Spray drying of probiotic bacteria : From molecular mechanism to pilot-scale production | Séchage par atomisation des bactéries probiotiques : des mécanismes de protection à la production à l'échelle pilote

English. Probiotics are live microorganisms that, when administered in adequate amounts, confer a health benefit on the host. Freeze drying, the reference drying method, is currently challenged because of its low energy-efficiency and productivity. Therefore, spray drying is expected to be an alternative and sustainable method for producing probiotic powders. The issue remains in the considerable inactivation of probiotics caused by high temperature and dehydration during the process. In this work, a novel spray-drying process for continuous production of probiotics was challenged. Concentrated sweet whey (up to 30% w/w dry matter) was used to both culture and spray dry P. freudenreichii ITG P20 and L. casei BL23. This process cut down the steps between culturing and drying (e.g. harvesting, washing), increases the cell population after growth and improves spray drying productivity and probiotic viability. The mechanisms were explored from bacterial physiology and drying process conditions. The hypertonic stress led to overexpression of key stress proteins and accumulation of intracellular compatible solutes, which enhanced multistress tolerance. The presence of protein aggregates and optimal concentration of Mg2+ in matrix may also be involved.The feasibility of scaling up this process was validated. A multi-stage semi industrial drying process, coupling spray-drying with belt drying and fluid-bed drying, was applied to further improve the probiotic viability to 100% (> 109 CFU g-1). Moreover, the functionality of these probiotic powders was investigated in vitro and in viv

French. Les probiotiques sont des microorganismes vivants qui, ingérés en quantité suffisante, exercent des effets positifs sur la santé. La lyophilisation est aujourd’hui questionnée quant à sa consommation d’énergie et son caractère discontinu. S’il offre une alternative pour produire massivement des poudres probiotiques à faible coût, le séchage par atomisation induit quant à lui des stress thermiques et oxydatifs conduisant à des pertes de viabilité rédhibitoires.Dans ce travail, un procédé innovant de séchage par atomisation est proposé. Du lactosérum doux concentré (jusqu’à 30% p/p) est utilisé à la fois comme support de culture et de séchage de P. freudenreichii et L. casei. Ce procédé élimine les étapes intermédiaires à risque de contamination élevé, accroît la biomasse et améliore la viabilité des bactériesLes mécanismes sous-jacents ont été explorés au plan de la résistance bactérienne et des conditions de séchage. Le milieu concentré induit une osmoadaptation des bactéries par expression de protéines de stress et accumulation de solutés compatibles, conduisant à une tolérance accrue des probiotiques à différents stress. La présence d’agrégats et la concentration en Mg2+ du milieu concentré pourraient également être impliquées.Le scale-up du procédé a été étudié : un schéma technologique semi-industriel impliquant séchage par atomisation, sur bande et en lit fluidisé a permis d’atteindre une viabilité de 100% (> 109 CFU g-1). Par ailleurs, la fonctionnalité des poudres probiotiques a été évaluée in vitro and in vivo sur modèle porcelet. Ce travail ouvre de nouvell