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Les phycocolloïdes
Diane JOUANNEAU19 juillet 2007
colloïde : matière sous forme de micro particules (2 à 200 nm) dispersées
dans un liquide ou un gel.
On parle d’hydrocolloïdes car ces biopolymères sont solubles dans l’eau
Phycocolloïdes :
- alginates
- agars, carraghénanes
Autres molécules d’intérêt extraites des macroalgues
- immunostimulants des végétaux
- iode, oxylipines
Principaux colloïdes extraits des algues = polysaccharides
Autres polysaccharides d’intérêt industriel: cellulose, amidon, pectines
Les phycocolloïdes
Petits rappels sur la nomenclature des sucresCarbone 1: α ou ß (liaison glycosidique)Carbones asymétriques: permettent de différencier les différents monosaccharidesLiaison C5-C6: isomères optique D ou L
(Chaise, cycle pyranique)
(hexose)
Les principaux monosaccharides constitutifs des polysaccharides de la paroi des végétaux
oxydation
4C1
1C4
oxydation
oxydation
agar, carraghénane
alginate
alginate
1. Squelette polysaccharidiqueCelluloseXylofucoglucanes (hémicellulose)
2. Matrice polysaccharidiqueAlginates et/ou acides uroniquesFucanes
3. Réseaux de protéines et autres constituantsOses neutres (galactose)Protéines ou peptidesPolyphénols ou acides aminés aromatiquesIons, H2O
Schéma simplifié de la paroi des algues brunes
Polysaccharides pariétaux des algues brunes15 à 40 % du poids sec, 35 à 45 % du poids sec chez les laminaires
Estelle Deniaud
Solution visqueuse : solution qui possède des propriétés de résistance à la déformation (cisaillement, écoulement, …) supérieure à celle du solvant pur.
Gel : solution dans lequel le solvant est emprisonné dans un réseau 3D et ne peut se déplacer librement. Les propriétés mécaniques du gel (dureté, élasticité,…) dépendent de la structure de ce réseau macromoléculaire.
Quelques rappels de rhéologie
Hystérésis : lors d’un changement d’état, le seuil énergétique est différent selon le sens de la transition (sol –gel ou gel-sol par exemple)
Synérèse : lors de la formation du gel, de l’eau est expulsée de la masse
Thixotropie : sous action mécanique, le gel se désorganise, sa viscosité diminue au cours du temps. Au repos, le gel se réorganise et la viscosité retrouve sa valeur initiale
Les alginates : Historique et généralités
- Les premières expériences scientifiques sur l’extraction des alginates à partir d’algues brunes ont été réalisées par le chimiste anglais E. C. Stanford à la fin du 19ième siècle.
- Début de la production industrielle d’alginates aux USA dans les années 1930.
-l’alginate est un des biopolymères les plus « polyvalents » et est utilisé dans l’agro-alimentaire et l’industrie pharmaceutique/domaine médical car il possède de nombreuses propriétés: épaississant, stabilisant, gélifiant, formation de biofilm.
- polymère (linéaire) de structure hétérogène, composé de motifs beta-D-mannuronate et alpha-L-guluronate
Structure des alginates des algues brunes
ManA ManAGulAGulAGulA ManAOH
OOH
HO
HOOCO
OHO
OH
HOOC
O OH
OH
HOOC
O
OHOOC
HO
OOH
O
OH
HOOC
O
OOH
O
HOOC
HO
O
O
MGGGGGGMMMMMMMMGMGMGMGMMMMMM
G-block M-block MG-block M-block
OH
OH
HO
HOOCOHO
OH
HO
OH
OHHOOC O
GulAManA
2 types de monomères, 3 types de bloc
polyanion
Mise en évidence des différents blocs d’alginates: spectrométrie RMN du proton
Chemical shift (ppm)
4.44.54.64.74.84.95.05.15.25.3 4.3
G-1G-5G
MG-5M
M-1G
M-1M
GG-5M
M-1G-5M
GG-5G
MG-5G
MGGGGGGMMMMMMMMGMGMGMGMMMMMM
G-block M-block MG-block M-block
Voie de synthèse de l’alginate chez les algues brunes
Les activités sont connues, mais les gènes correspondant n’ont pas été isolés, sauf pour les C5-épimérases.
Mécanisme d’action d’une Mannuronane C5-épimérase
COO-
COO-
C5-épiméraseO
OHR-O
HOR'
O
OHR-O
HOR'
b -D-Mannuronate -L-GuluronateM G
M
OHOOC
HO
OH
OH OHO
OHO
HOOC
OHO
HOOCO
O O
OHO
HOOC
OH
O
C-5 Epimerase
OHOOC
HO
OH
O
O
OH
HOOC
HO
O
HOOC
OH
OH
O
O
HOOC
HO O
O
O
OH
M M
M M M
G
M
L'épimérisation induit un changement de conformation
Algues brunes trouvées sur les côtes rocheuses - Atlantique Nord: récolte aux USA, au Canada, en France, en Angleterre et en Norvège
Europe et USA : récolte dans les populations naturelles
- Pacifique: Chine, Japon, Amérique du Sud
algues cultivées aquaculture
Espèces récoltées pour l’extraction d’alginate
Phaeophyta
Phaeophyceae
Laminarialeskelps
Fucaleswracks
Laminariaceae Alariaceae Lessoniaceae Fucaceae
Laminaria MacrocystisEcklonia Lessonia Ascophyllum Fucus
L. hyperborea L. digitata
E. maxima
L. nigrescens L. trabeculata
M. pyrifera
A. nodosum F. serratus
Algues brunes utilisées pour la production d’alginate
La composition en alginate dépend:
- de l’espèce d’algue brune
- de la nature des tissus:
- pied: quantité élevée de blocs G
- lame: quantité élevée de blocs M
- de l’âge des tissus
- de la zone de croissance
- des lieux de récolte (M/G plus petit dans
les modes battus)
- de la saison
Variation de la composition en alginates
M/G variable selon les espèces récoltées :
Macrocystis pyrifera M/G = 1.6Laminaria hyperborea M/G = 0.45Laminaria digitata M/G = 1.2Ascophyllum nodosum M/G = 1.6Fucus serratus M/G = 1.0
Ca2+
Mécanisme de gélification des alginates: le modèle “boîtes à oeufs”
Ca2+
PelotesPelotes
Dimérisation des chaînesDimérisation des chaînes
Agrégation des Agrégation des chaîneschaînes
MMMMMMMMGMGMGMGGGGGGGGG
Ca2+
polyanion
Si alginate riche en:-Blocs M, blocs MG: les alginates sont peu rigides, flexibles (exemple pour les parties soumises à l’action des vagues)
- Blocs G: gel très résistant en présence de Ca2+ (ou autres ions divalents), donc augmentation de la rigidité (et bon ancrage de l’algue à son support)
Vers l’alginate de son choix …
Biotechnologie ?Mannose Résidu M Résidu G
Oxydation C5 épimérase Alginate
M/G élevé M/G faibleVisqueux Gel
Structure de l’alginate Fonctionnalité technologique
Les alginates : Propriétés rhéologiques
Mode de gélification à froid en présence de sels
Acide alginique (gel souple, rétention d’eau)
Alginate de sodium (solution visqueuse)
Alginate de calcium (gel dur, exclusion de l’eau, thermostable)
Ions monovalentsIons divalentsAffinité variableMg < Ca < Sr < Ba pH < 3.5 : précipitation alginate
Boîte à œufsdes gels calciques
Si liaisons calcium-alginate très fortes, pas de dénaturation du gel par la chaleur
Viscosité: viscosité si longueur de la chaîne alginate température d’un degré viscosité de 2,5%
Les alginates : procédés de productionPrincipe : - acide alginique et sels correspondant insolubles
- alginates de sodium ou de potassium solubles
Algues brunes
Broyage et déminéralisation
Lixiviation
Broyage et extraction alcaline
Filtration
Précipitation
Lavages/centrifugation
Neutralisation
Séchage et broyage
Acide alginique
Acide alginique
Alginate de sodium
Acide alginique
Alginate de Na ou K
Poudre
Formol 5%, acide dilué
H2SO4 0,2N puis H2O
Na2CO3 4 %
HCl
Sels alcalins de Na ou K
Étapes de production réactifs utilisés produits obtenus
Les alginates : applications
- Agents de texture polyvalents
- Épaississants (contrôle de la viscosité)
- Gélifiants
- Stabilisants (notamment par rapport à la chaleur)
- Réducteurs de cristaux (produits surgelés)- Protecteurs (films alimentaires)
- Différents gels selon les sels
Gels calciques
Durs, thermostables, insolubles
Peu coûteux, non toxiques
Gels acides souples
Instables à la chaleur
Substituts potentiels de la gélatine (concentration inférieure)
- Industrie agro-alimentaire
- Cosmétique, pharmacie, médecine
- Autres industries : textile, papier, traitement des eaux
Les alginates : applications anciennes, actuelles et en devenirdans différents types d’industrie
Alginates: considérés comme additifs alimentaires
Additif alimentaire: Substance ajoutée intentionnellement aux denrées alimentaires pour remplir certaines fonctions technologiques
Liste positive émise par la communauté européenne :Nécessité technologiqueNe trompe pas le consommateurSans danger pour le consommateur
5 grandes catégories :E100-199 : colorants alimentairesE200-299 : conservateursE300-399 : anti-oxygèneE400-495 : agents de texture : gélifiants, épaississants, émulsifiants, stabilisantsE500-1505 : édulcorants, acidifiants, exhausteurs de goût, arômes
Naturels, semi-naturels ou synthétiques
E 400 Acide alginique E 401 Alginate de sodiumE 402 Alginate de potassiumE 403 Alginate d'ammoniumE 404 Alginate de calciumE 405 Alginate de propane-1,2-diol
Glaces, crèmes glacées, sorbets:- contrôle de la formation de cristaux (au moment de la
congélation)- révélateur de goûts- texture fine, onctueuse et unie bonne sensation en bouche
Nappage pâtissier: gelée de fruits tartes et tartelettes aux fruits
Entremets et desserts: fromages frais, crèmes fouettées, mousses parfumées, crèmes pâtissières, gâteaux de riz, …
Stabilisateurs des émulsions de type huile-eau: assaisonnements et sauces (ketchup, mayonnaise, vinaigrette, …)
Produits restructurés: à base de fruits, légumes, viandes et poisson(facile à manipuler mise en forme du produit final)
divers: - clarification des huiles, du vin, du vinaigre, de la bière- lubrification des boyaux de charcuterie- enrobage du poisson congelé- stabilisation de produits liquides (jus de fruits, lait, …)
Nourriture pour animaux (pour donner la forme des croquettes)
Les alginates : applications en industrie agro-alimentaire
Les alginates : autres applications industrielles
Textile: alginates inertes par rapports aux colorants et aux fibres, utilisés pour l’impression (fixation des colorants et contrôle de leur migration)
Papier: traitement de surface des papiers (coloration, glaçage, couchage des papiers de luxe)
Traitements des eaux de surface: élimination des matières en suspension (coloration, turbidité)
Enrobage des bâtons de soudure (protection du fil de métal contre l’oxydation)
Autres: incorporation dans le latex, les peintures, les plâtres de moulure, les céramiques, les colles, les résines, les mines de crayon, certains produits horticoles, certaines bombes aérosols…
Les alginates : applications en cosmétique, pharmacie, médecine
Pharmacie/Cosmétique:
masques (soins du visage),
pâtes dentifrices, empreintes dentaires
sirops,
lotions,
pommades (traitement brûlures et blessures),
compresses, pansements,
Médecine:
biomatériaux,
implants immunoisolés,
drug delivery system
Les billes d’alginates
- Agents d’enrobage pour molécules actives, micro-organismes
- Taille adaptable, perméable aux molécules
Pigmented calcium alginate beads Hydrogel beads with pigments and colors that can add a special eye-appeal to your product. We offer a variety of pigments, including pearlescent pigments, fluorescent pigments, metallic pigments or interference pigments.
Alginate beads with encapsulated powders Hydrogel beads of various materials for incorporating high loadings of organic or inorganic powders, e.g. mineral powders, metal oxids, or amino acids. The beads can be used in wet of dried state.
Alginate beads with oilVarious oils can be incorporated into alginate beads at loadings of 5...30 %. These oils may also be or contain fragrances or flavors. The beads might coated and dried also.
Alginate beads for food applicationBeads of various natural polymers incorporating flavours or colorants to be added to food products.
Agars et carraghénanes : Historique et généralités
Carraghénane – carragin : gaélique irlandais : petit rocher
Mousse qui se ramasse sur les rochers.
Varec’h en breton, lichen de mer
Les gens utilisaient cette «mousse» pour leurs pommades et leurs flans.
L’utilisation des agar et des carraghénanes en tant que stabilisateur, épaississant et gélifiant s’est accrue avec l’expansion de l’industrie alimentaire.
Agar-agar est un mot d’origine malaise qui désigne la gelée obtenue à partir de diverses algues rouges: gélidium, gracilaria... et dont la découverte s’est faite accidentellement au XVIIème siècle par un cuisinier Japonais.
-carraghénane
-carraghénane
-carraghénane OO
OH
OO
OSO3-
OH
O
CH2OH
OO
SO3-
OO
OSO3-
OH
O
C H2O H
OO
O
OH
OSO3-OH
CH2
OSO3-
O
CH2OH
O
SO3-
β(1-4)α(1-3)
n
β(1-4)α(1-3)
n
β(1-4)α(1-3)
n
Agarose
Densité de charges négatives
β(1-4) α(1-3)
O
O
OO
OH
OH
O
CH2OH
OH
Les polysaccharides pariétaux des algues rouges
Modalités de gélification
VariablesTempérature
[carraghénane][sel]
Nature du sel
Gels iono- et thermo-réversibles
Pelote statistique Hélices Agrégation des hélices,formation du gel
Gracilaria sp.
Les algues rouges agarophytes
Agars : Polysaccharides pariétaux des agarophytes
Gracilaires : nombreux genres selon les régions
Qualité des agars variable- selon les espèces- selon la saison
Gelidium serrulatum
Exploitation
Gracilaria (Amérique du Sud, Afrique, Asie) 37000 tPS
Gelidium (Maroc, Espagne, Portugal) 18600 tPS
Agar 6400 tPS = marché mondial 132 millions $
Récolte Gracilaires (Asie du Sud-Est)
Polymère de Galactose
Unité de base agarobiose
O
O
OO
OH
OH
O
CH2OH
OH
(1-4) (1-3)
Les agars : structure chimique
agarose = polymère constitué uniquement d'unités agarobiose
agaropectine = polymère constitué d'unités agarobiose substituées (groupements méthyles, sulfates, pyruvates…)
Agar = agarose + agaropectine
La qualité de l'agar dépend de la proportion d'agaropectine
Les agars : propriétés rhéologiques
Gélification modulable en faisant varier la température
Agar en poudre
Dissolution à chaud
Agar en solution Gel d'agar
Refroidissement
- Force de gel élevée
- Les plus résistants du marché
- Gélification spontanée sans additifs
- Thermoréversibilité et thermostabilité
- Stable (pH, micro-organismes, attaques enzymatiques, cations)
- Gonflement et rétention d’eau
- Piégeage de composés hydrophobes
Caractéristiques uniques des gels d’agars :
Produits laitiers : flans
Pâtisseries : glaçages, nappages
Confiserie : bonbons
Produits à tartiner : substitution des pectines pour réduire le taux de sucre
Produits carnés : substitution de la matière grasse
Gélifiants mais aussi intérêt diététique : faible apport calorique (0.6 kcal/g)
90 % en alimentaire
E406 : gélifiant
Les agars : applications
Inodore, incolore, sans saveur
Les agars : applications
10 % en biotechnologie : agar bactériologique
Milieu de culture bactériologique par excellence
Utilisations actuelles
Agar
Alimentaire
Pharmacologique
Bactériologique
Pur
Gelidium, Gracilaria, Pterocladia, Gelidiella, Ahnfeltia
Gelidium
Gelidium, Pterocladia
Gelidium
Historique – Exploitation - SourcesPolysaccharides pariétaux des carraghénophytesVariables selon les espèces, selon le développement
En Europe et au CanadaChondrus crispusPopulations naturelles ou cultures50000 tonnes d’algues récoltées par an au Canada
En Asie et en AfriqueKappaphycus alvareziiFermes de culturesProblèmes de maladies
Les carraghénanes
Les carraghénanes : structure chimique
OO
O
OH
OSO3-OH
CH2
OSO3-
O
CH2OH
O
SO3-
β(1-4) α(1-3)
Unité de base carrabiose
Polymère de galactose
Galactanes sulfatés (15 à 40 % de sulfates) Trois principaux types idéaux et leurs précurseursMultitude de motifs hybrides
Kappa
Iota
Lambda Très élevée
Eucheuma spinosum
OO
OH
OO
OSO3-
OH
O
CH2OHβ(1-4)
α(1-3)
n
OO
O
OH
OSO3-OH
CH2
OSO3-
O
CH2OH
O
SO3-
β(1-4)α(1-3)
OO
SO3-
OO
OSO3-
OH
O
C H2O Hβ(1-4) α(1-3)
n
n
Les carraghénanes : structure chimique
ChondrusGigartinaEucheuma cotonii
Fort Faible
Origine Gelification Viscosité
FortFaible
Gigartina Néant
Notion de carraghénane semi-raffiné PES : Processed Euchema Seaweed = E407
Carraghénophytes
Broyage
Traitement thermique
Filtration
Ultrafiltration
Précipitation
Séchage et broyage Poudre
CaCl2 2 %
NaOH 0.1N 90-95 °C
Terre d’infusoires
Isopropanol
Elimination des impuretés
Extraction, maturation
Elimination des impuretés
Les carraghénanes : procédé de production
Exemple du -carraghénane : gels iono- et thermo-réversibles
Les carraghénanes : propriétés rhéologiques
Mode de gélification à chaud, renforcé par les sels
-carraghénane en poudre
Solution visqueuse ou gel élastique lors du refroidissement
Dissolution à chaud
Gel rigide en présence de sels
Les carraghénanes : propriétés rhéologiques
Gel de Kappa Gel de Iota
Différents gels selon les sels et selon les types de carraghénanes
Pelote Hélices Hélices agrégées
Utilisations actuelles
-carraghénane gélifiant
Lait chocolatéGlaces et crèmes dessertConserve de viandeNourriture pour animauxGels désodorisants d’atmosphèreImmobilisation d’enzymesCultures in vitro
DessertsSaucesGlaces et crèmes glacéesCosmétiques
DessertsSaucesDentifriceCosmétique
-carraghénane
-carraghénane
gélifiant
épaississant
Composé Effet Application
E 407 CarraghénanesE 407a Algues Euchema transformées
Des utilisations actuelles …vers de nouvelles utilisations
Origine naturelle des enzymes : algues, mollusques marins, bactéries marinesGénie génétique : clonage, surexpression dans bactéries ou levures
- Voies enzymatiques
L’avenir des phycocolloïdes
Maîtrise de la taille et de la pureté des polysaccharidesMaîtrise de la nature des polysaccharides
- Prospection : choix de nouveaux stocks/ressources
MAIS : contrainte de respect des populations stocks
-Voies chimiques : hémi-synthèse, greffages
Choix de nouvelles sources :
Modifications :
Modification de la taille
Glycoside hydrolase (GH) : coupure des liaisons osidiques
GH
- Agarase, - Iotase, Lambdase, Kappase- Alginate lyase
Différents mécanismes de coupure:
- Exo : en bout de chaîne
- Endo-aléatoire : en milieu de chaîne
- Processif : le long sur la chaîne
Modes d’action des polysaccharidases
Exo = Attaque l’extrémité de la chaîne
Un produit d’hydrolyseTopologie poche(ex: glucoamylase)
Endo = Attaque aléatoire
Topologie sillon(ex: amylase)
Produit statistique
Modes d’action des polysaccharidases
Processivité
Après une première attaque alétatoire, l’enzyme glisse le long de la chaîne avant d’effectuer une seconde attaque
Topologie en tunnel(ex: cellobiohydrolase)
Essentiellement des produits de faibles poids moléculaires
Conversion/maturation
Sulfatases et sulfurylases : conversionNu IotaMu Kappa(Soluble)(Gel)
Commentaires ?Questions ?
Travaux pratiques
Toucher les polysaccharides préparés dans différentes conditions
Alginates de 3 algues brunes à des concentrations différentes (0,5 et 2%) :
- Laminaria digitata
- Laminaria hyperborea
- Macrocystis pyrifera
Carraghénanes : 3 types à des concentrations différentes (0,5 et 2%) :
- Iota
- Lambda
- Kappa
Influence des sels sur la texture
4 phycocolloïdes :
- Alginate 1% (L. digitata)
- Iota-carraghénane 1%
- Lambda-carraghénane 1%
- Kappa-carraghénane 1%
4 ions :
2 cations monovalents :
- NaCl 5%
- KCl 5%
2 cations divalents :
- CaCl2 5%
- MgCl2 5%
Récapitulatif
Alginate 0.5%2%
Laminaria digitataLaminaria hyperboreaMacrocystis pyrifera
Carraghénane0.5%2%
Alginate 1% (L. d.) NaClKClCaCl2MgCl2
Carraghénane 1%
Polysaccharides
Sels
Lait (caséine + lactose) Carraghénane 1% Lait écrémé 5%
Tableau de textureLaminaria digitata Laminaria hyperborea Macrocystis pyrifera
0.5%
2%
Laminaria digitata NaCl KCl CaCl2 MgCl2
1%
Kappa Iota Lambda
0.5%
2%
NaCl
KCl
CaCl2
MgCl2
Lait écrémé
Carraghénanes
Alginates
1%
Agar Chaud : Froid :