Fiche de révision : Brunissement enzymatique des aliments

📋 Plan du Cours

1. Enjeux et définition du brunissement
2. Substrats phénoliques concernés
3. Polyphénoloxydases et localisation cellulaire
4. Déclenchement et fonctions biologiques
5. Mécanismes moléculaires du brunissement
6. Polymérisation et mélanose
7. Stratégies de limitation
8. Brunissement recherché et activité de l’eau

📖 1. Enjeux et définition du brunissement

🔑 Notions clés & Définitions

• Brunissement enzymatique : Oxydation enzymatique de composés phénoliques par l’oxygène moléculaire, suivie d’une polymérisation non enzymatique produisant des composés colorés.

★ À maîtriser

• Environ 40 % des pommes produites ne sont pas consommées, ce qui fait de la pomme un aliment fortement concerné par le gaspillage.

Compléments

• Les principaux aliments concernés sont:

  • les fruits
  • les légumes
  • les champignons
  • le thé
  • les dattes
  • les invertébrés comme les crevettes

• La pomme ARTIC a été développée aux États-Unis par insertion de copies de gènes faisant obstacle au brunissement enzymatique dans le génome du pommier.

💡 Astuce mémo

Brunissement enzymatique : oxydo-réduction enzymatique ; brunissement non enzymatique : polymérisation chimique.

📖 2. Substrats phénoliques concernés

★ À maîtriser

• Les substrats potentiels comprennent:

  • des monophénols
  • des diphénols
  • des triphénols
  • des dérivés de la phénylalanine
  • des acides organiques phénoliques

• Les principaux diphénols sont:

  • le catéchol en position ortho
  • le résorcinol en position méta
  • l’hydroquinone en position para

• Dans les flavonoïdes, le noyau B portant les fonctions mono-, di- ou triphénoliques constitue généralement la partie réactive vis-à-vis du brunissement.

Compléments

• Les tanins contribuent à la structure des végétaux, participent à l’astringence par interaction avec les protéines et sont responsables du trouble de la bière ainsi que du noircissement des purées de marrons.

📖 3. Polyphénoloxydases et localisation cellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Polyphénoloxydases : Trois catégories d’enzymes qui catalysent l’oxydation des composés phénoliques en utilisant l’oxygène moléculaire comme substrat oxydant.

★ À maîtriser

📌 La crésolase, ou monophénolase, oxyde les monophénols et exprime également une activité ortho-catécholasique, tandis que la catécholase, ou ortho-diphénolase, oxyde uniquement les ortho-diphénols.

• Les polyphénoloxydases sont intégrées aux membranes des:
  • chloroplastes
  • mitochondries
  • peroxysomes
  • parois pecto-cellulosiques
  • grains d’amidon

Compléments

• La laccase, ou para-diphénolase, exprime une activité catécholasique sur les ortho-diphénols ou les para-diphénols et est présente chez les champignons, mais absente des fruits et légumes sauf la pêche et l’abricot.

💡 Astuce mémo

Crésolase, catécholase, laccase : les trois activités des PPO.

📖 4. Déclenchement et fonctions biologiques

★ À maîtriser

• Le brunissement apparaît lorsque la maturation, une altération microbiologique ou fongique, un choc ou une blessure modifie la perméabilité membranaire, rompt la vacuole et met en contact les polyphénoloxydases, les substrats phénoliques et l’oxygène.

• Les mécanismes de défense associés aux quinones comprennent: la toxicité directe des quinones, l’altération des réactions de transferts d’alkyl, la formation d’un réseau quinones-protéines, la production d’espèces réactives à l’oxygène

Compléments

• Chez les végétaux supérieurs, la localisation des polyphénoloxydases dans les chloroplastes suggère un rôle dans la photosynthèse ou la régulation du niveau d’oxygène actif.

• Chez les champignons, l’augmentation des mélanines pendant la fructification pourrait renforcer la résistance des parois et des membranes aux enzymes de déstructuration.

💡 Astuce mémo

Rupture de compartimentation → contact enzyme-substrat et exposition à l’oxygène → brunissement.

📖 5. Mécanismes moléculaires du brunissement

🔑 Notions clés & Définitions

• Site catalytique de la PPO : Métalloenzyme contenant deux atomes de cuivre, chacun coordonné par trois histidines différentes.

★ À maîtriser

• Lors du cycle catalytique, l’oxygène se place entre les deux atomes de cuivre, l’enzyme oxyde ensuite un monophénol ou un ortho-diphénol en quinone, puis revient à son état initial.

• Les formes redox sont: la forme MET avec deux cuivres Cu II, la forme OXY avec l’oxygène entre deux cuivres Cu II, la forme DEOXY avec deux cuivres Cu I

Compléments

• Le composé phénolique est attiré vers le site catalytique par une interaction hydrophobe avec la phénylalanine Phe261.

💡 Astuce mémo

MET → OXY → DEOXY : les états du cuivre au cours du cycle catalytique.

📖 6. Polymérisation et mélanose

★ À maîtriser

• Le brunissement coloré résulte de l’oxydation des phénols en quinones, suivie de réactions chimiques d’oxydation et de polymérisation qui forment notamment des mélanines.

• Lors de la mélanose des crustacés, une sérine-protéase active une prophénoloxydase inactive en phénoloxydase active, dont la principale cible est la tyrosine.

Compléments

• Chez la banane, l’eumélanine est un produit de polymérisation responsable d’une coloration marron-noire au cours du mûrissement.

💡 Astuce mémo

Phénol → quinone → mélanine : seule l’oxydation initiale est catalysée par la PPO.

📖 7. Stratégies de limitation

📝 Points essentiels

• Les principales stratégies consistent à: éliminer ou séquestrer les substrats phénoliques, modifier le pH, modifier la température, utiliser des inhibiteurs, limiter l’oxygène, employer des agents réducteurs, chélater les métaux

• Le pH optimal des polyphénoloxydases végétales se situe généralement entre pH 4 et pH 7, et l’acidification par le jus de citron à pH 2,5–2,7 peut limiter leur activité.

• Un blanchiment de quelques minutes à 70–90 °C suffit généralement à dénaturer la polyphénoloxydase, mais il est adapté aux légumes et non aux fruits frais en raison des altérations de texture.

• À −18 °C, la réaction enzymatique est bloquée, mais une congélation lente forme des cristaux de glace qui rompent les vacuoles et provoquent un brunissement intense à la décongélation.

• L’acide ascorbique réduit les ortho-quinones en ortho-diphénols, mais son effet est temporaire et il est efficace à forte concentration, de 0,5 à 1 % du poids.

📌 Les chélateurs comme l’acide citrique, l’EDTA ou les ions chlorures retirent un des deux cuivres du site actif et convertissent l’enzyme en forme METAPO, mais l’enzyme peut redevenir active si elle refixe du cuivre.

📖 8. Brunissement recherché et activité de l’eau

★ À maîtriser

• Chez la datte, l’activité de la polyphénoloxydase augmente au cours de la maturation et reste élevée en fin de maturation, tandis que l’intensité de coloration augmente avec la teneur en tanins condensés.

• La diminution de la teneur en substrat phénolique au cours de la maturation n’empêche pas l’augmentation continue de l’intensité de coloration de la datte.

Compléments

• La teneur en composés phénoliques, substrats de la polyphénoloxydase, diminue au cours de la maturation de la datte.

📊 Tableaux de synthèse

Activités des polyphénoloxydases