Comprendre la fonctionnalité de l’amidon
Janvier 1996 — Article de couverture

Par : Scott Hegenbart
Rédacteur en chef*

*(avril 1991 – juillet 1996)

L’amidon de maïs est le principal ingrédient amylacé utilisé par les entreprises alimentaires américaines. Mais les amidons de différentes sources, et même ceux extraits de variétés de maïs moins courantes, offrent une gamme de propriétés fonctionnelles même avant modification. L’exploration de la fonctionnalité unique de divers amidons natifs présente plusieurs avantages potentiels.

Etendue de la fonctionnalité

De nombreux amidons ont des propriétés qui ne sont pas si faciles à dupliquer en modifiant un autre amidon.En outre, commencer avec une matière première plus proche des propriétés fonctionnelles souhaitées est même souhaitable dans la modification. Une modification moins importante signifie…

Un coût réduit

Les concepteurs exigent continuellement que les ingrédients de la texture soient plus hautement fonctionnels, mais les contraintes de coûts sont toujours aussi serrées. Dans de nombreux cas, moins un amidon subit de transformation, plus il est rentable. Des amidons de maïs natifs hautement fonctionnels dérivés d’hybrides de maïs spécialement développés sont déjà sur le marché. Ils peuvent offrir une plus grande économie de deux façons.

“Vous aurez un amidon qui n’aura pas à subir de modifications, ce qui permet de réduire les coûts”, explique Ibrahim Abbas, Ph.D., directeur du développement des produits, American Maize-Products Co., Hammond, IN. “Lorsqu’ils sont modifiés, dans certains cas, les hybrides sont plus réactifs aux produits chimiques ; nous pouvons donc en utiliser moins. C’est plus efficace et vous pouvez économiser de l’argent.”

Étiquetage

Bien que cela ne se soit pas avéré être le grand problème que l’on pensait, les amidons modifiés doivent toujours porter des numéros E en Europe. Un amidon natif plus fonctionnel ne portera pas le numéro E et apparaîtra plus naturel aux consommateurs européens – une préoccupation dans le marché mondial en constante expansion.

Relation entre la structure et la fonction

Chimiquement, les amidons sont des polysaccharides qui consistent en des unités de glucose répétées. Les molécules d’amidon ont l’une des deux structures moléculaires suivantes : une structure linéaire, appelée amylose, et une structure ramifiée, appelée amylopectine. L’amylose et l’amylopectine s’associent par liaison hydrogène et se disposent radialement en couches pour former des granules. Les amidons de différentes sources varient les uns des autres de la manière suivante – chacune d’entre elles pouvant affecter la performance:

Granule size and shape

Les granules d’amidon existent dans une grande variété de tailles allant de 3 microns à plus de 100 microns. Avec certains amidons, la taille des granules est polymodale, ce qui signifie que les granules peuvent être regroupés dans plus d’une gamme de taille. L’amidon de blé, par exemple, présente une distribution de granules de petite et de grande taille. La forme des granules peut également être diverse. Les formes des granules comprennent des sphères symétriques, des sphères asymétriques, des disques symétriques et des disques asymétriques. Certains granules présentent leur forme de manière lisse, tandis que d’autres sont des polyèdres à surface facettée.

Ratio amylose:amylopectine

Tous les amidons sont constitués de proportions variables d’amylose et d’amylopectine. Ce rapport varie non seulement entre les différents types d’amidon, mais aussi entre les nombreuses variétés de plantes d’un même type. Les amidons cireux sont ceux qui ne contiennent pas plus de 10% d’amylopectine.

Structure des molécules d’amylose et d’amylopectine

La longueur des molécules d’amylose dans un amidon – connue sous le nom de degré de polymérisation – peut varier énormément. Dans l’amylopectine, la longueur et le nombre de branches sur la molécule sont tout aussi variables.

“La longueur de la molécule d’amylose varie selon le type et le cultivar”, déclare Daniel Putnam, scientifique principal des applications, Grain Processing Corp, Muscatine, IA. “J’ai vu 200 à 2 000 comme degré de polymérisation au sein d’un type d’amidon.”

D’autres variations existent également pour l’amidon

Elles ne peuvent pas être formées en une seule catégorie car elles peuvent être uniques à un amidon particulier. En général, cependant, la plupart de ces variations consistent en la présence de composants non amidon dans le granule.

Les innombrables variétés des nombreux types d’amidon ne pourraient pas être couvertes de manière exhaustive dans un seul article. Par conséquent, ce dossier abordera certaines tendances générales parmi les principaux types d’amidon utilisés dans l’industrie alimentaire.

Maïs

Quatre classes d’amidon de maïs existent. L’amidon de maïs commun contient 25% d’amylose, tandis que le maïs cireux est presque totalement constitué d’amylopectine. Les deux amidons de maïs restants sont des amidons de maïs à haute teneur en amylose ; l’un d’entre eux contient 55 % à 55 % d’amylose, tandis que le second en contient 70 % à 75 %.

Jay-lin Jane, docteur en médecine, professeur au département des sciences alimentaires et de la nutrition humaine de l’université d’État de l’Iowa, à Ames, a étudié la taille et la forme des granules de nombreux types d’amidon dans le cadre de ses recherches en cours. Grâce à la microscopie électronique à balayage, Jane et son équipe de recherche ont découvert que l’amidon de maïs commun a des granules irréguliers en forme de polyèdre. Leur taille varie entre 5 microns et 20 microns.

L’amidon de maïs cireux possède également des granules de forme irrégulière dont la répartition des tailles est similaire à celle du maïs commun. Cependant, les faces individuelles ne sont pas aussi distinctes. Les amidons à haute teneur en amylose ont également une forme irrégulière, mais ont tendance à être lisses. Certains d’entre eux sont même en forme de bâtonnets. Les amidons à haute teneur en amylose ont une gamme de taille plus étroite : 5 à 15 microns, voire 10 à 15 microns, selon la variété.

Pomme de terre

L’amidon de pomme de terre contient environ 20 % d’amylose. Comme ceux de nombreux tubercules, les granules d’amidon de pomme de terre sont gros et ont une forme ovale ronde et lisse. Parmi les amidons couramment utilisés dans l’alimentation, l’amidon de pomme de terre est le plus gros ; ses granules ont une taille comprise entre 15 et 75 microns.

Riz

L’amidon de riz commun a un rapport amylose:amylopectine d’environ 20:80, tandis que l’amidon de riz cireux ne contient qu’environ 2 % d’amylose. Les deux variétés présentent des granules de petite taille, allant de 3 à 8 microns. Selon Jane, il s’agit de polygones de forme irrégulière, le riz cireux présentant quelques granules composés.

Tapioca

L’amidon de tapioca contient 15 % à 18 % d’amylose. Les granules de tapioca sont des sphères lisses et irrégulières dont la taille varie de 5 à 25 microns.

Blé

L’amidon de blé a une teneur en amylose d’environ 25%. Ses granules sont relativement épais de 5 à 15 microns avec une forme ronde et lisse allant de 22 à 36 microns de diamètre. L’amidon de blé est bimodal dans la mesure où il possède également un groupe de granules d’amidon de taille différente. Dans ce cas, ces autres granules sont très petits, avec des diamètres de seulement 2 à 3 microns.

Empiler les rivaux de l’amidon

Avec une idée de la façon dont les amidons diffèrent, discuter de la performance de ces mêmes amidons devrait facilement divulguer comment les différents éléments de la structure de l’amidon affectent la performance, non ? C’est loin d’être le cas. Les chimistes spécialistes des amidons s’accordent à dire que la structure et la composition de l’amidon influent sur les performances. Cependant, une corrélation directe n’est pas toujours évidente, et les changements dans un seul trait ne se traduisent pas nécessairement par des directives.

Ce qui suit est un examen de ce qui est actuellement connu sur la façon dont la structure et la composition affectent la performance. Gardez à l’esprit que cette discussion peut générer plus de questions qu’elle n’apporte de réponses. Mais d’abord, voici un bref examen de ce qui se passe pendant la gélatinisation de l’amidon :

Lorsque l’amidon est dispersé dans l’eau et chauffé, l’eau pénètre dans le granule d’amidon de l’extérieur vers l’intérieur jusqu’à ce que le granule soit complètement hydraté. Une fois hydraté, la liaison hydrogène entre l’amylose et l’amylopectine maintient l’intégrité du granule et il commence à gonfler à partir du hile (centre). Une fois gélatinisés, les granules gonflés peuvent augmenter la viscosité de la dispersion, et/ou s’associer pour former des gels et des films.

Taille et structure des granules

Selon de nombreuses sources, la taille des granules ne semble pas, en soi, avoir un effet important sur la performance de l’amidon. On pense cependant qu’elle est un facteur contribuant à la rapidité de gélatinisation d’un amidon et à sa température de gélatinisation. L’amidon de riz et l’amidon de tapioca, par exemple, ont tous deux des teneurs en amylose du même ordre, mais les granules d’amidon de tapioca sont beaucoup plus gros et, par conséquent, gonflent plus facilement.

“Plus le granule est gros, moins nous avons de liaison moléculaire, de sorte qu’ils gonflent plus rapidement”, explique Paul Smith, président, Paul Smith Associates, North Plainfield, NJ,. “Mais ils se décomposent aussi plus rapidement.”

Les gros granules d’amidon ont tendance à construire une viscosité plus élevée, mais la viscosité est délicate car la taille physique du granule le rend plus sensible au cisaillement. Malgré ces différences, la structure plus compacte d’une petite molécule ne signifie pas toujours une différence significative dans la gélatinisation. L’amidon de blé, par exemple, présente une distribution bimodale de petits et de gros granules. À part la taille, ces granules ont pratiquement la même composition en amylose, amylopectine, etc. Cependant, les propriétés de gélatinisation des grands et des petits granules ne présentent pas de différences de performance significatives.

“Un test a montré que les petits granules ont une température de gélatinisation supérieure de 3° à celle des grands, mais les températures de début de gélatinisation étaient similaires”, explique Abbas. ” Je dirais que dans l’amidon de blé, (la taille des granules n’est) pas un facteur majeur. “

Ratio amylose:amylopectine

L’amidon de maïs cireux et l’amidon de maïs commun ont tous deux la même taille de granules, mais le maïs cireux gonfle davantage et chacun se gélatinise à des températures différentes. Cela est dû en grande partie à leur composition différente en amylose : amylopectine.

“Les molécules d’amylose, en raison de leur linéarité, s’alignent plus facilement et ont une liaison hydrogène plus étendue”, explique Abbas. “Par conséquent, il faut plus d’énergie pour briser ces liaisons et gélatiniser l’amidon.”

Généralement, plus l’amylose est élevé, plus la température de gélatinisation est élevée. Cela se remarque surtout dans les deux amidons de maïs à haute teneur en amylose qui nécessitent des températures si élevées pour la gélatinisation qu’ils doivent être cuits sous pression. Le rapport amylose:amylopectine détermine également le type de texture que l’amidon gélatinisé va construire.

“En général, l’amylose vous donne la force du gel et l’amylopectine vous donne une viscosité élevée”, explique Abbas. “Ainsi, les amidons à haute teneur en amylose vous donneront des propriétés gélifiantes et les amidons cireux vous donneront une viscosité élevée.”

La structure linéaire de l’amylose contribue également à la force du gel. En solution, les molécules d’amylose linéaires peuvent plus facilement s’aligner les unes sur les autres et s’associer par liaison hydrogène pour former des gels. Les molécules d’amylopectine ramifiées ne peuvent pas s’aligner aussi facilement et, par conséquent, donnent une liaison hydrogène et une force de gel plus faibles.

La viscosité, d’autre part, est purement une fonction du poids moléculaire. La structure ramifiée de l’amylopectine avec toutes ses chaînes attachées donne une molécule beaucoup plus grande que l’amylose. Par conséquent, l’amylopectine est plus apte à construire la viscosité que l’amylose.

Donc, si un concepteur de produit veut des propriétés gélifiantes, un amidon à haute teneur en amylose devrait être sélectionné, tandis qu’un amidon à haute teneur en amylopectine (cireux) serait le choix si la viscosité est nécessaire, n’est-ce pas ? Pas tout à fait. La force de gel et la viscosité pures sont souvent utiles, mais elles ne correspondent pas toujours aux besoins des concepteurs de produits. Un amidon trop riche en amylose peut rendre un pudding trop ferme. Un amidon trop riche en amylopectine peut produire la bonne viscosité dans un shake diététique, mais il peut sembler filandreux et “gluant” lorsqu’il est consommé. Par conséquent, le rapport amylose:amylopectine détermine non seulement la texture de base, mais aussi la nature de cette texture.

L’utilisation de l’amidon dans les produits extrudés illustre à quel point l’équilibre de ce rapport peut être délicat. Comme pour la formation de gel, la formation de film est fonction de l’association des molécules d’amylose linéaires. Plus l’amylose est élevé, meilleures sont les propriétés filmogènes. Dans un snack extrudé, les propriétés filmogènes sont souhaitées afin d’obtenir une texture croustillante dans le produit fini. Mais le croustillant à lui seul ne suffit pas à faire ou défaire un snack.

“La nature étroitement liée du polymère d’amylose affecte le croustillant”, dit Jim Zallie, directeur de la technologie alimentaire, National Starch and Chemical Co, Bridgewater, NJ… “Mais il s’agit d’un poids moléculaire plus faible que celui de l’amylose, “Mais c’est un matériau de poids moléculaire plus faible qui ne peut pas piéger l’air qui provient de l’eau se transformant en vapeur pendant l’évacuation.”

L’utilisation d’un amidon avec des niveaux croissants d’amylopectine augmente l’expansion en conséquence au détriment de la croustillance. Par conséquent, le rapport amylose:amylopectine doit être soigneusement sélectionné. Dans certains cas, les exigences texturales du produit nécessitent de combiner des amidons de différentes sources.

“Certaines personnes utilisent des combinaisons de différents amidons de base pour obtenir une texture plus courte ou plus longue”, explique Mike Augustine, directeur des applications d’ingrédients alimentaires, A.E. Staley Manufacturing Co, Decatur, IL. ” Nous avons cherché à composer des mélanges pour obtenir une texture ou une qualité de produit fini spécifique. “

En plus de renforcer la texture, les amidons sont utilisés pour contribuer à la stabilité des produits alimentaires. Cela prend souvent la forme d’une rétention d’eau. Comme mentionné précédemment, les molécules d’amidon gélatinisées ont tendance à se réassocier les unes aux autres. Cette réassociation force l’eau à sortir de la molécule, ce qui entraîne la recristallisation de l’amidon. La tendance d’un amidon à recristalliser, ou à rétrograder, de cette manière détermine son aptitude à la stabilité à long terme.

“L’amylopectine ramifiée donne un encombrement stérique”, dit Putnam. “Cela ne permet pas aux molécules de se réassocier, donc elle n’a pas tendance à rétrograder aussi facilement.”

Structure moléculaire de l’amylose et de l’amylopectine

Les molécules d’amylose plus longues ont tendance à rendre la texture d’un produit filandreuse en raison de leur mode d’association. Le poids moléculaire de l’amylose affecte également l’élasticité d’un gel. Les molécules plus longues ont tendance à s’associer plus fortement et à produire des gels plus forts et plus cassants, mais il y a une limite à cet effet.

“Les fécules de tapioca et de pomme de terre contiennent toutes deux de l’amylose, mais elles produisent une masse cohésive plutôt qu’un gel comme le ferait l’amidon de maïs”, explique Peter Trzasko, associé de recherche principal chez National Starch and Chemical Co. “La théorie derrière cela est basée sur le poids moléculaire. La pomme de terre et le tapioca ont un poids moléculaire tellement plus élevé que celui du maïs que cela rend en fait plus difficile l’association des molécules.”

Le poids moléculaire ne fournit pas toujours une corrélation directe avec les performances. En 1992, Jane, de l’Iowa State, a fait état de recherches sur l’effet de la taille moléculaire de l’amylose et de la longueur de la chaîne de ramification de l’amylopectine sur les propriétés de collage de l’amidon. Jane a constaté que les molécules d’amylopectine avec des branches plus longues avaient non seulement tendance à se gélifier, mais que la force du gel augmentait avec la longueur des branches. Cependant, la viscosité des amyloses de différentes longueurs n’était pas aussi bien corrélée. En fait, la meilleure viscosité a été obtenue avec l’amylose de longueur intermédiaire, tandis que les molécules d’amylose les plus grandes et les plus petites ont toutes deux produit des viscosités aussi faibles.

Un lien plus clair peut être établi entre la taille moléculaire et la stabilité. Une molécule d’amylose plus longue aura, jusqu’à un certain point, une plus grande force de gel en raison de sa capacité accrue à s’associer par liaison hydrogène. Cette capacité accrue d’association augmente la tendance de la molécule à rétrograder. Les molécules d’amylose plus petites présentent une association plus faible et sont donc plus résistantes à la rétrogradation. Des informations récentes indiquent que les molécules d’amylopectine avec des branches plus longues sont également plus susceptibles de rétrograder. Cela constitue une préoccupation particulière pour les chercheurs qui tentent d’allonger les molécules d’amylose par le biais de croisements.

“Lorsque vous insérez un gène d’allongement de l’amylose, vous finissez également par allonger les chaînes de branches de l’amylopectine”, explique Pamela J. White, Ph.D., directrice intérimaire du département des sciences alimentaires et de la nutrition humaine de l’Université d’État de l’Iowa.

Phosphore

Les amidons contiennent du phosphore sous une forme ou une autre. La nature du phosphore affecte les performances de l’amidon. Dans la plupart des amidons de céréales, le phosphore se trouve principalement sous forme de lysophospholipides, qui auront tendance à se complexer avec l’amylose de l’amidon et à réduire sa capacité à fixer l’eau. Ces complexes contribuent également à l’opacité de la pâte d’amidon.

Le phosphore présent dans les amidons de tubercules, comme la pomme de terre, se présente sous la forme de monoesters de phosphate qui apparaissent sur la molécule d’amidon sous forme de groupes chargés négativement. La répulsion ionique générée par ces groupes affaiblit l’association entre les molécules et augmente la capacité de liaison à l’eau, le pouvoir de gonflement et la clarté de la pâte.

Dévoiler les mystères

Comprendre la fonctionnalité de l’amidon natif ne rend pas seulement le travail du concepteur du produit plus efficace, c’est un lien vital pour étendre la fonctionnalité de l’amidon par la modification. Ceci est vrai que l’amidon soit modifié par des méthodes chimiques/enzymatiques, par la sélection conventionnelle ou par la biotechnologie.

Comme indiqué précédemment, l’étude des relations structure/fonction de l’amidon génère plus de questions qu’elle n’apporte de réponses. Par conséquent, les chercheurs travaillant dans ce domaine ont de quoi s’occuper. L’Université d’État de l’Iowa est l’un des endroits où des études continues sur l’amidon sont menées.

Depuis 1987, les chercheurs White et Jane de l’ISU recherchent des amidons ayant des propriétés fonctionnelles uniques à utiliser dans le développement de nouveaux hybrides de maïs. Linda Pollak, Ph.D., généticienne de recherche du U.S. Dept. of Agriculture-Agriculture Research Service travaillant avec le ISU Dept. of Agronomy, travaille avec eux.

Utilisant l’accès de Pollak à la bibliothèque nord-américaine de génotypes mutants de maïs, l’équipe a criblé les types exotiques de maïs pour déterminer la nature des variations des propriétés fonctionnelles.

“Il est difficile et long de faire une étude structurelle directe”, dit White. “Notre approche a donc été de commencer par un criblage rapide de l’amidon en l’extrayant en laboratoire avec aussi peu qu’un seul grain.”

Ce criblage initial est réalisé à l’aide de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Un échantillon de l’amidon est empâté, puis scanné sur le DSC. Après avoir stocké l’échantillon empâté pendant sept jours à 4°C (la température optimale pour la rétrogradation de l’amidon), l’échantillon est de nouveau scanné.

“Le scan que nous obtenons sur un échantillon frais et stocké nous indique si l’amidon peut avoir des propriétés fonctionnelles uniques”, explique White. “Une fois que nous trouvons quelque chose d’inhabituel, nous vérifions que cela nous donne effectivement une DSC différente une autre fois.”

Les autres informations obtenues par cette analyse DSC comprennent la température de gélatinisation et la plage de gélatinisation. Une température de gélatinisation basse peut permettre des économies d’énergie dans une grande opération de fabrication. Une plage de gélatinisation étroite rendra également la production plus efficace en rendant la gélatinisation plus rapide.

“Ce sont les éléments clés que nous commençons à examiner”, déclare White. “Lorsque nous voyons des choses qui diffèrent grandement de la norme lorsqu’elles sont mesurées par DSC, nous effectuons alors une analyse structurelle pour déterminer pourquoi elles le font et établir un lien entre la structure et la fonction.”

La première étape pour y parvenir nécessite de cultiver le maïs mutant en plus grande quantité pour une analyse plus approfondie. Les tests comprennent la détermination du pourcentage d’amylose par titrage potentiométrique à l’iode et/ou par chromatographie par perméation de gel ; la distribution du poids moléculaire par chromatographie par perméation de gel ; et la longueur de la chaîne de ramification de l’amylopectine calculée à partir de la valeur de réduction déterminée par chimie humide, ou par chromatographie par perméation de gel.

Si une quantité suffisante d’amidon est disponible, des tests fonctionnels tels que ceux de la viscosité et de la résistance du gel sont également réalisés.

“Une autre chose que nous faisons souvent est de mesurer la taille des granules par microscopie électronique”, dit White. “Il a été démontré que l’amidon à petits grains est bon pour une sensation en bouche lisse, ce qui est une propriété utile pour les substituts de graisse afin d’éviter la texture granuleuse.”

Enfin, le lien entre les propriétés fonctionnelles souhaitées et la structure de l’amidon est établi. Les généticiens des plantes prennent alors le relais et tentent de reproduire les qualités souhaitées dans une variété qui peut être cultivée.

L’élargissement de la compréhension de la fonctionnalité de l’amidon natif est utile à la fois pour les concepteurs de produits et les créateurs de nouveaux ingrédients amylacés. Parfois, cependant, il semble que chaque étape du voyage vers cette compréhension ne fait qu’ajouter de la distance à la route. Néanmoins, ces efforts doivent se poursuivre car – bien que le voyage puisse ne jamais se terminer – chaque pas de plus apporte de nouvelles avancées qui contribuent à améliorer les produits alimentaires.

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