full text - Revue de Médecine Vétérinaire

La lumière pulsée un nouveau procédé de
conservation des aliments : revue bibliographique
N. ELMNASSER1,2, N. ORANGE3, A. BAKHROUF2 et M. FEDERIGHI1*
1
: UMR-INRA 1014 SECALIM ENVN/ENITIAA, Ecole Nationale Vétérinaire de Nantes, Route de Gachet, BP 40706-44307 Nantes cedex 03, FRANCE.
: Laboratoire d’Analyse, de Traitement et de Valorisation des Polluants de l’Environnement et de Produits. Faculté de Pharmacie de Monastir, Rue Avicenne, 5000 Monastir,
TUNISIE.
3 : Laboratoire de Microbiologie du Froid, IUT d’Evreux, 55, Rue Saint-germain, 27000 Evreux, FRANCE.
2
* Auteur chargé de la correspondance : E-mail : [email protected]
RÉSUMÉ
Le traitement par lumière pulsée est un procédé innovant de décontamination microbienne de surfaces des aliments utilisant des flash de lumière
blanche à large spectre. Cette revue bibliographique présente l'état de l'art de
cette technologie en termes de présentation du principe, des effets sur les
microorganismes en conditions de laboratoire ou en traitement de surface des
aliments, des limites et des principaux facteurs affectant son efficacité.
Mots-clés : Lumière pulsée, aliments, préservation, décontamination.
SUMMARY
High intensity pulsed light for food preservation : a review
Pulsed light is a novel nonthermic technology to potentially decontaminate surfaces and foods by killing microorganisms using an intense broad
spectrum. This review presents basic knowledges about this technology in
terms of principle, effects on microorganisms in vitro and in foods, inactivation mechanisms, limits and main factors affecting the efficiency of the technology
Keywords : Pulsed light, food, preservation, decontamination.
Introduction
De tous temps l'homme a cherché à conserver ses aliments
et faire ainsi des réserves pour les périodes où la nourriture
était moins abondante. Aux procédés séculaires (séchage,
fumage, salage, immersion…) a succédé la longue période
hégémonique des traitements thermiques (appertisation,
pasteurisation, surgélation). Aujourd'hui, le besoin de faire des
réserves est moins prégnant et les exigences des consommateurs vont vers la nécessité de pouvoir disposer d'aliments
présentant des caractéristiques les plus proches des produits
frais et ce, pendant une période la plus longue possible. Cela
nécessite d'avoir recours à des procédés athermiques de
préservation des aliments comme par exemple l'ionisation ou
les hautes pressions hydrostatiques [9]. Dans cette quête continuelle de nouveaux procédés nous nous proposons de faire le
point sur les connaissances actuelles concernant l'utilisation
des champs lumineux pulsés comme procédé de décontamination microbienne.
Principe
Le traitement par lumière pulsée est un procédé athermique
innovant de préservation des aliments qui utilise la technologie de la puissance pulsée pour inactiver les microorganismes
en les soumettant aux flash intenses de lumière blanche de
large spectre pendant des temps très courts (10-6 à 10-1
seconde). Ce système de traitement comporte un condensateur qui stocke l'énergie pendant une période relativement
longue (de l’ordre de 0,2 seconde) et qui se décharge sur une
ou plusieurs lampes à xénon (figure 1). La lampe émet des
impulsions lumineuses qui sont focalisées sur la surface de
traitement pendant un temps très court de quelques centaines
de micro-secondes. Selon les équipements, des réflecteurs
permettent à la lumière d'atteindre toutes les surfaces du produit. Chaque flash délivre une énergie de quelques joules
par cm2. L'énergie par flash et le nombre de flash déterminent
l'effet antimicrobien du traitement. Dans le procédé Pure
Bright™, la lampe émet des impulsions de lumière de longueurs d’onde comprises entre l’ultraviolet et le proche infrarouge : 21 % d’UltraViolets (UV de 180 à 380 nm), 30 % de
la lumière visible (380 à 700 nm) et 49 % d’infrarouges (700
à 1100 nm). Le spectre de longueurs d’onde de la lumière
émise par le procédé lumière pulsée est 20 000 fois plus intense que la lumière émise par le soleil à la surface de la terre
[8]. Le procédé de traitement par illumination UV continu est
connu depuis plus longtemps mais son utilisation est limitée
dans les aliments du fait des réactions d’oxydation (notamment des lipides) qui entraînent des changements organoleptiques des produits qui en contiennent. Alors que le système
lumière pulsée, limite efficacement ces réactions d’oxydations. Cette différence entre le système lumière pulsée et les
systèmes de traitements UV continus peut être expliquée par
la courte durée de l’impulsion (100 microseconde) ainsi que
la demi-vie des liaisons excitées (10-9 à 10-4 seconde), qui
empêchent un couplage efficace avec l’oxygène libre ou dissous. De plus, les réactions d’oxydation sont limitées car le
nombre d’impulsions est faible (1 à 3) lors d’un traitement
usuel [10].
Revue Méd. Vét., 2007, 158, 6, 274-282
TRAITEMENTS LUMIÈRE PULSÉE : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
275
M o d u le de
tra i te me n t
M o d u le générateur
Unité de puissance
(condensateurs)
+
Pupitre de commande
Décharge d’une haute
énergie dans une lampe
Xénon
Un i té de
tra i te me n t :
Lampe à xénon
Emission de flash de lumière sur le
produit à traiter
Produit à traiter
FIGURE 1 : Représentation schématique du système lumière pulsée
Inactivation microbienne par la lumière pulsée
L’action principale de la lumière pulsée est une inactivation
totale des micro-organismes. Les approches utilisées pour caractériser l’inactivation sont très différentes. Les études sont
réalisées en milieu de culture (solide ou liquide) ou dans un
aliment. Cette inactivation peut être estimée pour des souches
pathogènes ou d’altération très spécifiques, ou bien encore sur
la microflore endogène d’un aliment. L’absence d’homogénéité dans les matériels et les approches utilisés, les informations divergentes ou indisponibles sur la puissance des lampes,
la distance de traitement et le nombre ou la durée des pulses
donnent des résultats en apparence très variables et
difficiles à comparer. Cette synthèse essaiera donc de tenir
compte, dans la mesure des informations fournies, des variations dues au déroulement même de l’étude. Jusqu’alors, peu
d’informations étaient disponibles sur les applications de cette
technologie dans le domaine de la qualité ou de la sécurité des
aliments. Mais, durant ces quelques dernières années des
études concernant l’utilisation de la lumière pulsée comme un
moyen de contrôle ou d’inactivation des micro-organismes
présents dans les aliments, ont été effectuées.
INACTIVATION DES MICRO-ORGANISMES IN VITRO
Lorsque l’on évalue l’efficacité d’un traitement de préservation des aliments, l’un des premiers critères estimés, est sa
capacité à éradiquer les micro-organismes pathogènes et d’altération donc à assurer l’hygiène du produit. Les tableaux I et
II synthétisent les résultats d’inactivation par la lumière pulsée de divers micro-organismes.
Revue Méd. Vét., 2007, 158, 6, 274-282
Inactivation des bactéries
GOMEZ-LOPEZ et al. [12] dans leur étude concernant
l’effet de la lumière pulsée sur des micro-organismes inoculés à la surface d’un milieu gélosé, ont montré des réductions
décimales entre 2,8 et >5,2 logs après 50 impulsions (Energie
= 7 Joules) et à une distance de 8,5 cm. ROWAN et al. [23] ont
rapporté ~ 6 réductions décimales de populations bactériennes
traitées par 200 impulsions (Energie = 3 Joules) et à 4,5 cm de
distance. Pour obtenir des résultats similaires avec des populations d’Escherichia coli O157:H7 et de Listeria monocytogenes étalées à la surface de la gélose, 512 impulsions, sont
nécessaires pour obtenir 7 et 6 réductions décimales respectivement [18].
Les spores bactériennes présentent souvent une résistance
accrue à divers traitements (chaleur, Hautes Pressions). Il semble que le procédé par lumière pulsée puisse être une
alternative très intéressante pour l’inactivation des spores bactériennes. Le traitement de spores de Bacillus circulans et
Bacillus cereus à la surface d'une gélose par 50 flash a réduit
les populations de 3,7 et >5,9 logs respectivement [12]. De
même, BUSHNELL et al. [3] ont observé une inactivation
totale (6 à 8 réductions décimales) des populations de spores
de Bacillus subtilis, Bacillus pumilus, et Bacillus stearothermophilus avec un traitement de 1 à 3 flash. Précédemment,
DUNN et al. [7] avaient obtenu plus de 6 réductions décimales de spores de Bacillus pumilus en solution aqueuse après
20 flash (1 J/cm²).
276
ELMNASSER (N.) ET COLLABORATEURS
Milieu
de traitement
Energie
(J ou J/cm²)
Nombre de flash
ou durée
de traitement (s)
Réductions
(log)
Références
Pseudomonas
aeruginosa
Milieu solide
3J
200 flash
5,8
[23]
Salmonella
enteritidis
Milieu solide
3J
100 flash
4,5
[23]
Pseudomonas
fluorescens
Milieu solide
7J
50 flash
4,2
[12]
Salmonella
enteritidis
Milieu solide
3J
200 flash
5,6
[23]
Salmonella
typhimirium
Milieu solide
7J
50 flash
3,2
[12]
Escherichia
coli
Milieu solide
7J
50 flash
4,7
[12]
Escherichia
coli
Milieu solide
3J
512 flash
6,82
[18]
Escherichia
coli
Milieu solide
3J
200 flash
6,2
[23]
Klebsiella
oxytoca
Milieu solide
7J
50 flash
4,2
[12]
Photobacterium
phosphoreum
Milieu solide
7J
50 flash
> 4,4
[12]
Staphylococcus
aureus
Milieu solide
3J
200 flash
5,1
[23]
Staphylococcus
aureus
Milieu solide
5,6 J/cm2
5s
7,5
[16]
Staphylococcus
aureus
Suspension
5,6 J/cm2
5s
8,5
[16]
Staphylococcus
aureus
Milieu solide
7J
50 flash
> 5,1
[12]
Bacillus
cereus
Milieu solide
7J
50 flash
>3
[12]
Clostrdium
perfringens
Milieu solide
7J
50 flash
> 2,9
[12]
Listeria
monocytogenes
Milieu solide
7J
50 flash
2,8
[12]
Listeria
monocytogenes
Milieu solide
3J
200 flash
4,4
[23]
Listeria
monocytogenes
Milieu solide
3J
512 flash
6,25
[18]
Milieu solide
7J
50 flash
> 5,9
[12]
Bactéries
Cellules
végétatives
Spores
Bacillus
cereus
TABLEAU 1 : Effets de la lumière pulsée sur les bactéries in vitro
Revue Méd. Vét., 2007, 158, 6, 274-282
TRAITEMENTS LUMIÈRE PULSÉE : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
Inactivation des moisissures, des levures et des virus
A la lumière des résultats obtenus par les différents auteurs
sur l’inactivation des populations de moisissures et de levures
présentés dans le tableau II, il semble que l’on puisse dire que
celles-ci apparaissent plus résistantes aux traitements que les
bactéries [23, 1, 12]. ANDERSON et al. [1] ont observé que
Aspergillus niger et Fusarium culmorum sont réduits de 4,5
logs après 1000 pulses. Ces résultats sont en accord avec ceux
obtenus pour Botrytis cinerea et Monilia fructigena traitées
par la lumière pulsée pendant 250s (équivalent à 1500 pulses).
Ces moisissures ont montré une progression sigmoïde de leur
inactivation. En effet, l’inactivation totale de la population n’a
pu être obtenue [19]. L’étude de GOMEZ-LOPEZ et al. [12]
a montré que le traitement des moisissures traitées par 50 flash
provoque des réductions décimales ne dépassant pas 3 logs.
Précédemment, l’étude de TAKESHITA et al. [27], a montré
que le traitement par 5 flash de cellules de Saccharomyces
cerevisiae a provoqué 6 réductions décimales.
La somme de travaux dévolus à l’étude des effets de la lumière pulsée sur les virus est beaucoup plus modeste et sans
commune mesure avec celle consacrée aux bactéries, moisissures et levures. ROBERTS et HOPE [22] ont étudié les effets
277
des traitements sur des virus enveloppés et non enveloppés.
En tampon phosphate, une dose totale de 1 J/cm2 a réduit les
populations entre 4,8 et 7,2 logs. Le mécanisme d’inactivation n’est pas établi mais des hypothèses sont envisageables.
L’inactivation d’enzyme-clés impliqués dans la multiplication
intra-cellulaire et/ou l’endommagement irréversible de la capside protéique. Des ruptures de l’enveloppe protéique pourraient également être en cause. Il est possible que les virus
ayant un large génome puissent être les plus sensibles à l’inactivation à cause de la grande taille de cette cible des rayonnements UV. De plus, les virus à double brin d’ADN pourraient
être plus résistants que ceux à simple brin d’ADN due à la
possibilité de réparation en utilisant les brins endommagés
comme modèles.
Il est apparu à la lumière de ces travaux que le traitement par
la lumière pulsée permet d’obtenir des réductions importantes
et significatives du nombre de micro-organismes en conditions de laboratoire. Dans un objectif d’application il est intéressant de connaître l’efficacité de tels traitements dans des
matrices ou des ingrédients alimentaires.
Milieu
de traitement
Energies
(J ou J/cm²)
Nombre de flash
Réductions
(log)
Références
Botrytis cinerea
Milieu solide
7J
1500
3
[19]
Monilia fructigena
Milieu solide
7J
1500
4
[19]
Botrytis cinerea
Milieu solide
7J
50
1,2
[12]
Aspergillus niger
Suspension
1 J/cm2
1
0,8-1
[31]
Aspergillus niger
Suspension
1 J/cm2
5
4,8
[31]
Aspergillus niger
Suspension
5 J/cm2
1
5-6,1
[31]
Aspergillus flavus
Milieu solide
7J
50
2,2
[12]
Saccharomyces
cerevisiae
Suspension
3,5 J/cm2
5
6
[27]
Saccharomyces
cerevisiae
Milieu solide
3J
100
3,7
[23]
Polio virus type 1
Suspension
2 J/cm2
2
> 6,7
[22]
Hepatitis A
Suspension
2 J/cm2
2
> 5,7
[22]
Herpes simplex
virus type 1
Suspension
2 J/cm2
2
> 4,8
[22]
Micro-organismes
Moisissures
Levures
Virus
TABLEAU 2 : Effets de la lumière pulsée sur les moisissures, les levures et les virus in vitro
Revue Méd. Vét., 2007, 158, 6, 274-282
278
ELMNASSER (N.) ET COLLABORATEURS
INACTIVATION DES MICRO-ORGANISMES EN SURFACE
DES ALIMENTS
Jusqu’à présent, peu d’informations étaient disponibles sur
les applications de cette technologie dans le domaine du traitement des aliments. L’avantage majeur de cette technique
serait de combiner les actions de la lumière pulsée et d’un
nombre faible de pulses dans le but de conserver les qualités
organoleptiques du produit frais tout en améliorant leur sécurité et salubrité microbiologiques. Les résultats des différents
travaux concernant l’inactivation des micro-organismes dans
des produits alimentaires sont présentés dans le tableau III.
A notre connaissance le travail le plus ancien est celui de
DUNN [6] qui a montré que la lumière pulsée induit 8 réductions décimales de Salmonella enteritidis inoculées à la
surface des œufs avec 8 flash à 0,5 J/cm2. HUFFMAN et al.
[14] ont inoculé de l’eau avec différents micro-organismes et
les ont soumis à la lumière pulsée avec deux flash à 0,25
J/cm2. Le traitement provoque > 7, > 4 et > 4 réductions décimales de Klebsiella terrigena, des virus polio et Rotavirus
et du parasite Cryptosporidium parvum respectivement.
La lecture du tableau III montre une certaine efficacité de la
lumière pulsée à obtenir une inactivation des microorganismes
présents sur les aliments. Cependant, il existe une vraie difficulté à généraliser les résultats. Par exemple, SHARMA et
DEMIRCI [24] ont étudié l’effet de la lumière pulsée sur
Escherichia coli O157:H7 inoculée dans des graines de
luzerne en utilisant le système « SteriPulse-XL® 3000 ; Xenon
Corp., Mass., U.S.A ». Il est à noter que ce système produit un
large spectre comprenant : UV, lumière visible et infrarouge
avec une proportion d‘UV voisine de 50% (communication
personnelle, Pr. Ali Demirci). Ces auteurs ont trouvé que les
populations d’Escherichia coli O157:H7 étaient réduites
Micro-organismes
Bactéries
Salmonella
enteritidis
Escherichia coli
Escherichia coli
Klebsiella
terrigena
Listeria
monocytogenes
Moisissures
Aspergillus niger
Levures
Saccharomyces
cerevisiae
Saccharomyces
cerevisiae
Virus
Polio et Rotavirus
Parasites
Cryptosporidium
parvum
seulement de 0,94 log après 135 flash et à une distance de
8 cm. Le traitement par la lumière pulsée n’a pas affecté
significativement le taux de germination de ces graines. Le
traitement par la lumière pulsée de farines inoculées par des
spores d’Aspergillus niger (100 s à 5,6 J/cm2) est effectué par
le même équipement que celui de SHARMA et DEMIRCI
[24]. Le traitement induit une réduction de 3,25 et 2.95 log
à une distance de 3 et 13 cm respectivement entre la lampe et
la surface de la farine à traiter [15]. En utilisant le même système de lumière pulsée, le traitement d’Escherichia coli
O157:H7 et Listeria monocytogenes Scott A à la surface du
filet de saumon frais par la lumière pulsée (5,6 J/cm2), a été
réalisé par OZER et DEMIRCI [21]. Une inactivation maximale de 0,86 réduction décimale a pu être obtenue pendant
30 s de traitement à 5 cm pour Escherichia coli O157:H7.
Pour Listeria monocytogenes Scott A, la réduction maximale
a été de 1.02 log à 8 cm durant 60 s. FINE et GERVAIS [10]
ont rapporté une inactivation de 10,1 et 44,5% de ce même
micro-organisme dans du blé et du poivre noir, respectivement, après 64 pulses à 31,12 J/cm2.
Ces travaux montrent que l’inactivation de micro-organismes par la lumière pulsée dépend du nombre d’impulsions
et du temps de traitement, de l’épaisseur du produit et de la
distance entre la lampe et le produit à traiter.
La lumière pulsée est très efficace pour la décontamination des
surfaces lisses ou des liquides clairs. Pour les aliments solides
opaques, irréguliers, poreux ou épais (poisson, graines, légumes
et fruits) testés, fait que l’efficacité du traitement lumière pulsée
est généralement moindre comparativement aux résultats in vitro.
Pour la plupart des produits il est clair qu’il s’agira de traitements
de surface et, il semble raisonnable de pouvoir atteindre, grâce à
ce traitement, certains objectifs de sécurité et de salubrité.
Milieu
de traitement
Energies
(J/cm²)
Nombre de flash
ou durée
de traitement (s)
Réductions
(log or %)
Références
Œufs
0,5
8
> 8 log
[6]
Graines de luzerne
Filets de saumon
Eau
5,6
5,6
0,25/
flash
5,6
135
135
2
0,6-1,82 log
0,24-0,91 log
> 7 log
[24]
[21]
[14]
135
0,72-0,8 log
[21]
Graines de farine
5,6
100 s
1,35 à 4,95 log
[15]
Blé
1,95
64
1,6%
[10]
Poivre noir
1,95
64
2,5%
[10]
Eau
0,25/flash
2
> 4 log
[14]
Eau
0,25/
flash
2
> 4 log
[14]
Filets
de saumon
TABLEAU 3 : Synthèse des résultats de réductions par la lumière pulsée de populations de micro-organismes dans divers aliments
Revue Méd. Vét., 2007, 158, 6, 274-282
TRAITEMENTS LUMIÈRE PULSÉE : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
Modes d’action de la lumière pulsée
sur les micro-organismes
Le spectre de la lumière pulsée comporte des longueurs
d’onde comprises entre 200 nm (UV) et 1 µm (infrarouge) ; il
y aurait une synergie d’action entre l’effet UV et les autres
composants du spectre (visible et Infrarouge). En effet, la région UV est un facteur important dans l’inactivation des
micro-organismes par la lumière pulsée comme l’ont montré
TAKESHITA et al. [26] en utilisant un filtre retenant les longueurs d’onde inférieures à 320 nm. Dans ces conditions de
traitement ils n’obtiennent aucun effet létal. De plus, il apparaît que les longueurs d’onde de la lumière visible et des infrarouges, combinés à la haute intensité de la lumière pulsée
contribuent aussi à l’effet létal sur les microorganismes. Des
travaux ont ainsi montré que des taux d’inactivation plus importants étaient obtenus avec des traitements polychromatiques comparativement à des traitements monochromatiques.
Ces effets ont été attribués à des endommagements dans les
systèmes de réparation de l’ADN et/ou à une inhibition de ces
systèmes.
Il convient enfin de noter que dans l’immense majorité des
publications consacrées à la lumière pulsée, les hypothèses
concernant le mode d’action sur les micro-organismes font référence à la partie UV du spectre (effets photochimiques), notamment les UV-C, et aux effets photothermiques [1, 30, 31,
27, 32].
EFFET PHOTOCHIMIQUE
L’ADN est en effet une cible importante de la cellule
bactérienne pour un grand nombre d’agents chimiques et physiques. La structure complexe de cette molécule explique
qu’elle puisse être l’objet de modifications nombreuses et variées. La première cible cellulaire de la lumière pulsée est
l’ADN [4, 2]. La partie du spectre UV-C est responsable de
l’action germicide, comme montré par WANG et al. [29] sur
Escherichia coli traité par UV pulsés de longueurs d’onde
entre 230 et 300 nm. L’inactivation maximale intervient à 270
nm et aucun effet létal n’est observé pour les longueurs
d’ondes supérieures à 300 nm.
Les bases nucléotidiques de l’ADN absorbent dans l’UV
avec un maximum aux alentours de 260 nm. Cela se traduit au
niveau de l’ADN des microorganismes par des modifications
et des cassures de l’ADN. En effet, les UV-C provoquent des
transformations photochimiques comme la production de
dimère de thymine. Ces modifications ou cassures peuvent
nuire à la multiplication des microorganismes ou à la synthèse
de protéines, conduisant à la mort cellulaire. Le traitement
conventionnel par des UV continus affecte l’ADN par des mécanismes qui sont réversibles sous certaines conditions expérimentales. Il semble que dans le cas des traitements par la
lumière pulsée cette réversibilité ne se produit pas, du fait
vraisemblablement de l’inactivation importante des systèmes
de réparation de l’ADN. Sans aucun système fonctionnel de
réparation, les modifications de l’ADN induites par la lumière
pulsée conduisent à la mort du micro-organisme [20]. D’après
l’étude de TAKESHITA et al. [27], L’endommagement de
l’ADN comme la dégradation de certaines liaisons chimiques
Revue Méd. Vét., 2007, 158, 6, 274-282
279
(rupture de l’ADN simple brin) ou la formation des dimères
sont induits chez des cellules de levures (Saccharomyces cerevisiae) après irradiation par la lumière pulsée. Cependant,
d’après les résultats obtenus, l’endommagement de l’ADN induit par les UV continus (254 nm) est légèrement plus élevée
que celui observé avec la lumière pulsée, quoique le niveau
d’inactivation des cellules de levures est approximativement
le même dans les deux cas [27]. Ce résultat semble indiquer
que l’efficacité d’inactivation par la lumière pulsée ne dépend
pas seulement de l’effet sur l’ADN des micro-organismes.
EFFET PHOTOTHERMIQUE
D’après l’étude de WEKHOF et al. [30] le mécanisme de
désinfection par la lumière pulsée comprend l’action germicide de la partie UV-C de la lumière (notamment par la formation létale des dimères de thymine sur l’ADN bactérien) et
à un effet photothermique. Il a été proposé qu’une inactivation, pour des niveaux élevés d’énergie, est obtenue durant
l’augmentation temporaire de la température causée par
l’absorption par les micro-organismes de l’énergie UV de la
lampe. Cette augmentation de température peut être attribuée
à la différence d’absorption de l’énergie UV entre la bactérie
et le milieu qui l’entoure (entourant extérieur). Une partie de
l’eau des microorganismes est vaporisée, générant un faible
flux de vapeur qui induit l’éclatement de la membrane [27].
Ce phénomène touche également les spores malgré leur faible
teneur en eau [31]. Il semble clair que cet effet photothermique est proportionnel à l’énergie du traitement et qu’il
s’exercera d’autant plus que cette énergie est grande. Ainsi,
après exposition à de faibles doses de lumière pulsée certaines
protéines gardent leur activité, qui disparaît lorsque les doses
appliquées sont plus élevées [5]. Par contre, dans la même
étude, il a été montré que les acides nucléiques sont très
endommagés dès les faibles doses d’énergie. Il est donc fortement probable que les deux effets participent à l’inactivation des micro-organismes par la lumière pulsée, dans des
proportions relatives respectives dépendant de l’énergie délivrée et des caractéristiques du traitement [13].
EFFET PHYSIQUE (EFFET SUR LA MEMBRANE ET LES
COMPOSANTS CELLULAIRES)
Il est probable que l’impact de la lumière pulsée sur les
protéines, la membrane, et autres composants cellulaires se
produit concomitamment avec l’endommagement des acides
nucléiques. A la suite de traitements par la lumière pulsée,
l’élution des protéines de Saccharomyces cerevisiae est plus
importante que celle observée sous irradiation conventionnelle
à l’UV continu. Ceci pourrait être un signe d’endommagement et de souffrance cellulaires induits par le traitement [27].
Quelques études reposant sur l’observation de clichés de microscopie électronique avant et après traitement par la lumière
pulsée ont montré l’effet sur la paroi. Les spores d’Aspergillus niger traités par 2 pulses à 5 J/cm2 ont révélé des ruptures
mécaniques (perforation) induisant la libération de composés
cytoplasmiques dans le milieu extérieur après une véritable
"explosion" interne. Des cratères sont notés tout
autour des spores [31]. TAKESHITA et al. [27] ont observé
des changements dans la structure de la cellule comme l’aug-
280
mentation de volume des vacuoles, des distorsions de la membrane cellulaire et l’arrondissement des cellules. Ceci suggère
fortement que les dommages à la membrane voire au cytosquelette des cellules sont induits par la lumière pulsée.
Les avantages de la technologie
lumière pulsée
Le système lumière pulsée est un procédé de décontamination efficace, grâce à son large spectre d’action et à des pics
de forte intensité. Le traitement par la lumière pulsée s’applique de manière optimale dans différents contextes. En effet,
la lumière pulsée peut décontaminer les produits pharmaceutiques, des diapositifs médicaux, des produits alimentaires
solides et liquides et des emballages. Elle permet un traitement athermique. Cette technique a une efficacité destructrice
importante sur tous les micro-organismes incluant les formes
végétatives, les spores de bactéries, les moisissures, les virus
et les parasites. Elle est rapide, athermique et facilement intégrable sur une chaîne de production ne nécessitant pas pour
son fonctionnement de personnels spécialisés et ne produisant
pas ou peu de déchets [6, 14, 1, 22, 27, 11, 16, 17].
Les limites de la technologie lumière pulsée
L’efficacité du procédé lumière pulsée a été bien montrée
pour l’inactivation des microorganismes. Mais, cette technologie a des limites d’utilisation. Cette efficacité dépend de
l’exposition des microorganismes aux flashs, celle-ci sera
d’autant plus grande que la lumière aura accès à toute la surface. Ainsi, le traitement de film plastique d’emballage, lisse
et plat, semble une application qui doit pouvoir ce développer.
D’une manière générale, les traitements par lumière pulsée
sont des traitements de surface, il faudra, dans la mesure du
possible, adapter la présentation de l’aliment pour optimiser
le résultat du traitement [28].
Certains composants de l’aliment peuvent réduire ainsi l’efficacité de ce traitement. Par exemple, les protéines et les
acides gras ont un fort impact sur la décontamination, il est
probable qu’une partie des radiations est absorbée par ces
composés, diminuant ainsi le rendement de l’inactivation
microbienne [6, 13, 22].
La géométrie de l’aliment peut aussi avoir un effet sur l’efficacité du traitement, d’où l’importance de procéder à des simulations optiques, de manière à mettre en place un jeu de
réflecteurs, pour que l’ensemble de l’aliment subisse un traitement lumière pulsée équivalent en tous points. Les surfaces
rugueuses, poreuses ou opaques posent des problèmes pour
la destruction microbienne, les microorganismes pouvant
pénétrer dans les fissures, sous les épidermes, et entre les surfaces irrégulières présentes au niveau des aliments [13, 21, 17].
Dans le même ordre d’idée, le nombre initial de microorganismes va participer à l’existence d’un effet proportionnel
de protection de cellule à cellule (cell to cell protection). De
plus la capacité des bactéries à former des biofilms en surface
des aliments peut diminuer l’efficacité de la lumière pulsée.
ELMNASSER (N.) ET COLLABORATEURS
Ainsi, GOMEZ-LOPEZ et al. [12] ont montré que l’efficacité
d’inactivation est fortement réduite avec l’augmentation de la
charge bactérienne de Listeria monocytogenes à la surface du
milieu de culture. Des résultats similaires concernant la diminution de décontamination d’une suspension inoculée par une
forte charge bactérienne sont observés par WUTYACK et al.
[31]. Dans les cas des produits liquides le même effet protecteur est noté par GHASEMI et al. [11]. Ils concluent que la
plus haute efficacité de la lumière pulsée pourrait être atteinte
si les produits alimentaires sont traités immédiatement après
les étapes de transformation avant le développement des flores
endogènes.
Cette technologie est considérée par les scientifiques de
l’agroalimentaire comme une technologie dite non thermique
assurant des produits stables et salubres sans être endommagés par la chaleur. Mais l’augmentation de la température au
cours du traitement a été identifiée comme un problème quelquefois. Au-delà de la proximité de la lampe, c’est la présence
d’infrarouges dans le spectre émis par la lampe qui peut
échauffer la surface des produits, surtout si le traitement est de
forte énergie et/ou de longue durée. Ce phénomène est d’autant plus important que les essais sont faits à l'aide de pilotes
expérimentaux de faibles volumes clos. Cela a été constaté
par FINE et GERVAIS [10] avec de la farine de blé et du poivre noir, par GOMEZ-LOPEZ et al. [13] avec les végétaux,
par JUN et al. [15] avec la farine et par OZER et DEMERCI
[21] avec les filets de saumon crus. Ces auteurs concluent que
le temps de traitement et la distance entre le produit et la
lampe doivent être optimisés et représentés un compromis
entre une efficacité suffisante et un échauffement limité.
D’après ces études, l’augmentation de la température doit être
reliée à l’absorption de l’énergie des lampes par la matière
durant les longues durées de traitement, ainsi qu’à un effet de
convection du fait de la proximité de la lampe. Cette augmentation de chaleur pouvant agir en synergie sur les microorganismes avec les effets de la lumière pulsée vus ci-avant.
Toutes les études ont montré que de longs traitements ne
convenaient pas si l’on souhaite conserver les caractéristiques
du produit frais. Il convient de noter enfin, que si l’on doit
pratiquer des traitements longs, il est possible d’équiper les
pilotes de lumière pulsée de systèmes de refroidissement des
lampes et des produits.
Facteurs influençant l’inactivation
INFLUENCE DE LA DURÉE DU TRAITEMENT ET DU
NOMBRE D’IMPULSIONS
La durée de traitement (ou le nombre de pulse) est évidemment un élément important, la destruction bactérienne augmentent graduellement avec la durée du traitement. Une étude
menée par WEKHOF [31] a montré que la réduction décimale
des spores d’Aspergillus niger passent de 0,8 à 4,8 logs pour
1 puis 2 flash à 1 J/cm². Ceci a été montré également par TAKESHITA et al. [27] sur une population de Saccharomyces
cerevisiae, dont la réduction décimale est de 2,5, 5 et 6 après
1, 2 et 3 pulses respectivement. Dans une autre étude, 2.107
UFC de Saccharomyces cerevisiae sont étalées à la surface
Revue Méd. Vét., 2007, 158, 6, 274-282
TRAITEMENTS LUMIÈRE PULSÉE : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
d’un verre en quartz. Après 23 pulses de lumière pulsée, ce
nombre atteint 1,3 105 UFC et, au-delà de 24 pulses, le nombre devient et reste <10 UFC [10]. De même, MARQUENIE
et al. [19] ont observé que l’inactivation des moisissures
testées augmente progressivement avec l’augmentation du
temps de traitement jusqu’à 100s, puis de 100s à 250s l’inactivation reste stable. Il apparaît alors clairement dans ces travaux que l’inactivation des microorganismes par la lumière
pulsée, comme celle par la chaleur, ne suit pas un modèle du
premier ordre. Ce phénomène s’expliquerait par l’existence
d’une petite fraction de la population plus résistante au traitement, ou bien protégée lors de celui-ci par des cellules mortes
et/ou le produit de leur destruction.
INFLUENCE DE LA DOSE D’ÉNERGIE : EFFET DU PIC DE
PUISSANCE
Un autre facteur de variation très étudié est la dose d’énergie. Les travaux de GHASEMI et al. [11] montrent, qu’après
100 pulses avec 9J d’énergie, 9 réductions décimales des suspensions d’Escherichia coli et de Salmonella enteritidis sont
obtenues, alors qu’avec 4,5 J cette réduction n’est que de
7 log. Le traitement des virus par la lumière pulsée a montré
qu’une augmentation progressive de l’intensité de l’énergie
entraîne une augmentation progressive de l’inactivation virale. Ainsi, les auteurs ont noté une réduction de 2,7, 4,8 et
7,2 log pour des doses de 0,25, 0,5 et 1 J/cm2 pour le virus
Sindbis [22]. Cet effet est également valable pour les moisissures comme démontré par WEKHOF et al. [31] sur Aspergillus niger. Après 1 pulse de traitement par 1 et 5 J/cm2
d’énergie les spores de ce micro-organisme sont réduites de
0,8 et 6 logs respectivement.
Conclusion
Les travaux consacrés à cette technologie sont en forte
croissance, les données publiées permettent de combler un
certain nombre de déficits d’informations. Différentes filières
et/ou industriels font également des essais de décontamination de divers produits. Dans ce cas là les informations et les
données obtenues ne sont pas connues. Il est important de
noter qu’il existe encore des efforts à faire de la part des
équipes publiant sur le sujet pour renseigner de la meilleure
façon possible le déroulement de leurs essais afin de permettre une analyse complète et objective de leurs résultats par la
communauté scientifique. Quoi qu’il en soit il apparaît que ce
procédé présente un fort potentiel d’application dans différents domaines (pharmacie et parapharmacie, cosmétiques,
hygiène du linge, eaux…) incluant les industries agro-alimentaires. De plus, une meilleure connaissance des phénomènes impliqués dans l’inactivation des micro-organismes par
la lumière pulsée permettra d’optimiser les conditions et l’efficacité des traitements. Dans le cas d’industries agro-alimentaires, il est probable que dans les prochaines années des
industriels déposeront des dossiers de demande d’autorisation
d’emploi de ce procédé pour la décontamination de surfaces
de divers aliments.
Revue Méd. Vét., 2007, 158, 6, 274-282
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