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BA SE Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 2011 15(1), 153-164 Le Point sur : Les oligosaccharides pectiques : production et applications possibles Agnan Marie Michel Combo, Mario Aguedo, Michel Paquot Univ. Liège - Gembloux Agro-Bio Tech. Unité de Chimie biologique industrielle. Passage des Déportés, 2. B-5030 Gembloux (Belgique). E-mail : [email protected][email protected] Reçu le 25 janvier 2010, accepté le 1 juin 2010. Les oligosaccharides pectiques ou POS sont des fragments de composition complexe issus de la dégradation chimique, physique ou enzymatique de la pectine. Du fait de l’intérêt de leurs propriétés biologiques, les oligosaccharides pectiques font l’objet de nombreuses études et trouvent aujourd’hui des applications dans des domaines aussi différents que la médecine, l’agriculture et l’industrie agro-alimentaire. Cet écrit présente la structure des pectines ainsi que les différents modes de production des POS en insistant particulièrement sur les différentes enzymes microbiennes permettant de les obtenir et sur les applications possibles de ces POS. Mots-clés. Pectines, matières premières renouvelables, enzymes pectinolytiques, fragments pectiques, prébiotiques. Pectic oligosaccharides: production and potential applications. Pectic oligosaccharides (POS) are complex fragments coming from the chemical, physical or enzymatic degradation of pectin. Many studies have been focused on pectic oligosaccharides because of the interest of their biological properties, and POS have many applications in various ields such as medicine, agriculture and agri-food industry. This paper presents the structure of pectins, the different ways of POS production with particular emphasis on the various microbial enzymes used to obtain them and the possible applications of these POS. Keywords. Pectins, renewable raw materials, pectinolytic enzymes, pectic fragments, prebiotics. 1. IntroductIon Les pectines sont des substances d’origine végétale. Ce sont des polysaccharides complexes que l’on retrouve principalement dans la lamelle moyenne et la paroi primaire des plantes supérieures (Alkorta et al., 1998 ; Blanco et al., 1999). Elles jouent un rôle important dans l’adhésion et le maintien des cellules des tissus végétaux en formant un ciment rattachant les cellules les unes aux autres (Iwasaki et al., 1998). Les pectines sont constituées essentiellement par des résidus d’acide galacturonique (GalA) liés entre eux par des liaisons α-(1-4), partiellement acétylés ou estériiés par des groupes méthyles (Daas et al., 1999 ; Bonnin et al., 2002a). Ces substances ont fait l’objet de nombreuses recherches portant notamment sur leurs fonctions au sein de la paroi végétale, leur structure chimique et leur caractérisation en tant qu’additifs. Toutes ces recherches ont conduit au développement de nombreuses applications dans des domaines aussi différents que l’industrie cosmétique, plastique et pharmaceutique, mais l’utilisation la plus importante se situe dans l’industrie alimentaire où les pectines sont essentiellement utilisées comme agents de texture, géliiants, stabilisants et épaississants (Thakur et al., 1997 ; Mesbahi et al., 2005). Les pectines ont également fait l’objet d’une attention particulière de la part des nutritionnistes. Elles sont en effet utilisées comme des ibres alimentaires et exercent des effets physiologiques sur le tractus intestinal en réduisant le temps du transit et l’absorption du glucose (Olano-Martin et al., 2002). Aujourd’hui, la consommation journalière de pectines dans un régime alimentaire occidental se situe entre 4 et 5 g. Quant à la consommation annuelle mondiale de pectine extraite industriellement, elle est estimée à 45 millions de kg (Willats et al., 2006). Différents procédés de transformation des pectines ont été mis au point pour augmenter leurs potentialités en tant que molécules bioactives. À l’heure actuelle, un domaine relativement nouveau de la recherche se concentre sur les propriétés fonctionnelles des oligosaccharides. L’intérêt majeur de ces nouveaux oligosaccharides réside dans leur diversité de structure qui offre un large spectre de propriétés et d’applications. L’utilisation des pectines dans le développement d’oligosaccharides à effet prébiotique et pharmaceutique constitue un
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Les oligosaccharides pectiques : production et applications possibles

May 17, 2023

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BASE Biotechnol. Agron. Soc. Environ.201115(1),153-164 Le Point sur :

Lesoligosaccharidespectiques:productionetapplicationspossiblesAgnanMarieMichelCombo,MarioAguedo,MichelPaquotUniv.Liège-GemblouxAgro-BioTech.UnitédeChimiebiologiqueindustrielle.PassagedesDéportés,2.B-5030Gembloux(Belgique).E-mail:[email protected][email protected]

Reçule25janvier2010,acceptéle1juin2010.

Les oligosaccharides pectiques ou POS sont des fragments de composition complexe issus de la dégradation chimique,physiqueouenzymatiquedelapectine.Dufaitdel’intérêtdeleurspropriétésbiologiques,lesoligosaccharidespectiquesfontl’objetdenombreusesétudesettrouventaujourd’huidesapplicationsdansdesdomainesaussidifférentsquelamédecine,l’agriculture et l’industrie agro-alimentaire. Cet écrit présente la structure des pectines ainsi que les différents modes deproductiondesPOSeninsistantparticulièrementsurlesdifférentesenzymesmicrobiennespermettantdelesobteniretsurlesapplicationspossiblesdecesPOS.Mots-clés.Pectines,matièrespremièresrenouvelables,enzymespectinolytiques,fragmentspectiques,prébiotiques.

Pectic oligosaccharides: production and potential applications. Pectic oligosaccharides (POS) are complex fragmentscoming from the chemical, physical or enzymatic degradation of pectin. Many studies have been focused on pecticoligosaccharides because of the interest of their biological properties, and POS have many applications in various ieldssuchasmedicine,agricultureandagri-foodindustry.Thispaperpresentsthestructureofpectins,thedifferentwaysofPOSproductionwithparticularemphasisonthevariousmicrobialenzymesusedtoobtainthemandthepossibleapplicationsofthesePOS.Keywords.Pectins,renewablerawmaterials,pectinolyticenzymes,pecticfragments,prebiotics.

1. IntroductIon

Les pectines sont des substances d’origine végétale.Ce sont des polysaccharides complexes que l’onretrouve principalement dans la lamelle moyenne etla paroi primaire des plantes supérieures (Alkortaetal.,1998;Blancoetal.,1999).Ellesjouentunrôleimportantdans l’adhésion et lemaintiendes cellulesdes tissus végétaux en formant un ciment rattachantlescelluleslesunesauxautres(Iwasakietal.,1998).Lespectines sont constituées essentiellementpardesrésidus d’acide galacturonique (GalA) liés entre euxpar des liaisons α-(1-4), partiellement acétylés ouestériiéspardesgroupesméthyles(Daasetal.,1999;Bonninet al.,2002a).Ces substancesont fait l’objetdenombreusesrecherchesportantnotammentsurleursfonctions au sein de la paroi végétale, leur structurechimique et leur caractérisation en tant qu’additifs.Toutes ces recherches ont conduit au développementde nombreuses applications dans des domaines aussidifférents que l’industrie cosmétique, plastique etpharmaceutique, mais l’utilisation la plus importantese situe dans l’industrie alimentaire où les pectines

sontessentiellementutiliséescommeagentsdetexture,géliiants, stabilisants et épaississants (Thakur et al.,1997;Mesbahietal.,2005).Lespectinesontégalementfait l’objet d’une attentionparticulièrede la part desnutritionnistes.Ellessonteneffetutiliséescommedesibresalimentairesetexercentdeseffetsphysiologiquessurletractusintestinalenréduisantletempsdutransitetl’absorptionduglucose(Olano-Martinetal.,2002).Aujourd’hui,laconsommationjournalièredepectinesdansunrégimealimentaireoccidentalsesitueentre4et 5g. Quant à la consommation annuelle mondialede pectine extraite industriellement, elle est estiméeà 45millions de kg (Willats et al., 2006). Différentsprocédés de transformation des pectines ont été misaupointpouraugmenterleurspotentialitésentantquemoléculesbioactives.À l’heureactuelle,undomainerelativement nouveau de la recherche se concentresurlespropriétésfonctionnellesdesoligosaccharides.L’intérêt majeur de ces nouveaux oligosaccharidesrésidedansleurdiversitédestructurequioffreunlargespectredepropriétésetd’applications.L’utilisationdespectines dans le développement d’oligosaccharides àeffet prébiotique et pharmaceutique constitue un

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nouveaudomaineémergent.Pourcela,ungrandintérêtestportéauxoligosaccharidespectiques(POS)enraisonde leurs potentialités d’utilisation comme nouvellegénération de prébiotiques. Certaines des qualitésattribuées à ces oligosaccharides sont la protectioncontrelecancerducolon,uneactionantibactérienne,larépressiondel’accumulationdelipidedanslefoie,l’inhibition de l’adhésion des bactéries aux cellulesépithéliales et la stimulation de la croissance desbiidobactéries et d’Eubacterium rectale (Mandersonetal.,2005;Qiangetal.,2009).

Nous présentons dans ce travail un état desconnaissances sur les pectines, sur la production desoligosaccharides pectiques (POS) tout en insistantsur la voie enzymatique de leur obtention et sur lesapplicationspossiblesdecesPOS.

2. descrIPtIon des PectInes et des sources

Le terme «pectines» fait référence à un ensemblede polysaccharides complexes qui entrent dans lacomposition des parois cellulaires de la plupart desvégétauxsupérieurs(Daasetal.,1999).

Lespectinessontabondantesdanslesfruitsetleslégumes (tableau 1) et évoluent avec la maturationdes tissus. Bien qu’elles puissent être extraites d’ungrand nombre de végétaux, les principales sourcesindustriellesdepectinessontlesmarcsdepommeetlesécorcesdecitronetd’orange.Lespectinesreprésententenviron0,5 à 4%dupoids frais dumatériel végétal(Kashyap et al., 2001), avec une masse moléculairevariant de 10 à 400KDa suivant leur origine (Sakaiet al., 1993). Les pectines présentent des propriétésphysico-chimiquesspéciiquesdufaitdeleurcaractèrepolyélectrolyte.Cecaractèreleurconfèrelacapacitédes’associerentreellesetdeformerdesgelsenprésencede cations divalents tels que le calcium (Fang et al.,2008). Généralement, les pectines sont caractériséesparleurdegrédeméthylation(DM)déinicommeétantle pourcentage de groupements carboxyles estériiésparleméthanol(Levigneetal.,2002).Contrairementà l’acétylestériication, la méthylestériication est enproportionconsidérabledanslespectinesnatives(Thoetal.,2006).Ainsi,enfonctionduDM,ondistingue:– lespectinesHM(hautementméthylées):cesontles pectinesdontledegréd’estériicationestsupérieurà 50%,– lespectinesLM(faiblementméthylées):cesontles pectinesdontledegréd’estériicationestinférieurà 50%.

LeDMestunparamètreimportantquiinluesurleprocessuset lemécanismed’associationdespectinesdanslaformationdesgels.LespectinesHMforment

des gels en présence de sucres neutres ou en milieuacide,alorsquelesLMformentdesgelsenprésencedecalcium.MisàpartleDM,lepH,laconcentrationensucreouacide,laprésencedechaineslatérales,ledegrédepolymérisation(DP)etlatempératurejouentégalement un rôle important dans la formation d’ungel (Capel et al., 2006; Guillotin et al., 2007). Cespropriétésfontquelespectinessontd’uneimportanceconsidérable pour les industries alimentaire,pharmaceutique, biotechnologique et les industriesdetraitementdepolluants(Willatsetal.,2006;Fangetal.,2008).

3. structure MoléculaIre des PectInes

Lespectinessontdeshétéropolysaccharidescaractériséspar une forte teneur en acidegalacturonique (GalA),monomères liés entre euxpar des liaisonsα-(1-4) etpartiellementacétylésouestériiéspardesgroupementsméthyles. Elles sont composées de différents

tableau 1.Teneursensubstancespectiquesdequelquesvégétaux — Pectic substances content of some plants(Thakuretal.,1997).Fruit teneur en

substances pectiques (%dupoidsfrais)

Pomme(Malusspp.) 0,5-1,6Marcdepomme 1,5-2,5Banane(Musa acuminata) 0,7-1,2Pulpedebetterave(Beta vulgaris) 1,0Carambole(Averrhoa carambola) 0,66Carotte(Daucus carota) 0,2-0,5Goyave(Psidium guajava) 0,77-0,99Pulpedecitron(Citrus lemon) 2,5-4,0Litchi(Litchi chinesis) 0,42Mangue(Mangifera indica) 0,26-0,42Zested’orange(Citrus sinesis) 3,5-5,5Papaye(Carcia papaya) 0,66-1,0Fruitdelapassion(Passilora edulis) 0,5Péricarpedufruitdelapassion 2,1-3,0Pêche(Prunus persica) 0,1-0,9Ananas(Ananas comosus) 0,04-0,13Fraise(Fragaria ananassa) 0,6-0,7Tamarin(Tamarindus indica) 1,71Tomate(Lycopersicon esculentum) 0,2-0,6

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polysaccharides associés: les homogalacturonanes,les xylogalacturonanes, les rhamnogalacturonanes,lesarabinanes,lesgalactanesetlesarabinogalactanes.Cetteassociationpermetdedécrirelespectinescommeétant constituées essentiellement de trois domainesdistincts, à savoir l’homogalacturonane et lesrhamnogalacturonanesIetII(RG-IetRG-II)(Perroneetal.,2002).

3.1. HomogalacturonaneLeshomogalacturonanes(Figure 1)représentent57à69%delapectine(Jacksonetal.,2007).Cesontdespolymères linéaires constitués uniquement d’acidesD-galacturoniques reliés entre eux par des liaisonsα-(1-4)etdont lesfonctionscarboxyliquesetalcoolspeuventêtreestériiéesrespectivementparduméthanolenpositionC6etpar l’acideacétiqueenpositionC2ou C3. Elles forment la zone lisse des pectines. Laméthylestériication des régions homogalacturonanesdétermine dans une large mesure l’applicationindustrielledespectineset leurcapacitéd’interaction(Ralet et al., 2005). En effet, de nombreusespropriétés et fonctions biologiques des pectines sontdéterminéesparuneinteractionioniqueentrerégionshomogalacturonanes(Ridleyetal.,2001).

3.2. rhamnogalacturonane type ILeRG-Iestunefamilledepolysaccharidespectiquesquireprésente7à14%delapectineetenviron20à80%des rhamnosesduRG-Isontsubstitués (Ridleyet al., 2001; Jackson et al., 2007). Le RG-I d’undegré de polymérisation (DP) d’environ 1000 estconstitué d’une alternance d’unités rhamnosiques etd’unités galacturoniques [→ 4)-α-D-GalA-(1→2)-α-L-Rha-(1→]. Comme dans l’homogalacturonane,certains résidus d’acide galacturonique deRG-I sontacétylés(Dumvilleetal.,2000;Perroneetal.,2002).Différents substituants polysaccharidiques neutres

sont capables de se greffer à ce squelette osidiqueauniveauducarboneC4duL-rhamnose (Figure 2).Parmi ces substituants, on peut citer le L-arabinose,le D-galactose, les arabinanes, les galactanes ou lesarabinogalactanes(Bonninetal.,2002a).Chezcertainsvégétaux(betterave,épinard,etc.),leschaineslatéralespeuvent être substituées par des acides phénoliques(acide férulique ou coumarique) estériiant les fonc-tionsalcoolsenposition6desrésidusdegalactoseouen position2 des résidus d’arabinose (Bonnin et al.,2002b).

3.3. rhamnogalacturonane type IILeRG-IIestungalacturonanesubstituéquireprésente10à11%delapectineetdontlastructurecomplexeest très conservée au sein des espèces végétales(Jackson et al., 2007). Avec un DP d’environ 60(Dumvilleetal.,2000),leRG-IIcomprendaumoinshuit résidus d’acides galacturoniques liés en 1-4constituant la chaine principale, sur laquelle sontgreffés quatre complexes glycosidiques différents(Figure 3). Ces complexes glycosidiques sontcomposés d’arabinofuranose, d’arabinopyranose, deglucopyranose, de fucopyranose, d’apiofuranose etdegalactopyranoseetd’autres sucres inhabituels telsqueleDha:acide3-déoxy-D-lyxo-heptulosarique, leKdo:acide3-déoxy-D-manno-octulosoniqueetl’acideacérique. Il contient également des sucres méthylésrarement observés comme le 2-O-méthylxylose et le2-O-méthylfucose (Ridley et al., 2001). Le RG-II seprésente principalement sous la forme d’un dimèredanslaparoicellulairedesplantesparl’établissementde liaison covalente de diester de bore.Cette liaisonestforméeentreleOH-2etleOH-3desrésidusβ-D-apiofuranose de chaque sous-unité monomérique deRG-II. En outre, il a été montré que seul le résiduapiofuranose de chaque chaine latéraleA participeà cettedimérisation (Ishii et al., 1999;Ridleyet al.,2001).

Acétylation

Méthylation

Figure 1.Structureprimaired’unhomogalacturonane—Primary structure of a homogalacturonan.

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4. ProductIon des olIgosaccHarIdes PectIques

Les oligosaccharides pectiques sont des fragmentspectiques de compositions complexes dérivés dela pectine. Plusieurs modes de production desoligosaccharidespectiquessontenvisageables.Ilpeuts’agir de traitements chimiques utilisant des acidesdilués ou concentrés (acide chlorhydrique, acidesulfurique,acide triluoroacétique,acide formiqueouacide nitrique) chauffés entre 50 et 90°C (Courtois,2009). Certains traitements physiques peuventégalement être utilisés: thermique, micro-ondes,irradiation γ et ultrasonication (Barreteau et al.,2006; Courtois, 2009). Par exemple, le traitementde polysaccharides par irradiation micro-ondes pourobtenir des oligosaccharides entraine une diminutiondes temps de réaction, de bons rendements et unediminution des réactions secondaires. L’irradiationγ

induit principalement la formation de radicauxhydroxyleslibresquicatalysentladépolymérisationdupolysaccharide(Courtois,2009).Cependant,lorsqueleprocessusdedégradationestassociéàunetempératuredeplusde100°C,desquantitésrésiduellesdeprotéinesou de peptides présents dans l’échantillon peuventprovoquer des réactions de Maillard, par conséquentdesmoléculesindésirablesetpotentiellementtoxiquespeuvent se former (Courtois, 2009). Enin, lestraitements enzymatiques permettent, contrairementauxdeuxtypesdeméthodesprécédentes,descoupuresplus spéciiques des chaines pectiques. L’utilisationd’enzymes permet de cibler le site de réaction etd’opérer dans des conditions douces qui limitent lesréactionssecondaires(commelacaramélisation).Cesenzymes appartiennent au groupe des hydrolases oulyaseset sontspéciiquesdes liaisonsglycosidiques;toutefois, la présence de substituants sur les unitésosidiques peut inhiber le clivage du polymère. Les

Figure 2.Structured’unrhamnogalacturonaneI—Structure of rhamnogalacturonan I.GalA:acidegalacturonique—galacturonic acid;Rha:rhamnose—rhamnose;Ara:arabinose—arabinose;Araf:arabinofuranose—arabinofuranose;Gal:galactose—galactose;Fuc:fucose—fucose;GlcA:acideglucuronique—glucuronic acid;OMe:méthylation—methylation;OAc:acétylation—acetylation.

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enzymesimpliquéesdansladégradationdespectinessont nombreuses du fait de la nature complexe dupolysaccharide.

4.1. les enzymes pectinolytiquesLes enzymes pectinolytiques ou pectinases sontun groupe hétérogène d’enzymes qui hydrolysent

les substances pectiques et qui sont largementdistribuées dans les plantes supérieures et dans lesmicro-organismes. Cette famille d’enzymes estcapable d’attaquer une variété de liaisons chimiquesdes pectines. Le terme «enzyme pectinolytique» neconcerne que les enzymes qui agissent sur la partiegalacturoniquedessubstancespectiques(Figure 4)etlesenzymescapablesdedégraderleschaineslatérales

Figure 3. StructureprimairedurhamnogalacturonaneIIavecquatrechaineslatéralesdestructuredifférente(A-D)—Primary structure of rhamnogalaturonan II with four structurally different side chains (A-D)(Ridleyetal.,2001).GalpA:acidegalactopyranuronique—galactopyranuronic acid;GlcpA:acideglucopyranuronique—glucuropyranuronic acid;Rhap:rhamnopyranose—rhamnopyranose;Arap:arabinopyranose—arabinopyranose;Galp:galactopyranose—galactopyranose;Fucp:fucopyranose—fucopyranose;Xylp:xylopyranose—xylopyranose;Araf:arabinofuranose—arabinofuranose;Apif:apiofuranose—apiofuranose;AcefA:acideacérique—aceric acid;Dhap:acide3-déoxy-D-lyxo-2-heptulopyranosylarique—3-deoxy-D-lyxo-2-heptulopyranosylaric acid;Kdop:acide3-déoxy-D-manno-2-octulopyranosylonique—3-deoxy-D-manno-2-octulopyranosylonic acid;OAc:O-acétylation—O-acetylation;2-O-MeFucp:2-O-méthylationfucopyranose—2-O-methylation fucopyranose;2-O-MeXylp:2-O-méthylationxylopyranose—2-O-methylation xylopyranose.

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nesontpasclasséesparmilesenzymespectolytiques.Laplupartdespréparationscommercialesdepectinasessont d’origine fongique. Aspergillus niger est lasource fongique la plus communément utilisée pourla production industrielle d’enzymes pectinolytiques(Jayanietal.,2005).

Les enzymes pectinolytiques sont classéesselon la nature du substrat (pectine, acide pectique,oligogalacturonate), le mécanisme de dégradation(trans-éliminationouhydrolyse)et le typedeclivage(endoouexo)(Favela-Torresetal.,2006).Cesenzymespeuvent être divisées en deux grands groupes: lespectinestérases(PE)oupectine-méthylestérases(PME)etlesdépolymérases(polygalacturonasesetlyases).

Pectinestérases (Pe) ou pectine-méthylestérases (PMe). Les PE catalysent l’hydrolyse des liaisonsesters méthyliques des pectines HM, entrainantla libération de méthanol et la formation d’acidepolygalacturonique. L’activité de la PE peut êtresuivie soitpar ledosageduméthanol libéré, soitparla détermination de l’augmentation du nombre decarboxyleslibresouencoreenutilisantunrégulateurdepH.Eneffet,l’ionisationdugroupecarboxyleproduitunprotondanslemilieu,cequicauseunevariationdupH (Jayani et al., 2005).LesPE sont présentesdansdenombreuxvégétauxsupérieursetellespeuventêtreextraitesdediversfruits telsquelabanane, l’orange,la tomate, la papaye et la pomme (Denès etal.,2000).Maisellespeuventêtreaussiproduitespardeschampignons, des bactéries et des levures. Les PEdesvégétaux, très spéciiquesdes estersméthyliquesdes acides pectiques, sont mieux connues que cellesd’origine fongique et bactérienne.Leur pHoptimum

est compris entre 7 et 8, alors que les PE fongiqueset bactériennes sont plus actives à pH4-5. Les PEhydrolysent seulement les groupes esters adjacents àungroupecarboxylelibreetenlèventainsilesgroupesméthyles de la chaine les uns après les autres dansune direction donnée (Sakai et al., 1993). Beaucoupde travaux ont étémenés sur les propriétés physico-chimiquesetcinétiquesdesPE,cependantleurmoded’actionn’esttoujourspasbienélucidé.SelonJayanietal.(2005),lemécanismed’attaquedesPEvarieenfonctiondel’origine.Ainsi,lesPEfongiquesagissentauhasardsuivantunmécanisme«multi-chaine»parlequell’enzymeformeuncomplexeenzyme-substrat,se dissocie après la réaction et s’associe à nouveauavecuneautremoléculedusubstratpourenlever lesgroupesméthyles.En revanche, lesPEdesvégétauxtendent à agir à l’extrémité non réductrice ou à côtéd’un groupe carboxyle libre le long de la moléculepar un mécanisme «unichaine» où le substrat estprogressivement déméthylé jusqu’à ce que l’enzymeatteigne l’extrémité de la chaine ou un résidu quibloquesaprogressionpoursedissocierducomplexeenzyme-substrat(Cameronetal.,2008).Untroisièmemoded’actionaétéévoqué:ils’agitd’unmécanismed’attaquemultiplequiestunmécanismeintermédiaireauxdeuxpremiers.Danscecas,l’enzymecatalyselatransformation d’un nombre moyen de résidus pourchaquecomplexeenzyme-substratformé(Denèsetal.,2000;Cameronetal.,2008).

La PE est inhibée par l’augmentation dunombre des carboxyles libres le long des chainespolygalacturoniques progressivement déméthylées.Cette inhibition est due à la répulsionexercéepar lacharge négative des carboxyles ionisés. La présence

Figure 4.Moded’actiondespectinases—Mode of action of pectinases.PMGL:polyméthylgalacturonatelyase—polymethylgalacturonate lyase ;PMG:polyméthylgalacturonase—polymethylgalacturonase ;PE:pectinestérase—pectinesterase ;PGL:polygalacturonatelyase—polygalacturonate lyase ;PG:polygalacturonase—polygalacturonase.

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de cations (Ca²+, Na+) pourrait contrecarrer cetteinhibition. Cette inhibition des PE serait égalementdue aux chaines latérales des sucres neutres dans lamoléculedepectine(Sakaietal.,1993).

dépolymérases. Les dépolymérases sont deshydrolases(polygalacturonasesetlyases)quipossèdentdes activités endo- ou exo-galacturonases. Lesdépolymérasespeuventêtresubdivisées,enfonctiondu substrat et dumécanismede clivagedes liaisonsglycosidiques, en quatre catégories différentes: lespolygalacturonases(PG),lespolyméthylgalacturonases(PMG), les polygalacturonate lyases (PGL) et lespolyméthylgalacturonate lyases (PMGL). Les PGet PMG agissent respectivement sur les pectates etles pectines par un mécanisme d’hydrolyse, tandisque les PGL et PMGL agissent respectivement parβ-éliminationsurlespectatesetlespectines(Alkortaetal.,1998).Suivantleurmoded’attaque,laréactionpeutsefairesoitdemanièrealéatoire,soitàl’extrémitédelachaine,cequipermetdedistinguerlesendo-etlesexo-dépolymérases(Jayanietal.,2005).

les polygalacturonases (Pg). Les PG sont desenzymes pectolytiques qui catalysent l’hydrolysedes liaisons glycosidiques α-(1-4) des pectinesacides (acide polygalacturonique). Ces enzymessont spéciiques des substances pectiques non oupartiellement estériiées par du méthanol. Ellessont les plus étudiées parmi la famille des enzymespectolytiques. Les PG impliquées dans l’hydrolysedes substances pectiques sont des endo-PG (EC3.2.1.15)etdesexo-PG(EC3.2.1.67) (Jayanietal.,2005). Deux méthodes ont été développées pourdéterminerl’activitédesPGetdesPMG.Onappréciecetteactivitéenmesurant ladiminutiondeviscositéou l’augmentation du pouvoir réducteur du substrat(acide pectique ou pectine). La comparaison desmesuresdeviscositéetdepouvoirréducteuraucoursde la dépolymérisation des pectines et des acidespectiquespermetdefairelapartdesactivités«endo»et « exo ». Ainsi, avec une endo-PG, la viscositédiminue de moitié quand seulement 2 à 3% desliaisons glycosidiques sont rompues.Avec une exo-PG,lemêmeabaissementdelaviscositén’estobservéqu’après rupture de 20% des liaisons glycosidiques(Sakaietal.,1993;Jayanietal.,2005).

Les endo-PG sont produites par divers micro-organismestelsquedesbactéries,des levuresetdesmoisissures.Elles sont aussi présentes chez certainsvégétauxetsurtoutdanslesfruits.Engénéral,l’actiondes endo-PG libère des mono-, di- et tri-acidesgalacturoniquesparunmécanismed’attaquemultipleà chaine unique ou par un mécanisme d’attaque«multi-chaine»,danslequellesmono-,di-ettrimèress’accumulentseulementaprèshydrolysedesproduits

initiauxdedépolymérisation.Pour lespectinesHM,l’hydrolysen’alieuqu’auniveaudesrésidusd’acidegalacturoniques non méthylés. Toutefois, lorsque leDM augmente, la vitesse d’hydrolyse de l’enzymediminue(Sakaietal.,1993).Lesexo-PGsontmoinsfréquentes. Elles sont produites par des moisissureset quelques bactéries. On distingue deux types: lesexo-PG fongiques avec comme produit inal l’acidegalacturonique et les exo-PG bactériennes quiproduisentprincipalementl’acidedigalacturonique.

LesPGisoléesdesdifférentessourcesmicrobiennesdiffèrent nettement entre elles par leurs propriétésphysico-chimiquesetleurmoded’action(tableau 2).

Les lyases ou transéliminases. Les lyases dégradentla pectine, les oligomères et les polymères d’acidegalacturonique. Ce sont des enzymes qui rompentla liaison glycosidique C-O par un mécanisme deβ-élimination. Leur action dépolymérisante entrainela libérationd’uronides insaturésetd’oligomèresdepetitetaille.Laméthodelapluscommodepoursuivrel’activitédes lyasesest lamesurede l’augmentationde l’absorbance à 235nm due à la double liaisonproduite à l’extrémité non réductrice des composésinsaturés. De plus, les méthodes de déterminationdel’activitédesPGpeuventégalementêtreutiliséespourleslyases.Leslyasessontclasséesendifférentstypessurbasedeleurmoded’actionetenfonctiondusubstratsurlequelellesagissent(tableau 3).

Comme pour les PG, selon que la réactionenzymatiquese faitauhasardouà l’extrémitéde lachaine,ondistingue lesendo-et lesexo-lyases.Lesréactionscatalyséesparleslyasessontillustréesàlaigure 4.

LesPGLsontproduitesparplusieursbactériesetquelquesmoisissurespathogènes,aveclesendo-PGLplus abondantes que les exo-PGL. Les PMGL sontproduitesparAspergillus japonicus,Penicillium paxillietPichia pinus.Laplupartdes lyasessontd’originemicrobienne. Les lyases bactériennes constituent leplusgrandgrouped’enzymespectolytiques.LesPGLsontactivéesparlesionsCa²+et,danscertainscas,pard’autresionsdivalentstelsqueMg²+,Co²+etSr²+.Ellessont,parcontre,inhibéesparl’agentchélateurEDTA.LesPMGLsontparcontreactivesenl’absenced’ionsCa²+,maislaprésencedeCa²+oucelled’autrescationslesstimule.LesPMGLsontlesseulesdépolymérasescapables de dégrader les pectines HM sans actionpréalabled’autresenzymes(Jayanietal.,2005).

4.2. autres enzymes intervenant dans la dégradation des substances pectiquesL’améliorationdesconnaissances sur lesdifférencesstructurales entre la chaine principale des régions«lisses» et «hérissées» de la pectine a permis de

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découvrir de nouvelles enzymes impliquées dansla dégradation des chaines latérales des substancespectiques(DeVriesetal.,2001).Cesenzymespuriiéesontégalementacquisuneimportanceentantqu’outilsanalytiquesdans lesétudesstructuralesen raisondeleur grande spéciicité. Une série d’enzymes, touteshautementspéciiquespour la région«hérissée»dela pectine, a été puriiée et caractérisée. Parmi cesenzymes,ilyalieudeciterlesrhamnogalacturonases,les arabinanases et les galactanases (Mutter et al.,1998).

rhamnogalacturonases. La rhamnogalacturonaseisoléeàpartird’Aspergillusaculeatusestspéciiquedusquelette rhamnogalacturonique au niveau de départdes zones «hérissées» où il existe une alternanced’unités rhamnoses et galacturoniques. Deux endo-rhamnogalacturonases (RhgA, RGase A) et deuxexo-rhamnogalacturonases (RG-rhamnohydrolase,RG-galacturonohydrolase) ont été isolées chez cettemoisissure.Cesenzymessontfreinéesdansleuractionpar la présence de groupements acétyles (De Vriesetal.,2001).

tableau 2. Propriétés biochimiques et physico-chimiques de quelques polygalacturonases (PG) — Biochemical and physicochemical properties of some polygalacturonases(PG)(DeVriesetal.,2001;Jayanietal.,2005).source Pg nature Masse

moléculaire (Kda)pI activité spéciique

(U.mg-1)top (°C) pHop

Aspergillus japonicus EndoPGI 38 5,6 - 30 4,0-5,5EndoPGII 65 3,3 - 30 4,0-5,5

Aspergillus oryzae EndoPGA 41 - - 45 5,0Thermococcus aurantiacus Endo 35 5,9 5890 55 5,0Aspergillus niger EndoPGI 61 - 982 43 3,8-4,3

EndoPGII 38 - 3750 45 3,0-4,6Bacillus sp.KSM-P410 Exo 45 5,8 54 60 7,0Penicillium frequentans Exo 63 - 2571 50 5,0Aspergillus awamori Endo 41 6,1 487 40 5,0Aspergillus alliaceus ExoPG1 40 5,7 - 45-50 3,5Bacillus licheniformis Exo 38 - 209 69 11,0Aspergillus alliaceus EndoPG 40 5,9 - 35 5,5Sclerotinia borealis Endo 40 7,5 2088 40-50 5,0Aspergillus niger ExoPGI 66 5,6 - 60 3,8

ExoPGII 63 5,8 209 60 4,5Saccharomyces cerevisiae Endo 39 - 2870 45 5,5

tableau 3.Classiicationdeslyases—Lyases classiication(Jayanietal.,2005).enzyme numéro

ecMécanisme d’action

Modèled’action

Premier substrat

Produits

Endopolygalacturonaselyase

4.2.2.2 Trans-élimination Aléatoire Acidepectique Oligogalacturonatesinsaturés

Exopolygalacturonaselyase

4.2.2.9 Trans-élimination Avant-dernièreliaison

Acidepectique Digalacturonatesinsaturés

Endopolymethyl-D-galactosiduronatelyase

4.2.2.10 Trans-élimination Aléatoire Polyméthyl-D-digalacturonatesinsaturés

Méthyloligogalacturonatesinsaturés

Exopolyméthyl-D-galactosiduronatelyase

Trans-élimination Dernièreliaison

Polyméthyl-D-digalacturonatesinsaturés

Méthylmonogalacturonatesinsaturés

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Lesoligosaccharidespectiquesetleursapplications 161

Les produits libérés par cette enzyme sont desoligomères linéaires composés d’une alternance derhamnose et d’acide galacturonique (4 à 6résidus)avecdesrésidusgalactosesconnectésàcertainsouàtouslesrésidusrhamnose(Scholsetal.,1995).

arabinanases. Les arabinanases sont des enzymescapables d’hydrolyser les arabinanes, mais aussiles chaines latérales d’arabinose présentes dans lesarabinoxylanesetlesarabinogalactanes.

Dans la nature, différents micro-organismessecrètent des endo-arabinanases (EC 3.2.1.99) etdes arabinofuranosidases (EC 3.2.1.55) pour ladégradationdespolysaccharidescontenantl’arabinose.Cependant,laplupartdespréparationsenzymatiquescommerciales contenant des activités arabinanasessont obtenues à partir de moisissures, comme parexempleAspergillus niger.Cettemoisissuresecrètedeux arabinofuranosidases (AbfA et AbfB) et uneendo-arabinanase. L’arabinofuranosidase de typeAagit seulement sur les petites chaines de résidusarabinoseliéspardesliaisonsα-(1-5),tandisqueletypeBhydrolyselesliaisonsα-(1-5),α-(1-3)etα-(1-2)desrésidusarabinoses.Àladifférencedecertainesarabinofuranosidases, l’arabinofuranohydrolased’Aspergillus awamori est incapable de libérerl’arabinosedelapectine,maisestfortementspéciiquedesrésidusd’arabinoseliésauxylane(Gielkensetal.,1999). L’endo-arabinanase agit au hasard sur lesliaisonsα-(1-5)despolysaccharidesd’arabinanequisontprésentsdansleschaineslatéralesdelapectine.Cette enzyme augmente fortement l’eficacité dela dégradation des arabinanes et inluence l’actiondes arabinofuranosidases. Jusqu’ici, seulement uneexoarabinanase a été puriiée d’Aspergillus. Cetteenzyme libère principalement de l’arabinobiose etpeud’arabinotriose(DeVriesetal.,2001).

galactanase.Lesgalactanasessontimpliquéesdansla dégradation des polysaccharides des plantes engénéral et des pectines en particulier. Deux typesde chaines arabinogalactanes sont présents dans lapectine. Le typeI se compose d’unités galactoseliées par des liaisons β-(1-4), alors que le typeIIcontient des résidus galactose liés par des liaisonsβ-(1-3)quipeuventêtresubstituésavecdesrésidusgalactose en β-(1-6). De plus, les deux typesd’arabinogalactanespeuventêtresubstituésavecunechaine d’arabinofuranose en α-(1-3). Parallèlementaux deux types d’arabinogalactanes, il existe deuxtypes de galactanases: les endo-β-1,4-galactanasesetlesexo-β-1,3-galactanases.Ladifférenceentrecesenzymes réside dans leur capacité à hydrolyser lesliaisonsβ-(1-3),β-(1-4)ouβ-(1-6)entrelesrésidusde galactose. Les endo-β-1,4-galactanases sontactivessurlesgalactanesetlesarabinogalactanesde

typeI, libérant ainsi des galacto-oligosaccharides.Les endo-β-1,4-galactanases bactériennes libèrentprincipalementdugalactotrioseetdugalactotétraose,bienquecertaineslibèrentaussidugalactobiose(DeVriesetal.,2002).Lesexo-β-1,3-galactanases sontactivessur lesarabinogalactanesde typeIIoùelleshydrolysent spéciiquement les liaisonsβ-(1-3) (DeVriesetal.,2001).

5. aPPlIcatIons PotentIelles des FragMents PectIques

Différents oligosaccharides non digestibles (NDO)sontproduitsetutilisésdans lemondeaujourd’hui,dontbiensûrlesfructooligosaccharides(FOS).Leurseffetsprébiotiques sont souventmis en évidenceetde là, certains effets favorables pour la santé. LesPOS présentent un potentiel de développement denouveaux prébiotiques sur le marché européen.Cependant, à côté de leurs effets fonctionnels, ilssontaussiconnuspourprésenterd’autrespropriétésbiologiques intéressantes, pour les végétauxnotamment.Delà,leurouverturedanslaformulationde nouveaux produits phytopharmaceutiques plusrespectueuxdel’environnement.

5.1. effet prébiotique des fragments pectiques

L’une des caractéristiques les plus importantesdes POS comme ingrédients alimentaires est leurcapacitéàstimuler lacroissancedesbiidobactériesintestinales. Par exemple, l’utilisation des POScommesourcedecarboneentraineuneaugmentationdu nombre de biidobactéries, de Lactobacillus etd’Eubacterium rectale (Olano-Martin et al., 2002;Manderson et al., 2005). Les oligosaccharidesde faible poids moléculaire (2-4résidus) sontbiidogènes, toutefois ils ne sont pas aussi sélectifsque les FOS (Rastall et al., 2002). De plus, leDM joue un rôle important dans les propriétés defermentationdesfragmentspectiques.Ilaétémontréque lesPOS faiblementméthylés sontdemeilleurssubstrats pour la croissance des bactéries que ceuxhautementméthylés(Dongowskietal.,2002;Olano-Martin et al., 2002). Les perspectives d’utilisationdes hydrolysats de pectine dans les préparationspour nourrissons ont montré que ces derniersétaientbientolérésetprésentaientdeschangementsbénéiques pour la microlore intestinale commel’abaissement du pH fécal (Fanaro et al., 2005).Ainsi, les oligosaccharides pectiques peuvent êtreintéressants pour imiter les effets bénéiques desoligosaccharidesdulaithumainencombinaisonavecd’autresprébiotiques.

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5.2. utilisation des fragments pectiques dans le domaine de la santé

Ungrandnombred’étudesin vivoetin vitroaétémenésur l’effet desNDO. Bien que certains des effets nesoient pas clairement démontrés, certaines donnéesindiquent des effets cliniquement signiicatifs quijustiient l’ensemble des travaux actuels (Swennenet al., 2006). Par exemple, les NDO sont connuspouravoirdeseffetssurlemétabolismebactérien, lacroissancedesbactériesdanslecolon,ladiminutiondurisquedecancer,lamodulationdusystèmeimmunitaire,la diminution du cholestérol (Mussatto et al., 2007;Qiang et al., 2009). Les fragments pectiques fontpartiedesNDOetpeuventprésenterdeseffetssanté.Ainsi, il a été rapporté que les fragments pectiquespouvaientinhiberl’adhésiondesbactériesauxcellulesépithéliales et ainsi être utilisés comme des agentsthérapeutiques.Parexemple,l’acidedigalacturoniqueempêchel’adhésiond’Escherichiacolisurlescellulesuroépithélialesin vitro(Hotchkissetal.,2003).Olano-Martinetal.(2003)ontmontréquelesPOSexerçaientun rôle protecteur en inhibant les shiga-toxinessécrétéesparEscherichia coliO157:H7.Parailleurs,certainseffetsanti-cancérigènesontétérapportés.Lespectineset lesPOSsontcapablesd’induireunemortparapoptosedescellulesd’adénocarcinomeHT-29ducolon(Olano-Martinetal.,2003).Desessaisréaliséssur des lignées de cellules myéloïdes (Chauhanet al., 2005) et sur des cellules cancéreuses de laprostate (Jacksonetal.,2007)ontmontré lesmêmeseffets.Enoutre,certainsdérivésdelapectineontétéutiliséspour lapréparationdevaccins,maisaussientant que vecteurs dans l’administration de produitspharmaceutiques(Souto-Maioretal.,2010).

5.3. application des fragments pectiques dans le domaine agricoleDansledomaineagricole,lesPOSpeuventinduiredesréponsesbiologiqueschezcertainesplantes(moléculesélicitrices). Les oligogalacturonides (OGA) sontimpliquésdanslesréactionsdedéfense,lacroissanceet le développement des végétaux (Messiaen et al.,1994; Baldan et al., 2003).Ainsi, les essais réaliséssur des pousses de célosie (Celosia argentea L.) parSuzuki et al. (2002) ont montré que leur croissanceétaitamélioréeenprésenced’acidepolygalacturoniquedeDP8.DesOGAdeDP supérieur àhuit stimulentla croissance des cellules de carotte en suspension(Daucus carota),maisaussilacroissancedeplantsdetomate(Lycopersicum esculentum)(VanCutsemetal.,2008).

Il a été également rapporté que les OGA sontcapables d’induire la loraison sur des explants detabac. Ils stimulent aussi la différenciation cellulaire

du péricycle et favorisent la maturation des tomateset d’autres fruits. Les OGA inhibent cependantl’élongation de la tige du pois (Marfa et al., 1991;Dumville et al., 2000; Ridley et al., 2001; Baldanetal.,2003).LaplupartdesréponsesbiologiquessontobtenuesavecdesOGAdeDPvariantde10à16,dontleplusactifestdel’ordrede12(Messiaenetal.,1994;Ridley et al., 2001; Baldan et al., 2003). Plusieurstravaux indiquentcependantque lesOGAautresqueceuxdeDP10à16peuventêtrebiologiquementactifs.Parexemple,lesOGAdeDP2provoquentl’inhibitiondesprotéasesdans lesplantsde tomate.Deplus, lesDP2 et 3 insaturés à l’extrémité non réductrice sontactifs.LesOGAdeDP2à6induisentlabiosynthèsedel’éthylènedanslesplantsdetomate,lepentasaccharide(DP5)étantleplusactif.Aucoursdelamaturationdela tomate, le triacidegalacturonique (DP3) inhibe laproductionde l’endopolygalacturonase (Ridleyetal.,2001).

6. conclusIon

Utiliséesdepuis longtempscommeagentsde texture,géliiants,stabilisantsetépaississants,lespectinessontunesourced’ingrédientspourdesalimentssanté.Lesprogrès réalisés dans la connaissance des enzymesde clivage des pectines ont mené au développementd’oligosaccharides non digestibles: les fragmentspectiques(oligosaccharidesacidesdérivésdepectines).

Ces biopolymères émergents trouvent desapplications dans des domaines divers, alimentairesou non alimentaires. Leurs principales applicationscomprennent la fonction élicitrice des plantes, laprotection contre le cancer du colon, la stimulationdelacroissancedebactériesbénéiquesdanslecolon(prébiotiques),l’inhibitiondel’adhésiondesbactériesauxcellulesépithéliales,maisaussil’inductiond’unemort par apoptose des cellules d’adénocarcinome ducolon. Pour exploiter les fragments pectiques, il estnécessaire d’obtenir des molécules pures en grandequantité. Des stratégies sont continuellement encoursaindedévelopperdesméthodesdeproductioncompétitivessurlemarché.

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