La réaction de MaillardFrédérique D.Lindsay et Stécy Simard, mai 2012

Résumé La réaction de Maillard. D.Lindsay, F. & S. Simard. 2012. Rapport interne. Sciences, Cégep St-Félicien. La réaction de Maillard a été étudiée selon différents facteur. Des mesures d’absorbance ont été prises sur différentes solutions contenant un sucre et une protéine en faisant varier différents facteurs soient le pH, la cinétique et la quantité d’eau. La réaction de Maillard était favorisée lorsque le pH était basique, la cinétique était grande et la quantité d’eau était moindre.

Abstract Maillard reaction. D.Lindsay, F. & S. Simard. 2012. Internal Report. Sciences, Cégep St-Felicien. The Maillard reaction was studied according to different factors. Absorbance measurements were taken on different solutions containing a sugar and a protein by varying different factors like the pH, the kinetics and the amount of water. The Maillard reaction was favored when the pH was basic, the kinetics was high and the amount of water was low.

Introduction Le principal but de notre projet consistait à effectuer plusieurs essaies sur le pH, la température et la quantité d’eau pour optimiser la réaction de Maillard afin d’améliorer les résultats tout en étant aptes à comprendre et expliquer la raison pour laquelle une amélioration a eu lieu. Comme appui supplémentaire, on s’est servi d’une application courante de la technique, soit les crèmes auto-bronzantes. Pour parvenir à ces fins, de la glycine et du glucose en solution et des solutions tampons phosphates et acétiques ont été très utiles. Cette protéine (glycine) et ce sucre (glucose), lors des 3 expériences, ont été chauffés, et une éprouvette a été retirée à chaque 10 minutes, pour un maximum de 80 minutes. Dans ces éprouvettes, différentes substances ont été ajoutées, dépendamment du facteur à tester. Une fois que l’éprouvette était sortie de l’eau, on cessait la réaction en la plongeant dans un bain de glace. On l’insérait ensuite dans le spectrophotomètre pour noter l’absorbance. Cette expérience étant qualitative, la spectrophotométrie s’est avérée être la démarche idéale. C’est une technique assez simple qui comporte certaines faiblesses et certains points forts. Cette technique était facile à utiliser, accessible au laboratoire, permettait de mettre un chiffre sur une couleur et de faire des graphiques, mais plus particulièrement, c’est une méthode simple qui ne nécessite pas beaucoup de matériel et qui est assez courte. Cependant, des difficultés peuvent être rencontrées, tels un mauvais choix de la solution témoin, une mauvaise calibration de l’appareil et un manque de précision à un certain seuil.

Hypothèses  Plus le pH de la solution de sucres et de protéines est élevé, plus la réaction de

Maillard sera évidente; Plus la quantité d’eau est élevée dans la solution de sucres et de protéines,

moins la réaction de Maillard sera évidente; Plus la température est élevée dans la solution, plus la réaction de Maillard

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Mots clés: cégep St-Félicien, chimie, réaction de Maillard, pH, cinétique, quantité d’eau, brunissement, absorbance

aura lieu rapidement; En contrôlant le pH, la quantité d’eau et la température, on sera capable

d’optimiser la réaction de Maillard appliqué à l’alimentation; Le sucre présent dans les crèmes auto-bronzantes réagit avec les protéines de

la peau morte des humains pour donner un teint plus foncé.

Théorie (ref. 1)1 La réaction de Maillard est une réaction de brunissement non enzymatique, c’est-à-dire qu’elle mène à la formation de pigments bruns ou noirs et à l’apparition d’odeurs et de saveurs singulières, bonnes ou mauvaises. On retrouve ces réactions notamment lors de la fabrication du pain et la cuisson des viandes. Cette réaction a lieu entre des sucres et des protéines, plus exactement des acides aminés. La réaction de Maillard ne se résume pas à une seule étape. En fait, c’est une série de réactions assez complexes qui se produit entre le groupe amino libre (-NH2) des protéines et les groupements carbonyles des sucres réducteurs (C=O). Ces sucres réducteurs, comme le glucose et le fructose, donnent des électrons dans une réaction d’oxydoréduction. Plus précisément, l’atome de carbone du groupement carbonyle (C=O) du sucre est électrophile (un composé chimique en déficit d’électrons, donc qui peut en accepter d’un autre atome). L’autre composé, au contraire, sera plutôt le nucléophile (qui donne des électrons) des protéines. Pour que l’azote et le carbone puissent former une liaison, l’atome d’oxygène du sucre C=O change un de ses liens avec le carbone en doublet non liant (un doublet d'électrons de valence qui n'est pas impliqué dans une liaison covalente).

-C=O devient –C+-O– * O devient chargé négativement puisqu’il est plus électronégatif que C.

Par la suite, le N de l'acide aminé, qui deviendra positif, transformera son doublet non liant pour se lier au carbone qui, lui, ne peut rester avec seulement 3 électrons de valence. Étant plus électronégatif que l'hydrogène, il transformera une des liaisons qu’il fait avec ses hydrogènes en doublet non liant. L’hydrogène libéré se liera à l’oxygène qui avait créé un doublet non liant pour permettre à l’acide aminé de se condenser avec le sucre. Ce processus est réversible et se nomme prototropie: Il consiste en le déplacement d'un atome d'hydrogène au sein d'une même molécule, d'un atome vers un autre2. La molécule peut alors se stabiliser. La fonction alcool (OH) qui se situe à l’extrémité de la molécule se détachera, l’oxygène transformant sa liaison avec le reste de la molécule en un doublet non liant. Le carbone pourra prendre l’électron ainsi libéré pour former une deuxième liaison avec l’azote de la protéine. Celui-ci devra cependant briser une liaison avec un de ses deux atomes d’hydrogène, l’ion OH- et l’ion H+ créeront alors une molécule d’eau. La molécule demeure encore instable : Image 1 : Condensation de Maillard

OH-sucre-OHC-NH-acide aminé → sucre-OHC=N-acide aminé + H2O

Le produit obtenu par la rencontre précédente ne semble pas très stable puisque la molécule change aussitôt de forme : c'est le réarrangement d'Amadori ou de Heynes, plus stable. Le produit obtenu du réarrangement d'Amadori n'est pas au bout de ses transformations. Les étapes qui suivent sont cependant plus complexes, car elles sont

1 Cette référence est bonne pour l’ensemble de la théorie.2 http://fr.wikipedia.org/wiki/Prototropie

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composées de différentes réactions. La première est appelée déshydratation modérée. Elle est favorisée aux pH neutres et légèrement alcalins. La deuxième est appelée déshydratation forte, favorisée par les pH acides. Ces deux premières étapes sont suivies par la dégradation de STRECKER où les réductones (résultats de la chauffe de sucres en milieu alcalin) réagissent avec les acides aminés des protéines. La vitesse de la réaction de Maillard est grandement influencée par différents facteurs. Ceux-ci agissent comme catalyseurs (augmente la vitesse de réaction) ou inhibiteurs (diminue la vitesse de réaction) de la réaction.Influence du pH Toutes les réactions qui surviennent dans la réaction de Maillard sont dépendantes du pH. Le réarrangement d’Amadori nécessite un pH acide et la synthèse des réductones un pH basique. Les produits dépendent eux aussi du pH. Les pH basiques privilégieront plutôt des réactions de déshydratations modérées alors que les pH acides privilégieront les déshydratations fortes. Influence de la quantité d’eauSi l’eau est en trop grande quantité dans le milieu (supérieur à 60 %), les réactions de déshydratation sont ralenties ou empêchées. À l'inverse en dessous de 30 % la réaction est encore une fois ralentie ou empêchée, mais cette fois par l'absence d'eau. Le mieux est une proportion de 30 à 60 % d’eau dans le milieu.Influence de la température Presque toutes les températures peuvent mener à la réaction de Maillard, mais elle est très ralentie quand la température diminue. En général, plus la température est élevée, plus la vitesse de la réaction augmente.

Matériel et méthode3 De manière générale, l’expérimentation des laboratoires était la suivante : On chauffait à 80°C un nombre x d’éprouvettes, dépendamment de l’expérience. Ensuite, on ajoutait, à l’intérieur de ces tubes à essai, une substance permettant de tirer des conclusions face au facteur testé. À chaque 10 minutes, une éprouvette était retirée et placée dans un bain de glaces pour que la réaction cesse. La dernière étape consistait à noter l’absorbance à l’aide du spectrophotomètre4. Image 3 : Méthode de chauffage Image 4 : Spectrophotomètre

Résultats5

3 400 manipulations commentées de chimie organique, volume 2 (ref. 2)4 Pour plus de précision, voir les manipulations des expériences en annexes.5 Les tables de valeurs allant avant chacun des graphiques et les graphiques eux-mêmes se retrouvent en annexes.

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Influence du pHLa figure 1 montre les résultats obtenus suite à l’expérience de l’influence du pH. On peut constater que l’absorbance augmente en fonction du temps lorsque c’est une solution tampon phosphate. Pour ce qui est de la solution tampon acétique, l’absorbance reste inchangée après 50 minutes. Il est normal que la solution tampon phosphate favorise le brunissement, car, en effet, un pH de 7, même en étant neutre, s’avère être plus basique qu’un pH de 3. Il aurait été intéressant d’effectuer l’expérience avec un pH basique pour tirer d’autres conclusions.

Figure 1 : Résultats pour l’influence du pH

pH : 3 pH : 7

Influence de la cinétiqueLa figure 2 montre les résultats obtenus suite à l’expérience de l’influence de la cinétique. Comme le graphique de l’absorbance en fonction du temps le prouve, plus les éprouvettes sont chauffées longtemps, plus l’absorbance est grande, donc la dernière éprouvette, celle ayant chauffée pendant 80 minutes (le plus longtemps) et aussi celle dont la cinétique était la plus grande, est la plus foncée.

Figure 2 : Graphique de l’absorbance en fonction du temps

Influence de la quantité d’eauLa figure 3 montre les résultats obtenus suite à l’expérience de l’influence de la quantité d’eau. Le graphique de l’absorbance en fonction du volume d’eau prouve que moins il y a d’eau dans l’éprouvette pendant le chauffage, plus l’absorbance est grande, donc plus la réaction de brunissement a lieu. Par contre, une quantité de départ est nécessaire puisque sans eau la réaction na pas lieu. Dans la théorie, il a été mentionné que l’idéal était une proportion de 30 à 60% d’eau. Par contre, avec 2mL d’eau, nous avions seulement une proportion de 20%. Nous n’avons donc pas vérifié cette théorie.

Figure 3 : Graphique de l’absorbance en fonction de la quantité d’eau

Discussion Notre hypothèse est confirmée. Pour ce qui est de l’expérience sur l’influence du pH, la théorie dit qu’à pH basique, la réaction de Maillard est favorisée. C’est en effet ce qu’on peut constater en observant la figure 1 qui démontre que la solution tampon phosphate, en étant plus basique que la solution tampon acétique, présente une absorbance plus grande avec le temps. Cependant, puisque les

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solutions de glycine et de glucose n’étaient pas assez concentrées, la solution tampon acétique n’a pas donné de résultats concluants. La théorie concernant l’influence de la cinétique, de son côté, dicte que plus la cinétique est grande, plus la réaction de Maillard est favorisée. Nos résultats présents dans la figure 2 sont représentatifs de cet énoncé. En effet, plus le temps augmente, plus l’absorbance augmente. Finalement, l’expérimentation sur l’influence de la quantité d’eau est très concluante. Effectivement, plus la quantité d’eau au départ est grande, plus l’absorbance augmente, ce que la théorie prédisait. Donc, en agissant de façon à ce que ces facteurs soient des catalyseurs, il est possible d’optimiser la vitesse de la réaction de Maillard.

Les résultats obtenus sont fiables dans le contexte de l’expérience. Plusieurs points faibles peuvent se présenter au cours de l’expérimentation. De notre côté, tout en suivant le protocole présenté dans le manuel des 400 manipulations commentées de chimie organique, volume 2, nous avons rencontré des problèmes auxquels il a fallu remédier au cours de l’expérience de l’influence du pH seulement. Les deux premiers graphiques réalisés étaient incorrects puisque la solution tampon acétique était supérieure à la solution tampon phosphate dans le graphique de l’absorbance en fonction du temps. Étant donné que deux méthodes de chauffage différentes ont été utilisées pour les deux tampons, on croyait que cela était la cause du problème rencontré, c’est pourquoi on a refait l’expérience en utilisant la même méthode. Par contre, cela n’en était pas la cause. C’est en prenant le pH des solutions tampons qu’on a constaté que les pH des solutions étaient tous deux basiques. Pour remédier à ce problème, il a fallu refaire les solutions tampons phosphate et acétique. Les solutions, qui au départ étaient problématiques, n’ont pas été utilisées lors de l’influence de la quantité d’eau et même si la solution tampon phosphate avait été utilisée durant l’expérience de la cinétique, cela ne présentait pas une cause d’erreur, car le pH n’était pas considéré.

Critiques et améliorations

Critique AméliorationEn utilisant la plaque chauffante comme méthode de chauffage, cela avait pour effet de faire varier constamment la température du bécher d’eau, donc des éprouvettes contenant les substances à tester.

L’utilisation d’un bain thermostaté serait plus adaptée aux circonstances puisqu’il peut garder l’eau à la température désirée. Cependant, il faut prévoir un temps considérable avant l’expérience avant que l’eau atteigne la température.

Les premières solutions tampons contenaient du NaOH assez concentré qui avait pour rôle de stabiliser la réaction. Par contre, le NaOH a plutôt été une cause d’erreur, tout en stabilisant la réaction, il a fait des deux solutions tampons, des solutions très basiques.

Il suffit de préparer une solution tampon acétique contenant du CH3COONa et de l’acide acétique et une solution phosphate contenant du NaH2PO4 x H2O et du N2H2PO4, donc d’éliminer totalement le NaOH.

Pour donner un sens plus concret à l’expérience, une expérience faisant réagir le sucre présent dans les crèmes auto-bronzantes (dihydroxyacétone) et la protéine de la peau morte (kératine) a été réalisée. Par contre, le NaOH utilisé pour faire fondre des cheveux (kératine) s’est avéré faire brunir la solution.

Il faudrait trouver un solvant capable de faire fondre des cheveux tout en ne faisant pas brunir le mélange au contact du dihydroxyacétone.

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Conclusion Or, notre projet pourrait se résumer ainsi : un pH basique, une quantité d’eau moindre et un temps de chauffage élevé favorisent la vitesse de la réaction de Maillard. Le projet ci-contre ne changera pas le monde. Il n’existe pas vraiment d’impacts sur l’environnement ou la société qui sont flagrants. Par contre, c’est un projet qui en intéressera plus d’un, autant du point de vue personnel que pratique. En effet, les passionnés de la cuisine seront surpris de savoir qu’il y a de la chimie dans leur assiette. Après une telle expérimentation, des questionnements de toute sorte peuvent survenir. Pensez bien à la marinade que vous choisirez avec vos brochettes. Nous en sommes venues à l’hypothèse que les marinades sont plutôt acides, c’est pourquoi c’est relativement plus long pour un morceau de viande mariné de brunir.

Médiagraphie

Référence 1 : [ANONYME]. Wikipédia, [En ligne], http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9actions_de_Maillard (page consultée le 30 mai 2012)

Référence 2 : BAYLE, Jean-Pierre (2008). 400 manipulations commentées de chimie organique, volume 2, Paris, Ellipses Édition Marketing S.A., 631 pages.

Figure (titre) : [ANONYME]. Fanpop, [En ligne], http://www.fanpop.com/spots/meat/images/24188634/title/sirloin-steak-photo (page consultée le 30 mai 2012)

Image 1 et 2 : [ANONYME]. Membres.multimania, [En ligne], http://membres.multimania.fr/rasley/TPE/Maillard/Cekmai.htm (page consultée le 31 mai 2012)

Image 3 : [ANONYME]. Directindustry, [En ligne], http://www.directindustry.fr/prod/stuart-equipment/agitateurs-magnetiques-a-plaque-chauffante-pour-laboratoire-63431-410177.html (page consultée le 31 mai 2012)

Image 4 : [Voici-le-blog]. Skyrock, [En ligne], http://voici-le-blog.skyrock.com/2.html (page consultée le 31 mai 2012)

Figures 1 : Réalisée sur MS word Figures 2 et 3 : Graphiques réalisés sur MS excel

Annexes

Exemple du réarrangement d’Amadori

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Protocole des laboratoires

Préparation de la solution tampon phosphate

Dans une fiole jaugée de 250 ml, préparer une solution tampon 0,100 M en H2PO4- et en HPO4-.

1. Peser 6,804 g de KH2PO4 avec la balance numérique.2. Dissoudre cette quantité de KH2PO4 avec 100 ml d’eau dans un ballon jaugé

de 250 ml.3. Préparer le NaOH à 2M

- Peser 20g de NaOH avec la balance numérique.- Dissoudre cette quantité de NaOH avec de l’eau distillée dans un ballon jaugé de 250ml jusqu’à la jauge.

4. Ajouter 50 ml de la solution de NaOH 2M à la solution de KH2PO4.5. Compléter la solution jusqu’à la jauge (250 ml)

Préparation de la solution tampon acétique

Dans une seconde fiole jaugée de 250 ml, préparer une solution tampon 0,1M en AcOH et en AcO-.

1. Mesurer 50 ml de CH3COOH avec un cylindre gradué de 50 ml.2. Verser la quantité mesurée dans un ballon jaugé de 250 ml.3. Mesurer 50 ml de la solution de NaOH à 2M.4. Verser ce volume dans le ballon jaugé avec le CH3COOH.5. Remplir avec de l’eau distillée jusqu’à la jauge (250 ml).

Préparation de la solution de glucose

Dans deux fioles jaugées de 100 ml, préparer deux solutions de glucose 0,5M en utilisant les deux solutions tampons.

1. Peser 9,008 g de glucose avec la balance numérique et le déposer dans un ballon jaugé de 100 ml.

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2. Ajouter 25 ml de la solution tampon acétique.3. Compléter le volume avec de l’eau distillée jusqu’à 100 ml. Entreposer le

contenu.4. Peser 9.008 g de glucose et le déposer dans un ballon jaugé de 100 ml.5. Ajouter 25 ml de la solution tampon phosphate.6. Compléter le volume avec de l’eau distillée jusqu’à 100 ml et entreposer le

contenu.

Préparation des solutions de glycine

1. Peser 3.753 g de glycine et la déposer dans un ballon jaugé de 100 ml.2. Ajouter 25 ml de la solution tampon acétique.3. Compléter le volume avec de l’eau distillée jusqu’à 100 ml. Entreposer le

contenu.4. Peser 3,753 g de glycine et la déposer dans un ballon jaugé de 100 ml.5. Ajouter 25 ml de la solution tampon phosphate.6. Compléter le volume avec de l’eau distillée jusqu’à 100 ml et entreposer le

contenu.

Préparation de la solution tampon acétique (prise 2)

1. Peser 0.82 g de CH3COONa et le déposer dans un ballon jaugé de 100 ml.2. Dissoudre avec de l’eau distillée.3. Ajouter 10 ml d’acide acétique 1M.4. Compléter à 100 ml avec de l’eau distillée.5. Noter le pH qui devrait être d’environ 3.

Préparation de la solution tampon phosphate (prise 2)

1. Peser 1.38 g de NaH2PO4 x H2O et 1.4196 g de N2H2PO4.2. Déposer le NaH2PO4 x H2O dans un ballon jaugé de 100 ml.3. Dissoudre avec de l’eau distillée.4. Ajouter le N2H2PO4 dans le ballon.5. Dissoudre avec de l’eau distillée.6. Compléter à 100 ml avec de l’eau distillée.7. Noter le pH qui devrait être d’environ 7.

Préparation des solutions de glycine et de glucose (prise 2)

1. Peser 2 fois 2.25 g de glucose et 2 fois 0.9375 g de glycine.2. Dissoudre 2.25 g de glucose dans 25 ml de tampon acétique et dans 25 ml de

tampon phosphate.3. Dissoudre 0.9375 g de glycine dans 25 ml de tampon acétique et dans 25 ml

de tampon phosphate.

Influence du pH1. Dans 6 éprouvettes, ajouter 1 ml de la solution de glucose et 1 ml de la

solution de glycine tous 2 dans le tampon acétique.

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2. Dans 6 éprouvettes, ajouter 1 ml de la solution de glucose et 1 ml de la solution de glycine tous 2 dans le tampon phosphate.

3. Faire chauffer les éprouvettes à 80 °C.4. À chaque 10 minutes, en refroidir une dans la glace pendant 2 minutes.5. Ajouter 2 ml d’eau distillée.6. Noter l’absorbance à 420 nm.7. Réaliser un graphique, avec les deux courbes, de l’absorbance en fonction du

temps.

* Les solutions utilisées sont celles de la prise 2.

Influence de la cinétique

1. Dans 10 éprouvettes de 30 ml, introduire 1 ml de la solution de glucose et 1 ml de la solution de glycine tout 2 dans le tampon phosphate.

2. Agiter, boucher les éprouvettes avec du parafilm.3. Chauffer les éprouvettes à 80°C.4. Toutes les 10 minutes, refroidir une éprouvette dans un bain de glace pendant

2 minutes.5. Ajouter 2 ml d’eau distillée.6. Observer l’absorbance à 420 nm.7. Réaliser un graphique de l’absorbance en fonction du temps.

* La solution tampon phosphate utilisée est la première.

Influence de la quantité d’eau

1. Peser 9,00786 g de glucose et 3,75281 g de glycine.2. Broyer le glucose et la glycine ensemble.3. Dans 7 éprouvettes, ajouter 0,5 g du mélange.4. Ajouter respectivement 0, 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1 et 2 ml d’eau distillée.5. Boucher les éprouvettes avec du parafilm.6. Chauffer les éprouvettes à 80°C pendant 45 minutes.7. Agiter.8. Refroidir les éprouvettes dans la glace pendant 2 minutes.9. Ajouter, dans chaque éprouvette, le complément d’eau de manière à ce que le

volume final soit de 10 ml.10. Agiter pour dissoudre les solides.11. Noter l’absorbance à 420 nm.12. Réaliser le graphique de l’absorbance en fonction du volume d’eau de départ.

Test sur les cheveux

1. Sous la hotte, dissoudre 2 g de NaOH dans 20 ml d’eau distillée.2. Ajouter quelques cheveux (à fondre) et chauffer un peu.3. Ajouter le dihydroxyacétone et observer.

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Graphiques et tables de valeurs

Influence du pH

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0 0.5 1 1.5 2 2.50

0.20.40.60.8

11.21.41.6

L'influence de la quantité d'eau

Quantité d'eau au départ (mL)

Abso

rban

ce

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

L'influence de la cinétique

Temps de chauffage (minutes)

Abso

rban

ce

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