Improvement of biological stability of freeze-dried lactic acid bacteria and bifidobacteria and characterization of associated physiological responses

La production inductrielle de ferments nécessite une étape de stabilisation qui affecte la qualité des cellules. Ce phénomène étroitement lié à l’espèce, voire à la souche bactérienne considérée, dépend également des conditions mises en œuvre lors de la conduite du procédé de production. Dans ce contexte, ce travail de thèse vise à améliorer les performances de Lactobacillus buchneri R1102 et Bifidobacteium longum R0175 à la lyophilisation et au stockage, et à identifier les réponses physiologiques associées.Dans une première partie, l’effet du temps de récolte sur les caractéristiques membranaires et les performances industrielles de Lb. Buchneri R1102 et B. lolngum R0175 a été anlysé. Une récolte en phase stationnaire conduit à une meilleure tolérance au cours de la congélation pour B. longum R0175 mais ne permet pas de maintenir une activité acidifiante élevée pour Lb. Buchneri R1102. Ces résultats sont reliés à une rigidificatioin de la membrane et à une augmentation de la proportion en acides gras saturés et cycliques en phase stationnaire de croissance.Dans une deuxième étape, les cellules de Lb. Buchneri R1102 ont été soumises à différentes conditions de stress osmotique. Un stress osmotique avec du KCl 0.1 M augmente la survie au cours de la lyophilisation mais ne modifie les caractéristiques membranaires des cellules. Un ajout de KCl 0.6 M en début de fermentation améliore la survie au cours du stockage à l’état lyophilisé. Ce phénomène est expliqué par une rigidification de la membrane lié à une augmentation de la concentration en acides gras cycliques et à une accumulation de bétaïne intracellulaire.Dans une troisème partie, l’effet de différentes atmosphères de culture sur l’état physiologique et les performances de Lb. Buchneri R1102 et B. longum R0175 a été étudié.Pour Lb. Buchneri R1102, l’apport d’air accélère significativement la croissance et la concentration bactérienne (air à 1.2 vvm) en fluidifiant les membranes cellulaires et en orientant le flux métabolique vers la production d’acétate. A l’inverse, l’apport d’azote ou d’un mélange de gaz N2H2 allonge les fermentations en diminuant le potentiel d’oxydoréduction. Enfin, l’apport des gaz air, N2 et N2H2 dégrade l’activité acidifiante de Lb. Buchneri R1102 mais augmente sa survie au cours du stockage, en lien avec des modifications de composition an acides gras et de synthèse protéique. Pour B. longum R0175, une concentration cellulaire plus élevée est obtenue lorsqu’un bullage N2 ou N2CO2 est effectué en début de culture. L’activité acidifiante des ferments est préservée au cours du procédé pour toutes les conditions testées, en lien avec une augmentation de la proportion d’acides gras insaturés et cycliques, mais sans variation de fluidité membranaire.Enfin, une meilleure survie cellulaire est obtenue lorsque les cellules sont cultivées avec du N2CO2 pendant toute la fermentation.Ce travail se conclut par la validation, à l’échelle pilote, des conditions conduisant à une amélioration de la stabilité biologique des ferments lyophilisés, tout en préservant les performances des fermentations.Industrial starter’s production requires a stabilization step that affects the quality of the cells. This phenomenon is closely linked to the used species and strains, and depends on the procedures applied during the production process. In this context, this thesis aims at improving the performances of Lactobacillus buchneri R1102 and Bifidobacterium longum R0175 during freeze-drying and storage, and to identify the corresponding physiological responses.In the first part of this work, the effect of the harvesting time on membrane characteristics and industrial performances of Lb. buchneri R1102 and B. longum R0175 has been analyzed. Harvesting the cells in stationary phase led to a better tolerance during freezing of B. longum R0175 but did not allow the maintenance of elevated acidification activity for Lb. buchneri R1102. These results have been related to a rigidification of the membrane and to an increase of the proportion of saturated and cyclic fatty acids in cellular membranes of cells recovered in stationary growth phase.In a second step, cells of Lb. buchneri R1102 have been submitted to different conditions of osmotic stress in order to improve their performances. An osmotic stress with 0.1 M KCl increased the cells survival during freeze-drying, without changing their membrane characteristics. In addition, adding 0.6 M KCl in the beginning of the fermentation improved the survival during storage on freeze-dried form. This phenomenon was explained by a rigidification of the membrane that was linked to an increase of cyclic fatty acids content and intracellular betaine concentration.The third part was devoted to the study of the effect of various gaseous atmospheres during the cultures, on the physiological state and the performances of Lb. buchneri R1102 and B. longum R0175. For Lb. buchneri R1102, aeration (air at 1.2 vvm) significantly accelerated the growth and the final cell concentration by increasing membrane fluidity and by directing metabolic flux towards acetate production. Conversely, adding nitrogen or the gas mixture N2H2 delayed the fermentations by decreasing redox potential. Lastly, injecting different gases (air, N2, N2H2) decreased acidification activity Lb. buchneri R1102 but increased its survival during storage, as a result of modifications of fatty acids composition and proteins synthesis. For B. longum R0175, a higher cell concentration was obtained when the culture medium was bubbled with N2 or N2CO2 at the beginning of the fermentation. In addition, acidification activity of these starters was well maintained for all tested conditions, which was linked to an increase of unsaturated and cyclic fatty acids proportion, but without any change in membrane fluidity. Lastly, a better cell survival was obtained for cells grown with N2CO2 all along the fermentation.Finally, this work is concluded finish with the validation, at pilot scale, of the conditions leading to an improvement of the biological stability of freeze-dried starters, while maintaining their performances during fermentation