© Blaise Kuate Kamga, 2019
Caractérisation et formulation de nouveaux ingrédients
alimentaires à base de complexes de protéines
végétales et de polysaccharides
Mémoire
Blaise Kuate Kamga
Maîtrise en sciences des aliments - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
CARACTÉRISATION ET FORMULATION DE
NOUVEAUX INGRÉDIENTS ALIMENTAIRES À
BASE DE COMPLEXES DE PROTÉINES
VÉGÉTALES ET DE POLYSACCHARIDES
Mémoire de maîtrise
Blaise Kuate Kamga
Sous la direction de :
ii
Résumé
L’objectif de ce travail était de caractériser les propriétés physicochimiques de complexes formés de protéines végétales et de fibres alimentaires. Neuf complexes ont été produits à partir de trois isolats de protéines végétales (deux isolats de soya et un isolat de pois) et de deux fibres (maïs et betterave) dans les ratios protéine – polysaccharide (P-PS) 1-1, 2-1 et 4-1 par ajout graduel d’acide chlorhydrique jusqu’à pH 4. La taille, la charge, les capacités d’absorption d’eau et d’huile de ces complexes ont été évaluées dans le but de développer de nouveaux ingrédients avec des fonctionnalités désirées. La formation de complexes a permis de créer un effet de synergie permettant d’augmenter la capacité d’absorption d’eau des nouveaux ingrédients qui était plus élevée pour les complexes à base de protéines de soya et de la fibre de betterave (20 et 26% pour Soya1-Bet et Soya2-Bet contre 9 et 23% pour Soya1-Maïs et Soya2-Maïs). L’augmentation de l’absorption d’eau était en générale plus faible que l’absorption d’huile avec une différence mesurée de plus de 35%. La synergie élevée entre les P-PS des complexes était corrélée à une faible teneur en protéines et à des tailles plus petites. La formation des complexes apparaît comme un nouveau moyen permettant de moduler les fonctionnalités des protéines et des fibres en support à l’enrichissement des aliments.
iii
Abstract
The objective of this work was to characterize the physicochemical properties of complexes formed of plant proteins and dietary fibers. Nine complexes were produced from three plant protein isolates (two soy isolates and one pea isolate) and two fibers (corn and beet) with protein-polysaccharide (P-PS) ratios 1-1, 2-1 and 4-1 by gradual addition of hydrochloric acid up to a pH of 4. The size, the charge and water and oil absorption capacities of these complexes were evaluated with the aim of developing new ingredients with desired functionalities. The formation of complexes allowed to create a synergistic effect on the water absorption capacity of these new ingredients, which was found to be higher for the complexes based on soybeans and beet fiber (20 and 26% for Soya1-Bet and Soya2-Bet against 9 and 23% for Soya1-Corn and Soya2-Corn). The increase in water absorption was generally lower than oil absorption by more than 35%. The great synergy between the P-PS complex was correlated with a low protein content and smaller complex sizes. The formation of complexes appears as an interesting way to modulate the functionality of proteins and fibers to improve the level of fortification of foods.
iv
Table de matières
Résumé ... ii
Abstract ... iii
Table de matières ... iv
Liste des figures ... vi
Liste des tableaux ... vii
Liste des abréviations et des sigles ... viii
Dédicaces ... ix
Remerciements ... x
Avant-propos ... xi
Introduction ... 1
Chapitre 1: Revue de la littérature ... 4
1.1. Les aliments fonctionnels ... 4
1.1.1. Définitions et généralités ... 4
1.1.2. Apports en fibres alimentaires ... 5
1.1.3. Les allégations autorisées au Canada pour les fibres et les protéines ... 5
1.1.4. Les bénéfices associés à la consommation de fibres et de protéines ... 6
1.2. Les protéines végétales ... 7
1.2.1. Les protéines de soya... 10
1.2.2. Les protéines de pois... 13
1.3. Les fibres ... 15
1.3.1. La fibre de betterave ... 18
1.3.2. La fibre de maïs ... 20
1.4. Le défi de l’incorporation des protéines et des fibres dans les aliments ... 21
1.5. Les interactions protéine-polysaccharide (P-PS) ... 27
1.5.1. Les paramètres modulant la complexation ... 29
1.5.1.1. Les facteurs internes ... 29
1.5.1.2. Les facteurs externes ... 30
1.5.2. Utilisation des complexes comme nouvel ingrédient ... 31
1.6. Problématique, hypothèse et objectifs ... 33
v
1.6.2. Hypothèse ... 33
1.6.3. Objectif général ... 33
1.6.4. Objectifs spécifiques ... 33
Chapitre 2: Effet du ratio protéine-polysaccharide et du type de protéines végétales sur les complexes formés ... 35
Résumé ... 35
2.1. Introduction ... 35
2.2. Matériel et méthodes ... 37
2.2.1. Les ingrédients alimentaires ... 37
2.2.2. Formation des complexes protéines végétales - fibres ... 37
2.2.3. Caractérisation des ingrédients ... 41
2.2.3.1. Composition des ingrédients ... 41
2.2.3.2. Taille des particules des ingrédients ... 41
2.2.3.3. Charge nette ... 41
2.2.4. Fonctionnalités des biopolymères ... 41
2.2.4.1. Ingrédients protéiques ... 41
2.2.4.2. Ingrédients de fibres alimentaires ... 43
2.2.4.3. Complexes protéines fibres ... 43
2.2.5. Analyses statistiques ... 44
2.3. Résultats ... 45
2.3.1. Composition et caractéristiques physicochimiques des ingrédients protéiques et des fibres sélectionnés ... 45
2.3.2. Les complexes à base des fibres de betterave... 47
2.3.3. Complexes à base de fibres de maïs ... 51
2.4. Discussion ... 58
Conclusion générale ... 63
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Liste des figures
Figure 1: Typologie des fibres alimentaires sur la base de leurs propriétés fonctionnelles ... 17 Figure 2: Influence des teneurs en amidon sur la qualité du gâteau ... 22 Figure 3: Représentation schématique des différentes interactions possibles entre les protéines et les polysaccharides ... 28 Figure 4: Schéma de formation des complexes P-Ps ... 40 Figure 5: Effet de la source de protéines végétales (A) et du ratio (B) sur la charge des
complexes formés avec la fibre de betterave. Les bandes représentent les moyennes et les barres verticales, les écarts-types. Les différentes lettres indiquent une différence significative (P<0,05) ... 48 Figure 6: Effet de la source de protéines végétales et du ratio sur la taille des complexes formés avec la fibre de betterave. Les bandes représentent les moyennes et les barres verticales, les écarts-types. Les différentes lettres indiquent une différence significative
(P<0,05) ... 49 Figure 7: Capacité d’absorption d’eau (A) et pourcentage de synergie de la capacité
d’absorption d’eau (B) des complexes formés à partir des 3 protéines végétales et de la fibre de betterave. Les bandes représentent les moyennes et les barres verticales, les écarts-types. Les différentes lettres indiquent une différence significative (P<0,05) ... 50 Figure 8: Capacité d’absorption d’huile (A) et pourcentage de synergie de la capacité
d’absorption d’huile (B) des complexes formés à partir de protéines végétales et de fibre de betterave. Les bandes représentent les moyennes et les barres verticales, les écarts-types. Les différentes lettres indiquent une différence significative (P<0,05) ... 52 Figure 9: Effet de la source de protéines végétales (A) et du ratio (B) sur la charge des
complexes formés avec la fibre de maïs. Les bandes représentent les moyennes et les barres verticales, les écarts-types. Les différentes lettres indiquent une différence significative
(P<0,05) ... 53 Figure 10: Effet de la source de protéines végétales et du ratio sur la taille des complexes formés avec la fibre de maïs. Les bandes représentent les moyennes et les barres verticales, les écarts-types. Les différentes lettres indiquent une différence significative (P<0,05) ... 54 Figure 11: Capacité d’absorption d’eau (A) et pourcentage de synergie d’absorption d’eau (B) des complexes formés à partir de protéines végétales et de fibre de maïs. Les bandes
représentent les moyennes et les barres verticales, les écarts-types. Les différentes lettres indiquent une différence significative (P<0,05) ... 55 Figure 12: Capacité d’absorption d’huile (A) et pourcentage de synergie de la capacité d’absorption d’huile(C) des complexes à base de fibres de maïs et en fonction des ratios (B et D) . Les bandes représentent les moyennes et les barres verticales, les écarts-types. Les
vii
Liste des tableaux
Tableau 1: Généralités sur les propriétés fonctionnelles des protéines végétales ... 9
Tableau 2: Relation entre les propriétés technologiques et physiologiques des fibres alimentaires ... 18
Tableau 3: Effets de l’incorporation des fibres dans les aliments ... 23
Tableau 4: Effets de l’incorporation des protéines dans les aliments ... 26
Tableau 5: Composition et fonctionnalité des ingrédients étudiés ... 38
Tableau 6: Composition, caractérisation physicochimique et fonctionnalités des protéines et des fibres sélectionnées ... 46
Tableau 7: Composition des complexes formés avec la fibre de betterave ... 48
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Liste des abréviations et des sigles
AAC : Agriculture et agroalimentaire CanadaAACC : American Association of Cereal Chemists ACIA : Agence canadienne d’inspection des aliments P-Ps : Protéine-Polysaccharide
CAE : Capacité d’absorption d’eau CAH : Capacité d’absorption d’huile CRE : Capacité de rétention d’eau IPS : Isolats de protéines de soya IPP : Isolats de protéines de pois PIE : Point isoélectrique
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Dédicaces
Je dédie ce mémoire à mon épousé Rosie, mon fils Yoan et ma fille Isabella pour leur amour et leur présence dans ma vie.
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Remerciements
Mes études de maîtrise m’ont permis de rencontrer bien de personnes qui ont contribué à rendre cette expérience agréable tout en traversant plusieurs défis.
J’exprime toute ma gratitude envers ma directrice de recherche, Sylvie Turgeon, pour son encadrement, ses encouragements, son appui et surtout sa patience tout au long de ce projet. J’ai beaucoup admiré votre humilité et votre façon d’aborder les différentes problématiques. Je vous remercie de m’avoir soutenu, de façon continue au niveau professionnel et personnel.
Je tiens à remercier Laurie-Eve Rioux, professionnelle de recherche, pour son aide, son humilité, son encadrement et qui m’a toujours poussé à aller plus loin.
Je vais également adresser un grand merci à Diane Gagnon pour son assistance à l’utilisation des appareils de laboratoire.
Finalement, je vais remercier tous les étudiants de l’équipe de recherche de Sylvie Turgeon (Thang, Audrey, Laura, Léa, Rihab, Stella, Marc-Antoine, Rafael, Christine, Valérie) pour leurs critiques et leurs contributions pour ce projet.
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Avant-propos
Le présent mémoire porte sur l’étude des fonctionnalités de nouveaux ingrédients formés par complexation de protéines végétales et de fibres alimentaires à différents ratios. Ce mémoire a été rédigé en français sous la forme d'un article scientifique, précédé d'un résumé, d'une introduction générale et d'une revue de littérature. J'ai effectué la totalité des manipulations en laboratoire ainsi que la majorité de la rédaction du mémoire. Le Dr Sylvie Turgeon et Dr Laurie-Eve Rioux (professionnelle de recherche) m’ont aidé dans l’analyse des résultats, et m’ont apporté de précieux conseils et leur soutien scientifique tout au long de ce travail accompli sur une période d'un peu plus de deux années.
L'introduction et le premier chapitre, intitulé « Revue de littérature », présentent la problématique de recherche et les connaissances actuelles sur les biopolymères à l'étude, soit les protéines de soya et de pois, les fibres de betterave et de maïs, les interactions possibles entre les protéines et les polysaccharides. Ensuite, l'hypothèse de recherche, le but et les objectifs spécifiques de cette étude sont présentés.
Le deuxième chapitre, intitulé « Effet du ratio protéine-polysaccharide et du type de protéine
végétale sur les complexes formés » vise à étudier les impacts des paramètres de formation des
complexes afin de comprendre leur influence sur la fonctionnalité des complexes. Les expérimentations ont été effectuées dans les laboratoires de l'Université Laval.
Les auteurs de cet article sont Blaise Kuate Kamga, Laurie-Eve Rioux et Sylvie L. Turgeon, tous membres de l’Institut sur la Nutrition et les Aliments Fonctionnels (INAF), Département de Sciences des Aliments de l’Université Laval, Québec, QC, Canada. Le projet a été conçu et financé par Sylvie Turgeon. J’ai contribué à ce travail en planifiant et réalisant toutes les expériences au laboratoire des sciences des aliments, en analysant les résultats et en rédigeant l’article, avec le soutien de Laurie-Eve Rioux. Sylvie Turgeon a enrichi ce travail par son expertise et sa critique scientifiques pour la planification du protocole expérimental, la rédaction et la révision de ce document.
Une « conclusion générale » est présentée pour exposer les faits les plus manquants de ce travail et quelques perspectives d’avenir.
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Introduction
La demande en aliments fonctionnels est en forte croissance auprès des consommateurs, qui sont de plus en plus, soucieux de leur santé. Cette croissance était de 7,5% en 2013 selon le Nutrition Business Journal (2013). Le vieillissement de la population (près de 6.8 millions de canadiens de plus de 65 ans d’ici 2020 contre 4,8 millions en 2010), le coût élevé des soins de santé, la prévalence des maladies chroniques sont autant de facteurs qui stimulent cette demande. En effet, les recherches ont démontré des effets bénéfiques sur la santé après consommation de plusieurs aliments et ingrédients fonctionnels tels que les protéines, des fibres, des acides gras essentiels, des antioxydants, des probiotiques, des vitamines et des minéraux. Les aliments fonctionnels sont des aliments enrichis qui offrent des bienfaits pour la santé tels que le yogourt probiotique, ou des pains et des pâtes enrichies de fibre de pois (ACIA, 2018). Pour répondre aux exigences grandissantes des consommateurs, une gamme variée d'aliments fonctionnels est formulée en incorporant ces ingrédients.
La mention de source de fibres ou de protéines est une caractéristique attrayante lors de l’achat d’aliments ou de boissons par le consommateur. Les aliments enrichis en protéines et en fibres sont parmi les plus demandés pour diverses raisons (Ipsos Reid, 2012). Cette forte popularité est liée à leur importance dans la nutrition humaine et leurs effets bénéfiques sur la santé. Plusieurs effets physiologiques (laxation, satiété, réduction du glucose et du cholestérol sanguin) sont associés à la consommation de fibres alimentaires (AACC, 2001). Plusieurs travaux de recherche ont établi le lien entre la consommation des fibres et la prévention des maladies chroniques (Anderson et al., 2009b; Mann et Cummings, 2009). Les autorités réglementaires reconnaissent les allégations de « source très élevée de fibres » à condition que l’aliment contienne au moins 6 g de fibres par quantité de référence et par portion et d’ « excellente source de protéines » lorsque l’aliment a une cote protéique d’au moins 40 par ration quotidienne (ACIA, 2014).A titre de rappel, la cote protéique est facteur qui permet de classer les aliments en fonction de la source et la qualité des protéines qui contiennent. Ce facteur s’obtient en multipliant le produit de la teneur d’une ration quotidienne normale par le coefficient d’efficacité protéique de l’aliment ou qualité des protéines. Les protéines végétales sont de plus en plus étudiées comme alternative aux protéines animales pour des raisons religieuses,
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idéologiques et environnementales et pour leurs multiples fonctionnalités pour l’industrie agroalimentaire. Les aliments sont des systèmes complexes dont la texture est fortement influencée par les protéines et les fibres. En effet, les fibres sont ajoutées aux formulations alimentaires telles que les produits de boulangeries, les produits à base de viande, les sauces, etc. pour améliorer leur texture, éviter la synérèse (ex : les crèmes glacées), stabiliser les émulsions et augmenter leur durée de conservation (Elleuch et al., 2011). Le goût, la texture, la couleur sont des propriétés sensorielles déterminantes pour le consommateur. Encore aujourd’hui, les connaissances restent insuffisantes sur les fonctionnalités d’une large gamme d’ingrédients autorisés pour l'enrichissement des aliments. Ces paramètres sont cruciaux et doivent être pris en compte lors de la conception et du développement des aliments enrichis (Day et al., 2009). Toutefois, les quantités requises de protéines et de fibres ajoutées pour atteindre les allégations de source très élevée de fibres (6 g/portion) et d'excellente source de protéines (cote protéine d'au moins 40) (ACIA, 2014) conduisent généralement à des défauts de goût et de texture (Foschia et
al., 2013). Kreger et al. (2012) ont mentionné que l'enrichissement en protéines du lactosérum, de soya ou de leur mélange est limité par l'apparition d'un goût désagréable. Un taux élevé en protéine de soya et de lactosérum a conduit à une texture granuleuse.
Depuis quelques années, les mélanges protéine-polysaccharide (P-PS) ont reçu beaucoup d'attention pour améliorer l'efficacité d'incorporation des ingrédients fonctionnels et développer de nouvelles propriétés fonctionnelles, grâce aux interactions intermoléculaires. Les interactions P-PS peuvent conduire à trois systèmes : une compatibilité, co-solubilité (conditions associatives) ou incompatibilité (conditions ségrégatives). Les interactions impliquées sont généralement de nature électrostatique et influencées par le pH, la force ionique, la température, la pression, l'agitation, le ratio P-PS, la concentration, la densité de la charge et le poids moléculaire des biopolymères (Turgeon et Laneuville, 2009). Les interactions P-PS sont bien étudiées pour les protéines animales telles que les protéines du lactosérum, les caséines et la gélatine. Schmitt et al. (2001) ont fait une étude comparée des propriétés inter-faciales d’un complexe formé de β-lactoglobuline et de gomme acacia à pH 4,2 et ratio 2:1. Bertrand et Turgeon (2007) ont montré que l’ajout de la gomme de xanthane aux protéines du lactosérum a permis d’améliorer la résistance du gel formé. En effet, les auteurs ont remarqué que l’ajout du sel avait un effet synergique sur la force du
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gel (augmentation) à des pH de 6,5 et 6,0. Par contre, l’addition de sel à pH 5,5 réduisait la force du gel (effet antagoniste). Ces travaux suggèrent donc que la microstructure et les propriétés rhéologiques du gel sont sensibles à des changements des conditions environnementales (pH et force ionique) qui ont un effet sur la charge des biopolymères en solution. Par contre, très peu d’études se sont orientées sur les complexes entre les protéines végétales et les fibres. Quelques études se sont concentrées uniquement sur les complexes
entre les isolats des protéines de soya et la pectine. Jaramillo et al. (2011) ont remarqué que les pectines hautement méthylées empêchent la formation d’agrégats d’isolats de protéines de grande taille après mélange des deux ingrédients. Sun et al. (2014) ont optimisé l’encapsulation de la bactérie probiotique Lactobacillus delbrueckii par la complexation d’isolats de protéines de soya et de pectines hautement méthylées. Une étude de Liu et al. (2010b) a montré que les systèmes mixtes constitués des isolats de protéines de pois et de gomme arabique améliorent la stabilité de la mousse à pH compris entre 3,1 et 4,0 mais n’influence pas son expansion. Le pH, la force ionique et le ratio des polymères influencent le phénomène de complexation et le maximum d’interactions était obtenu à pH3,5 au ratio 1-1 mais ce dernier est indépendant de la concentration en NaCl (Liu et al., 2009). Pour chaque système P-PS, il faut déterminer l’effet des facteurs influençant les propriétés fonctionnelles des complexes comme le pH, la concentration, le ratio, etc., pour faciliter leur utilisation dans des aliments enrichis en protéines et fibres. De plus, les informations incomplètes sur les fonctionnalités des ingrédients disponibles, et l’absence des méthodes de caractérisation de complexes limitent actuellement le taux d’enrichissement des aliments. La caractérisation des complexes protéines végétales-fibres est donc nécessaire pour appuyer le développement de nouveaux produits alimentaires (muffins, barres à base de céréales, pain).
L'objectif général de ce travail vise à évaluer les impacts du ratio P-PS et du type de protéine sur les fonctionnalités complexes protéines végétales-fibres.
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Chapitre 1: Revue de la littérature
1.1. Les aliments fonctionnels
1.1.1. Définitions et généralités
Depuis 2400 ans déjà, le père de la médecine Hippocrate soulignait le lien entre l’alimentation et la santé, et par la même occasion demandait à l’homme de laisser la nourriture être leur premier médicament (AAC, 2014). Aujourd’hui, les avancées en science ont établi plusieurs liens entre la consommation des produits à base de plantes (fruits, légumes, céréales, etc.) et des fruits de mer sur les bienfaits sur la santé humaine. Plusieurs formulations alimentaires connues sous le nom « aliments fonctionnels » ont vu le jour et présentent des perspectives intéressantes. Selon Santé Canada (1998), les aliments fonctionnels ressemblent à un aliment conventionnel, offrent des bienfaits physiologiques démontrés, et réduisent le risque de maladie chronique au-delà des fonctions nutritionnelles de base, parce qu’ils contiennent un composé bioactif.
Les chercheurs et les industriels ont un intérêt croissant à procurer aux consommateurs des produits fortifiés en ingrédients fonctionnels. Ainsi, plusieurs aliments enrichis sont désormais disponibles sur les tablettes de nos commerces. Un rapport d’enquête de Statistique Canada (2013) indique qu’en 2011 plus de 182 types aliments fonctionnels ont été produits par 146 établissements. Les aliments à base de céréales (à grains entiers, à teneur élevée en fibres ou enrichis en oméga-3 ou oméga-6), les boissons (fortifiées en vitamines, minéraux, antioxydants, etc.), les barres de collation et les yogourts enrichis en probiotiques sont les plus répandus selon une enquête de Ipsos Reid (2012). Les fibres et les protéines figurent parmi les ingrédients les plus recherchés avec des pourcentages respectifs de 87 et 80% selon la même étude. Ces deux ingrédients sont très utilisés dans les formulations alimentaires et plusieurs sources sont disponibles sur le marché. L’enrichissement élevé d’un ou de ces deux nutriments dans les aliments représente cependant un défi pour rencontrer les exigences des allégations autorisées.
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Les nutritionnistes recommandent un apport équilibré en protéines animales et protéines végétales. Malheureusement, 70% des protéines apportées dans notre alimentation sont d’origine animale. Plusieurs aliments contenant des protéines animales (ex : fromage, charcuterie, etc.) apportent beaucoup de matières grasses. Les protéines végétales sont des alternatives pour équilibrer notre alimentation et ont un impact environnemental plus faible que les protéines animales. Les protéines de soya et de pois sont attrayantes car elles sont de plus en plus disponibles. Ce travail va donc permettre de les valoriser par de nouvelles utilisations sous forme de complexes protéines-fibres.
1.1.2. Apports en fibres alimentaires
Les exigences du marché et le choix des consommateurs imposent aux entreprises agroalimentaires d’innover constamment dans leur offre de produits. Ceci se traduit par la mise en marché d’ingrédients à valeur ajoutée (nouvelles sources de fibre, prébiotiques, antioxydants), des ingrédients de substitution (protéines alternatives, substituts de gras trans et substituts de sodium) (AAC, 2015). Les consommateurs sont de plus en plus sensibilisés et recherchent des aliments moins transformés et des ingrédients à valeur ajoutée. Santé Canada encourage la population à consommer plus de fibres alimentaires suivant les résultats de l’enquête sur la santé des collectivités canadiennes (Santé Canada, 2013). Selon cette enquête, l’apport journalier n’est pas atteint dans les différentes tranches de la population. Une consommation quotidienne de 25 g par jour chez les femmes et de 38 g par jour chez les hommes de fibres alimentaires est recommandée (Institute of medecine, 2005). Or cet apport journalier n’est pas atteint. Les femmes consomment en moyenne 14,3 à 16,6 g contre 16,5 à 19,4 g par jour pour les hommes (Santé Canada, 2006). Une augmentation de la teneur en fibres provenant des aliments céréaliers permettrait d’améliorer le profil nutritionnel et d’apporter des bénéfices santé. Ainsi, plusieurs nouvelles sources de fibres alimentaires sont reconnues par Santé Canada tels que : le son d’avoine, le son du blé, le son du maïs moulu et le son du riz (ACIA, 2015).
1.1.3. Les allégations autorisées au Canada pour les fibres et les protéines
Selon la réglementation canadienne, la quantité totale des fibres alimentaires doit être indiquée dans le tableau des valeurs nutritives car elles font partie des 13 éléments nutritifs
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principaux. Les allégations «source de fibres », «source élevée de fibres » ou «source très élevée de fibres » peuvent être inscrites sur les emballages des produits alimentaires à condition qu’ils contiennent respectivement 2, 4 et 6 g de fibres par portion de l’aliment (ACIA, 2018). Des allégations sont aussi permises pour les sources de protéines et parmi celles-ci, les aliments portant la mention « source de protéines» (cote protéique d’au moins 20), «plus de protéines» (cote protéique d’au moins 20 et une teneur en protéine d’au moins 25% supérieure à l’aliment de référence) et «excellente source de protéines» (cote protéique d’au moins 40) sont autorisées par l’ACIA (2018). À titre de rappel, la cote protéique fait référence à la teneur en protéine d’une ration quotidienne normale d’un aliment tel qu’il est vendu. Elle est égale au produit de la teneur en protéine d’une ration quotidienne normale de l’aliment multiplié par la qualité des protéines (coefficient d’efficacité protéique). Les industries alimentaires sont de plus en plus intéressées à développer un large éventail de produits à teneur variée en protéines et en fibres. Ainsi, l’enrichissement des produits alimentaires ne vise pas seulement l’augmentation de la valeur nutritive mais aussi l’amélioration de la santé des consommateurs.
1.1.4. Les bénéfices associés à la consommation de fibres et de protéines
Plusieurs bienfaits sont attribués à la consommation des produits riches en fibres. Les fibres sont des polysaccharides qui restent intacts lors de la digestion, mais peuvent faciliter le transit intestinal ou avoir des effets bénéfiques sur la santé (Boclé et al., 2005; Ajila et al., 2008; Yadav et al., 2012; Wang et al., 2002). Les propriétés physico-chimiques et fonctionnelles des fibres telles que la viscosité, la capacité de rétention d’eau, l’aptitude à la fermentation sont nécessaires à leurs effets physiologiques (Logan et al., 2015). Les fibres ont un effet prébiotique sur le microbiote intestinal. Ce rôle permet de faciliter la différenciation des cellules épithéliales et réduire le risque de cancer (Brownlee, 2011). La réduction de la cholestérolémie et de la glycémie trouve une explication dans la capacité des fibres à gonfler en présence d’eau. Ceci favorise la rétention de substances hydrosolubles telle que le sucre. Un autre mécanisme possible serait l’augmentation de la viscosité du chyme stomacal, et la fixation des sels biliaires et des minéraux. Ce processus permet de réduire l’absorption du cholestérol et du glucose (Boclé et al., 2005). La consommation régulière et suffisante des fibres alimentaires réduit les risques d’obésité, de
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diabète, de maladies cardiovasculaires et d’autres formes de cancers (Mann et Cummings, 2009). Les fonctions physiologiques suivantes sont aussi liées à la consommation des fibres alimentaires :
Amélioration du transit intestinal par l’accroissement du volume des selles;
Réduction de la concentration sérique du cholestérol total et/ou du cholestérol LDL (low-density lipoprotein);
Réduction de la glycémie et/ou de l’insulinémie postprandiales; Source de métabolites énergétiques par la fermentation colique.
Le développement des aliments enrichis en fibres apparaît donc comme une solution pour accroitre la consommation en fibre de la population.
Les protéines contribuent à l’alimentation humaine par leur apport en acides aminés et certaines protéines sont dotées de propriétés bioactives (Fernández-Quintela et al., 1997; Ryan et al., 2011). Plusieurs bénéfices sont associés aux protéines. Bertenshaw et al. (2013) ont montré dans une étude évaluant l’effet de la consommation des boissons enrichies en protéines, que les protéines agissaient sur la satiété des participants par des signaux sensoriels. Meghann et al. (2013) ont remarqué qu’une consommation riche en protéines suivie d’une activité physique chez les hommes âgés permettait de stimuler la reconstitution des protéines myofibrillaires.
Les réactions allergiques alimentaires touchent environ 2% des adultes et 6 à 8% des enfants (Mahoney et al., 2011; Rona et al., 2007). Ces allergies sont induites par une variété de composant d’origine animale (lait, œufs, poissons, crustacés) et végétale (arachides, soya, lupin, blé) (Skypala, 2011). Les aliments contenant ces allergènes sont reconnus par le Codex Alimentarius, l’Union européenne et plusieurs pays (Royaume Uni, Japon, Australie, Canada). Ces pays exigent un étiquetage selon leur législation (Gendel, 2012).
1.2. Les protéines végétales
Les protéines sont des nutriments essentiels pour l’homme et les animaux. Elles peuvent provenir de sources animales ou végétales. Les protéines animales ont une haute valeur
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nutritive due à leur contenu en acides aminés essentiels. Pour leur part, les protéines végétales sont de plus en plus recherchées pour leurs propriétés fonctionnelles ou comme alternative aux protéines animales pour les raisons culturelles et religieuses (Mao et Hua, 2012). À la suite des changements des habitudes de vie occidentale, l’industrie alimentaire a évolué pour offrir plusieurs choix aux consommateurs. Ainsi, les produits alimentaires à fonctionnalité définie étaient nécessaires pour élargir la variété des aliments de substitution avec des propriétés désirées.
Plusieurs chercheurs recommandent la consommation d’aliments d’origine végétale pour leur coût et leur faible impact sur l’environnement. La production d’ingrédients alimentaires d’origine végétale libère moins de gaz à effet de serre et contribue au développement durable. Par exemple, l’élevage des bœufs est responsable de 18% des émissions de gaz à effet de serre (Steinfield et al., 2006) devant le transport 13% (Pachauri, 2007).
Face au défi de la sécurité alimentaire, les protéines végétales sont de plus en plus sollicitées pour répondre à la demande pressante des consommateurs. Les protéines végétales peuvent provenir de plusieurs sources et certaines ont de multiples fonctionnalités. Elles proviennent des graines des légumineuses (soya, pois, lentilles) et des céréales (riz, maïs, orge, seigle, blé, avoine). Elles sont regroupées en quatre familles selon leur coefficient de sédimentation (S): les albumines, les globulines, les glutélines et les prolamines (Osborne, 1924).
Les albumines sont des protéines solubles dans l’eau.
Les globulines sont solubles dans les solutions salines. Elles sont dominantes dans les graines des légumineuses (50 à 90% des protéines totales). Les globulines ont une structure compacte et sont divisées en deux groupes : les protéines hexamèriques de type 11S (appelée glycinine) et les protéines trimériques de type 7S. La globuline 7S est une glycoprotéine ayant plusieurs noms selon son origine : β-conglyicinine chez le soja, la viciline pour le pois (Institut français pour la nutrition, 1997).
Les prolamines sont solubles dans l'alcool dilué à 70%. Elles sont classées en deux groupes : les gliadines monomériques et les glutélines polymériques.
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Les glutélines sont insolubles dans les solutions énumérées précédemment. Il est noté dans la littérature que les glycinines 11S et les conglycinines 7S du soya présentent une similitude d’environ 70% avec les séquences en acides aminés avec les protéines du pois, les légumines 11S et les vicilines 7S, respectivement (Kimura
et al., 2008).
Les travaux de Istfan et al. (1983b) révèlent que la consommation de 95 mg d’azote par kilogramme corporel de concentrés de soya est suffisante pour remplacer les protéines du lait chez les jeunes adultes. Istfan et al. (1983a) ont suggéré que les concentrés de soya sont adéquats pour assurer l’équilibre protéique des jeunes hommes. Les protéines ont également un intérêt pour les scientifiques et les industriels en raison des nombreuses propriétés dont elles disposent (tableau 1). En effet, les protéines utilisées en transformation alimentaire ont des propriétés fonctionnelles telles que l’émulsification, la gélification, la stabilisation de la mousse, la modification de la texture et de la couleur (AAC, 2008). De nombreux facteurs tels que : le pH, la force ionique, la température, le type de protéine, etc ont un impact important sur les fonctionnalités de ces dernières.
Tableau 1: Généralités sur les propriétés fonctionnelles des protéines végétales
1 Les fonctionnalités sont variables selon la source de protéine, le pH, la force ionique, la température, la concentration en protéine, la technique de production et la présence d’autres macromolécules (hydrates de carbone et lipides). (Kinsella et Melachouris (1976))
Propriété générale Fonctionnalités spécifiques1
Organoleptique Couleur, saveur, odeur, texture, la sensation en bouche, lissage, granuleux, aspect, etc.
Hydratation Solubilité, dispersant, mouillabilité, absorption d'eau, un gonflement, épaississant, gélifiant, rhéologique, rétention d'eau,
floculation, viscosité, formation de la pâte, etc. Surface Émulsification, moussage, aération, formation des films de
protéine / lipide, liaison aux lipides, saveur, de stabilisation, etc. Structure
Rhéologie
Elasticité, granuleux, cohésion, adhésion, agrégation, adhésion, gélification, extrusion.
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1.2.1. Les protéines de soya
Les protéines de soya sont largement utilisées pour leur faible coût, leur faible impact environnemental, leurs fonctionnalités et fonctions physiologiques telles la réduction des triglycérides et du cholestérol (Yamamoto et al., 1998; Anderson et al., 1995).
Au Canada, la Commission canadienne des grains (2015) a rapporté que le soya contient en moyenne 43 g de protéines pour 100 grammes matière sèche. Le soya est une légumineuse au même titre que le pois, les fèves, les arachides, les lentilles et la luzerne. Les protéines de soya sont aussi une source non négligeable d’isoflavones par rapport aux autres protéines végétales (Cadwallader, 2010). Les protéines de soja sont disponibles sous différentes formes :
La farine de soja (45 à 65 % de protéines).
Les concentrés de soja (65 à 90 % de protéines) extraites en utilisant un solvant.
Les isolats (plus de 90% de protéines) produits par extraction des protéines d’une farine dégraissée, par précipitation acide au pH isoélectrique ou ultrafiltration. Ces procédés permettent d’éliminer les glucides insolubles.
Le germe et les cotylédons existent sous forme d’extraits standardisés contenant respectivement de 35 à 45 % et de 40 à 50 % de protéines totales.
Les protéines de soya sont constituées principalement des protéines globulaires : la glycinine 11S et la β-conglycinine 7S en proportions de 34% et 27%, respectivement. La glycininie 11S est un hexamère de 360 kDa avec une structure trigonale. Par contre, la β-conglycinine 7S est un trimère (3 sous-unités) de poids moléculaire d’environ 200 kDa. Les propriétés fonctionnelles reflètent la composition et la conformation des protéines, leurs interactions avec d'autres composants alimentaires et sont affectées par les traitements et les facteurs environnementaux (Kinsella, 1979b). La température, la pression, le pH et la force ionique influencent la conformation des protéines (Renkema et al., 2000). La gélification thermique et l’agrégation des protéines de soya est plus rapide et la taille des agrégats formés augmente avec la concentration en NaCl (Chen et al., 2017). Le sel affecte la conformation des protéines en modifiant leurs charges nettes, l’hydratation et les interactions électrostatiques. Dans la même étude, les auteurs ont montré que les protéines
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s’agrègent de façon aléatoire pour former des particules de plus en plus denses avec des rayons variant entre 30 et 50 nm. La dénaturation est un processus irréversible, contrairement au phénomène de mobilité des chaînes qui peut avoir lieu après une légère augmentation de la température. Le plus souvent, ce phénomène est provoqué par l’exposition de la protéine à une température élevée : c'est la dénaturation thermique. Ce changement de conformation dans la molécule est exploité pour des fonctionnalités particulières. Une étude de Renkema et Van Vliet (2002) a permis de montrer que le chauffage et le refroidissement des protéines de soya permettent de former des gels. La β-conglycinine est moins stable à haute température que la glycinine avec des températures de dénaturation de 70 et 80°C respectivement (Kinsella et Melachouris, 1976). Les procédés tels que la fermentation, le traitement thermique, l’hydrolyse influencent leur conformation, leur taille ainsi que leur fonctionnalité. Par exemple, l’hydrolyse induite par la trypsine a permis de réduire la capacité émulsifiante des fractions obtenues comparée aux protéines brutes (Mirjana et al., 2006). En effet, l’hydrolyse fractionne la protéine en donnant des peptides de plus petits poids moléculaire. Cette réduction de taille moléculaire contribue à modifier la fonctionnalité des fractions peptidiques.
La CRE et la CAH des protéines jouent un rôle important dans les attributs physicochimiques (élasticité, gonflement, émulsification) et sensoriels des aliments comme mentionné plus haut. La CAE est la quantité d’eau retenue par 1 g d’ingrédient soumis une centrifugation. (AACC, 1995) alors que la CRE est la quantité d’eau liée par 1 g d’échantillon après centrifugation et séchage (AACC, 2012 La capacité d’absorption d’huile est la quantité d’huile retenue dans un gramme de biopolymère, mesurée suite à une centrifugation. Elle est très importante pour la sensation en bouche et la rétention des arômes (Kinsella, 1979a). Elle est très importante pour la sensation en bouche et la rétention des odeurs (Kinsella, 1979a).
Des études ont montré que les isolats de protéines de soya (IPS) ont des CRE généralement supérieures aux autres protéines (Ahmedna et al., 1999). Anderson et al. (1995) ont comparé les CRE et CAH de plusieurs protéines. Les IPS ont des CRE (4,60 g d’eau/g) plus élevées que le blanc d’œuf séché (1,68 g/g), du jaune d’œuf séché, du babeurre séché et de la poudre de lait écrémé dont les CRE sont inférieures à 1 g d’eau/g. La CAH des IPS
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(2,5g d’huile/g de protéine) est comprises entre la CAH de la poudre de lait écrémé (3,03g d’huile/g) et celles des autres protéines étudiées (CAH < 2 g d’huile/g). Hou et Zhao (2011) ont noté que l’hydrolyse limitée permet d’améliorer la capacité d’absorption d’huile des CPS et IPS de l’ordre 17 à 29% et de 17 à 23% respectivement. Ahmedna et al. (1999) ont remarqué que la CRE des IPS (3,38g d’eau/g) est environ le double de celle de isolats de protéines de blé solubilisées (1,66g d’eau/g) et les CAH sont similaires (1,73g/g d’huile). Ahmedna et al. (1999) ont suggéré que la CRE plus élevée des IPS est due à la dénaturation partielle, à la dissociation et au déploiement des protéines induites par le traitement thermique appliqué pendant la production et le séchage. La dénaturation par acidification augmente la CAE des protéines végétales et elles retiennent plus d’eau après une dénaturation thermique drastique (60-95°C) par rapport à une dénaturation légère ou sans modification (Schwenke et al., 1981). La CAE dépend de la polarité des acides aminés dans les sites de liaisons de la protéine avec les molécules d’eau. Elle varie également avec la conformation de la protéine et les paramètres environnementaux qui provoquent des changements dans sa structure et affecte la quantité d’eau absorbée (Paredes-Lopez et al., 1991). Dans la même étude, les auteurs mentionnent que d’autres molécules comme les glucides et les ions en solution peuvent aussi influencer cette propriété d’hydratation. La résonance magnétique nucléaire dans le domaine temporel est un outil intéressant pour comprendre les interactions protéine-eau. Cet outil a permis de montrer que la CRE d'un culot de protéines est déterminée par la structure des particules de protéines (nanostructure) ainsi que par la liaison entre les particules (microstructure) (Peters et al., 2017). Ces auteurs ont conclu que la CRE dépend de la capacité des particules à gonfler, à lier l’eau et à résister à la force centrifuge. L’ajout de polysaccharides de soya aux IPS permet de modifier leurs dépliements et leurs absorptions par des interactions hydrophobes et hydrogènes. La présence des polysaccharides diminue l'hydrophobicité de surface des particules de IPS reconstituées, mais n’influence pas beaucoup les activités émulsifiantes et moussantes. Les PS augmentent les stabilités des IPS grâce au maintien de la structure et à l'amélioration de la flexibilité de conformation des protéines (Xu et Liu, 2016). Ils suggèrent que les complexes IPS-polysaccharides reconstituées se réorganisent et se lient en raison de la présence du polysaccharide sur l'interface air-eau afin de mieux stabiliser le système.
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1.2.2. Les protéines de pois
Les protéines de pois présentent un intérêt comme alternative aux protéines de soya en industrie alimentaire en raison de leur faible pouvoir allergénique et sans organisme génétiquement modifié (Barac et al., 2010). Les protéines de pois sont importantes dans les produits alimentaires en raison de leur valeur nutritionnelle et de leur contribution à la texture (Gharsallaoui et al., 2010). Les globulines sont les protéines dominantes dans le pois (55 à 65 % des protéines totales). Ce sont la légumine et la viciline. Elles appartiennent à la famille des globuline 11S et des globuline 7S respectivement, qu’on retrouve en général dans les grains dicotylédonés et très conservées entre les espèces (Perrot, 1995). Le ratio légumine par rapport à la viciline varie de 0,2 à 1,5 (Casey et al., 1982). Trois molécules de viciline s’associent dans leur forme native pour former un trimère ayant trois atomes de cuivre. La viciline est constituée de trois sous-unités non sphériques et sa structure secondaire est constituée d’un feuillet β et d’une hélice α (Anson et al., 1988). La viciline et la légumine présentent des similarités dans leurs structures. La moitié de la région COOH-terminale des sous-unités est très conservée dans les deux familles de protéines et elle contient des acides aminés hydrophobes. Les albumines et les prolamines sont des protéines également présentes dans le pois. Les protéines de pois ont un profil bien équilibré d'acides aminés, particulièrement un haut contenu en lysine. Les propriétés de solubilité, de moussage, d’émulsification, de gélification et de viscosité des protéines de pois dépendent de la méthode de production (Taherian et al., 2011). Shand et al. (2007) rapportent la modification des propriétés texturales des gels obtenus avec des isolats de protéines de pois en ajustant la température, la concentration en NaCl et le pH. En effet, ces chercheurs ont comparé l’influence de ces paramètres sur la formation des gels thermo-induits des isolats de protéines commerciales et natives. Les isolats natifs ont montré un pic endothermique correspondant à la dénaturation thermique (Td=85°C). L’ajout du chlorure de sodium (1 et 2%) a déplacé la température de dénaturation vers des valeurs plus élevées et n’a eu pas d’effet sur les isolats commerciaux. Ceci est probablement dû au procédé d’extraction qui altère la structure de des protéines. Le gel ayant eu les meilleures caractéristiques a été obtenu avec 19,6% des IPP commerciaux, à pH 7,1, avec 2% de NaCl et à une température de 93°C (Shand et al., 2007). La dénaturation thermique (70-90°C) de la protéine étudiée par Wang et al. (2014) a montré une augmentation de l’hydrophobicité
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de surface lorsque les agrégats se forment. Ils ont également remarqué une augmentation de la quantité d’hélice α et une diminution des feuillets β. Ces feuillets β jouent un rôle très important dans la dénaturation des globulines 7S et 11S. Dans la même étude, les auteurs ont aussi noté que la structure β était inversement proportionnelle à la surface d’hydrophobicité à une température inférieure à 90°C, mais augmente après formation d'agrégats β-7S et β-11S. Le traitement thermique conduit à un dépliement et à une augmentation du volume occupé de la protéine. Ces changements conduisent à des modifications de la conformation native (Tartaglia et al., 2004). Alonso et al. (2000) ont noté que la cuisson par extrusion à 148°C a augmenté la CAE des protéines de pois de 1,24 g/g d’eau à 2,86 g/g d’eau et la CAH est restée le même. Ils suggèrent que cette plus grande rétention d’eau est due à la rétention capillaire alors que le maintien de la CAH montre que l’extrusion n’a pas d’effet sur les sites hydrophobes des protéines. Comme la plupart des protéines végétales, la protéine de pois a une grande solubilité en milieu alcalin (pH 9 à 12) (Tömösközi et al., 2001).
Plusieurs études ont fait le même constat que les fonctionnalités des protéines dépendent de la méthode de production (Lam et al., 2018; Stone et al., 2015; Barac et al., 2010; Fuhrmeister et Meuser, 2003). Fuhrmeister et Meuser (2003) ont noté que la CAE des protéines de pois obtenues par précipitation acide est inférieure à celles des protéines obtenues par ultrafiltration. Les protéines les moins dénaturées ont des CRE plus basses. Les CAE des isolats commerciaux de référence (IPP, 400/100g IPS 460/100g) sont supérieures aux CAE des protéines récupérées par précipitation en milieu acide ou par la chaleur. La CAH des protéines obtenues par ultrafiltration ou par précipitation isoélectrique est plus élevée (132% et 152% respectivement) que celles des protéines obtenues par précipitation à la chaleur ou en milieu acide. Les protéines obtenues par ultrafiltration ont des CAH proche des IPP de référence (159%). L’étude comparative de Stone et al. (2015) a montré que les protéines obtenues par dialyse ont la CAH la plus grande de l’ordre de 5,3g/g et les CAE les plus faibles (0,3 à 2,6g/g). Barac et al. (2010) ont constaté que la CAE des IPP varie selon les cultivars et la méthode d’extraction. Les IPP obtenues par précipitation micellaire ont des CAE plus élevées (3,2-3,6 g/g) que les IPP obtenus par précipitation isoélectrique (2,4-2,6 g/g) ou par dialyse (0,34-2,6g/g). Cette plus grande rétention d’eau dans les protéines extraites par précipitation micellaire est attribuée à une
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forte présence de liaisons hydrogène protéine-eau et la précipitation isoélectrique produit des protéines avec des structures limitant l’interaction et l’absorption d’eau. Ces auteurs ont également fait le constat que la méthode d’extraction a un effet sur la CAH des IPP. Les IPP extraits par dialyse ont les CAH les plus élevées (5,2-5,4g/g) suivi des IPP récupérés par précipitation isoélectrique (3,5-3,8g/g) et des IPP obtenus par précipitation micellaire (3,6-3,7g/g). On peut retenir que les procédés d’extraction plus doux permettent de conserver de bonnes fonctionnalités aux isolats de protéines.
La formulation d’un aliment fonctionnel par incorporation d’ingrédients est un bon moyen d’améliorer le profil nutritionnel l’aliment. Malheureusement, cette modification s’accompagne généralement des défauts de texture ou sensoriels. La formulation des aliments constitue un défi technologique majeur à relever. L’influence du procédé sur la nature de l’ingrédient à utiliser, la compréhension des interactions intermoléculaires ainsi que d’autres biopolymères comme les fibres ont un impact important sur la qualité d’un aliment.
1.3. Les fibres
Les fibres alimentaires sont des polysaccharides présents dans la partie non digestible des grains, des fruits et légumes et qui sont fermentées partiellement ou totalement dans le gros intestin par le microbiote (García Peris et Camblor Alvarez, 1999; Trumbo et al., 2002). Plusieurs instances ont donné des définitions aux fibres en fonction de leurs réglementations. Selon Santé Canada (2012), les « fibres alimentaires sont les glucides
(degré de polymérisation >2) des parties comestibles des plantes qui ne sont ni digérés ni absorbés dans l'intestin grêle et elles comprennent les fibres alimentaires nouvelles acceptées.
Depuis 1988, Santé Canada a élargi le terme fibre alimentaire aux polysaccharides non-amylacés extraits des plantes qui étaient désormais considérés comme des fibres. Le terme fibre nouvelle a donc été adopté par Santé Canada pour faire référence aux substances nouvellement acceptées comme source de fibres en raison de leurs propriétés physiologiques et chimiques (Santé Canada, 2012). D’où la définition suivante :
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Les fibres alimentaires nouvelles sont des ingrédients fabriqués de façon à constituer des sources de fibres alimentaires. Ce sont des glucides (degré de polymérisation>2) extraits de sources naturelles ou issus de la production synthétique qui ne sont ni digérés ni absorbés dans l'intestin grêle. Les effets physiologiques bénéfiques qu'ils produisent chez les humains ont été démontrés et ces ingrédients appartiennent à l'une des catégories suivantes :
Ils n'ont pas été employés par le passé de manière significative pour l'alimentation humaine ;
Ils ont été transformés de façon à modifier les propriétés de la fibre ;
Ils ont été fortement concentrés à partir d'une source végétale. »
Les fibres regroupent les oligosaccharides, les polysaccharides, la lignine et les autres composés végétaux associés. Les polysaccharides fournissent donc moins de calories (< 2 Kcal/g) que les glucides non fibreux. Les fibres sont traditionnellement subdivisées en fibres solubles et insolubles, qui résultent de leurs propriétés variées à fixer l’eau ou à créer un aspect visqueux (Brownlee, 2011). Cependant, elles peuvent également être classées selon leur viscosité (Figure 4). Les fibres insolubles regroupent les fibres de structures des parois végétales et les amidons résistants. Ces groupes de fibres sont des particules de tailles élevées, entre quelques microns et quelques millimètres selon le procédé d’extraction (Aymard, 2010). Les fibres solubles sont des particules de tailles beaucoup plus petites qui se retrouvent dans un état isolé dans l’eau. Certaines fibres solubles augmentent la viscosité de la solution après hydratation : ce sont des fibres solubles non viscosifiantes. Les fibres de ce groupe sont généralement de courte chaine avec un dégré de polymérisation variant de 3 à 30 (inuline, polydextrose) et des fibres de masses molaires élevées mais de structure très ramifiée et compacte (gomme d’acacia, dextranes résistants). Il faut noter que les fibres solubles ayant un faible dégrée de polymérisation (3 à 10) ont un pouvoir texturant à cause de leur capacité à réduire l’activité de l’eau de l’aliment et sont utilisées comme substituts de sucre dans certains produits céréaliers allégés (Bornet, 1994). Le troisième groupe (fibres solubles viscosifiantes) des fibres augmente la viscosité du milieu lorsqu’elles sont ajoutées à faible dose. Ce sont des fibres ayant une masse molaire élevée et une structure étendue en présence d’eau. Cette capacité leur confère des propriétés gélifiantes, stabilisantes et épaississantes. Lorsque ces fibres sont consommées, elles augmentent le
17 Fibres insolubles
-Fibres cellulosiques : fibres provenant des péricarpes de céréales, légumes, fruits, etc.
-Amidons résistants
Fibres solubles non viscosifiantes -Fructooligosaccharides : inuline -Polydextrose: fibre synthétique -Arabinogalactanes : gomme acacia -Dextranes résistants
Fibres solubles viscosifiantes
-Polysaccharides de structure : β-glucane d’avoine et d’orge, pectines, alginates, etc -Polysaccharides de stockage :
galactomannannes
-Celluloses modifiés chimiquement
Solubilité
Viscosité volume du bol alimentaire ce qui ralentit ainsi la vidange gastrique et diminue la réponse glycémique (Kong et Singh, 2008; Jenkins et al., 1978).
Adapté de Aymard (2010)
Figure 1: Typologie des fibres alimentaires sur la base de leurs propriétés fonctionnelles
Les pectines et les gommes provenant du son du haricot, d’avoine et d’orge, des fruits et légumes sont les fibres alimentaires solubles. Les fibres solubles ralentissent le passage des aliments dans l'intestin grêle et retardent la vidange gastrique (Anderson et al., 2009a; Cummings, 2001). La consommation de jus enrichi avec un mélange de gomme xanthane et de β-glucane entraînerait une atténuation significative de la réponse glycémique et une augmentation significative de la satiété en réduisant l’absorption du sucre (Paquin et al., 2013). Les fibres insolubles comprennent la cellulose, les hémicelluloses et la lignine. Elles proviennent principalement du son et des grains entiers de céréales et des haricots. Les fibres insolubles facilitent la digestion en augmentant la masse fécale et la vitesse d’élimination des déchets. Elles préviennent par conséquent le cancer du côlon, la constipation et les hémorroïdes (Anderson et al., 2010; Cummings, 2001).
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Les fibres alimentaires sont des ingrédients fonctionnels et affectent les propriétés physiques et d'hydratation, la capacité de rétention d'huile, la viscosité, la texture, les caractéristiques sensorielles et la durée de conservation. (tableau 2) (Elleuch et al., 2011).
Tableau 2: Relation entre les propriétés technologiques et physiologiques des fibres alimentaires
Propriétés générales Propriétés technologiques Organoleptique saveur, texture
Hydratation capacité de gonflement
solubilité de l’eau
Surface émulsification, gélification
Adapté de Elleuch et al. (2011)
Depuis l’élargissement de la définition des fibres, on retrouve un large éventail de fibre est disponible telles que la fibre du son de riz, la fibre du son d’avoine, la fibre de son de maïs, la fibre de betterave, les fibres provenant des fruits. Les fibres de betterave et de maïs sont abordées dans la section suivante.
1.3.1. La fibre de betterave
La fibre de betterave est un coproduit obtenu suite à la production du saccharose à partir de betteraves à sucre. La betterave est constituée de 75% d’eau, de 18% de sucre et d‘environ 5% de parois cellulaires. Après l’extraction du sucre, la pulpe restante est transformée en fibre de betterave. Cette fibre est composée de 67% g de fibres, 8 g de protéines, 6 g de sucre, d’1 g de lipides et 4 g de cendres par 100 g de matière sèche. Les principales fibres de la betterave à sucre sont l'hémicellulose insoluble et la pectine soluble (environ 22% des fibres totales), mais aussi de petites quantités de cellulose (glucane) et de lignine (NordicSugar, 2012).
Quelques travaux démontrent des perspectives intéressantes pour l’utilisation des fibres de betterave dans une grande variété d’aliments. Vural et al. (2004) ont pu utiliser avec succès la fibre de betterave comme succédanés de gras de bœuf dans les saucisses de type Frankfurt. Les fibres utilisées étaient de taille < 425µm et à une concentration de 1% en
19
addition avec de l’huile végétale d’olive ou de l’huile de palme estérifiée pour remplacer 10 % de gras de bœuf. Les fibres totales des saucisses et la capacité de rétention d’eau avaient augmenté sans affecter l’apparence, la couleur, la saveur ou la texture du produit (Ağar et
al., 2016). Ces auteurs ont observé que les saucisses de Frankfut produites à partir des
émulsions de viandes et de fibres de betterave avaient un comportement pseudoplastique non-newtonien. L’addition de fibres a diminué la viscosité apparente et la vitesse de cisaillement a augmenté. Une récente étude a recommandé que l’ajout de 12% de poudre de fibre de betterave est idéal pour les produits de boulangeries (Imran et al., 2016).
Il est documenté cliniquement que la pectine diminue le cholestérol sanguin, diminue le temps de transit intestinal et augmente la masse des matières fécales (Cherbut et al., 1991). La pectine de betterave interagit avec le caséinate de sodium majoritairement par des liaisons électrostatiques avec quelques liaisons hydrophobes pour former des complexes solubles et insolubles dépendamment du pH (Li et al., 2013). Ces complexes peuvent être utilisés dans des émulsions et permet de les stabiliser à pH 4,5. L’émulsion était plus stable avec un faible ratio de caséinate de sodium/pectine de betterave (par exemple 0,3% de caséinate pour 1,2% de pectine) car la pectine de betterave chargée à ce pH couvre totalement l’interface de la caséine.
Les fonctionnalités des fibres peuvent être affectées par la méthode d’extraction. La CAE de la fibre de betterave est de 17,2 g/g d’eau et augmente avec la sévérité d’un traitement acido-basique mais elle diminue si les fibres sont ensuite séchées à 100°C (Auffret et al., 1993). Les auteurs expliquent que cette augmentation de la CAE et du gonflement des fibres est due à un changement de la structure des fibres créant des espaces de rétention d’eau interstitiels.
La CAH est une fonctionnalité importante des fibres. Des CAH de 11,26, 4,54 et 7,04 g/g ont été rapportées pour des fibres obtenues par des méthodes de centrifugation, de succion et de drainage, respectivement (Dongowski et Ehwald, 1999). Les méthodes d’extraction affectent la structure des fibres ce qui influence ainsi l’absorption d’huile des fibres. La CAH dépend la porosité de la fibre, de l’encombrement stérique, de la densité de charge globale, de l'épaisseur et du caractère hydrophobe de la fibre (Cui et Roberts, 2009).
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1.3.2. La fibre de maïs
La fibre de maïs est un coproduit obtenu lors du broyage des grains de maïs lors de la transformation de la farine. Les fibres sont contenues dans le son du grain. Le son de maïs contient environ 50% d’hétéroxylanes, 20% de cellulose, 9-23% d’amidon, 10-13% de protéines, 4% d’acides phénoliques, 2-3% de lipides et 2% de minéraux (Hespell, 1998; Saulnier et al., 1995). Hespell (1998) a extrait ces hétéroxylanes en utilisant de l’hydroxyde de calcium suivie d’une précipitation à l’éthanol Ces derniers contenaient environ 94% de sucres neutres (34% d'arabinose, 52% de xylose, 7% de galactose et 8% de glucose) et de 7% d’acides uroniques (acides galacturoniques, glucuroniques). La gomme de fibre de maïs, un arabinoxylane (de la classe des hémicelluloses) est extraite par fractionnement de la fibre de maïs en milieu alcalin avec du peroxyde d’hydrogène (Yadav et al., 2007b) et représente 50% environ du poids sec de la fibre de maïs sans amidon (Doner et al., 1998). Cette gomme a été proposée comme un bon stabilisant des émulsions huile dans l’eau avec une capacité émulsifiante supérieure à celle de la gomme arabique (Yadav et al., 2007a; Yadav et al., 2009). La CAE et la CAH de la fibre de maïs n’a pas encore été rapportée dans la littérature. Cependant, des travaux ont été réalisés avec d’autres sources de fibres comme le riz à titre comparatif. Daou et Zhang (2011) ont fait des études comparatives sur les fonctionnalités des différentes fractions extraites du son de riz. Ils ont observé que la CAE est plus élevée pour les fibres totales (3,84 g/g) sans ajout de NaCl et plus basse pour les fibres solubles (1,18 g/g) en présence de NaCl (0,15mM). Il n’y a pas eu de différence entre la CAE des fibres totales et des fibres insolubles. Ils ont noté également que la CAE plus élevée avec les fibres totales et les fibres insolubles indique que d’autres caractéristiques structurelles telles que la taille, la porosité, et la densité des particules sont impliquées dans l’absorption d’eau par les fibres. Le mécanisme de l’interaction fibre – eau peut se faire de 2 manières : l’eau est retenue dans les structures capillaires en raison de la résistance à la tension superficielle ou les composants moléculaires interagissent par des liaisons hydrogène avec l’eau (Chen et al., 1984).
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1.4. Le défi de l’incorporation des protéines et des fibres dans
les aliments
Les aliments sont constitués de molécules qui influencent leurs textures et leurs propriétés organoleptiques. Les protéines, les lipides et les fibres (polysaccharides) sont les macromolécules les plus importantes et elles contribuent à la microstructure de l’aliment (Ajila et al., 2008; Seyer, 2005; Bourre, 2004). Les protéines et les fibres sont deux groupes de biopolymères très recherchés par les consommateurs pour leurs bienfaits sur la santé. La reformulation des aliments est un processus qui permet d’améliorer la valeur nutritive des aliments. Les aliments céréaliers sont les aliments les plus consommés et constituent le principal aliment du petit déjeuner (Lioger et al., 2007). Ils sont par conséquent un bon véhicule pour l’incorporation d’ingrédients fonctionnels. Plusieurs travaux dans ce sillage ont permis d’améliorer la teneur en protéines et en fibres (tableau 4) (Wang et al., 2002; Sudha et al., 2007; Ajila et al., 2008; Bunde et al., 2010). Malheureusement, l’ajout des nouveaux ingrédients ou l’augmentation de leur teneur n’est pas sans inconvénient. Cela peut avoir un impact sur la chaîne de fabrication (temps de cuisson, pétrissage, etc.) et sur les propriétés sensorielles du produit fini (apparence, texture, etc.) (Aymard, 2010). La reformulation représente donc un challenge technologique pour les industries alimentaires. Il est rapporté dans la littérature plusieurs effets indésirables de l’incorporation des fibres et des protéines. La quantité de fibres requise pour atteindre les allégations reconnues conduisent généralement à des effets non souhaités comme la diminution du volume du pain, l’assombrissement de la couleur et le durcissement de la croûte (Ktenioudaki et Gallagher, 2012). Bunde et al. (2010) ont développé des biscuits enrichis en farine de blé, en son de riz et de soya présents en différentes proportions. Ils ont noté une diminution de l’épaisseur des biscuits enrichis lorsque les échantillons étaient substitués avec plus de 30% de soya et 20% de son de riz. Les attributs sensoriels des différents produits n’ont pas été modifiés. Ceci suggère que la reformulation des produits céréaliers est un excellent moyen d’améliorer leur teneur en fibre pour atteindre la cible recommandée. Les biscuits avec des pourcentages en farine de blé, de soya, en son de riz de 70%, 20% et 10% respectivement, ont gardé la même épaisseur que le contrôle. Majzoobi et al. (2014a) ont noté une diminution du volume et du poids des gâteaux (effets indésirables) enrichis avec 20%
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d’amidon résistant de maïs (figure 2). En effet, la substitution partielle de la farine par les fibres diminue le gluten présent dans la farine. Il est connu que le gluten a une capacité de rétention d’eau élevée et plusieurs fonctionnalités que les fibres substituées ne peuvent pas compensées. Ceci a pour conséquence directe l’apparition de l’eau libre et une diminution de la consistance de la pâte. Le remplacement par l’amidon résistant s’accompagne d’une grande rétention d’air dans la pâte qui réduit sa densité (Zhou et al., 2011). D’autre part, la gélatinisation de l’amidon est le facteur clé qui influence le volume et la qualité du gâteau. L’amidon résistant gélatinise difficilement lors du développement de la pâte et diminue le volume des gâteaux (Wilderjans et al., 2010). Cet amidon résistant réduit les pigments disponibles pour la réaction de Maillard et de caramélisation qui affectent la couleur de la croûte et de la mie (Baixuli et al., 2008). Une diminution du volume a été également observée lors de la formulation des gâteaux par une substitution partielle de la farine de blé par le marc de pomme (Sudha et al., 2007). L’ajout des fibres affecte les propriétés de la pâte et cela dépend du type de fibres. Par exemple, l’addition du son de blé, de riz, d’avoine et d’orge augmente l’absorption d’eau et diminue la stabilité et le degré de ramollissement (Sudha et al., 2007). L’utilisation de la fibre de betterave réduit de 73,8% la stabilité et perturbe la viscoélasticité de la pâte (Rosell et al., 2006, 2010). Certains auteurs ont remarqué par contre que la stabilité de la pâte augmente avec certaines fibres telles que l’inuline (Peressini et Sensidoni, 2009) et le son de blé (Sanz Penella et al., 2008). L’incorporation du son de blé a conduit à une réduction de l’extensibilité de la pâte mais elle a augmenté lors de l’ajout des fibres de caroubes, de pois et l’inuline. Les fibres du son de blé absorbent beaucoup d’eau alors que les fibres de caroube sont solubles et ont une faible CRE. Une autre explication est la structure moléculaire des fibres utilisées qui varient d’une fibre à l’autre (Gómez et al., 2010).
Figure 2: Influence des teneurs en amidon sur la qualité du gâteau Adaptée de Majzoobi et al. (2014a)
