Les techniques de conservation alimentaire sont appliquées
en vue de maîtriser la détérioration de la qualité
des aliments. Cette détérioration peut être provoquée
par des microorganismes et/ou diverses réactions physico-chimiques qui
ont lieu après la récolte ou l'abattage. Tout procédé
de conservation a cependant pour priorité de réduire au minimum
les risques d'apparition ou de développement des microorganismes provoquant
l'altération des aliments ou des intoxications alimentaires.
D'un point de vue microbiologique, la conservation des aliments implique l'exposition
des microorganismes à un environnement hostile (à savoir à
un ou plusieurs facteurs adverses) pour empêcher ou retarder leur croissance,
abréger leur survie ou causer leur mort. Les exemples de ces facteurs
sont l'acidité (c'est-à-dire un abaissement du pH), la restriction
de l'eau disponible pour la croissance (c.-à-d. la réduction de
l'activité de l'eau), la présence de conservateurs, des températures
élevées, des températures basses, la restriction d'éléments
nutritifs, les rayons ultraviolets et les rayonnements ionisants. Malheureusement,
les microorganismes ont développé différents mécanismes
de résistance aux effets de ces facteurs de stress environnementaux.
Ces mécanismes, appelés "mécanismes homéostatiques",
agissent pour assurer que les activités physiologiques essentielles et
les paramètres des microorganismes restent relativement inchangés,
même si l'environnement autour de la cellule est différent et extrêmement
perturbé (Leitsner et Gould, 2002). Ainsi, pour être efficaces,
les facteurs de conservation doivent venir à bout de la résistance
homéostatique microbienne.
En ce qui concerne les microorganismes végétatifs, les mécanismes homéostatiques sont dépendants de l'énergie parce que la cellule doit en dépenser pour résister aux facteurs de stress, par ex. pour réparer des composants endommagés, pour synthétiser de nouveaux composants de cellules, etc. Dans le cas de spores, les mécanismes homéostatiques ne consomment pas d'énergie mais sont intégrés à la cellule avant d'être exposés à un stress de l'environnement.
La disponibilité de l'eau, le pH et la température sont les principaux facteurs qui contrôlent la rapidité avec laquelle s'effectue l'altération des aliments et la croissance des microorganismes. La façon dont les microorganismes réagissent à ces facteurs est décrite brièvement ci-après.
On sait bien que la stabilité microbiologique des aliments contenant peu d'eau n'est pas fonction de la totalité de l'eau qu'ils contiennent mais de la proportion de l'eau disponible pour les activités métaboliques des organismes. La meilleure mesure de l'humidité disponible est l'activité de l'eau, aw (c.-à-d. le rapport de la pression de la vapeur de la solution ou de l'aliment (p) sur la pression de la vapeur de l'eau pure (p0) à la même température, p/p0). L'aw optimum pour le développement de la majorité des microorganismes se situe entre 0,99 et 0,98. Lorsqu'un microorganisme est placé dans une solution aqueuse où le soluté est concentré et l'aw réduite, l'eau est extraite du cytoplasme de la cellule et la membrane perd sa turgescence. L'homéostasie (ou équilibre interne) est perturbée et l'organisme ne se multipliera pas mais restera dans la phase de latence jusqu'à ce que l'équilibre soit rétabli. Le microorganisme réagit pour récupérer l'eau perdue en accumulant ce que l'on appelle les " solutés compatibles " dans le cytoplasme jusqu'à ce que l'osmolalité interne soit légèrement supérieure à celle de la solution et que l'eau rentre dans la cellule. La pression de la turgescence est rétablie et le microorganisme continue à se développer. Les solutés compatibles n'interfèrent pas avec les activités normales de la cellule et peuvent être synthétisés à l'intérieur de la cellule ou transportés du milieu environnant. En tout état de cause, ce processus consomme de l'énergie et de ce fait, l'énergie disponible pour la croissance diminue. Si la réduction de l'aw est extrêmement importante, la cellule microbienne, incapable de réparer l'homéostasie, ne peut plus proliférer et peut même mourir. La capacité de régulation osmotique, et par conséquent, les limites de l'augmentation de l'aw, diffère selon les organismes. En général, les bactéries qui produisent les altérations courantes sont inhibées à des aw d'environ 0,97; l'agent pathogène clostridium à des aw de 0,94; et la plupart des espèces bacillus à aw 0,93. Le staphylococcus aureus est l'agent pathogène qui résiste le plus à l'aw: il se développe en aérobiose à aw 0,86 et en anaérobiose à aw 0,91. Beaucoup de levures et de moisissures prolifèrent à des aw inférieures à 0,86, certaines levures osmophiles et moisissures xérophiles pouvant même se développer lentement à une aw à peine supérieure à 0,6. Ainsi, pour conserver un aliment en n'utilisant que la réduction de l'aw comme facteur de stress, on devra l'abaisser au minimum jusqu'à 0,6. Les aliments entièrement déshydratés ont par exemple des aw d'environ 0,3 afin de contrôler non seulement la croissance microbienne mais aussi les autres réactions induisant l'altération.
S'il y a augmentation de l'acidité du milieu (c.-à-d. que la
valeur du pH diminue) les microorganismes essaient de maintenir le pH interne
dans d'étroites limites stables et supérieures à celles
du milieu. Les mécanismes homéostatiques empêchent les protons
de traverser la membrane cellulaire et de pénétrer dans le cytoplasme,
tout comme ils expulsent les protons qui pénètrent effectivement
dans la cellule. Le fait de réparer le dérèglement de l'homéostasie
du pH demande de l'énergie et le taux de croissance diminue. Plus le
pH diminue, plus la demande d'énergie augmente, de telle sorte qu'il
n'en reste plus pour les autres fonctions cellulaires. Si l'homéostasie
ne peut plus se produire, le pH du cytoplasme chutera et la cellule mourra.
La capacité des microorganismes de se développer à un pH
bas dépend de leur capacité à empêcher les protons
de pénétrer dans le cytoplasme. Le pH optimum permettant le développement
de nombreuses bactéries en rapport avec la nourriture se situe entre
6,5 - 7,5. Mais certaines bactéries pathogènes se développent
à pH 4,2 tandis que d'autres bactéries induisant l'altération
des aliments se multiplient lorsque l'acidité est plus élevée
(pH de croissance à 2,0). Cependant, un pH acide favorise davantage le
développement des moisissures et des levures que celui des bactéries
car elles peuvent proliférer à des valeurs de pH aussi basses
que 1,5. Une façon efficace de rendre sûrs certains produits alimentaires,
étant donné la sensibilité à un pH élevé
des bactéries responsables d'intoxications alimentaires, est d'abaisser
le pH au-dessous de 4,2. Toutefois, pour maîtriser la croissance de tous
les microorganismes par le pH en l'absence d'autres barrières, il faudrait
un pH trop bas (< 1,5) qui entraînerait le rejet des produits pour
des raisons d'ordre sensoriel.
Si l'on utilise des conservateurs acides organiques et faibles (à savoir, les acides propionique, sorbique, benzoïque), l'acidité doit être assez élevée pour faire en sorte qu'une grande proportion de l'acide soit dans une forme non dissociée. L'acide non dissocié agit comme un transporteur de protons à travers la membrane cellulaire, en augmentant leur taux de pénétration dans la cellule. Le microorganisme nécessite une énergie supplémentaire pour maintenir un pH constant et pour expulser les protons.
De même, les mécanismes de réparation de l'ADN endommagé par les rayons lui font retrouver son état antérieur. Lorsque les microorganismes sont exposés à des températures plus basses, ils réagissent de manière homéostatique en altérant la composition des lipides de leur membrane afin de garder leur fluidité et de ce fait leur " fonctionnalité ".
Toutes ces réponses homéostatiques demandent une dépense d'énergie des cellules stressées. La réduction de la génération d'énergie et/ou la restriction de l'énergie disponible par l'emploi de facteurs de stress supplémentaires ou " barrières " amplifie l'efficacité de la conservation des aliments qui n'est fondée que sur un seul facteur. Si chaque réponse homéostatique à une " barrière " supplémentaire nécessite de l'énergie, la demande d'énergie devenant trop importante, la croissance s'arrêtera. Autrement dit, on peut combattre l'homéostasie microbienne non seulement par l'utilisation d'un facteur unique ou "barrière", mais aussi par la combinaison de ces facteurs, chacun étant appliqué de façon atténuée, ce qui améliorera par conséquent la qualité nutritionnelle et sensorielle.
En ce qui concerne l'homéostasie passive des spores bactériennes, le maintien d'un faible contenu d'eau dans le compartiment cytoplasmique central, et l'immobilisation de petites molécules dedans, semblent être les principaux facteurs qui permettent aux spores de résister. On peut agir sur cette homéostasie en appliquant certains facteurs de stress. Par exemple, l'abaissement du pH peut servir de barrière parce que les spores sont plus sensibles à la chaleur à des pH bas qu'à des pH neutres. L'incubation des spores à un pH bas entraîne la perte de cations tels que le calcium et leur remplacement par des protons. Cet échange s'accompagne d'une réduction importante de la résistance à la chaleur (Leitsner et Gould, 2002). Ainsi, la stabilité des aliments par traitement thermique est acceptable d'un point de vue organoleptique.
On emploie souvent l'expression technologie des barrières (également appelée méthodes combinées, procédés combinés, conservation combinée, techniques combinées) pour désigner la mise en conserve d'aliments effectuée en combinant de multiples facteurs de conservation. L'association délibérée et intelligente de traitements en vue d'assurer la stabilité, la sécurité et la qualité des aliments semble être une méthode extrêmement efficace pour obtenir des réactions homéostatiques des microorganismes, tout en gardant les caractéristiques nutritionnelles et sensorielles désirées. (Gould, 1995 a, b; Leitsner, 2000; Leitsner et Gould, 2002).
Par exemple, si une légère réduction du pH est associée à une réduction de l'aw, acceptable d'un point de vue organoleptique, l'expulsion du proton, qui demande de l'énergie, devient plus difficile à cause du supplément d'énergie requis par la cellule pour résister à la baisse de l'aw. Ainsi, la légère réduction de l'aw d'un aliment entraîne une réduction des valeurs du pH permettant la croissance microbienne. En outre, si l'on utilise également des conservateurs qui sont des acides organiques, les effets du pH et de l'aw s'amplifient.
