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Biochimie alimentaire 2
Partie 1: Protéines et lipides alimentaires
Pour le Master 1 Sciences alimentaires et Nutrition humaine
Chargé du module: Pr. Abdelkader DILMI BOURAS
2019-2020
Chap 1- Protéines alimentaires
Introduction
En industries agroalimentaires, les protéines
occupent une place de choix tant par leur valeur
nutritionnelle que par leurs propriétés techno-
fonctionnelles.
1- Propriétés fonctionnelles Introduction
Les PFP ou fonctionnalité sont les propriétés physiques ou physico-chimiques qui ont une
incidence sur le comportement sensoriel de
celles-ci dans les systèmes alimentaires pendant les transformations technologiques, les
préparations culinaires, la conservation et la
consommation.
On constate quelque soit l'origine de la protéine
qu'elle intervient sur la couleur, la flaveur, la
texture d'un produit.
Ces caractéristiques organoleptiques
interviennent de façon déterminante dans le
choix du consommateur et elles sont dans ce cas largement prises en compte par les
industriels.
La fonctionnalité des protéines est le résultat de leurs interactions moléculaires avec leur environnement (autres molécules, pH,T...).
Ces propriétés sont généralement classées en 3 groupes :
- Ainsi pour une protéine sèche jusqu'au gonflement on fera intervenir l'absorption, la
mouillabilité, les capacités de rétention, de
cohésion et d'adhésion.
- Du gonflement à la dispersion ou la
solubilisation on met en jeu les propriétés de viscosité.
L'eau va pouvoir se retrouver associée sous différentes formes avec la protéine.
1-1- Propriétés d'hydratation: relations de la protéine avec l'eau :
1-1-1- Absorption, rétention d'eau
- eau de structure : fortement liée aux protéines et qui participe à la conformation de la protéine.
Non disponible ni comme solvant ni comme
réactant.
- eau de la couche monomoléculaire : elle forme
une couche par association avec des chaînes polaires ionisées ou non.
Peu réactive pour servir de réactant ou de solvant.
• - eau non congelable : grâce aux interactions fortes avec les groupements ionisables ne congèle pas.
Représente de 30 à 50% du poids de la protéine, elle est proportionnelle à la quantité d’AA polaires.
Eau disponible en tant que réactif et solvant (aw = 0,9).
- eau d'hydratation hydrophobe : c'est une eau
associée sous forme de clathrate
• - eau capillaire (d'imbibition) : retenue physiquement dans les structures protéiques,
jusqu’à 10g/g de protéine.
Elle participe comme réactant et solvant.
- eau d'hydratation hydrodynamique : entoure les
molécules de protéine en solution et qui se déplace avec elle au cours de ces différents mouvements.
Cette eau n'est pas comptabilisée comme de l'eau libre, elle n'entre pas dans le calcul de l'aw.
La quantité d'eau fixée va dépendre de la nature de la protéine et des conditions du milieu (tableau).
Tab. Quantité d'eau fixée en fonction de la nature de la protéine et des conditions du milieu
L'hydratation va dépendre du pH, de la T°, de la force ionique du milieu et du temps de contact.
- à pH 5,5: les protéines musculaires perdent leur
capacité à fixer l'eau (facteur 3).
- T° élevée: diminution de la fixation de l’eau.
- force ionique élevée : déshydratation des protéines
L'hydratation va dépendre de la nature des AA et de la conformation de la protéine.
Quand l'HRE du milieu est > à 65% augmentation
de l'hydratation.
Pour une aw ~ 0,9 les quantités d'eau fixées sont par exemple de (tableau):
Quand une protéine est fortement agrégée, sa solubilité diminue et on observe une diminution de
son aptitude à faire des mousses ou des émulsions.
Il faut noter que la solubilisation à chaud peut diminuer la solubilité par augmentation du déplissement de la molécule.
1-1-2- Solubilité des protéines
1-2- Propriétés de texturation
Lors de la fabrication des produits alimentaires la
chaleur est très souvent utilisée pour obtenir une
structure solide qui assure la texture, le liant d'un
produit mais aussi la stabilisation des mousses
(meringues) ou des émulsions (mayonnaise) par
création d'une matière solide.
1-2-1- Dénaturation des protéines
La conformation d'une protéine est liée à la structure IIaire et IIIaire, elle est réalisée par l'intermédiaire de liaisons de faible énergie donc fragiles.
La dénaturation résulte d'une modification des structures IVaire, IIIaire et IIaire sans fragmentation
de la chaîne peptidique.
Mais on considère aussi que la dénaturation peut résulter d'un accroissement de structure au-delà de la forme native.
Le déplissement analogue à une structure en pelote augmente la stabilité des molécules.
Cette dénaturation modifie les propriétés des protéines :
• baisse de la solubilité par démasquage de groupes
hydrophobes,
• diminution des propriétés d'hydratation ,
• perte d'activité biologique,
• augmentation de la susceptibilité à la protéolyse ,
• accroissement de la viscosité intrinsèque,
• inaptitude à la cristallisation .
Agents physiques de dénaturation
* Action de la chaleur
Dans une réaction chimique lorsque la T° augmente de 10°C la vitesse de la réaction est augmentée d'un facteur 2.
La dénaturation des protéines s'effectue avec des vitesses qui peuvent être multipliées par un facteur 600.
La présence d'eau favorise la dénaturation.
Dans un système présentant une phase hydrophile et une hydrophobe les protéines dénaturées sous l'action de la T° vont venir se
placer à l'interface hydrophile / hydrophobe.
C'est ce qui est représenté dans le schéma suivant :
Figure: Dénaturation thermique d'une protéine glandulaire
1 : protéine nature ; 2- protéine partiellement déplissée ; 3-protéine dénaturée
*- Action du froid
Les basses T° peuvent dénaturer les protéines (Ezs)
*- Traitement mécanique
Les forces de cisaillement lors du pétrissage par ex peuvent dégrader les structures IIaires des protéines et entraîner une dénaturation (perte de l'hélicité).
.
*- Pression hydrostatique
La dénaturation des protéines intervient dès que la pression est supérieure à 50 kPa (cas de la trypsine
et de l’ovalbumine).
● Agents chimiques de dénaturation
De nombreux facteurs peuvent intervenir dans la
dénaturation des protéines.
- pH extrêmes un déplissement de la molécule.
- La perte des ions associés à une protéine.
- Les solvants organiques…
.
1-2-2- La gélification des protéines
Obtenue soit à partir de protéines solubles (de soja, ovalbumine, du lactosérum...) soit encore à partir de protéines insolubles (, complexe actomyosine, collagène...) par chauffage suivi d'un refroidissement
Dans certains cas l'acidification est nécessaire.
L'addition de sels ou d'ions peut augmenter la
vitesse de gélification ou la fermeté du gel obtenu.
Certaines protéines peuvent gélifier sans chauffage:
- soit par voie enzymatique (micelle de caséine, fibrine,
protéines du blanc d'œuf),
- soit par addition d'ions (calcium et caséine),
- soit par une alcalinisation suivie d'un retour à la neutralité ou au pI de la protéine (protéine de soja).
La gélification est réalisée pour améliorer les : - propriétés d'absorption d'eau,
- propriétés de pouvoir épaississant, comme liant
(adhésion des particules).
Elle est aussi utilisée pour participer à l'élaboration d'une mousse ou d'une émulsion.
1-2-3- La coagulation thermique et la formation
de films
Ce type de traitement est utilisé avec des
concentrats ou des isolats (+ intéressant que les
précédent : propriétés plus homogènes) de protéines
(90% de protéine P/V) d'origine animale (caséine,
collagène...) ou végétale (soja, maïs...).
Pour mener à bien cette transformation, 4 à 5 opérations sont nécessaires.
La 1ère étape consiste en l'obtention d'un extrait
riche en protéines.
A partir de cet extrait, on prépare un collodion (solution de 10 à 40% de protéine).
Ce collodion est soumis à l'action d'un pH de 10
dénaturation des protéines et obtention de structures sous-unitaires avec une viscosité importante .
La 2ème étape consiste à forcer le collodion à passer au travers d'une filière dont les trous ont
un diamètre compris entre 50 et 150 µm.
Lorsque les protéines déplissées passent au travers de la filière, elles s'alignent dans le sens du flux,
elles tendent à s'étirer et à se placer parallèlement les unes par rapport aux autres.
La 3ème étape consiste à recevoir ces fibres protéiques alignées dans un bain acide (de pH 2 et 4: acide acétique, lactique ou phosphorique) et salin
(5 à 20% de chlorure de sodium) afin de réaliser l'étape de coagulation.
l'eau «liée» à la protéine va migrer vers le bain et les ions vont migrer du bain vers la protéine.
Il s'en suit une insolubilisation des protéines ainsi
qu'une rétraction des fibres formées.
La protéine est encore fortement hydratée.
La 4ème étape consiste en un étirement des fibres de protéine.
Les fibres sont retirées du bain par l'intermédiaire de rouleaux dont la vitesse de rotation augmente ce qui entraîne l'étirement de la protéine et augment encore les interactions protéine-protéine.
On obtient une cristallisation partielle de la
protéine ce qui augment leur résistance mécanique comme les propriétés de masticabilité.
La 5ème étape consiste à comprimer et/ou
chauffer les fibres toujours sur rouleaux pour
éliminer l'eau excédentaire et parfaire les interactions et accroître la fermeté du produit.
A ce moment des additifs peuvent être ajoutés (gélatine, blanc d'œuf, hydrocolloïdes, lipides, agents aromatiques.
1-2-4- L'extrusion thermoplastique
L'avantage : plus nécessaire de disposer d'isolat
protéique.
Les protéines peuvent se retrouver en mélange avec des lipides (<10%), glucides, CaCl2 ou du NaCl à 3%
qui raffermit la texture.
Cette technique est utilisée pour préparer des
analogues de fromage (caséinate et huile de beurre), de viandes (restructuration de viande de volaille)...
1-2-5- La texturation enzymatique La transglutaminase est une enzyme qui permet d'effectuer les réactions selon la figure suivante
Ce procédé permet d'assembler des morceaux en
utilisant la transglutaminase associée aux caséinates.
Les caséinates en présence de l'enzyme deviennent très visqueux et agissent comme une glue au niveau des différents morceaux.
Il y a formation d'un amalgame qui peut être travaillé par la suite.
*- Cas des produits laitiers, l'utilisation de cette Ez est intéressante dans le traitement des caséines qui ne donnent pas de gel par chauffage.
*- Il est possible d'obtenir des substituts de matière grasse par ce traitement, substituts qui peuvent être utilisés dans les sauces de type bolognaise.
*- Cette technique peut aussi être utilisée pour stabiliser des yaourts présentant des problèmes de synérèse importante lors de variation de T°ou
d'impacts physiques.
*- On peut trouver d'autres applications comme la
fabrication de gel de gélatine stable à 100°C.
1-3- Propriétés de surface 1-3-1- Propriétés émulsifiantes
Lorsqu'on mélange de l'huile dans de l'eau et que le
rapport H/E est < à 0,74 on est en présence d'une émulsion huile dans eau (mayonnaise).
> à 0,74 inversion de phase une émulsion eau dans huile (cas du beurre).
La formation d'une émulsion augmentation de la
surface interfaciale entre gouttelettes de liquide non
miscible. Cette augmentation est d'autant plus importante
que la taille des gouttelettes est plus petite.
Les facteurs qui favorisent la déstabilisation d’une émulsion sont la centrifugation et les chocs
thermiques.
Une émulsion sera stabilisée de la façon suivante: - une tension interfaciale faible (protéine hydrophobe),
- une couche interfaciale résistante (forte C à l'interface),
- une identité de charge en surface, - un faible diamètre des gouttelettes, - une forte viscosité du milieu.
Capacité émulsifiante des protéines (CEP)
La CEP est représentée par la quantité d'huile émulsifiée
par gramme d'émulsion au point d'inversion de phase.
L'activité émulsifiante se définie comme la surface de l'interface stabilisée par une [c] donnée en protéine (m²/g)
1-3-2- Propriétés moussantes
Mousse = dispersion de bulles de gaz (N, CO2, air)
dans une phase continue (renfermant des protéines) liquide ou solide produite par agitation mécanique. Elle est caractérisée par une viscosité élevée.
Les mousses alimentaires les plus connues sont :
meringues, crème fouettée, soufflés, génoise, pâtes levées (brioche, pain), crèmes glacées.
Les mousses sont moins stables que les émulsions.
Morphologie des bulles de gaz dans une mousse
On peut fabriquer une mousse en insufflant de
l'air au travers d'une structure poreuse dans une
solution de protéine dont la concentration varie de
0,01 à 3% (P/V).
Une mousse peut être aussi obtenue par
diminution de pression d'une solution préalablement comprimée (chantilly en aérosol).
Production d'une mousse en milieu liquide
propriétés moussantes :
Pouvoir moussant = B/D x 100
Foisonnement = B/A x 100 Expansion = E/A x 100
Fraction volumique de gaz = B/E
x 100
Les mousses qui possèdent une très grande surface
interfaciale sont très facilement déstabilisées.
Les protéines peuvent participer à la stabilisation des
mousses.
La stabilisation est d'autant plus grande que le film
protéique à l'interface gaz/liquide est plus épais,
cohésif, élastique, continu et imperméable au gaz.
Elle dépend de la conformation II, IIIaire de la
protéine.
Pour obtenir une bonne capacité moussante (légère
et expansée) il faut que la protéine soit soluble dans
la phase liquide, capable de migrer rapidement dans
la phase continue et pouvoir se déplisser très
rapidement de façon à s'adsorber facilement au
niveau de l'interface Gaz/liquide.
2- Protéines végétales
2-1- Protéines du soja: (glycine max) :
Légumineuse utilisée depuis plus de 2000 ans en
Asie, il est maintenant cultivé extensivement en
Amérique du Nord et du Sud.
La production mondiale s'est élevée à 215 millions
de tonnes dont 800 000 pour l'Union Européenne
en 2005.
Le soja (oléo-protéagineux) est riche en matière
grasse (18%), protéine (32%) et en glucides (32%).
D'abord utilisé en alimentation du bétail puis
humaine (ss-forme de : farine délipidée ou protéines texturées).
*- Les facteurs antinutritionnels accompagnant les
protéines (concentrés ou les isolats) de Soja :
inhibiteurs de protéases, les glucides de flatulence,
les phytates, les substances goitrigènes...
En alimentation humaine, il faut les éliminer.
*- Quelques caractéristiques des protéines du soja:
- Solubles entre pH1 et pH2 et au-delà de pH7.
- L'insolubilité est maximale au niveau du pI des
protéines soit entre 3,5 et 5.
- Les protéines majeures de la graine sont des
globulines, représentent 70% des protéines totales.
- Ces protéines sont bien équilibrées en AAes à
l'exception des AA soufrés (méthionine, cystéine).
- Les protéines de soja ont la particularité de pouvoir gélifier à un pH voisin de la neutralité.
- L'acidification ou l'addition de sels de calcium
formation d'un « caillé » protéique.
Ces « caillés » soumis à un traitement thermique acquièrent les propriétés des gels.
2-2- Protéines du blé
Le grain de blé renferme de nombreuses protéines
qui représentent entre 7 et 18% du poids de la
graine.
Ces protéines ont été classifiées par Osborne en
1907 en 04 groupes : albumine, globuline, prolamine
et gluténine en fonction de leur solubilité.
2-2-1- Protéines solubles : albumines et globulines
Molécules globulaires dont : 10 > MM <100 kDa.
Elles peuvent représenter jusqu'à 20% des protéines
totales de la graine.
Le taux d'albumine et de globuline est très largement
supérieur à celui des prolamines et des gluténines
dans le grain non mature.
2-2-2- Protéines insolubles
Les prolamines et les gluténines (gliadines =
gluten) sont biosynthétisées tardivement dans la
graine.
*- Propriétés des protéines insolubles
La propriété essentielle du gluten : développement
d’un réseau viscoélastique qui est mis a profit dans
le secteur de la panification.
La composition en AA de ces protéines permet
d'envisager une utilisation dans la stabilisation des
mousses et des émulsions.
Ex: Panification
La réalisation d'un pain dépend de la qualité du
réseau viscoélastique des protéines du gluten ainsi
que de la qualité de l'amidon constituant la farine.
Il existe différents types de farine qui vont différer de
par leur taux d'extraction.
Différents types de farine en panification Une farine type 55 renferme 70 à 80% d'amidon, 9 à 15% de protéine (dont 20% solubles) et moins de 2% de MG.
3- Protéines animales - celles du lait
Le lait est produit par les cellules sécrétrices des
glandes mammaires des mammifères.
Le lait est à la fois une solution (sels minéraux, glucides, protéines du lactosérum), une suspension
(protéines insolubles : les caséines) et une émulsion (matière grasse).
Ne seront traitées dans ce chapitre que les protéines
du lait de vache.
3-1- Protéines solubles
Protéines du lactosérum, leur concentration varie
entre 14 et 20% des protéines totales du lait.
On caractérisera :
-la β-lactoglobuline (40% des protéines du
lactosérum ~ 2 à 4 g/l de lait),
-l’α-lactalbumine (2 à 3 % ~ 0,6 à 1,7 g/l de lait),
-les immunoglobulines.
3-2- Protéines insolubles : caséines
Molécules originales qui forment plus de 75% des protéines totales du lait de vache.
Les caséines se trouvent à l'état naturel sous forme
de structure fortement associée : micelles de
caséine.
Elles sont phosphorylées et présentent comme
caractéristique essentielle de précipiter à pH 4,6 à T° ambiante et de ne pas être dénaturées par un
chauffage à 100°C car présentant des structures
polydispersées et des masses moléculaires faibles.
Caséine α S1 ~ 34 et 40% des caséines
Renferme 199 résidus d’AA : MM de 23kDa.
Cette caséine est sensible à l'action des protéases.
Caséine α S2 ~ 12 et 16% des caséines
Elle renferme 207 résidus d’AA : MM de 25 kDa.
C’est la plus hydrophile des caséines et la plus
sensible à l'action des ions Ca. Précipite à 6 mM de
Ca et à une T° > à 20°C.
La caséine béta (β) : ~ 37 et 42% des caséines
Constituée de 209 résidus d’AA : MM de 24 kDa.
Elle peut subir l'action des protéases et donner des fragments, appelés caséine ᴕ.
La caséine ᴕ : ~ 3 et 5% des caséines soit entre 1 et 2g par litre
de lait.
Constituée de 169 résidus d’AA : MM de 19 kDa.
Elle est soluble à haute force ionique même en présence de calcium, elle est très susceptible à l'action de la chymosine.
Structure de la micelle de caséine
Les submicelles de caséine vont s'associer pour donner la micelle de caséine.
La submicelle résulte de l'association des
caséines α, β et κ qui peuvent représentées 92%
du poids de la submicelle, le reste étant
représenté par des minéraux (tableau).
tableau : Répartition des caséines et teneur en minéraux
- La submicelle de caséine n'a pas une structure
homogène, elle possède un cœur hydrophobe
constitué par la caséine β associée aux parties
hydrophobes des autres caséines. En périphérie
on retrouvera les partie hydrophiles des
différentes caséines (partie phosphorylée pour
les caséine S1 et S2) ainsi que la partie
glycosylée de la caséine κ.
- La micelle de caséine est constituée de 10 à
100 submicelles reliées entre elles par
l'intermédiaire de pont phospho-calcique. Dans le
lait il y a environ 34 mmoles par litre de calcium
dont 24 mmoles appartiennent aux micelles sous
la forme de phosphate de calcium (Ca/Pi = 1,5 à
2), le tiers restant est sous forme soluble de
citrate de calcium.
Figure: Représentation schématique de la micelle de caséine
Chap 2- Lipides alimentaires
1- Présentation
- Les lipides sont insolubles dans l’eau (lipos) et solubles
dans les solvants organiques apolaires comme l'hexane, le
benzène, le chloroforme et l'éther.
- Dans l’organisme, les lipides ont 4 fonctions principales :
*- Réserve d‘Eg : 1 g de lipides ~ 9,3 Kcal.
*- Un rôle structural : ex. phospholipides, constituant
des membranes.
*- Un rôle de messager : AG précurseurs de plusieurs
messagers intra et extra-cellulaires.
*- Un rôle de transport de vitamines liposolubles.
Chez le chameau et le dromadaire, les lipides
constituent une réserve d'eau.
3- Comportement des lipides dans l' eau
Les lipides sont des molécules amphiphiles, ils ont une tête polaire (hydrophile) et une queue apolaire (hydrophobe).
Ce caractère est plus accentué chez les phospholipides,
les AG des savons et les sphingolipides que chez les
glycérides et stérides), il conditionne l'organisation des
lipides dans l'eau en : mono-couches, bi-couches
(liposomes) ou micelles.
En déposant une petite quantité d'huile à la surface de
l'eau, les molécules de lipides forment une couche
mono-moléculaire (mono-couches) à l'interface eau-
air : les parties hydrophiles du lipide se dirigent vers
l'eau et les parties hydrophobes se dirigent vers l'air.
Dans une micelle les parties polaires (hydrophiles)
se dirigent vers l'extérieur (en contact avec l'eau) et les
parties apolaires (hydrophobes) se dirigent vers
l'intérieur (en contact avec les autres parties
hydrophobes).
Le diamètre d'une micelle est d'environ 20 nm.
Ex. détergents ménagers sont apparemment solubles dans l'eau.
L'action détergente des lessives est due à cette
propriété de micellage.
Les lipides fortement amphiphiles comme les
phospholipides ou les sphingolipides ne forment pas
de micelles ou des mono-couches mais des bi-
couches lipidiques (liposomes). Dans une bicouche
les parties polaires sont à l’extérieur et les parties
apolaires sont à l'intérieur.
4- Réactions chimiques des lipides 4-1- Réaction de saponification
Les savons les plus connus sont : sodium (savons
dures) ou de potassium (savons moues).
(RCOO- , K+) est le savon.
4-2- Réaction d'estérification
Acide + Alcool <======> Ester + Eau
Dans les IAA, cette réaction est utilisée pour déterminer la composition en AG des huiles
et des graisses dans le but de déterminer les mélanges frauduleux.
4-3- Réaction d'hydrogénation
L'hydrogénation des AGi se fait en employant l’H2 sous 100 à 200 bars, 200 à 400 °C et en présence de catalyseurs (Pt, Ni, Zn…).
— CH2 — CH = CH — CH2 —(AG ins) + H2 ———> — CH2 — CH2 — CH2 —(AG sat)
L'hydrogénation des lipides rend les huiles solides ou semi-solides (margarines) moins sensibles à l'oxydation (rancissement).
Une hydrogénation sélective partielle ou totale (tous les AG insaturés sont transformés en AG saturés).
Chap 4- Réactions d’altérations
Chap 5- Agents coagulants
1- Altérations microbiennes des aliments 1-1- Contamination “naturelle” , survie ou prolifération La charge microbienne “normale” de la plupart de nos aliments
est de l’ordre de 104/g.
Il y a mort quand les microorganismes ne trouvent pas dans
l’aliment les conditions nécessaires à leur croissance (composition, conditions d’entreposage, traitements antimicrobiens..).
La survie des microorganismes est liée à des conditions n’engendrant pas la mort mais ne permettant pas la multiplication (composition , froid ...).
Il y a prolifération quand les microorganismes trouvent les
conditions nécessaires à leur croissance.
Dans ce cas généralement défavorable il y a altération de la qualité marchande si les germes sont saprophytes et altération de la qualité sanitaire (et parfois marchande) si les germes sont
“pathogènes”.
La notion de charge microbienne en relation avec la qualité du produit est fonction de la nature du produit et de la nature du
germe présent . 1-2- Modifications des qualités organoleptiques (qualité
marchande) :
La prolifération de microorganismes dans un produit alimentaire
se traduit par des modifications des qualités organoleptiques
détectables à106 germes par g de produit.
Les modifications d’aspect (couleur), de texture ou de flaveur
(odeur et saveur) sont souvent défavorables : Pseudomonas,
Acinetobacter, Moraxella, Alcaligenes, Aspergillus, Rhizopus,
Flavobacterium, Clostridium .
Parfois cette prolifération engendre des modifications souhaitées (beurre, fromages, yaourt, choucroute).
*- Relations microorganisme / composition de l’aliment:
• A partir des glucides de l’aliment (et dérivés): hydrolyse des sucres complexes: texture modifiée
fermentation des sucres simples: formation d’acides et
composés carbonylés : incidence sur le goût et l’arôme.
• A partir des protides de l’aliment (et dérivés):
hydrolyse des polymères (protéines) : texture modifiée;
décarboxylation , désamination, désulfuration etc. des AA:
modifications du goût, d’odeur, formation de catabolites toxiques;
• A partir des lipides de l’aliment (et dérivés) : oxydation et lipolyse (goût).
*- Modifications de l’odeur
Le développement de microorganismes dans un produit est
d’abord détecté par des modifications d’odeurs.
Le seuil de détection de composés organiques volatiles se situe
entre 10-6 - 10-9 g (10-12 pour des dérivés de la pirazine).
Généralement, ces modifications sont biphasiques :
1) Une grande partie de l’aliment est transformée en un
produit dominant (ac acétique - éthanol) : il peut s’agir d’une
altération (aigre...) ou d’une transformation souhaitée.
Si le produit est riche en glucides : pH > 6 il y a tendance à la
fermentation lactique.
Si le produit a un pH < 6 et sans 02, tendance à la
fermentation alcoolique.
Cette altération primaire est détectable à partir d’un seuil
d’environ 108 germes / g.
2) Production d’odeurs caractéristiques liées à des
composés organiques volatiles (odeur - goût) ou non
(goût). Le seuil de détection de ces composés odorants varie de 10-6 à 10-12 g (dérivés de la pirazine). Ces composés contribuent à la qualité de certains produits
fermentés (fromages) ou à la dépréciation quand ces odeurs
sont désagréables (odeur d’ammoniac, d’amines, etc...).
Néanmoins les moisissures engendrent souvent une odeur de moisi ou de rance; tandis que les bactéries génèrent des odeurs agréables, fruitées ou désagréables.
•Viandes : un développement microbien en surface se traduit par une odeur de relent à partir de 107 germes/g quand
l’entreposage est réalisé à 10°C et d’une odeur ammoniacale et d’H2S quand l’entreposage est réalisé à T°ambiante : on parle
alors de putréfaction.
•Poissons : la putréfaction génère des odeurs ammoniacales
(formation de triméthylamine, de diméthylsulfure, H2S etc...).
•Fromages : Cl. butyricum synthétise de l’acide butyrique à
odeur désagréable caractéristique. Une odeur ammoniacale
survient après protéolyse.
*- Modifications du goût:
Elles sont liées à la présence de composés volatils ou non.
Acidification liée à la production d’acide lactique : piqûre, aigrissement...
Cette modification est favorable avec certains produits:
fromages, choucroute, saucisson.
Dans le cas du vinaigre c’est l’acide acétique qui est produit.
Certains des goûts liés à quelques microorganismes :
- goût de noisette : Leuconostoc citrovorum : diacétyle : beurre,
- goût de margarine: Lc citrovorum dans les jus d’agrume,
- rancissement : Pseudomonas,
- goût de malt : levures dans le lait,
- goût caramélisé: levures ou Sc lactis var. maltigenes dans le lait,
- goût alcoolisé : levures,
- goût crayeux: levures (Endomycopsis ou Trichosporum) : pain,
- goût piquant : production de CO2,
- goûts fruités (biotransformations)…
*- Modifications de l’aspect et de la couleur
Visible bien après l’apparition d’odeurs.
Dans une première phase les zones sont constituées de
bactéries, levures et de sécrétions muqueuses qui s’étendent à la
surface de l’aliment et forment un revêtement souvent gluant,
visqueux et poisseux : poissage.
Les modifications de couleur résultent d’un ou plusieurs
phénomènes :
• synthèse d’un ou plusieurs pigments par le microorganisme
(Micrococcus, Pseudomonas, Chromobacterium, Serratia,
Bacillus, Flavobacterium, Rhodotorula).
• transformation d’un pigment endogène à l’aliment,
• destructions cellulaires mettant en contact enzyme et substrat
(PPO-quinone) BE.
• production d’un composant réactif et chromogène ( H2S
générant des sulfures divers noirs) .
*- Structure et texture:
La structure d’un produit alimentaire est liée à la présence de
pectines, celluloses, hémicelluloses chez les produits végétaux
et les protéines chez les produits animaux .
Par l’intermédiaire d’enzymes hydrolases (pectinases,
protéases ...) un ramollissement apparaît:
- Phénomène recherché : faisandage par protéolyse;
éclaircissement des jus de fruits par pectinases;
- Phénomène défavorable : pertes de forme...
*- Modification de la valeur alimentaire:
La structure, qualités hygiéniques, organoleptiques et
nutritionnelles des produits fermentés sont actuellement bien
contrôlées.
Les microorganismes intervenant dans ces processus
consomment des molécules à valeur énergétique élevée
diminution de la valeur calorique des produits fermentés.
Protéolyse dérivés d’AAs qui confèrent aux produits des
odeurs, goûts et texture tels, qu’ils deviennent inconsommables.
2- Brunissement enzymatique (BE) Le BE correspond à la conversion des composés phénoliques en polymères colorés, le plus souvent bruns ou noirs (mélanines). Ce brunissement entraîne aussi la dégradation de la vitamine C.
2-1- Mécanisme du brunissement enzymatique
Les cellules végétales renferment de nombreux substrats phénoliques comme la tyrosine, l'acide chlorogénique, le pyrocatéchol, etc.
composés phénoliques + PPO ou peroxydases + O2 quinones + O2 polymérisation composés bruns
Ce phénomène apparaît chez certains fruits ou légumes
endommagés (épluchage, découpage, broyage, etc.) ou si leur métabolisme est profondément perturbé.
En effet, dans les cellules saines, les composés phénoliques sont localisés dans la vacuole alors que les enzymes d’oxydation sont localisés dans le cytoplasme.
2-2- Contrôle ou prévention du brunissement enzymatique Le contrôle ou prévention du BE peut être réalisé de trois façons :
– l'inhibition des enzymes polyphénoloxydases,
– le piégeage des quinones, – et la limitation de la disponibilité de l'oxygène.
2-2.1- Inhibition des polyphénoloxydases
- Les PPO sont des métalloenzymes contenant environ 0,2% de cuivre qui joue le rôle de coenzyme.
- Elles sont actives entre un pH de 5 à 7.
- Leur inhibition est réalisée en procédant à une acidification du milieu, à un traitement thermique ou par l'utilisation des additifs.
Les techniques les plus souvent utilisées pour prévenir le BE sont l'acidification et le blanchiment.
Une diminution du pH à une valeur proche de 3 ou une courte exposition à des T° de 70 à 90°C (blanchiment) suffit en général pour obtenir une inactivation partielle ou totale des enzymes.
Il est également possible d’utiliser des additifs afin de limiter l’activité des PPO. Ces additifs sont principalement :
- des composés qui démobilisent les ions Cu2+ associées au PPO (NaCl, CaCl2),
- des inhibiteurs compétitifs : acides organiques à noyau aromatique (acide benzoïque et cinnamique),
- les sulfites sont des inhibiteurs puissants du BE et aussi des antioxydants et antifongiques.
2-2.2- Réduction et piégeage des quinones D’autres réactifs peuvent également être utilisés pour inhiber le BE.
Ce sont les composés qui réagissent avec les quinones : l’acide ascorbique, la cystéine, les thiols et les bisulfites.
= Ces composés réduisent les quinones en phénols et retardent ainsi la réaction de brunissement.
2-2.3- Réduction de la pression d’oxygène
Le BE nécessite de l’O2. Ainsi, une atmosphère dépourvue ou
fortement appauvrie en O2 réduit le brunissement. l'enrobage ou l'immersion des aliments sont utiles pour ralentir
le BE.
2-2-4- Elimination du substrat
- Sélection d’espèces végétales ne renfermant que peu de composés polyphénoliques.
- Dans le cas de la préparation des jus de fruits par exemple, il est possible de traiter les extraits par le polyvinylpolypyrolidone (PVPP), le charbon actif ou la bentonite qui adsorbera les dérivés phénoliques.
- Les cyclodextrines (utilisé en surface de fruits tranchés) piègent l'acide chlorogénique et les flavonols.
Cependant, de par leurs structures, les cyclodextrines n'ont aucun effet sur des phénols ayant un fort caractère hydrophile comme la dopamine (substrat naturel de la PPO de banane).
2-2-5- Modification du pH
Des pH de l'ordre de 2,7-2,5 inactivent les PPO.
On emploie généralement le trempage dans des bains acides (acide citrique et l'acide malique : plus efficace).
3- Réaction de Maillard (RM) ou BNE Découverte en 1912 par Louis-Camille Maillard.
*- Réactivité des différents constituants des aliments Les glucides réducteurs sont plus réactifs que les AAs. Il existe une hiérarchie dans la réactivité: Pentose > Man > Fru > Glu > Lac > Mal Le saccharose peut intervenir dans les aliments acides après inversion en glucose et fructose. L’amidon n’est pas concerné. D’autres composés porteurs de groupements H2C = O peuvent réagir (ex: ac ascorbique, vit K…).
*- Incidences du BNE sur les aliments
Ces réactions modifient :
- la valeur protéique dégradation des AA essentiels (lysine), - la couleur due à l’apparition de polymères colorés et insolubles : mélanoïdines. Ce brunissement peut être favorable et recherché: croûte de pain, biscuit, p de t frites, céréales grillées, viandes rôtis, café… - l’arôme et le goût il y a formation de différentes substances arômatiques: aldéhydes, furfural, réductones, - le pouvoir réducteur les réactions de Maillard conduisent à la formation de composés sensibles à l’oxydation; donc vont épargner les lipides de l’oxydation.
2-1- Chimie de la réaction de Maillard On peut subdiviser la réaction de Maillard en 3 étapes principales:
- La formation réversible de glycosylamines qui se réarrangent selon les réarrangements d’Amadori ou de Heyns.
- La dégradation des produits des réarrangements d'Amadori et de Heyns. Elle conduit, notamment, à la formation de composés hétérocycliques responsables des odeurs.
- La polymérisation d'intermédiaires réactionnels produits lors de la 2ème étape, et aboutit à la formation des mélanoïdines.
La T°, le temps de la réaction, la teneur en eau ainsi que la concentration et la nature des précurseurs influencent la RM.
Cpsé dicarb
Forte, pH acide
Désh modérée
pH ≥ 7
désa oxyd et
décarboxylation
Déshyd. forte
1 2
3
4
Titre:
Etape 1 : Réarrangements d’Amadori et de Heyns. La 1ère étape de la RM fait partie d'un large spectre de réactions appelées réactions carbonyles-amines.
Ces réactions interviennent dans un certain nombre de processus enzymatiques et biologiques tels que la vision, le vieillissement et la détérioration des tissus.
La RM est initiée par la réaction entre la forme ouverte d'un sucre réducteur (glucose, ribose, fructose, xylose, etc.) et un groupement aminé (AA, peptide, protéine).
Les fonctions carbonylées qui réagiront sont de différents types et la réactivité dépendra de leur structure. Ainsi on peut dégager une règle générale concernant la réactivité des structures :
Aldéhyde saturée < cétone saturée < aldéhyde insaturée < cétone insaturée < réductone < composé dicarbonylé insaturé.
La RM aboutit à la formation d'une base de Schiff qui existe
en équilibre avec un acide glycosylamine (Figure 1).
Fig. : Structure de quelques
dérivés carbonylés
Les réactions de formation de base de Schiff sont réversibles ; en milieu fortement acide, le sucre et l’AA peuvent se régénérer totalement. Toutefois, la base de Schiff lentement elle produit
un dérivé stable.
-Les aldoses suivent le réarrangement d'Amadori pour produire
des cétosamines (figure 2),
- les cétoses subissent le réarrangement de Heyns et produisent
des aldosamines (figure 3).
Etape 2 : Dégradation des X° de réarrang. d'Amadori et de Heyns Très complexe 3 voies se distinguent : 2 selon le pH, et 1 de scission des aldosamines ou des cétosamines.
La 1ère voie est appelée déshydratation modérée (Figure 4).
Elle est favorisée aux pH neutres et légèrement alcalins.
La 2ème est appelée déshydratation forte (figure 5), favorisée par les pH acides.
Elle est la principale voie de dégradation des cétosamines.
La perte d’une molécule d’eau donne un
composé dicarbonylé insaturé qui, par cyclisation, amène aux furfuraldéhydes, dont fait partie
l’hydroxyméthyl-furfural (HMF).
La 3ème voie est la dégradation de Strecker (figure 6), elle implique une désamination oxydative et une décarboxylation d’un acide α-aminé en présence d’un réductone.
Elle aboutit à la formation d’un aldéhyde
(aldéhyde de Strecker) intervenant dans la formation des mélanoïdines,
et provoque un dégagement de CO2, pouvant former des mousses dans les produits à longue durée de conservation.
Alors que les aminocétones donnent par condensation des
pyrazines (figure 7), substances aromatiques que l’on retrouve dans un grand nombre d’aliments cuits (viande rôtie, café torréfié).
Cette 3ème voie est la scission cétosamines et aldosamines formation de petites molécules carbonylées ou
acides qui, par condensation aldolique, donneront des
polymères et autres produits odorants caractéristiques de la RM.
Production, à partir des composés carbonylés insaturés et le furfural, des mélanoïdines (pigments bruns).
Ces pigments de haut PM contiennent des furanes et de l’azote et qui peuvent contenir des groupes carbonyle, carboxyle, amine, amide, pyrrole, indole, ester, anhydride, éther, méthyle et/ou hydroxyles.
En plus de leur contribution à la couleur brune des aliments, ces réactions de polymérisation participent au durcissement des aliments cuits et stockés.
Etape 3 : Polymérisation des intermédiaires réactionnels
2-3- Facteurs influents la réaction de Maillard
Les effets de la RM sont recherchés dans certains opérations (cuisson des aliments) et non recherchés dans d'autres (séchage du lait modification de la couleur, du goût et de la valeur nutritionnelle du lait en poudre).
La connaissance de ses facteurs est essentielle pour l'accélérer ou la ralentir selon l'objectif recherché.
La T° et le temps de la réaction, le pH et l’humidité du milieu (Aw), la présence de métaux, d’O2 et d’inhibiteurs ainsi que la nature et la concentration des différents réactifs influencent la vitesse de la RM.
- La T°: en effet, la vitesse de la réaction est en moyenne doublée lorsque la T° augmente de 10 °C.
Le stockage des aliments à des T° < 0 °C permet de
ralentir la RM, car la réaction peut avoir lieu même à 4°C.
- Le pH du milieu et sa teneur en eau influence la
réaction. Elle est optimale à des pH (alcalins) de 6 à 10 et dans des milieux ayant une HR de 30 à 70 %.
Au delà de ces valeurs, la réaction est ralentie.
Fig .: Influence du temps sur le développement de la réaction de brunissement.
2-4- Procédés pour inhiber les réactions de BNE *- Elimination du substrat:
- Lors de la fabrication de poudre d'œuf, par ex., il faudra éliminer au maximum le glucose soit par voie fermentaire (levure) soit par voie enzymatique (glucose-oxydase).
- Pour fabriquer des chips, reconditionner les P de T par un traitement thermique à 20°C pendant 15 jours:
favorise l'activité de l'amidon synthétase qui utilisera les sucres réducteurs néoformés pour redonner de l'amidon.
- Lors de la formulation de certains aliments, on veillera à n'ajouter les saccharides (même le saccharose) qu'après le traitement thermique.
*- Modification du pH
L'abaissement du pH permet de limiter le phénomène de BNE
*- Modification de la température
C'est généralement au cours de la réaction de déshydratation que se produit le BNE (haute T° et teneur en eau critique).
Diminuer la T° et augmenter le temps de mise en œuvre du procédé diminue la vitesse de réaction.
- Les produits déshydratés entreposés à T° < 25°C, dans des emballages imperméables à la vapeur d'eau.
- Pour les jus de fruits concentrés, il faut parfois envisager de stocker à T° < 0°C afin d'éviter la dégradation de la vitamine C qui produira du CO2 et fera bomber les emballages.
*- Utilisation des agents réducteurs L'anhydride sulfureux est efficace, utilisé sous forme de sel ou de gaz
L'addition de SO2 peut entraîner des modifications d'arome, de pigmentation … Enfin, le SO2 détruit la vitamine B1.
3- Réaction de caramélisation
C’est une réaction de BNE.
Elle se produit lors du chauffage d'un sucre au-
delà de son point de fusion (environ 200°C pour le saccharose) en absence de composés azotés.
La réaction peut être catalysée par l'ajout d'un acide comme l'acide citrique ou l'acide acétique.
Les produits formés au cours de la réaction
confèrent au caramel la couleur, l'arôme et le goût caractéristique du produit.
3-1- Chimie de la réaction de caramélisation
Se subdivise en 2 étapes principales:
*- La 1ère étape correspondant aux réactions de dégradation de sucres entraîne la formation d’aldéhydes et de composés dicarbonylés;
L’hydrolyse du saccharose, catalysée par l’eau glucose et fructose, qui à leur tour subissent des réactions de dégradation non spécifiques qui dépendent du pH.
- En milieu alcalin la dégradation des oses conduit à la formation de pyruvaldéhyde et d’acide lactique.
- En milieu acide une première étape d’énolisation est vite suivie d’élimination de molécules d’eau et de cyclisation conduisant à trois intermédiaires importants (Figure 8).
Ces molécules constituent une partie de la fraction volatile à l’origine de l’arôme caractéristique du caramel.
- La 2ème est une étape de condensation et de polymérisation
(produits bruns foncés de MM élevée) :
Ces réactions donnent, à partir du saccharose, les dianhydrides de fructose (DAF) (Figure 9) par perte de 2 H2O avec
cyclisation
constituants majeurs de la fraction non volatile du caramel (70%).
Le caramel utilise des matières premières simples : sucres alimentaires, eau et parfois une goutte d’acide citrique (citron) ou d’acide acétique (vinaigre).
Il y a 2 sortes de caramel :
- le caramel aromatique: ingrédient,
- et le caramel colorant: additif alimentaire.
3-2- Application de la réaction de caramélisation
4- Oxydation des lipides
Les principaux facteurs déterminant la durée de vie des lipides sont les réactions d’oxydation.
Les substrats de ces réactions sont principalement les AGs insaturés.
Les AGs saturés ne s’oxydent qu’à T° > 60°C, tandis que les acides polyinsaturés s’oxydent même lors de l’entreposage des aliments à l’état congelé.
Les facteurs qui influencent, ou qui initient, l’oxydation des lipides sont nombreux. Il s’agit de facteurs :
- intrinsèques : la composition en AGs des lipides (nombre et position des insaturations), la présence de pro-oxydants (ions métalliques, enzymes, etc.) ou d’antioxydants naturels (tocophérols, caroténoïdes, etc.),
- et externes : la T°, la lumière, la pression partielle en 02, l’Aw, les conditions de stockage et de transformation.
En fonction des agents initiateurs 3 types oxydation :
- l’auto-oxydation catalysée par la T°, les ions métalliques et les radicaux libres;
- la photo-oxydation, initiée par la lumière en présence de photosensibilisateurs,
- et l’oxydation enzymatique initiée par la présence des enzymes d'oxydation.
Les principaux problèmes posés par l'oxydation des lipides résident dans la dégradation des propriétés biochimiques, organoleptiques (formation de composés volatils d’odeur désagréable: rancissement) et nutritionnelles (par interaction des produits d'oxydation avec les acides aminés) de l’aliment.
L'oxydation des lipides conduit également à la formation des peroxydes qui sont des molécules cancérigènes.
4-1- Auto-oxydation
L’oxydation des lipides est une réaction auto-catalytique se
déroulant en 3 étapes.
*- Initiation (figure 10) : En présence d’un initiateur (I), les lipides
insaturés (RH) perdent un proton (H°) pour former un radical libre de lipide (R°).
*- Propagation (figure 11) : Les radicaux libres formés (R°) fixent l’oxygène moléculaire et forment des radicaux libres peroxydes instables (ROO°) qui peuvent réagir avec une nouvelle molécule d’acide gras (RH) pour former des
hydroperoxydes (ROOH).
*- Terminaison (figure 12) : Les radicaux formés réagissent entre eux pour conduire à un produit qui n’est pas un radical libre.
Les hydroperoxydes, les premiers produits de l'oxydation des lipides sont instables donnent des composés divers ayant des PM variables.
A ce stade, le goût de la matière grasse est altéré et on parle de rancissement.
4-2- Photo-oxydation
-C’est une voie importante de production
d’hydroperoxydes en présence d’O2, d’EG
lumineuse et de photosensibilisateurs
(hémoprotéines, chlorophylle ou la riboflavine).
4-3- Oxydation enzymatique
Le phénomène d’oxydation des AGI peut être d’origine enzymatique.
Les deux enzymes principalement impliquées sont la lipoxy- et la cyclooxygénase.
*- La lipoxygénase catalyse l’insertion d’une molécule d’O2 sur un AGI et aboutit à la formation d’hydroperoxydes.
Son activité est donc souvent couplée avec celle des lipases et des phospholipases.
*- La cyclooxygénase est une lipoxygénase qui incorpore 2O2
au niveau d’un AGI pour former des hydroperoxydes spécifiques.
L’oxydation enzymatique se produit même à basse température.
Durant le stockage à l’état congelé l’activité enzymatique est ralentie.
Cependant, une fois la décongélation amorcée et des T° de 0 à 4°C atteintes, cette activité reprenne et s’accentue.
A - 40 °C, l'oxydation enzymatique des lipides est complètement arrêtée.
4-4- Facteurs influents l'oxydation des lipides
*- T° : Une élévation de T° favorise l’oxydation des lipides.
- Ex: la cuisson a un effet pro-oxydant marqué.
- Au contraire, la congélation est un bon moyen pour abaisser l’oxydation des lipides.
*- Le pH :
- Un pH acide favorise la réaction d’oxydation.
Le pH intervient également dans la solubilité des composés impliqués dans l’initiation de la réaction.
Dans le cas des tissus musculaires, un pH bas favorise la dénaturation des hémoprotéines et la libération du fer qui est un agent pro-oxydant.
*- L’Aw : l'eau permet la mobilisation des substances pro-oxydantes ou antioxydantes.
En général, une Aw comprise entre 0,2 et 0,3
correspond aux vitesses d'oxydation les plus faibles.
Une Aw comprise entre 0,6 et 0,8 correspond aux
vitesses d'oxydation les plus grandes.
Une très faible Aw est également favorable à l'oxydation.
Par contre, les réactions d'oxydation enzymatique des lipides sont fortement ralenties quand l’Aw est inférieure à 0,7-0,8.
*- La concentration d'O2 (pression partielle en oxygène) dans et autour du produit influence la vitesse d'oxydation des lipides.
Son incidence est donc à la fois sur la durée de conservation du produit et sur la nature des odeurs perçues quand le produit est oxydé.
La relation entre vitesse d'oxydation et pression partielle en O2 dépend de plusieurs facteurs comme l’Aw, la T°, la nature des catalyseurs.
Le contrôle ou l'inhibition de l'oxydation des lipides est basée sur la maîtrise de ces
paramètres : T°, pH, Aw, [O2].
L'action sur plusieurs paramètres en même temps permet d'augmenter ou de réduire davantage la vitesse de l'oxydation.
L'utilisation des antioxydants (tocophérols, polyphénols,
flavonoïdes, vitamine E, vitamine C, etc.) est souvent la méthode la plus courante en IAA pour inhiber l'oxydation des lipides.
Les antioxydants utilisées sont soit:
- des agents de prévention qui bloquent la phase d'initiation
en réagissant avec les initiateurs de la réaction (O2, lumière, métaux, ...),
- des agents de terminaison qui bloquent la poursuite de la
phase de propagation en réagissant avec les radicaux libres et les transforment en composés stables.
5- Lipolyse
Intervient au sein des cellules végétales et animales pendant la
phase post-récolte (ou post-mortem) au cours de transformation et
conservation des aliments.
L’hydrolyse des lipides est principalement le fait d’enzymes
lipolytiques tissulaires : lipases libèration, à partir des TGs,
des AGs, des diglycérides et des monoglycérides.
Ces enzymes restent actives, mais ralenties, même à une T° de
stockage de -18°C.
C'est pourquoi l’hydrolyse enzymatique des lipides constitue
la réaction principale d'altération des aliments frais au cours de leur stockage à l’état congelé.
6- Activité de l'eau et isothermes de sorption
6-1- Définition de l'activité de l'eau
L'activité de l'eau est égale au rapport de la pression partielle de la vapeur d'eau dans l'aliment sur la pression de vapeur de l'eau pure à la même température que l'aliment, et cette activité de l'eau est égale à l'humidité relative de l'air en équilibre avec l'aliment divisé par cent (Figure).
P= pression partielle de la vapeur d'eau
dans l'aliment (< ou = Pe),
Pe= pression de vapeur de l'eau pure à la même température,
HRE= humidité relative d'équilibre en %.
Figure. Relation entre l'activité de l'eau et l'humidité relative de l'air
6-2- Relation entre la teneur en eau et l’Aw
Représentée par une courbe appelée isotherme de sorption.
Pour chaque valeur de aw, l'isotherme donne la teneur en eau
(Xeq) du produit à une température donnée.
6-3- Les isothermes de sorption
L'isotherme de sorption indique à l'équilibre pour une température déterminée, la quantité d'eau contenue dans l'aliment en fonction de son aw ou de l'humidité relative de l'air en équilibre avec l'aliment.
Les isothermes de sorption sont divisés en trois zones :
- Zone 1 (aw<0,3) : l'eau fortement liée ou de constitution (~3 à 10% d'eau dans le produit) : intimement liée aux composants biochimiques par des liaisons covalentes.
Eau non disponible comme solvant ou réactif c’est la 1ère couche (monocouche) qui entoure la MS de l’aliment.
- Zone 2 (0,3<aw<0,7) : l'eau faiblement liée, sous
forme de couches polymoléculaires (multicouche) recouvrant partiellement la surface du substrat sec. Disponible tant comme solvant que réactif, elle est moyennement réactive.
- Zone 3 (aw>0,7) : l'eau libre ou eau liquide qui n’est retenue à la surface du substrat sec que par des liaisons hydrogène. Disponible tant comme solvant que réactif. Seule forme de l’eau utilisée par les microorganismes et peut permettre les réactions enzymatiques.
On distingue deux types d'isothermes de sorption :
Isotherme d’adsorption si elle a été déterminée expérimentalement en partant d’un produit sec.
Isotherme de désorption si elle a été déterminée expérimentalement en partant d’un produit saturé en eau.
Figure. Isotherme de sorption d'un aliment
L'isotherme de désorption n'est pas superposable à l'isotherme d'absorption (figure);
ce phénomène s'appelle hystérésis. Il serait dû à la condensation de l’eau dans les pores des tissus; il y a relation entre la pression partielle d’une part et d’autre part l’angle de contact et le diamètre du pore (équation de Kelvin)
angle de contact liquide - solide plus grand quand le liquide mouille une surface sèche (adsorption) que quand il se retire d’une surface humide (désorption)
diamètre souvent plus faible à l’orifice des pores qu’en profondeur: la pression partielle nécessaire au remplissage est plus élevée.
Dans les deux cas, la pression partielle de vapeur d'eau,
donc l'activité de l'eau est la même.
Figure. Illustration de l'hystérésis dans une courbe de sorption
*- Relation entre isotherme de sorption et entreposage d'un aliment
Les isothermes de sorption permettent de prévoir et de comprendre le comportement d'un aliment lors de l'entreposage.
La première information fournie par l'isotherme de sorption c'est l'hygroscopicité d'un aliment.
Cette hygroscopicité mesure l'influence qu'aura une
variation de l'humidité relative ambiante sur la teneur en eau du produit lorsque celui-ci n'est pas protégé par un emballage étanche.
- La fixation de l’eau et l’allure des isothermes varient considérablement en fonction de la nature des constituants chimiques :
Ex. : les amidons et protéines retiennent davantage d’eau dans la zone inférieure des isothermes que les sucres et les lipides,
- pH et force ionique modifient la rétention d’eau à cause des charges électrostatiques :
Ex. : le rapprochement des chaînes des protéines dans un gel expulse l’eau libre et l’eau adsorbée, qui s’écoulent ou s’évaporent : rétention minimale au pHi;
- saccharose amorphe + hygroscopique que le saccharose cristallisé à aw < 0,5
= difficile de conserver le sucre glace,
= saccharose cristallisé se conserve bien.
Figure. Isotherme de sorption du sucre
cristallisé et du sucre amorphe
- L’état physique (cristallin, amorphe, …) dépend beaucoup du traitement appliqué, et selon sa nature, les isothermes peuvent varier :
Ex. : le chauffage d’un amidon le fait passer d’une structure cristalline, imperméable, à un état amorphe = gélatinisé, retenant l’eau.
Lorsqu'un produit, ayant une isotherme de sorption à hystérésis, a été déshydraté à une teneur en eau M, si celui-ci reprend un peu d'eau parce qu'il est mal entreposé (Figure),
il passe de l'isotherme de désorption à l'isotherme d'absorption et son Aw peut augmenter dangereusement. Figure. Effet d'une légère augmentation de la teneur
en eau sur un produit déshydraté présentant un isotherme de sorption à hystérésis
Lorsqu'un produit est entreposé à une HR en équilibre avec l'aw,
HRE = aw x 100, une augmentation de T° à T + ΔT
déshydration du produit qui se remettra en équilibre avec l'air ambiant.
En fait, la déshydration pourra être supérieure lorsque la T° augmente. Figure. Effet d'une variation de la
température sur l'isotherme d'absorption de l'eau
En fonction de l’aw que se produira lors de l'entreposage un certain nbre de dégradation (Figure).
Nous observons, que c'est aux Aw
comprises entre 0,2 et 0,3 que les vitesses
de détérioration des aliments sont les plus faibles,
== ce qui correspond à la couche d'eau
mono-moléculaire.
Chap 5- Agents coagulants 1. Caractérisation des agents coagulants
1.1. Définition
La coagulation du lait est une étape importante de la préparation du fromage. Il s’agit de la transformation du lait liquide en un gel, appelé aussi coagulum ou caillé qui, après un certain nombre de transformations, deviendra un fromage.
Le coagulant traditionnel, la présure, est extrait de l’estomac du jeune veau nourri au lait.
Vu la production fromagère très importante la présure naturelle est devenue insuffisante .
De nombreux substituts ont été proposés :
- d’origine animale : trypsine, chymotrypsine, pepsine porcine ;
- d’origine végétale : extrait d’artichaut, de chardon, ou encore la ficine extraite du latex du figuier, la papaïne extraite des feuilles de papaye, la bromélaïne de l’ananas ;
- d’origine microbienne.
Mais seuls quelques-uns se sont révélés aptes à une production fromagère de haute qualité.
Les plus intéressants sont des coagulants microbiens extraits des champignons microscopiques Rhizomucor miehei, Cry-phonectria parasitica, ainsi que la chymosine elle-même obtenue par la fermentation d’un micro-organisme cloné.
Si ces enzymes présentent beaucoup de similitude avec la présure, elles possèdent des propriétés quelque peu différentes. Si ce fait est pris en compte, de très bons résultats peuvent être obtenus.
1.2. Propriétés et caractéristiques
Les enzymes coagulantes doivent répondre à un certain nombre de conditions :
- toxicité nulle ;
- pureté chimique et qualité microbiologique élevées;
- activité protéolytique faible comparativement à l’activité coagulante ;
- comportement voisin de celui de la présure vis-à-vis de la T°, du pH, des ions calcium.
D’un point de vue technologique, ces enzymes doivent :
- avoir une bonne activité coagulante ;
- donner au caillé des propriétés rhéologiques ;
- donner un rendement fromager identique à celui de la présure ;
- permettre une maturation et un affinage normal.
1.3. Différentes familles 1.3.1. Coagulants d’origine animale : Présure (fig)
Constituée de 02 enzymes principales, la chymosine
et la pepsine, dont la proportion varie selon l’âge de l’animal.
De nombreuses préparations commerciales sont utilisées :
■ Extrait de présure (présure 520 mg) : présure animale classique avec 85 % de l’activité coagulante est apportée par la chymosine et environ 15 % par la pepsine.
■ Extrait de présure concentrée au moins 700 mg/L de chymosine : 85 % à 95 % de l’activité coagulante est apportée par la chymosine.
■ Mélange 2/2 : moitié - moitié. Il s’utilise surtout sur pâte molle et fromage à affinage court.
■ Mélange 3/1 : Il est peu utilisé.
La chymosine bovine (EC 3.4.23.4) : est la principale enzyme de coagulation du lait présente dans la présure. C´est une protéase à acide aspartique qui hydrolyse spécifiquement la liaison Phe105-Met106 de la protéine caséine du lait, la clivant en deux peptides.
La caséine normalement stabilise les micelles du lait mais quand elle est clivée, les micelles précipitent en présence de Ca2+ donnant des caillés qui donnera à son tour le petit-lait + caillés (fromage ou autres produits laitiers).
Les principaux coagulants d´origine animale utilisés de nos jours pour la fabrication fromagère sont la chymosine et la pepsine bovine.
La chymosine est une molécule bilobée avec, en son centre, le sillon du site actif.
Figure : Structure tridimensionnelle de la chymosine bovine
1.3.2. Coagulants microbiens
*- Rhizomucor miehei
La protéase acide de R. miehei s’est imposée comme pouvant remplacer la présure avec peu ou pas de modification de la technologie, ni de la qualité des fromages.
Cette enzyme est sensible à la chaleur.
Elle correspond très bien aux besoins du fromager.
- À T° plus élevée, des différences apparaissent (entre présure et les 02 variantes de R. miehei).
La variante fortement thermolabile est inactivée la 1ère.
- Effet de la dose d’enzyme : l’enzyme de R. miehei se comporte de la même manière que celle de la présure sur le lait pasteurisé. Sur le lait cru, l’activité coagulante des protéases de R. miehei est réduite.
- Il est nécessaire de s’assurer que l’enzyme est inactive dans le lactosérum.
*- Cryphonectria (Endothia) parasitica
L’enzyme coagulante fongique produite par Cryphonectria parasitica ou Endothia parasitica est principalement utilisée pour la production d’emmental ou de certains fromages italiens.
- Très thermolabile, l’enzyme est détruite pendant l’étape de cuisson en cuve. Elle est rapidement inactivée à T° > 53 ˚C ;
- Son activité est moins inhibée à pH de lait élevé, elle est moins activée en milieu acide.
- Possède une sensibilité plus limitée aux ions Ca que la présure et le coagulant de R. miehei.
- Le coagulant de C. parasitica présente des propriétés rhéologiques sensiblement ≠ de celles de R. miehei ou de la présure animale.
La formation du gel est tout d’abord plus lente et le caillé très mou. Après cette phase initiale, le caillé durcit plus vite et plus fortement que le caillé présure.
- L’enzyme de C. parasitica possède une activité protéolytique atypique supérieure à celle de R. miehei ou de la présure.
- 15 s à 68 ˚C, il restera, dans ce sérum, moins de 1 %
de l’activité enzymatique initiale.
*- Chymosine de fermentation
Il s’agit d’une enzyme coagulante dont l’activité est apportée par de la chymosine pure à 100 %. Elle est obtenue par la fermentation soit d’Aspergillus niger var. awamori, soit de la levure laitière Kluyveromyces lactis.
Dans l’organisme producteur a été greffé le gène codant de la chymosine de veau.
La chymosine (variante B) ainsi produite a une MM proche de 36 000, identique à celle de la chymosine de veau. Elle possède la même composition en AA. Elle est identique sur les plans chimiques et fonctionnels.
- Effet de la T° : la chymosine pure et la présure animale sont inactives à T° > 55 ˚C.
- Effet du pH : la présure contient : chymosine + pepsine. La chymosine est beaucoup moins sensible au pH que la pepsine.
La force d’une Ez coagulante se mesure à pH 6,50.
- Effet des ions Ca : il est le même sur la chymosine pure et sur la présure de veau.
- Propriétés rhéologiques : les caillés obtenus avec la chymosine ou la présure de veau ont les mêmes propriétés rhéologiques.
1.3.3. Coagulants des plantes
Les coagulants de plantes obtenus à partir du genre Cynara (chardon: figure) : utilisés dans la production de fromages au Portugal (Serra da Estrela et Serpa).
Ce sont des fromages de grande qualité et sont très appréciés en raison de leur goût et texture particuliers.
L´utilisation de coagulants de plantes reste, toutefois,
restreinte.
Représentation du chardon.
2- Le caillage ou la coagulation
La coagulation du lait correspond à une déstabilisation de l'état micellaire originel de la caséine du lait. Elle est
réalisée de deux manières :
- par voie enzymatique à l'aide d‘Ezs coagulantes, contenues dans la présure ;
- par voie fermentaire à l'aide de bactéries productrices d'acide lactique.
Les mécanismes d'action de ces deux agents coagulants au niveau de la micelle sont très différents mais ils conduisent à la formation d'un coagulum (gel ou caillé).
Le substrat spécifique du phénomène de coagulation dans le lait sont les caséines sous forme de micelles.
Les micelles sont des agrégats hétérogènes de phosphocaséinates de calcium (30 et 300 mµ).
Ces micelles présentent une grande stabilité vis-à-vis des traitements thermiques et mécaniques.
Plusieurs facteurs contribuent à conférer aux micelles leur stabilité : les principaux sont leur charge électrique (fortement négative), leur degré d'hydratation et leur charge minérale.
Le degré d'hydratation des micelles est élevé : 1 g de protéines fixe environ 2,5 g d'eau.
2.1- Coagulation par voie acide Le mécanisme de la coagulation acide est de nature électrochimique.
L'acidification entraîne une chute du degré de dissociation des groupements acides (COO, PO3H) du
phosphocaséinate de calcium.
Les ions H+ libérés par l'acidification neutralisent progressivement les charges électronégatives. La répulsion électrostatique, entre les micelles, diminue
au fur et à mesure de l'enrichissement du milieu en ions H+, puis disparaît.
A la T° ambiante, les micelles commencent à s'agréger à pH 5,2.
Lorsque le pHi de la caséine est atteint (pH 4,6), il y a floculation totale.
La coagulation acide est fortement dépendante de la température.
*- Modalités de la coagulation par voie acide
En pratique fromagère, la fermentation lactique peut être conduite en faisant appel :
- aux bactéries lactiques présentes à l'état naturel dans le lait cru,
- aux bactéries lactiques apportées sous forme de levains.
Le coagulum formé par voie acide possède des propriétés rhéologiques caractéristiques:
- il est friable,
- peu élastique,
- raffermissement est très limité et très lent, - porosité bonne,
- perméabilité élevée,
- mais son aptitude à l'égouttage est limitée.
*- Propriétés du coagulum obtenu par voie acide
2-2- Coagulation par voie enzymatique
Schématiquement, lors de la réaction d'hydrolyse, un fragment, le caséinopeptide (paracaséine-k) est
dissocié de la micelle et éliminé dans le lactosérum.
Représentation du mode d’action de la chymosine sur la caséine K
