Agrégation protéique et propriétés gélifiantes et moussantes des protéines laitières ; Quoi de neuf sur le plan des connaissances ?

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Agrégation protéique et propriétés gélifiantes et moussantes des protéines laitières ;

Quoi de neuf sur le plan des connaissances ? M.H. Famelart, F. Guyomarc’h, M. Morand UMR-STLO Rennes / B. Novales BIA Nantes

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3 Les agrégats de protéines laitières

Agrégats

ββββ-lactoglobuline

Dénaturation par traitement thermique

SH SH SH

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Les propriétés fonctionnelles des agrégats de protéines laitières4

Yaourts fermes

Angel cakes Crème fouettée

Crème glacée

Propriétés moussantes

Propriétés gélifiantes

Crèmes dessert

Yaourts brassés Fromages blancs…

Mousses

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5

Agrégats de protéines laitières

et propriétés gélifiantes

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6 Les propriétés de gélification acide du lait – le yaourt

La gélification a lieu plus rapidement et à un pH plus haut et le gel est beaucoup plus ferme après un traitement thermique à 90°C pendant 10 min. Ce chauffage est une pratique courante dans la fabrication des yaourts.

Micelle de caséine

10 nm

Agrégats micellaires

Agrégats solubles pH au cours de l'acidification par des bactéries

4.6 4.8

5.0 5.2

5.4

Fermeté (module élastique, G' en Pa

0 200 400 600 800 1000

Lait chauffé (90 °C/10 min)

Lait cru

Agrégats solubles :

Nanoparticules protéiques Diamètre environ 100 nm, Charge de surface -17 mV, Point isoélectrique à 4.5

0.5 µm

Micelle de lait chauffé

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La fonctionnalisation de la micelle de caséine par les agrégats 7

thermo-induits

Les agrégats solubles s’associent aux micelles dés le début de l’acidification (Guyomarc’h et al., 2009; Alexander & Dalgleish, 2005; Donato et al., 2007)

⇒ Fonctionnalisation de la micelle de caséine

⇒ Déstabilisation précoce de la micelle et formation d’un gel ferme

+

pH décroissant

gel fonctionnalisation

de la micelle Micelles

+agrégats

Hypothèse de la séquence des interactions survenant entre les micelles de caséines et les complexes de PS/caséineκ dans le lait écrémé chauffé

Images en microscopie confocale d’un gel acide de lait écrémé chauffé dans lequel les micelles sont marquées à la RITC ( ) et les complexes solubles à la FITC ( ). Les zones où les deux éléments sont colocalisés apparaissent à droite en jaune ( ).

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8

fonctionnalisation de la micelle de caséine structures

thermo-induites

fonctionnalité interactions pendant

l’acidification

L’ingénierie des agrégats thermo-induits pour la gélification acide du lait

☺

☺☺

☺

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9 L’ingénierie des agrégats thermo-induits

Βlg A Βlg B

chauffage

agrégat +CH₃(sur NH₃+)

Sucre (sur NH₃+) sucre acide-

ovalbumine

lysosyme +COO-

chauffage

+ COO-

+CH₃(sur NH₃+) SDS-

SS→SH

sucre

chauffage pH b - FI j - T2°C pH a - FI i - T1°C pH c - FI k -T3°C pH d - FI l -T4°C

Les 3 alternatives envisageables

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10 Quelles propriétés modifier et quels moyens ?

Morand, Guyomarc’h, Famelart dans Dairy Science and Technology, 2011 DOI 10.1007/s13594-011-0013-x

http://springerlink.metapress.com/content/041w0859t6714428/fulltext.pdf

- contrôle de la dénaturation - emprésurage

- greffage chimique - ligands non-ioniques Hydrophobie de surface

- addition de protéines globulaires de pI variables

- provoquer la réaction de Maillard - déglycosylation de la caséine κ - greffage chimique

- ligands ioniques Point isoélectrique

- cracking du lait - protéines purifiées

Présence de caséine κ comme point d’ancrage

Moyens alimentaires Moyens

scientifiques Propriété

pH de déstabilisation de la micelle de caséine

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11 Quelles propriétés modifier et quels moyens ?

Aptitude de la micelle de caséine à former un gel ferme

- pH

- ratio caséine/ protéines de lactosérum

- protéines purifiées

- greffage (carboxymethylation des caséines κ)

Forme

- pH

- ratio caséine/protéines de lactosérum

- concentration en protéines - lactose et ions

- minéraux et force ionique - ligands

Taille

- conditions redox - électroréduction - pH

- addition de protéines riches en SH et/ou en SS

- réduction/oxydation chimique du thiol

- greffage ou masquage chimique de thiols

- génie génétique Pontages

disulfures inter et intra

Moyens alimentaires Moyens scientifiques

Propriété

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12

Agrégats (protéines sériques – 68.5°C/2h)

témoin

-NH₃⁺ -COO^- -CH₃

succinylés méthylés

Propriétés physico- chimiques

Davantage de charges - Moins de charges -

Comportement de gélification

Gel acide de lait + micelles de caséine

Un exemple, la charge électrique des agrégats

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13

Un résultat : l’effet de la charge électrique des agrégats

5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 pH 100

10

1

Elasticitédu gel (Pa)

Lait chauffé

agrégats succinylés agrégats méthylés

5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 pH 100

10

1 100

10

1

Lait chauffé

5 5.5 6

3.5 4

4.5 5

5.5

pI des agrégats protéiques pH de gélification des laits recombinés

5 5.5 6

3.5 4

4.5 5

5.5

5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 pH 100

10

1

Lait chauffé

5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 pH 100

10

1 100

10

1

Lait chauffé

5 5.5 6

3.5 4

4.5 5

5.5

5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 pH 100

10

1

Lait chauffé

5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 pH 100

10

1 100

10

1

Lait chauffé

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14

Perspectives

à court-terme : Le volet consacré à l’étude du rôle des propriétés hydrophobes de surface des agrégats est en cours d’étude

à moyen-terme : Thèse Marion Morand (financements Région Bretagne) qui finit 2011. Marion Morand est disponible pour poursuivre cette thématique. Par ailleurs, un profil de thèse a été déposé à l’Ecole Doctorale de Rennes (VAS) à plus long-terme : lorsque les propriétés physico-chimiques et structurales des agrégats thermo-induits « positives » seront clairement établies, il faudra trouver des moyens « food-grade » et transférables à l’industrie de les conférer à ces agrégats et valider sur yaourts modèles, puis réels…

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15

Agrégats de protéines laitières

et propriétés moussantes

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16 β-lactoglobuline non agrégée et agrégats formation et caractérisation

Photographies Cryo-TEM Cédric Gaillard INRA

ββββ-lactoglobuline

(ββββ-lg)‏‏‏‏ Agrégats Dénaturation par traitement thermique

Conditions expérimentales:

80°C, 24h, pH 7, C _NaCl = 0.1M C _protéine de 1 à 10 g/L

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17

0 2 4 6 8 10 12 14

1 10 100 1000 10000

Diam ètre hydrodynam ique (nm )

Intensité (%)

Rh = 197 nm Rh = 117 nm

Rh = 71 nm

β-lg non agrégée 3 nm

Rh = 35 nm

Caractérisation des agrégats de protéines

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18 Propriétés moussantes des agrégats

0 10 20 30 40 50 60

0 200 400 600 800 1000 1200

Tem ps (s)

Volume de mousse (ml)

Protéines non agrégées

71nm 35nm 197nm

117nm

Stabilité de la mousse Formation de la

mousse

Temps de formation de la

mousse (s)

β-lg 82 +/- 2

Agrégats Rh 35 nm 92 +/- 4 Agrégats Rh 71 nm 120 +/- 1 Agrégats Rh 117 nm Pas de mousse Agrégats Rh 197 nm Pas de mousse

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19

Propriétés moussantes des agrégats en présence de protéines non agrégées

De 1 to 90% d’agrégats de protéines

Protéine non agrégée

98% d’agrégats de protéines De 92 à 96% d’agrégats de protéines

0 10 20 30 40 50 60

0 200 400 600 800 1000 1200

Temps (s)

Volume de mousse (ml)

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20

Taille des agrégats et stabilité des mousses

85 90 95 100

0 50 100 150 200 250

Rayon hydrodynam ique des agrégats (nm )

% d'agrégats maximum pour lequel la stabilité des mousses est renforcée

(21)

21

Drainage des mousses

Mousse contenant 10% d’agrégats

0.01 0.1 1

100 1000 10000

Temps (s)

Fraction de liquide normalisée à l'électrode 1

197 nm 117 nm 71 nm 35 nm Protéines non agrégées

Pente –0,5 Pente –1

Pente –1

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22

Couches adsorbées aux interfaces

Protéines non agrégées

Petits agrégats de protéines (Rh ~ 35nm)

Larges agrégats de protéines (Rh~200 nm) avec une distribution en taille relativement large

Eau Air Eau

Air Eau

Air

Eau Air Eau

Air Eau

Air

(23)

23

Stabilisation des films de mousse

Analogie avec les mousses de particules

...par les agrégats de protéines ...par les particules Stabilisation des films de mousse

Couverture par les protéines non agrégées

Formation d’une couche dense autour des bulles de gaz Formation d’un

réseau de type gel Formation d’un

réseau de type gel Stabilisation dépendante

de la taille et de la quantité d’agrégats

Stabilisation dépendante de la taille et de la

concentration des particules ...par les agrégats de protéines ...par les particules

Stabilisation des films de mousse

Couverture par les protéines non agrégées

Formation d’une couche dense autour des bulles de gaz Formation d’un

réseau de type gel Formation d’un

réseau de type gel Stabilisation dépendante

de la taille et de la quantité d’agrégats

Stabilisation dépendante de la taille et de la

concentration des particules

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24

% d’agrégats de protéines R_h

35 nm

197 nm 117 nm

71 nm

100%

96%

94%

90%

50%

- Existence d’une quantité minimale de protéines non agrégées

- Propriétés moussantes améliorées :

Formation de larges structures connectées ou non, à la surface du film

Forte résistance des films Ralentissement du drainage

des mousses

Augmentation de la viscoélasticité des couches adsorbées

Propriétés moussantes moindres :

- Mobilité des structures - Faible résistance des films

Corrélation interface/mousse/films

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Ingénierie moléculaire

- Obtenir des agrégats aux propriétés contrôlées (structure, surface) pour une fonctionnalité ciblée

- Formulation de systèmes aux propriétés gélifiantes ou moussantes contrôlées (exemple de systèmes pré- enrichis en agrégats)‏‏‏‏