Formulation d’un matériau céréalier structuration des pâtes de blé par traitement mécanique, thermique et thermomécanique

Composition d’une pâte de farine de blé

La farine de blé est une des fractions obtenues par la mouture des grains de blé et est en moyenne composée de 8 à 15% p/p d’eau, 70 à 82% p/p d’amidon (base humide), de 7 à 14% p/p de protéines, de 1 à 3% p/p de fibres et d’une faible quantité de sucres solubles et de minéraux (Feillet, 2000). 2.1.1 Le granule d’amidon Dans le grain de blé, les granules d’amidon sont concentrés dans l’albumen qui constitue un organe de réserve énergétique pour la plante. L’amidon représente entre 54 et 72% du poids sec du grain de blé. Sa structure, sa composition et sa concentration dans le grain sont fonction de l’origine botanique et des conditions de culture. Dans une farine de blé, on distingue des granules d’amidon lenticulaires de diamètre compris entre 20 et 35 µm (granule de type A) et des granules sphériques de diamètre compris entre 2 et 10 µm (granule de type B) (Figure 9). Certains auteurs identifient un 3 ème type de granules de diamètre inférieur à 3 µm et de forme irrégulière (granules de type C) (Bechtel et al., 1990; M. Ö. Raeker et al., 1998) souvent considéré, en pratique, comme une sub-population minoritaire (< 3% granules totaux) des granules de type B (Geera et al., 2006) correspondant vraisemblablement aux fragments issus de l’endommagement des amidons. Figure 9 : Granules d’amidon de blé en microscopie à balayage laser X 1000) (Wei et al., 2010). Identification des granules de type A et B. Le granule est insoluble dans l’eau mais accessible aux enzymes lorsque la plante doit mobiliser ses réserves. Il se compose, en base sèche, de près de 98% de polymères glucidiques, l’amylose et l’amylopectine, et de quelques pourcents de lipides, fibres et de protéines, ces dernières étant localisées à la surface du granule (Schofield, 1994).

Les polymères glucidiques sont formés d’un enchainement d’unités α-D-glucose, reliées entre elles par des liaisons α (14). Le ratio en masse entre amylose : amylopectine dans un granule est d’environ 1 : 3 dans le cas du blé. Formulation d’un matériau céréalier structuration des pâtes de blé par traitement mécanique, thermique et thermomécanique 45 I. État de l’art L’amylose est essentiellement linéaire et présente un haut degré de polymérisation (DPn d’environ 1000). Dans un milieu aqueux, l’amylose se présente sous la forme de bobines étirées et se structure rapidement en hélices par la complexation avec les lipides de la farine (ou avec d’autres agents tels que des alcools, ou des émulsifiants présents dans les pâtes de farine). La structure hélicoïdale comporte des cavités hydrophobes situées à l’intérieur de l’hélice. Environ 20% (en g/g d’amylose) des groupements hydrophobes de l’amylose sont complexés avec des phospholipides (Bertolini, 2010; Pérez and Bertoft, 2010).

Lorsque le granule d’amidon est rompu dans une suspension (par exemple lors d’un traitement thermique et mécanique intense), l’amylose libérée du grain est capable de gélifier la suspension. L’amylopectine, dont le poids moléculaire se situe entre 50 et 500 kDa est l’une des plus grandes macromolécules synthétisées naturellement connue. La molécule est ramifiée par de nombreux branchements de chaines d’unité α-D-glucose de faible degré de polymérisation (12 à 30 unités). Grâce à des liaisons α (16). On distingue 3 types de chaines, classées selon leur environnement immédiat : les chaines A, les plus externes ne portent pas d’autres chaines ; les chaines B, intermédiaires, portent une ou plusieurs autres chaines; enfin la chaine C, unique et longue forme le squelette et présente le seul résidu réducteur de la macromolécule (Robin et al., 1974). La présence de branchements représentant entre 4 à 5% des liaisons osidiques totales de la molécule se traduit par des effets considérables sur les propriétés physiques de l’amylopectine par rapport à l’amylose (Pérez, 2000).

L’amylopectine est associée au niveau de cristallinité du granule et à la cinétique du gonflement pendant la gélatinisation (Maningat and Seib, 2010). L’organisation des polymères, très concentrés et peu hydratés, donne au granule une structure semicristalline. A l’état natif, la cristallinité du granule d’amidon de blé est estimé à une valeur comprise entre 20 et 39% de l’amidon total (Buléon et al., 1998). L’observation microscopique des granules d’amidon sous lumière polarisée révèle un granule traversé d’une croix blanche centrée sur le hile, identifiée comme « croix de Malte ». De nombreuses études ont été conduites pour déterminer l’architecture du granule d’amidon. Les travaux de Gallant et al.(1997)et de Buléon (1998) ont joué un rôle majeur dans la compréhension de l’organisation du granule d’amidon (Figure 10). 

Les protéines de la farine

Les protéines sont le second composant majoritairement présent dans la farine de blé. La farine de blé est une source de protéines non négligeable dans l’alimentation humaine. La faible teneur en lysine des protéines de blé implique leur consommation en complémentarité d’autres sources de protéines. Les protéines de la farine ont été dans un premier temps identifiées par la méthode de classification des protéines végétales développée par Osborne (1924) basée sur l’extraction séquentielle dans les solvants suivants : l’eau, une solution saline diluée, un alcool et une solution acide ou basique. Shewry et ses coauteurs (Shewry et al., 1986) ont étayés cette classification par une distinction réalisée sur la teneur en soufre et la masse moléculaire des protéines. Deux grandes classes de protéines sont alors distinguées, les protéines métaboliques, dont les propriétés fonctionnelles dans les pâtes ne sont pas toutes connues et des protéines de réserve, impliquées, en présence d’une certaine quantité d’eau et d’un traitement mécanique, dans la formation d’un réseau protéique tridimensionnel, le gluten.

La classification des protéines est donc basée sur leurs propriétés technologiques et sur leurs propriétés biochimiques/génétiques. Au total une centaine de protéines différentes sont présentes dans la farine de blé. Les protéines métaboliques comportent des albumines et des globulines, avec une prépondérance d’albumines. Ces protéines représentent entre 15 et 20% des protéines totales de la farine (base sèche). Les albumines sont solubles dans l’eau et les globulines dans des solutions salines. Il s’agit de protéines monomériques de faible poids moléculaire ; entre 11 et 30 kDa pour les albumines et entre 1 et 67 kDa pour les globulines. Les peptides et les acides aminés libres font également partie des protéines métaboliques. Les principales protéines de la farine (entre 80 et 85% des protéines totales) sont les protéines de réserve, ou protéines de gluten et comportent des gliadines et des gluténines. Les gliadines sont des protéines majoritairement monomériques classées en 2 sous-catégories selon leur séquence en acides aminés : – Les ω-gliadines, plus pauvres en acides aminés soufrés et plus riche en glutamine et proline, de poids moléculaire entre 30 et 75 kDa. – Les α-/β- et γ-gliadines, riches en acides aminés soufrés et plus pauvres en prolamine et glutamine, de poids moléculaire compris entre 30 et 45 kDa. On compte 6 résidus cystéine portés par les α-et β-gliadines et 8 résidus cystéine portés par les γ-gliadines, tous engagés dans des liaisons intramoléculaires. 47 I. État de l’art Les gluténines sont des protéines polymériques solubles dans des solutions d’acide acétique ou alcalines. Elles représentent 40 à 50% des protéines totales de la farine. Elles sont également distinguées en sous unités gluténines de haut poids moléculaire (SG-HPM) et sous unité gluténines de faible poids moléculaire (SG-FPM).

Les polymères de gluténine sont stabilisés par des ponts disulfures intra- et intermoléculaires (Tatham and Shewry, 2002). Les larges agrégats de gluténines ainsi stabilisés sont qualifiés par certains auteurs de macropolymères de gluténines. Leur présence entraine une plus grande élasticité de la pâte, déterminant ainsi la qualité technologique de la farine. Bien que moins nombreux (20% des gluténines), les SG-HPM ont un effet majeur sur les propriétés rhéologiques du gluten et de la pâte (Belton, 2004) 2.1.3 Autres composants de la farine Les pentosanes sont des polysaccharides non amylacés contenus dans la paroi végétale. Les pentosanes identifiés dans le grain de blé sont les arabinoxylanes et les arabinogalactanes qui représentent 2,5% des glucides totaux dans le grain et 1 à 3% de farine (base humide). Les arabinoxylanes sont constitués d’un squelette d’unité de xylose (100 à 500 unités) reliées en β-(14) sur lequel sont greffés de manière aléatoire des résidus d’α-L-arabinofuranose (sur les carbones 2 et 3). Certains des arabinoses sont estérifiés par une molécule d’acide férulique au niveau de leur carbone 5. En plus faible proportion, les arabinogalactanes sont formés d’un squelette de D-galactose.

La solubilité des pentosanes varie selon la taille de la molécule, on estime que 20% de pentosanes sont solubles et 80% de pentosanes sont insolubles. Les arabinoxylanes solubles ont une forte capacité de rétention d’eau, autour de 15 g d’eau/ g de fibre (Feillet, 2000). La viscosité d’une solution peut être augmentée au-delà d’une concentration de 0,2% (p/p) en arabinoxylanes solubles (Rouau et al., 1994). Lors de la formation d’une pâte, la teneur en pentosanes influence la compétition pour l’eau entre les pentosanes, l’amidon et les protéines, pouvant modifier le développement de la pâte. La farine contient également environ 2% de glucides (base humide) sous la forme de saccharose, de maltose et de glucose. Ils sont directement accessibles aux levures et permettent donc d’initier la fermentation anaérobie, étape clé de la fabrication du pain. Les lipides sont présents à hauteur de 1 à 3% (base humide) dans la farine. Les principaux lipides de la farine sont des triglycérides.

À l’échelle de la pâte de farine, les lipides sont impliqués dans la stabilisation des associations protéiques par liaisons hydrogène et hydrophobe notamment lors de la formation d’un réseau de gluten (Pomeranz and Chung, 1978). De plus, l’oxydation des lipides par action de lipoxygénases entraine leur répartition dans les fractions moins solubles de gluténines. Une partie des lipides interagit par ailleurs avec l’amidon par la formation des complexes amylose-lipides. La farine est également composée de moins de 0,5% de minéraux et de vitamines (B1, B2, PP et E). La teneur en minéraux dans la farine est approximée par la mesure du taux de cendres. Les minéraux constitutifs sont du phosphore, du potassium et du magnésium. Les lipases sont actives lors du stockage de la farine induisant l’augmentation de la teneur en acides gras libres en fonction de la teneur en eau de la farine, de la température et du temps de stockage. Enfin, la teneur en eau de la farine est maintenue sous le seuil de 15% (masse farine), afin de permettre le conditionnement sur le long terme de la farine dans les conditions habituelles de stockage.