based films showed the lower release level of active compounds.

Conservation bœuf haché par les Bactéries lactiques: effet de la production des acides organiques Figure 1 : Croissance de Staphylococcus aureus dans du bœuf haché inoculé avec Lactococcus lactis subsp. lactis ATCC 11454 et incubé à 7°C. Formulations : () témoin; () BAL libres; () BAL microencapsulées.

Conservation bœuf haché par la nisine: un métabolite bactérien appelé bactériocine accepté par Santé Canada Figure 5b : Inhibition de la croissance de Staphylococcus aureus inoculé dans des échantillons de bœuf haché mi-maigre traités avec 1000 UI/g de nisine libre ou encapsulée. () S. aureus seul; () Billes sans nisine; () nisine libre (1000 UI/g); () nisine encapsulée (1000 UI/g).

Efficacité de la bactériocine contre la croissance de bactéries une fois immobilisée dans un polymère Nous regardons la possibilité d’étudier des nouvelles souches de bactéries lactiques productrices de bactériocines sur la qualité microbienne de l’aliment. Déjà nous savons qu’une fois immobilisé dans des polymères, la bactériocines garde ses propriétés antimicrobiennes dans le temps.

Études physico-chimiques et évaluation sensorielle

Analyses microbiologiques et chimiques

Merci