Étude de l'impact du lactosérum électro-activé sur la croissance des bactéries lactiques Streptococcus thermophilus et Lactobacillus delbrueckii ...
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Étude de l’impact du lactosérum électro-activé sur la
croissance des bactéries lactiques Streptococcus
thermophilus et Lactobacillus delbrueckii subsp.
bulgaricus et leur pouvoir antibactérien contre
Salmonella enterica
Mémoire
Ittissam Hasnaoui
Maîtrise en sciences des aliments - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
© Ittissam Hasnaoui, 2022
Étude de l’impact du lactosérum électro-activé sur
la croissance des bactéries lactiques Streptococcus
thermophilus et Lactobacillus delbrueckii subsp.
bulgaricus et leur pouvoir antibactérien contre
Salmonella enterica
Mémoire
Ittissam Hasnaoui
Sous la direction de :
Mohammed Aider, directeur de recherche
Résumé
L’électro-activation, une branche de l’électrochimie appliquée, permet la valorisation
intégrale du lactosérum en le convertissant en un produit riche en lactulose qui est un
prébiotique reconnu et éprouvé. Dans ce contexte, ce projet de recherche a pour objectif
d’étudier l’impact du lactosérum électro-activé (LEA) neutralisé (LEA-N), non neutralisé et
en combinaison avec le milieu de culture MRS sur la croissance de ferments lactiques
composés, de Streptococcus thermophilus et de Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus,
et d’évaluer l’effet antimicrobien du surnageant issu de la fermentation par ces bactéries
contre Salmonella enterica. Pour cela, le LEA a été produit par électro-activation à une
intensité de courant électrique de 800 mA pendant 60 min. Par la suite, il a été ajouté à un
taux de 2.5, 5 et 7.5% au milieu de fermentation. Les deux bactéries lactiques ont été séparées
en premier lieu par culture sur gélose spécifique. L’étude de la croissance bactérienne en
culture simple et en coculture a été réalisée par mesure de la densité optique. La méthode de
puits de diffusion a été utilisée pour évaluer l’activité antibactérienne contre Salmonella
enterica.
Les résultats obtenus sont les suivants : Le lactosérum électro-activé (LEA) favorise la
croissance bactérienne en coculture et en culture simple. Le LEA neutralisé ajouté à 7.5% au
milieu de culture de base permet d’atteindre la croissance significativement la plus élevée
comparée aux autres concentrations (2,5 et 5%). Lorsque le LEA est ajouté au milieu MRS,
une relation inversement proportionnelle a été observée entre la concentration de LEA et la
vitesse de croissance spécifique µmax ainsi qu’avec la durée de la phase de latence. Le
surnageant issu de la fermentation du lactosérum électro-activé neutralisé (LEA-N) présentait
des pouvoirs antibactériens contre Salmonella enterica. Les surnageants obtenus après 48 h
des cultures mixtes et celui de 72 h de Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus exerçaient
les plus grands effets inhibiteurs. La concentration minimale inhibitrice était de 50% pour le
surnageant des deux cultures. Ces résultats offriraient une nouvelle voie pour la valorisation
du lactosérum fermenté pour réduire les risques de toxico-infection due à Salmonella enterica.
ii
Abstract
Electro-activation, a branch of applied electrochemistry, allows the integral valorization of
whey without need of fractionation. In this context, this research project aims to study the
impact of electro-activated whey (LEA), neutralized electro-activated whey (LEA-N), and
the combination of electro-activated whey with MRS culture medium on the growth of lactic
ferments composed of Streptococcus thermophilus and Lactobacillus delbrueckii subsp.
bulgaricus as well as to evaluate the inhibitory effect of the supernatant resulting from the
fermentation by these bacteria against Salmonella enterica in a direct contact mode as well
as an additive to ground chicken meat. For this purpose, electro-activated whey was produced
by electro-activation under an electric current intensity of 800 mA during 60 min. Then, it
was neutralized to pH 7 and used at 2.5, 5 and 7.5% as fermentation medium. The two lactic
acid bacteria were first separated by culture on specific agar. The study of single and co-
culture bacterial growth was performed by optical density measurement. The diffusion well
method was used to evaluate the supernatant antibacterial activity against Salmonella
enterica. The results obtained are as follows: i) electro-activated whey promotes bacterial
growth in co-culture and single culture. Electro-activated neutralized whey added at 7.5% to
a growth medium achieves significantly higher growth compared to other concentrations.
When electro-activated whey is added to MRS medium, an inverse relationship was observed
between the electro-activated whey concentration and the specific growth rate µ max value as
well as with the duration of the lag phase. The supernatant from electro-activated neutralized
whey fermentation showed antibacterial activity against Salmonella enterica. The 48 h
supernatants mixed cultures and that’s of the 72 h of Lactobacillus delbrueckii subsp.
bulgaricus culture showed the greatest inhibitory effects. The minimum inhibitory
concentration was about 50% for the supernatant of both cultures. These promising results
could offer a new way for the valorization of fermented electro-activated whey to reduce the
risk of toxic infection due to Salmonella enterica.
iii
Table des matières
Résumé ................................................................................................................................... ii
Abstract .................................................................................................................................. iii
Table des matières ................................................................................................................. iv
Liste des figures .................................................................................................................... vii
Liste des tableaux ................................................................................................................ viii
Listes des abréviations, sigles, acronymes ............................................................................ ix
Remerciements ...................................................................................................................... xi
Introduction générale .............................................................................................................. 1
Chapitre 1 : Revue de littérature ............................................................................................ 3
1.1. L’industrie fromagère au Canada ............................................................................. 3
1.2. Les différentes voies de valorisation du lactosérum ................................................ 4
1.3. Valorisation du lactosérum pour la production de bioénergie ................................. 5
1.3.1. Production de biogaz ........................................................................................ 5
1.3.2. Production de bioéthanol .................................................................................. 5
1.3.3. Production de biobutanol .................................................................................. 6
1.3.4. Production de biohydrogène ............................................................................. 6
1.4. Valorisation du lactosérum pour des applications alimentaires ............................... 6
1.4.1. Production de protéines ........................................................................................ 6
1.4.2. Production du lactose ........................................................................................... 7
1.5. Valorisation du lactosérum pour application agricole.............................................. 8
1.6. Les bactéries lactiques ............................................................................................. 8
1.7. Effets bénéfiques des bactéries lactiques ................................................................. 9
1.8. Symbiose du Streptococcus thermophilus-Lactobacillus bulgaricus..................... 11
1.9. Effet des paramètres de la fermentation et de la composition du milieu sur la
croissance du ferment lactique (Streptococcus thermophilus-Lactobacillus bulgaricus) . 13
1.9.1. Effet de l’oxygène .............................................................................................. 13
1.9.2. Effet de la température et du pH ........................................................................ 13
1.10. Facteurs de croissance pour le ferment lactique (Streptococcus thermophilus-
Lactobacillus bulgaricus) ................................................................................................. 14
1.11. Bienfaits de Streptococcus thermophilus et de Lactobacillus delbrueckii subsp.
bulgaricus ......................................................................................................................... 15
1.11.1. Streptococcus thermophilus ............................................................................ 15
1.11.2. Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus .................................................. 15
1.11.3. Bienfaits de l’association des deux bactéries ................................................. 16
iv
1.12. Les pathogènes alimentaires............................................................................... 17
1.12.1. Salmonella typhi ............................................................................................. 17
1.12.2. Listeria monocytogenes .................................................................................. 17
1.12.3. Staphylocoques aureus ................................................................................... 17
1.12.4. Escherichia coli .............................................................................................. 18
1.12.5. Clostridium botulinum .................................................................................... 18
1.13. Activité antimicrobienne de Streptococcus thermophilus et de Lactobacillus
bulgaricus ......................................................................................................................... 18
1.14. La technologie d’électro-activation .................................................................... 20
1.14.1. Généralités ...................................................................................................... 20
1.14.2. Utilisation de l’électro-activation pour la valorisation du lactosérum ........... 21
Chapitre 2 : Hypothèse et objectifs....................................................................................... 24
2.1. Hypothèse de recherche ......................................................................................... 24
2.2. Objectif général ...................................................................................................... 24
2.3. Sous-objectifs......................................................................................................... 24
Chapitre 3 : Matériel et méthodes......................................................................................... 25
3.1. Microorganismes et milieux de cultures utilisés .................................................... 25
3.2. Production et caractérisation du lactosérum électro-activé ................................... 25
3.3. Étude de la croissance de pour Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus et
Streptococcus thermophilus en culture simple et co-culture (ferment lactique) dans le
lactosérum électro-activé .................................................................................................. 27
3.3.1. Préparation de l’inoculum .................................................................................. 27
3.3.2. Suivi de la croissance bactérienne ...................................................................... 27
3.4. Étude de l’activité inhibitrice du surnageant des cultures du ferment et des
bactéries lactiques-détermination de la concentration minimale inhibitrice .................... 28
3.5. Amélioration de la conservation de la viande de poulet hachée en utilisant le
surnageant obtenu à partir des cultures du ferment et des bactéries lactiques ................. 29
3.6. Analyses statistiques .............................................................................................. 29
Chapitre 4 : Résultats et discussion ...................................................................................... 30
4.1. Production et caractérisation du lactosérum électro-activé ................................... 30
4.1.1. pH, alcalinité titrable, température et potentiel redox ........................................ 30
4.1.2. Caractérisation des protéines du lactosérum électro-activé par électrophorèse sur
gel SDS-PAGE.................................................................................................................. 34
4.1.3. Évolution de la concentration des sucres réducteurs avant et après l’électro-
activation du lactosérum ................................................................................................... 35
4.2. Croissance du ferment lactique dans le lactosérum électro-activé ........................ 36
v
4.3. Croissance du ferment lactique dans le lactosérum électro-activé neutralisé ........ 40
4.4. Croissance de Streptococcus thermophilus et Lactobacillus delbrueckii subsp.
bulgaricus dans le lactosérum électro-activé neutralisé ................................................... 43
4.5. Activité antibactérienne de Streptococcus thermophilus et de Lactobacillus
delbrueckii subsp. bulgaricus en culture simple et en coculture (ferment lactique) contre
Salmonella enterica : effet du milieu de croissance ......................................................... 48
Conclusion générale ............................................................................................................. 58
Bibliographie ........................................................................................................................ 60
vi
Liste des figures
Figure 1: Représentation schématique d’un processus d’électrolyse de l’eau. ................... 23
Figure 2: Évolution du pH dans le lactosérum électro-activé (LEA) en fonction du temps
d’électro-activation cathodique. ........................................................................................... 31
Figure 3: Évolution de l’alcalinité titrable dans le lactosérum électro-activé (LEA) en
fonction du temps d’électro-activation cathodique. ............................................................. 32
Figure 4: Évolution de la température dans le lactosérum électro-activé (LEA) en fonction
du temps d’électro-activation cathodique. ............................................................................ 32
Figure 5: Évolution du potentiel rédox dans le lactosérum électro-activé (LEA) en fonction
du temps d’électro-activation cathodique. ............................................................................ 33
Figure 6: Caractérisation des protéines du lactosérum électro-activé par électrophorèse sur
gel SDS-PAGE...................................................................................................................... 34
Figure 7: Évolution des sucres réducteurs; (a) sucres avant électro-activation du
lactosérum; (b) sucres après électro-activation du lactosérum. ............................................ 36
Figure 8: Croissance du ferment lactique par mesure de la densité optique (DO) dans le
lactosérum électro-activé. ..................................................................................................... 38
Figure 9: Croissance du ferment lactique dans le lactosérum électro-activé neutralisé. ..... 42
Figure 10: Croissance du S. thermophilus dans le lactosérum électro-activé neutralisé
(LEA-N). .............................................................................................................................. 45
Figure 11: Croissance du Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus dans le lactosérum
électro-activé neutralisé (LEA-N). ....................................................................................... 46
Figure 12: Résultats des tests d’inhibition des cultures de 24 h. ......................................... 51
Figure 13: Résultats des tests d’inhibition des cultures de 48 h. LN = Lactosérum électro-
activé neutralisé (LEA-N). ................................................................................................... 51
Figure 14: Résultats des tests d’inhibition des cultures de 72 h. LN = Lactosérum électro-
activé neutralisé (LEA-N). ................................................................................................... 52
Figure 15: Croissance de Salmonella enterica en présence de plusieurs doses de surnageant
issu de la fermentation. ......................................................................................................... 53
Figure 16: Qualité microbiologique lors de la conservation de la viande hachée à la
température ambiante pendant 24 h. ..................................................................................... 56
Figure 17: Qualité microbiologique lors de la conservation de la viande hachée pendant 7
jours à T = 4 ⁰C. .................................................................................................................... 57
vii
Liste des tableaux
Tableau 1: Composition qualitative et quantitative du lactosérum acide et doux. ................ 4
Tableau 2: Conditions de culture utilisées pour étudier la croissance des souches mises à
l’étude. .................................................................................................................................. 25
Tableau 3: Résultats de l’analyse de la variance (ANOVA). ............................................... 39
Tableau 4: Test de Duncan pour le paramètre de croissance µ max dans le LEA. ................. 39
Tableau 5: Test de Duncan pour la durée phase de latence dans le LEA. ........................... 39
Tableau 6: Test de Duncan pour la DO* max dans le LEA. ................................................ 40
Tableau 7: Analyse de la variance (ANOVA) des paramètres de la fermentation. .............. 42
Tableau 8: Test de Duncan pour µmax / lactosérum électro-activé neutralisé (LEA-N)..... 43
Tableau 9: Test de Duncan pour Do* max dans le LEA-N. ................................................ 43
Tableau 10: Test de Duncan pour la durée de la phase de latence dans le LEA-N. ............ 43
Tableau 11: Analyse de la variance - Streptococcus thermophilus. ..................................... 46
Tableau 12: Analyse de la variance - Lactobacillus bulgaricus. .......................................... 47
Tableau 13: Test de Duncan pour la durée de la phase de latence de L. bulgaricus. ........... 47
Tableau 14: Test de Duncan pour µmax- Lactobacillus bulgaricus..................................... 48
Tableau 15: Test de Duncan pour Do* max - Lactobacillus bulgaricus. ............................. 48
viii
Listes des abréviations, sigles, acronymes
D (t): Densité optique à l’instant t
D* : Densité optique relative
D0 : Densité optique initiale (t=0)
DBO : demande biologique en oxygène
DCO: demande chimique en oxygène
LB : Milieu Luria Bertani
LEA : lactosérum électro-activé
LEA-N: lactosérum électro-activé neutralisé
MRS: milieu de Man, Rogosa, Sharpe
p/v: poids par volume
UFC: unité formant colonie
x1: valeur d’absorbance mesurées correspondant au début de la phase exponentielle de
croissance t1
x2 : valeur d’absorbance mesurées correspondant à la fin de la phase exponentielle de
croissance t2
µmax : taux de croissance maximum
ixÀ mes filles les prunelles de mes yeux, ma source de vie d’affection et d’amour
A ma moitié mon cher mari
À mes parents, mes sœurs et mon frère
À mes neveux et nièces
À ma famille et mes amis
xRemerciements
Au bout de ma maîtrise à l’Université Laval, j’ai le grand plaisir d’exprimer ma profonde
gratitude envers Dieu pour m’avoir entourée de tant de personnes qui m’ont soutenue tout au
long de mon cursus universitaire et contribué dans ce travail. Je voudrais exprimer tout
d’abord toute ma reconnaissance et mes remerciements à mon directeur de recherche, Pr.
Mohammed Aider, pour le formidable encadrement tout au long de cette maîtrise. Je le
remercie pour son soutien scientifique, pour son encouragement et sa disponibilité.
Je tiens à remercier Pr. Guider Tibaoui, directeur de l’ESAM, pour son soutien, son
encouragement et son support tout au long de mon cursus universitaire.
Je remercie toute l’équipe de l’INAF pour l’aide et la belle ambiance d’équipe qu’elle m’a
offerte pour mener à bien ces travaux.
Finalement, je ne peux passer sans adresser un très grand merci à tous mes amies,
spécialement Sirine, Manel, Siwar, Nissa et Frédérique avec qui j’ai partagé de très beaux
moments durant ces deux années d’études à l’Université Laval.
.
xiIntroduction générale
L’industrie fromagère est l’un des secteurs agroalimentaires les plus importants au Canada.
Chaque année, plus de 372 000 tonnes de fromage sont produites à l’échelle nationale, dont
plus de 53% sont produites au Québec. Pour chaque kilogramme de formage produit, 8-9
litres de lactosérum sont générés. Ainsi, environ 2 100 000 de tonnes de lactosérum sont
produites annuellement au Canada dont 1 200 000 de tonnes sont produites par l’industrie
fromagère du Québec 1 . Bien qu’il soit considéré comme un effluent, le lactosérum est
particulièrement riche en protéines, en sucres fermentescibles et en sels; ce qui lui confère
une grande valeur nutritive et commerciale (Prazeres et al., 2012). Toutefois, la gestion du
lactosérum est une grande problématique environnementale étant donné sa grande demande
biologique en oxygène (DBO) ainsi que sa grande demande chimique en oxygène (DCO)
(Yadav et al., 2015). Par conséquent, il est important de développer des stratégies de
valorisation intégrale de ce co-produit de l’industrie fromagère afin d’augmenter la rentabilité
globale de ce secteur d’activité économique et de réduire l’impact environnemental du
lactosérum.
Dépendamment du procédé utilisé, il existe deux types de lactosérum : acide et doux (Car-
valho et al., 2013). Le lactosérum acide est obtenu à la suite de la fabrication de fromages
frais (par le procédé de coagulation mixte ou lactique), alors que le lactosérum doux est ob-
tenu à la suite de la fabrication des fromages à pâte pressée. D’une façon générale, le lacto-
sérum est constitué majoritairement d’eau, suivi de différentes fractions de protéines sé-
riques, de lactose, de sels minéraux, et de certaines vitamines résiduelles. Plusieurs travaux
ont démontré que le lactosérum peut être valorisé pour la production de différentes biomolé-
cules comme le bioéthanol (Guimarães et al., 2010; Das et al., 2016), l’acide lactique (Li et
al., 2007), des concentrés et isolats de protéines de lactosérum (Amundson et al., 1982; Ghaly
et al., 2004). La lactulose, qui est un prébiotique (Seo et al., 2015; Seo et al., 2016) également
utilisé comme substrat pour la culture de plusieurs bactéries probiotiques (Lactobacillus pa-
racasei, Lactobacillus rhamnosus et Lactobacillus gasseri) (Lavari et al., 2014) représente
également une molécule d’intérêt. Cependant, malgré l’ensemble des avancées technolo-
giques et scientifiques, le lactosérum demeure toujours une problématique environnementale,
1
http://cilq.ca/wp-content/uploads/2015/02/1_Ingr%C3%A9dient-laitiers.pdf
1avec environ 50% de la production mondiale en lactosérum qui demeure non valorisée (Mol-
lea et al., 2013).
Récemment, l’équipe de recherche du professeur Mohammed Aider de l’Université Laval a
mis au point une nouvelle technologie d’électro-activation offrant de nouvelles perspectives
pour la valorisation du lactosérum sans nécessité de le fractionner. Cette technologie permet
la conversion du lactose en lactulose à des coûts compétitifs (Djouab & Aïder 2019). Il a été
déjà démontré que le lactulose permet de promouvoir la croissance de plusieurs bactéries
probiotiques comme telles que Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium bifidus (Özer et
al., 2005), Bifidobacterium lactis, Lactobacillus rhamnosus et Lactobacillus delbrueckii
subsp. bulgaricus (De Souza Oliveira et al., 2011). Ainsi, le lactosérum électro-activé, parti-
culièrement riche en lactulose, pourrait potentiellement être utilisé pour la croissance de bac-
téries probiotiques.
2Chapitre 1 : Revue de littérature
1.1. L’industrie fromagère au Canada
L’industrie agroalimentaire est le plus important secteur manufacturier au Canada, tout en
étant également le plus grand créateur d’emplois manufacturiers. Ce secteur a permis au
Canada de se classer en cinquième rang en termes d’exportations mondiales de produits
alimentaires totalisant ainsi 62,5 milliards de dollars en 2017, soit 12 % des exportations
nationales2. L’industrie laitière, quant à elle, se classe au deuxième rang en termes de son
importante contribution dans l’industrie agroalimentaire canadienne et vient juste derrière le
secteur de la viande rouge. Spécifiquement, le fromage est le produit laitier le plus exporté
étant donné ses grandes qualités nutritionnelles et les diverses possibilités de son utilisation
alimentaire. Plus de 1050 différentes variétés de fromage sont listées dans le répertoire des
fromages canadiens3, témoignant de la grande importance de l’industrie fromagère au Canada.
Dans l’ensemble, il existe 6 catégories de fromage en fonction du taux d’humidité :
i. Fromages à pâte ferme (représentant 35% de la totalité de la production),
ii. Fromages à pâte molle (26% de la totalité de la production),
iii. Fromages à pâte demi-ferme (22% de la totalité de la production),
iv. Fromages à pâte dure (4% de la totalité de la production),
v. Fromages à pâte fraiche (11% de la totalité de la production),
vi. Fromages à pâte persillée (2% de la totalité de la production).
Au Québec, on compte plus de 909 fromageries qui permettent de produire 55% de la pro-
duction nationale. Étant donné son important volume de production (plus de 497 000 tonnes
en 2018), l’industrie du fromage est considérée comme étant l’une des industries agroali-
mentaires les plus polluantes au Canada : pour chaque kilogramme de fromage produit,
jusqu’à 9 litres de lactosérum sont générés. On compte ainsi que plus de 2 100 000 tonnes
de lactosérum sont générées les deux dernières années, dont presque la moitié est au Qué-
2
http://www.agr.gc.ca/fra/industrie-marches-et-commerce/services-aux-exportateurs-de-produits-agroali-
mentaires/contacts-pour-les-exportateurs-de-produits-agroalimentaires/associations-de-l-industrie-agroali-
mentaire-canadienne/?id=1410072148297
3
http://cheese-fromage.agr.gc.ca/op-po_fra.cfm
3bec. Ces statistiques montrent ainsi l’importance de trouver des moyens efficaces de valo-
risation du lactosérum pour minimiser, voire éliminer, son potentiel de pollution tout en
augmentant la rentabilité du secteur laitier en général.
1.2. Les différentes voies de valorisation du lactosérum
Étant donné la valeur élevée de sa demande chimique en oxygène (COD), le traitement du
lactosérum nécessite plusieurs étapes intermédiaires; ce qui rend cette opération très coûteuse
pour l’industrie laitière. Malgré sa valeur nutritionnelle et le grand potentiel qui s’offre en le
valorisant, il est répertorié comme étant un déchet à cause de sa faible valeur économique.
D’une façon générale, le lactosérum est classé en deux catégories : doux et acide. Le lacto-
sérum doux est le principal sous-produit issu de la fabrication des fromages à pâte dure
(comme Cheddar, Suisse et Mozarella); le lactosérum acide provient en majorité de la fabri-
cation du fromage Cottage cheese et du fromage Ricota. Le lactosérum (doux ou acide) est
composé majoritairement d’eau, de lactose, de protéines solubles et d’ions minéraux. La te-
neur en acide lactique est plus élevée dans le lactosérum acide étant donné le procédé de
fabrication du fromage (coagulation acide et fermentation). La composition typique telle que
reportée dans plusieurs travaux de recherche est présentée dans le tableau suivant (Tableau
1) (Carvalho et al., 2013; Djouab & Aïder, 2019; Yadav et al., 2014).
Tableau 1: Composition qualitative et quantitative du lactosérum acide et doux.
Lactosérum acide Lactosérum doux
Matières sèches (g/L) 55 à 70
Lactose 40 à 50
Protéines totales 7 à 11
Matières minérales 4à8
Matières grasses 0à5
Acide lactique 0,1 à 0,3 7à8
Étant donné la grande problématique, tant environnementale que technologique, que
représente le lactosérum, plusieurs travaux et efforts se sont déployés depuis le 20 e siècle afin
de développer et diversifier les voies de valorisation. D’après les travaux publiés jusqu’à date,
on peut classer ces voies de valorisation selon les applications visées.
41.3.Valorisation du lactosérum pour la production de bioénergie
1.3.1. Production de biogaz
La biométhanisation peut être définie d’une façon générale comme une série de dégradations
bactériennes de la matière organique en absence d’oxygène qui produit un mélange de
méthane (de 50 à 75 %), de dioxyde de carbone (de 25 à 45 %) et autres gaz (’hydrogène
sulfureux (H2S), l’hydrogène (H2), l’eau (H2O), l’oxygène (O2), l’ammoniac (NH3) et l’azote
(N2)) (Comino et al., 2012). La biométhanisation est à la fois une technologie efficace pour
le traitement des effluents hautement chargés en matières organiques et en même temps une
avenue très prometteuse pour la production de bioénergie. Étant donné sa composition très
riche en lactose, le lactosérum représente un substrat idéal pour la production de biogaz. Au
Québec, plusieurs fermes et industries fromagères se sont équipées par des installations
spécifiques pour produire du biogaz, comme le cas des fromageries Blackburn, Des Basques,
Laiterie Charlevoix…etc. Dans la littérature, le lactosérum a été proposé dans le but
d’améliorer le rendement en biogaz de plusieurs types de substrat (destinés pour la digestion
anaérobie) comme le lisier de vache (Bertin et al., 2013; Comino et al., 2012), le fumier de
volaille (Carlini et al., 2015), les boues d’épuration (Maragkaki et al., 2018).
1.3.2. Production de bioéthanol
Le lactosérum renferme en moyenne autour de 4,5% de lactose, de ce fait la production de
bioéthanol peut être considérée comme étant une solution prometteuse pour sa valorisation
(Guimarães, Teixeira, & Domingues, 2010). Le bioéthanol est considéré l’une des quelques
rares sources d’énergie qui ne produit pas d’émissions toxiques lors de sa combustion, ce qui
fait de lui une alternative efficace aux combustibles fossiles. Le nombre de microorganismes
qui sont capables de métaboliser le lactose et le transformer en bioéthanol est relativement
limité (Domingues et al., 2010). Certaines levures se sont montrées efficaces ; par exemple
dans les travaux de Sansonetti et al. (2009), Kluyveromyces marxianus permettait d’atteindre
jusqu’à 97% du taux théorique de bioconversion du lactose en éthanol en utilisant le
lactosérum. Candida Pseudotropicalis a permis d’atteindre 99,6% du taux théorique de
bioconversion lorsque le milieu est supplémenté avec de l’extrait de levure (Ghaly & El-
Taweel, 1997). Ghaly et El-Taweel (1995) ont montré que Candida pseudotropicalis est
particulièrement efficace pour conversion du lactose en éthanol et permettait d’atteindre des
taux de bioconversion de 98,1% du rendement théorique maximum. Ne pouvant pas
5fermenter directement le lactose, Saccharomyces cerevisiae a été le sujet de plusieurs travaux
afin de la modifier génétiquement (Domingues et al., 2010). Porro et al. (1992) ont montré
qu’il est possible d’aboutir à des souches extrêmement performantes pouvant atteindre une
production en bioéthanol autour de 95% taux théorique de bioconversion du lactose.
1.3.3. Production de biobutanol
Le biobutanol est considéré comme l’une des sources de bioénergie de futur les plus
prometteuses, le biobutanol possède la même valeur énergétique que la gazoline et s’adapte
bien avec les moteurs actuels. Il a été démontré la faisabilité d’utiliser le lactosérum pour la
production de biobutanol (Becerra et al., 2015; Ujor et al., 2014). L’ajout de supplément
nutritionnel permet d’atteindre des rendements élevés. Napoli et al. (2010) a démontré que
Clostridium acetobutylicum permet d’atteindre une productivité en butanol de 4.4 g/L/h en
utilisant un milieu similaire au lactosérum (lactose (15–30 g/L) et extrait de levure (3 g/L)
et dans un système de bioréacteur alimenté en continu. Dans un même système et en
utilisant du lactosérum brut sans ajout de supplément nutritionnel, Raganati et al. (2013)
ont observé une productivité en butanol de l’ordre 2.66 g/L/h avec la même bactérie
Clostridium acetobutylicum. L’utilisation des systèmes de fermentation mixte de Clostridium
beijerinkii et Bacillus cereus permet d’améliorer la productivité de butanol (Stevens et al.,
1988).
1.3.4. Production de biohydrogène
Les travaux réalisés concernant la valorisation du lactosérum pour la production du
biohydrogène mentionnent tous la possibilité de mise en échelle de biotechnologie
prometteuse les prochaines années. Le système de fermentation obscure est principalement
utilisé (Moreno et al., 2015). Les systèmes de culture mixte mésophile et thermophile ainsi
les systèmes à deux niveaux permettent le meilleur rendement et la meilleure productivité
(Antonopoulou et al., 2008; Kargi et al., 2012). Par exemple, Davila-Vazquez et al. (2008)
ont obtenu un maximum de 8.1 mmol H2/L/h avec un système de culture mixte, alors qu’en
utilisant un seul micro-organisme, comme par exemple Escherichia coli permet d’atteindre
des rendements plus faibles (2,74 mol H2/L/h).
1.4. Valorisation du lactosérum pour des applications alimentaires
1.4.1. Production de protéines
Les protéines de lactosérum sont récupérées en utilisant différentes techniques comme la
6précipitation sélective selon le point isoélectrique, le séchage, la filtration membranaire et
l’adsorption. Il s’agit principalement de : β-lactoglobuline, α-lactalbumine, albumine de
sérum bovin (BSA), immunoglobulines, glycomacropeptide et protéose peptone.
L’une des applications les plus courantes est l’utilisation de ces protéines dans l’industrie du
yogourt comme le cas de la marque Petit suisse qui permet d’améliorer ses propriétés
fonctionnelles en plus de sa valeur nutritive (Prudencio et al., 2008). Les protéines de
lactosérum sont également utilisées dans la formulation du lait infantile afin d’augmenter le
taux de protéines et de l’enrichir en acides aminés essentiels. Les protéines de lactosérum
sont incorporées dans la fabrication du chocolat et de biscuits pour remplacer partiellement
le lait, elles sont aussi utilisées dans certains types de fromage pour améliorer la texture finale
du produit. Dans l’industrie de plats cuisinés elles sont ajoutées comme ingrédient de charge.
D’autres applications sont bien développées comme l’utilisation dans la formulation des
suppléments nutritionnels et les suppléments pour les sportifs, étant donné particulièrement
leur richesse en leucine (Ali et al., 2019). Étant donné sa richesse en β-lactoglobuline, les
protéines de lactosérum sont une source importante de peptides biologiquement actives, de
ce fait elles sont exploitées pour le développement des aliments fonctionnels è propriété
antihypertensive, antioxydante, et antimicrobienne (Sharma, 2019). L’utilisation des
concentrés protéiques de lactosérum en alimentation animale est particulièrement
intéressante, les travaux de Schingoethe (1976) portant sur l’alimentation de ruminants ont
montré une augmentation du poids, de l’efficacité alimentaire, de la digestibilité des protéines,
et l’absorption des minéraux lorsque la diète utilisée est enrichie de 10% avec les protéines
de lactosérum.
1.4.2. Production du lactose
Le lactose issu du lactosérum peut être exploité dans les applications classiques du lactose
pur comme source de carbone dans les milieux de fermentation de plusieurs types de
bactéries (particulièrement les bactéries lactiques). Le lactose est utilisé également comme
diluant dans les préparations pharmaceutiques, il est utilisé comme ingrédient dans plusieurs
formulations alimentaires comme en confiserie, boulangerie, biscuiterie et pâtisserie; dans la
fabrication des chips et pommes de terre frites et dans les produits laitiers reconstitués.
Le lactose est également hydrolysé, ce qui permet l’obtention des deux monosaccharides, le
glucose et le galactose, plus sucrés et plus solubles. Il est possible également de procéder à
7des modifications chimiques du lactose et le convertir en plusieurs autres produits tels que le
lactitol, la lactulose, la lactosyl-urée, l’acide lactobionique et l’acide gluconique. Les
principales applications de ces produits sont dans la formulation du yogourt, crème glacée,
pudding, biscuits, desserts…etc. Ils ont aussi des applications potentielles dans l’alimentation
animale ainsi que dans les préparations pour le lait pour enfant (Zadow, 1984).
1.5. Valorisation du lactosérum pour application agricole
L’application du lactosérum sur les terres agricoles a été démontrée bénéfique dans plusieurs
types de culture. Le lactosérum, en plus de sa teneur en eau, contient plusieurs éléments
nutritifs nécessaires à la croissance des plantes. Le lactosérum permet de modifier le pH du
sol au besoin selon l’objectif et la culture visés (Peterson et al., 1979; Robbins & Lehrsch,
1992). Il a été également démontré que l’épandage du lactosérum permet d’améliorer la
stabilité des agrégats dans le sol (Lehrsch et al., 1994) ce qui réduit l’érosion et maintient un
certain équilibre au niveau de la filtrabilité du sol (Oliveira et al., 2016).
1.6. Les bactéries lactiques
Les bactéries lactiques (LAB) sont des bactéries de gram-positif, non sporulantes, fixes,
tolérantes aux milieux acides, anaérobies facultatifs, et catalase négative (Teusink et al.,
2011). Elles sont principalement en formes de cocci (streptocoques, pediococcus,
leuconostoc) et de bâtonnet (lactobacillus et bifidobacterium) et reconnues par leur
croissance rapide. Les LAB sont présents presque partout dans les produits fermentés qu’il
s’agit de produits d’origine laitiers ou de produits carnés. Elles se retrouvent également et
d’une façon naturelle dans les voies gastro-intestinales et urogénitales des humains et des
animaux, dans le sol et les plantes (Ruiz Rodríguez et al., 2019).
La majorité des LAB sont considérées du phylum Firmicutes, de la classe Bacilli et de l’ordre
des Lactobacillales. On distingue dans l’ordre des Lactobacillales, les Aerococcaceae, les
Carnobacteriaceae, les Enterococcaceae, les Lactobacillaceae, les Leuconostocaceae et les
Streptococcaceae. On compte jusqu’à date plus de 30 genres toutefois le nombre d’espèces-
genres est toujours en augmentation avec les nouvelles découvertes (Ghaffar et al., 2014;
Mora-Villalobos et al., 2020; Ruiz Rodríguez et al., 2019).
Comme leurs noms l’indiquent, les LAB sont capables de produire l’acide lactique; cette
production se fait selon deux voies métaboliques : la première est une voix homofermentaire
(glycolyse) durant laquelle le produit principal est l’acide lactique (exemple : Lactococcus
8lactis, L. delbrueckii et L. casei); la deuxième est une voix hétérofermentaire (pentose
phosphate) qui permet la production du CO2, de l’acétaldéhyde, du peroxyde d’hydrogène,
de l’éthanol et l’acétate en plus de l’acide lactique (exemple : L. amylovorus, L. reuteri et L.
manihotivorans) (Nuraida, 2015). Durant leurs premières phases de croissance, plusieurs
LAB produisent des biomolécules à pouvoir antimicrobien et des enzymes du type protéinase
et peptidase capables de dégrader les matrices organiques complexes et les transformer en
composés simples (Hayek & Ibrahim, 2013).
1.7. Effets bénéfiques des bactéries lactiques
Les LAB sont bien reconnus pour leurs effets bénéfiques sur la santé animale et la santé
humaine. La découverte des effets bénéfiques des LAB remonte à la fin du 19ièm e - début du
20ième siècle, ils ont été mis en évidence par E. Metchnikoff, qui a démontré que la longévité
prolongée des peuples des Balkans est corrélée à leur consommation de produits laitiers
fermentés (Metchnikoff, 1908).
Présentement, il a été clairement démontré que les LAB ont plusieurs effets bénéfiques sur
la santé humaine. Plusieurs LAB sont considérés comme des probiotiques et possèdent des
propriétés d’adhésion qui leurs permettent de se fixer aux différentes couches du mucus
intestinal comme Lactobacillus reuteri IS-27560, Lactococus lactis IS-16183 et L.
rhamnosus IS-7257 (Dharmawan et al., 2006). Cette couche de mucus est composée
principalement de glycoprotéines de type mucine et joue un rôle essentiel dans la protection
des cellules épithéliales intestinales (Nishiyama et al., 2016). Le mécanisme d’adhésion des
LAB est similaire à celui utilisé par les bactéries pathogènes : une "protéine de pontage
extracellulaire" interagit avec un composant de la cellule bactérienne et un récepteur de
l’épithélium intestinal (Coconnier et al., 1992). L’équilibre du microbiote intestinal humain
joue un rôle déterminant dans le maintien d’une bonne santé et dans la prévention des
maladies.
Les LAB peuvent jouer le rôle de barrière naturelle en entrant en compétition avec les
pathogènes présents et exercer ainsi un effet protecteur des intestins. Plusieurs LAB comme
Lactobacillus lactis IS-16183 et Lactobacillus rhamnosus IS-7257 se sont avérées capable
d’inhiber significativement l’adhésion de Escherichia coli O157:H7 (Dharmawan et al.,
2006). Lactobacillus Plantarum IS-10506 possède des propriétés d’adhésion qui permettent
de réduire de manière significative la prolifération des pathogènes dans le mucus (Collado et
9al., 2007). Lactobacillus Plantarum MB427 a été démontré capable d’inhiber l’adhésion de
Listeria monocytogenes ATCC 13932, d’E. coli (EPEC) K1.1 et de Salmonella enterica
Typhimurium ATCC 14028 au mucus (Emmawati, 2014).
Les LAB inhibent les pathogènes en utilisant d’autres mécanismes comme la production de
peroxyde d’hydrogène, d’acide lactique, de molécules de type bactériocine, la stimulation du
système immunitaire et la modulation du microbiote intestinal (Boge et al., 2009; Collado et
al., 2006; Kang & Im, 2015).
Les bienfaits des LAB sur la santé humaine sont multiples et diverses. Les LAB ont la
capacité de contrôler le taux du cholestérol sanguin. En particulier, Lactobacillus et
Bifidobacterium spp sont capable de métaboliser le cholestérol (Tsai et al., 2014). Il a été
observé que Lactobacillus acidophilus réduit le cholestérol sanguin par dégradation directe
du cholestérol. En plus de la dégradation directe, les LAB interviennent dans le contrôle du
cholestérol via plusieurs autres mécanismes comme la déconjugaison des sels biliaires via
l’hydrolase, l’assimilation du cholestérol dans les membranes des cellules bactériennes, la
production d’acides gras à chaîne courte durant la phase de croissance et la conversion du
cholestérol en coprostanol (Lye et al., 2010; Tahri et al., 1997)
Récemment, il a été démontré que les LAB peuvent contribuer dans la dégradation de
plusieurs toxines, de récents travaux ont mis ont en évidence la capacité de L. plantarum IS-
10506 et IS-20506 à éliminer la microcystine-LR, une hépatoxine cyclique heptapeptidique
cancérogène produite par les cyanobactéries (Michlmayr & Kneifel, 2014). Les LAB
produisent la β-glucosidase, une enzyme très active qui permet de libérer plusieurs
métabolites secondaires de haute valeur nutritionnelle et qui ont un effet anti-cancérogène
démontré (Lee & Paik, 2017). La présence de LAB capable de produire de la β-glucosidase
dans les intestins permet l’élimination des mycotoxines produites par les Fusaruims que le
corps humain est incapable de la dégrader (Michlmayr & Kneifel, 2014).
Les LAB permettent d’améliorer le système immunitaire, plusieurs travaux ont démontré cet
effet : il a été observé que la supplémentation en L. plantarum IS-10506 et en zinc entraine
une augmentation significative de la réponse immunitaire humorale, ainsi qu’une
amélioration du statut en zinc et une meilleure absorption des minéraux (Nuraida, 2015)
Les LAB appartenant principalement aux genres Lactobacillus et Bifidobacterium sont
capables d’adsorber et attirer les substances carcinogènes qui peuvent s’accumuler dans le
10colon ce qui confère à ces bactéries un rôle protecteur en réduisant la bioaccessibilité de ces
substances carcinogènes et leurs effets toxiques (Cuevas-González et al., 2020). Certaines
LAB comme, par exemple, B. bifidum, B. animalis, L. acidophilus et L. paracasei sont même
capables de produire des biomécules antitumorigènes et antimutagènes dans le colon
(Hirayama & Rafter, 1999).
Les bactéries lactiques constituent un apport majeur de probiotiques notamment dans les
formulations destinées à l’alimentation animale. Déjà depuis 1994, la directive européenne
régissant l’usage des additifs en alimentation animale a été modifiée pour inclure les
probiotiques et les enzymes (directive 94/40 CE). Des études faites sur l’élevage du poulet
de chair, des cochons et des lapins ont montré toutes que la meilleure alternative à l’utilisation
des antibiotiques est l’intégration certaines bactéries lactiques à pouvoir probiotique dans
l’alimentation journalière des animaux (Gaggìa et al., 2010; Patterson & Burkholder, 2003).
Les probiotiques ont à la fois un effet nutritionnel direct, et un effet sanitaire où le probiotique
agit au niveau des intestins en renforçant les défenses naturelles de l’hôte (Zani et al., 1998).
Olnood et al. (2015) ont observé à travers des tests sur des poulets de chair que la population
de Clostridium perfringens diminue avec l’utilisation des probiotiques, en parallèle ils ont
observé une augmentation dans la taille du pancréas ce qui démontre bien l’effet bénéfique
des bactéries probiotiques.
1.8. Symbiose du Streptococcus thermophilus-Lactobacillus bulgaricus
Ce ferment lactique utilisé pour la production du Yogourt. Grâce à leur capacité à produire
diverses biomolécules d’intérêt technologique, les LAB ont été largement utilisés dans la
formulation des produits alimentaires, en particulier dans les produits laitiers fermentés
comme le Yogourt et le fromage. Au Canada, le Yogourt est le produit laitier qui connait le
plus d’innovation les dernières années avec une très grande diversité dans le marché.
D’ailleurs, c’est l’un des produits laitiers fermentés les plus consommés. Selon le centre
canadien d’information laitière, la production de yogourt dépasse Les 378,7 milles de tonnes
pour l’année 2018-2019 avec une consommation moyenne par habitant de l’ordre de de 9,35
kg (Nuraida, 2015). Les deux souches Streptococcus thermophilus et Lactobacillus
delbrueckii subsp. bulgaricus sont les plus utilisées comme ferment lactique pour la
production du yogourt. L’association de ces deux bactéries permet de réduire
considérablement la durée de fermentation et c’est grâce à cette association que S.
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