3. Métabolites microbiens d’importances économiques I. Les enzymes Les enzymes
3. Métabolites microbiens d’importances économiques I. Les enzymes Les enzymes sont des protéines qui catalysent (accélèrent) les réactions chimiques dans les organismes vivants (plantes, animaux et microorganismes). Les enzymes d’origine microbiennes suscitent beaucoup d’intérêt dans le domaine biotechnologique, d’autant plus qu’ils constituent une nouvelle source d’enzymes pour l’industrie alimentaire. Les enzymes utilisés dans l’industrie alimentaire ne sont pas toxiques et ont une action spécifique. Le contrôle des réactions enzymatiques est accompli facilement par ajustement de la température, du pH ou de la quantité d’enzyme. 1 Enzymes utilisées en industrie alimentaire Les enzymes utilisés dans l’industrie alimentaire ont différents rôles, mais la majorité des enzymes sont les hydrolases qui indiquent l’importance de l’activité hydrolytique dans le processus de production des aliments. 1.1 Enzymes glycolytiques (Carbohydrases) Les enzymes glycolytiques (Carbohydrases), comme l’amylase, la pectinase, la cellulase, la lactase, l’invertase, et l’hemicellulase, hydrolysent les liaisons glycosidiques des polysaccharides et oligosaccharides. a. Amylases Les amylases hydrolysent l’amidon qui est constitué de l’amylose et de l’amylopectine. L’amylose est une chaîne linéaire de glucose (liaison α 1, 4), alors que l’amylopectine est une chaîne ramifiée de glucose avec une laison (α 1, 6) au point de ramification. Ce dernier est hydrolysé par les enzymes débranchants (amyloglucosidase, glucoamylase et pullulanase). La α-amylase (endo-amylase) est une enzyme de liquéfaction ou dextrinogénique, elle hydrolyse aléatoirement les laisons α 1, 4 de l’amylose et de l’amylopectine, mais elle est incapable d’hydrolyser les liaisons 1,6 (amylopectine) et conduit à l’obtention de chaînes courtes appelées dextrines. La β-amylase (exo-amylase), enzyme de saccharification, hydrolyse les laisons α 1,4 de façon ordonnée et à partir de l’extrémité non réductrice de l’amidon, en libérant des unités de maltose. Elle peut hydrolyser complètement l’amylose en maltose, alors que l’amylopectine est partiellement hydrolysée (dextrine). Les amylases sont utilisées dans la panification (boulangerie), elles sont ajoutées dans la farine à faible activité amylolytique (pauvre en amylase) pour produire des sucres (fermentescibles) nécessaires au développement de la levure lors de la fermentation de la pâte. Les amylases sont également employées dans le processus de production de sirop de glucose à partir de l’amidon. Les sources d’amylase commerciale sont les moisissures (Aspergillus oryzae), les bactéries (Bacillus subtilis) et les céréales (orge germée). b. Enzymes pectinolytiques Les enzymes pectinolytiques (ou pectinases) sont connus pour leur rôle dans la stabilité au froid des jus de fruits (ou concentrés), ainsi que dans la clarification des vins. Elles contribuent à l’obtention de jus de fruits et de vins d’une bonne couleur, d’une bonne flaveur et d’une bonne apparence. Les pectinases agissent sur les substances pectiques (colloïdes) de l’acide (1-4)- Dpolygalacturonique estérifié avec le méthanol. Leur action sur la pectine est une dépolymérisation ou déestérification. Endopolygalacturonase dépolymérise l’acide pectique alors que exopolygalacturonase élimine l’unité galacturonobiose à partir de l’extrémité de la chaîne de pectine. Quant à la pectine esterase, elle hydrolyse le methyl ester de la chaîne de pectine en produisant de l’acide pectique et de la pectine faiblement estérifié. Les enzymes pectinolytiques commerciales sont un mélange de pectine estérase et de polygalacturonase produits par Aspergillus. Le rôle de ces enzymes consiste à hydrolyser la pectine soluble et d’éliminer les propriétés colloïdales. Cette action est accompagnée d’une floculation rapide des particules indésirables qui peuvent être éliminées par sédimentation, filtration ou centrifugation. c. Cellulases La cellulase est un enzyme complexe qui catalyse, avec ß-glucosidase, la cellulose comme suit : Cellulose Cellobiose Glucose Les cellulases peuvent être produites par voie microbienne, elles sont synthétisées principalement par les champignons qui produisent endo-l,4-ß-glucanase, cellobiohydrolase et ß-glucosidase. Ces enzymes sont utilisées dans l’industrie alimentaire pour modifier les produits végétaux riches en fibres, la clarification des jus de fruits et la production de sucres fermentescibles (production de bière). d. Autres enzymes glycolytiques D’autres enzymes hydrolysant les sucres sont utilisées dans l’industrie alimentaire, comme l’invertase qui hydrolyse le saccharose (sucrose) en glucose et fructose, la lactase scindant le lactose en glucose et galactose. .1.2 Enzymes protéolytiques Les protéases dégradent les protéines par hydrolyse des liaisons peptidiques. L’utilisation d’enzymes protéolytiques dans le processus de transformation des aliments est d’une importance capitale. Ces enzymes sont utilisées dans les domaines suivants: - Attendrissement de la viande : par exemple, la papaïne (protéase) est utilisée comme agent artificiel d’attendrissement de la viande (hydrolyse des protéines du muscle). - Prévenir la formation de troubles dans la bière à basse température résultant de l’interaction de polymères de tanins et de polypeptides. Les protéases d’origine microbienne comme la papaïne, la pepsine, etc. sont utilisées pour éviter la formation du complexe indésirable tanins- polypeptides. - Préparation du fromage : des protéases (présure) sont utilisées pour hydrolyser les caséines, leur action entraîne la coagulation ou caillage du lait. - Préparation du pain: les protéases microbiennes (Aspergillus oryzae) sont utilisées en panification pour améliorer les propriétés rhéologiques (viscoélasticité) du pain en modifiant le réseau protéique du gluten par hydrolyse des liaisons peptidiques. .1.3 Enzymes lipolytiques Les lipases (Glycérol ester hydrolase) sont des estérases ayant pour rôle de rompre la liaison ester en introduisant une molécule d’eau. Elles permettent d’hydrolyser les graisses et huiles insolubles (triglycérides, diglycérides, monoglycérides). Par exemple, l’action des lipases d’origine microbienne est importante lors de l’affinage des fromages, elle permet de développer la flaveur du fromage. 2. Immobilisation des cellules et des enzymes Dès les années 1960 l’idée de fixer les catalyseurs biologiques, les enzymes et les micro- organismes, a rapidement débouché sur des applications industrielles. En théorie, l’immobilisation des cellules microbiennes présente les avantages suivants: - accroître la vitesse de réaction en augmentant le nombre de cellules présentes dans le réacteur. - éviter la perte du micro-organisme en fin de réaction et donc avoir la possibilité de le réutiliser. - faciliter la séparation cellules/liquide, ce qui permet soit de mettre fin à la réaction au temps voulu soit de faciliter les opérations de clarification en fin de réaction. Cependant, l’immobilisation cellulaire résulte en des modifications physiologiques et morphologiques par rapport aux cellules en suspension (tolérance aux métabolites produits et aux produits de nettoyage). 2.1 Définition L’immobilisation cellulaire est une méthode qui vise à retenir et localiser physiquement ou chimiquement une population microbienne dans un système de fermentation sans perte d’activité biologique désirée. Elle est principalement utilisée pour obtenir des cultures avec une haute densité cellulaire ainsi qu’une stabilité renforcée même dans des conditions environnementales extrêmes. Cette technologie, comparativement aux systèmes à cellules libres, permet d’augmenter la productivité grâce aux opérations en continu, à la haute densité cellulaire maintenue dans les réacteurs et à la réutilisation des biocatalyseurs. De plus, l’immobilisation cellulaire limite les risques de contamination, augmente la stabilité plasmidique. L’immobilisation des cellules se situe dans le prolongement de celle des enzymes immobilisées. 2.2 Techniques d’immobilisation enzymatique et cellulaire 2. 2.1 Immobilisation des enzymes L'immobilisation, d'une manière générale, permet d'avoir une meilleure stabilité des enzymes, mais peut induire des problèmes de diffusion et d'accessibilité au substrat contrairement aux enzymes libres. L'immobilisation peut être réalisée sur différents types de support, mais la plupart des supports présentent l'inconvénient d'être chers. Les matrices utilisées sont à base de polymères (agarose, cellulose, etc.) ou de matériaux inorganiques (billes de verre microporeuses ou gel de silice). L'immobilisation d’une enzyme (protéine) consiste de l'inclure dans un support imperméable qui empêche l'enzyme de partir tout en permettant à des substrats, à des produits, et à des cofacteurs de passer à travers. Les enzymes immobilisés sont utilisés comme biocatalyseurs dans la synthèse de divers composés (acides gras, alcools, etc.) L’immobilisation permet l’utilisation des enzymes dans différentes conditions : température élevée, pH défavorable et fortes concentrations en substrat. Les enzymes immobilisés sont séparés facilement des produits de la réaction et sont réutilisés (réduction du coût des biocatalyseurs). Les principales méthodes utilisées pour l’immobilisation des enzymes sont basées sur l'adsorption, l'inclusion, la liaison covalente et l'encapsulation. La matrice (support) d'immobilisation est choisie selon le type d'enzyme et l'application prévue, elle doit être compatible avec les enzymes et non dégradable. Les méthodes d’immobilisation des enzymes peuvent être chimiques ou physiques, elles sont illustrées dans la Figure 1. Figure 1. Méthodes d’immobilisation des enzymes 2.2.2 Immobilisation des cellules bactériennes Les différents moyens d’immobilisation des cellules bactériennes comprennent l’attachement à des surfaces, l’inclusion dans des matrices poreuses, la rétention derrière des barrières (membranes). 2.2.2.1 Immobilisation dans des bioréacteurs à membrane La technologie des réacteurs à membrane consiste à coupler un fermenteur à une unité d’ultrafiltration ou de microfiltration. Les cellules ne sont alors pas immobilisées dans une matrice mais retenues dans le système de fermentation permettant la diffusion de composés solubles de petite taille, selon la porosité de la membrane choisie (Figure 2). Figure 2. Immobilisation dans des bioréacteurs à membrane Le renouvellement continu du milieu de culture fermenté par addition de milieu frais dans le système permet de diminuer l’inhibition par les produits du métabolisme bactérien. Des densités cellulaires 10 fois plus élevées qu’en fermentation en batch classique peuvent alors être obtenues. La concentration de biomasse habituellement effectuée après la production n’étant pas requise. Cependant, au delà d’une certaine concentration cellulaire, l’activité métabolique est inhibée. VI. 2.2.2 Adsorption à un support préformé L’immobilisation cellulaire par adsorption à une matrice préformée uploads/Industriel/ biotechnologie-et-applicatio-3.pdf
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- Publié le Jan 23, 2021
- Catégorie Industry / Industr...
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