Gomme de Xanthane (E 415)

1 m

H+

H+

{Acide Pyruvique ½ motif

{Acide Glucuroniqueà chaque motif

1°) E 415 GOMME XANTHANE et la reglémentation - Définition - Description - Identification - Emploi - Pureté 2°) Schéma de la production de xanthane ;3°) Structure moléculaire ; 4°) Transition conformationnelle hélice rigide – brin flexible ;5°) Le xanthane en solution ;6°) Gélification induite du xanthane ;7°) Dégradation contrôlée pour la fabrication

d’ingrédients fonctionnels ;8°) Conclusions.

PLAN

1°) E 415 GOMME XANTHANE et la reglémentation

- Définition • La gomme xanthane est un polysaccharide de poids moléculaire

élevé obtenu par fermentation en culture pure d'un hydrate de

carbone avec des souches naturelles de Xanthomonas campestris, purifié par extraction avec de l'éthanol ou du propanol-2, séché et broyé.

• Elle contient du D-glucose et du D-mannose comme

principales unités d'hexose ainsi que de l'acide D-glucuronique et de l'acide pyruvique, et elle est préparée sous forme de sels de sodium, de potassium ou de calcium.

• Ses solutions sont neutres.• Poids moléculaire: Environ 1 000 000.

• Composition: Dégage sur la base de la matière sèche, au moins 4,2 % et pas plus de 5 % de CO2, soit l'équivalent de 91 % à 108 % de gomme xanthane.

- Description• Poudre de couleur crème, est commercialisé essentiellement sous

forme d’une poudre blanche très fine.

- Identification• Solubilité: Soluble dans l'eau. Insoluble dans l'éthanol.

- Emploi• Xanthane épaissit rapidement les solutions (eau, lait) à très

faible dose (1 à 3g par litre).• Il peut être employé comme substitut d'œuf (liant et en partie

pour l'effet émulsifiant). A quelques grammes dilués dans de l'eau froide (ou un sirop, un coulis de fruits ou de légumes), il épaissit à froid et retient toute l'eau disponible en une " gelée ".

• Lorsqu'il est chauffé, il donne moins de texture. • Il peut augmenter la viscosité de la pâte à pain ou à brioche et

donc améliorer l'alvéolage et le moelleux en retenant de l'eau. • Il empêche l'amidon de cristalliser dans les pains et l'eau dans

les glaces (0,2g/l). En agissant sur l'amidon il réduit le rassissement et augmente la durée d'emploi des pâtisseries et pains.

• Dans les médicaments il permet une bonne dispersion des matières actives et ingrédients.

- Pureté• Perte à la dessiccation: Pas plus de 15 % (105 °C, 2

heures 30 minutes).• Cendres totales: Pas plus de 16 % sur la substance

anhydre à 650 °C après séchage à 105 °C pendant 4 heures.

• Acide pyruvique: Pas moins de 1,5 %.• Azote: Pas plus de 1,5 %.• Éthanol et propanol-2: Pas plus de 500 mg/kg séparément

ou en combinaison.• Plomb: Pas plus de 2 mg/kg.• Comptage total sur plaque: Pas plus de 5 000 colonies par

gramme.• Levures et moisissures: Pas plus de 300 colonies par

gramme.• E. Coli: Absence dans 5 g.• Salmonella spp.: Absence dans 10 g.• Xanthomonas campestris: Absence de cellules viables

dans 1 g.

Cas de la production de xanthane

• Xanthomonas campestris– Petit bacille Gram , aérobie, mobile– Parasite de nombreuses plantes (riz, choux,

citron)– Producteur de xanthane (gomme)

• Xanthane– Gel stable à hautes températures– 20.000 tonnes /an– Agent gélifiant et stabilisant : (E415)

sauce salade, crème glacée, pâte dentifrice, cosmétiques, peintures à l’eau, etc.

– Lubrifiant de forage

2°) Schéma de la production de xanthane

Réalisation de l'inoculum (préculture)

Ensemencement à 5% (v/v)

Fermentation

Pasteurisation du moût

Purification de la gomme

Centrifugation ou filtration

Précipitation de la gomme

Ajout de solvants

Séchage sur filtre rotatif ou vaporisationConditionnement

Recyclage du solvant

Milieu riche développement de la biomasse

Métabolite partiellement associé25 à 50 g/L

développement des propriétés des xanthanes

• Fed Batch : STR 50 à 200 m3• Facteur limitant : N (D : 0.025 à

0.05 h-1)• Aération : 1 vvm• Source de C : amidon,

dextrines, mélasse, lactosérum, sirop de maïs, …

• Source d’N : caséine, farine de poisson, sels d’ammonium, peptones, corn steep, urée, …

• Température : 28 à 30°C• pH : 7• Durée : 3 jours

3°) Structure moléculaire

o Sa structure est constituée d’une chaîne principale de β-D-glucoses liés en β(14), semblable à la cellulose.

o Une molécule de glucose sur deux porte une chaîne latérale trisaccharidique composée d’un α-D-mannose, d’un acide β-D-glucuronique et d’un β-D-mannose terminal. Le résidu interne de mannose est généralement acétylé sur le carbone 6.

o Environ 30% des résidus mannose terminal portent un groupement pyruvate lié sous forme chélatée entre les carbones 4 et 6. Les acides glucuroniques et les acides pyruviques chargés sont ionisables, et donc responsables de la nature anionique du xanthane (charge négative jusqu’à pH 1).

o Ces groupements peuvent être neutralisés dans les produits commerciaux avec des ions Na+, K+ ou Ca2+.

o La forme neutralisée peut être convertie en forme acide par échange d’ions ou par dialyse d’une solution acide.

Figure 1. Structure chimique de l’unité de base du xanthane.

• En solution aqueuse et hautes forces ioniques, le xanthane adopte une conformation hélicoïdale ordonnée, semblable à celle trouvée dans l’état cristallin , avec les chaînes latérales repliées et alignées le long de la chaîne principale.

• En effet, la structure en hélice du xanthane est stabilisée par quatre liens hydrogène intramoléculaires par unité de pentasaccharide : un entre le α-D-mannose et β-D-glucuronate de la chaîne latérale, un entre un glucose de la chaîne principale et la α-D-mannose qui s’y rattache, et les deux autres entre les glucoses adjacents de la chaîne principale.

• L’alignement des chaînes latérales confère une grande rigidité et stabilise la structure hélicoïdale du xanthane, rendant la molécule stable dans une large gamme de pH et de température.

Figure 2.

Structure hélicoïdale

du xanthane (a) vue

perpendiculaire (b) vue

axiale.

• De plus, les chaînes latérales protègent la chaîne principale contre l’attaque des acides, des alcalis et des enzymes.

• D’autre part, les ponts H intramoléculaires gênent presque complètement la rotation interne autour des oxygènes glucosidiques entre deux glucoses.

• Ceci a pour effet de raidir la chaîne d’avantage, résultant en une augmentation de ses dimensions et de sa viscosité intrinsèque.

• Les ponts H peuvent aussi se former entre différentes molécules et former des hélices doubles assemblées de façon parallèle ou antiparallèle.

4°) Transition conformationnelle hélice rigide – brin flexible

Il est reconnu de nos jours que la conformation du xanthane peut être celle d’une hélice simple ou d’une hélice double selon la force ionique, la température, le type de solvant et la structure primaire (contenu en pyruvate et en acétate).

Un autre facteur particulièrement important est l’histoire thermique de l’échantillon, c’est-à-dire, les traitements subis pendant et après la fermentation (extraction par solvant, pasteurisation, séchage, dialyse, centrifugation, filtration).

La conformation hélicoïdale ordonnée peut subir une transition (ordre-désordre) qui résulte en une chaîne flexible et désordonnée. Cette transition peut être induite à de faibles forces ioniques (< 10-3 M NaCl) ou lors d’un chauffage au-delà d’une certaine température nommée température de transition (Tm).

La Tm a été détectée par plusieurs méthodes incluant la rotation optique.

Sous ces conditions de désordre, les répulsions électrostatiques entre les groupements carboxyliques ionisés entraînent un relâchement des chaînes latérales et résultent en une conformation désordonnée. Cette transition est accompagnée d’une importante diminution du poids moléculaire et de la viscosité des solutions.

La Tm se situe autour de ≈ 55 °C pour une solution libre

de sels et avec une concentration de 1% p/p de xanthane.

La Tm dépend du poids moléculaire, du contenu en pyruvate et en acétate, de la force ionique et du type d’ions.

En fait, la Tm augmente toujours linéairement avec le logarithme de la force ionique totale.

La température de transition passe alors de 63 °C à 0.05% NaCl à plus de 100 °C à 5% NaCl.

Figure 3. Transition du xanthane de l’état ordonné à

l’état désordonné.

Figure 4. Dissociation incomplète du xanthane et

association d’hélices doubles

Le xanthane possède une conformation native en hélice simple, mais qu’après les traitements subis pendant sa purification, incluant une pasteurisation et séchage, il se présente sous forme d’une hélice double. Donc, en général, les échantillons commerciaux sont considérés sous forme d’hélices doubles.

En effet, plusieurs études ont trouvé que des

traitements tels l’atomisation et la lyophilisation, pratiqués en industrie, induisent la formation d’agrégats intermoléculaires. D’où la grande variabilité des PM. Cette variation est le résultat du phénomène d’association entre les molécules.

5°) Le xanthane en solution

Par la nature anionique des chaînes latérales et les contraintes stériques qu’elles imposent, l’eau peut pénétrer plus facilement dans les espaces intramoléculaires, facilitant ainsi la solubilisation du xanthane.

D’autre part, toujours par contrainte stérique, les chaînes latérales limitent la formation de liens intermoléculaires évitant ainsi la gélification du xanthane. Cette structuration est responsable du seuil d’écoulement et de la viscosité exceptionnellement haute des solutions de xanthane à de faibles forces de cisaillement.

Finalement, il a été trouvé que les échantillons avec un haut contenu en pyruvate possèdent une viscosité et un caractère pseudoplastique plus élevés car le pyruvate induit des associations intermoléculaires.

Le caractère rhéofluidifiant réversible permettrait la manipulation et le contrôle des processus tels que le pompage, le remplissage et l’atomisation.

6°) Gélification induite du xanthane

Le xanthane forme des gels synergiques et thermoréversibles avec d’autres polysaccharides non gélifiants comme les galactomannanes et certains glucomannanes.

Les gels sont stabilisés par des liens non covalents entre molécules de différentes espèces.

Avec la gomme caroube, des gels fermes sont formés, tandis qu’avec la gomme tara des gels plus mous sont obtenus. Dans tous les cas, les mélanges gélifient sous des conditions dans lesquelles les composants individuels ne gélifient pas.

La gélification des dispersions de xanthane peut aussi être induite par l’ajout des ions divalents, trivalents ou des ions de borate, bien que le premier cas est probablement le seul d’importance pour des applications alimentaires.

7°) Dégradation contrôlée pour la fabrication d’ingrédients fonctionnels

• De nos jours, de moins en moins d’ingrédients sont introduits sur le marché étant donné les coûts élevés et le long temps requis pour qu’ils soient testés, jugés sécuritaires et approuvés comme ingrédients alimentaires par les autorités pertinentes.

• De nouvelles routes sont donc nécessaires pour amplifier la gamme d’ingrédients disponibles dans l’industrie alimentaire. Par exemple, en augmentant les applications potentielles des hydrocolloïdes par une diversification de leurs propriétés fonctionnelles.

• Une des routes pour atteindre cet objectif est par la dégradation contrôlée des macromolécules (dépolymérisation partielle).

Plusieurs exemples sont donnés par Evans & Marr (1997) qui rapportent l’amélioration des propriétés texturales de gels par une réduction du PM du polysaccharide gélifiant par divers méthodes (hydrolyse enzymatique, acide ou oxydative).

Ainsi, des gels à base de xanthane/gomme caroube partiellement dépolymérisée, ont une rigidité, élasticité, et point de fonte plus bas que ceux avec de la gomme native; ce qui les rend plus souples et avec un caractère de fonte dans la bouche très désirable.

Un autre exemple inclut la production de gels d’alginate partiellement dépolymérisé et calcium qui gélifieraient plus lentement donnant la possibilité d’utiliser l’alginate dans des systèmes riches en calcium comme le lait ou dans des produits où la gélification se ferait à froid.

Bref, la plage de structures et textures normalement obtenues avec ces polysaccharides serait élargie, offrant la possibilité de créer de nouvelles textures gélifiées.

8°) ConclusionsLe Xanthane :

A un effet lubrifiant et stabilisant de liquides émulsionnés et riches en particules.

Est un bon support pour des liquides pompables mais qui doivent coller.

Est peu sensible au pH et à la température et insensible aux enzymes protéolytiques, très peu affecté par la congélation, décongélation, pasteurisation et par la stérilisation.

Est facile d'usage, s'utilise à petite dose, est "cultivé" et abondant donc économique.

Forme des liquides très visqueux porteurs de particules ou bulles.

Peut donner des gels en présence d'autres gommes. Sans OGM. Innocuité pour l'homme, valeur nutritive nulle et

neutralité organoleptique. Possède un seuil d'écoulement élevé et caractère pseudoplastique.

Prix public: 47.19 € TTC Prix membre:

42.47 € TTC