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REVUE BIBLIOGRAPHIQUE REVIEW
Les composés volatils soufrés en chimie des arômes
J.-J. Filippi, X. Fernandez*, E. Duñach
SUMMARY
Volatile organosulfur compounds (VOSCs) in flavour chemistry.
An overview on the interest of volatile organosulfur compounds (VOSCs) in flavour chemistry is presented. This review deals with the analytical identifi- cation of VOSCs with classical and specific methods, the biosynthetic and chemical pathways involved in their formation as well as their syntheses and their use in commercial flavouring compositions.
Keywords
flavour, volatile sulfur compounds, specific detectors, biosynthetic pathways, syntheses, flavouring compositions.
RÉSUMÉ
L’intérêt des composés volatils soufrés en chimie des arômes est évoqué dans les différents aspects impliqués dans ce domaine : leur identification dans les matrices alimentaires au moyen de détection classique et/ou spéci- fique, leurs modes de formation principalement biosynthétiques ou thermi- ques, enfin leur synthèse ainsi que leur utilisation dans les formulations d’arômes.
Mots clés
arômes, composés volatils soufrés, détecteurs spécifiques, biosynthèses, synthèses, formulation.
Laboratoire de Chimie des Molécules Bioactives et des Arômes – UMR CNRS 6001 – Université de Nice- Sophia Antipolis – Faculté des Sciences – Parc Valrose – 06108 Nice cedex 2 – France.
* Correspondance : [email protected]
1 – INTRODUCTION
Employé dans des cataplasmes ou encore dans des bains, le soufre est connu depuis l’Antiquité pour ses vertus curatives. Son nom vient du sanscrit sulvere, qui a donné sulphurium en latin. La présence d’un ou plusieurs atomes de soufre au sein d’une molécule est souvent synonyme d’activité biologique voire de toxicité. Son action est reliée à sa réactivité propre ou bien se limite à un rôle purement structural. C’est le cas par exemple des protéines dont la structure spatiale est en partie due à la présence de ponts disulfures entre deux unités cystéine.
Le soufre en tant qu’élément chimique tient une place particulière en chimie organique, son nombre d’oxydation peut varier entre – 2 et + 6 ce qui lui permet d’être présent dans des fonctions équivalentes aux fonctions oxygénées classi- ques, telles que les thiols, sulfures et thiocarbonyles mais également dans des fonctions où son état d’oxydation augmente, telles que les disulfures, polysulfu- res, sulfoxydes, sulfones ou encore acides sulféniques, sulfiniques, sulfoniques et leurs dérivés.
La plupart du temps, on associe au soufre un caractère malodorant qui rebute souvent le grand public et même le chimiste. Cette mauvaise réputation est à mettre sur le compte du tristement célèbre sulfure d’hydrogène, H2S, composé toxique (mortel à des concentrations de 500 à 1 000 ppm) dont l’odeur tenace (seuil de perception compris entre 0,01-0,0001 mg/m3) et nau- séabonde « d’œuf pourri » ne ravit guère la muqueuse olfactive humaine (Fiche toxicologique de l’INRS). C’est pourquoi la chimie du soufre a pâti d’un certain retard, rattrapé cependant ces dernières décennies.
Ainsi, depuis plusieurs années, les progrès réalisés en chimie analytique ont permis de mettre en évidence la présence de nombreux composés soufrés dans des matrices naturelles et notamment dans nos aliments, procurant du même coup un regain d’intérêt pour cette famille de molécules. Il ressort de ces études analytiques qu’une grande variété de fonctions liées au soufre sont pré- sentes à l’état naturel au sein de nos aliments : thiols, sulfures et polysulfures, sulfoxyde et sulfones, sulfinates et hétérocycles soufrés… (tableau 1) (NIJSSEN
et al. 1996).
D’un point de vue général, les composés soufrés volatils présentent des propriétés sensorielles notables. Leur caractère organoleptique se définit le plus souvent par une note olfactive singulière, accompagnée d’un faible seuil de per- ception. Ainsi, parmi la très large variété de composés volatils soufrés déjà décrits, des molécules telles que le furfurylthiol (STAUDINGER et REICHSTEIN, 1925) et le p-menthène-8-thiol (DEMOLE et al. 1982) identifiés respectivement dans le café et dans le pamplemousse en sont les exemples les plus représen- tatifs, de par leurs faibles seuils de perception et leurs notes olfactives (tableau 1).
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit Tableau 1 Exemple de composés soufrés dans des matrices naturelles d’intérêt en chimie des arômes. Composé/OrigineNom/NomenclatureSeuil de perception ng.L-1Note olfactiveRéférence 2-isobutylthiazole3 500aTomate verteBUTERRYet al., 1987 1-p-menthène-8-thiol0,02bPamplemousse fraisDEMOLEet al.,1982 3,4-diméthyl-2-(propyldithio)- thiophène10-50aOignons fritsKUOet al., 1990 Furfurylthiol5aCafé torréfiéTRESSL et SILWAR, 1981 Disulfure de diallyle30 000aAilVERNINet al., 1986 2,4-diméthyl-(4H)pyrrolidino[1,2]- 1,3,5-dithiazine10–8aSoufrée, rôtie, crustacés cuisinésKUBOTAet al., 1991 Sulfure de diméthyle Disulfure de diméthyle Trisulfure de diméthyle 1 000a 7 600a 10aChou cuitMACLEOD et MACLEOD, 1968 BUTTERYet al., 1976
SN SH SSS OSH S S N S
S S SS S SS
2-méthylfuran-3-thiol0,02a 0,001 à 0,0025cViande rôtieTRESSL et SILVAR, 1981 2-acétyl-2-thiazoline1 300a 0,05cPop corn, pain cuitBBOELENS et VAN GEMERT, 1993 2-méthyl-4-propyl-1,3-oxathiane2 000aExotique, vert, brûléWINTERet al., 1976 Isothiocyanate d’allyle37cPiquanteBUTTERYet al., 1976 2-acétylthiophène80aOignon, moutarde, rôtieMACLEOD et MACLEOD, 1968 Méthional200aPomme de terre cuiteBOELENS et VAN GEMERT, 1993 Disulfure de bis(2-méthyl-3-furyle)0,02a 0,0006à 0,028cBœuf cuisiné, note thiamineBUTTERYet al., 1984 . . .
Composé/OrigineNom/NomenclatureSeuil de perception ng.L-1Note olfactiveRéférence O
SH SNO SO NCS S O SH
O O SS O
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On estime aujourd’hui que les produits volatils soufrés représentent entre 10 et 15 %, en nombre, des composés odorants ou aromatisants identifiés dans les matrices naturelles (BOELENS et VAN GEMERT, 1993). L’accumulation des connaissances sur cette famille de composés a naturellement conduit les cher- cheurs à orienter leurs travaux vers l’étude toujours plus développée des composés volatils soufrés. Si l’analyse des matrices naturelles demeure tou- jours d’actualité dans la recherche de nouvelles molécules, les efforts déployés en synthèse organique ont été plus particulièrement ciblés sur la mise au point de nouvelles voies permettant d’accéder aussi bien à des composés préalable- ment identifiés dans les matrices naturelles qu’à des composés purement artifi- ciels, souvent analogues des premiers.
L’objectif de cet article est de présenter un état des lieux du rôle joué par les composés soufrés volatils dans le domaine des arômes alimentaires. Nous pré- senterons ainsi les avancées technologiques qui ont permis la mise en évidence d’un grand nombre de composés soufrés dans nos aliments, leurs principales voies de formation ainsi que des méthodes de synthèse des composés les plus représentatifs.
2 – DÉTECTION ET IDENTIFICATION DE COMPOSÉS SOUFRÉS DANS LES ALIMENTS
L’intérêt actuel porté aux composés volatils soufrés résulte de leur identifi- cation toujours plus fréquente au sein des matrices naturelles et notamment ali- mentaires. La réelle avancée en matière d’identification des composés aromatisants naturels coïncide avec le développement de la Chromatographie en phase Gazeuse (GC) et surtout son couplage avec la Spectrométrie de Masse (couplage GC/MS) (BOUCHONNET et LIBONG, 2004). Les progrès informati- ques réalisés dans les années 80 ont permis un traitement du signal rapide et efficace ainsi que la constitution de banques de données spectrales facilitant l’identification des composés détectés. Cette identification peut être alors confirmée par le calcul des indices de Kovats (KOVATS, 1958) ou de Van den Dool (VANDEN DOOL et KRATZ, 1963) déterminés par chromatographie en phase gazeuse sur des phases stationnaires de polarité différente. Cependant une grande partie des composés soufrés présents dans nos aliments le sont sou- vent à des concentrations inférieures aux limites de détection de ces instru- ments analytiques. La mise en évidence et l’identification ne sont alors possibles qu’après des étapes d’enrichissement souvent longues et fastidieu- ses.
L’utilisation de détecteurs spécifiques au soufre se révèle alors très avanta- geuse, puisqu’ils permettent de mettre en évidence très rapidement les compo- sés soufrés présents, même à des concentrations de l’ordre du ppb. Les plus utilisés sont le détecteur à photométrie de flamme (FPD) (BRODY et CHANEY, 1966), le détecteur à chimiluminescence (SCD) (BENNER et STEDMAN, 1989) et le détecteur à émission atomique (AED) (SULLIVAN et QUIMBY, 1989). Par leur robustesse et leur facilité d’utilisation, le FPD et sa récente évolution le PFPD, détecteur à photométrie de flamme pulsée (CHESKIS et al., 1993), restent les
plus utilisés en laboratoire en association avec la chromatographie en phase gazeuse. Le principe de cette détection est basé sur la mesure de l’intensité lumineuse produite par la désactivation d’espèces excitées S2*. Celles-ci sont générées par les composés soufrés brûlant dans une flamme riche en hydro- gène. L’émission produite lors de la désactivation est alors filtrée (393 nm) puis photomultipliée pour conduire à un courant.
Dans le cas du détecteur à chimiluminescence (SCD) (BENNER et STEDMAN, 1989), la combustion d’espèces soufrées dans un four ou dans une flamme riche en hydrogène génère du monoxyde de soufre SO qui, en réagissant avec l’ozone, produit du dioxyde de soufre excité SO2*. Celui-ci relaxe vers l’état fondamental par photo-émission d’une raie lumineuse centrée autour de 360 nm.
Contrairement aux FPD et SCD, le détecteur à émission atomique (AED) per- met une détection multiéléments simultanée. Il utilise un plasma induit par micro-ondes et un spectrophotomètre à barrette de diodes. Les molécules éluées en sortie de colonne, sont portées à l’état d’atomes libres, lesquels sont excités par collision avec les particules du plasma (SULLIVAN et QUIMBY, 1989).
Lors du retour à l’état stable, ils émettent une radiation de longueur d’onde caractéristique pour chaque élément. Pour un même composé, il est donc pos- sible d’obtenir un chromatogramme par élément (C, N, S, O, P, etc.) et d’en déduire ainsi sa composition élémentaire en considérant l’aire relative des pics obtenus pour chaque élément.
Le tableau 2 présente une comparaison de ces détecteurs. Même s’ils ne sont pas toujours plus sensibles, linéaires, répétables que les détecteurs univer- sels, ils permettent de simplifier grandement les chromatogrammes en mettant en évidence les composés soufrés. Cela est particulièrement intéressant lors de l’étude d’arômes très complexes ou les composés soufrés peu concentrés peu- vent co-éluer avec des composés hydrocarbonés bien plus abondants.
Tableau 2
Performances des détecteurs universels et spécifiques au soufre.
(TRANCHANT, 1996 ; PELLEGRIN, 2003)
Détecteur Sensibilité (en g/s) Linéarité Sélectivité (S/C)3 Prix (k€)
FID 2~ 2,10-12 107 – ~ 4
SM (SCAN)1 2~ 1,10-12 – – ~ 50
SM (SIM)2 ~ 20,10-15 107 – ~ 50
FPD 2~ 1,10-10 103 103-106 9-11
PFPD 2~ 2,10-13 104 > 105 10-15
AED 2~ 2,10-12 104 104 ~ 100
SCD 2~ 5,10-12 105 - 15-20
1. Mode « balayage » ou (« fullscan »).
2. Mode sélection d’ion(s) (Single Ion Monitoring).
3. Sélectivité entre les espèces soufrés et carbonés.
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La comparaison des performances, des prix et de la praticité de ces détec- teurs montre que le PFPD semble à l’heure actuelle le plus intéressant.
Les différentes techniques de détection apportent des informations structu- rales sur les composés présents mais il est souvent nécessaire d’associer la détection physiologique pour confirmer la présence et le potentiel olfactif d’une molécule au sein d’un extrait avant d’entamer les étapes d’enrichissement nécessaires à leur identification structurale complète. L’utilisation du couplage GC/olfactométrie (GC/O) (GUICHARD, 1992) s’avère d’un intérêt primordial dans la recherche de composés à fort impact olfactif dans les matrices naturelles.
Cette méthode d’analyse des mélanges complexes de composés aromati- sants associe une détection physique, généralement un détecteur FID à une détection sensorielle réalisée par différents juges entraînés à la reconnaissance et caractérisation d’odeur. Pour cela, on utilise un chromatographe modifié par le rajout d’une ligne de transfert chauffée menant à un cône d’olfaction.
Ainsi, les études réalisées sur des extraits de cassis (RIGAUD et al., 1986), de fruits exotiques (WERKHOFF et al., 1998, WEENEN et al., 1996, NISHIMURA et al., 1989, BERGER et al., 1985) ou de viandes (SAHIDI, 1998) ont permis la caractéri- sation d’une grande variété de molécules soufrées incluant des structures diverses de type thiol, (poly)sulfure, thioester et hétérocycle.
Les investigations menées par GC/O sur ces différents extraits ont égale- ment permis de confirmer le potentiel organoleptique de ces composés en dépit de leur présence à l’état de traces. De même, d’autres végétaux tels que les crucifères et les alliacées sont reconnus pour avoir un arôme largement influencé par les composés volatils soufrés.
Ainsi en 1996, on recensait plus de 633 composés volatils soufrés identifiés dans la nature (NIJSSEN et al. 1996) dont 172 thiols et (poly)sulfures, 78 thiophè- nes, 91 thiazoles, 52 thianes, 44 thiocyanates (36 isothiocyanates), 24 thiolanes, 22 thioesters, 18 dithianes et dithiazines, 42 methylthio-dérivés, 90 divers.
3 – FORMATION DES COMPOSÉS SOUFRÉS DANS NOS ALIMENTS
Plusieurs processus sont à l’origine de la production des molécules aromati- santes. Les voies de formation les plus communément citées sont les voies enzymatiques ainsi que les réactions de dégradation thermique, en particulier les réactions de brunissement non enzymatique plus connues sous le nom de réactions de Maillard (MAILLARD, 1912) ou encore la dégradation thermique de la thiamine (GÜNTERT et al., 1993). Il en résulte la formation d’arômes dits primaires et/ou d’arômes secondaires dont il est utile de faire la distinction. Les premiers sont des molécules aromatisantes biosynthétisées ou présentes à l’état naturel sans qu’aucune intervention extérieure n’ait eu lieu. Les seconds englobent les composés issus de processus enzymatiques dus à la fermentation, le broyage, la mastication ou de processus thermiques liés à la cuisson, le grillage ou la tor- réfaction. Dans le premier cas il est possible de citer les fruits exotiques, capa- bles de réaliser la biosynthèse de certains composés soufrés contribuant à leur arôme lors de la maturation. Dans le second cas, sont répertoriés les légumes
tels que les crucifères et les alliacées, ainsi que le café, le cacao et la viande qui développent respectivement leur arôme après torréfaction, broyage ou cuisson.
Cependant, il est souvent difficile de classer les molécules aromatisantes en tant qu’arôme primaire ou secondaire au vu des difficultés à définir une frontière entre production naturelle et intervention extérieure. De plus, l’occurrence des différents composés soufrés dépend directement des sources de soufre dispo- nibles au sein de la matrice d’origine (figure 1). Les acides aminés soufrés tels que la cystéine, la cystine, la méthionine ou des molécules telles que la thia- mine (vitamine B1) ou la glutathione jouent un rôle prépondérant dans la plupart des circuits de formation des molécules volatiles soufrées. Par ailleurs, les molécules volatiles libérées lors des différents stades des voies de formation peuvent également devenir des sources d’espèces soufrées réactives telles que H2S ou CH3SH, lors de processus complexes de dégradation.
Bien qu’il existe une multitude de voies enzymatiques conduisant à la forma- tion des composés volatils soufrés, la voie de la myrosinase et la voie des cys- téine-lyases, avec en particulier celle de l’alliinase, sont à l’heure actuelle les voies de formation enzymatique les plus étudiées et donc les mieux établies.
3.1 Voie de la myrosinase : formation des isothiocyanates, thiocyanates
Naturellement présents au sein des légumes du genre cruciferae, les gluco- sinolates subissent l’action d’une enzyme, la myrosinase, lors de la dégradation des tissus. Celle-ci va cliver la liaison thioglucosidique pour libérer des intermé- diaires qui conduisent, après perte du groupement sulfoxyde et réarrangement, aux isothiocyanates, thiocyanates et nitriles, molécules spécifiques de l’arôme des crucifères (figure 2) (TAKEOKA, 1999).
NH2 HOOC
SH
NH2
HOOC
S CH3
L-cystéine L-méthionine Thiamine (vitamine B1) N
N H3C
NH2
N S
CH3 OH Y
HOOC N
H N NH2
O SH
O H COOH Glutathione
– +
Figure 1
Principales sources de soufre dans les matrices naturelles.
R S
N Glc
O SO3– K+ R
SH N O
SO3– K + Myrosinase
H2O
R N C S
R S C N
R C N
Isothiocyanates Thiocyanates Nitriles Glucosinolates
_ KHSO4
_ KHSO4
_ S _ KHSO4
Glc : motif β-D-glucopyranose
Figure 2
Glucosinolates précurseurs de composés volatils soufrés.
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Les glucosinolates sont des (Z)-N-hydroxysulfates de β-thioglucosides (ou thiohydroxymates de S-glucopyranosyles) qui possèdent une chaîne latérale variable et un motif β-D-glucopyranose. Près de 120 glucosinolates différents sont rencontrés dans la nature dont environ une centaine est présente chez les crucifères. La formation des glucosinolates suit un processus complexe qui implique plusieurs acides aminés. Dans le végétal intact, les glucosinolates sont physiquement séparés de la myrosinase. Ainsi, l’hydrolyse ne peut avoir lieu que lors de la destruction des cellules de la plante survenant par altération lors du vieillissement, de la préparation, de la mastication… Dans ce cas, la myrosi- nase clive la liaison thioglucosidique et génère un intermédiaire instable, qui se décompose et se réarrange selon les conditions du milieu. Pour un pH neutre ou légèrement basique, un réarrangement de type Lossen conduit à la forma- tion préférentielle d’isothiocyanates.
3.2 Voie des cystéine-lyases : formation de thiosulfinates et de (poly)sulfures
Cette voie de formation intervient principalement dans les espèces du genre Allium qui comprend l’ail, l’oignon, l’échalote et le poireau. Les S-alkyl et S-alké- nylcystéine-S-oxydes sont les précurseurs non volatils des composés volatils soufrés contribuant à l’arôme de ces aliments (BLOCK, 1992). Quand les tissus végétaux sont altérés, ces précurseurs sont clivés sous l’action d’une cystéine- lyase, appelée également alliinase, pour conduire à la libération d’acides sulféni- ques qui se condensent sous forme de thiosulfinates. Ces molécules définis- sent l’odeur d’oignon ou d’ail fraîchement coupé et génèrent sous l’action de la chaleur des disulfures et polysulfures caractéristiques de l’arôme d’oignon ou d’ail cuisiné (figure 3).
3.3 Réactions de Maillard et dégradation de Strecker
Les réactions de brunissement non enzymatique, appelées réactions de Maillard (MAILLARD, 1912) sont à l’origine de la plupart des composés volatils obtenus après transformation thermique d’un aliment (LEDL et SCHLEICHER, 1990). Ces réactions ont généralement lieu lorsque des acides aminés sont mis en présence de sucres réducteurs, l’ensemble étant exposé à une source de chaleur. Le réarrangement et la dégradation des différents intermédiaires (Ama- dori, Heyns) conduisent à la formation d’une part considérable d’hétérocycles volatils dont les thiophènes et les thiazoles (figure 4) (FERNANDEZ et al., 2002).
On observe également lors de ces réactions la formation de pigments bruns appelés mélanoïdines. En fin de réaction, cette masse brune représente en
R S
COOH O NH2
R S OH Cystéine
Lyase
R S SR O
Acide sulfénique + pyruvate + NH3
Dimérisation
Thiols Sulfures Disulfures Trisulfures Thiosulfonates Δ
Figure 3
Formation des composés volatils soufrés dans les alliacées.
poids presque la totalité des produits initialement introduits, tandis que les composés aromatisants volatils n’en constituent qu’une infime fraction.
La dégradation de Strecker A (figure 4) est une des étapes les plus importan- tes des réactions de Maillard. Elle conduit à la production d’aldéhydes et d’ami- nes par réaction d’acides aminés avec les composés α-dicarbonylés volatils tels que le glyoxal ou la butanedione, ainsi qu’à partir des réductones et déhydroré- ductones. La cystéine, en présence de glyoxal se dégrade selon deux voies qui conduisent soit à la libération d’ammoniac NH3, de sulfure d’hydrogène H2S et d’acétaldéhyde soit à la formation de sulfanylacetaldéhyde et d’α-aminocétones ou aldéhydes (figure 5). Appliquée à la méthionine, la dégradation de Strecker A suit la voie d’une isomérisation suivie d’hydrolyse pour conduire à la formation de méthional. Celui-ci peut alors se dégrader en libérant de l’acroléine et du methanethiol qui pourra s’oxyder en disulfure de diméthyle (figure 6).
Tous les réactifs libérés au cours de ces réactions vont jouer un rôle impor- tant dans la formation ultérieure des composés volatils odorants et notamment des hétérocycles. Le sulfure d’hydrogène peut également être libéré par dégra- dation thermique de la thiamine (GÜNTERT et al., 1993) et de la glutathione (FER- NANDEZ et al., 2002). Ces différentes sources de soufre vont intervenir à tous les niveaux de la réaction de Maillard. En effet, les aldéhydes libérés lors de la dégradation de Strecker des acides aminés conduisent, en présence de H2S, aux trithiolanes, trithianes et autres dithiazines (étape B, figure 4). À l’étape C, les composés α-dicarbonylés peuvent conduire à la formation de thiazoles en pré- sence de NH3, de H2S et d’aldéhydes. Les thiophènes sont quant à eux formés lorsque les furanes ou leurs précurseurs sont mis en présence de H S (étape D).
Intermédiaires d’Amadori et de Heyns Sucres + acides aminés
Réductones et déhydroréductones Composés
α-dicarbonylés volatils
Aldéhydes α-aminocétones
Furanes et pyranes
Rétroaldolisation Cyclisation
Dégradation de Strecker
Composés volatils odorants hétérocycles A
B
C D
Figure 4 Réactions de Maillard.
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3.4 Dégradation thermique de la thiamine et des ribonucléotides La dégradation thermique de la thiamine (vitamine B1) conduit au 2-méthyl- furan-3-thiol mais également à des dérivés de la famille des thiazoles dont le sulfurol (figure 7). De même, l’hydrolyse enzymatique des ribonucléotides tels que l’inosine monophosphate (IMP) permet d’accéder au ribose-5-phosphate, précurseur de la 4-hydroxy-5-méthyl-3(2H)-furanone (norfuranéol®). Lors des différents processus de transformation thermique, cette furanone conduit éga- lement, sous l’action de H2S, à la formation du 2-méthylfuran-3-thiol mais aussi à divers thiophènes analogues (figure 8) (VANDEN OUWELAND et PEER, 1975).
HS N
O H HS
N O H + H2O
H2N O
H
HS O
H
N O
H H2S
+
+
+2 H2O
CH3
O H
NH3
O H
O H
+ +
– CO2
SH N O O O
H
H SH
NH2
O HO
H O
O H
+
– H2O Cystéine Glyoxal
Sulfanylacétaldéhyde α-Aminoacétaldéhyde
Figure 5
Dégradation de Strecker à partir de la cystéine et du glyoxal.
H2N COOH R O S
O R’
R N
H S O
R’
COOH
N COOH
S R
R’ OH
O COOH
S H2N R
O R’
S O
H
CO2
+
+ Méthional
Méthionine
O H CH3SH
Méthanethiol
+ H2O
Figure 6
Libération de méthional et de méthanethiol lors de la dégradation de Strecker de la méthionine.
Ces deux voies de formation sont particulièrement impliquées dans le déve- loppement de l’arôme de viande cuisinée et grillée (MAGA, 1975 ; MOTTRAM et MOTTRAM, 2002).
N N H2N N S HO
N
HO S N
N NH2
OH
N S N S N S
N N
NH2
NH S HO
CHO
OHO SH
N N NH2
NH2
OHO HO
O OH SH
OHO
O SH O
O
O
O SH O
O
O +
+ +
+
H3O+
– H2O
– H2O [O]
[O]
Thiamine
2-méthylfuran-3-thiol Sulfurol
Y
–
OH_ OH_
[red]
[O]
isom.
– H2O
+
Figure 7
Dégradation thermique de la thiamine.
X = O,S.
Ribose-5-phosphate
O OH OH P O
O OH
HO OH
O OH HO
OH
H3PO4 O
OH OH HO
O O HO H2O
S O HO
O HO O
H2S HO H2O
X HS
X HS
X HS
X HS X
OH HS
X O HS +
H2S H2S
S O HS
O O HS
Figure 8
Mode de formation des principales molécules d’arôme de viandes.
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4 – SYNTHÈSES DE COMPOSÉS SOUFRÉS AROMATISANTS
L’incorporation directe du soufre au sein de molécules organiques est géné- ralement réalisée en utilisant soit sa forme élémentaire – appelée également soufre fleur (S8) – soit des agents de sulfuration plus ou moins complexes (H2S, acide thioacétique, réactif de Lawesson, thiourée, P4S10, hexaméthyldisila- thiane). Le chimiste organicien dispose désormais d’une large gamme d’agents de sulfuration, cependant la production de molécules soufrées à relativement grande échelle ne peut faire appel à des agents de sulfuration souvent perfor- mants mais apportant des inconvénients tant au point de vue du coût que de la pollution. C’est pourquoi la synthèse industrielle se limite la plupart du temps à l’emploi d’agents de sulfuration relativement simples tels que l’acide thioacéti- que CH3COSH, ses sels ou le sulfure d’hydrogène H2S.
4.1 Accès aux thiols et sulfures
Les thiols peuvent être obtenus directement par addition de sulfure d’hydro- gène sur des doubles liaisons carbone-carbone ou par substitution nucléophile de groupements partants tels que les sulfonates et les halogénures en présence de thiourée ou de NaSH. Ils sont également synthétisés par hydrolyse ou réduc- tion des thioesters correspondants (2 étapes) ou par l’action du réactif de Lawes- son à partir des alcools correspondants (NISHIO, 1989 et 1993). Les sels de Bunte, obtenus à partir d’halogénures d’alkyle primaires ou secondaires peuvent égale- ment conduire après hydrolyse au thiols correspondants (KICE, 1963) (figure 9).
X = Cl, Br, I
Na2S2O3
RX RS-SO3- Na+ RSH
H+
H2O R
R’
O
SH R’
O R
H2S
1) MeONa, MeOH 2) H+,H2O
RSAc RSH
ArMgX 1) S8
2) H3O+ ArSH Réactif de Lawesson
ROH RSH
NaSH
X= OMs, Cl, Br
RX RSH
X= OH,Cl, Br RS NH2
NH2+ X-
RX Thiourée NaO H RSH
Figure 9
Méthodes générales de synthèse des thiols.
Le p-menthène-8-thiol, identifié dans le jus de pamplemousse frais, est con- sidéré comme étant un des composés aromatisants les plus puissants connus à ce jour. En 1982, Demole et coll. (Firmenich) le synthétisent par réduction du thiirane intermédiaire obtenu après sulfuration du 8,9-epoxylimonène (figure 10) (DEMOLE et al., 1982).
Le furfurylthiol est un constituant essentiel de l’arôme de café, et à ce titre il bénéficie d’une attention particulière dans l’industrie des arômes. De manière classique, il est synthétisé par action de la thiourée sur l’alcool furfurylique (figure 11) (BAUER et al., 2001).
En 2003, Huynh-Ba et coll. (Nestlé) proposent un procédé d’obtention du furfurylthiol par bioconversion (figure 12). L’action de la levure de boulanger sur la thiazolidine issue de la condensation du furfural et de la (L)-cystéine permet l’obtention du furfurylthiol. Ce procédé laisse entrevoir une voie d’obtention de thiols « naturels » (HUYNH-BA et al., 2003).
De manière générale, la synthèse des sulfures fait intervenir un thiolate dans des conditions de substitution nucléophile d’un halogénure ou d’un sulfonate.
L’action du Na2S sur des halogénures ou l’action de soufre élémentaire sur des réactifs de Grignard sont également décrites. L’addition d’un thiol ou d’un thioester sur une double-liaison C-C isolée peut se dérouler selon 2 voies : en
O S
SH i) Thiourée, H2SO4
ii) Na2CO3, H2O
LiAlH4
1-p-Menthène-8-thiol Figure 10
Synthèse du 1-p-menthène-8-thiol à partir du 8,9-époxylimonène.
O
OH
O
S NH2Br NH2
+
O NaOH SH
Thiourée Alcool
furfurylique Furfurylthiol
–
Figure 11
Synthèse du furfurylthiol à partir de l’alcool furfurylique.
O CHO O
S H
N COOH
O
L-cystéine Levure de SH
boulanger
Furfurylthiol Figure 12
Accès au furfurylthiol par bioconversion à partir du furfural.
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présence d’un catalyseur acide de Brönsted ou de Lewis, elle conduit au pro- duit Markovnikov (WEIWER et al. 2006), tandis qu’en présence d’un initiateur de radicaux le produit anti-Markovnikov est obtenu (figure 13) (GRIESBAUM K., 1970). La réaction d’un thiol sur une double liaison activée s’effectue en 1,4- selon une addition de type Michael. L’addition de H2S ou d’acide thioacétique sur les doubles liaisons C-C suit les mêmes règles dans le cas de la synthèse des thiols et des thioesters.
En 1984, Pickenhagen propose une synthèse énantiosélective du 2-methyl- 4-propyl-1,3-oxathiane identifié dès 1976 par Winter et coll. dans un extrait de fruit de la passion jaune. L’asymétrie est induite par oxydation de Sharpless sur le (E)-2-hexèn-1-ol en début de synthèse (figure 14) (PICKENHAGEN et BRONNER- SCHINDLER, 1984).
L’oxydation des thiols conduit généralement à l’obtention des disulfures symétriques correspondants (LEINO et LÖNNQVIST, 2004). Toutefois, leur prépa- ration requiert une oxydation ménagée pour éviter la formation secondaire de
RSH RSSR
R’SH RS- M+
X = OMs, Cl, Br
RX RSR Oxydation
RSSR RSSR’
Na2S
2 RX RSR
R’SH
RSH RSSR’
RMgX
1) S8 2) RMgX
RSR
R R SR
R’S H Voie radicalaire
R R SR’
R’SH DEAD
Catalyse acide
Figure 13
Méthodes classiques de synthèse de sulfures et disulfures.
OH OH
O
OH S
OH O SH
S O
S +
Ti(OiPr)4
tBuOOH (+)-tartrate de diéthyle
i) Thiourée H2SO4 ii) Na2CO3, H2O
CH3CHO, H+ NaAlH2(OCH2CH2OCH3)2
2-méthyl-4(S)propyl-1,3-oxathiane
3(S)-Sulfanylhexanol
(trans)- (cis)-
Figure 14
Synthèse énantiosélective du cis- et trans-2-méthyl-4(S)-propyl-1,3-oxathiane.
sulfoxydes et sulfones souvent indésirables. Les méthodes les plus couram- ment utilisées pour synthétiser les disulfures disymétriques sont la transthioété- rification d’un disulfure symétrique (ex : MeSSMe) par un thiol, ou l’utilisation d’azodicarboxylate de diéthyle (DEAD) dans un procédé séquentiel de couplage (MUKAIYAMA et TAKAHASHI, 1968) (figure 13).
4.2 Accès aux thioesters
Les thioesters sont généralement synthétisés par estérification des thiols correspondants, cependant il existe des voies alternatives à l’estérification clas- sique (figure 15). Il est possible d’y accéder par addition d’acide thioacétique soit pour fonctionnaliser une double liaison C-C (WEIWER et DUNACH, 2006) soit, comme nous l’avons vu pour les thiols, dans le but de substituer des groupe- ments partants (halogénures, sulfonates). La substitution directe des alcools par l’acide thioacétique dans les conditions de Mistunobu (PPh3, DEAD par exem- ple) permet également d’obtenir les thioacétates correspondants (VOLANTE, 1981).
4.3 Accès aux thiophènes et thiazoles
Les thiophènes qui sont généralement utilisés dans la formulation d’arômes de viande grillée, sont synthétisés par sulfuration de composés 1,4-dicarbony- lés en présence de H2S ou de P4S10. Les thiophènes peuvent alors être soumis à des acylations dans les conditions de Friedel et Crafts et conduire aux alkyl- thiophènes après réduction (figure 16) (EICHER et HAUPTMANN, 2003).
R’’
R’
R
AcS R’’’
H AcSH
R R’
O
R R’
O SAc AcSH
R OSO2CH3 R SAc
AcSK ou AcSH/Et3N
R OH AcSH/PPh3/DEAD R SAc
R’’
R’’’
R’
R
Figure 15
Diverses voies d’obtention de thioesters.
O O
P4S10
S
S
RCOCl
AlCl3 S R
O
S R
O
S R
Wolff-Kishner S
RCOCl
AlCl3 S
O R
Figure 16
Exemples de synthèses des thiophènes diversement substitués.
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La diversité des propriétés sensorielles rencontrées parmi les thiazoles et leurs dérivés en font des composés cibles dans l’industrie des arômes. Leur incorporation au sein des formulations peut se retrouver aussi bien dans un arôme « chocolat » que dans un arôme « fruit exotique ». Les thiazoles peuvent être synthétisés directement par l’addition d’un thioamide sur un α-halogéno- carbonyle, soit par oxydation des thiazolines ou des thiazolidines intermédiaires (figure 17) (JAMESON, 2001).
5 – LÉGISLATION
La FEMA (Flavours and Extracts Manufacturer’s Association) opère réguliè- rement la mise à jour d’une liste regroupant les composés GRAS (Generally Recognized As Safe) ayant fait l’objet d’études toxicologiques et physico-chimi- ques (GRUNDSCHOBER, 1999, EVENHUIS, 1986). Au niveau européen, la Commu- nauté Européenne publie régulièrement une liste de composés chimiques autorisés dans les formulations d’arômes sur le marché européen (CEE, 2002).
Cette liste comporte actuellement 403 composés soufrés. Si l’on procède à une classification des composés inscrits selon leur fonction soufrée, il est possible de constater la forte proportion de sulfures, de thiols et d’hétérocycles tels que les thiazoles et les thiophènes (tableau 3).
Il est important de noter que les structures furaniques, possédant au moins un atome de soufre, qui sont au nombre de 46, ne sont pas mises en évidence par cette classification. Parmi eux, il est possible de citer le furfurylthiol, le 2-méthylfuran-3-thiol et son disulfure, qui sont reconnus pour leur fort impact olfactif dans l’arôme du café torréfié et de la viande rôtie.
R O
SH R’
+ NH3
S R N R’
R’’CHO R’’
S R N R’
R’’
S R N R’
R’’
R O
Cl R’
+
S R N R’
R’’
S R’’
H2N
[Ox]
Figure 17
Synthèses de 3-thiazolines et de thiazoles.
Tableau 3
Classification des composés soufrés autorisés en Europe pour la formulation d’arômes (CEE, 2002).
6 – UTILISATION DES COMPOSÉS SOUFRÉS DANS LES FORMULATIONS D’ARÔMES
Les différents composés soufrés aromatisants autorisés dans l’alimentaire peuvent être destinés à des utilisations très différentes. En raison de seuils de perception souvent très bas, leur incorporation dans les formulations ne néces- site généralement que d’infimes quantités. C’est ainsi que les volumes mon- diaux annuels d’utilisation des produits soufrés aromatisants sont difficilement chiffrables et les industriels exploitants sont généralement réticents à dévoiler la composition de leurs formulations malgré la multitude de brevets déjà déposés sur l’emploi de ces molécules.
À l’heure actuelle, il est ainsi possible de dénombrer près de 1 200 brevets traitant de l’utilisation de composés soufrés dans le domaine des arômes. La plupart sont des brevets d’application où un ou plusieurs composés soufrés rentrent dans la formulation d’arômes. Cependant, on rencontre également des brevets plus spécifiques protégeant la préparation et l’utilisation d’une molécule voire d’une série de composés appartenant le plus souvent à une même famille de molécules. Ces brevets découlent généralement d’études analytiques ayant permis la mise en évidence dans des matrices naturelles de
Classe Nombre de composés
Sulfures et polysulfures dont Alkylthio-*
Sulfures Disulfures Trisulfures Polysulfures
151 59 38 33 11 10
Thiols 88
Thiazoles 54
Thiophènes 39
Thioesters 33
Thianes 11
Thiazines 9
Thiolanes 8
Isothiocyanates 5
Sulfoxydes et sulfones 3
Divers 13
Total 414**
* Composés comportant deux groupements fonctionnels dont une fonction sulfure.
** 11 composés comportent deux fonctions soufrées parmi les 403 composés de la liste.
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molécules aromatisantes aux propriétés organoleptiques remarquables (note olfactive, seuil de perception). La structure découverte est ainsi protégée et s’en suit très souvent un travail de synthèse permettant l’obtention de molécu- les analogues. C’est le cas, par exemple, pour les 1,3-oxathianes (WINTER, 1980 ; LELANDAIS, 2002) dont la molécule leader est le 2-méthyl-4-propyl-1,3- oxathiane identifié dans le fruit de la passion jaune (WINTER et al., 1976) ou bien encore plusieurs séries de 1,3-sulfanylalcools (ACUNA et al., 2000 ; WIDDER et al., 1999) dont certains ont été préalablement identifiés dans des matrices naturelles telles que les vins, les fruits exotiques ou certaines variétés d’oignons. À titre d’illustration, le tableau 4 permet d’obtenir une vue d’ensem- ble sur la diversité et la répartition des brevets déposés en fonction des familles de molécules présentées par ailleurs.
Tableau 4
Répartition des brevets déposés en fonction des familles de composés soufrés utilisés.*
Au niveau applicatif, un même composé peut aussi bien intervenir en tant qu’exhausteur de goût que comme composant aromatisant principal dans les formulations d’arômes. Ainsi, le méthional peut être utilisé comme « top-note » dans les arômes de pomme de terre (WITHYCOMBE et al., 1981) (tableau 5) et comme exhausteur de goût dans certains arômes de viande.
Le 2-isobutylthiazole est utilisé en tant qu’exhausteur de goût dans diverses sauces, jus et soupes à base de tomate ou d’autres légumes. Des exemples sont présentés dans le tableau 6 (KASENIAC et HALL, 1972).
Classe de molécules Nombre de brevets déposés
Sulfures et polysulfures dont Sulfures
Disulfures Tri- et polysulfures
341 274 116 30
Thiols 339
N,S-Hétérocycles (famille des thiazoles, dithiazines) 112
S-Hétérocycles (thiophènes, (di/tri)thiolanes) 86
O,S-Hétérocycles (oxathianes, oxathiolanes) 17
Isothiocyanates 65
* Recherche effectuée sur SciFinder Scholar suivant le critère « flavours and frangrances » puis les mots clés : sul- fur, thio, sulfides, disulfides, trisulfides, polysulfides, thiols, mercapto, thiazoles, dithiazines, thiophenes, thiolanes, dithiolanes, trithiolanes, isothiocyanates, oxathianes, oxathiolanes en se limitant aux brevets et en supprimant les occurrences multiples.
Tableau 5
Exemple de formulation d’un arôme « purée de pomme de terre » (WITHYCOMBE et al., 1985).
Tableau 6
Exemples d’utilisation du 2-isobutylthiazole dans des produits à base de tomate (KASENIAC et HALL, 1972).
Bien que possédant une note caractéristique de viande rôtie, le 2-méthylfu- rane-3-thiol intervient aussi bien dans des arômes de café (KINDEL et al., 2003) au côté du furfurylthiol (tableau 7) que dans des arômes de viande (FITZ et al., 2001) (tableau 8).
Ingrédients Quantité
(partie en poids)
Vanilline 2
Diacétyle 3
Acide butyrique 3
Méthional
10
2-(2’-méthylthiopropyl)-4,5-diméthyl-3-thiazoline
30
Acétylméthylcarbinol 5
Éthanol alimentaire 900
Aliments Quantité d’isobutylthiazole
incorporée (en ppb) Appréciation organoleptique
Soupe de tomate 10-20 Crée un arôme distinct de tomate
fraîche au sein du produit
Sauce tomate pour spaghetti 13 Réduit le goût aigre et arrondit l’arôme global
Sauce tomate pour haricot 25 Réduit l’âpreté de la sauce épicée Mélange de jus de légumes 50 Masque partiellement la note céleri,
renforce la note tomate et arrondit l’arôme
Jus de tomate 50 Apporte une note de tomate fraîche et
réduit l’âpreté du produit
Soupe de légumes 13 Apporte un caractère de légumes frais
au produit O
S H
S N
S
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit
Tableau 7
Exemple de produits soufrés comme base d’un arôme de café (KINDEL et al., 2003).
Tableau 8
Exemples de formulations d’arômes de viande (FITZ et al., 2002).
7 – CONCLUSION
Depuis une trentaine d’années, les efforts entrepris dans le domaine de la chimie analytique et en synthèse organique ont contribué à une meilleure connaissance des composés volatils soufrés. L’étendue du champ olfactif cou- vert ainsi que leurs propriétés organoleptiques respectives confèrent à cette famille de molécules un rôle incontournable en chimie des arômes. L’améliora- tion constante des techniques d’analyse permet de repousser les limites de détection et d’envisager l’identification, dans le futur, de nouveaux composés.
Ingrédient Quantité
2-Méthylfurane-3-thiol 1
Furfurylthiol 2
Méthanethiol 40
3-Méthylbut-2-ène-1-thiol 2
Formate de 3-méthyl-3-sulfanylbutyle 2
Ingrédient Formule A Formule B Formule C Formule D
Hexanal 11,4* 11,4 11,4 11,4
Nonanal 2,0 2,0 2,0 2,0
E-Hept-2-ènal 1,2 1,2 1,2 1,2
E-Oct-2-ènal 1,2 1,2 1,2 1,2
E-Non-2-ènal 1,2 1,2 1,2 1,2
E-Déc-2-ènal 3,5 3,5 3,5 3,5
E,E-Hepta-2,4-diènal 1,0 1,0 1,0 1,0
E,E-Nona-2,4-diènal 0,8 0,8 0,8 0,8
E,E-Déca-2,4-diènal 20,8 20,8 20,8 20,8
2-Hydroxyéthyl-4-méthylthiazole 947,8 947,8 947,8 947,8
Oct-1-ène-3-ol 0,6 0,6 0,6 0,6
Hexan-1-ol 3,6 3,6 3,6 3,6
δ-Undécalactone 0,6 0,6 0,6 0,6
2-Ethylhéxan-1-ol 0,5 0,5 0,5 0,5
2-méthylfuran-3-thiol – 1,6 1,6 1,6
Méthanedithiol – – 1,6 –
Diacétate de dithiométhane – – – 1,6
Éthanol (jusqu’à 1 000) 3,8 2,2 0,6 0,6
* En parties pour mille.
Parallèlement, depuis près de dix ans, l’introduction d’atomes de soufre est désormais prise en compte dans la conception de nouveaux composés odo- rants. Cependant, si l’ajout d’un ou plusieurs atomes de soufre à un composé organique volatil est susceptible de modifier fortement ses caractéristiques olfactives, il est pour l’instant impossible de prévoir l’apport de cette modifica- tion pour une éventuelle application en chimie des arômes. Les progrès réalisés dans l’étude des relations structure/activité permettront certainement d’appro- fondir les connaissances sur le mode d’action de ces molécules au niveau de notre système olfactif.
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