Les phycocolloïdes

Diane JOUANNEAU19 juillet 2007

colloïde : matière sous forme de micro particules (2 à 200 nm) dispersées

dans un liquide ou un gel.

On parle d’hydrocolloïdes car ces biopolymères sont solubles dans l’eau

Phycocolloïdes :

- alginates

- agars, carraghénanes

Autres molécules d’intérêt extraites des macroalgues

- immunostimulants des végétaux

- iode, oxylipines

Principaux colloïdes extraits des algues = polysaccharides

Autres polysaccharides d’intérêt industriel: cellulose, amidon, pectines

Les phycocolloïdes

Petits rappels sur la nomenclature des sucresCarbone 1: α ou ß (liaison glycosidique)Carbones asymétriques: permettent de différencier les différents monosaccharidesLiaison C5-C6: isomères optique D ou L

(Chaise, cycle pyranique)

(hexose)

Les principaux monosaccharides constitutifs des polysaccharides de la paroi des végétaux

oxydation

4C1

1C4

oxydation

oxydation

agar, carraghénane

alginate

alginate

1. Squelette polysaccharidiqueCelluloseXylofucoglucanes (hémicellulose)

2. Matrice polysaccharidiqueAlginates et/ou acides uroniquesFucanes

3. Réseaux de protéines et autres constituantsOses neutres (galactose)Protéines ou peptidesPolyphénols ou acides aminés aromatiquesIons, H2O

Schéma simplifié de la paroi des algues brunes

Polysaccharides pariétaux des algues brunes15 à 40 % du poids sec, 35 à 45 % du poids sec chez les laminaires

Estelle Deniaud

Solution visqueuse : solution qui possède des propriétés de résistance à la déformation (cisaillement, écoulement, …) supérieure à celle du solvant pur.

Gel : solution dans lequel le solvant est emprisonné dans un réseau 3D et ne peut se déplacer librement. Les propriétés mécaniques du gel (dureté, élasticité,…) dépendent de la structure de ce réseau macromoléculaire.

Quelques rappels de rhéologie

Hystérésis : lors d’un changement d’état, le seuil énergétique est différent selon le sens de la transition (sol –gel ou gel-sol par exemple)

Synérèse : lors de la formation du gel, de l’eau est expulsée de la masse

Thixotropie : sous action mécanique, le gel se désorganise, sa viscosité diminue au cours du temps. Au repos, le gel se réorganise et la viscosité retrouve sa valeur initiale

Les alginates : Historique et généralités

- Les premières expériences scientifiques sur l’extraction des alginates à partir d’algues brunes ont été réalisées par le chimiste anglais E. C. Stanford à la fin du 19ième siècle.

- Début de la production industrielle d’alginates aux USA dans les années 1930.

-l’alginate est un des biopolymères les plus « polyvalents » et est utilisé dans l’agro-alimentaire et l’industrie pharmaceutique/domaine médical car il possède de nombreuses propriétés: épaississant, stabilisant, gélifiant, formation de biofilm.

- polymère (linéaire) de structure hétérogène, composé de motifs beta-D-mannuronate et alpha-L-guluronate

Structure des alginates des algues brunes

ManA ManAGulAGulAGulA ManAOH

OOH

HO

HOOCO

OHO

OH

HOOC

O OH

OH

HOOC

O

OHOOC

HO

OOH

O

OH

HOOC

O

OOH

O

HOOC

HO

O

O

MGGGGGGMMMMMMMMGMGMGMGMMMMMM

G-block M-block MG-block M-block

OH

OH

HO

HOOCOHO

OH

HO

OH

OHHOOC O

GulAManA

2 types de monomères, 3 types de bloc

polyanion

Mise en évidence des différents blocs d’alginates: spectrométrie RMN du proton

Chemical shift (ppm)

4.44.54.64.74.84.95.05.15.25.3 4.3

G-1G-5G

MG-5M

M-1G

M-1M

GG-5M

M-1G-5M

GG-5G

MG-5G

MGGGGGGMMMMMMMMGMGMGMGMMMMMM

G-block M-block MG-block M-block

Voie de synthèse de l’alginate chez les algues brunes

Les activités sont connues, mais les gènes correspondant n’ont pas été isolés, sauf pour les C5-épimérases.

Mécanisme d’action d’une Mannuronane C5-épimérase

COO-

COO-

C5-épiméraseO

OHR-O

HOR'

O

OHR-O

HOR'

b -D-Mannuronate -L-GuluronateM G

M

OHOOC

HO

OH

OH OHO

OHO

HOOC

OHO

HOOCO

O O

OHO

HOOC

OH

O

C-5 Epimerase

OHOOC

HO

OH

O

O

OH

HOOC

HO

O

HOOC

OH

OH

O

O

HOOC

HO O

O

O

OH

M M

M M M

G

M

L'épimérisation induit un changement de conformation

Algues brunes trouvées sur les côtes rocheuses - Atlantique Nord: récolte aux USA, au Canada, en France, en Angleterre et en Norvège

Europe et USA : récolte dans les populations naturelles

- Pacifique: Chine, Japon, Amérique du Sud

algues cultivées aquaculture

Espèces récoltées pour l’extraction d’alginate

Phaeophyta

Phaeophyceae

Laminarialeskelps

Fucaleswracks

Laminariaceae Alariaceae Lessoniaceae Fucaceae

Laminaria MacrocystisEcklonia Lessonia Ascophyllum Fucus

L. hyperborea L. digitata

E. maxima

L. nigrescens L. trabeculata

M. pyrifera

A. nodosum F. serratus

Algues brunes utilisées pour la production d’alginate

La composition en alginate dépend:

- de l’espèce d’algue brune

- de la nature des tissus:

- pied: quantité élevée de blocs G

- lame: quantité élevée de blocs M

- de l’âge des tissus

- de la zone de croissance

- des lieux de récolte (M/G plus petit dans

les modes battus)

- de la saison

Variation de la composition en alginates

M/G variable selon les espèces récoltées :

Macrocystis pyrifera M/G = 1.6Laminaria hyperborea M/G = 0.45Laminaria digitata M/G = 1.2Ascophyllum nodosum M/G = 1.6Fucus serratus M/G = 1.0

Ca2+

Mécanisme de gélification des alginates: le modèle “boîtes à oeufs”

Ca2+

PelotesPelotes

Dimérisation des chaînesDimérisation des chaînes

Agrégation des Agrégation des chaîneschaînes

MMMMMMMMGMGMGMGGGGGGGGG

Ca2+

polyanion

Si alginate riche en:-Blocs M, blocs MG: les alginates sont peu rigides, flexibles (exemple pour les parties soumises à l’action des vagues)

- Blocs G: gel très résistant en présence de Ca2+ (ou autres ions divalents), donc augmentation de la rigidité (et bon ancrage de l’algue à son support)

Vers l’alginate de son choix …

Biotechnologie ?Mannose Résidu M Résidu G

Oxydation C5 épimérase Alginate

M/G élevé M/G faibleVisqueux Gel

Structure de l’alginate Fonctionnalité technologique

Les alginates : Propriétés rhéologiques

Mode de gélification à froid en présence de sels

Acide alginique (gel souple, rétention d’eau)

Alginate de sodium (solution visqueuse)

Alginate de calcium (gel dur, exclusion de l’eau, thermostable)

Ions monovalentsIons divalentsAffinité variableMg < Ca < Sr < Ba pH < 3.5 : précipitation alginate

Boîte à œufsdes gels calciques

Si liaisons calcium-alginate très fortes, pas de dénaturation du gel par la chaleur

Viscosité: viscosité si longueur de la chaîne alginate température d’un degré viscosité de 2,5%

Les alginates : procédés de productionPrincipe : - acide alginique et sels correspondant insolubles

- alginates de sodium ou de potassium solubles

Algues brunes

Broyage et déminéralisation

Lixiviation

Broyage et extraction alcaline

Filtration

Précipitation

Lavages/centrifugation

Neutralisation

Séchage et broyage

Acide alginique

Acide alginique

Alginate de sodium

Acide alginique

Alginate de Na ou K

Poudre

Formol 5%, acide dilué

H2SO4 0,2N puis H2O

Na2CO3 4 %

HCl

Sels alcalins de Na ou K

Étapes de production réactifs utilisés produits obtenus

Les alginates : applications

- Agents de texture polyvalents

- Épaississants (contrôle de la viscosité)

- Gélifiants

- Stabilisants (notamment par rapport à la chaleur)

- Réducteurs de cristaux (produits surgelés)- Protecteurs (films alimentaires)

- Différents gels selon les sels

Gels calciques

Durs, thermostables, insolubles

Peu coûteux, non toxiques

Gels acides souples

Instables à la chaleur

Substituts potentiels de la gélatine (concentration inférieure)

- Industrie agro-alimentaire

- Cosmétique, pharmacie, médecine

- Autres industries : textile, papier, traitement des eaux

Les alginates : applications anciennes, actuelles et en devenirdans différents types d’industrie

Alginates: considérés comme additifs alimentaires

Additif alimentaire: Substance ajoutée intentionnellement aux denrées alimentaires pour remplir certaines fonctions technologiques

Liste positive émise par la communauté européenne :Nécessité technologiqueNe trompe pas le consommateurSans danger pour le consommateur

5 grandes catégories :E100-199 : colorants alimentairesE200-299 : conservateursE300-399 : anti-oxygèneE400-495 : agents de texture : gélifiants, épaississants, émulsifiants, stabilisantsE500-1505 : édulcorants, acidifiants, exhausteurs de goût, arômes

Naturels, semi-naturels ou synthétiques

E 400 Acide alginique E 401 Alginate de sodiumE 402 Alginate de potassiumE 403 Alginate d'ammoniumE 404 Alginate de calciumE 405 Alginate de propane-1,2-diol

Glaces, crèmes glacées, sorbets:- contrôle de la formation de cristaux (au moment de la

congélation)- révélateur de goûts- texture fine, onctueuse et unie bonne sensation en bouche

Nappage pâtissier: gelée de fruits tartes et tartelettes aux fruits

Entremets et desserts: fromages frais, crèmes fouettées, mousses parfumées, crèmes pâtissières, gâteaux de riz, …

Stabilisateurs des émulsions de type huile-eau: assaisonnements et sauces (ketchup, mayonnaise, vinaigrette, …)

Produits restructurés: à base de fruits, légumes, viandes et poisson(facile à manipuler mise en forme du produit final)

divers: - clarification des huiles, du vin, du vinaigre, de la bière- lubrification des boyaux de charcuterie- enrobage du poisson congelé- stabilisation de produits liquides (jus de fruits, lait, …)

Nourriture pour animaux (pour donner la forme des croquettes)

Les alginates : applications en industrie agro-alimentaire

Les alginates : autres applications industrielles

Textile: alginates inertes par rapports aux colorants et aux fibres, utilisés pour l’impression (fixation des colorants et contrôle de leur migration)

Papier: traitement de surface des papiers (coloration, glaçage, couchage des papiers de luxe)

Traitements des eaux de surface: élimination des matières en suspension (coloration, turbidité)

Enrobage des bâtons de soudure (protection du fil de métal contre l’oxydation)

Autres: incorporation dans le latex, les peintures, les plâtres de moulure, les céramiques, les colles, les résines, les mines de crayon, certains produits horticoles, certaines bombes aérosols…

Les alginates : applications en cosmétique, pharmacie, médecine

Pharmacie/Cosmétique:

masques (soins du visage),

pâtes dentifrices, empreintes dentaires

sirops,

lotions,

pommades (traitement brûlures et blessures),

compresses, pansements,

Médecine:

biomatériaux,

implants immunoisolés,

drug delivery system

Les billes d’alginates

- Agents d’enrobage pour molécules actives, micro-organismes

- Taille adaptable, perméable aux molécules

Pigmented calcium alginate beads Hydrogel beads with pigments and colors that can add a special eye-appeal to your product. We offer a variety of pigments, including pearlescent pigments, fluorescent pigments, metallic pigments or interference pigments.

Alginate beads with encapsulated powders Hydrogel beads of various materials for incorporating high loadings of organic or inorganic powders, e.g. mineral powders, metal oxids, or amino acids. The beads can be used in wet of dried state.

Alginate beads with oilVarious oils can be incorporated into alginate beads at loadings of 5...30 %. These oils may also be or contain fragrances or flavors. The beads might coated and dried also.

Alginate beads for food applicationBeads of various natural polymers incorporating flavours or colorants to be added to food products.

Agars et carraghénanes : Historique et généralités

Carraghénane – carragin : gaélique irlandais : petit rocher

Mousse qui se ramasse sur les rochers.

Varec’h en breton, lichen de mer

Les gens utilisaient cette «mousse» pour leurs pommades et leurs flans.

L’utilisation des agar et des carraghénanes en tant que stabilisateur, épaississant et gélifiant s’est accrue avec l’expansion de l’industrie alimentaire.

Agar-agar est un mot d’origine malaise qui désigne la gelée obtenue à partir de diverses algues rouges: gélidium, gracilaria... et dont la découverte s’est faite accidentellement au XVIIème siècle par un cuisinier Japonais.

-carraghénane

-carraghénane

-carraghénane OO

OH

OO

OSO3-

OH

O

CH2OH

OO

SO3-

OO

OSO3-

OH

O

C H2O H

OO

O

OH

OSO3-OH

CH2

OSO3-

O

CH2OH

O

SO3-

β(1-4)α(1-3)

n

β(1-4)α(1-3)

n

β(1-4)α(1-3)

n

Agarose

Densité de charges négatives

β(1-4) α(1-3)

O

O

OO

OH

OH

O

CH2OH

OH

Les polysaccharides pariétaux des algues rouges

Modalités de gélification

VariablesTempérature

[carraghénane][sel]

Nature du sel

Gels iono- et thermo-réversibles

Pelote statistique Hélices Agrégation des hélices,formation du gel

Gracilaria sp.

Les algues rouges agarophytes

Agars : Polysaccharides pariétaux des agarophytes

Gracilaires : nombreux genres selon les régions

Qualité des agars variable- selon les espèces- selon la saison

Gelidium serrulatum

Exploitation

Gracilaria (Amérique du Sud, Afrique, Asie) 37000 tPS

Gelidium (Maroc, Espagne, Portugal) 18600 tPS

Agar 6400 tPS = marché mondial 132 millions $

Récolte Gracilaires (Asie du Sud-Est)

Polymère de Galactose

Unité de base agarobiose

O

O

OO

OH

OH

O

CH2OH

OH

(1-4) (1-3)

Les agars : structure chimique

agarose = polymère constitué uniquement d'unités agarobiose

agaropectine = polymère constitué d'unités agarobiose substituées (groupements méthyles, sulfates, pyruvates…)

Agar = agarose + agaropectine

La qualité de l'agar dépend de la proportion d'agaropectine

Les agars : propriétés rhéologiques

Gélification modulable en faisant varier la température

Agar en poudre

Dissolution à chaud

Agar en solution Gel d'agar

Refroidissement

- Force de gel élevée

- Les plus résistants du marché

- Gélification spontanée sans additifs

- Thermoréversibilité et thermostabilité

- Stable (pH, micro-organismes, attaques enzymatiques, cations)

- Gonflement et rétention d’eau

- Piégeage de composés hydrophobes

Caractéristiques uniques des gels d’agars :

Produits laitiers : flans

Pâtisseries : glaçages, nappages

Confiserie : bonbons

Produits à tartiner : substitution des pectines pour réduire le taux de sucre

Produits carnés : substitution de la matière grasse

Gélifiants mais aussi intérêt diététique : faible apport calorique (0.6 kcal/g)

90 % en alimentaire

E406 : gélifiant

Les agars : applications

Inodore, incolore, sans saveur

Les agars : applications

10 % en biotechnologie : agar bactériologique

Milieu de culture bactériologique par excellence

Utilisations actuelles

Agar

Alimentaire

Pharmacologique

Bactériologique

Pur

Gelidium, Gracilaria, Pterocladia, Gelidiella, Ahnfeltia

Gelidium

Gelidium, Pterocladia

Gelidium

Historique – Exploitation - SourcesPolysaccharides pariétaux des carraghénophytesVariables selon les espèces, selon le développement

En Europe et au CanadaChondrus crispusPopulations naturelles ou cultures50000 tonnes d’algues récoltées par an au Canada

En Asie et en AfriqueKappaphycus alvareziiFermes de culturesProblèmes de maladies

Les carraghénanes

Les carraghénanes : structure chimique

OO

O

OH

OSO3-OH

CH2

OSO3-

O

CH2OH

O

SO3-

β(1-4) α(1-3)

Unité de base carrabiose

Polymère de galactose

Galactanes sulfatés (15 à 40 % de sulfates) Trois principaux types idéaux et leurs précurseursMultitude de motifs hybrides

Kappa

Iota

Lambda Très élevée

Eucheuma spinosum

OO

OH

OO

OSO3-

OH

O

CH2OHβ(1-4)

α(1-3)

n

OO

O

OH

OSO3-OH

CH2

OSO3-

O

CH2OH

O

SO3-

β(1-4)α(1-3)

OO

SO3-

OO

OSO3-

OH

O

C H2O Hβ(1-4) α(1-3)

n

n

Les carraghénanes : structure chimique

ChondrusGigartinaEucheuma cotonii

Fort Faible

Origine Gelification Viscosité

FortFaible

Gigartina Néant

Notion de carraghénane semi-raffiné PES : Processed Euchema Seaweed = E407

Carraghénophytes

Broyage

Traitement thermique

Filtration

Ultrafiltration

Précipitation

Séchage et broyage Poudre

CaCl2 2 %

NaOH 0.1N 90-95 °C

Terre d’infusoires

Isopropanol

Elimination des impuretés

Extraction, maturation

Elimination des impuretés

Les carraghénanes : procédé de production

Exemple du -carraghénane : gels iono- et thermo-réversibles

Les carraghénanes : propriétés rhéologiques

Mode de gélification à chaud, renforcé par les sels

-carraghénane en poudre

Solution visqueuse ou gel élastique lors du refroidissement

Dissolution à chaud

Gel rigide en présence de sels

Les carraghénanes : propriétés rhéologiques

Gel de Kappa Gel de Iota

Différents gels selon les sels et selon les types de carraghénanes

Pelote Hélices Hélices agrégées

Utilisations actuelles

-carraghénane gélifiant

Lait chocolatéGlaces et crèmes dessertConserve de viandeNourriture pour animauxGels désodorisants d’atmosphèreImmobilisation d’enzymesCultures in vitro

DessertsSaucesGlaces et crèmes glacéesCosmétiques

DessertsSaucesDentifriceCosmétique

-carraghénane

-carraghénane

gélifiant

épaississant

Composé Effet Application

E 407 CarraghénanesE 407a Algues Euchema transformées

Des utilisations actuelles …vers de nouvelles utilisations

Origine naturelle des enzymes : algues, mollusques marins, bactéries marinesGénie génétique : clonage, surexpression dans bactéries ou levures

- Voies enzymatiques

L’avenir des phycocolloïdes

Maîtrise de la taille et de la pureté des polysaccharidesMaîtrise de la nature des polysaccharides

- Prospection : choix de nouveaux stocks/ressources

MAIS : contrainte de respect des populations stocks

-Voies chimiques : hémi-synthèse, greffages

Choix de nouvelles sources :

Modifications :

Modification de la taille

Glycoside hydrolase (GH) : coupure des liaisons osidiques

GH

- Agarase, - Iotase, Lambdase, Kappase- Alginate lyase

Différents mécanismes de coupure:

- Exo : en bout de chaîne

- Endo-aléatoire : en milieu de chaîne

- Processif : le long sur la chaîne

Modes d’action des polysaccharidases

Exo = Attaque l’extrémité de la chaîne

Un produit d’hydrolyseTopologie poche(ex: glucoamylase)

Endo = Attaque aléatoire

Topologie sillon(ex: amylase)

Produit statistique

Modes d’action des polysaccharidases

Processivité

Après une première attaque alétatoire, l’enzyme glisse le long de la chaîne avant d’effectuer une seconde attaque

Topologie en tunnel(ex: cellobiohydrolase)

Essentiellement des produits de faibles poids moléculaires

Conversion/maturation

Sulfatases et sulfurylases : conversionNu IotaMu Kappa(Soluble)(Gel)

Commentaires ?Questions ?

Travaux pratiques

Toucher les polysaccharides préparés dans différentes conditions

Alginates de 3 algues brunes à des concentrations différentes (0,5 et 2%) :

- Laminaria digitata

- Laminaria hyperborea

- Macrocystis pyrifera

Carraghénanes : 3 types à des concentrations différentes (0,5 et 2%) :

- Iota

- Lambda

- Kappa

Influence des sels sur la texture

4 phycocolloïdes :

- Alginate 1% (L. digitata)

- Iota-carraghénane 1%

- Lambda-carraghénane 1%

- Kappa-carraghénane 1%

4 ions :

2 cations monovalents :

- NaCl 5%

- KCl 5%

2 cations divalents :

- CaCl2 5%

- MgCl2 5%

Récapitulatif

Alginate 0.5%2%

Laminaria digitataLaminaria hyperboreaMacrocystis pyrifera

Carraghénane0.5%2%

Alginate 1% (L. d.) NaClKClCaCl2MgCl2

Carraghénane 1%

Polysaccharides

Sels

Lait (caséine + lactose) Carraghénane 1% Lait écrémé 5%

Tableau de textureLaminaria digitata Laminaria hyperborea Macrocystis pyrifera

0.5%

2%

Laminaria digitata NaCl KCl CaCl2 MgCl2

1%

Kappa Iota Lambda

0.5%

2%

NaCl

KCl

CaCl2

MgCl2

Lait écrémé

Carraghénanes

Alginates

1%

Agar Chaud : Froid :