Les enzymes en technologie alimentaire

1) Introduction

Lorsqu'au 19ième siècle, Payan découvrit la diastase (1833) et Bernard la lipase pancréatique (1849), nul ne pouvait imaginer qu'il s'agissait des premiers maillons d'une famille de biocatalyseurs susceptibles d'entraîner une révolution technologique 150 ans plus tard.

L'avenir de ces "diastases" - converties en enzymes selon la proposition de Kuhne en 1878- pouvait d'autant moins être perçu, que l'on ignorait encore tout de la microbiologie, source principale des enzymes industrielles dont nous disposons aujourd'hui.

C'est en effet la connaissance et la maîtrise scientifiques des fermentations qui a progressivement fait concevoir l'intérêt d'utiliser non plus le micro-organisme entier mais seulement son principe actif pour réaliser une transformation définie d'un substrat biochimique. Depuis deux décennies, l'emploi des enzymes connaît un succès remarquable et entrouvre des perspectives étonnantes: nombre de procédés classés comme "biotechnologie" reposent sur une exploitation des propriétés particulières de ces mécanismes réactionnels. De nouvelles industries n'ont vu le jour que grâce à la mise sur le marché d'enzymes purifiées; il en est de même pour des techniques de détection et d'analyses dont le principe utilise la sensibilité et la spécificité enzymatiques.

L'avenir de ces réactifs va dépendre pour une part importante, du coût de leur utilisation. C'est pourquoi les techniques d'encapsulage et de greffage ont constitué un progrès technologique ouvrant de plus grandes possibilités d'emploi; des recherches s'imposent encore pour abaisser les prix d'une opération enzymatique à l'échelle industrielle.

Mais, dès maintenant, les enzymes ont conquis leur place dans le monde industriel et analytique. Cet exposé, non exhaustif, voudrait souligner leur rôle, souvent irremplaçable, dans le vaste secteur des opérations agro-alimentaires.

2) Utilisation des enzymes dans les réactions de synthèse

L'utilisation d'enzymes en technologie alimentaire, pour la transformation de la matière première, n'est pas une nouveauté technologique: la fabrication de pain, de boissons ou de fromages faisant depuis longtemps appel à de tels procédés.

Cependant, depuis quelques années, le développement de nouveaux produits alimentaires d'une part, leurs exigences technologiques organoleptiques et nutritionnelles de l'autre, ont créé de nouveaux besoins et un nouveau marché, celui des produits de synthèse utilisés dans les industries de seconde transformation: acides organiques, composés responsables des arômes et de la flaveur, édulcorants, corps gras à valeur nutritionnelle déterminée. Ces produits obtenus d'abord par extraction, fermentation ou synthèse organique le sont de plus en plus à l'heure actuelle par synthèse enzymatique.

1. Synthèse de composés responsables de la flaveur et des arômes

Les micro-organismes utilisés traditionnellement dans la fabrication des produits alimentaires produisent, par l'intermédiaire de leurs enzymes, des métabolites (acides, alcools, lactones, esters, aldéhydes, cétones, etc.) responsables majeurs de la flaveur. C'est d'ailleurs l'accumulation de ces composés qui caractérise le goût final du produit. Les micro-organismes et les enzymes constituent donc une excellente source de production de ce type d'ingrédients.

L'approche microbiologique est irremplaçable pour produire des mélanges complexes de composés (transformation des acides gras, des protéines et des sucres lors de la fabrication et de l'affinage des fromages par exemple ou production d'acide butyrique, d'acide propionique, de méthyle cétones, etc.).

L'approche enzymatique est plus intéressante pour la synthèse de certaines substances responsables d'une flaveur particulière: citons pour mémoire la synthèse de composés carbonylés de faible poids moléculaire comme le diacétyle par décarboxylation de l'acide  acéto-lactique ou l'acétaldéhyde par oxydation de l'éthanol déshydrogénase (Raymond, 1984).

Yokozeki et al. (1982) et Stevenson et al. (1979) ont réussi à l'aide de lipases microbiennes la synthèse d'esters propioniques, butyriques et caproïques du géraniol et du citronellol. L'utilisation d'enzymes immobilisées dans des conditions expérimentales particulières devrait permettre dans les années à venir la synthèse de composés intéressants. Différentes équipes, tant en France qu'à l'étranger, ont mis au point la synthèse de géranial à partir du géraniol par l'alcool déshydrogénase de foie.

Signalons enfin la synthèse du composé responsable de l'arôme de moutarde: le gôut piquant de la moutarde, du cresson ou du radis noir est dû à la formation des huiles de moutarde ou isothiocyanates à partir des précurseurs (glucosinolates) sous l'action de la myrosinase. Utilisant la myrosinase fixée, Gatfield et Schmidt-Kastner (1983) produisent en continu l'arôme de moutarde dans des conditions industrielles très intéressantes.

2. Synthèse de composés exhausteurs de gôut

Ils sont de plus en plus utilisés dans certains "aliments de synthèse" d'abord au Japon puis petit à petit partout dans le monde. Ils sont actuellement produits par fermentation microbienne ou synthèse enzymatique, en combinaison pour certains, avec des méthodes chimiques.

2.1. Synthèse de 5' mononucléotides

Deux nucléotides exhausteurs de goût, l'inosine 5' monophosphate (5' IMP) et la guanosine 5' monophosphate (5' GMP), sont actuellement produits par hydrolyse des acides nucléiques suivie d'une désamination. Ainsi l'utilisation d'une 5' phosphodiesterase bactérienne permet-elle de libérer les nucléotides (5' AMP, 5' GMP, 5' UMP); une 5' AMP désaminase libèrera dans le milieu le 5' IMP.

2.2. Le glutamate monosodique

Le glutamate de sodium est un des composés exhausteurs de goût produit en très grandes quantités (plusieurs milliers de tonnes produites et utilisées) dans le monde. La quasi totalité est synthétisée pour l'heure par fermentation microbienne avec d'autant plus d'intérêt que seul l'isomère L est produit et excrété dans le milieu de culture.

Signalons, cependant, que les techniques utilisant des hydrolases fixées permettent de fabriquer l'acide L glutamique par hydrolyse du DL propionate 5' hydantoïne.

3. Production d'acides organiques et d'acides aminés

La percée du génie enzymatique dans ce secteur d'activité est faible à cause de la concurrence des procédés chimiques et microbiologiques. Néanmoins, nous pensons qu'il s'agit plus d'une déficience en investissements intellectuel et économique que d'une réalité scientifique, ce secteur d'activité étant un de ceux qui à terme est porteur des plus belles promesses.

3.1. Synthèse enzymatique d'acides organiques

Les acides organiques tels que l'acide gluconique, certains acides aldoniques, l'acide L-malique ou l'acide L-tartrique sont utilisés à l'heure actuelle dans les I.A.A. soit comme matière première pour les industries de seconde transformation, soit comme acidulants et/ou complexants dans certains procédés de fabrication ou pour la production de certains aliments.

Ainsi la synthèse d'acide gluconique à partir de glucose s'effectue t-elle par voie enzymatique en utilisant le système séquencé glucose oxydase + catalase soit à l'état libre, soit immobilisé.

La société américaine CPC et l'Institut Battelle de Genève ont mis au point des procédés permettant de travailler en phase homogène avec des enzymes immobilisés mais "hydrosolubles"; des solutions de glucose à 400 g/l sont ainsi oxydées avec des rendements très importants.

Là encore, l'industrie japonaise possède une longueur d'avance.