Biochimie Alimentaire PDF

20/12/2024 Master ST MQSA BIOCHIMIE ALIMENTAIRE RIZKI HAJAR Année universitaire: 2024/2025 Protéines 2  20/12/202...

20/12/2024 Master ST MQSA BIOCHIMIE ALIMENTAIRE RIZKI HAJAR Année universitaire: 2024/2025 Protéines 2  20/12/2024 INTRODUCTION Tous les organismes vivants contiennent une quantité importante des protéines, qu’il s’agisse de bactéries, des plantes ou des animaux ou même d’organismes n’ayant pas de vie propre indépendante comme les virus, ou ne représentent qu’une potentialité de vie comme les spores. 3 INTRODUCTION Les protéines sont des macromolécules biologiques et des constituants fondamentaux des organismes vivants. Elles sont des polymères formés de l’enchaînement d’acides aminés liées entre elles par des liaisons peptidiques. Ces protéines sont des molécules de haut poids moléculaire, la plupart sont comprises entre 25 000 D et 150 000 D, certaines possèdent des poids moléculaires plus bas ou beaucoup plus élevés 4  20/12/2024 INTRODUCTION Les protéines sont des éléments de première importance. En effet, elles remplissent des fonctions très diverses au sein de la cellule et de l'organisme. Elles permettent: - La catalyse enzymatique: les enzymes ont un énorme pouvoir catalytique. Presque tous les enzymes sont des protéines. Ils augmentent les vitesses de réaction d’au moins un million de fois. - Le transport et la mise en réserve: beaucoup de petites molécules et d’ions sont transportés par des protéines spécifiques. L’hémoglobine transporte l’oxygène dans les érythrocytes, la myoglobine transporte et stocke l’oxygène dans les muscles. Le fer est transporté dans le plasma sanguin par la transferrine et mis en réserve dans le foie sous forme de complexe avec la ferritine 5 INTRODUCTION - Le mouvement coordonné: les protéines sont les principaux constituants du muscle. - - Le support mécanique: la forte résistance élastique de la peau et de l’os est due à la protéine de collagène, qui est une protéine fibreuse. - La protection immune: les anticorps sont des protéines très spécifiques qui reconnaissent et fixent les substances étrangères. - La production et la transmission de l’influx nerveux: la réponse des cellules nerveuses est médiée par des protéines réceptrices. La rhodopsine est la protéine photo réceptrice des cellules en bâtonnet de l’œil tandis que la propagation de l’influx nerveux se fait grâce à des protéines réceptrices au niveau de la synapse. 6  20/12/2024 INTRODUCTION - Le contrôle de la croissance et la différentiation: Chez les bactéries, des protéines, les répresseurs, sont des éléments de contrôle qui réduisent au silence des segments spécifiques de l’ADN de la cellule. - Dans les organismes supérieurs, la croissance et la différenciation sont contrôlées par des facteurs de croissance protéiques. Les activités des différentes cellules sont coordonnées par des hormones, telles que l’insuline et l’hormone qui stimule la tyroïde (TSH) 7 Définition A. Les Acides Aminés  Unité de base des protéines  Substances organiques  Ils sont les unités structurales, caractérisés par la présence : – d’une fonction carboxylique – d’une fonction amine attachés au carbone alpha Seule exception: taurine dont le groupe acide est -SO3H. 8  20/12/2024 Définition A. Les Acides Aminés Ces acides aminés ont la formule semi-développée générale suivante : (Figure 1) les groupes amino et carboxylesont liés au même atome, l'atome de carbone alpha. Ils diffèrent les uns des autres par leur chaine latérale ou groupement R, dont la structure, la taille et la charge électrique varient et influencent la solubilité des acides amines dans l’eau 9 9 Définition A. Les Acides Aminés 20 AA constituent les être vivants et les aliments – Variant dans leur taille, la forme, la charge et la réactivité chimique Acides aminés peuvent s’unir entre eux via des liens peptidiques et sous forme de chaîne linéaire Forment des chaînes de longueur variable: – Peptides ou polypeptides: < 100AA – Protéines: >100 AA – Protides = protéines, polypeptides ou acides aminés 10  20/12/2024 Classification A. Les Acides Aminés  Classification des AA selon la polarité de la chaine latérale: – AA non polaires ou hydrophobes Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Pro – AA neutres (non chargés) mais polaire Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, Tyr 11 Classification A. Les Acides Aminés  Classification des AA selon l’importance:  Parmi ces 20 acides amines on distingue: - 9 essentiels ou indispensable : ils doivent être apportées par l’alimentation, ne peuvent être synthétises par l’organisme. 12  20/12/2024 Classification A. Les Acides Aminés  Parmi ces 20 acides amines on distingue: - 2 acides amines semi-indispensables: Arg et Glu qui sont synthétisées dans les tissus mais à un taux insuffisant pour le soutien de la croissance chez l’enfant 13 Classification Acides aminés essentiels Chez l'homme, les acides aminés essentiels sont en nombre de neuf : la lysine, le tryptophane, la valine, l'histidine, la leucine, l'isoleucine, la phénylalanine, la thréonine et la méthionine. L’histidine est un acide aminé essentiel uniquement pour les enfants. A côté de ces neufs acides aminés, s'ajoutent les acides aminés considérés comme conditionnellement indispensables (indispensables dans certains conditions). Par exemple, la glutamine et l’arginine peuvent devenir indispensables pendant les périodes de stress métabolique. Les acides aminés essentiels proviennent de l'alimentation. On les trouve dans les aliments d'origine animale, riches en protéines, ou dans des associations de protéines végétales 14  20/12/2024 Classification A. Les Acides Aminés Classification selon leur Propriétés physico-chimiques générales  Propriétés physiques  Propriétés chimiques : A- Solubilité A- Propriétés de la fonction carboxylique B- Stéréochimie des acides α aminés Estérification par un alcool (Notation D, L) Formation d’amide (liaison peptidique) Réaction de décarboxylation C- Pouvoir rotatoire des Aa B- Propriétés générales liées au groupe NH2 D- Propriétés ioniques Formation d’imine « base de Schiff » E- Propriétés spectrales Désamination, transamination C- Propriétés des chaines latérales. les acides aminés aliphatiques, les acides aminés aromatiques, les acides aminés hydrophiles, les acides aminés hydrophobes, les acides aminés alcools, les acides aminés soufrés et les acides aminés azotés. 15 Classification  Classification selon leur pH isoélectrique, On distingue trois catégories : Les aminoacides acides : Asparagine et acide glutamique (glutamate). Les aminoacides basiques : Lysine, arginine, ethistidine. Les aminoacides neutres : les autresaminoacides. 16  20/12/2024 Classification  Classification selon selon leur pH isoélectrique, Le pH isoélectrique (pHi) ou point isoélectrique (pI), est le pH où une molécule est sous sa forme zwitterionique (ion mixte), sa charge globale étant alors nulle. Si pH < pI, la charge globale est positive, car la molécule a tendance à conserver ses protons ou à en capter du milieu acide. Si pH > pI, la charge globale est négative, car la molécule a tendance à céder ses protons au milieu basique 17 Définition B. Les Protéines  Les protéines sont des molécules organiques composés d’atome de carbones, d’hydrogène et d’oxygène.  Ces macromolécules sont composées de monomères ou unités de construction: les acides amines  Les protéines sont la principale source de l’azote pour l’organisme  Source d’énergie: 4 kcal/g 18  20/12/2024 Définition B. Les Protéines  Les protéines diffèrent en: Nombre d’AA Proportion de chacun des AA qui les composent Séquence des AA à l’intérieur de leur chaîne  Des fois, il y a présence des atomes de soufre, de phosphore ou d’ion métallique ==> ces paramètres déterminent la configuration 3D et l’activité fonctionnelle de la protéine Hémoglobine 19 Albumine Liaison peptidique B. Les Protéines  C’est une liaison entre un groupement NH2 d’un acide aminé et un groupement COOH  Les acides amines sont reliés entre eux par l’intermédiaire de liaison peptidique 20  20/12/2024 Classification B. Les Protéines Les protéines se lient d'avantage entre elles ou avec d’autres molécules pour remplir leur fonctions. 1. SELON LA COMPOSITION  Protéines simples ou Holoprotéines: constituées uniquement d’AA  Protéines conjuguées ou Hétéroprotéines: sont combinées à une autre espèce chimique 21 Classification B. Les Protéines Protéines simples ou Holoprotéines:  les albumines, solubles dansl’eau,  les globulines, solubles dans les solutions salines neutres,  les prolamines, solubles dans l’alcool à 70%,  les glutélines, qui constituent le résidu insoluble. 22  20/12/2024 Classification B. Les Protéines Protéines conjuguées ou Hétéroprotéines: Nom Partie Partie Fonction Protéique Non- Protéique Transport Hémogloine Globine Hème d’O2 dans le sang Rhodopsine Opsines Vitamine A Vision Lipoprotéine Apo- Lipides Transport des ipoprotéine lipides dans le sang Ferritine Apoferritine Ferritine Stockage du fer dans le foie 23 Classification B. Les Protéines 2. SELON SA FONCTION  Protéines structurales  Protéines plasmatiques et des liquides biologiques (sang,lait..)  Protéines à activités biologiques: Enzymes, hormones, transporteurs…  Protéines alimentaires : Protéines économiquement favorisées, digestibles et savoureuses 24  20/12/2024 Classification B. Les Protéines 3. SELON LA STRUCTURE TRIDIMENTIONNELLE Protéines fibreuses ou scléroprotéines : accomplissent des tâches structurelles sont trouvées dans les tissus et les éléments de structure comme les muscles, les os, la peau, les composants ou les membranes cellulaires. – Exemple: collagène et la kératine 25 Classification B. Les Protéines 3. SELON LA STRUCTURE TRIDIMENTIONNELLE Protéines globulaires ou sphéroprotéines : possédant une activité catabolique hautement spécifique - Exemple: les hormones: insuline Protéines motrices: la myosine Protéines de transport: hémoglobine Protéines de l’immunité: immunoglobuline Protéines de stockage: ovalbumine de l’œuf 26  20/12/2024 Structures des protéines  Les protéines présentent différents niveaux de structure au sein del’organisme.  Ces niveaux varient suivant le type de protéine (i.e. suivant la séquence en acides aminés de la protéine définissant sa fonctionnalité), le niveau de maturation d’une protéine, ou encore suivant le milieu dans lequel la protéine se trouve. 27 A. Structures des protéines On distingue ainsi 4 niveaux de structure :  La structure primaire  La structure secondaire  La structure tertiaire  La structure quaternaire 28  20/12/2024 A. Structures des protéines Toute modification de la structure non covalente produit une perte d’activité biologique et on parle d’une protéine dénaturée 29 B. Dénaturation des protéines  C’est une propriété singulière des protéines qui résulte d’une modification de la structure spatiale sans aucune rupture de liaison peptidique, donc sans décomposition.  Dénaturation= la protéine perd sa forme qui la caractérise. 30  20/12/2024 B. 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. Cette dénaturation modifie les propriétés des protéines : 31 B. Dénaturation 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. 32  20/12/2024 B. Dénaturation des protéines La dénaturation est le résultat de l’action d’agents variés: - Physique: température, radiations (UV, ionisation), agitation prolongé…. - Chimique : acides, certaines molécules organiques (urée, solvants.….) 33 B. Dénaturation des protéines -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. 34  20/12/2024 B. Dénaturation des protéines 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 35 1 : protéine nature ; 2- protéine partiellement déplissée ; 3-protéine dénaturée B. Dénaturation des protéines *- Action du froid Les basses températures peuvent dénaturer les protéines (enzymes). Des protéines sont susceptibles de s'associer au cours des traitements de congélation comme les gliadines, les protéines aviaires, les protéines du lait... A l'inverse, le froid peut entraîner une dissociation des structures oligomériques sans que leur réassociation soit forcément fonctionnelle. Une protéine possédant un rapport acide aminé hydrophobe/acide aminé polaire élevé sera très susceptible à la dénaturation au froid. 36  20/12/2024 B. Dénaturation des protéines *- Traitement mécanique Les forces de cisaillement mises en œuvre lors du pétrissage ou du laminage peuvent dégrader les structures secondaires des protéines et entraîner une dénaturation (perte de l'hélicité α ). 37 B. Dénaturation des protéines * Pression hydrostatique La dénaturation des protéines intervient dès que la pression est supérieure à 10 kbar (cas de la trypsine et de l’ovalbumine,). 38  20/12/2024 B. Dénaturation des protéines -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…. 39 Etapes de la dénaturation La dénaturation d’une protéine comprend deux étapes :  La première étape est réversible quand elle se déplie et perd sa forme spécifique par rupture des liaisons faibles et/ou des ponts disulfures, on dit qu'elle est déployée, la suppression de l’agent dénaturant permet sa renaturation c'est-à-dire qu’elle peut revenir a l'état natif en recréant ses liaisons.  La deuxième étape de la dénaturation est irréversible consiste en un passage de l’état déployé à un état dénaturé par établissement de nouvelles liaisons secondaires faibles non spécifiques Dénaturation réversible et irréversible d’une protéine 40  20/12/2024 Propriétés fonctionnelles de protéines Les protéines possèdent des propriétés physico-chimiques qui permettent de les employer avantageusement en technologie alimentaire En technologie des aliments, les protéines jouent un rôle primordial. On peut ainsi les classer selon leurs propriétés: Propriétés d'hydratation Physico- chimique Propriétés de surface Propriétés de structuration 41 Propriétés fonctionnelles de protéines  propriétés d'hydratation qui regroupent les relations de la protéine avec l'eau : cela recouvre les propriétés d'absorption, de rétention, de mouillabilité, de gonflement, d'adhérence, de dispersion, de viscosité....  propriétés de structuration qui regroupent les propriétés d'interaction Protéine-Protéine : cela recouvre les phénomènes de précipitation, de coagulation, de gélification....  propriétés de surface qui regroupent les propriétés d'interaction des protéines avec d'autres structures polaires ou apolaires en phase liquide ou gazeuse : cela recouvre les propriétés émulsifiantes, moussantes 42  20/12/2024 Propriétés fonctionnelles de protéines -Propriétés émulsifiantes: les protéines sont d'excellents émulsifiants pour trois raisons: abaissement de la tension interfaciale eau/huile, formation d'un film rigide interfacial et stabilisation électrostatique, ou osmotique. -Propriétés moussantes: impliquent une capacité à former une mousse fine, dont les bulles sphériques seraient de petit diamètre et de faible densité (< 0,2 µm), et l'aptitude à stabiliser la mousse en empêchant le drainage de la phase aqueuse située entre les bulles par la formation d'un film protéique épais hydraté et d'une phase continue visqueuse. La stabilisation des mousses et émulsions peut être effectuées par l'incorporation d'ingrédients qui accroissent la rigidité et la fermeté du film interfacial et la viscosité de la phase aqueuse continue; ce rôle est facilement rempli par les polysaccharides ou à partir de la gélatine. 43 Propriétés fonctionnelles de protéines C’est ainsi qu’elles sont utilisées à des fins d’émulsification, de gélification, d’aération, d’absorption et de rétention des graisses et de l’eau, de formation de film, d’augmentation de la viscosité des aliments, de contrôle de couleur et d’expansion Ces propriétés varient en fonction de la source de protéines, de la concentration, de la fraction protéique, des traitements et des conditions expérimentales:  changement de pH  changement de concentration en ions  traitement thermique  hydrolyse chimique ou enzymatique  modification chimique de laprotéine 44  20/12/2024 Propriétés fonctionnelles de protéines Ces propriétés fonctionnelles déterminent l’utilisation des protéines dans les aliments à base de viande, le pain, la pâtisserie, les produits diététiques, les analogues du lait 45 Propriétés fonctionnelles de protéines 46  20/12/2024 A. Propriétésd’hydratation 1 Solubilité On trouve de grandes différences dans le monde des protéines. On peut distinguer 3 cas: - solubilité dans l’eau pure : albumine, petites globulines…; - solubilité seulement en présence de sels neutres: euglobulines; - insolubilité dans l’eau, solubilité en milieu alcalin ou acide (scléroprotéines), ou en présence d’éthanol (prolamines) 47 A. Propriétésd’hydratation 1 Solubilité La solubilité apparente dépend des conditions de milieu:  les sels neutres interviennent par leur force ionique : concentration et valences des ions, selon deux modalités: - un effet dissolvant (salting in) à faible concentration - un effet précipitant à forte concentration (salting out) 48  20/12/2024 A. Propriétésd’hydratation 1 Solubilité La solubilité apparente dépend des conditions de milieu:  Les solvants miscibles à l’eau (éthanol, acétone) diminuent la constante diélectrique, ce qui réduit les forces de répulsion des protéines et favorise leur agrégation élevée, d’où la précipitation. 49 A. Propriétésd’hydratation 1 Solubilité La solubilité apparente dépend des conditions de milieu:  Le pH du milieu est important, selon le point isoélectrique de la protéine. -La solubilité est toujours plus basse au pHi qu’aux valeurs au-dessus (chargé négative) ou au-dessous (chargé positive) -Certaines protéines sont pratiquement insoluble au pHi. 50  20/12/2024 A. Propriétésd’hydratation 2 Absorption et rétention d’eau Au cours de l'hydratation d'une poudre protéique, ce seront les groupes polaires ionisés qui vont s'hydrater les premiers puis les groupes polaires non ionisés. L'hydratation va dépendre de la nature de ces groupes ainsi que de leur localisation au niveau de la protéine. 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. Elle sera plus ou moins liée et il sera possible de déterminer un paramètre important en industries agroalimentaires qui est: 51 A. Propriétésd’hydratation 2 Absorption et rétention d’eau La propriété d'hydratation d'une protéine concerne sa capacité à absorber de l'eau. L’absorption et la rétention de l’eau par les ingrédients protéiques jouent un rôle majeur dans la qualité et la texture de divers aliments. L'absorption de l'eau est influencée par la présence de groupements ionisables, le pH, la présence de sels et la température. La composition en acides aminés influence également la capacité des protéines à absorber de l'eau. Les groupements polaires des protéines (carboxyl, hydroxyl et thiol) ont tendance à lier facilement les molécules d'eau, ce qui contribue à leur capacité d'absorption des molécules d'eau. 52  20/12/2024 A. Propriétésd’hydratation 2 Absorption et rétention d’eau Au pI, la capacité des protéines à absorber des molécules d'eau est minimale puisque la charge nette de la protéine est nulle. Une faible concentration en sel dans le milieu améliore l'absorption de l'eau ( Salting in); toutefois, une forte concentration la diminue (salting out). L'absorption de l'eau étant un phénomène exothermique, l'augmentation de la température diminue l'absorption de l'eau. L'absorption de l'eau des protéines est spécialement importante dans les aliments comme les soupes et les saucisses puisqu'elle joue un rôle déterminant sur la texture (viscosité, gélification) de ces aliments. 53 A. Propriétésd’hydratation 2 Absorption et rétention d’eau Les formes différentes d'association de l'eau avec les protéines sont les suivantes : 1 eau de structure : c'est une eau qui est fortement liée aux protéines et qui participe à la conformation de la protéine. C'est une eau qui n'est pas disponible ni comme solvant ni comme réactant 2 eau de la couche monomoléculaire : cette eau forme une couche par association avec des chaînes polaires ionisées ou non. Elle peut représenter de l'ordre de 4 à 6% du poids de la protéine. C'est une eau peu réactive pour servir de réactant ou de solvant. 54  20/12/2024 A. Propriétésd’hydratation 2 Absorption et rétention d’eau 3eau non congelable : les interactions fortes avec les groupements ionisables de la protéine l'empêche de congeler. Elle peut représenter de 30 à 50% du poids de la protéine, elle est proportionnelle à la quantité d'acides aminés polaires. La cohésion avec les différentes couches d'eau s'effectue par l'intermédiaire de pont hydrogène. C'est une eau disponible en tant que réactif et solvant (aw = 0,9). 4eau d'hydratation hydrophobe : c'est une eau associée sous forme de clathrate 55 A. Propriétésd’hydratation 2 Absorption et rétention d’eau 5eau capillaire ou d'imbibition : cette eau est retenue physiquement dans les structures protéiques, elle peut atteindre des valeurs de l'ordre de 10g/g de protéine. C'est une eau qui participe comme réactant et solvant 6eau d'hydratation hydrodynamique : c'est l'eau qui entoure les molécules de protéine en solution et qui se déplace avec elle au cours des différents mouvements de la protéine. Cette eau n'est pas comptabilisée comme de l'eau libre, elle n'entre pas dans le calcul de l'aw. 56  20/12/2024 Propriétés de structuration 1 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 ou des émulsions par création d'une matière solide. Pour décrire les différentes étapes de transformation des protéines; des termes sont bien définis: 57 Propriétés de structuration 1 Propriétés de texturation  La polymérisation correspond à la formation d'agrégat de grande taille  La dénaturation des protéines correspond au passage d'un état ordonné à un état désordonné sans rupture de liaisons covalentes : c'est le déplissement de la protéine  La précipitation correspond à la formation d'agrégats de grande taille avec perte totale de la solubilité  La floculation correspond à une agrégation non ordonnée en absence de dénaturation  La coagulation résulte d'une agrégation protéine-protéine avec phénomène de dénaturation  La gélification correspond à une agrégation ordonnée de molécules plus ou moins dénaturées. Il y a formation d'un réseau tridimensionnel où les polymères interagissent entre eux et avec le solvant. C'est aussi le résultat de l'équilibre qui existe entre force de cohésion et force de répulsion 58  20/12/2024 Propriétés de structuration La gélification des protéines La gélification des protéines est obtenue soit à partir de protéines solubles (ovalbumine, protéines de soja, protéines du lactosérum...) soit encore à partir de protéines insolubles (collagène, complexe actomyosine...) 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 soit encore par une alcalinisation suivie d'un retour à la neutralité ou au pI de la protéine (protéine de soja) 59 60  20/12/2024 La gélification des protéines La gélification met en place un réseau protéique qui se réalise en deux temps tout d'abord une dénaturation suivie par une agrégation. Il faut que l'agrégation se fasse avec une vitesse beaucoup plus lente que celle de la dénaturation de façon à ce que les protéines déplissées puissent s'associer et s'orienter correctement. L'agrégation est comparable à une cinétique d'ordre 1 qui se déroule à une température inférieure à 50°C (elle se produit même à des températures de l'ordre de 0°C). Au-delà de 50°C l'agrégation est rapide et le réseau fabriqué est moins bon d'un point de vue fonctionnel. Il s'agit plutôt d'un phénomène de coagulation. 61 Exemple de deux techniques de gélification qui sont utilisées pour la fabrication du fromage fondu et du surimi Le fromage fondu C'est un produit qui est apparu au début du XXe siècle après que la production industrielle du fromage se soit développée au XIXe siècle. La recherche de nouveaux débouchés et plus particulièrement l'exportation vers les pays tropicaux ont mis en évidence qu'il y avait dans ces conditions des modifications de la texture et de la saveur des fromages. Dès 1900, allemands et hollandais résolvent partiellement ces problèmes en enfermant les fromages à pâte molle ou semi-dure dans des emballages qui sont soumis à la pasteurisation. Ce procédé ne peut être appliqué au fromage à pâte dure comme l'emmental où l'on assiste à une rupture de la structure associée à une synérèse et une exsudation de la matière grasse. En 1911, Gerber et Stettler ont mis au point un protocole inspiré de la traditionnelle fondue savoyarde qui consiste à déstructurer la paracaséine en cassant ou dispersant les agrégats micellaires 62  20/12/2024 On utilise des mélanges de différents fromages selon leur flaveur, leur texture et leur degré de maturité. Les fromages sont âgés de 6mois dans 70% des cas. Ce sont des fromages à pâte dure ou demi- dure comme le cheddar aux USA, Canada et Grande Bretagne, emmental, gouda, gruyère en Europe. A cette matière première il peut être ajouté d'autres produits laitiers (petit-lait, crème, beurre, caséine...). Après broyage des fromages, ceux-ci sont placés dans un pétrin et on ajoute des sels de fonte qui peuvent être solubilisés dans de l'eau. De la teneur en eau dépendra l'humidité finale du produit. Ces sels de fonte sont des molécules susceptibles de chélater le calcium donc de déstructurer la micelle de caséine, ils vont modifier la texture par modification du pH du milieu. 63 Idéalement celui-ci sera compris entre pH 5,4 et pH 5,9, inférieur à pH 5 le fromage fondu va perdre sa structure homogène et devenir friable, au dessus de pH 6,5 la structure est trop molle. Les différents sels de fonte utilisés sont les suivants : ortophosphate de potassium, polyphosphate de potassium, citrate tripotassique, phosphate dipotassique et pyrophosphate tétrapotassique. Les sels de potassium sont préférés aux sels de sodium pour éviter l'augmentation de la teneur en sodium dans le produit fini. La teneur en sels de fonte peut être diminuée en introduisant des composés émulsifiants 64  20/12/2024 Les fromages sont formés par la juxtaposition de granules de caillé composé essentiellement de protéine et de matière grasse sous forme de globule lipidique. Sous l'action de la chaleur (température supérieure à 60°C) et du broyage le fromage perd sa structure. Après addition des sels de fonte, ces derniers vont chélater le calcium qui se trouve lié aux protéines et transformer le paracaséinate de calcium insoluble en paracaséinate de potassium soluble. Il y a rupture dans un premier temps des ponts calcium intermoléculaires ce qui entraîne les phénomènes suivants : 65  la cassure des premiers ponts calcium découvre d'autres ponts calcium qui à leur tour sont cassés. le fromage se transforme en une solution colloïdale, les protéines étant d'autant plus solubles qu'elles sont pauvres en calcium. C'est l'étape de la peptisation.  parallèlement à la déstructuration de la micelle de caséine on assiste à une modification de la matière grasse qui se trouve sous forme de globules lipidiques de taille plus ou moins importante entourés ou non de leur membrane. Au cours du chauffage les globules lipidiques vont se répartir de façon uniforme dans la masse, le déplissement des protéines entraîne l'apparition de zones hydrophiles et hydrophobes ce qui augmente les propriétés émulsifiantes des protéines dénaturées, il semble que ce soit la caséine β qui joue plus particulièrement ce rôle. L'augmentation des charges négatives (due à la chélation du calcium) entraîne une augmentation de l'hydratation et un gonflement du produit. C'est l'étape de crêmage. 66  20/12/2024 Lorsque les différentes réactions sont à l'équilibre l'ensemble est soumis à un refroidissement qui a pour but de figer les structures. Il y a fabrication d'un réseau tridimensionnel retenant l'eau et la matière grasse émulsifiée. Le réseau est renforcé par des interactions intermoléculaires (ionique, pont hydrogène, force de Van der Waals), par des ponts polyphosphates et aussi par le fait que des ponts calcium pourront se recréer avec la protéine déplissée. 67 La coagulation thermique et la formation de films Quand des molécules dénaturées s’agrègent pour former un réseau protéique ordonné, le phénomène est appelé coagulation ou encore, gélification. La coagulation des protéines est obtenue sous l'action d'agents physiques (température, agitation,...) et chimiques (pH, enzymes,...). L'action de ces agents sur les protéines aboutit à la modification de leur structure et favorise la formation des ponts disulfures entre leurs acides aminés soufrés : c’est la coagulation. Le réseau protéique ainsi formé emprisonne, entre ses mailles, l'eau contenue dans l'aliment ce qui donne à l'aliment son aspect consistant : c'est le gel ou le coagulum. 68  20/12/2024 69 La coagulation thermique et la formation de films La propriété de coagulation des protéines est exploitée dans la cuisson des aliments (oeufs, viandes,...) et dans la préparation de nombreux autres produits : les gels protéiques de soja (exemple : tofu), les yaourts, les fromages. Elle est aussi exploitée pour améliorer l’absorption d’eau (épaississement) et pour stabiliser les émulsions et les mousses 70  20/12/2024 Propriétés de structuration La coagulation thermique et la formation de films Toutes les protéines ne peuvent être utilisées dans ce cas précis de transformation. On n'utilisera que les protéines dont les propriétés sont les suivantes : masse moléculaire comprise entre 10 et 50 kDa (si la masse moléculaire est élevée, la viscosité sera importante et la transformation en fibre difficile ; si la masse moléculaire est faible les fibres obtenues n'auront pas une bonne tenue mécanique), la dénaturation doit se réaliser facilement en donnant des structures déplissées de l'ordre de 100 nm, il ne doit pas y avoir de groupements fonctionnels encombrants mais de nombreux groupes polaires favorisant les interactions intermoléculaires. 71 Coagulation des protéines Ce type de traitement est utilisé avec des concentrats ou des isolats 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 première étape consiste en l'obtention d'un extrait riche en protéines. Les isolats de protéines (une protéine très majoritaire) sont plus intéressants que les concentrats de protéines (mélange de plusieurs protéines) car les propriétés seront plus homogènes. A partir de cet extrait, on prépare un collodion qui est une solution renfermant de 10 à 40% de protéine. Ce collodion est soumis à l'action d'un pH de l'ordre de 10, ce qui a pour but de dénaturer la protéine par répulsion électrostatique et obtenir ainsi des structures sous- unitaires. Cette opération entraîne une augmentation importante de la viscosité. Le collodion est dégazé et clarifié afin d'éviter l'interruption des fibres pendant le filage. 72  20/12/2024 La propriété de coagulation des protéines La deuxième 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 troisième étape consiste à recevoir ces fibres protéiques alignées dans un bain acide et salin afin de réaliser l'étape de coagulation. Les acides utilisés sont soit de l'acide acétique, lactique ou phosphorique dont le pH est compris entre pH 2 et 4 et renfermant de l'ordre de 5 à 20% de chlorure de sodium. Au cours de cette opération, l'eau « liée » à la protéine va migrer vers le bain et les ions vont migrer du bain vers la protéine. Les charges négatives sont neutralisées (recul d'ionisation) de même que les phénomènes de répulsion électrostatique. Il s'en suit une insolubilisation des protéines ainsi qu'une rétraction des fibres formées. De nouvelles interactions par pont hydrogène ou par pont disulfure peuvent avoir lieu. La protéine est encore fortement hydratée. 73 La propriété de coagulation des protéines La quatrième 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 augmentent 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 cinquième 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, lipides, agents aromatiques. 74  20/12/2024 L'extrusion thermoplastique L'extrusion protéique fait référence à un procédé de transformation utilisé pour manipuler les protéines, généralement dans le cadre de l'industrie alimentaire, de la nutrition ou de la biotechnologie. Elle consiste à forcer une matière première (souvent une pâte ou un mélange) à travers une filière sous haute pression et température, ce qui modifie sa structure et ses propriétés physiques et chimiques, en particulier la texture et la digestibilité des protéines. 75 L'extrusion thermoplastique L'avantage principal de cette technique réside dans le fait qu'il n'y a plus nécessité de disposer d'isolat protéique. Les protéines peuvent se retrouver en mélange avec des lipides à condition de ne pas dépasser 10%, des glucides, on peut ajouter du CaCl2 ou du NaCl à 3% qui raffermit la texture 76  20/12/2024 L'extrusion thermoplastique Comment fonctionne l'extrusion protéique ? Mélange et préparation : Les ingrédients, notamment des protéines végétales (soja, pois, blé, etc.) ou animales, sont mélangés avec de l'eau et d'autres composants (amidon, graisses, épices, etc.) pour former une pâte ou une suspension. Extrusion sous haute température et pression : Le mélange est ensuite soumis à une extrudeuse, un appareil qui applique chaleur, pression et forces mécaniques (souvent via des vis tournantes) pour faire passer la pâte à travers une filière (un orifice de forme particulière). Refroidissement et sortie du produit : À la sortie de la filière, la pâte extrudée se refroidit rapidement, ce qui permet de former des produits ayant une texture spécifique. Selon les paramètres de l'extrusion, le produit final peut être spongieux, ferme, croquant, etc. 77 L'extrusion thermoplastique Le principe en est le suivant, un mélange de protéines et d'autres molécules renfermant de 10 à 30% d'eau est placé dans un cuiseur- extrudeur dans lequel des pressions de l'ordre de 10 à 20 000 kP vont se développer, sous une température de l'ordre de 150 à 200°C pendant des temps très courts (15-20s). Le produit sort du cuiseur- extrudeur par une filière (qui permet de donner la forme au produit), il passe ainsi d'un milieu haute pression à la pression atmosphérique ce qui entraîne un phénomène d'expansion et une vaporisation de l'eau surchauffée. Généralement ces produits réabsorbe de 2 à 4 fois leur poids en eau lorsqu'ils sont réhydratés à des températures de 60°C entraînant l'apparition d'une structure fibreuse analogue à celle de la viande. Ce procédé est utilisé pour la fabrication des hamburgers, les boulettes de viande, 78  20/12/2024 L'extrusion thermoplastique Avantages de l'extrusion protéique : Amélioration de la digestibilité et de la solubilité des protéines. Création de nouvelles textures alimentaires. Production rapide et efficace à grande échelle. Possibilité de modifier les propriétés nutritionnelles des produits (par exemple, enrichissement en protéines ou en fibres). 79 Propriétés de surface Les protéines natives ou dénaturées vont intervenir dans la stabilisation des émulsions et la fabrication de mousse 1. Propriétés émulsifiantes Une émulsion est une dispersion de deux liquides non miscibles sous la forme de fines gouttelettes (0,1 à 50 µm de diamètre) de l'un des liquides dans l'autre. Il existe de ce fait ce qu'on appelle une phase dispersée (discontinue) et une phase dispersante (continue). Il existe deux types d'émulsion émulsion de gouttelette d'huile dans l'eau : O/W (Oil / Water) émulsion de gouttelette d'eau dans de l'huile : W/O (Water / Oil) 80  20/12/2024 Propriétés de surface Le caractère amphiphile des protéines leur confère la propriété d'être de bons agents tensio-actifs et elles sont donc utilisées pour stabiliser les phases huile/eau d'une émulsion. De nombreux produits alimentaires sont des émulsions (lait, crèmes, glaces, …) et les constituants protéiques jouent un rôle prépondérant dans leur stabilisation. Les facteurs comme la concentration en protéines, le pH, la solubilité des protéines, la présence de sels ou d'autres solutés de même que la température influencent les propriétés émulsifiantes des protéines. Lorsqu'on mélange de l'huile dans de l'eau et que le rapport O/W n'est pas supérieur à 0,74 on est en présence d'une émulsion huile dans eau (mayonnaise par exemple). Au delà de 0,74 il y a une inversion de phase et on est en présence d'une émulsion eau dans huile (cas du beurre). 81 Propriétés de surface 2.Propriétés moussantes Une mousse est une dispersion de bulles de gaz (azote, gaz carbonique, air) dans une phase continue (renfermant des protéines) liquide ou solide produite par agitation mécanique. Elle est caractérisée par une viscosité élevée. Il existe aussi des mousses solides pour lesquelles une phase solide ou un gel remplace le liquide une fois la dispersion réalisée. Les mousses alimentaires les plus connues sont les meringues, la crème fouettée, les soufflés, la mousse de la bière, la génoise, les pâtes levées comme la brioche, le pain, les crèmes glacées, les Marshmallows (guimauve). 82  20/12/2024 Propriétés de surface Propriétés moussantes Sous l'action du battage d'une solution protéique, les molécules de protéines se dénaturent, se déroulent et emprisonne de l'air. Cette opération conduit à la formation d'une mousse (dispersion d'un gaz dans un liquide) et au foisonnement de la solution (augmentation du volume par ajout d'air). La propriété moussante des protéines est exploitée dans la préparation de nombreux aliments comme la mayonnaise et les mousses utilisées dans les confiseries. Pour la préparation de ces mousses on utilise souvent les protéines du blanc d'oeuf, mais d'autres protéines tels que les protéines du lactosérum et les protéines du soja possèdent aussi cette propriété moussante. 83 Autres propriétés de protéines  Hydrolyse: Les protéines de différentes origines sont susceptibles d'être utilisées sous la forme d'hydrolysat plus ou moins prononcé afin de fournir des peptides qui auront un intérêt nutritionnel, fonctionnel tant du point de vue biologique que rhéologique. Il se pose néanmoins quelques problèmes que nous soulèverons ici. Le premier problème concerne la définition du taux d'hydrolyse, le deuxième est inhérent à la définition du système protéolytique et le dernier concernera l'amertume dégagée par les protéolysats. 84  20/12/2024  Hydrolyse: Une protéine sous l'action des protéases va se comporter selon le schéma suivant : Protéine -> Polypeptide -> Peptide -> Acides aminés Pour chaque molécule, il est possible de définir un nombre total de liaisons peptidiques (h total) qui est équivalent au nombre total des acides aminés moins une unité. Cette information est obtenue après détermination de la séquence primaire des protéines (hydrolyse acide totale et détermination des acides aminés après séparation par chromatographie soit d'échange d'ions soit en phase inverse). On pourra définir le nombre de liaisons peptidiques hydrolysées (h) soit en suivant le taux d'azote soluble en fonction du temps soit en dosant l'apparition des groupements alpha-aminé soit encore par simple dosage volumétrique. 85  Hydrolyse: Correspond à la dégradation des molécules protéiques en des molécules de tailles relativement plus petites. - Elle peut être chimique (HCl concentré à chaud), ce procédé n’est pas utilisé en industrie agroalimentaire. - Elle peut être enzymatique, par le billet d'une famille d’enzyme qu’on appelle les protéases (ex: présure). Ce type d’hydrolyse constitue la base de certaines industries alimentaires et elle peut être un processus recherché par les industriels, comme il peut être responsable de la détérioration des aliments transformés ou non transformés.  20/12/2024  Protéolyse Les protéines sont des aliments qui ne sont absorbés qu’après une dégradation en acides amines. Dans la digestion humaine, ce sont des enzymes protéolytiques qui interviennent dans l’estomac et dans l’intestin. 87  Protéolyse La chaine polypeptidique est découpée en peptides par quatre principales endopeptidase : Pepsine Trypsine Chymotrypsine Elastase 88  20/12/2024  Protéolyse Des exopeptidase réduisent la longueur des chaines polypeptidiques : Carboxypeptidase A et B, pancréatiques: détachent les résidus d’AA C-terminaux, à l’exception de la proline Aminopeptidase, intestinale: détache les résidus d’AAN- terminaux 89  Dégradation des protéines Contrairement à la dénaturation qui n'affecte que les structures quaternaire, tertiaire et secondaire des protéines ; la dégradation quant elle touche la structure primaire des protéines et aboutit par conséquent à la formation d'autres produits, parfois indésirables. La dégradation des protéines peut être de nature chimique ou enzymatique. 90  20/12/2024  Dégradation des protéines Dégradation chimique des protéines La dégradation plus ou moins physique ou chimique des protéines peut se produire au cours des processus technologiques ou de préparations culinaires. Les dégradations les plus connues sont : 91  Dégradation des protéines Formation d’isopeptides : par chauffage de ponts intramoléculaires ou intermoléculaires entre les fonctions amine-terminal de la lysine et acide- terminal de la glutamine/asparagine. La conséquence de cette réaction est la perte de digestibilité. Formation de lysinoalanine : par substitution de la fonction OH de la sérine, ou SH de la cystéine, par la fonction amine-terminal de la lysine suite à un chauffage en milieu basique (blanc d’oeuf cuit). La conséquence de cette réaction est la diminution de la valeur nutritive à cause de la formation d'acides aminés anormaux. Réaction de Maillard : Réaction entre un sucre réducteur et un groupement aminé. Cette réaction est la responsable principale de la production des odeurs, des arômes et des pigments caractéristiques des aliments cuits. Elle peut aussi donner naissance à des composés cancérigènes et également réduire la valeur nutritionnelle des aliments en dégradant les acides aminés essentiels. 92  20/12/2024 Dégradation enzymatique des protéines La dégradation enzymatique des protéines peut intervenir au cours du processus de dégradation biologique des aliments tel que la fermentation ou la putréfaction. Les plus importantes dégradations enzymatiques des protéines sont : la formation d'alcools supérieurs et la formation d'amines biogènes. Formation d'alcools supérieurs La dégradation des protéines en alcools supérieurs est un processus enzymatique qui intervient lors de la fermentation alcoolique des fruits, céréales, pommes de terre, etc. La distribution des alcools supérieurs formés est en partie une image de la distribution des acides aminés disponibles. Par exemple, pour la production des eaux de vie, les levures utilisent les acides aminés comme source d'azote ; cette activité conduit à la formation d'alcools supérieurs qui interviennent dans la fraction aromatique des eaux de vie et sont analysés pour l'authentification de ces produits. 93  Dégradation enzymatique des protéines Formation des amines biogènes La formation des amines biogènes intervient lors de la dégradation microbienne des denrées riches en protéines (putréfaction des viandes/poissons, maturation des fromages, fermentations diverses). Cette réaction de décarboxylation d'acides aminés est catalysée par des enzymes (décarboxylases) présentes chez certains bactéries (Escherichia coli, entérocoques, Clostridiae spp., certaines levures,...). 94  20/12/2024 Les différentes sources de protéines alimentaires Protéines animales: qualité protéique élevée Lait et dérivés Poulet Oeufs Viandes Poisson Sources des protéines Protéines végétales qualité protéique moyenne Noix/amandes Épinards Choux Légumineuses 95 Les différentes sources de protéines alimentaires A. Les sources de protéines végétales  Les protéines alimentaires doivent être saines, économiques, nutritives, avoir des qualités organoleptiques acceptables et posséder des propriétés fonctionnelles.  La classification selon la valeur protéique permet de distinguer six groupes d’aliments Groupes d’aliments protéiques 96  20/12/2024 Les différentes sources de protéines alimentaires A. Les sources de protéines végétales  Ces protéines sont consommées dans les aliments en l'état ou sous forme d'extrait protéiques pour certaines matières premières.  Les graines de légumineuses ne peuvent être consommées en quantité importante sans technologie préalable qui permet d’inactiver ou d’éliminer les nombreuses substances indésirables (quinones résultant de l’oxydation des phénols, inhibiteurs d’enzymes, vicine, convicine, facteurs de flatulence par exemple). 97 Les différentes sources de protéines alimentaires B. Les sources de protéines animales  les animaux sont d’excellents fournisseurs de protéines alimentaires : titre élevé en protéines de bonne qualité et absence de toxines. En particulier, elles contiennent les acides aminés en proportion des apports recommandés de l’homme  Les principales sources de protéines animales sont la viande, le poisson, le lait et lesœufs. 98  20/12/2024 Les différentes sources de protéines alimentaires B. Les sources de protéines animales La viande et le poisson La viande correspond aux muscles striés squelettiques des animaux. C’est l’aliment le plus riche en protéines (50 à90 %de protéines par rapport à la matière sèche) Chaque muscle est constitué par un très grand nombre moyfibrilles. Les myofibrilles sont la première source de protéines du muscle (40- 45 %) : myosine (27% des protéines du muscle, 50-55 % des protéines des myofibrilles), protéine C, protéine M, actine, tropomyosine, (3, 4, 20 et 5 % des protéines des myofibrilles, respectivement) 99 Les différentes sources de protéines alimentaires B. Les sources de protéines animales La viande et le poisson Les muscles de poisson présentent de nombreuses analogies avec ceux de la viande. Parmi les différences, la teneur moins grande en tissu conjonctif confère au poisson une tendreté plus importante, 100  20/12/2024 Les différentes sources de protéines alimentaires B. Les sources de protéines animales Les protéines de l’oeuf Dans l’œuf, les protéines se répartissent dans l’albumen (le blanc) et le vitellus (le jaune). Ce sont d’excellentes protéines quant àleur valeur alimentaire. L’ovalbumine est la protéine majoritaire du blanc (54 %). C’est une phospho-glycoprotéine avec 4 groupes sulfhydryle et 2 ponts disulfure, aux propriétés gélifiantes remarquables. Conalbumine et ovomucoïde (glycoprotéines), et ovoglobuline sont minoritaires. 101 Les différentes sources de protéines alimentaires B. Les sources de protéines animales Les protéines du lait Les protéines du lait sont représentées principalement par les caséines dans la phase micellaire, la β lactoglobuline et l’α- lactalbumine dans le lactosérum. 102  20/12/2024 Les différentes sources de protéines alimentaires B. Les sources de protéines animales Composition des protéines alimentaires 103