Etude de la production de composés souffrés volatils par voie biotechnologique

par Alain M. Sourabié

Thèse de doctorat en Science des aliments

Sous la direction de Henry-Éric Spinnler et de Pascal Bonnarme.

Soutenue en 2009

à l'AgroParisTech .

mots clés

• Composés soufrés volatils
• Aromatisants

Résumé

La préférence des consommateurs pour un produit alimentaire est en grande partie conditionnée par sa qualité aromatique. Bien souvent, l’arôme intrinsèque d’un aliment est insuffisant pour en assurer totalement la qualité, du fait notamment des procédés de transformation auquel il a été soumis. Ainsi, dans le but de rendre ses produits plus attrayants, l'industrie agro-alimentaire élabore et utilise une grande quantité de composés d’arôme, naturels ou synthétiques. D’autre part, l’expansion du marché des arômes et saveurs naturels, résultant de l’émergence d’une conscience sociale forte en faveur de l’origine naturelle des aliments et du concept « alimentation santé », a conduit l’industrie à se tourner vers des voies alternatives de synthèse. Ainsi, la production biotechnologique des arômes est devenue de plus en plus attrayante en raison de la demande élevée et de la forte valeur ajoutée des arômes « naturels ». Dans ce contexte, SAFISIS (groupe LESAFFRE) entreprise spécialisée dans les composés d’arôme naturels cherche à se diversifier en produisant de nouvelles molécules aromatiques telles que les composés soufrés volatils (CSV). Souvent identifiés comme des composés d’impact de différents aliments (ex : café, vin, bière, fromage, fruits, légumes) pour lesquels ils contribuent de manière significative à la qualité et au caractère unique, les CSV possèdent des notes très puissantes, des seuils de détection très bas (de l’ordre de la partie par milliard) et une très forte réactivité. Leur origine principale est le métabolisme des composés soufrés organiques (L-cystéine, L-méthionine) ou inorganique (sulfate, sulfite). L'objectif de ce travail, présenté en trois grandes parties, était d'étudier, par différentes approches biotechnologiques, la production de CSV. La finalité de ce travail étant le développement d’éventuelles applications industrielles. Les fromages à pâte molle comme le munster, le livarot et le camembert ont été choisis comme base d’étude du fait de leur richesse en CSV. La première partie des expérimentations a porté sur la recherche exploratoire d'une catégorie de CSV, les thiols polyfonctionnels, dans les fromages. De tels composés, présentant des notes olfactives souvent originales (fruit de la passion, cassis, buchu), ont été précédemment identifiés dans la bière et le vin. Ainsi, une méthode d’extraction spécifique de thiols a été développée et a permis, pour la première fois, l'identification de deux thiols polyfonctionnels dans le munster et le camembert : l’éthyl 2- et l’éthyl 3-mercaptopropaonate. Vu les concentrations mesurées dans le munster et le camembert, le dernier composé est retrouvé à un niveau qui pourrait avoir une incidence globale sur l'arôme de ces fromages. L’objectif de la seconde partie de ce travail était la production de CSV, principalement le méthanethiol (MTL), le précurseur d’autres CSV aux arômes fromagers marqués, les polysulfures (DMDS, DMTS) et les S-méthyl thioesters, par des micro-organismes de la flore d’affinage du fromage. Ainsi, un criblage a été réalisé dans le but d’évaluer la capacité des souches sélectionnées à produire des CSV à partir de différents précurseurs (peptones, acides aminés, sulfate Par ailleurs, les voies de formation de ces composés qui impliquent des réactions enzymatiques et spontanées ont pu être majoritairement élucidées. Dans la troisième partie, les potentielles applications industrielles des résultats précédents ont été abordées. Ainsi, deux procédés de production naturelle de S-méthyl thioesters et de polysulfures ont été mis au point. Ces procédés conduisent à d’excellents résultats en terme de quantités de CSV produits et de potentiel d’aromatisation. Enfin, dans le but de finaliser ces applications, une étude très prometteuse de l’extraction des CSV a été réalisée en utilisant la technique d’extraction liquide-liquide à membrane (MBSE)

Titre traduit

Study of the biotechhnological production of volatile sulfur compounds

Résumé

Food-processing operations may cause a loss of volatile flavor compounds that calls for subsequent supplementation. In addition, the steadily increasing market for natural flavors, which is attributed to increasing health- and nutrition-conscious lifestyles, forces suppliers to search for alternative sources. The biotechnological generation of aroma is becoming increasingly attractive because of that demand and the high profitability of natural volatile flavour compounds. Nowadays, aroma chemicals, such as vanillin, or benzaldehyde are marketed on a scale of several thousand tons per year. In that context, SAF-ISIS, a LESAFFRE Group company, specialized in the production of natural chemical seeks to diversify by producing natural volatile sulfur compounds (VSCs). Due to their low detection thresholds and their strong reactivity, VSCs significantly contribute to the quality and the uniqueness of many foodstuffs such as cheeses, fermented beverages, fruits and vegetables. VSCs essentially arise from sulfur-bearing precursors, mainly methionine in cheese context. The aim of this work was therefore to study the biotechnological generation of VSCs and to investigate the potential of industrial production of these chemicals by natural processes. The first part focused on the search for a particular category of VSCs known as polyfunctional thiols in surface-ripened soft cheeses (ex: munster, livarot, camembert). Such compounds, exhibiting original olfactory notes, were previously identified in beer and wine. Thus, a thiols specific extraction procedure has been developed and enabled, for the first time, the identification of two polyfunctional thiols in Munster and Camembert cheeses: ethyl 2- and ethyl 3-mercaptopropionate. Their olfactive thresholds were measured. Considering their measured concentrations in munster and camembert, the latter compound was present at a level that could impact the overall aroma of these cheeses. The second part of this work aimed at the production of VSC, especially methanethiol (MTL) the precursor of polysulfides (DMDS, DMTS) and S-methyl thioesters by selected microorganisms (bacteria and yeasts) of the cheese-ripening flora. Hence, a screening was carried out in order to test the ability of selected strains to produce VSCs with different precursors. This study enabled to optimize MTL biosynthesis in the view of polysulfides and S-methyl thioesters production. Additionally, their formation pathways including both enzymatic and spontaneous reactions were partially elucidated. In the third part, the potential industrial applications of the previous results were addressed. Moreover, a scaling-up of S-methyl thioester production with resting cells was carried out and provided good results in terms of VSCs yields. Ultimately, VSCs extraction from bioconversions media was performed using membrane-based solvent extraction (MBSE)