FR3135989A1 - Procédé enzymatique de production d’une composition riche en maltotétraose - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé enzymatique de préparation d’une composition riche en maltotétraose

Description

Procédé enzymatique de production d’une composition riche en maltotétraose
La présente invention est relative à un procédé enzymatique de production d’une composition riche en maltotétraose.
L’invention concerne également une composition riche en maltotétraose.
La présente invention est également relative à l’utilisation d’une composition riche en maltotétraose pour la préparation d’aliments pour l’alimentation humaine ou animale.
Etat de l’art antérieur
Le maltotétraose est un oligosaccharide constitué de 4 unités de glucose reliées de manière linéaire par des liaisons alpha 1-4 glucosidiques.
Des compositions riches en maltotétraose ou sirops de maltotétraose peuvent être utilisées dans la fabrication d’aliments pour l’alimentation humaine ou animale. De manière avantageuse, les sirops de maltotétraose présentent de nombreux avantages par rapport aux sirops de saccharose ou sirops de glucose. En effet, ils ont une sucrosité réduite par rapport aux sirops de saccharose, tout en préservant le goût de l’aliment. Par ailleurs, ils sont moins sensibles à la dégradation par réaction de Maillard et possèdent une viscosité plus élevée.
Le sirop de maltotétraose est généralement fabriqué à partir d’amidons, tels que l’amidon de maïs, par réactions enzymatiques. L’amidon est d’abord soumis à une hydrolyse par une alpha-amylase pour produire des maltodextrines.
Les compositions de maltodextrines sont des mélanges de différents sucres issus de l’hydrolyse de l’amidon et ayant différents degrés de polymérisation. Ce degré de polymérisation ou « DP » est reflété de manière expérimentale par le “dextrose équivalent », ou D.E., le dextrose étant du D-glucose, c’est le résultat d'une hydrolyse totale de l’amidon. Plus le D.E. est élevé, plus l'hydrolyse est poussée, et donc plus la proportion en sucres simples (à chaîne courte) composant la maltodextrine est élevée. Un D.E. de zéro représenterait l’amidon lui-même, un D.E. de 100 représenterait du dextrose pur, soit un amidon totalement transformé.
La limite du D.E. pour une maltodextrine est de 20. Au-delà, le produit obtenu a pour appellation légale « sirop de glucose ».
DE et DP sont donc inversement corrélés.
Les maltodextrines sont ensuite soumises à d’autres réactions enzymatiques pour produire des compositions riches en maltotétraose, c’est-à-dire riches en oligosaccharides de DP4. Certaines enzymes, telles que la maltotetrahydrolase issue dePseudomonas saccharophila(« PS-4 » )sont capables d’hydrolyser préférentiellement les maltodextrines en DP4.
Toutefois, la production classique de compositions riches en maltotétraose ne permet pas d’obtenir des compositions ayant des teneurs en maltotétraose supérieures ou égales à 60%.
Par exemple, le brevet US3,654,082 (CPC Internationale Inc) décrit un procédé de production de sirop de maltotetraose qui utilise l’activité enzymatique d’une amylase issue de Pseudomonas stutzeri
Une enzyme de type maltotetrahydrolase est commercialisée par la société Genencor/DuPont sous le nom « OPTIMALT®4G » .
Par ailleurs, la demande internationale WO2010/118269A2 (Danisco/DuPont) décrit des variants de l’enzyme PS-4 dePseudomonas saccharophiladont l’activité exo-alpha-amylase est augmentée par rapport à l’enzyme native et dont l’activité endo-alpha-amylase est réduite par rapport à l’enzyme native.
Dans la demande WO2010/118269A2, les sirops obtenus dans les exemples ont une teneur maximale de 47% en DP4.
Le document WO2010132157 décrit l’utilisation de l’enzyme PS-4 avec une enzyme de type pullulanase afin de former des sirops comprenant entre 40 et 60°% en poids de maltotétraose.
Par ailleurs, la société Tereos a commercialisé un sirop nommé MYLOSE®351 qui est présenté comme un sirop de glucose riche en DP4. Toutefois, ce produit comprend entre 50 et 60% en poids de maltotétraose. Par ailleurs, il contient également des quantités importantes de DP3 (entre 6 et 12%
Il est donc souhaitable d’obtenir des compositions riches en maltotétraose et pauvres en mono-, di- et tri-saccharides
Description détaillée de l’invention
La société Demanderesse a alors trouvé qu’il était possible, à partir d’un amidon liquéfié riche en amylopectine, de produire une composition riche en maltotétraose par réaction enzymatique. La société Demanderesse a ainsi développé un procédé qui utilise une enzyme particulière, en combinaison avec une étape de filtration tangentielle avec un seuil de coupure à 1kDa, effectuée simultanément à la réaction enzymatique.
Dans un premier aspect, la présente invention concerne un procédé de préparation d’une composition comprenant au moins 60% en poids de maltotétraose, ledit procédé comprenant la mise en présence d’un substrat avec une enzyme de type glucan 1,4-alpha-maltotetrahydrolysase et une filtration tangentielle avec un seuil de coupure à 1kDa effectuée simultanément à la réaction enzymatique.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, le procédé est un procédé de préparation d’une composition comprenant au moins 60%, de préférence au moins 65%, de manière encore plus préférée au moins 70%, au moins 75%, au moins 78%, au moins 80% en poids de maltotétraose, par rapport au poids total de matière sèche de la composition.
Le pourcentage en maltotétraose (aussi appelé « DP4 ») peut être déterminé par toute méthode adaptée, connue de l’homme de l’art. Par exemple, ce pourcentage peut être déterminé par chromatographie HPLC, comme illustré dans les exemples ci-dessous.
Le substrat selon le procédé de l’invention peut être tout produit issue de l’hydrolyse partielle de l’amidon.
De manière préférée, l’amidon de départ est un amidon riche amylopectine, tel qu’un amidon de maïs waxy.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le substrat est choisi parmi un amidon liquéfié riche en amylopectine et une maltodextrine faiblement hydrolysée.
Typiquement, le substrat a un DE compris entre 2 et 15, de préférence entre 2 et 12.
Typiquement, le substrat comprend au moins 90%, de préférence au moins 92%, au moins 95%, de manière encore plus préférée au moins 95% en poids de chaines d’amylopectine par rapport au poids de matière sèche dudit substrat.
Le procédé de l’invention utilise une enzyme de type glucan 1,4-alpha-maltotetrahydrolysase (EC 3.2.1.60). Il s’agit d’une enzyme qui hydrolyse les liaisons alpha 1-4 glucosidiques tous les quatre résidus, à partir des extrémités non réductrices des polysaccharides.
De manière préférée, il s’agit d’un variant PS-4 décrit dans la demande de brevet WO2010/118269.
De manière préférée, il s’agit de l’enzyme commercialisée par la société Genencor/DuPont sous le nom « OPTIMALT®4G ».
Dans un mode de réalisation, le procédé selon l’invention ne comprend pas l’utilisation d’une pullulanase.
Dans le procédé selon l’invention, une étape de filtration tangentielle avec un seuil de coupure à 1kDa effectuée simultanément à la réaction enzymatique. Les sucres de faible poids moléculaires, et notamment les DP4, seront donc filtrés et collectés au fur et à mesure que la réaction enzymatique progresse. En effet, le seuil de coupure de 1 kDa laisse passer dans le filtrat les sucres de poids moléculaires (DP1, DP2, DP3, D4, DP5 et DP6) et retient les sucres de poids moléculaires plus important (rétentat).
Sans vouloir être liés par une quelconque théorie, les inventeurs ont proposé que cette filtration simultanée permet de déplacer l’équilibre réactionnel en faveur de la production de DP4 en éliminant ce produit réactionnel au fur et à mesure.
Ainsi, la réaction enzymatique peut se poursuivre jusqu’à ce que le substrat résiduel soit une dextrine limite, c’est-à-dire constituée essentiellement des liaisons ramifiées alpha 1-6 glucosidiques.
Dans un mode de réalisation préféré, la filtration est débutée avant l’ajout de l’enzyme et un premier volume de filtrat est jeté. Cela permet de débarrasser la réaction enzymatique de tout sucre de faible DP (mono-, di- et tri-saccharides) qui pourraient être présents dans le substrat.
Par la suite, après ajout de l’enzyme, le filtrat est collecté. Celui-ci contient principalement du maltotétraose (ou DP4) puisque l’enzyme de génère pas de sucres DP1, DP2 ou DP3.
Ainsi, selon un mode de réalisation particulier, l’invention concerne un procédé comprenant les étapes suivantes :
- fournir une solution de substrat dont le pH est compris entre 5 et 5,5
- démarrer la filtration, tout en maintenant le volume du rétentat constant par l’ajout d’eau déminéralisée,
- ajouter l’enzyme
- jeter les 1eres fractions de filtrat riches en monosaccharides, disaccharides et trisaccharides
- collecter les fractions suivantes de filtrat enrichies en maltotétraose,
- éventuellement mélanger et concentrer les fractions riches en maltotétraose,
- éventuellement, déminéraliser la composition obtenue
- éventuellement lyophiliser la composition.
Dans un second aspect, la présente invention concerne une composition susceptible d’être obtenue selon le procédé décrit ci-dessus.
La présente invention concerne également une composition comprenant au moins 60% en poids de maltotétraose et moins de 12 % d’oligosaccharides de DP1, DP2 ou DP3 par rapport au poids total de matière sèche.
Ainsi, le poids cumulé des DP1, DP2 et DP3 dans la composition selon l’invention n’excède pas 12%, de préférence 11%, de préférence 10%, de préférence 9%, de préférence 8%, de préférence 7%.
Selon un mode de réalisation particulier, le poids des DP1 dans la composition selon l’invention n’excède pas 2%, de préférence 1.8%, de préférence 1.6%, de préférence 1.4%, de préférence 1.2%, de préférence 1.0%.
Selon un mode de réalisation particulier, le poids des DP2 dans la composition selon l’invention n’excède pas 5%, de préférence 4%, de préférence 3%, de préférence 2,9%, de préférence 2,8%, de préférence 2,7%, de préférence 2,6%, de préférence 2,5%.
Selon un mode de réalisation particulier, le poids des DP3 dans la composition selon l’invention n’excède pas 6%, de préférence 5%, de préférence 4%, de préférence 3,8%, de préférence 3,7%, de préférence 3,6%, de préférence 3,5%.
Enfin, la présente invention concerne l’utilisation d’une composition selon l’invention dans la préparation d’aliments pour l’alimentation humaine ou animale.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples qui suivent, lesquels se veulent illustratifs et non limitatifs.
Exemple 1 . : protocole de préparation d’un sirop r i che en maltotétraose
1. Réactifs utilisés
1.1. Maltodextrine ayant un DE (dextrose équivalent) de 2 à 6 produite à partir d’amidon de maïs Waxy (GLUCIDEX®2 commercialisé par la Société Demanderesse).
1.2. Maltodextrine ayant un DE de 12 produite à partir d’amidon de maïs standard (GLUCIDEX®12 commercialisé par la Société Demanderesse.
1.3. Enzyme glucan 1,4-alpha-mltotetraohydrolylase : OPTIMALT®4G produite par la société Genencor (Dupont).
1.4. Enzyme Alpha amylase thermo résistante: LIQUOZYME® supra produite par la société Novozyme.
1.5. Amidon de maïs waxy N200®commercialisée par la Société Demanderesse.
Les produits 1.4 et 1.5 n’ont servi qu’à l’Exemple 4.
2. Matériels utilisés
La réaction enzymatique a été effectuée dans un bécher de 2 litres placé sur un agitateur magnétique chauffant régulé.
La filtration tangentielle a été réalisée de manière simultanée à la réaction enzymatique à l’aide d’un système Centramate PALL équipé d’une cassette de nanofiltration 1 KD REF OS001T12 0.1 m2.
3. Mode opératoire
Le mode opératoire suivant a été réalisé :
- Préparer une solution de maltodextrine en diluant 100 g de produit dans 900 ml d’eau déminéralisée dans un bécher de 2 litres.
- Vérifier le pH de la solution (5 à 5,5) et l’ajuster si besoin avec Na0H ou HCl 0.1 mol/litres.
- Placer la solution sous agitation et réguler celle-ci à 50°C.
– Commencer la nano-filtration avec le système Centramate en laissant le filtrat s’écouler dans un bécher. Une fois le volume de 300ml de filtrat atteint, ajouter 200µl de l’enzyme OPTIMALT®4G dans la solution de maltodextrine et recycler le filtrat dans le rétentat pendant 15 minutes.
- Prélever un échantillon instantané tous les 300 ml de filtrat. Sur chaque prélèvement, prendre la lecture réfractométrie et analyser le taux de glucose (DP1), maltose (DP2), maltotriose (DP3), maltotétraose (DP4) et les supérieurs au DP4 par HPLC.
- La baisse de volume du rétentat doit être compensée en continu avec de l’eau déminéralisée (mode dialyse à volume constant).
- Les fractions ont été mélangées et concentrées à l’aide d’un évaporateur rotatif jusqu’à une l’obtention d’une lecture réfractométrique de 30 BX.
- Le sirop obtenu a été décoloré à l’aide d’un charbon actif SA utilisé habituellement pour la purification des sirops de glucose (temps de contact : 1H à 70°C.
- Le sirop a ensuite été déminéralisé avec les résines anioniques et cationiques utilisées habituellement pour la purification des sirops de glucose.
Selon les besoins le sirop peut être concentré jusqu’à l’obtention d’une lecture réfractométrique de 65 à 70 BX ou lyophilisé afin d’assurer la conservation de l’échantillon.
4. Analyse physicochimique
La composition glucidique des fractions a été analysée par un système HPLC Waters E2695 équipé d’un détecteur RID 2414. La colonne utilisée est une AMINEX HPX 87N a une température de 85°. Débit de la phase mobile (eau) : 0.3 ml /min.
Exemple 2 . : préparation d’un sirop riche en maltotétraose à partir d’une maltodextrine faiblement hydrolysée produite à partir d’amidon waxy
Selon le protocole décrit en Exemple 1 l’essai décrit ci-dessous a été réalisée avec une solution de GLUCIDEX®2 (100g QSP eau déminéralisé 1000g) comme substrat de départ.
Les différentes fractions de 300 ml de filtrat ont été récupérées et la composition analysée par HPLC. La fraction F1 correspond au filtrat avant l’ajout d’enzymes.
Les fractions F4 à F8 ont été mélangées pour les étapes de concentration et de purification.
Les analyses sont présentées dans le Tableau 1.
Composition glucidique exprimée en %/ matière sèche
Référence Glucose
DP1
Maltose
DP2
Maltotriose *DP3 Maltotétraose DP4 Oligosaccharides
>DP4
F1 (avant enzyme) 1 6.4 10.1 6.7 75.6
F2 0.8 5.0 6.5 57.8 29.9
F3 0.8 4.3 5 71.9 18.0
F4 0.6 2.8 3.8 79.6 13.1
F5 0.8 2.9 3.3 82.4 10.5
F6 0.7 2.9 3.9 84.5 9.1
F7 0.7 2.2 2.5 86.5 8.0
F8 0.8 2.1 24 87.0 7.8
Mélange final F4 à F8 0.7 2.5 3.2 83.7 9.9
Exemple 3. : préparation d’un sirop riche en maltotétraose à partir d’une maltodextrine de DE 12 produite à partir d’amidon waxy
Selon le protocole décrit en Exemple 1 l’essai décrit ci-dessous a été réalisée avec une solution de GLUCIDEX®12 (100g QSP eau déminéralisé 1000g) comme substrat de départ.
Les différentes fractions de 300 ml de filtrat ont été récupérées et la composition analysée par HPLC. La fraction F0 correspond au filtrat avant l’ajout d’enzymes.
Les analyses sont présentées dans le Tableau 2.
Composition glucidique exprimée en %/ matière sèche
Référence Glucose
DP1
Maltose
DP2
Maltotriose *DP3 MaltotetraoseDP4 Oligosaccharides
>DP4
F0 (avant enzyme) 1.9 7.9 12.4 10.4 67.4
F1 1.9 7.7 11.3 29.9 19.3
F2 1.9 6.9 10.1 45.7 35.4
F3 1.9 6.6 9.5 51.5 30.5
F4 1.9 5.7 8.2 61.5 22.9
F6 1.7 4.0 5.9 71.5 16.9
F7 1.5 3.0 5.0 65.5 25.0
F8 1.7 3.1 4.9 57.7 32.6
Le but de l’essai était de comparer la richesse des fractions de maltotétraose en fonction de la matière première. Le produit n’a pas été purifié.
Exemple 4 . : préparation d’un sirop riche en maltotétraose à partir d’amidon de maïs waxy liquéfié
Contrairement aux deux exemples précédents la matière première de l’essai était un amidon de maïs waxy liquéfié de la façon suivante :
- Préparation d’une suspension d’amidon de maïs Waxy (100 g QSP eau déminéralisé 400g)
- Liquéfaction à l’aide d’une alpha-amylase thermorésistante (LIQUOZYME®supra) à la concentration de 0,8g/kg de matière sèche .
- Utilisation d’un microondes (5 cycles de 1 minutes , 1000 w) puis maintien à 95 °C pendant 15 min.
- Inhibition avec HCl 1 N jusqu’à pH = 3.0
- Filtration sur filtre COFRAM réf. BECO KD3
- Dilution de la solution obtenue pour obtenir 1 litres de solution à 10 % de matière sèche.
La composition de l’amidon de maïs liquéfié ainsi obtenu est présentée dans le Tableau 3.
Composition glucidique exprimée en %/ matière sèche
Référence Glucose
DP1
Maltose
DP2
Maltotriose *DP3 MaltotetraoseDP4 Oligosaccharides
>DP4
Amidon de maïs liquéfié 0.1 1.0 2.1 0.9 95.8
D’après la composition glucidique, on peut estimer que le DE (dextrose equivalent) de la solution obtenue est d’environ 6.
Cette solution a ensuite été traitée selon les conditions décrites à l’Exemple 1.
Les résultats suivants ont été obtenus :
Composition glucidique exprimée en %/ matière sèche
Référence Glucose
DP1
Maltose
DP2
Maltotriose *DP3 MaltotetraoseDP4 Oligosaccharides
>DP4
F1 (avant enzyme) 1.1 7.3 15.3 8.8 66.7
F2 0.9 5.2 9.6 53.6 30.6
F3 1.0 3.7 6.6 71.2 17.5
F5 0.8 2.9 2.9 77.4 13.6
F6 0.8 2.2 3.9 80.0 13.1
F7 0.7 2.4 4.1 78.2 14.8
Le but de l’essai était de comparer la richesse des fractions de maltotétraose en fonction de la matière première. Le produit n’a pas été purifié.
L’ensemble des exemples ci-dessus démontre que le procédé selon l’invention permet d’obtenir des compositions riches en maltotétraose et faibles en DP1, DP2 et DP3, et ce à partir de trois types de substrats différents (maltodextrine de DE2, maltodextrine de DE 12 et amidon liquéfié de DE environ 6)

Claims (7)

  1. Procédé de préparation d’une composition comprenant au moins 60% en poids de maltotétraose, ledit procédé comprenant la mise en présence d’un substrat avec une enzyme de type glucan 1,4-alpha-maltotetrahydrolysase et une filtration tangentielle avec un seuil de coupure à 1kDa effectuée simultanément à la réaction enzymatique.

  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le substrat est choisi parmi un amidon liquéfié riche en amylopectine ou une maltodextrine faiblement hydrolysée.

  3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il ne comprend pas l’utilisation d’une pullulanase.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes :
    - fournir une solution de substrat dont le pH est compris entre 5 et 5,5
    - démarrer la filtration, tout en maintenant le volume du rétentat constant par l’ajout d’eau déminéralisée,
    - ajouter l’enzyme
    - jeter les 1eres fractions de filtrat riches en monosaccharides, disaccharides et trisaccharides,
    - collecter les fractions suivantes de filtrat enrichies en maltotétraose,
    - éventuellement mélanger et concentrer les fractions riches en maltotétraose,
    - éventuellement, déminéraliser la composition obtenue
    - éventuellement lyophiliser la composition.
  5. Composition susceptible d’être obtenue selon le procédé de l’une des revendications précédentes.
  6. Composition comprenant au moins 60% en poids de maltotétraose et moins de 12% d’oligosaccharides de DP1, DP2 ou DP3.
  7. Utilisation d’une composition selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6 pour la préparation d’aliments pour l’alimentation humaine ou animale.
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