Les biofilms dans l'industrie alimentaire

Que sont les biofilms ?

Les biofilms sont des structures complexes formées par des micro-organismes fermement attachés à une surface par une matrice extracellulaire (connue sous le nom d'EPS « Extracellular Polymeric Substances »), générée par les sécrétions de ces mêmes micro-organismes et composée principalement de polysaccharides, de protéines, de lipides et d'ADNe (ADN extracellulaire).

La création de la matrice EPS implique un coût énergétique très élevé pour les micro-organismes, qui est largement justifié par les avantages évolutifs conférés par le système, lui octroyant, entre autres, les propriétés suivantes [1] :

• Résistance à la dessiccation.
• Résistance à certains antibiotiques.
• Résistance aux désinfectants, basée à la fois sur la tensioactivité et le pouvoir oxydant.
• Résistance à la lumière UV.
• Disponibilité des nutriments.
• Transfert horizontal de matériel génétique.

Cette structure permet une prolifération rapide des micro-organismes en leur fournissant un environnement protecteur avec des conditions optimales d'humidité et de disponibilité des nutriments.

La majeure partie de la biomasse du biofilm est constituée par la matrice extracellulaire, dont le principal composant est l'eau (jusqu'à 97 %). La formation et le maintien de la communauté cellulaire dépendent de la production d'EPS[2]. Les éléments qui composent l’EPS présentent des fonctionnalités différentes :

• Les polysaccharides solubles lui confèrent une consistance gélatineuse et jouent un rôle majeur dans la rétention et la disponibilité de l'eau.
• Les polysaccharides plus gros et insolubles assurent la rigidité de la structure.
• Les protéines et les enzymes participent à la digestion des macromolécules et à la disponibilité des nutriments.

Bien qu'il soit possible de trouver des biofilms formés par une seule espèce, les types de biofilms les plus fréquents sont ceux formés par plus d'une espèce bactérienne et même d'autres types de micro-organismes qui prolifèrent habituellement sur les surfaces.

L’architecture du biofilm est très variable et dépend principalement du type de surface où il prolifère, du type de micro-organismes qui le composent, de sa viabilité ainsi que de la durée de vie et de l'épaisseur qu'il a atteint.

Principales componentes de la EPS ^[1]

Processus de formation des biofilms

La formation de biofilms est un processus largement connu, bien qu'il fasse encore l'objet d'études afin d'approfondir davantage les mécanismes spécifiques qui le composent. Le processus est initié lorsque les cellules planctoniques commencent à adhérer à une surface (métal, plastique, ...) et sécrètent des substances visqueuses (EPS) qui renforcent l'adhésion et la cohésion, tout en favorisant la croissance et l'incorporation de nouveaux micro-organismes dans le système.

Le processus de formation des biofilms peut généralement être divisé en quatre étapes :

1. Adhésion - Lors de cette phase, les cellules planctoniques commencent à adhérer faiblement à la surface. Le dépôt par gravité et l'ancrage favorisé par l’architecture de la surface et la présence de résidus sont les processus d'adhésion les plus courants.
2. Colonisation - Les forces d'attraction électrostatique et les structures cellulaires telles que les flagelles, les fimbriae et les pili sont les types d'adhésion les plus courants au début de cette phase. Cette première adsorption est relativement facile à inverser, les forces de Van der Waals et l'attraction électrostatique peuvent être surmontées par la répulsion naturelle causée par la charge négative de la membrane cellulaire en contact avec la surface (généralement chargée négativement), et certaines des cellules colonisatrices peuvent à nouveau se détacher du substrat. Après un certain temps, en fonction de variables telles que la température, la disponibilité d'oxygène et de nutriments et l'humidité, l'adhésion cellulaire se renforce ; les appendices extracellulaires confortent leur ancrage au substrat et la formation de la matrice extracellulaire créera une adhésion irréversible au substrat.
3. Maturation - Après un temps initial de latence, les micro-organismes commencent à se diviser, croissant vers la partie supérieure du biofilm dans des structures typiquement en forme de champignon. Les biofilms peuvent atteindre des niveaux de complexité élevés, créant des systèmes efficaces de distribution des nutriments et atteignant des niveaux de stratification qui permettent la croissance d’espèces anaérobies dans des environnements riches en oxygène grâce à la protection d'une couche aérobie. Différentes molécules formant des biofilms peuvent collaborer entre elles, en transférant du matériel génétique, en synthétisant des enzymes et des protéines spécifiques et en créant des gradients qui favorisent leur croissance. 
4.  Croissance et dispersion - Au cours de cette phase, les cellules sont libérées dans l'environnement. Elles reprennent leur état planctonique et peuvent, si les conditions nécessaires sont réunies, donner naissance à de nouvelles zones de formation de biofilms. La durée de cette phase, et du biofilm en général, sera déterminée par la disponibilité des nutriments et le respect des conditions nécessaires à sa survie.

Facteurs favorisant le développement des biofilms

Les principaux facteurs impliqués dans le développement d'un biofilm peuvent être classés comme suit :

• Micro-organismes - Le type et la diversité des molécules formant le biofilm, ainsi que les concentrations initiales et leur viabilité, peuvent déterminer la probabilité de réussite de la formation du biofilm et de son ancrage sur la surface.
• Caractéristiques du substrat - Tout type de surface qui remplit les conditions nécessaires d'humidité et de disponibilité des nutriments est susceptible d'être une zone de formation de biofilms. Toutefois, les caractéristiques inhérentes à leur composition et leur état d'entretien général (rayures, usure, etc.) peuvent sensiblement influencer la facilité avec laquelle les micro-organismes présents dans le milieu peuvent adhérer et donc augmenter la possibilité de formation de biofilms. Par exemple, les surfaces en plastique telles que le téflon, les bandes transporteuses, les tables de coupe ou les joints en polymère présentent un risque plus élevé que les surfaces métalliques telles que les tables, les trémies, les lames ou les circuits. Il faut toutefois garder à l'esprit qu'une surface a priori plus sûre de par sa composition, comme l'intérieur d'un conduit en acier inoxydable, peut présenter un risque élevé si elle est en mauvais état ou s'il y a eu un dépôt de saleté qui peut servir de point d'ancrage aux bactéries présentes dans l'environnement.
• Conditions environnementales - Les micro-organismes doivent, au moins dans les premières phases de la formation du biofilm, bénéficier des conditions de température, d'humidité et de disponibilité des nutriments nécessaires à leur croissance. Ces conditions peuvent varier légèrement en fonction des molécules de formation, mais elles coïncident généralement avec les conditions d'humidité et de disponibilité des nutriments que l'on retrouve dans la plupart des processus de l'industrie alimentaire.

Conséquences de la formation de biofilms

Les conséquences de la formation de biofilms varient en fonction du système ou du processus concerné et peuvent entraîner d'importants problèmes de sécurité alimentaire et des coûts technologiques élevés.

Dans l'industrie alimentaire, les biofilms provoquent des altérations organoleptiques et une contamination microbiologique des produits transformés, agissant comme un réservoir parfait pour les micro-organismes pathogènes tels que Listeria, Salmonella et Escherichia coli, entre autres. L'intérieur des circuits, les conduites d'eau, les buses de dosage, les tables et les téflons ne sont que quelques exemples de surfaces dans l'industrie alimentaire où l'on peut trouver des biofilms.

Les biofilms peuvent se former rapidement dans les environnements industriels et peuvent également être à l'origine d'une série d'autres problèmes tels que la corrosion des équipements et des installations, le colmatage des canalisations ou la réduction des performances d'installations telles que les échangeurs de chaleur ou les systèmes de filtration.

La matrice extracellulaire qui forme le biofilm agit comme un protecteur bactérien et une barrière de diffusion physique et chimique, qui entrave la pénétration des agents antimicrobiens, rendant impossible le bon fonctionnement des protocoles de nettoyage et de désinfection. En outre, les mécanismes de résistance des micro-organismes augmentent également, ceux-ci s'adaptant au nouvel environnement généré par le biofilm.

De mauvaises conditions d'hygiène sur les surfaces alimentaires augmentent considérablement la probabilité de développement de biofilms, en raison des caractéristiques de la biocouche formée :

• Rapidité de formation des biofilms (quelques heures seulement dans des conditions favorables).
• Capacité de propagation et de recolonisation.
• Résistance aux processus de nettoyage et de désinfection (les biofilms peuvent être 10 à 100 fois plus résistants que les bactéries en suspension).
• Croissance dans les zones difficiles d'accès (points critiques).
• Difficulté d'échantillonnage, de détection (taille microscopique) et de surveillance.

Par conséquent, la présence de biofilms sur les installations et les surfaces alimentaires augmente les risques de contamination microbiologique et peut être à l'origine d'altérations et de défauts de qualité des produits transformés, voire d'éventuelles épidémies de maladies d'origine alimentaire.

Conclusions

La présence de biofilms dans l'industrie alimentaire est une source de problèmes majeurs de sécurité alimentaire, avec des coûts technologiques associés élevés.

De mauvaises conditions d'hygiène sur les surfaces alimentaires augmentent considérablement le potentiel de développement de biofilms, ce qui accroît le risque de contamination microbiologique des aliments transformés.

La matrice extracellulaire qui forme le biofilm agit comme un protecteur bactérien, entravant la pénétration des agents antimicrobiens et empêchant la bonne exécution des protocoles de nettoyage et de désinfection.

La prévention et l'élimination des biofilms dans l'industrie alimentaire doivent faire l'objet d'une approche multidisciplinaire large, incluant l'ingénierie pour la conception des installations, la chimie pour les protocoles de nettoyage/désinfection et la microbiologie pour le contrôle des processus. Grâce à cette approche, il sera possible d'éviter leur présence et de garantir une sécurité maximale des aliments transformés.

Références bibliographiques 

[1] The biofilm matrix. Hans-Curt Flemming & Jost Wingender. 2010. [Date de la consultation : 11 mai 2020].

[2] The biofilm matrix. An immobilized but dynamic microbial environment. Sutherland IW. 2001 [Date de consultation : 14 mai 2020].