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THESE
Présentée devant
L’UNIVERSITÉ DE BRETAGNE OCCIDENTALE
U.F.R. Sciences et techniques
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ
DE BRETAGNE OCCIDENTALE
Mention Microbiologie
Par
Olivier COUVERT
PRISE EN COMPTE DE L’INFLUENCE DU PH DANS
L’OPTIMISATION DES TRAITEMENTS THERMIQUES
Soutenue le 2 avril 2002 devant la commission d’examen :
A. BINET Professeur, Université de Bretagne Occidentale
P. DANTIGNY Maître de conférence, Université de Dijon
I. LEGUERINEL Maître de conférence, Université de Bretagne Occidentale
P. MAFART Professeur, Université de Bretagne Occidentale
Y. PEIGNE Responsable Qualité, Saupiquet
L. ROSSO Directeur adjoint de la programmation des laboratoires (AFSSA)
M. ZWIETERING Ingénieur de recherche, Danone Vitapole REMERCIEMENTS
Les travaux de recherches présentés dans ce manuscrit ont été réalisés au
Laboratoire Universitaire de Microbiologie Appliquée de Quimper (LUMAQ) dirigé
par le Professeur Adrien BINET, et en collaboration avec l’entreprise Saupiquet.
Toute ma reconnaissance va au Professeur Pierre MAFART, mon Directeur de
thèse, qui durant ces trois années, a supporté et orienté mon travail avec patience et
dévouement. Je tiens à lui exprimer toute ma gratitude pour m’avoir fait découvrir dès
mon DEA, les agréments et les charmes de la modélisation. Son expérience et ses
critiques m’ont permis d’éviter bien de écueils. Pour cela, je le remercie sincèrement et
lui exprime tout mon respect.
Ma reconnaissance va également au Docteur ...

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THESE Présentée devant L’UNIVERSITÉ DE BRETAGNE OCCIDENTALE U.F.R. Sciences et techniques Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE BRETAGNE OCCIDENTALE Mention Microbiologie Par Olivier COUVERT PRISE EN COMPTE DE L’INFLUENCE DU PH DANS L’OPTIMISATION DES TRAITEMENTS THERMIQUES Soutenue le 2 avril 2002 devant la commission d’examen : A. BINET Professeur, Université de Bretagne Occidentale P. DANTIGNY Maître de conférence, Université de Dijon I. LEGUERINEL Maître de conférence, Université de Bretagne Occidentale P. MAFART Professeur, Université de Bretagne Occidentale Y. PEIGNE Responsable Qualité, Saupiquet L. ROSSO Directeur adjoint de la programmation des laboratoires (AFSSA) M. ZWIETERING Ingénieur de recherche, Danone Vitapole REMERCIEMENTS Les travaux de recherches présentés dans ce manuscrit ont été réalisés au Laboratoire Universitaire de Microbiologie Appliquée de Quimper (LUMAQ) dirigé par le Professeur Adrien BINET, et en collaboration avec l’entreprise Saupiquet. Toute ma reconnaissance va au Professeur Pierre MAFART, mon Directeur de thèse, qui durant ces trois années, a supporté et orienté mon travail avec patience et dévouement. Je tiens à lui exprimer toute ma gratitude pour m’avoir fait découvrir dès mon DEA, les agréments et les charmes de la modélisation. Son expérience et ses critiques m’ont permis d’éviter bien de écueils. Pour cela, je le remercie sincèrement et lui exprime tout mon respect. Ma reconnaissance va également au Docteur Laurent ROSSO, directeur adjoint de la programmation des laboratoires au comité de direction de l’AFSSA, et au docteur Philippe DANTIGNY, maître de conférence à l’université de Bourgogne d’avoir accepté la charge de rapporteur. Je leur sais gré de m’avoir accordé une partie de leur temps pour juger ce travail. Je remercie également le Docteur Marcel ZWIETERING, ingénieur de recherches (Danone vitapole), et Yannick PEIGNE, responsable qualité (Saupiquet), et Adrien Binet, professeur à l’université de Bretagne Occidentale, pour avoir accepté d’examiner ce travail. Je tiens également à remercier le Docteur Ivan LEGUERINEL pour le temps consacré et les conseils qu’il m’a apportés dans différents domaines. Ma reconnaissance va également à M. Laurent VENAILLE, Directeur R&D Saupiquet, de m’avoir permis d’intégrer son équipe. Je remercie plus particulièrement Mme Véronique VOISSE, Mme Liliane GUELLEC et M. Jean-Luc DOUADY pour l’intérêt avec lequel ils ont suivi le déroulement de cette étude. Les connaissances statistiques que Nicolas SAVY a pues m’apporter m’ont souvent été d’un grand secours. Je lui en suis extrêmement reconnaissant. Pareillement, je souhaiterais remercier chaleureusement tous les membres du laboratoire qui m’ont, chacun à leur manière, soutenu, aidé et encouragé dans ce travail, en particulier Anne-Gabrielle MATHOT, Stéphane GAILLARD, Yannick FLEURY et Louis COROLLER. Enfin, ces remerciements vont à mon amie Maryam et à ma famille qui m’ont toujours soutenu, ainsi qu’aux plongeurs, quakeurs et assimilés pour leur soutien moral. Cette thèse leur est dédiée. TABLE DES MATIERES Introduction…………………………………………………………….…..……….….. 1 Chapitre 1 ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE…...……………………..………………...…….. 5 51.1. Généralités sur les spores bactériennes…………..…….………………………... 1.1.1. l’endospore bactérienne………………………………………………………. 5 1.1.2. Morphologie et structure……………………………...……………………… 6 1.1.3. Stabilité et résistance aux températures élevées……………………...………. 7 1.2. Historique et rappel des bases classiques du calcul des traitements thermiques……………………………..……………………………………….…. 10 1.2.1. Effet du temps d’exposition à la chaleur……………………………………. 11 1.2.1.1. Cas général : cinétique de destruction d’ordre un………………… 11 1.2.1.2. Cas particuliers de destruction non logarithmique……………….. 12 1.2.2. Effet de la température sur les paramètres des modèles primaires…………. 18 1.2.3. Quantification des traitements thermiques………………………………….. 20 1.2.3.1. Nombre n de réductions décimales……………………………….. 20 1.2.3.2. Notion de valeur stérilisatrice (F)…………………………………. 20 1.2.3.3. Notion de valeur de destruction biologique (VDB)………………. 21 1.2.3.4. Relation avec la durée de réduction décimale……………..…….... 21 221.3. Effet du pH sur la thermorésistance…………………………..…….………….. 221.3.1. Le facteur pH de traitement………………………………………………… 221.3.1.1. Influence de l’acidification du milieu de traitement…………….... 251.3.1.2. Influence de la nature de la matrice………………………………. 261.3.1.3. Influence de la nature de l’acidifiant……………………………... 271.3.1.4. Interaction entre les facteurs température et pH………………….. 281.3.2. Le facteur pH de recouvrement……………………………….…………….. 311.4. Modèles multifactoriels intégrant le pH……………………….………………. 321.4.1. Modèles intégrant le pH de traitement……………………………………… 341.4.2. Modèles intégrant le pH de recouvrement………………………………….. Chapitre 2 MATERIEL ET METHODES…………….………………………...…………… 37 2.1. Acquisition des données……………………………...…………………………….. 37 2.1.1. Matériel biologique…………………………………………………………... 37 2.1.1.1. Choix des souches………………………………………………….. 37 2.1.1.2. Préparation des suspensions de spores……………………………... 38 2.1.1.2.1. Spores de Clostridium sporogenes……………………….. 38 2.1.1.2.2. Spores de Bacillus………………………………………… 39 2.1.2. Traitement thermique………………………………………………………… 39 2.1.3. Confection des milieux……………………………………………………….. 40 2.1.3.1. Milieu de suspension lors du traitement thermique………………… 40 2.1.3.2. Milieu de récupération des spores (recouvrement)…………………. 41 2.1.4. Plans expérimentaux………………………………………………………….. 41 2.2. Traitement des données expérimentales…………………….…………………... 42 2.2.1. Ajustement des modèles……………………………………………………… 42 2.2.1.1. Modèles primaires………………………………………………….. 42 2.2.1.1.1. Modèle de Rodriguez et al. (1988)……………………..... 42 2.2.1.1.2. Modèle de Mafart et al. (2002)…………………………… 43 2.2.1.2. Modèles secondaires………………………………………………... 44 2.2.1.2.1. Modèle de Bigelow (1921)………………………………... 44 2.2.1.2.2. Modèle de Mafart et al. (2001)…………………………… 44 2.2.1.2.3. Modèle de Couvert et al. (1999)………………………….. 44 2.2.2. Evaluation des modèles………………………………………………………. 46 2.2.2.1. Critère quantitatif d’ajustement global……………………………... 46 2.2.2.2. Examen des résidus………………………………………………… 46 2.2.2.2.1. Hétérocédasticité…………………………………………. 46 2.2.2.2.2. Test de normalité 46 2.2.2.2.3. Test d’autocorrélation……………………………………. 47 2.2.2.3. Projection des régions de confiance………………………………... 47 2.2.3. Tirage aléatoire d’une matrice possédant la même structure de corrélation qu’une matrice expérimentale………………………………………………… 49 2.3. Validation sur un produit industriel…………………………….……………….. 51 2.3.1. Mesure des variations de la valeur des facteurs au cours de la stérilisation et du stockage……………………………………………………………………. 52 2.3.1.1. Facteur température………………………………………………… 52 2.3.1.1.1. Suivi de la température au cours de la stérilisation……… 52 2.3.1.1.2. Modélisation du suivi de température…………………… 53 2.3.1.1.3. Intervalle de confiance des paramètres du modèle de Ball. 53 2.3.1.2. Facteur pH………………………………………………………….. 54 2.3.1.2.1. Suivi du pH au cours du traitement………………………. 54 2.3.1.2.2. Suivi du pH après la stérilisation (stockage)……………... 55 2.3.1.2.3. Régions de confiance d’une droite de régression………… 55 2.3.2. Mesure du temps minimum de stérilisation………………………………….. 56 2.3.2.1. Préparation et inoculation des boites……………………………….. 56 2.3.2.2. Stérilisation…………………………………………………………. 57 2.3.2.3. Mise en évidence de la stérilité des boites………………………….. 57 Chapitre 3 VALIDATION DU CHOIX DES MODELES PRIMAIRES…………….. 59 3.1. Souches aux courbes de survie log-linéaires……………………………………. 59 3.1.1. Collecte de données expérimentales………………………………………….. 59 3.1.2. Evaluation de la qualité d’ajustement………………………………………... 60 3.2. Souches aux courbes de survie non log-linéaires………………………………. 62 3.2.1. Courbe de survie de C. sporogenes Pasteur 79.3…………………………….. 62 3.2.1.1. Estimation des paramètres………………………………………….. 62 3.2.1.2. Evaluation de la qualité d’ajustement et examen des résidus………. 65 3.2.1.3. Projection des régions de confiance………………………………... 67 3.2.2. Courbe de survie de Bacillus pumilus origine industrielle……………….…... 68 3.2.2.1. Estimation des paramè 68 3.2.2.2. Evaluation de la qualité d’ajustement………………………………. 72 3.2.2.2.1. Représentation de l’ajustement global…………………… 72 3.2.2.2.2. Examen des résidus……………………………………….. 72 3.2.2.2.3. Projection des régions de confiance……………………… 74 3.3. Discussion…………………………………………………………………………….. 74 3.3.1. Le modèle de Rodriguez et al. (1988) ……………………………………….. 75 3.3.2. Le modèle de Mafart et al. (2002)……………………………………………. 77 3.3.3. Effet global du pH sur les paramètres de thermorésistance………………….. 80 Chapitre 4 MODELISATION SECONDAIRE…………………………………………….... 83 4.1. Effet de la température………………………………………………..…………... 83 4.1.1. Estimation de la valeur des paramètres du modèle de Bigelow……………… 83 4.1.2. Evaluation de la qualité d’ajustement………………………………………... 84 4.1.3. Analyse des résidus…………………………………………………………... 84 854.2. Effet du pH……………………………………………………………….………….. 854.2.1. Effet du pH du milieu de traitement………………………………………….. 854.2.1.1. Choix du modèle……………………………………………………. 864.2.1.2. Estimation des paramètres du modèle linéaire……………………... 864.2.1.3. Analyse des résidus et régions de confiance……………………….. 884.2.2. Effet du pH du milieu de recouvrement…………………………………….. 884.2.2.1. Vérification de l’effet létal du pH de recouvrement………………... 894.2.2.2. Modélisation de cet effet sur la thermorésistance………………….. 904.2.2.3. Estimation des paramètres………………………………………….. 924.2.2.4. Evaluation de la qualité d’ajustement et analyse des résidus………. 924.2.2.5. Simplification du modèle…………………………………………… 4.2.2.6. Estimation des paramètres du modèle simplifié 95 et analyse des résidus……………………………………………….. 4.3. Modèle global…………………………………………………….………………….. 96 4.3.1. Estimation globale des paramètres…………………………………………… 97 4.3.2. Analyse des résidus…………………………………………………………... 97 4.4. Interactions entre les facteurs…………………………………………...………... 99 4.4.1. Interactions entre température et pH de traitement…………………………... 99 4.4.1.1. Influence du pH sur z ……………………………………………… 99T 4.4.1.2. Influence de la température sur z ………………………………… 99pH 4.4.1.3. Analyse de variance………………………………………………… 101 4.4.2. Interactions entre pH de traitement et pH de recouvrement………………….. 101 4.4.2.1. Influence du pH de traitement sur z’ ……………………………... 101pH 4.4.2.2. Influence du pH’ de recouvrement sur z …………………………. 102pH 4.4.2.3. Analyse de variance………………………………………………… 103 4.5. Discussion…………………………………………………………………….………. 104 4.5.1. Le modèle de Bigelow………………………………………………………... 104 4.5.2. Modélisation de l’effet du pH de traitement…………………………………. 105 4.5.3. Modélisation de l’effet du pH de recouvrement……………………………… 105 4.5.4. Modèle global et interactions………………………………………………… 107 4.5.5. Extension des concepts classiques…………………………………………… 109 4.5.5.1. Extension de la méthode de Bigelow………………………………. 111 4.5.5.2. Extension de la méthode de Ball…………………………………… 113 4.5.5.3. Combinaison des méthodes de Ball et de Bigelow………………… 115 Chapitre 5 APPLICATION DES MODELES A UN PRODUIT INDUSTRIEL….. 117 5.1. Recueil de données et résultats……………………………………………………. 117 5.1.1. Etude des variations des facteurs du produit aux points critiques……………. 117 5.1.1.1. Le facteur température……………………………………………… 119 5.1.1.2. Le facteur pH……………………………………………………….. 120 5.1.1.2.1. Saladière Western………………………………………… 120 5.1.1.2.2. Saladière Mexicana………………………………………. 122 5.1.1.3. Localisation du point défavorable………………………………….. 123 5.1.2. Validation…………………………………………………………………….. 123 5.1.2.1. Construction d’une feuille de calcul de barème……………………. 123 5.1.2.2. Application au produit Saladière…………………………………… 127 5.1.2.3. Résultats…………………………………………………………….. 128 5.1.2.3.1. Saladière Western………………………………………… 130 5.1.2.3.2. Saladière Mexicana………………………………………. 132 5.1.3. Détermination des barèmes pour les deux Saladières………………………... 133 5.1.3.1. Les calculs standards……………………………………………….. 133 5.1.3.2. Les calculs personnalisés…………………………………………… 134 5.1.3.3. Paramètres propres au process……………………………………… 136 5.1.3.4. Proposition de barèmes……………………………………………... 137 5.1.4. Simulations par la methode de Monte Carlo…………………………………. 138 5.1.4.1. Principe de la méthode de Monte Carlo……………………………. 138 5.1.4.2. Estimation de la valeur des parametres et de leur loi de répartition... 139 5.1.4.3. Programmation informatique du calcul…………………………….. 142 5.1.4.4. Résultats…………………………………………………………….. 143 5.2. Discussion…………………………………………………………………………….. 145 5.2.1.Caractérisation du produit…………………………………………………….. 145 localisation du point critique suivi du pH au cours du traitement thermique Le pH de recouvrement 5.2.2. Validation et optimisation des barèmes………………………………………. 146 Interprétation des écarts entre barèmes prédits et barèmes observés Optimisation des barèmes des Saladières Western et Mexicana Simulation et évolution du process Conclusion et perspectives………………………………………………………… 153 Nomenclature……………………………………………………………………….….. 157 Références bibliographiques……………………………………….…….……….. 159 Articles et communications……………………………………………………….. 171 Annexes………………………………………………………………………………….. 173