Brunissement enzymatique et non enzymatique PDF

UE 1: Aliments et Bioproduits ECUE 1 : Composition, structuration, propriétés et qualité des produits issus du vivant Brunissement non enzymatique et enzymatique Maria FIGUEROA Maître de Conférences en Biochimie alime...

UE 1: Aliments et Bioproduits ECUE 1 : Composition, structuration, propriétés et qualité des produits issus du vivant Brunissement non enzymatique et enzymatique Maria FIGUEROA Maître de Conférences en Biochimie alimentaire L’Institut Agro Montpellier - PolTEM [email protected] 1  Plan 1 –Introduction 2 - Réactions de brunissement non enzymatique Oxydation de la vitamine C Caramélisation Réaction de Maillard 3 – Réactions de brunissement enzymatique des composés phénoliques 2  Plan 1 –Introduction 2 - Réactions de brunissement non enzymatique Oxydation de la vitamine C Caramélisation Réaction de Maillard 3 – Réactions de brunissement enzymatique des composés phénoliques 3  Brunissement non enzymatique - introduction  Ensemble de réactions chimiques  préparation et/ou stockage des denrées alimentaires  modification de la valeur nutritionnelle  composés colorés bruns  substances volatiles et sapides  qualité sensorielle des aliments : recherché ou pas 4    Réactions de brunissement Mécanisme O2 nécessaire Gpes. amino pH nécessaires Caramélisation non non alcalin/acide Oxydation de l’ac. oui non alcalin ascorbique Réaction de Maillard non oui alcalin Polyphénol oxydase oui non légèrement acide (Badui-Dergal,1988) non-enzymatique enzymatique (substrat : (substrat : composés phénoliques) glucides ± autre) 5  Plan 1 –Introduction 2 - Réactions de brunissement non enzymatique Oxydation de la vitamine C Caramélisation Réaction de Maillard 3 – Réactions de brunissement enzymatique des composés phénoliques 6  Oxydation de l’acide ascorbique (vitamine C)  Favorisée par :  pH  température  oxygène, UV  cuivre, fer  Aw > 0,24  ascorbique oxydase (cofacteur : cuivre, donc éviter le contact des jus citriques avec des récipients en cuivre) Chimique : acide-L-ascorbique + O2  ac. déhydroascorbique + H2O2 Enzymatique : acide L-ascorbique + 1/2 O2 → ac. déhydroascorbique + H2O Effets : perte de vitamine C, production des pigments indésirables. 7  Oxydation de l’acide ascorbique (vitamine C) O2 H2O2 Acide ascorbique Acide déhydroascorbique Acide 2,3- Furfural dicétogulonique Badui-Dergal,1988 8  Plan 1 –Introduction 2 - Réactions de brunissement non enzymatique Oxydation de la vitamine C Caramélisation Réaction de Maillard 3 – Réactions de brunissement enzymatique des composés phénoliques 9  Caramélisation 10  Caramélisation  Chauffage par dessus du point de fusion des oses.  Formation d’énols, déshydratation avec formation de composés furaniques, polymérisation avec formation de pigments obscurs.  Favorisée par : température (> 120°C); pH (9 < pH < 3); composition (cétose > aldose; ose > diholoside); sels.  Si alcalin : moins de couleur.  Si acide : moins de goût.  Enolisation, isomérisation, fragmentation; déshydratation, cyclisation (5-HMF), polymérisation 11  Caramélisation - mécanisme Arômes caractéristiques de la caramélisation 12 Kroh. Food Chem 1994 : 51 (373-379)  Caramélisation - mécanisme 13 Kroh. Food Chem 1994 : 51 (373-379)  Caramélisation – molécules volatiles Une structure du type CH3-CH=CH-CH(OH)-C=O est responsable de l’arôme caramel (Ex. dans HDF) 14 Kroh. Food Chem 1994 : 51 (373-379)  Caramélisation – molécules volatiles 15 Kroh. Food Chem 1994 : 51 (373-379)  Caramélisation – polymères et couleur 16 Kroh. Food Chem 1994 : 51 (373-379)  Caramélisation  Directive 94/36/CE du Parlement européen et du Conseil (30 juin 1994; colorants denrées alimentaires) :  Classe I (E150a) : colorant caramel ou caramel ordinaire  Ex. boissons alcoolisés (whiskies, cognacs)  Classe II (E150b) : colorant caramel de sulfite caustique  Ex. biscuiterie, céréales petit-déjeuner, apéritifs  Classe III (E150c) : colorant caramel ammoniacal  Ex. bière, sauces, confiserie, pains industriels  Classe IV (E150d) : colorant caramel au sulfite d'ammonium  Ex. vinaigre balsamique, sodas (cola, thé glacé) 17  Plan 1 –Introduction 2 - Réactions de brunissement non enzymatique Oxydation de la vitamine C Caramélisation Réaction de Maillard 3 – Réactions de brunissement enzymatique des composés phénoliques 18  Réaction de Maillard [RM]  Louis-Camille MAILLARD (1912)  Ensemble de réactions complexes initiées par l’interaction d’un groupement amine et d’un groupement carbonyle  Cascade de réactions (déshydratations, cyclisations, rétro- aldolisations, réarrangements, des isomérisations, condensations)  Molécules volatiles et aromatiques  Polymères azotées bruns de haut poids moléculaire (mélanoïdines) 19  Réaction de Maillard [RM]  Réaction entre un groupe aldéhyde ou cétone d’un sucre réducteur (aldose ou cétose) et une fonction amine (-NH2) libre (groupement ε aminé des résidus de lysine, acide aminé, peptide, protéine)  Favorisée par : °C min 180 10  température > 50°C (condensation 170 20 160 40 possible à basse T°C !) 150 80 140 160 130 320 Si on considère : 2*V si T°C + 10°C 120 640 110 1280 Ex. 10 min à 180°C donc 80 min à 100 2560 90 5120 150°C et 163 840 min à 40°C) 80 10240 70 20480 60 40960 50 81920 h j 40 163840 = 2730,7 = 113,8 20  Réaction de Maillard [RM]  Réaction entre un groupe aldéhyde ou cétone d’un sucre réducteur (aldose ou cétose) et une fonction amine (-NH2) libre (groupement ε aminé des résidus de lysine, acide aminé, peptide, protéine)  Favorisée par :  température > 50°C (possible à basse T°C !)  type de substrat  longues périodes de stockage  pH 4-8 optimum 6-8  30-70 % HR  vitesse maximale : Aw 0,55 - 0,75  Cu2+ et Fe3+ 21  Réaction de Maillard [RM] 22  Réaction de Maillard  [Lys] disponible Flaveur et couleur non modifiées 23 (Linden et al., 1994)  Réaction de Maillard  [Lys] disponible Flaveur et couleur non modifiées Source de molécules aromatiques et sapides 420-540 nm 24 (Linden et al., 1994)  Mécanisme de la réaction de Maillard  Étape initiale (pas de production de couleur) → Condensation sucre-amine et formation d’une glycosylamine-N- substituée (base de Schiff). Réaction réversible. → Réarrangement d’Amadori; obtention d’une molécule du type 1- amino-1-désoxi-2-cétose. Scission des Forte Déshydratation modérée molécules déshydratation (-2 H2O) (- 3 H2O) petites molécules réductones et carbonylées furfural, 5- déhydroréductones; (diacétyle, hydroximéthyl- réaction de Strecker pyruvaldéhyde, furfural éthanol) formation d’aldéhydes formation d’arômes Formation possible par RM Arômes caractéristiques ou par caramélisation de la RM 25  Mécanisme de la réaction de Maillard 1 - Étape initiale (pas de production de couleur) 1.1 - Condensation sucre-amino et formation d’une glycosylamine-N-substituée. Réaction réversible. 1.2 - Réarrangement d’Amadori; obtention d’une molécule du type 1-amino-1-désoxi-2- cétose. 2 - Étape intermédiaire (formation de la couleur jaune pâle et production d’arômes) 2.1 - Déshydratation des sucres, formation de substances du type furfural et déhydrofurfural (Ex. 5-hydroximéthylfurfural), arômes non spécifiques de la RM (aussi formés dans la décomposition thermique des glucides). 2.2 - Fragmentation des molécules en composés α-hydroxycarbonyles, glucoaldéhyde, glycéraldéhyde, pyruvaldéhyde, acétol, acétoine, diacétyle, etc. 2.3 - Déshydratation modérée avec formation de réductones et déhydroréductones. Dégradation de Strecker : acides aminés plus déhydroréductones, forment des aldéhydes avec un atome de C en moins + CO2. Arômes caractéristiques de la RM. 3 - Étape finale (formation des pigments) 3.1 - Condensation aldolique des composés intermédiaires avec formation des pigments insaturés avec de propriétés fluorescentes. 3.2 - Polymérisation des aldéhydes avec des amines, avec formation de pigments 26 insolubles.  Réaction de Maillard  Inhibée ou ralentie par :  basses températures la ralentissent  pH acide  Aw > 0,75   O2  glucose oxydase  sulfites (interagissent avec le C=O et forment des sulfonates) H H R C O + NaHSO3 R C OH SO3Na 27  Réaction de Maillard  Effets indésirables :  perte de la valeur nutritionnelle ( disponibilité nutritionnelle de la lysine,  vitamine C)   la solubilité et la digestibilité des protéines  pigments bruns  goût amère  Effets désirables sur les aliments :  couleur  arôme, goût  Importance dans les aliments :  pain, café, cacao, cacahuètes, pain grillé, viande grillée... 28  Réaction de Maillard Modèle RM Modèle RM contenant Lys, contenant Arg, orange-marron rouge-marron Modèle RM contenant Lys, couleur obscure de la croûte du pain et du malt 29 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308814611004572#f0020  Réaction de Maillard 30 https://www.compoundchem.com/wp-content/uploads/2015/01/Food-Chemistry-Maillard-Reaction.png  Ex. lait concentré sucré sucré ? 31  Ex. lait concentré sucré 32 https://ifst.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/ijfs.15138?campaign=woletoc  Ex. lait concentré sucré ? 33 Lait condensé sucré ? Lait condensé sucré Photo prise le 20/10/2020  Plan 1 –Introduction 2 - Réactions de brunissement non enzymatique Oxydation de la vitamine C Caramélisation Réaction de Maillard 3 – Réactions de brunissement enzymatique des composés phénoliques 36  Brunissement enzymatique - Introduction → Composés phénoliques + 02 + enzymes  mélanines (rose, rouge, bleu, brun, noir) → Chez les : → bactéries → végétaux (traumatismes, récolte  stockage) → mammifères : Peau, rétine, cheveux, poils → insectes et crustacés : cuticule → Influence sur le propriétés organoleptiques des aliments (couleur, amertume, astringence) 37  Brunissement enzymatique → Résulte de l’oxydation des composés phénoliques (vacuole) par la PPO (EC 1.10.3.1; 1,2-benzenediol : oxygène oxydoréductase) (cytoplasme) PPO = catéchol oxydase, diphénol oxydase, o-diphenolase, tyrosinase… Cu2+ dans le site actif 38 (Jeantet et al., 2006)  Brunissement enzymatique - substrats 39  Brunissement enzymatique - substrats 40  Brunissement enzymatique - substrats Acide chlorogénique Tyrosine 3,4-dihydroxy phényléthylamine (DOPA) Epicatéchine 41 Acide chicorique  Mécanisme du brunissement enzymatique PPO + O2 Mélanines Pigments bruns Composés phénoliques Quinones Polymères sombres et insolubles H2O ½ O2 ½ O2 Mélanines Activité Activité crésolase catécholase Réactions Phénol Catéchol d’oxydation, o-benzoquinone (o-dihydroxyphénol) d’addition, Catécholase : polymérisation 2 activités : PdT, pomme, poire, banane, pêche, thé, champignons, bactéries 42 tabac  Mécanisme du brunissement enzymatique 43 (Jeantet et al., 2006)  Réactions à partir de quinones 44 (Jeantet et al., 2006)  Facteurs favorisant le brunissement enzymatique → T°C : 25 – 40 °C (optimum 35-40 °C) → Chilling injury → pH 4-7 → Absence de : agents chélateurs ou agents réducteurs, inhibiteurs compétitifs de la PPO → O2 → Mise en contact de l’enzyme et son substrat : atteinte à la structure des tissus végétaux (traumatisme d’origine mécanique, pathologique, physiologique) 45  Exs. brunissement enzymatique Cueillette feuilles Récolte de prunes de thé Lavage Flétrissage Triage Roulage Calibrage Oxydation Séchage Séchage 20-24 h, 70- 80°C; 21-22 % eau Tamisage 46 Merci pour votre attention