Compréhension et modélisation des mécanismes physico-chimiques impliqués lors de l'hydrolyse enzymatique de l'amidon natif

Understanding and modelling the physico chemical mechanisms involved during enzymatic hydrolysis of concentrated raw starch

• Auteur / Autrice : Georges Tawil
• Direction : Alain Buléon, Paul Colonna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Végétal-Environnement-Nutrition-Agro-Alimentaire-Mer (Angers)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyse hétérogène

Amylases

Amidon de maïs

Résumé

Cette étude porte sur la compréhension des mécanismes physico-chimiques impliqués dans l’hydrolyse enzymatique de l’amidon natif. Deux nouvelles α-amylases d’origine Rhizomucor sp. (RA) et Anoxybacillus flavothermus (AFA), optimisées respectivement pour la production de bioéthanol et de sirop de glucose à basse température, ont été étudiées. Leur mode d’action a été déterminé à partir des transformations structurales de l’amidon au cours de l’hydrolyse et des cinétiques d’hydrolyse propres aux deux enzymes. Les paramètres limitant l’hydrolyse totale ont aussi été déterminés. La très grande efficacité de RA et AFA pour l’hydrolyse de l’amidon concentré (31 %) a été mise en évidence. RA présente de plus une grande aptitude à hydrolyser préférentiellement les domaines cristallins et AFA des vitesses d’hydrolyses particulièrement élevées. Le taux d’hydrolyse final est dépendant de la concentration pour RA. L’action de AFA est limitée par la baisse rapide de son activité. Remarquablement RA ne libère que du glucose ce qui la rend très performante pour la fabrication de bioéthanol alors que AFA libère des oligomères de DP variable. La forte baisse de la structure cristalline native de type A au cours des premières étapes de l’hydrolyse s’accompagne d’une forte diminution de l’amylopectine. Dans le même temps les complexes amylose-lipides présents dans l’amidon sont résistant à l’hydrolyse. Dans les étapes finales d’hydrolyse, les fragments d’amylose libérés recristallisent en structures de type B qui provoquent l’arrêt de l’hydrolyse. Les mécanismes d’hydrolyse des différents niveaux de structure du grain sont discutés pour ces enzymes au comportement exceptionnel

The main purpose of this study was to elucidate the physico-chemical mechanisms involved in enzymatic hydrolysis of concentrated raw starch. Two new α-amylases from Rhizomucor sp. (RA) and Anoxybacillus flavothermus (AFA) optimized for bioethanol and low temperature glucose syrup production respectively, were studied in detail. Their mode of action was determined by monitoring the change in the starch structure during hydrolysis and also from the kinetics curves in different conditions. The limiting factors for incomplete hydrolysis were also determined. RA and AFA hydrolyze very efficiently concentrated suspensions of native starch (31%). RA has a remarkable ability to degrade preferentially the crystalline domains in maize starch, while AFA is characterized by a very high initial velocity. Final hydrolysis rate is dependent on starch concentration for RA, while the action of AFA is more limited by its rapid loss of activity. On contrary to AFA which releases a broad range of oligomers, RA yields only glucose. This behaviour makes it well suited to bioethanol production. The decrease of the native A-type crystalline structure observed during the first stages of hydrolysis is in agreement with the large decrease of the amylopectin fraction. At the same time, the amylose-lipid complex present in maize starch is more resistant to hydrolysis and hydrolyzed in further stages releasing amylose fragments. Then, these fragments rearrange into very resistant Btype structure which prevent from a complete hydrolysis. The mechanisms involved in the hydrolysis of the different levels of structure present in the starch granule are discussed for these two original enzymes