Ce dernier chapitre rassemble les applications : produire grâce aux micro-organismes, les utiliser pour transformer et conserver les aliments, et savoir les détruire ou les inhiber quand ils sont indésirables. Il croise tout ce qui précède — croissance, métabolisme, génétique — et fournit la matière des questions de synthèse et des cas pratiques en fin de module.
1. Bioprocédés et conduite des fermenteurs
Un bioprocédé industriel enchaîne la sélection et l'amélioration de la souche, la préparation d'un inoculum par étapes croissantes, la fermentation proprement dite en bioréacteur, puis le downstream processing : séparation de la biomasse par centrifugation ou filtration, extraction, purification et conditionnement. Le milieu industriel privilégie des substrats bon marché — mélasse, lactosérum, hydrolysats d'amidon, sous-produits agricoles.
Le fermenteur contrôle en continu la température, le pH, l'agitation, l'aération et l'antimousse ; la stérilité y est absolue, tout apport passant par filtration ou stérilisation à la vapeur. Trois modes de conduite coexistent : le batch, simple mais avec des phases successives, le fed-batch, où l'ajout progressif de substrat évite l'inhibition et la répression catabolique, et le continu, où le taux de dilution impose le taux de croissance et maintient la culture en régime permanent.
2. Métabolites primaires et secondaires
Les métabolites primaires sont produits pendant la phase exponentielle et sont liés à la croissance : éthanol, acide lactique, acide citrique (Aspergillus niger), acides aminés comme le glutamate et la lysine (Corynebacterium glutamicum), vitamines, polysaccharides. Les métabolites secondaires apparaissent surtout en fin de phase exponentielle et en phase stationnaire, ne sont pas indispensables à la croissance et sont souvent régulés par le quorum sensing : antibiotiques, toxines, pigments, alcaloïdes.
L'industrie exploite aussi la biomasse elle-même — levure boulangère, protéines d'organismes unicellulaires, inoculums de biofertilisants — et les enzymes microbiennes : amylases, protéases et lipases pour les détergents et l'amidonnerie, pectinases en jus de fruits, cellulases, présure recombinante en fromagerie. Le génie génétique permet en outre de faire produire par des micro-organismes des molécules qui ne sont pas les leurs : insuline humaine, hormone de croissance, antigènes vaccinaux.
3. Micro-organismes et aliments
Les ferments transforment les matières premières : les bactéries lactiques (Lactococcus, Lactobacillus, Streptococcus thermophilus) acidifient le lait pour le yaourt, les fromages et le lben, et interviennent dans les olives de table et les légumes fermentés ; Saccharomyces cerevisiae fait lever la pâte et produit l'alcool ; Propionibacterium donne à l'emmental ses ouvertures ; Penicillium affine les fromages à pâte persillée ; les moisissures et bactéries acétiques produisent vinaigres et sauces fermentées. La fermentation améliore aussi la conservation et la digestibilité, et certaines souches sont commercialisées comme probiotiques.
À l'inverse, les micro-organismes provoquent des altérations et des toxi-infections alimentaires : Salmonella, Listeria monocytogenes, Escherichia coli entérohémorragique, Staphylococcus aureus par sa toxine thermostable, Clostridium botulinum, ainsi que des moisissures productrices de mycotoxines comme les aflatoxines d'Aspergillus flavus. La maîtrise repose sur la chaîne du froid, les barrières combinées (pH, aw, conservateurs, atmosphère modifiée), les traitements thermiques et un système de prévention de type HACCP fondé sur l'analyse des dangers et les points critiques.
4. Antibiotiques et antibiorésistance
Un antibiotique est une substance, d'origine naturelle ou semi-synthétique, active à faible concentration sur les bactéries. Les principales cibles sont la paroi (bêta-lactamines, glycopeptides), la membrane (polymyxines), la synthèse protéique sur le ribosome 70S (aminosides, macrolides, tétracyclines, phénicolés), les acides nucléiques (quinolones sur l'ADN gyrase, rifampicine sur l'ARN polymérase) et le métabolisme des folates (sulfamides, triméthoprime). Un antibiotique est dit bactéricide s'il tue et bactériostatique s'il inhibe seulement la multiplication.
L'activité se quantifie par la CMI, concentration minimale inhibitrice, et la CMB, concentration minimale bactéricide ; en routine, l'antibiogramme par diffusion en gélose mesure des diamètres d'inhibition interprétés en catégories sensible, intermédiaire ou résistante. La résistance est naturelle ou acquise, par mutation ou par transfert horizontal de plasmides et transposons ; ses mécanismes sont l'inactivation enzymatique (bêta-lactamases, y compris à spectre élargi), la modification de la cible, l'imperméabilité par perte de porines et l'efflux actif. Le bon usage des antibiotiques, la surveillance et la recherche d'alternatives — phagothérapie, bactériocines, quorum quenching — sont des enjeux de santé publique.
5. Stérilisation, désinfection et antisepsie
La stérilisation détruit toute forme de vie, y compris les spores ; la désinfection réduit la charge microbienne sur un objet ou une surface ; l'antisepsie fait de même sur les tissus vivants. Les procédés physiques les plus utilisés sont la chaleur humide à l'autoclave (vapeur sous pression, typiquement 121 °C pendant 15 à 20 minutes), la chaleur sèche au four Pasteur, la filtration stérilisante sur membrane de 0,22 µm pour les liquides thermosensibles, les rayonnements ionisants et les UV pour les surfaces et l'air.
En agroalimentaire, la pasteurisation est un traitement modéré qui détruit les formes végétatives pathogènes sans stériliser et exige une conservation au froid, tandis que la stérilisation UHT à très haute température et très courte durée permet une conservation à température ambiante. Les agents chimiques — alcools, dérivés chlorés et iodés, aldéhydes, ammoniums quaternaires, peroxyde d'hydrogène — sont choisis selon le spectre visé, le temps de contact, la concentration, la température et la présence de matières organiques qui neutralisent partiellement leur action. Les spores et les biofilms restent les cibles les plus difficiles.
Composé non indispensable à la croissance, produit surtout en fin de phase exponentielle et en phase stationnaire : antibiotiques, pigments, toxines.
Concentration minimale inhibitrice : plus faible concentration d'antibiotique empêchant toute croissance visible de la souche après incubation.
| Procédé | Cible | Effet sur les spores | Usage |
|---|---|---|---|
| Autoclave (121 °C) | Matériel, milieux | Détruites | Stérilisation |
| Four Pasteur | Verrerie, matériel sec | Détruites | Stérilisation |
| Filtration 0,22 µm | Liquides thermosensibles | Retenues | Stérilisation |
| Pasteurisation | Aliments liquides | Non détruites | Réduction des pathogènes |
| Désinfectant chimique | Surfaces, objets | Variable | Désinfection |
| Antiseptique | Peau, muqueuses | Non détruites | Antisepsie |
Procédés de destruction et d'inhibition
- Bioprocédé : souche → inoculum → fermenteur (batch, fed-batch, continu) → downstream processing.
- Métabolites primaires liés à la croissance ; métabolites secondaires en phase stationnaire (antibiotiques, pigments).
- Ferments : bactéries lactiques, Saccharomyces, Propionibacterium, Penicillium ; dangers : Salmonella, Listeria, mycotoxines.
- Cibles des antibiotiques : paroi, membrane, ribosome 70S, acides nucléiques, folates.
- Résistance : inactivation enzymatique, modification de cible, imperméabilité, efflux ; CMI et antibiogramme pour la mesurer.
- Stérilisation (tout, spores comprises) vs désinfection (objets) vs antisepsie (tissus vivants) ; autoclave 121 °C, filtration 0,22 µm.
Les sujets aiment la comparaison stérilisation / désinfection / antisepsie et le tableau des cibles d'antibiotiques : apprends au moins une famille par cible. Ne confonds pas pasteurisation et stérilisation, ni CMI et CMB. Sur les bioprocédés, la question « pourquoi le fed-batch plutôt que le batch » attend deux arguments : éviter l'inhibition par le substrat et lever la répression catabolique.