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LES FIBRES ALIMENTAIRES (1/3)
TABLE DES MATIERES
I. Définition et historique
I. Définition et historique
Les fibres alimentaires sont des bribes de végétaux comestibles ou des analogues des glucides, qui résistent à la digestion et à l'absorption dans l'intestin grêle et subissent une fermentation partielle ou totale dans le côlon. Elles incluent des polysaccharides, des oligosaccharides, la lignine et des substances végétales associées. Les fibres alimentaires ont un effet bénéfique sur le transit intestinal et/ou sur la cholestérolémie et/ou sur la glycémie.
A la différence des autres nutriments qui sont modifiés lors de la digestion, les fibres alimentaires, (également appelées parfois fibres alimentaires végétales), se singularisent par le fait qu'elles atteignent le côlon sans avoir subi de transformation. Les effets positifs sur la santé des fibres alimentaires sont liés en partie à la fermentation qu'elles subissent dans le gros intestin, fermentation qui exerce un effet favorable sur le transit intestinal et le pH du côlon, et donne naissance à des sous-produits auxquels sont associés des propriétés physiologiques bénéfiques.
Si la lignine n'est pas un polysaccharide en soi, elle est intimement liée aux fibres alimentaires polysaccharidiques et en augmente la résistance à la digestion.
Dès 1953, Hipsley employa pour la première fois les termes "fibres alimentaires" pour désigner les composants non digestibles constitutifs des parois cellulaires végétales. Ces composants incluaient la cellulose, l'hémicellulose et la lignine.
Entre 1972 et 1976, Trowell, Burkitt, Walker, et Painter (et coll.) utilisèrent les termes "fibres alimentaires" conjointement à des hypothèses relatives à la santé, subséquemment appelées "dietary fibers hypotheses". Les fibres alimentaires englobèrent dès lors le reste des composants végétaux résistants à l'hydrolyse par les enzymes digestives humaines. Les composants décrits incluaient alors la cellulose, l'hémicellulose, la lignine, ainsi que des substances mineures associées, telles que cires, cutine et subérine. Les "hypothèses relatives aux fibres alimentaires" postulaient une relation inverse entre la consommation de fibres alimentaires et l'incidence du cancer du côlon et des maladies cardiovasculaires relevée dans les populations. La publication de ces "hypothèses relatives aux fibres alimentaires" a conduit à de nombreux projets de recherche en nutrition, analyse, technologie alimentaire et autres domaines.
En 1976, la définition des fibres alimentaires a été élargie à tous les polysaccharides indigestibles, tels les gommes, les celluloses modifiées, les mucilages, les oligosaccharides et les pectines. Cette définition a ensuite été élargie aux substances mineures associées, telles que cires, cutine et subérine. Certaines substances ont été rangées parmi les fibres alimentaires bien que n'ayant pas pour origine la paroi cellulaire végétale, parce que leurs actions physiologiques étaient comparables à celles des fibres alimentaires. Cette nouvelle définition élargie a très vite été largement acceptée.
De nombreuses études ont dès lors été mises en oeuvre afin de définir des méthodes permettant de déterminer la quantité de fibres alimentaires dans les divers aliments. L'intérêt de cette recherche était si grand que 43 laboratoires dans 29 pays y ont participé.
Composants des fibres alimentaires :
Polysaccharides autres que l'amidon et oligosaccharides résistants
Quelques fibres alimentaires importantes
La cellulose :
La cellulose est le produit de la condensation exclusivement linéaire de plusieurs milliers d'unités de D-glucopyranose, en conformation 4C1, associées entre elles par des liaisons osidiques bêta (1->4). Ces liaisons bêta sont indigestibles chez l'homme qui ne possède pas l'enzyme capable de l'hydrolyser : la cellulase, ou cytase. En revanche, ces liaisons peuvent être hydrolysées par les enzymes microbiennes dans le côlon. La cellulose est présente dans tous les tissus végétaux où elle est responsable de la structure des parois cellulaires. C'est la fibre la plus courante. Des liens hydrogènes se forment entre les résidus osidiques des chaînes de cellulose adjacentes, créant ainsi un réseau tridimensionnel qui, avec les liaisons hydrophobes interchaines, stabilisent la molécule. La cellulose est de charge neutre et n'est donc pas soluble dans l'eau. Les bactéries du côlon ne la fermentent qu'en faible proportion.
Quelques aliments riches en cellulose (par rapport aux autres fibres) : son, légumineuses, racines, végétaux de la famille des choux, enveloppe des graines, pommes...
Les dérivés de la cellulose :
La carboxylméthylcellulose de sodium (CMC), l'hydroxylpropylcellulose (HPC), la méthyl-hydroxypropylcellulose (MHPC) et la méthylcellulose (MC) sont les principaux dérivés de la cellulose utilisés dans l'industrie alimentaire.
La CMC forme avec les protéines un complexe soluble, évitant ainsi leur précipitation dans boissons et sauces. La CMC permet d'obtenir une texture onctueuse en régularisant la croissance des cristaux de glace dans les crèmes glacées et évite la synérèse dans les desserts lactés gélifiés. Ce dérivé cellulosique est également utilisé pour améliorer le corps des produits à faible teneur en sucre.
Les éthers de la cellulose forment avec l'eau des solutions plus ou moins visqueuses. Ils sont utilisés comme agents épaississants, liants, de texture ou de rétention d'eau. Leur combinaison permet de moduler la consistance, l'apparence, le corps, la palatabilité des aliments. MC, MHPC et CMC peuvent par exemple être utilisés dans différents produits de boulangerie pour ajuster la consistance des pâtes, améliorer la rétention d'eau, diminuer la vitesse de rassissement.
Les bêta-glucanes :
Ces polysaccharides rencontrés dans les céréales sont constitués de résidus glucosyl liés par liaison bêta (1->4) et bêta (1->3). Ces molécules ne sont pas aussi linéaires que la cellulose. Ce sont des polymères qui ont du mal à s'agréger et qui forment des solutions visqueuses. On les trouve en particulier dans l'avoine et l'orge.
Les hémicelluloses :
Les hémicelluloses sont des glycanes non cellulosiques et non pectiniques de la paroi végétale.
Elles forment un groupe hétérogène. Ce sont des polymères mixtes d'oses neutres (xylose, arabinose, mannose, galactose, glucose) associés à des oses acides (acide glucuronique ou acide méthylglucuronique méthylé au niveau du C4). Leur classification est basée sur le résidu osidique le plus abondant dans leur chaîne principale (par exemple xylanes=polymères d'unités D-xylose liées en bêta (1->4), mannanes=polymères d'unités D-mannose liées en bêta (1->4)) et dans leurs chaînes latérales.
Les hémicelluloses se trouvent dans la membrane des cellules végétales où elles sont souvent associées à des gommes ou à des mucilages. Certaines hémicelluloses ont des propriétés laxatives.
Les résidus osidiques constitutifs des chaînes latérales sont responsables des caractéristiques essentielles des hémicelluloses.
Le son de blé et les céréales complètes sont riches en hémicelluloses.
Exemples de monosaccharides constitutifs de la chaîne principale :
Exemples de monosaccharides constitutifs des chaînes latérales :
Les pectines :
Le mot pectine vient du grec pectos qui signifie "gelée". Les substances pectiques sont des polyosides hétérogènes dans lesquels prédominent des résidus d'acide D-galacturonique de conformation 4C1. La structure de la pectine est une longue chaîne d'acide polygalacturonique partiellement substituée, avec des liaisons régulières alpha (1->4). Des unités de L-rhamnose liées en alpha (1->2) provoquent une dérivation de l'ordre de 90° de l'axe de la chaîne pectique, conduisant les chaînes principales à se positionner sous la forme d'une hélice dont le pas dextrogyre est de 3 unités.
Les chaînes latérales contiennent essentiellement du L-arabinose et du D-galactose, et plus rarement, du D-glucose, du bêta-D-xylopyranose, du D-mannose ou du D-xylose. Elles sont liées à la chaîne rhamnogalacturonique au niveau des C3 de l'acide galacturonique et du C4 du rhamnose.
En dehors de ces rhamnogalacturonanes qui sont les plus fréquents, il existe également dans certaines graines ou tubercules des galactanes, des arabinanes et des arabinogalactanes.
On distingue les pectines selon leur degré d'estérification (les pectines hautement méthoxylées sont très solubles) : leurs propriétés gélifiantes dépendent de leur degré de méthoxylation (DM). Le degré de méthoxylation correspond au nombre de fonctions COOH estérifiées par le méthanol pour 100 COOH.
Il est à la base de la classification des substances pectiques :
- Acides pectiques = DM < 5%
- Pectines faiblement méthoxylées (LM, Low Methoxyl) = DM < 45-50 %
- Pectines hautement méthoxylées (HM, High Methoxyl) = DM > 50 %
Les substances pectiques sont situées entre et autour des parois cellulaires, remplissant les espaces intercellulaires des plantes : elles jouent un rôle de ciment cellulaire. La pectine est un colloïde qui absorbe une grande quantité d'eau. Il sert ainsi de transporteur d'eau vers les cellules.
Les bactéries du côlon sont capables de métaboliser presque entièrement la pectine.
Les agrumes, les carottes, les tomates, les pommes, les framboises sont riches en pectines.
Les gommes :
Gomme de guar, gomme arabique, gomme xanthane, etc.
Les gommes végétales sont sécrétées par les plantes, soit naturellement soit à la suite d'un traumatisme. Elles forment des solutions visqueuses. Elles sont constituées de divers oses et dérivés osidiques.
Les principaux sont le galactose et l'acide glucuronique mais on trouve aussi des acides uroniques, de l'arabinose, du rhamnose, du mannose et quelques autres.
Les gommes sont très fermentées par la microflore intestinale.
La gomme la plus utilisée est la gomme arabique.
Les autres gommes utilisées sont le guar et la caroube, appelées galactomannanes en raison de leur chaîne principale composée de D-mannose en bêta (1->4) et du galactose présent dans les chaînes latérales branchées en alpha (1->6). Dans le guar on observe 1 résidu galactose pour 2 mannoses ; dans la caroube, 1 résidu galactose pour 4 mannoses.
La gomme de guar est l'un des meilleurs épaississants et stabilisants alimentaires. De forte viscosité, elle active le péristaltisme intestinal.
La gomme de sterculia ou karaya est utilisée comme régulateur de transit et comme pansement intestinal.
Les gommes sont naturellement présentes dans les flocons d'avoine, l'orge, les légumineuses.
Quelques gommes sont synthétisées par des microorganismes (xanthane, gellane, dextranes, curdlane). Le xanthane est un métabolite secondaire excrété par la bactérie Xanthomonas campestris lors de la fermentation aérobie de glucides simples. C'est un hétéropolymère anionique branché, de haut poids moléculaire. A l'état solide, elle présente une forme hélicoïdale avec 5 unités osidiques par tour. La gomme xanthane est employée comme épaississant à propriétés pseudoplastiques dans l'industrie agro-alimentaire. Indigestible, elle est particulièrement utile dans les produits diététiques. On peut l'utiliser par exemple pour augmenter la viscosité d'une sauce, qui sera alors intermédiaire entre celle d'un jus et celle d'une purée, viscosité obtenue traditionnellement par l'adjonction d'oeuf, de corps gras ou de farine ; la gomme xanthane peut donc remplacer ces ingrédients. Elle est également utile pour stabiliser les émulsions, améliorer la conservation des sauces, des produits surgelés, des produits amylacés.
La gellane est un autre gélifiant d'origine microbienne, produit par fermentation aérobie de la bactérie Pseudomonas elodea. Le gel obtenu est résistant aux pH acides, à la chaleur et aux enzymes présentes dans les aliments. De plus, la gélification peut avoir lieu à de très faibles concentrations (à partir de 0,05%). Cette faible concentration est un atout car plus la quantité d'agent gélifiant à ajouter est faible, plus l'arôme et la flaveur du produit ressortent au contact de la cavité buccale.
Les mucilages sont synthétisés par les cellules sécrétoires des plantes pour protéger la plante contre le dessèchement. Lorsqu'ils sont produits en grande quantité, ils s'écoulent à l'extérieur de la plante et, par dessèchement à l'air, ils se transforment en gomme. On observe ce phénomène en particulier chez les rosacées et les légumineuses. En raison de leur importante force de succion (200 bars), les mucilages retiennent l'eau des réserves.
La gomme arabique :
Les polysaccharides hétérogènes extraits d'algues :
Agar-agar, carraghénanes, alginates...
L'agar-agar est extrait d'algues rouges. C'est un mélange de plusieurs polymères formés de chaînes linéaires où alternent des galactoses liés en bêta (1->4) et des 3,6-anhydrogalactoses liés en alpha(1->3). L'agar est utilisé dans l'industrie agro-alimentaire pour ses propriétés gélifiantes, sa résistance aux températures élevées et sa capacité importante de rétention d'eau.
Les carraghénanes sont des polysaccharides sulfatés extraits d'algues rouges, les carraghénophytes. Les fractions kappa et iota de ces glycanes ont des propriétés gélifiantes. La fraction lambda a seulement un rôle épaississant et le comportement des solutions est de type pseudoplastique (=la viscosité diminue avec le cisaillement). Leur structure est proche de celle de l'agar : ils contiennent des résidus galactose plus ou moins sulfatés et alternativement liés en (1->3) et (1->4). Ils sont utilisés en particulier pour augmenter la viscosité des desserts et boissons lactés. En présence de potassium, ils forment un gel utilisé notamment dans certains aliments hypocaloriques.
Les alginates sont extraits d'algues brunes. Ce sont des copolymères linéaires d'acide D-mannuronique et d'acide L-guluronique. Ils forment des gels en présence de calcium. Ils sont employés comme agents épaississants pour stabiliser les mousses, donner du corps aux boissons fruitées, et comme stabilisants des crèmes glacées
L'inuline :
L'inuline est la réserve glucidique des végétaux qui n'accumulent pas l'amidon. C'est le cas par exemple du topinambour, de la patate douce, des salsifis, du poireau, de la chicorée, de l'artichaut, de l'oignon, de l'ail, de l'échalote... L'inuline confère à ces aliments une saveur sucrée. Les chaînes sont non ramifiées, assez courtes, de 40 à une centaine de résidus de fructose sous forme furanique en liaison bêta (2->1), et parfois (2->6) chez certaines graminées. En début de chaîne, on observe la présence d'un résidu de glucose (=glucosidopolyfructoside) qui s'explique par le fait qu'une molécule de saccharose en est le noyau initiateur, sur lequel une levane sucrase transfère un résidu de fructose pris à une autre molécule de saccharose (=transfructosylation).
L'inuline, par son pouvoir gélifiant, contribue à améliorer la stabilité des émulsions et des aliments qui ont subi un foisonnement.
Du fait de son indigestibilité, elle arrive quasiment intacte dans le côlon où les bactéries coliques, en particulier les bifidobactéries et certains lactobacilles, l'hydrolysent.
On peut également employer l'inuline en tant que substitut de matière grasse pour la fabrication d'aliments allégés : on mélange 60% d'eau et 40% d'inuline et l'on soumet ce mélange à un cisaillement intense sous pression. Il se forme un réseau de particules d'inuline qui emprisonnent une grande quantité de molécules d'eau. Elle confère de l'onctuosité à l'aliment allégé en matières grasses tout en n'apportant que très peu d'énergie : 4 à 10 kJ.g-1 (soit 0 à 2,4 kcal par gramme) selon la longueur de la chaîne.
Les fructo-oligosaccharides :
Les fructo-oligosaccharides ont une structure identique à celle de l'inuline mais leur chaîne est beaucoup plus courte car elle ne contient que quelques unités fructoses. Ces oligomères sont des prébiotiques. Leur dégradation par les bactéries du côlon est totale, mais elles n'augmentent pas la viscosité du bol alimentaire. Leur intérêt réside dans le fait que leur fermentation favorise de façon sélective l'entretien et la croissance des bactéries coliques protectrices pour la santé.
La lignine :
La lignine n'est pas un glucide. Constituant fondamental du bois, c'est un hétéropolymère tridimensionnel résistant formé de monomères du type phénylpropane, non hydrolysables. Les trois cycles aromatiques les plus fréquents sont l'alcool coniférylique, l'alcool coumarylique et l'alcool sinapylique. La composition varie selon les espèces végétales.
Les végétaux de l'alimentation humaine sont généralement pauvres en lignine. Les aliments les plus riches en lignine sont les racines de végétaux à maturité, le son de blé, et les fruits comportant des graines consommables. La lignine est totalement indigestible.
Les alcools présents dans la lignine :
FIBRES ALIMENTAIRES LES PLUS COURANTES PAR GROUPE D'ALIMENTS
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Groupe d'aliments |
Polymères présents |
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Céréales |
Cellulose, Bêta-glucanes, Lignine |
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Légumes & Fruits |
Cellulose, Pectine, Lignine, Cires |
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Graines |
Cellulose, Pectine, Galactomannanes |
|
Additifs alimentaires |
Gommes, Alginates, Amidons modifiés |
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