CARACTERISATION DES MACROMOLECULES DANS LES PRODUITS SUCRIERS ISSUS DE LA BETTERAVE Josiane COURTOIS. Université de Picardie Jules Verne. Laboratoire des Polysaccharides Microbiens et Végétaux (Equipe des Glucides), IUT/GB, Avenue des Facultés, le Bailly, F- 80025 Amiens cedex 1 Guy SASIA Direction Recherche & Développement / Direction Technique Saint Louis Sucre, 85 bis rue du Maréchal Leclerc, BP 69, 80400 Eppeville La qualité du cristal de saccharose exprimée en points européens dépend de trois critères : l aspect du cristal, sa pureté (corrélée au contenu en cendre) et sa coloration. La coloration liée à l inclusion dans le cristal de saccharose de composés assimilés à des macromolécules est généralement caractérisée par mesure de l absorbance à 420 nm. La relation entre la qualité du cristal de saccharose et la qualité du milieu duquel il est extrait n est cependant pas systématique (Tableau 1) (Rousseau et al. 2001). Selon les produits sucriers i.e. sirop, mélasse, la composition en macromolécules diffère ; de ce fait, si l affinité des macromolécules pour le cristal de saccharose dépend de la nature des ces molécules, le transfert de coloration dans ce même cristal sera variable d un produit sucrier à un autre. Pour s intégrer dans le cristal de saccharose en cours de formation, les macromolécules doivent - soit avoir une grande affinité pour la molécule de saccharose, - soit présenter une faible affinité pour l eau et donc être stabilisées dans le milieu pauvre en eau situé à l interface entre le sirop et le cristal de saccharose en croissance. De plus, il ne faut pas négliger le fait que l inclusion des macromolécules dans le cristal puisse correspondre à un piégeage «mécanique» d impuretés au cours de la formation du cristal (Vaccari 1996) ; les composés de haut poids moléculaire, moins mobiles, seraient piégés plus efficacement. Les macromolécules colorées présentes dans les produits sucriers peuvent correspondre 1) à un polymère de composés colorés (ex : les mélanines) mais aussi 2) à un polymère non coloré associé à des composés colorés. L impact des 2 types de macromolécules sur la coloration du sucre devrait être variable. Les macromolécules normalement non colorées susceptibles d être présentes dans les produits sucriers peuvent correspondre à des polymères végétaux extraits de la betterave au cours de l étape de diffusion tels les polysaccharides de type pectine, d autres polysaccharides produits par des micro-organismes contaminants les produits sucriers peuvent être présents, cependant leur présence est inconstante ; il s agit en général des dextrans produits par des bactéries 1
appartenant à l espèce Leuconostoc. A ces polysaccharides parfaitement identifiables s ajoutent des macromolécules colorées qui se forment au cours du procédé sucrier tels: - les caramels et les produits de dégradation alcaline des hexoses (PDAH) où seul les sucres dont le saccharose servent de précurseur - les mélanoïdines associant du saccharose et des composés azotés tels les peptides ou acides aminés - les mélanines provenant de la polymérisation de dérivés phénolés oxydés en quinones. Compte tenu des conditions : ph, température, aération, appliquées aux différentes étapes du procédé sucrier, il est défini que les mélanines se forment au cours de l étape de diffusion et que les PDAH se forment au cours de l épuration. Les mélanoïdines et les caramels peuvent se former au cours de la cristallisation. Au cours de l étape d épuration calco-carbonique certaines macromolécules colorées (mélanines, PDAH) seront éliminées mais aussi des macromolécules végétales tels des composés pectiques. Cependant cette élimination des polysaccharides est loin d être totale comme l attestent les dosages des oses présents dans les macromolécules isolées d un sirop. Des composés pectiques persistent dans le sirop. De plus, l épuration calco-carbonique qui élimine un maximum de PDAH polymérisés et de mélanines, n élimine pas systématiquement les composés de petite taille que l on pourra retrouver dans les sirops i.e. des résidus quinoniques ou des acides aminés précurseurs de macromolécules colorées. De ce fait, s il est parfaitement connu que sous l action de la température, des macromolécules de type caramel se forment au cours de l étape de cristallisation, d autres macromolécules pourront se former à partir des composés non éliminés au cours de l étape d épuration. On peut citer la condensation entre d une part la fonction amine d acides aminés ou de peptides et d autre part des composés quinoniques ou des PDAH conduisant à des macromolécules de composition mixte. De plus, il ne faut pas négliger les macromolécules de nature polysaccharidique (pectines, dextrans) qui n ont pas été éliminées et qui présentent au niveau de l extrémité réductrice de la chaîne un ose qui peut intervenir dans la condensation avec des composés aminés. Quelle peut être l incidence sur la coloration du cristal de saccharose des macromolécules de nature polysaccharidique (d origine végétale ou microbienne), ou des différentes macromolécules susceptibles de se former au cours du procédé sucrier? Pour aborder cette 2
étude, nous avons cherché à caractériser les macromolécules présentes dans des produits sucriers issus de la betterave. Le choix de la méthode d extraction des macromolécules a été orienté par des résultats pris dans la littérature. Selon Cosmeur & Mathlouti (1999), il apparaît que la filtration d un sirop sur des membranes de seuil de coupure de 10 kda conduit à la production de cristaux de saccharose dont la coloration est réduite de 30 à 40%. Selon Clarke (1991) une fraction colorée de 500 kda issue d un sirop présenterait des caractéristiques de polysaccharides. Nous avons donc extrait par ultrafiltration les macromolécules (masse molaire > 10 kda) présentes dans 3 produits sucriers issus de la betterave : un sirop, un sucre roux, la mélasse. La teneur en macromolécules dans ces 3 produits, déterminée à partir de solutions de valeur brix proches (Tableau 2), révèle la présence de 8 fois plus de macromolécules dans la mélasse que dans le sirop, celles-ci pouvant provenir soit de l accumulation des molécules présentes dans le sirop qui ne se seraient pas intégrées dans le cristal de saccharose, soit d une synthèse de macromolécules au cours du procédé de cristallisation. Les macromolécules présentes dans le sucre roux correspondant à des macromolécules présentes dans le sirop ou synthétisées au cours du procédé. Il s avère que les macromolécules présentes dans le sirop, le sucre roux et la mélasse peuvent être classées en 3 catégories, 10-12, 12-25, et > 30 kda/mol. Les macromolécules de 10-12 et 12-25 kda/mol sont majoritairement présentes dans le sucre roux. Cependant, la mesure de l absorbance à 420 nm de chacune de ces fractions révèle leur hétérogénéité. Les fractions comprises entre 12 et 25 kda/mol sont de loin celles qui sont le plus colorées. Par ailleurs, cette analyse révèle la présence dans le sirop de composés non colorés de masse molaire relativement élevée ; des composés présentant les mêmes caractéristiques sont intégrés dans le sucre roux (figure 1). De plus, nous remarquons que les proportions relatives de chacune des 3 fractions issues du sucre roux diffèrent de celles issues du sirop ou de la mélasse. Les composés de 10-12 et 12-25 kda/mol semblent être plus facilement intégrés dans le sucre roux que ceux de plus grande taille majoritaires dans le sirop. Le rapport entre l intensité de coloration (A 420nm ) et la concentration en composés 12 25 kda a été déterminé pour les 3 produits : le sirop, le sucre roux et la mélasse issus de la betterave. Il correspond respectivement à 0.275, 0.45, 0.7, ces valeurs révèlent la modification de la fraction 12 25 kda au cours du procédé sucrier. L analyse fine de cette fraction permettra de déterminer la nature de ses précurseurs et d aborder la recherche de méthodes visant à les éliminer avant l étape de cristallisation. 3
Références Clarke, M.A., Roberts, E.J., Godshall, M.A., Miranda, X.M., 1991. The polysaccharides of sugar beet. Proc. Com. Intl. Tech. Sucr. 321-332. Cosmeur, A., Mathlouthi, M., 1999. Influence de la présence de certaines impuretés issues du sirop de betteraves stocké sur la cristallisation et la qualité des cristaux de saccharose. I. A. A. 116 :19-27. Rousseau, G., Metche, M., Courtois, J., 2001. Le sucre : une affaire de macromolécules. I. A. A. 118 : 18-26. Vaccari, G., 1996. Cristallisation continue par refroidissement comparée à la cristallisation par évaporation. I. A. A. Juillet-Août 525-535. 4
Tableau 1 : Transfert de coloration dans des cristaux de saccharose issus de solutions ajustées à un brix de 67% Pureté a Col a (A 420 nm ) TRCol b S.B-1 94.86 1496 5.9 S.B-2 93.55 2606 4.9 S R.B 96.77 2596 4.7 M.B 93.79 5533 3.5 S.B-1, S.B-2: sirops de betterave standards issus de 2 usines S R.B, M.B: sucre liquide additionné de sucre roux de betterave, ou de mélasse de betterave a : pureté et coloration des solutions ; b : transfert de coloration obtenu dans le cristal de saccharose 5
Tableau 2 : Teneur en macromolécules (MM) de produits sucriers issus de la betterave Produits Sucriers % MM S.B (94.1)* 0,113 S R.B (93.4)* 0,150 B Mol (89.3)* 0,880 * caractérise le brix des solutions étudiées. 6
A B C 7
LEGENDES Figure 1 : Caractérisation des macromolécules extraites de sirop de betterave (A) de sucre roux de betterave (B) et de mélasse de betterave (C), par chromatographie d exclusion stérique (colonne TSK SW 2000). Elution suivie par DDL(----) et par mesure de l absorbance à 420 nm ( ). 8