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Biochimie alimentaire (partie Flahaut)...

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BIOCHIMIE ALIMENTAIRE Plan du cours 1) Généralités sur les aliments et la diversité de l’offre alimentaire 2) Importance de l’eau 3) Différents systèmes biochimiques alimentaires et les mécanismes de détérioration - Lait et produits laitiers - Œufs et ovoproduits - Graines et aliments dérivés - Polysaccharides et glucides d’origine végétale

Pauline Gerard ULB (2019)

Biochimie alimentaire Généralités sur les aliments et la diversité de l’offre alimentaire 1. Fonctions essentielles des aliments : -

Apporter de l’énergie (dépend de l’état physiologique : état, âge, …) Apport des éléments nécessaires à la synthèse des constituants de structure de l’organisme (croissance et renouvellement des constituants cellulaires). Contribution au plaisir de manger : goût, saveur, texture, odeur et aspect (fonctions organoleptiques). Critères importants lors de la production.

2. Définition de denrée alimentaire Tout ne peut pas être mis sur le marché à disposition des consommateurs : le règlement de la comission européenne stipule un cadre précis de vente des denrées alimentaires. Remarque : un règlement est d’application directe par les états membres tandis qu’une directive est un cadre général qui sera retranscrit et adapté par chaque état membre. Points importants du règlement : - Il établit les principes généraux et les prescriptions générales de la législation alimentaire : tout ce qui concerne la sécurité alimentaire est très encadrée. - Il institué une autorité européenne de sécurité alimentaire, l’EFSA, qui évalue le risque au niveau des aliments et émet des avis qui servent aux parlementaires et députés européens pour promulguer des lois et normes. - Il fixe les procédures relatives à la sécurité des denrée alimentaires. Ce règlement est apparu suite aux crises alimentaires apparues des années 80-90 (la vache folle, la grippe porcine, la crise de la dioxine) qui ont mis en évidence des problèmes de gestion, de mésinformation et de fraude qui ont eu des conséquences sanitaires et économiques dans plusieurs pays. En Europe, il y a une séparation des structures d’évaluation des risques (niveau européen) et de la gestion des risques (niveau des états membres). Ex : AFSCA en Belgique (agence fédérale pour la sécurité de la chaine alimentaire) Autres crises ultérieures : crise de la grippe aviaire, crise de la viande de cheval, la vente de viande polonaise malade. Denrée alimentaire = toute substance ou produit transformé, partiellement transformé ou non transformé, destiné à être ingéré ou raisonnablement susceptible d’être ingéré par l’être humain. Ce terme recouvre les boissons, les gommes à mâcher et toute substance, y compris l’eau, intégrée intentionnellement dans les denrées alimentaires au cours de leur fabrication, de leur préparation ou de leur traitement. Exclus : tout ce qui est nourriture à destination animale, plantes avant la récolte, animaux avant abattage, les médicaments, les cosmétiques, le tabac, les stupéfiants, les résidus et contaminants qui sont soumis à d’autres normes.

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3. Substances complexes La teneur en eau varie dans les produits frais et est influencée par les traitements (ex : mode de cuisson). La teneur en protéines (abondantes dans les produits d’origine animales et assez faibles dans les végétaux exceptés les protéagineux comme le soja), les glucides (très peu présents dans la viande mais dominants chez les végétaux), lipides (faibles dans les végétaux mais abondants dans les oléagineux : graines de lin, noix, …). Les minéraux sont présents en quantité faibles dans les aliments. Les fibres sont associées aux aliments d’origine végétale (polymères de glucides insolubles ou très peu solubles trouvés dans la partie externe des grains). L’énergie (en joules ou calories) est proportionnelle à la quantité de lipide et inversement proportionnelle à la quantité d’eau. 4. Diversité de l’offre alimentaire A l’échelle mondiale, l’offre est très diverse et dépend des cultures ainsi que des climats locaux. Ø Les aliments traditionnels : ceux qui sont consommés habituellement depuis 20 ans eu Europe (légumes et fruits non transformés, pâtes, pain, …). Ø Les nouveaux aliments : soumis une réglementation particulière (de 2015 mis en application en 2018). Ce sont tous les aliments dont la consommation était négligeable au sein de l’Union avant le 15 mai 1997. C’està-dire … - Des aliments avec une structure moléculaire nouvelle ou délibérément modifiée ; - Des aliments composés de microorganismes, champignons ou algues ou isolés à partir de ces derniers ; - Des aliments composés de matériaux d’origine minérale ; - Des aliments composés de végétaux ou de parties de végétaux ou produits et isolés à partir de végétaux ou de partie de végétaux sauf ceux qui ont un historique d’utilisation sûre ou produits à partir de parties végétales d’espèces déjà utilisées et produits de manière traditionnelle ou nouvelle mais qui ne modifie pas la composition du produit ; - Des aliments composés d’animaux ou de parties d’animaux ; - Des aliments constitués de cultures ou tissus cellulaires issus d’animaux, de végétaux, de microorganismes, de champignons ou d’algues ; - Des aliments résultants d’un procédé de production qui n’était pas utilisé avant et entrainant des modifications significatives de la valeur nutritionnelle du produit ; - Des aliments constitués de nanomatériaux manufacturé (ex : nanomatériaux organiques de genre nano-capsules de protéines, lipides ou polysaccharides, i.e. taille inférieure à 100 nm, dioxyde de titane utilisé en confiserie et pâtisserie qui pose des problèmes de cancer E171). - Vitamines, minéraux et autres substances dans les cas où un nouveau procédé de production a été mis en œuvre ou s’il contient des nanomatériaux - Compléments alimentaires destinés à être utilisés dans les aliments. Ne sont pas inclus les enzymes, les aromes, additifs, les OGM et les solvants d’extractions. Exemples de nouveaux aliments ou techniques acceptés au Canada : - Lignée de pomme sans l’enzyme responsable du brunissement. - Lutéine est un colorant et antioxydant provenant du jaune d’œuf. 2

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Acrylamide est une substance qui se fore naturellement dans les produits riches en amidon au cours de processus de cuisson à haute température. Le café n’est pas traditionnellement consommé pour ses fruits. La dextrine est un aliment riche en sucre mais qui ne provoque pas de pic d’insuline. Le traitement à ultra-haute pression prolonge la durée de vie d’un aliment

Ø Les aliments fonctionnels : a) Cadre européen Ils ont été introduits récemment comme aliments ayant montré un rôle positif ciblé sur une ou plusieurs fonctions du corps humain au-delà de son aspect nutritif en améliorant l’état de santé et de bien-être et/ou réduit le risque de pathologie. Ils doivent rester des aliments et montrer une action pour une quantité qui est normalement consommée dans le régime alimentaire (ex : alicament, nutraceutique). b) Les aliments fonctionnels peuvent être - Des aliments de base : la carotte est riche en bêta-carotène (provitamines A) qui sont des antioxydants et ont un effet bénéfique sur la vision. - Des aliments enrichis : jus de fruits à teneur augmentée en micronutriments (Ca, Fe, vitamines, …). - Des aliments améliorés : possèdent au moins un composé bioactif par sélection traditionnelle (tomate à teneur élevée en caroténoïde antioxydants comme le lycopène) ou par alimentation adaptée des animaux (œufs à teneur élevée en oméga-3 par alimentation des poules avec des grains de lin). - Des aliments fonctionnalisés : ajout d’un constituant non présent naturellement dans l’aliment traditionnel (sucres avec des fibres bifidogènes). Ils sont utiles au niveau de la communication qui est aussi régulée. c) Codex Alimentarius est une commission internationale qui découle de la FAO et de l’OMS et émet des avis par rapport aux aliments et reglemente l’étiquetage. Des choses doivent obligatoirement figurer sur l’emballage et d’autres ne sont pas obligatoires mais aident à la vente. Il existe des allégations nutritionnelles (ex :riches en un composé) ou de santé (ex : aspects fonctionnels intéressants). Ces dernières sont de deux types : - Type A = amélioration de fonction physiologique ou psychologique. Exemple : la caféine change l’état de vigilance - Type B = réduction de risque de maladie. Exemples : apports de Ca, apports de folates pour les femmes enceintes afin d’assurer la fermeture du tube neural. Codex Alimentarius est une commission internationale qui découle de la FAO et de l’OMS et émet des avis par rapport aux aliments. d) Les aliments fonctionnels aboutissent aussi à de la recherche pour prouver le lien entre l’aliment et l’effet bénéfique. Il y a beaucoup de recherches et de développements de nouveaux outils pour essayer de comprendre les mécanismes moléculaires reliant un aliment et une fonction et de trouver de nouveaux marqueurs précoces influencés par l’alimentation qui permettraient de visualiser le risque avant qu’il ne soit trop tard. ð Un certain nombre de liens ont été établis entre des pathologies et la consommation de certains aliments.

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e) Les produits : - Les prébiotiques : ingrédient fermenté sélectivement par certains organismes induisant des changements spécifiques de la composition ou de la l’activité de la microflore intestinale et conférant des bénéfices pour la santé et le bien-être de l’hôte. Leur consommation oriente le développement d’une bonne flore intestinale. ! Différent du « probiotique » qui est l’organisme favorable et du « synbiotique » qui est le mélange de probiotiques et de pré-biotiques.

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Les peptides bioactifs sont des séquences d’acides aminés issus de protéines alimentaires digérés par un organisme ou un procédé alimentaire pour générer une activité favorable à l’organisme. Exemple : la bêta-caséine bovine est une séquence peptidique capable, même à faible concentrations, d’inciter la production de mucines qui favorisent la protection de l’intestin (protège des ulcères et inflammations). Effet : lutter contre l’hypertension, activité antimicrobienne, antithrombotique et antioxydant.

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Les acides gras polyinsaturés ont un effet bénéfique sur la santé dans un certain rapport oméga 3 (poisson, colza, noix, …)/oméga 6 (huile de tournesol, poissons ou produits d’origine marine). Il existe un déséquilibre dans l’alimentation actuelle, on consomme trop d’oméga 6. o Oméga 3 : acide alpha-linolénique (C18(2n-6)) contenu dans le poisson, les huiles de colza, les huiles de noix, … o Oméga 6 : acide linolénique (C18(3n-3)) contenu dans l’huile de tournesol Ils interviennent dans de nombreux rôles cellulaires (compositions des membranes cellulaires) et autres réponses physiologiques (type inflammatoire, reproduction ou activité neuronale). ! Importance de l’alimentation des poissons d’élevage sur le rapport de concentration graisses/acides gras.

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Antioxydants alimentaires : limitent les espèces radicalaires très réactives qui sont néfastes pour la vie cellulaire. Vitamines : E, C (pro ou antioxydants) Oligoéléments : Zn, Se Polyphénols (retrouvés dans le thé, la bière, le vin et dans les fruits et légumes). à La consommation de beaucoup de fruits et légumes lutte contre les infections cardio-vasculaires dû à leur effet antioxydants.

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Les phyto-œstrogènes (trouvés majoritairement dans le soja) : molécules provenant de plantes et qui ont une similarité de structure avec le bêta-17- œstradiol. Ils sont donc capables de se fixer sur les récepteurs à œstrogènes et peuvent donc avoir un effet hormonal utilisé dans la lutte contre la ménopause dans les années 80-90. Il n’y a pas d’effet direct de toxicité ou de cancérogénicité et a même été identifié comme anti-cancérigène suite à une observation chez les asiatiques qui ont moins de cancer du sein. Isoflavonoïdes (isoflavones, isoflavanes), flavonoïdes (dans le houblon ou le réglisse), coumestanes, lignanes (graines de lin, brocoli choux, fruits, thé, café) ou entérolignanes (transformées dans l’intestin) et stilbènes.

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Les phytostérols sont des stérols d’origine végétales (oléagineux surtout) qui entrent en compétition avec le cholestérol d’origine alimentaire et en limite l’absorption. L’effet est la diminution de-u cholestérol dans le sang (LDL). Mais l’utilisation de phytostérols estérifiés pour les rendre plus solubles (ajout d’un acide gras) peut être un facteur de risque cardio-vasculaire. On s’est aussi aperçu qu’une forte consommation de phytostérols induit une augmentation dans le plasma sanguin qui peut favoriser le développement de plaques d’athérome dans les vaisseaux.

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L’importance de l’eau dans les aliments Bactérie 75%, Homme 60%, Cellule 50%, Tissus : 20-80%, Aliments : très variable en fonction de la matière première et des transformations subies. Ex : beurre = substance ayant minimum 82% MG et maximum 16% d’eau. Rôles dans l’organisme : - Échange : l’eau est porteuse d’information, de substances dissoutes (échanges osmotiques et thermiques) Rôles dans les aliments : - Influence les propriétés organoleptique (haut paramètre sensoriel des aliments) : goût, texture, … - La répartition des charges de la molécule polaires favorise l’interaction avec les molécules constitutives des aliments (matrice alimentaire). - Structure : formation de liaisons hydrogènes entre les molécules structurantes, action sur la liaison lipide-protéine sur les pâtes en boulangerie et action sur la conformation et les interactions entre gélifiants et protéines. - Solvant : l’eau est le principal solvant du sel. Le rapport eau/sel est important pour l’effet sur le produit (salage à sec vs saumure). - Milieu de réaction enzymatique - Mobilité des molécules intervenants dans la réaction de Maillard qui est un brunissement nonenzymatique. - Antioxydant : pour de faibles activités de l’eau aw (autour de 0.2), les molécules d’eau forment une monocouche de molécules d’eau qui bloque l’oxydation des lipides (acides gras), elle fait barrière à l’oxygène dans des conditions (quantité) très précise. - Pro-oxydant : lorsqu’une plus grande quantité d’eau est disponible, elle entraine le gonflement des protéines et favorise l’accessibilité des sites oxydables. Elle est aussi une source de radicaux libre dans les aliments ionisés. Il existe trois catégories d’aliments selon l’activité : - AHF = aliments à humidité faible (activité faible < 0.5) - AHI = aliments à humidité intermédiaire (activité intermédiaire 0.5-0.8,0.9) - AHE = aliments à humidité élevée (activité élevée > 0.9) ð Plus l’aw est faible plus la conservation de l’aliment sera bonne. Il existe donc des techniques de réduction de cette activité : séchage, salage, sucrage, chauffage (cuisson, pasteurisation). SI l’aw chute, on peut provoquer l’arrêt de l’activité des microorganismes ou entrainer leur résistance (type de survie). Dans ce cas, des traitements physiques n’auraient pas d’effet d’élimination. Il est plus facile de tuer des microorganismes dans des aliments hydratés plutôt que dans des aliments secs. Lorsqu’on chauffe, on perturbe la fonction solvante et structurante.

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On peut déterminer via la teneur en eau, quatre catégories d’altération : 1) Oxydation des lipides : pour une faible aw, la dégradation des lipides sera très faible (effet de barrière) mais pour une valeur d’aw plus basse (pas assez d’eau pour faire barrière) ou plus élevée (trop d’eau, l’oxygène peut s’ydissoudre), on peut observer une dégradation des lipides par oxydation. 2) Réaction de brunissement non-enzymatique : des aliments qui ont une humidité intermédiaire sont propices à être détériorer par ce brunissement. 3) Réaction enzymatique : proportionnelle à la quantité d’eau disponible (rôle de solvant). Elle a comme effets la dégradation des protéines (recherchée dans la fabrication des fromages) et la dégradation des sucres (dégradation de l’amidon dans la bière). Exception par rapport aux lipases : les lipides n’utilisent pas l’eau comme solvant et leur dégradation par des lipases ne nécessite pas de solvants aqueux (attention aux éléments congelés). 4) Altérations microbiennes par des microorganismes contaminants (= non-désirés mais pas forcément pathogènes) dans des conditions précises peuvent altérer la composition de l’aliment. Attention, d’autres conditions entrent en jeu comme la composition de l’aliment, la température et son état (un aliment solide peut subir des transformations différentes à différent endroits à la différence d’un aliment liquide dont le milieu est plus homogène).

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Remarque : - Le lait en poudre devient problématique en présence d’humidité. Le lait réhydraté est un bon substrat pour les microorganismes si la consommation n’est pas immédiate, ce milieu très sucré accueille le développement de nombres de microorganismes. De plus, le lait est destiné aux nourrissons qui sont très fragiles. - L’aw peut changer au sein d’aliment solide (à l’échelle de la bactérie, le développement microbien peut se limiter à certaines parties de l’aliment).

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Différents systèmes biochimiques alimentaires et les mécanismes de détérioration : le lait et les produits laitiers I.

Composition et propriétés physicochimique du lait 1) Composition du lait

Principaux composants du lait : - Eau : 87% - Glucides (lactose) : 46 g/l - Lipides : 37g/l - Protéines 32g/l - Minéraux, vitamines, gaz dissouts

123 g/l d’extrait sec

Sérum c’est tout ce qui est liquide : eau, glucides et minéraux Définition (1908) : Le produit intégral de la traite totale et ininterrompu d’une femelle laitière bien portante, bien nourrie et non-surmenée. Le lait doit être recueilli proprement et ne doit pas contenir de colostrum (lait du veau). La composition différente entraine une utilisation par l’homme donnera des produits différents. Facteur influençant la composition : l’espèce, la race, la période de lactation, l’alimentation et l’âge. Animal Eau (% ou g/100ml ) MG (%) Vache 87.5 3.7 Chèvre 87.0 3.8 Brebis 81.5 7.4 Chamelle 87.6 5.4 Jument 88.9 1.9

Protéines (%) 3.2 2.9 5.3 3.0 2.5

Glucides (%) Minéraux (%) 4.6 0.8 4.4 0.9 4.8 1.0 3.3 0.7 6.2 0.5

Dans les années 70, la production importante de lait s’est faite au détriment de la composition en MG et protéines. 2) Nature du lait Le lait est une solution vraie c’est-à-dire qu’il contient des molécules en solution (substances totalement solubles). Ex : les protéines du lait, sauf les caséines, sont toutes solubles - Lactoglobulines - Lactalbumines - Lactotransférrines : chélatent des atomes de fer et inhibent donc les bactéries qui ont besoin de fer pour leur croissance - Lactoperoxydase : oxydation du thiocyanate en hypocyanate létal pour les bactéries qui avec l’H2O2 forme un système qui lutte contre le développement microbien à températures ambiante - Le lactose et les immunoglobulines

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Une émulsion est une substance constituée de deux phases non-miscibles : une phase dispersée sous forme de gouttelettes dans une autre phase dispersante liquide. Une émulsion peut être de deux types : - Type eau dans huile - Type huile dans eau. Ex : la vinaigrette, les lipides du lait (les globules gras qui contiennent la matière grasse du lait). Une suspension colloïdale est une phase dispersée solide sous forme de particules dans une phase dispersante liquide. Exemple du lait : les caséines qui lorsqu’elles ne sont pas organisées en micelles non-cellulaires sont sous forme de suspensions colloïdales cellulaires, les Lactocoques (gram+) de la peau des vaches et d’autres bactéries lactiques, des cellules épithéliales et leucocytes de la vache (indice de maladie en grande quantité). 3) Propriétés physico-chimiques du lait Utilité : surveillance et utilisation Pour un lait de vache sain : - Densité du lait : 1.028 et 1.035 - Matière grasse du lait : 0.996 pour une crème avec 35% de MG (donc le lait écrémé à une densité plus élevée que du lait entier). Fraude au lait = lait mouillé est une fraude de principe connu où le lait se voit rajouté du perméat (issu de l’ultrafiltration du lait...