LIPIDES 2.2.1 Définitions - propriétés générales - … · Ces acides gras sont très odorants (seuls les acides libres présentent ces propriétés), avec des odeurs déplaisantes

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AE/22lipi.doc/27/08/99

2.2 LIPIDES

2.2.1 Définitions - propriétés générales - sources

Définition

Classe complexe de constituants, que nous définirons comme étant insolubles dans l'eau etsolubles dans les solvants organiques.

Auparavant, les lipides étaient le plus souvent définis comme dérivés des acides gras.Encore actuellement, controverse quant à des définitions claires de concepts tels quelipides, matière grasse, la distinction étant importante lors de l'analyse pour uneappréciation nutritionnelle.

Propriétés générales:

- solubilité (rappel)- valeur énergétique élevée: env. 9 kcal/g [39 kJ/g]- procurent au consommateur un sentiment de satiété lié à une digestion relativement lente [>= 3 heures dans l'estomac] important sur le plan diététique- constituants pour certains essentiels: acides gras essentiels (AGE ou mieux, en anglais, EFA [essential fatty acids], vitamines liposolubles- constituants importants sur le plan sensoriel, contrôle de la consistance des denrées, phénomène de la fusion dans la cavité buccale, effet de lubrification (tartines)- exercent la fonction de solvant [véhicule] pour des constituants tels que certains arômes, colorants et vitamines [provitamines] liposolubles (qui sont aussi des lipides)- exercent pour certains la fonction d'émulsifiant (phospholipides)

Structure analytique (voir schéma de la page suivante):

On distingue les constituants de base, les lipides formés par association et les lipides (enprincipe) non associables.

Sources

Globalement:

- sources végétales: - fruits (olive, palmier à huile)- graines (tournesol, colza)

- sources animales - graisses de dépôt (saindoux, suifs)- graisse de lait (ruminants)- graisse de la faune aquatique (poissons, mammifères marins)

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Structure analytique des lipides

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Teneurs (très moyennes):

fruits, légumes: 0,1 - 1 %pain blanc: 0,2 %riz blanc: 1,4 %

noix de coco: 34 %arachide décortiquée: 49 %

graine de soja: 17 % tournesol: 28 %

lait entier: 3,5 %beurre: >83 %fromages: 34 % (pâte dure, gras)

oeufs: 11 % (mat. grasse, jaune)

steak de boeuf: 10 - 30 %

hareng: 13 %

huiles, graisses comestibles: 100 %

Matière grasse

Ce que l'on entend par matière grasse peut être subdivisé en:

- graisses (solides à température ambiante)- huiles (liquides à température ambiante)

mais la distinction est douteuse, le point de fusion de nombreuses matières grasses étantde l'ordre de 20 à 40° C.

2.2.2 Description et propriétés nutritionnelles des principaux constituants des lipides

2.2.2.1 Triglycérides

La matière grasse est constituée pour l'essentiel (env. 99 %) de triglycérides:

CH2 - O - CO - R1 |

R2 - CO - O - CH

| CH2 - O - CO - R3

triesters du glycérol dont les propriétés spécifiques:

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- propriétés physiques (point de fusion, consistance)- propriétés chimiques (stabilité vis-à-vis de l'oxydation, du chauffage, etc.)- propriétés nutritionnelles (caractère essentiel, digestibilité)

sont liées aux structures des acides gras R1,2,3.

2.2.2.2 Acides gras

Propriétés générales

Les acides carboxyliques qui participent à la constitution des lipides, les acides gras, ontdes caractéristiques de structures spécifiques, ils sont, en règle générale:

- monoacides carboxyliques- nombre pair d'atomes de C au total- chaînes non ramifiées- chaînes non substituées- saturés ou insaturés (avec 1 à 6 doubles liaisons C=C)

lorsqu'ils sont insaturés:

- doubles liaisons de géométrie cis- doubles liaisons isoléniques (non conjuguées)

ce qui ne constitue pas la situation optimale du point de vue énergétique (énergie interneminimale du système).

Les caractéristiques de structure des acides gras sont en relation avec leur biosynthèsedans les tissus végétaux et animaux.

Les exceptions (géométrie trans, conjugaison des doubles liaisons) à ces règles destructure sont nombreuses mais d'importance très limitée sur le plan quantitatif. Desmodifications de structure, à partir de la structure originelle (biosynthèse végétale), peuventintervenir par l'effet des facteurs suivants:

- biochimiques (activité microbienne, rumen [= panse] de la vache) (matières grasses animales)- thermiques (chauffage en friteuses, raffinage)- photochimiques (irradiation UV, emballages opaques)- processus chimiques radicalaires (autooxydation, hydrogénation)- [chimiques (catalyseurs tels que Se, HNO2)].

Des acides gras de structures particulières sont synthétisés par certains végétaux:

- structure substituée (ac. ricinoléique, fonction -OH en n-6, huile de ricin)- structure cyclopentènique (huile de chaulmoogra, traitement de la lèpre)- structure cyclopropanique et même cyclopropènique (bactéries, huile de graines de coton)

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Nomenclature (rappel)

Il y a trois manières de désigner les acides gras:

- nomenclature IUPAC, qui n'est pratiquement jamais utilisée- nomenclature historique, encore couramment pratiquée (acide palmitique)- nomenclature symbolique, très pratique, très facile à utiliser, univoque.

Acides gras saturés: nombre (total) d'atomes de C : 0 ( la chaîne est implicitement non ramifiée)

Ex.: CH3 - (CH2)14 - COOH acide n-hexadécanoïque

acide palmitique 16 : 0

Acides gras insaturés: nombre d'atomes de C : nombre de doubles liaisons + géométrie des doubles liaisons + position des doubles liaisons

pour des raisons d'ordre biologique, la numérotation des positions des doubles liaisonss'effectue à partir de l'extrémité terminale (CH3-) de la chaîne qui, par convention, est la

position n: n-1, n-2, ...n-15, ...[aux USA: aussi convention ω : ω3 = n-3)

Ex.: CH3 - CH2 - CH = CH - CH2 - CH = CH - CH2 - CH = CH - (CH2)7 - COOH

n n-1 n-2 n-3 n-4 n-5 n-6 n-7 n-8 n-9 ... n-17

acide [α - ]linolénique18 : 3 cis, cis, cis, n-3, n-6, n-9

la nomenclature symbolique peut être simplifié pour l'acide d'origine naturelle, de structurenon altérée, considérant la géométrie cis d'origine et la position respective isolénique desdoubles liaisons:

18 : 3 (n-3)[aux USA: 18 : 3 ω3]

Présentation des acides gras

Les acides gras sont habituellement subdivisés en 2 catégories:

a) Acides gras saturés

Ceux à courtes chaînes (<= 12 atomes de C) :

4 : 0 acide butyrique 6 : 0 acide caproïque 8 : 0 acide caprylique

10 : 0 acide caprique12 : 0 acide laurique

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ne se rencontrent que dans les matières grasses suivantes:

- lait (à partir de 4 : 0, distribution très complexe)- coco et palmiste (noyau du fruit du palmier à huile)(6 : 0 à 12 : 0)

Ces acides gras sont très odorants (seuls les acides libres présentent ces propriétés), avecdes odeurs déplaisantes (beurre rance, bouc). La libération de ces acides lors de l'altérationde la matière grasse a des conséquences fâcheuses.De ceux à longues chaînes (>= 14 atomes de C), il y en a deux qui sont vraimentimportants:

16 : 0 acide palmitique18 : 0 acide stéarique

De 14 : 0 - acide myristique - à 18 : 0, on les rencontre dans toutes les matières grasses. Apartir de 20 atomes de C:

20 : 0 acide arachadique22 : 0 acide béhénique24 : 0 acide lignocérique26 : 0 acide cérotique

ils sont rares.

Ces acides gras sont pratiquement inodores (pression de vapeur très faible) et peu sapides(légère saveur de savon).On observe une augmentation graduelle (monotone) du point de fusion (propriétéintéressante du point de vue pratique) avec la longueur de la chaîne.

b) Acides gras insaturés

Les acides gras mono-insaturés

- à chaînes courtes (jusqu'à 16 : 1) sont rares (lait, graisse de poissons)- à chaînes longues (> 18 : 1) également rares (animaux marins)

Deux acides mono-insaturés sont importants:

- 18 : 1, cis, n-9 (ωω9), acide oléique que l'on rencontre dans toutes les matières grasses (très forte teneur dans l'huile d'olive)

- 22 : 1, cis, n-9 (ωω9), acide érucique (dans les crucifères)

A signaler le 18 : 1, trans, n-9 acide élaïdique provenant de l’isomérisation de l’acideoléique.

Les acides gras poly-insaturés comportent au moins 18 atomes de C, trois représentantsjouent un rôle important:

- 18 : 2, cis, cis, n-6, n-9 (ωω6), acide linoléique (série que l'on rencontre dans pratiquement toutes les matières grasses (forte teneur dans l'huile de tournesol)

- 18 : 3, cis, cis, cis, n-3, n-6, n-9 (ωω3), acide linolénique (isomère αα), présent dans les matières grasses de soja, crucifères, particulièrement dans l'huile de lin (propriétés siccatives, technologie des peintures et vernis)

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- 20 : 4, cis, cis, cis, cis, n-6, n-9, n-12, n-15 (ωω6), acide arachidonique, présent principalement [en proportions modestes] dans les matières grasses d'animaux marins, propriétés nutritionnelles intéressantes

Signalons encore deux acides gras de la famille ω3, protecteurs contre les maladies cardio-vasculaires (esquimaux), le 20:5 n-3 acide eicosapentaénoïque (EPA) et le 22:6 n-3acide docosahexaénoïque (DHA), présents dans les huiles de poissons gras.

A relever que l'insaturation provoque une diminution très significative du point de fusion parrapport à l'acide gras saturé de longueur de chaîne identique.

Acides gras essentiels

Les acides gras essentiels (AGE=EFA) sont (évidemment) des substances qui doivent êtreapportées à l'organisme - qui ne peut pas les synthétiser - par la diète. C'est un problèmerévélé depuis longtemps, un des AGE (18 : 2) était alors désigné vitamine F, terminologieabandonnée. Le problème nutritionnel et physiologique est mieux compris actuellement.

Qui sont les AGE ?

deux acides gras sont fondamentalement essentiels:

18 : 2 (n-6) linoléique (obligatoirement cis, cis)18 : 3 (n-3) α-linolénique (obligatoirement cis, cis, cis)

en l'absence de 18 : 2, d'autres acides gras peuvent prendre le relais, l'ac.arachidonique (20 : 4 (n-6)), par exemple.

Combien devons-nous en ingérer ?

adulte: 1 - 2 % (OMS, rapport récent: 3 %) des calories quotidiennes en 18 : 2 et 18: 3 (6-7 g/jour)enfant/femme enceinte ou allaitante: 3 % au moins (OMS: 5-6 %). L'apport par le laitmaternel est suffisant (8-12 % des AG sont 18 : 2), mais les formulations sur basede lait de vache doivent être complémentées avec 18 : 2.

Pourquoi ? Les AGE sont les précurseurs des prostaglandines (dont les thromboxanes etles prostacyclines), hormones que l'on connaît depuis les années 30 (von Euler), produitespar des organes tels que la prostate [d'où leur nom] mais aussi par de multiples tissus denotre organisme [parois des vaisseaux sanguins, plaquettes sanguines, etc.] et dont on saitqu'elles contrôlent de nombreux processus dans notre organisme, dont:

- pression sanguine (action vasoconstrictrice des thromboxanes [plaquettes sanguines], l'opposé pour les prostacyclines [endothélium artériel])- hémostase (action aggrégante/coagulante des thromboxanes [et PGE2],

inhibée par l'aspirine [traitement préventif de l'accident cardio-vasculaire], action antiaggrégante des prostacyclines [et PGE1])

- accroissement de la sensibilité à la douleur sur les sites d'inflammation (action inhibitrice de l'aspirine)- action sur la musculature de l'utérus (démarrage du travail de l'accouchement)- action sur la sécrétion des sucs gastriques (traitement de l'ulcère de l'estomac)- action décongestive sur le tractus respiratoire (traitement de l'asthme bronchique).

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Le schéma de principe de la biosynthèse des prostaglandines peut être représenté commesuit, pour illustrer le problème nutritionnel:

18 : 0 → 18 : 1 (n-9) → 18 : 2 (n-9) → 20 : 2 (n-9)(stéarique) (processus inhibé par la consommation de mat. grasses riches en AG insaturés/polyinsaturés) ↓ 20 : 3 (n-9) plantes et (marqueur de consommation animaux de MG saturées, substrat idéal de la lipoxygénase) ↓18 : 1 (n-9)(oléique) PG1 ↑ plantes (côté -CH3) ↓ ∆6 désaturase 18 : 2 (n-6) → 18 : 3 (n-6) → 20 : 3 (n-6)linoléique (côté -COOH) γ-linolénique ∆5 désaturase ↓ 20 : 4 (n-6) arachidonique plantes ↓ PG2 thromboxanes prostacyclines leucotriènes ↓ ∆6 désaturase18 : 3 (n-3) -→ 18 : 4 (n-3)α-linolénique

↓

20 : 4 (n-3) ---------------------> 20 : 5 (n-3)EPA ↓

PG3

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Structures des prostaglandines dérivés de l'acide arachidonique

COOH20:4 (n-6)arachidonique

O

HO

COOH

OH

PGE2

O

PGA2

COOH

OH

O

OH

HO

TXB2(thromboxane)

OH

HO

OCOOH

(prostacycline)PGI2

Problème: l'activité de la ∆6 désaturase est affectée par divers facteurs pathologiques:

- diabète insulinodépendant- insuffisance hépatique grave (cirrhose)- malnutrition- sénescence (âge)

[en parallèle: désactivation de la ∆5 désaturase ?]

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Solutions nutritionnelles:

- consommation de 20 : 4 (n-6) ac. arachidonique: présent dans notre alimentation, mais en quantités modérées:

100 g foie de veau 95 mg de 20 : 4 (n-6)100 g gigot 251 oeuf 65

- consommation de 18 : 3 (n-6) ac. γ-linolénique, qui présente l'avantage de rétablir un équilibre satisfaisant entre PG1 et PG2,

mais qui n'est présent que dans les matières grasses de végétaux inhabituels dans notre alimentation:

pépins de cassis (Rubes nigrum): 17 % des AG totauxgraines de chanvre (Cannabis sativa) 5graines de bourrache (Borrago officinalis) 18-26onagre (Oenothera biennis): 7-14("Evening primrose")biotechnologies (Mucor spp.): 16-20 (moisissures)

Complément alimentaire (pas encore utilisé commercialement) et médicament de choix

pour les personnes souffrant de troubles métaboliques affectant la ∆6 désaturase, produitscosmétiques (efficacité ?).Actuellement aussi: dérivés synthétiques/semi-synthétiques des prostaglandines pourdiverses applications médicales, dont la prévention de l'accident cardio-vasculaire.

Distribution des acides gras

En plus du contrôle de l'identité des matières grasses, l'analyse des acides gras oudétermination de la distribution des acides gras dans les lipides/matière grasse, présenteles intérêts suivants:

- technologie (suivi d'opérations de modification intervenant sur les acides gras)- nutrition (appréciation de la valeur diététique).

La méthode encore la plus couramment pratiquée est la chromatographie en phasegazeuse - de plus en plus fréquemment sur colonne capillaire, après que les acides grasaient été convertis - sans altération de structure ou géométrie des doubles liaisons - enesters méthyliques ("fatty acids methyl esters" = "FAME"):

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Principe: denrée grasse matière grasse extraction/ destruction acide ↓ tri-glycérides (lipides totaux) ↵

saponification (NaOH/NaOMe/MeOH)↓

acides gras (sels de Na) [transestérification]

estérification (MeOH/[BF3])

↓ esters méthyliques (FAME) → GC

La distribution des acides gras est exprimée, pour chacun, en pour-cent des acides grastotaux.

Les conditions de chromatographie en phase gazeuse doivent permettre de séparerefficacement les esters méthyliques des acides 4 : 0 à 22 : n et plus encore: programmationde température.

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Des colonnes particulières permettent de séparer assez efficacement les isomères deposition/géométrie des acides gras insaturés (appréciation diététique).

Exemple:

Séparation des C18par GC sur colonnecapillaire

Des analyses plus complètes peuvent être effectuées en mettant en oeuvre les techniquessuivantes:

- séparation préalable de fractions d'acides gras- couplage GC - spectrométrie de masse

Les distributions observées permettent d'opérer une classification des matières grasses.

Classification des matières grasses en fonction de la distribution des acides gras

Selon la présence/absence de certains acides gras, la prépondérance de certains, lesrapports entre acides gras majeurs, on peut distinguer:

a) graisses animales de dépôt (saindoux, suif de boeuf, mouton, graisse de volailles)

18 : 1 > 16 : 0 > 18 : 018 : 2 variable (24 % dans la graisse de dinde)

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Distributions des acides gras

12:0 14:0 16:0 18:0 20:0 18:1 18:2 18:3 22:1

saindoux - 2 24 14 - 43 9 1 -

suif de boeuf - 3 26 20 - 40 4 - -

h. de baleine (a) - 5 8 2 - 29 2 1 14

h. de hareng (b) - 7 18 2 - 17 1 1 11

h. d'arachide - - 10 3 2 55 25 - -

h. d'olive - - 12 2 - 76 7 1 -

h. de tournesol - - 6 5 - 23 63 1 -

h. de soja - - 10 4 - 21 56 8 -

h. de coton - 2 22 5 1 19 50 - -

h. de palme - 1 40 5 - 41 12 - -

h. de colza - - 3 2 - 24 17 8 45

h. de colza LE - - 4 2 - 63 20 9 -

g. de cacao - - 25 37 - 34 3 - -

g. de coco (c) 47 18 9 3 - 7 2 - -

h. de palmiste(d)

47 16 8 3 - 14 2 - -

g. de lait (e) 3 9 24 13 - 26 2 - -

(a) aussi 16:1 (9) 20:1 (22) 20:5, n-3 (3) 22:5, n-3 (1) 22:6, n-3 (3)(b) aussi 16:1 (8) 20:1 (10) 18:4, n-3 (3) 20:5, n-3 (9) 22:6, n-3 (7)(c) aussi 8:0 (8) 10:0 (6)(d) aussi 8:0 (6) 10:0 (4)(e) aussi 4:0 (3) 6:0 (2) 8:0 (1) 10:0 (3)Remarque: les valeurs de ce tableau sont exprimées en % moyen (moyenne des valeurs extrêmes) de lasomme des acides gras

b) graisses d'animaux marins (hareng, morue, baleine)peu d'acides gras saturésnombreux acides gras insaturés, surtout poly-insaturésde 18 : 1 à 22 : 6 (n-3), en passant par 22 : 1 (n-9) éruciquedistributions complexes et variables

c) huiles de graines/fruits oléagineux en général (arachide, olive, tournesol, soja, coton)

18 : 1 < ou > 18 : 2acides gras saturés mineurs 16 : 0 et 18 : 0 (insignifiant)acides gras essentiels en fortes proportions, valeur diététique élevée(tournesol)

d) huiles de crucifères (colza, moutarde)acides gras saturés négligeables18 : 1 env. = 18 : 2présence de quantités significatives de 18 : 3 (problèmes, aussi dans le soja)dans les variétés originales de colza: proportion importante [env. 50 %] de 22: 1 (n-9) érucique, accusé des pires méfaits sur le système cardio-vasculaire,

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mais partiellement réhabilité depuis, développement de variétés "low erucic"[LE], avec des distributions d'acides gras proches de l'huile d'olive

[variétés "0" (sans ac. érucique) et "00" (sans ac. érucique et sansglucosinolates, facteurs anti-nutritionnels)]

[affaire des huiles d'olive frelatées en Espagne (1981): plus de 300 morts, plus de20 000 intoxications avec pour une part des séquelles irréversibles]

e) graisses végétales particulières, dont:cacao (beurre de)

env. 95 % des acides gras sont:16 : 0 < 18 : 0 env. = 18 : 1env. 50 % des tri-glycérides formées avec chacun de ces 3 ac. grasanalogie de distribution des acides gras avec graisses animales, propriétésphysiques particulières, bien exploitées (chocolat)

coco (coprah)série 8 : 0 à 18 : 0forte prédominance de 12 : 0acides gras à courtes chaînes: bonne digestibilitéacides gras saturés: bonne stabilité (thermique, oxydation)

palmiste (noyau du fruit du palmier à huile)analogue à coco (plus de 18 : 1 ?)

[huile de palme (péricarpe): distribution totalement différente:16 : 0 45 %18 : 1 40 %18 : 2 10 %]

f) graisse de lait de ruminant (vache, chèvre, brebis, [lait maternel]) : distributions trèscomplexes

modifications des acides gras provoquées par les systèmes enzymatiques dela flore microbienne dans le rumen (panse) de l'animalplus de 60 acides gras identifiés, de nombreux en traces:

Chromatogramme des esters méthyliques des acides gras de la graisse de lait

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AG saturés pairs et impairs (2:0 - 28:0)AG ramifiés (1 - 5 CH3-)

AG mono-insaturés pairs et impairs (10:1 - 26:1 sauf 11:1)AG di-insaturés pairs (14:2 - 26:2) avec isomères position et

géométrieAG poly-insaturés pairs avec isomères (18:3 - 22:6)AG substitués (-OH, =O, cycliques)

La recherche de matières grasses étrangères au beurre dans les préparations de beurrepeut être faite par simple examen de la distribution très caractéristique des acides gras dela graisse de lait.

Par contre, la teneur en beurre dans les produits "au beurre" (certains produits deboulangerie par exemple) est déterminée par mesure du % d'acide butyrique dans lesacides gras (dans le beurre le taux moyen d'acide butyrique est d'env. 3 %).

Position des acides gras sur le glycérol

En plus des problèmes d'authenticité des matières grasse, l'étude de la structure destriglycérides (TG) est intéressante à cause des relations:

structure - propriétés physiques (notamment la consistance)(intérêt pour la technologie des matières grasses)structure - digestibilité (?, controversé)

L'analyse totale (distribution des AG sélectivement sur les 3 positions du glycérol) requiertune série de processus biochimiques préliminaires:

CH

CH2

CH2

COOR2

OCO

OCO

R1

R3

CH

CH2

CH2

COOR2

OH

OCO R1

+ CH

CH2

CH2

COOR2

OCO

OH

R3

lipase(pancréas)

ATP

ADP(kinase)

CH

CH2

CH2

COOR2

OH

OHCH

CH2

COOR2

OCO R1

CH2OPO3H2

- distinction entre les positions "extérieures" (1 et 3) et la position "centrale" par unelipase pancréatique (mono-glycéride et AG séparés, formation des estersméthyliques, analyse par GC de la distribution des AG)

- distinction entre les positions 1 et 3 possible par phosphorylation des mono-glycérides (hydrolyse partielle avec la lipase comme avant) avec une di-glycéride-kinase (+ ATP), qui intervient stéréospécifiquement sur la position 3. Le DG nonréagi et le DG-monophosphate sont séparés et analysés individuellement quant à la

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distribution des AG. Globalement les distributions pour les positions 1, 2 et 3peuvent être sélectivement déterminées.

Quelques résultats :

Matière grasse Position 16:0 18:0 18:1 18:2 18:3

Olive 123

13 117

728374

1014 5

Arachide 123

14 211

595857

183910

Soja 123

14 113

232128

487045

9 7 8

Cacao 123

34 237

50 253

12 87 !

9

1 9 0

Saindoux 123

12 57 !

1

26 313

361857

13 722

Suif (boeuf) 123

411722

17 924

204137

4 5 5

Les positions "extérieures" sont préférentiellement estérifiées par des AG saturés pour lesmatières grasses végétales, mais pas pour le saindoux en ce qui concerne 16:0(digestibilité plus faible ?). 18:1 est distribué de manière uniforme sur les 3 positions, saufpour le cacao. 18:2 estérifie préférentiellement la position "centrale" des graisses végétalesmais les positions "extérieures" du saindoux (la proportion de 18:2 est cependantinsignifiante dans cette graisse animale de dépôt !).

2.2.2.3 Phospholipides

Autres lipides: rôle important dans les denrées alimentaires, plus encore dans le domainebiologique (métabolisme des lipides, stockage des acides gras [AG] et du phosphate,

transport des ions Na+ et K+, etc.).

Présents en proportions variables dans les divers lipides (Rappel: éliminés ou récupérésdans le processus du raffinage des matières grasses):

Denrée Lipides (%) Phospholipides (% des lipides)lait 3,6 1,5froment 1,5 20soja 23 10jaune d'oeuf 33 28

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Structure caractéristique:

CH2 - O - CO - R1 (principalement 16:0)

| R2 - CO - O - CH O

(principalement | �

18:1 et 18:2) CH2 - O - P - O - CH2 - CH2 - N+(CH3)3 |

O-

phosphatidyl-cholineN.B.: généralement désignée "lécithine", actuellement on distingue "pure lecithin"[phosphatidyl-choline] et "raw lecithin" [mélange des phospholipides], applicationscomme médicament/complément alimentaire

- CH2 - CH - NH3+

|

COO-

phosphatidyl-sérine

- CH2 - CH2 - NH2

phosphatidyl-éthanolamine

[mélange phosphatidyl-sérine + phosphatidyl-éthanolamine: "céphaline"(nomenclature abandonnée)]

OH

OHOHOH

HO

phosphatidyl-inositol (polyol cyclique)

Les distributions des divers phospholipides dans la "lécithine brute" ("raw lecithin") de sojaet du jaune d'oeuf sont:

Phospholipide % (soja) % (jaune d'oeuf)

phosphatidyl-éthanolamine 33 16 -choline 33 73 -inositol 34 0,6

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Les phospholipides ont des propriétés intéressantes en technologie alimentaire:émulsifiants (voir chapitre "additifs")

2.2.2.4 Insaponifiable - Stérols

Les stérols sont des constituants des lipides qui se trouvent dans la partie appelée"l'insaponifiable", c'est à dire la fraction qui est insoluble dans l'eau, mais soluble dans lessolvants organiques, après saponification (hydrolyse en milieu alcalin) des lipides.

La teneur en "insaponifiable" des matières grasses (huiles et graisses) est de l'ordre de 0,5à 1,5 % en général; il s'agit d'un mélange complexe, qui à côté des stérols, contient deshydrocarbures (squalène, etc), des alcools gras (cires), des pigments liposolubles(carotène, etc.), des vitamines...

Stérols: constituants complexes, dont le rôle biologique est important.

Structure des stérols

HO

R

35

7

17

∆5

∆7

(∆5)brassicastérol

(∆5,7)ergostérolprovitamine D2

cholestérol (∆5)

(∆5)sitostérol

stigmastérol (∆5 et ∆7)

campestérol (∆5)

(∆5 et ∆7)avénastérol

- Structure: système cyclopentano-perhydrophénanthrènefonction alcool secondaire en position 3, estérifiée par un acide gras,généralement

- 2.2/19 -


double liaison en position 5 ou 7 (ou 5 et 7)chaîne latérale de structure spécifique en position 17

- Classification:

zoo-stérols (origine animale): pratiquement un seul représentant, mais trèsimportant: cholestérol (aussi lanostérol, moins important, intermédiaire dans labiosynthèse du cholestérol)

phyto-stérols (origine végétale): nombreux, différenciés par la chaîne en position 17et/ou la position de la double liaison (5, 7, 5 et 7)

Dérivés des stérols

OH

OHCOOH

acides biliaires

CH2OHO

hormones du cortex surrénal(cortisone, etc.)

hormones gonadiques(testostérone, oestrone)

O (ou -OH)

R

HO

provitamine d

hν

R

OH

∆

R

HO

vitamine D

- 2.2/20 -


- Précurseurs de:

- acides biliaires: émulsifiants qui jouent un rôle important dans la digestiondes lipides (émulsification des mat. grasses au niveau de l'intestin)- hormones du cortex surrénale (cortisone, etc.) et gonadiques (testostérone,oestrone)- vitamine D

... mais aussi rôle dans l'athérosclérose (cholestérol, alimentaire et endogène).

Distribution des stérols

La méthode d’analyse des stérols suit le schéma suivant:

lipides

saponification ↓ (NaOH/H2O/chauffage)

"savon"

↓

extractionavec Et2O

↓

↓ ↓phase aqueuse phase organique

("savon") ("insaponifiable")

La technique est longue et fastidieuse; elle consiste habituellement en une :

- (extraction de la matière grasse [destruction HCl ...])- saponification- extraction de l'insaponifiable avec un solvant organique- purification de la fraction des stérols par chromatographie sur couche mince préparative- (préparation de dérivés silylés)- chromatographie en phase gazeuse (capillaire)

- 2.2/21 -


Exemples de chromatogrammes des stérols (J. Castang et col):comparaison entre colza (riche en campéstérol et avec brassicastérol) et tournesol

Malgré cette difficulté analytique, la distribution des stérols dans les matières grasses esttrès étudiée, applications importantes pour l'analyse des denrées alimentaires:

- distinguer entre matières grasses animale et végétale (margarine dite "100 %végétale"), par le cholestérol, sous réserve des petites proportions présentes danscertaines matières grasses végétales (mesurées avec précision récemment)

- mise en évidence de fraudes/falsifications (beurre de cacao avec rapport stigma-/campestérol inimitable, brassicastérol pour détecter la falsification de l'huile d'oliveavec de l'huile de colza [affaire des "huiles d'olive espagnoles"]

- 2.2/22 -


Distributions des stérols

Matièregrasse

Stérols(%)

Chole- Campe- Stigma- 5

Sito- Avéna- 5 Brassica-

coton 0.35 0.4 9.2 2.5 88.2 tr. 0

arachide 0.25 0.5 12.8 10.8 74.6 0 0

maïs (germ) 0.90 0.2 22.1 7.2 62.2 3.5 0

colza 0.84 0.5-1.5 29.4 0 54.9 5.7 9.9

moutarde 0 27.2 0.1 55.8 2.0 14.7

olive 0.16 0.3-0.4 3.9 2.1 85.4 8.6 0

soja 0.37 0.3 21.3 19.1 53.5 2.4 0

cacao 0.25 0.7 8.7 27.9 62.6 tr. 0

gr. anim. 0.1 98 - - - - -

beurre 0.25 98 - - - - -

oeuf (jaune) 1.01 (100) - - - - -

huile de foie ~ 1 (100)

- dosage des oeufs dans les produits aux oeufs (pâtes alimentaires), à défaut demieux [teneur en cholestérol constante dans la phase lipidique du jaune] (valeur debase : 350 mg de choletésol / 100 g d'oeuf)[N.B.: auparavant, dosage gravimétrique du cholestérol sous forme de digitonide(adduct avec la digitonine, alcaloïde de la digitale)]

2.2.3 Dégradation des lipides

2.2.3.1 Généralités

Problème d'importance économique (pertes, surtout par stockage inadéquat) etnutritionnelle (produits dégradés indigestes, éventuellement toxiques [radicaux libres],altération ou destruction par voie de conséquence d'autres constituants, les protéines [?],les vitamines A et E, ...)

Les lipides (triglycérides, TG, essentiellement) peuvent subir les dégradations suivantes(voir schéma ci-après):

a) - hydrolyse: libération des acides gras (AG) dont les propriétés sont plus ou moinsdésagréables sur le plan organoleptique (AG à courtes chaînes, principalement)

a.1 - par voie "chimique": problème des huiles de friteuse (température élevée,180 - 220°, apport d'eau par denrées frites, pommes de terre, poisson, etc.),mais libération d'AG à longues chaînes, peu odorants, problème mineur àcôté des autres facteurs d'altération, oxydation, isomérisation, polymérisation[indicateur de dégradation, facile à mesurer, kits de mesure pour lescuisiniers]

a.2 - par voie enzymatique: le fait des lipases (analogues à celles quiinterviennent dans le métabolisme des lipides) présentes dans diversproduits végétaux (fruits, légumes, céréales, aussi le lait), apportées par des

- 2.2/23 -


bactéries, des levures (Candida cylindracea, emploi en biotechnologie,Geotrichum candidum, spécificité à l'égard des AG à doubles liaisons enposition 9), des moisissures (Penicillium roqueforti), activité lipolytique àl'interface eau/lipide, destruction par le blanchiment pour les produitsvégétaux.

N.B.: aspect positif (utile): contribution à la maturation (affinage) des fromages(apportées par flore bactérienne/moisissures), les AG libérés participent à l'arôme(ensemencement avec Candida lipolytica à cet effet).

Triglycérides

Oxydation Hydrolyse (autoxydation, photo- (hydrothermique ou oxydation ou I II enzymatique) enzymatique)

Hydroperoxydes de triglycéride Acides gras libres + glycérolPéroxydes mono-, di-,

époxy et cycliques

Hydrolyse Oxydation II I

Hydroperoxydes d'acides gras libres

Produits secondaires et tertiairesdi- et époxyaldéhydes saturés et insaturéscétones, lactones, furanesoxo et hydroxyacides mono et dibasiqueshydrocarbures saturés et insaturés

b) - oxydation: fragmentation oxydative des chaînes d'AG, principalement insaturés,mais aussi saturés (température élevée, huiles de friteuse), avec formation derelativement petites molécules (aldéhydes, ac. carboxyliques, cétones, ...) d'odeurtrès déplaisante: rancissement

b.1 - par voie enzymatique: rôle des lipoxygénases sera vu plus loin(autooxydation), mais processus particulier intéressant: formation desméthylcétones par anomalie de la ß-oxydation des AG à courtes (< 14:0)

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chaînes (lait, coco, palmiste): le fait de certaines moisissures (Penicilliumspp., Aspergillus spp., ...):

lipases estérification ß αTG ----- --> AG -------------------> R - CH2 - CH2 - CO - S - CoA du co-enzyme A

|déshydrogénase |

↓ R - CH = CH - CO - S - CoA

|H2O/hydratase |

↓ R - CH - CH2 - CO - S - CoA | OH

|déshydrogénase |

↓ ß-cétothiolase (moisissure)

R - CO - CH2 - COOH <---------------------- R - CO - CH2 - CO - S - CoA| || décarboxylase processus normal |

↓ ↓R - CO - CH3 + CO2 R - CO - S - CoA + Ac-S-CoA AG avec 2 C de produit moins énergétique

méthylcétones formées très odorantes: rancidité "cétonique" ou dite aussi"parfumée":

6:0 --> CH3 - CH2 - CH2 - CO - CH3 S.O.: 2,3 mg/l (fruité, banane) pentanone-2 (dans l'eau)

8:0 --> CH3 - (CH2)4 - CO - CH3 0,65 (épicée) heptanone-2

10:0 --> CH3 - (CH2)6 - CO - CH3 0,19 (florale, grasse) nonanone-2

N.B.: processus essentiel dans la technologie de certains fromages (àmoisissures), roquefort, gorgonzola, contribution à l'arôme, c'est le fait dePenicillium roqueforti.

b.2 - autoxydation

2.2.3.2 Autooxydation

Processus principal d'altération: rancissement de la matière grasse (huiles, graisses,produits mixtes gras, céréales, ...), odeur repoussante.

- 2.2/25 -


Processus complexe, abordé en commençant par énumérer les paramètres qui lecontrôlent:

1. action de la lumière [hv] (processus partiellement photochimique, nécessitéde protéger les matières grasses sensibles [huiles vierges] par desemballages opaques), aussi irradiation gamma (formation de radicaux libres)

2. catalyseurs: métaux lourds (de transition) tels que Fe, Cu, Co, Mn, pigmentsnaturels tels que hémo/myoglobine (Fe) (problème des produits carnés),avec plusieurs degrés d'oxydation stables

3. activité de l'eau (aw): effet inhibiteur optimal vers 0,2 - 0,3, au-dessous,

stabilisation diminuée des hydroperoxydes [R - OOH], au-dessus, transportfacilité des facteurs catalytiques, puis effet de dilution [?] des facteurs decatalyse

4. température: accélération nette en chauffant, processus différents àtempératures très élevées [attaque des acides gras (AG) saturés], mais[énergie d'activation faible] processus encore significatif à - 20° (congélation)

5. degré d'insaturation des AG, avec les réactivités relatives suivantes:

18:0 (référence) 1 (pratiquement non affecté à tempé-18:1 100 ratures modérées)18:2 1 20018:3 2 500 (la bête noire, à détruire)

6. présence/absence d'oxygène: facteur peu significatif, mais cependant intérêtà conserver les mat. grasses sous gaz inerte, en emballage parfaitementétanche (métal, stockage prolongé)

7. présence/absence d'antioxydants: substances inhibitrices, d'origine naturelleou artificielle (voir plus loin)

Déroulement dans le temps: observation sur des triglycérides (TG) purs, maiscomportement analogue des matières grasses en pratique

- 2.2/26 -


- période d'induction (latence), il ne se passe (apparemment) rien- période "monomoléculaire" (par analogie cinétique), absorption lente d'oxygène,formation des premiers hydroperoxydes [R - OOH]- période "bimoléculaire", absorption accélérée d'oxygène, apparition del'odeur/saveur de rance = apparition des aldéhydes

Mécanisme radicalaire, avec les étapes suivantes:

a) initiation primaire: formation des premiers radicaux, au cours de la périoded'induction, selon un processus qui peut être schématisé comme suit:

(liaison C - H d'un acide gras [AG]):

R - H ---------------------------------------------> R• + ...

catalyse [hv, métaux, enzymes, ...]

l'attaque se fera sur une liaison d'énergie la plus faible possible:

C = C - H (vinyle) 103 kcal/mole

CH2 - H (saturé) 100 -

C = C - CH2 - H (allyle) 85 -

C = C C - H (2 x allyle) 65 -C = C

(N.B.: c'est la stabilisation du radical par résonance qui est déterminante)

b) processus de propagation avec la formation des hydroperoxydes:

R• + O2 ------------> R - O - O

• + R' - H (autre AG)

|↓

R - O - O - H + R'• ----> ...

processus cyclique: on compte que chaque radical initial induit la formation de 10 -100 molécules d'hydroperoxyde [R - OOH] avant que le cycle s'arrête pour uneraison ou pour une autre

les hydroperoxydes sont instables, mais leur durée est suffisamment longue pourqu'il soit possible de les chromatographier (HPLC)

la teneur en R - OOH, qui devient significative à la fin de la période d'induction,durant la phase monomoléculaire, permet d'évaluer le potentiel d'altération de lamatière grasse, déterminé par iodométrie (indice de peroxydes)

- 2.2/27 -


c) initiation secondaire: la décomposition des hydroperoxydes produit de nouveauxradicaux qui permettent poursuivre le processus

R - O - O - H ------> produits + nouveaux radicaux →...

intervention des facteurs catalytiques tels que sels de Fe, Cu, pigments naturelsavec Fe (myoglobine, etc.)

R - O - O - H + Fe2+ ----> R - O• + Fe3+ + HO-

R - O - O - H + Fe3+ ----> R - O - O• + Fe2+ + H+

[alors que des réactions du type:

R - H + Fe3+ ---> R• + Fe2+ + H+

n'interviennent pas de manière significative, très lentes]

d) réactions d'arrêt, qui forment à partir de divers radicaux des produits nonradicalaires inactifs:

2 R• ------> ...

R• + R - O - O

• ------> ...

2 R - O - O• ------> ...

Formation des produits

- aldéhydes à courtes chaînes, saturées ou insaturées, volatiles et très odorantes,principaux facteurs d'altération organoleptique

S.O. (huile S.O. (eau) de paraffine)de 18:1

octanal (8:0) ("huile") 50 µg/kg 40 µg/kgnonanal (9:0) (suifeux, bougie) 250 40

de 18:2

hexanal (6:0) (suifeux, "vert") 150 20heptèn-2 al (7:1) ("huile") 400 50octèn-2 al (8:1) ("huile") 600 4décadièn-2,4 al (10:2) (friture) 20 -

- 2.2/28 -


de 18:3 (réversion)

heptadièn-2,4 al (7:2) ("huile") 50 -nonadièn-2,6 al (9:2) (concombre) 2 0,1... de 3:0 à 10:3

- aldéhyde malonique OHC - CH2 - CHO, inodore, formée préférentiellement des AG

triènes (18:3 ...), réagit avec différentes substances (ac. thiobarbiturique,phloroglucinol [test de Kreis]) pour former des produits de condensation colorés(tests de rancidité)

- dérivés du furanne (arôme de réversion, soja, ... riches en 18:3), hydrocarburesaliphatiques (éthane, pentane, ...), acides carboxyliques à courtes chaînes (8:0, ...dans graisses autres que butyrique, coco ou palmiste !) qui peuvent aussi êtreanalysés par des méthodes chromatographiques pour caractériser le processus derancissement

- "acides gras oxydés" (huiles de friteuses, insolubles dans l'éther de pétrole, facilesà doser pour caractériser l'altération)

2.2.3.3 Antioxydants

Les antioxydants sont des substances chimiques destinées à combattre les altérations desmatières grasses et des denrées alimentaires grasses.

But: protection des matières grasses contre l'autooxydation, agissent par des réactionsd'arrêt particulièrement efficaces:

R - O - O• + A - H ------> R - O - O - H + A

•

antioxydant Radicaux relativement stables(protection stérique)

R - O• + A - H ------> R - O - H + A

•

et

A• ------> produits (stables)

R - [ O ]- O• + A

• ------> produits

les antioxydants sont efficaces si:

- utilisés à temps (avant le développement de quantités significatives de R-O-O-H,durant la période d'induction), sinon possibilité d'initiation parasite:

A• (haute conc.) + R - H ------> R

• + A - H (équilibre, loi

<-- (d'action de masse)

- utilisés en concentration adéquate (généralement 0,01 - 0,02 %, soit 100 - 200mg/kg mat. grasse)

- 2.2/29 -


Les antioxydants sont:

a) artificiels, en général des polyphénols ou des phénols stériquement encombrés,autorisés avec parcimonie par le droit alimentaire:

- SO2 et ses dérivés (E 220 - E 224), hydrosolubles (aussi agents de conservation

[déjà vu] et anti-Maillard, mais allergènes, destruction vit. B1, ...)

- esters de l'acide gallique: propyle (E 310) [relativement hydrosoluble], octyle (E311) et dodécyle (E 312) [dit aussi "de lauryle", essentiellement liposoluble] (àchoisir selon l'application)

- BHA (E 320), probablement le plus utilisé

- BHT (E 321) [Suisse: seulement gommes à mâcher, surpolymérisation]

- palmitate (16:0) (E 304)/stéarate (18:0) d'ascorbyle [esters de l'acide ascorbique (E 300 - E 302)], liposolubles, fonction réductone)

- pas autorisés en Suisse:- TBHQ (tert-butyl-hydroquinone) et

- éthoxyquine (6-éthoxy-1,2-dihydro 2,2,4-triméthyl quinoléine, active sous forme de radical !)

N

O

Et Me

MeMe

H

NMeMe

Antioxydants artificiels

COOR

HO

OH

OH

gallates de :n-propylen-octylen-dodécyle

OH

OCH3

CMe3

BHA

OH

CMe3

CH3

Me3C

BHT

COC

O

CCCCH2

HH

HOHO

HOO CO R

acide ascorbique estér ifiéeavec :

16:0 (palmipate d'ascorbyle)18:0 (stéarate d'ascorbyle)

- 2.2/30 -


Mesure de l'efficacité relative: facteur antioxydant (FA, antioxydative factor AF):

FA = période induction avec/période induction sans

Antioxydant FA (saindoux)

BHA (0,02 %) 9,5BHT (0,02 %) 6gallate d'octyle (0,02 %) 6palmitate (16:0) d'ascorbyle (0,02 %) 4BHA (0,01 %) + BHT (0,01 %) 12 (synergie !)

b) naturels, dont:

- ac. ascorbique (hydrosoluble, jus d'agrumes, protection contre l'oxydation des constituants aromatiques, E 300 ...)

- phénols/polyphénols présents dans certaines épices (sauge, romarin) et formés lors du fumage (pyrolyse de la lignine du bois) des viandes/poissons

- NDGA (ac. nordihydroguaiarétique), isolé d'un arbuste du désert ("creosote bush"), non autorisé en Suisse

HO

HOOH

OH

- certains produits de la réaction de Maillard (aussi des réductones)

- tout particulièrement: tocophérols (voir vitamine E) (E 306 - E 309)

Applications: huiles et graisses, jus de fruits (contre l'oxydation des huiles essentielles

Synergistes des antioxydants

Des substances telles que H3PO4 , l'acide citrique (E 330 - E 333), l'acide

citraconique, l'acide fumarique, etc., complètent l'action des antioxydants, avec effetsynergique (effet multiplicateur) en complexant (chélation, séquestration) les cationsmétalliques catalyseurs de l'autooxydation:

Matière grasse + 2 mg/kg Fe (+ 2 mg/kg Ni)

+ 0,01 % ac. citrique FA = 0,6 0,5+ 0,01 % gallate de dodécyle 0,1 3,0+ 0,01 % ac. citr. + 0,01 % gall. dod. 5,7 7,0

L'ac. citrique est aussi utilisé sous forme liposoluble d'ester de mono- oudi-glycérides (E 472c)

- 2.2/31 -


CH2

C

CH2

COOH

COOH

COOH

HO acide citrique (sels de Na, K, Ca)

CH2

CH

CH2

O

O

O 1 x ac. citrique1 x ou2 x ac. gras

2.2.3.4 Dégradation des lipides lors de l’hydrogénation

Hydrogénation catalytique (hétérogène, avec H2 gazeux, pression 1-3 bar, température

150-250°C) pour "saturer" les doubles liaisons des acides gras (AG) insaturés (1902,Normann, actuellement env. 4'000'000 tonnes de matière grasse hydrogénée produites paran).

Buts visés

- élimination des AG hautement insaturés (18:3, notamment) pour stabiliser lesmatières grasses vis-à-vis de l'oxydation (huile de soja, tout spécialement):hydrogénation sélective

- production d'huiles riches en AG monoène (18:1), stables vis-à-vis de l'oxydation,pour huiles à salade notamment: hydrogénation sélective

- production de graisses durcies (graisses comestibles, produits de base pour laproduction des margarines, "shortenings", etc.): hydrogénation non sélective.

Problèmes (dans le cas d’une hydrogénation partielle):

- formation d’isomères de position

- et surtout formation d’isomères géométriques (double lisison trans - acides grasnon utilisables par l’organisme)

Solution éventuellement possible: catalyse homogène (Fe carbonyle, complexes deCr carbonyle), sélectivité pour l'hydrogénation des polyènes, monoènes nonaffectés, formation stéréosélective de cis-monoènes, à l'étude (comment sedébarrasser du catalyseur après ?)

Exemple pratique: hydrogénation sélective [Cu] de l'huile de soja

AG avant après16:0 10 1018:0 4 418:1 (n-9) oléique 26,0 30,4 cis18:1 isomères 0 5,5 trans ...18:2 (n-6) linoléique 52,5 42,5 cis, cis AGE18:2 isom. conjugués 0 0,718:2 isom. non conj. 0 5,2 !18:3 (n-3) 7,3 0,7 but poursuivi

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LIPIDES 2.2.1 Définitions - propriétés générales - … · Ces acides gras sont très odorants (seuls les acides libres présentent ces propriétés), avec des odeurs déplaisantes