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 3.L’INGENERIE ENZYMATIQUE & SES PROPOSITIONS BOULANGERES

3.1. LES DIVERS AMYLASES SUR LE MARCHE

On reprend ce granule d'amidon schématisé afin de comprendre ce qu'est l'ingénierie enzymatique qui se retrouve dans notre sac de farine.

Ce granule est composé de deux types d'amidon.

Il est nécessaire de comprendre ces différences puisque dans l'amylose, les molécules de glucoses sont liées par l'atome carbone 1 de la molécule qui précède, à l'atone carbone 4 de la molécule de glucose qui suit.

Dans le cas de l'amylopectine, (un amidon qui contient un pouvoir plus gélifiant que l'amylose, d'où son nom), là où il existe un branchement, la molécule de glucose se situant au départ de la ramification est liée toujours à partir du carbone 1, mais au carbone 6 de la molécule qui fait le branchement.

En schématisé, cela donne ceci.

Revenons sur notre schéma de granule d'amidon.

Il est ici dégradé par une amylase, mais il n'existe pas une seule sorte d'amylase.

Nous avons vu (chap.2.3.5.), que dans les amylases natives du blé, il y a deux sortes ; l'alpha-amylase et la bêta-amylase.

La bêta-amylase ne sait couper les chaînes de molécules de glucose qu'à partir du bout et en scindant par groupe de deux molécules de glucose ( = maltose) à la fois.

Mais elle arrêtera son action de dégradation à l'approche des départs de ramifications, là ce n'est plus son domaine.

L'alpha-amylase du blé peut dégrader la chaîne de molécules de glucose en coupant m'importe où.

Sauf qu'elle aussi ne sait pas dégrader (couper) les endroits où il y a des branchements, de nouveau ce n'est pas de son ressort.

Avec les amylases natives du blé,  le noyau du granule d'amidon reste presque intact avec ce qu'on appelle des «dextrines limites». Ici, l'expression de la démarcation des possibilités des enzymes natives.

L'α-amylase fongique venue sur le marché dans les années 1950 en Allemagne et plus de quinze après en France,  a l'avantage d'avoir une température d'optimum d'activité ainsi qu'une température d'inactivation, 10 °C en dessous de l'α-amylase native du blé [1].  Ce qui lui donne un petit risque en moins, au niveau surdosage, vu son inactivité plus rapide.

En voulant aller plus vite dans la dégradation enzymatique, on s'est dit qu'on va ajouter une enzyme amylase qui sait débrancher et couper ces liaisons carbone 1/carbone 6.

C'est la pullulanase qui doit son nom à la dégradation des pullulanes.

Le pullulane est le nom donné à un sucre composé de trois molécules de glucose (= maltotriose), lié entre eux par l'atome carbone 1 et l'atome carbone 4. Au bout du maltotriose pour réaliser d'autres liaisons, il n'existe que la possibilité d'une liaison entre les atomes carbone 1 et 6.

Et on a trouvé une pullulanase produite par un bacille [2] qui débranche les ramifications, ce qui donne un granule d'amidon dégradé comme ceci ;

Mais on peut aussi aller prendre l'enzyme amyloglucosidase produite par une moisissure [3] qui elle est capable de couper toutes les types de liaisons (1,4 comme 1,6), ce qui donne ce résultat.

Le manque de rapidité de l'action (l' «amélioration» de la panification n'a prioritairement que cet objectif) de cette enzyme fait qu'elle ne répond toujours aux attentes des formulateurs [4] qui préfèrent rencontrer la demande plus rentable de la vitesse d'exécution.

Maintenant que l'on voit qu'une amylase n'est pas l'autre et que finalement l'ingénierie enzymatique peut nous préparer n'importe quel type de frappe quasi chirurgicale, il faut encore différencier ces alpha-amylase, pullulanase et glucoamylase entre-elles.

Suivant qu'elles proviennent de microorganismes différents, elles peuvent avoir des dispositions différentes et suivant ce que va vivre le milieu pâteux, ce sera vrai surtout pour les alpha-amylases.

Les températures et le niveau d'acidité déterminent des zones d'activité différentes, et là aussi il existe des choix et le cocktail enzymatique risque d'être différent.

3.2.L'AMYLASE BACTERIENNE ET LE MOELLEUX

3.2.1.L'expérience de BOUSSINGAULT

C'était en 1852, que Jean-Baptiste BOUSSINGAULT  (1802 - 1887), lance des «expériences ayant pour but de déterminer la cause de la transformation du pain tendre en pain rassis».

Car pour lui, «ce changement d'état suit l'abaissement de la température, et il ne m'a jamais paru qu'il fût raisonnable de l'attribuer à un effet de dessiccation».

Son expérience consiste à évaluer la perte en eau du pain pendant le rassissement.

Après six jours, la perte de poids du pain n'était que de 40 gr. par rapport à un poids de départ de 3.730 gr., soit une perte d'un tout peu petit plus de 1%.

Voici le tableau de l'expérience de 1852 qui sera encore repris par Emile Boutroux en 1897.

Au bout des quatre pages relatant ses expériences dans les annales de chimie et de physique[5], sa conclusion est «que ce n'est pas par la moindre proportion d'eau que le pain rassis diffère du pain tendre, mais par un état moléculaire particulier qui se manifeste pendant le refroidissement, se développe ensuite et persiste aussi longtemps que la température ne dépasse pas une certaine limite».

3.2.2.  La rétrogradation de l'amidon

Cette expérience probablement que tout boulanger l'a vécu en «repassant» des pains au four.

Alors c'est quoi cet «état moléculaire particulier» dont Jean-Baptiste BOUSSINGAULT fait référence.

On l'appelle aujourd'hui la rétrogradation de l'amidon !

Etes-vous plus avancé avec cette définition?

Une petite image pour la compréhension…

En fait, c'est comme si l'amidon se recristallisait.

Une autre image plus parlante, peut'être.

C'est bien tout ça, mais on écrit au début, «comprendre l'ingénierie enzymatique» ?

3.2.3.  La thermo-résistance amylasique

C'est que l'astuce est de repérer dans toutes les amylases qui existent, celles qui résistent à la cuisson [6].

L'idée est d'en maîtriser la fonction de dégradation après la cuisson.  On l'a doit en terme de proposition commerciale à la firme d'origine danoise Novozymes  en 1991 [7], Avant cela dans la littérature technologique française, l'amylase bactérienne était évitée pour ces raisons de thermo-résistance.[8]

On connaissait déjà en boulangerie des problèmes de résistance à la cuisson par la maladie du pain filant dit «ropy» en anglais, c'est-à-dire visqueux vu l'état du pain qui malgré qu'il soit cuit redevenait flasque.

C'est le bacille dits populairement «des foins» (apparaissant à l'époque caniculaire de la fenaison) qui est responsable de cette maladie du pain filant, il est dit thermorésistant, ce que J.-B. BOUSSINGAULT avait déjà pu mettre en évidence, puisque dans son expérience en mettant le thermomètre dès la sortie du four à 7 centimètre de la surface (croûte) du pain, celui-ci indiquait 97°C, moins que les 100°C fatidique pensait-on à l'époque.

On appelle aujourd'hui le bacille «des foins», bacille subtilis (autrefois bacille mensentericus)  et son enzyme amylase est encore fort active à  70 à 80°C.

Mais un autre bacille est encore plus performant, c'est le bacille appelé licheniformis puisqu'il aurait, (vu au microscope), la forme un peu «fleurie» de lichens.  Là c'est à 90 à 95°C que se trouve la température optimale de leur amylase.

Elle sait encore mieux résister à la cuisson à l'intérieur du pain.

3.2.4.  Le débranchage après cuisson

Et une fois le pain cuit, ces amylases peuvent être toujours active sur l'amidon en diminuant l'enchevêtrement du réseau recristallisé (dense) de l'amidon (à gauche sur le schéma ci-dessous) en coupant des branchements (au centre) ou en sectionnant à partir des extrémités des ramifications d'amidon, deux molécules de glucose (maltose) par deux molécules de glucose, (à droite) action dite maltogénique pour l'amylase du bacille stearothermophilus.

Ces actions seront limitées aux zones cristallines séparées[9].

D'où la mention de non-interférence sur le volume et la texture employée par l'ingénieure de la firme novatrice quelques notes plus haut dans ce chapitre 3.2.

Elle les réalisent en utilisant aussi les propriétés (agents dépresseurs d'A_w) des dextrines [10].  Ces actions permettront à la mie de pain cuite ainsi traitée de garder plus longtemps son moelleux.  L'utilisation de ce type d'enzymes devra se réaliser avec précaution dans un but bien particulier [11] pour ne pas prolonger la formation de dextrines pendant la cuisson.

Deux problèmes cependant ;

1-/ La classification de l'enzyme dans les auxiliaires technologiques ne répond plus à la définition de ceux-ci par la législation européenne.

«On entend par «auxiliaire technologique» toute substance non consommée comme ingrédient alimentaire en soi et volontairement utilisée dans la transformation des matières premières, des denrées alimentaires ou de leurs ingrédients, pour répondre à un certain objectif technologique pendant le traitement ou la transformation et pouvant avoir pour résultat la présence non intentionnelle de résidus techniquement inévitables de cette substance ou de ses dérivés dans le produit fini et à condition que ces résidus ne présentent pas de risque sanitaire et n'aient pas d'effets technologiques sur le produit fini.» [12].

2-/ Le risque sanitaire d'allergie ou d'intolérance risque de prendre un certain temps avant de pouvoir être décelé et pour cela il faudrait afin d'évaluer le risque que le produit de cuisson en contenant fasse mention de sa présence, ce qui n'est malheureusement pas le cas.

3.3. Les hémicellulases, pentosanases où  xylanases

3.3.1.Une nouveauté, ces hémicellulases?

Voilà ces mots «pentosanases» ou «hémicellulases» dont on n'avait jamais beaucoup parlés, il y a vingt ans d'ici.  Aujourd'hui, c'est à peine si les cours théoriques de boulangerie en parlent.  Et pourtant, actuellement on les retrouve sur les étiquettes de nos sacs de farine.

On a vu au chapitre 2.5., que ces enzymes sont natives dans la farine, mais que c'est depuis leur introduction dans les complexes enzymatiques où améliorants que le secteur y prête attention.

3.3.2.  Les diverses noms des hémicellulases

Une des difficultés pour la compréhension, sont les différents noms employés en dénomination.  Déjà pour le substrat dégradés (les sucres pentoses), il existe une confusion [13]. 

De nombreuses variétés d'hémicellulases existent sur le marché. 

Il faut attribuer cette diversité  à la plus grande complexité des ces chaînes de sucres pentoses par rapport aux chaînes d'hexoses (glucose) qu'est l'amidon [14].

Plusieurs firmes productrices d'enzymes ont d'ailleurs une gamme importante d'hémicellulases [15] ce qui démontre cette multiplicité d'actions potentiels.  L'action des xylanases (la troisième dénomination) se différencie, comme les amylases, avec l'impossibilité ou pas de dégrader aux approches de  branchements ou ramifications[16].  Il existe, comme pour les protéases, non seulement la potentialité des dégradations en de toujours plus petites portions, mais aussi des possibilités de connexion en de plus longues assemblages, intra-éléménts (entre chaînes pentosanes) et parfois inter-éléments (entre chaînes pentosanes et chaînes de protéines).

3.3.3.  Les diverses pentosanases

Pour profiter technologiquement des hémicellulases, il importe, comme toujours, de ne pas trop dégrader les chaînes de celles-ci.  L'on a remarqué par exemple que les coupes des endo-xylanases (séparation opérée à l'intérieur de la chaîne de xylose[17]) se réalisaient plus difficilement à l'endroit où les sucres pentoses arabinose se trouvaient en lien [18] ou jonction  sur le chapelet de xylose.   Ce qui procure des plus longs bouts de chaînes de xylose, comme pour les dextrines limites (voir chap.0.16), intéressants technologiquement [19] par leur plus faculté de capter l'eau ou de réaliser une meilleure viscosité.

Par contre, à l'inverse, si l'on veut rendre cette chaîne de pentosanes plus facilement dégradable en petites portions, une action spécifique séparant la molécule d'arabinose de la chaîne de xylose rendra celle-ci plus apte à réaliser cette action [20].

Autre particularité d'action sur les pentosanes, comme il existe des pentosanes insolubles, il est préférable de de rendre celles-ci solubles [21] plutôt que dégrader les pentosanes solubles.

Dernière action, les pontages entre chaînes de pentosanes où entre chaînes de protéines et chaînes de pentosanes se réalisent grâce à des enzymes estérases sur les acides férulique où coumarique [22] attachées à la molécule d'arabinose elle-même attenante à la chaîne de molécules de xylose. 

Cette action ne se réalise alors que grâce à l'oxydation de ces acides.  Ce qui sera en quelque sorte «forcé» par l'ajout d'enzyme oxydase permettant d'effectuer plus rapidement ce travail de ponts hydrogènes dits aussi phénoliques (voir chap.2.4.6.).

3.3.4.  Les liaisons  entre pentosanes

Une fois l'acide férulique estérifié, il va pouvoir se lier à une autre acide férulique (l'acide se dénommera acide diférulique).

Ce qui donnera lieu à ce pontage entre deux chaînes de pentosanes.

Le tout permet de réaliser, à cru, un effet mousse gélifié que l'on peut schématiser comme suit pour une compréhension simplifiée ou l'on voit apparaître en éclats les acides féruliques prêt  à se réunir par l'oxydation.

Ces acides devenus ; diférulique par leurs jonctions, créent comme un gel pâteux.

3.3.5.  Les liaisons  entre les chaînes de pentosanes et chaînes de protéines

Autre liaison qui peut se réaliser entre chaîne de protéines et chaînes de pentosanes. Cette une liaison dite hydrogène ou phénoliques entre un atome d'hydrogène et un atone d'oxygène vu au chapitre 2.4.6..

Deux acides aminés semble les plus sollicités dans ces liaisons [23], il s'agit de la tyrosine et de la cystéine.  La deuxième étant déjà sollicitée  pour les ponts disulfurés.

Cela se passe entre l'acide férulique de la chaîne des pentosanes et les acides aminés de la chaîne de protéines.

Les voilà expliqué en schématisant sur une succession de deux figures.

3.4. Les oxydases en panification.

3.4.1. L'effet de Serres au XVI^ème siècle

En 1600, Olivier de Serres parle de qualité du grain et de la farine, il fait, comme beaucoup à cette époque, une différence entre farine issue du blé battu de l'épi, soit depuis longtemps ou depuis peu. Il préfère les second, à servir pour les maîtres, tandis que les premiers seront servi aux servant(e)s. 

Il évite une oxydation en quelque sorte, en préférant une farine issue de grain qui n'a pas trop de «plancher».  Mais bien sur, cette citation tient plus de l'observation à une époque où la science commence à peine à se structurer.  Il écrit aussi plus loin, qu'«une farine se conservera longtemps (plus de 7 à 8 mois) si on la moud dans le décroissant de la lune» [24].  Comme il répètera [25] une croyance populaire sans la contrôler; «le blé mal cultivé se transforme en ivraie».

3.4.2. Le vécu «oxydases» dans la pâte

Plus actuel et pour ressentir ce thème des oxydases au fournil, il suffit d'observer la différence entre une pâte morte (dite aussi verte) et une pâte à maturité.  Cette dernière a plus de corps, plus d'aération, de vie en somme.  Ce qui donne à une pâte «un âge mûr» c'est une oxydation qui peut parfois se dénommer ; maturation ou «prise de force».

C'est principalement au pointage que s'opère ce passage «de la jeunesse à l'âge adulte».   Le pointage, cette fermentation de la pâte en masse est de plus en plus négligée dans nos fournils.  C'est pourquoi dans une volonté de solution afin de panifier «vite et bien», le professeur Calvel avait préconisé [26] un ajout de pâte pré-fermentée [27] apportant plus rapidement cette maturité à la pâte qui en bénéficie. Dans les processus industriels, le pointage à être carrément abandonné lorsqu'il s'agit de faire vivre à la pâte, la congélation.

3.4.3. Vite ! Speed ! Fast ! Une obession aiguisée en boulangerie aussi

De tout temps, on a voulu aller plus vite et sous toutes les latitudes de la vie, l'obtention de la maturité a toujours été un empressement difficile à gérer. 

En plus, au niveau commercial, soumettre la maturité de la pâte à l'exercice de rentabilité économique va inévitablement faire l'objet de recherche de «raccourcis». Pour l'oxydation en meunerie-boulangerie, cela ira des gaz oxydants la pâte à l'ajout d'additifs oxydo-réducteurs en passant autrefois par des traitements à l'arc électrique [28].

De toutes ses formes d'acquisition rapide de la maturité de la pâte, ne retenons ici que le prédécesseur autorisé et le plus utilisé en France, les quelques dizaines de milligrammes d'acide ascorbique ajouté au kilo de farine. Nous avons déjà vu au chapitre 1.10., que c'est le décret dit «de tradition française» en 1993 qui exclura l'acide ascorbique.  Cela va, en quelque sorte, promouvoir l'enzyme glucose-oxydase et le passage de l'additif à l'auxiliaire technologique dans ce domaine de l'oxydation.  La teneur native d'acide ascorbique ou vitamine C, est minime dans la farine.  Par conséquence, les teneurs natives des enzymes acide ascorbique oxydase et acide ascorbique déshydrogènase existent aussi.  Si ce détail est important, c'est simplement pour signaler que ce soit additif ou auxiliaire technologique, les réactions d'oxydo-réduction enclenchées sont enzymatique quelque soit l'origine de la «catégorie légale» de l'agent engendrant l'oxydation.    

Dans l'objectif fixé, de permettre un discernement professionnel du boulanger, il sera utile de mesurer le potentiel d'oxydo-réduction d'une pâte et d'évaluer les diverses interventions proposées aujourd'hui par l'ingénierie enzymatique.

3.4.4. La mesure du potentiel d'oxydation d'une pâte

Il existe en France, un laboratoire du Conservatoire des Arts et Métiers (CNAM) ou une équipe s'attelle à cette tâche de la mesure du potentiel d'oxydation de la pâte.  Depuis pas mal d'années, on fait des recherches au point d'avoir créer de toutes pièces deux instruments de mesure spécifiques.  En 1993, est construit le pétrin bio-réacteur, en 2003 ce sera le sitoxygraphe qui sera élaborer avec les connaissances accumulées au cours des dix années précédentes.

Une brève présentation des deux outils s'impose si l'on veut comparer les mises en situation opérée scientifiquement avec les méthodes qui seront rencontrées au fournil.

Le pétrin bioréacteur du CNAM (1993)

Dans une cuve où les paramètres (T°) sont contrôlés, le petit fraseur va opérer 1.200 rotations dans une pâte hydratée à 70%.

L'instrument permet d'analyser les gaz

Le sitoxygraphe du CNAM (2003)

C'est un axe à l'horizontal qui pétri la pâte hydratée à 60% avec +/- 1.200 rotations

Un sas permet les retraits sans interférences.

L'analyse porte sur les gaz également.

Réalisé grâce au soutien des groupes Soufflet et Puratos

Deux caractéristiques se rencontrent plus en procédé de pétrissage industriel qu'artisanal. Les 1.200 rotations (encore que l'on peut relativiser), et les pétrins fermés. Dans l'évolution de la boulangerie artisanale, un désengagement vis-à-vis du travail intensif au pétrissage pour se réinvestir vers des temps de fermentation plus long a été la tendance ces derniers temps.

3.4.5. Oxyder au pétrissage ou en fermentation ?

En 1767, dans un des premiers manuels de boulangerie française, on trouve ces expressions ; «Pour bien composer la pâte et pour faire du bon pain, il faut que la pâte soit suffisamment travaillée et par les levains et par les bras». D'ailleurs «lorsque l'on emploie moins de levain, il faut plus de travail et on est obligé d'y employer plus de levain lorsqu'on la (la pâte) travaille moins», relate Paul Jacques Malouin [29] et à la page  suivante celui-ci signale encore qu' «à Paris, on fait dépendre la bonté du pain, plus des levains que du travail». Plus loin dans l'écrit «Le travail du levain dans la pâte surpasse encore celui des mains».

Depuis, tout comme au Conservatoire des Arts et Métiers créé un peu plus tard (1794), beaucoup d'eau à couler sous les ponts de la Seine.

Les conditions sociales ont changé, le pétrissage n'est plus manuel et le levain après être tombé en désuétude ne reprend de la pratique que depuis deux à trois décennies. Comme le montre le tableau suivant, les changements opérés en panification  iront renforcer le pétrissage et diminué les temps de fermentation.  On monte de 300 tours à 1.200 tours au pétrissage et on descend de 6 h.30' jusqu'à 1 h. en fermentation.

Il n'en est pas moins vrai que le pétrissage et la fermentation sont deux opérations qui oxydent la pâte, plus on insiste sur une des deux, moins il faut mettre d'accent sur l'autre.

Dans la balance, c'est le pétrissage qui a pris du poids par rapport au positionnement décrit dans les premiers manuels. 

Un point qui s'observe aussi plus dans l'artisanat que dans l'industrie, c'est quand il faut choisir, on préfère marier les deux éléments (farine / eau) plus par capillarité en longue fermentation qu'en les fouettant longtemps ensemble.

Comme l'espace fermentation est l'endroit ou se forme le goût, ainsi que beaucoup de meilleures bio-assimilation et épuration dans le cas de la panification au levain [30], favoriser l'option de la fermentation sur le pétrissage semble bien, «couler de source».

3.4.6. L'oxygène ; un ingrédient des pâtes !

L'équipe du CNAM sort en 2010 un article reprenant le parcours de 17 années d'expériences conduites avec les deux pétrins instrumentés. D'emblée on y précise que du fait de l'incorporation d'un oxydant (l'oxygène de l'air) ; «Pétrir c'est oxyder».  Le titre de l'article «L'oxygène, un ingrédient oublié de la pâte» [31] détermine bien ce que les études veulent cerner.  Que se passe-t-il avec l'oxygène dans la pâte ?

Qu'oxyde-t-il ?  Une recherche [32] va jusqu'à donner 60% de la consommation d'oxygène par les acides gras, pourtant peu nombreux dans la pâte de blé tendre, mais tellement aisément hydrolysables (par les lipases) puis oxydables (voir chapitre 2.2.).  Le glucose oxydé par la levure (qui respire et fermente) prend 10% de la consommation d'oxygène [33].   Nous arrivons à un total de 70%.  Les 30% d'oxygène consommés restant ne sont pas encore expliqué, bien que quelques pistes soient à confirmer [34].  Si l'on ajoute des agents oxydants du type ; farine de fève et son enzyme lipoxygénase ou l'enzyme exogène, glucose-oxydase, on augmente la consommation d'oxygène.

On remarque que la principale voie de la consommation d'oxygène est l'oxydation des acides gras par l'enzyme lipoxygénase endogène (ou native).

3.4.7. La lipoxygénase, une des premières enzyme oxydase décrite.

Lorsque Roger DRAPRON décrit l'action de la lipoxygènase dans la pâte, en 1974 [35],

il en dépeint plutôt les aspects négatifs.  Ce n'est pas tellement l'enzyme lipoxygénase native qu'il met en cause [36].  Mais plutôt celle que l'ajout de la farine de fève apporte en excès (100 fois plus efficiente). Celle-ci couplée à «l'augmentation de l'intensité du pétrissage, généralisée depuis une vingtaine d'année modifie considérablement l'importance de l'effet de la lipoxygènase». [37]  Le professeur Raymond CALVEL emboitera le pas et dans la campagne contre l'ajout de farine de fèves, il qualifiera l'action dévastatrice de «lessivage». [38]  Terme bien repris dans les fournils. 

Suite à ces dénonciations et rimant trop avec vent, l'adjuvant farine de fèves va progressivement disparaître.

Autre récente évolution, mais plutôt chez les anglo-saxons, l' «unbleachead» = farine «non blanchie» par des gaz oxydants, sera vue comme positif.

A suivre les explications techniques et scientifiques des enzymes « oxydantes »