Impact de la fermentation lactique sur la composition des protéines de pois et leur profil aromatique dans une méthode modifiée d'extraction par précipitation isoélectrique

Impact of lactic fermentation on pea protein composition and their aromatic profile in a modified isoelectric precipitation extraction method

• Auteur / Autrice : Mehrsa Emkani
• Direction : Rémi Saurel, Bonastre Oliete
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies agro-alimentaires
• Date : Soutenance le 10/07/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-2024)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés Alimentaires et Microbiologiques (PAM) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Loïc Briand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Kapel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Souchon, Adem Gharsallaoui, Claire Berton-Carabin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fermentation lactique

Industries agroalimentaires

Fermentation

Lactobacillales

Pois (légumes)

Mots clés libres

Protéine de pois

Composés volatils

Protéolyse

Bactéries lactiques

Fermentation

Extraction

Pea protein

Volatile compounds

Proteolysis

Lactic acid bacteria

Fermentation

Extraction

Résumé

Malgré sa popularité, la consommation de protéines de pois reste limitée dans l'industrie agroalimentaire en raison de ses propriétés fonctionnelles imparfaites, de sa faible solubilité et de son profil sensoriel mal accepté. Cependant, ces propriétés peuvent être modifiées par différents procédés tels que l'extraction. Face à cette situation, c’est nécessaire de modifier et/ou d'hybrider les méthodes conventionnelles afin de développer des méthodes innovantes, rentables et écologiques pour la production de protéines végétales tout en respectant la pureté et la qualité des protéines. L'objectif de cette étude était d'explorer une alternative à la méthode d’extraction conventionnelle de solubilisation alcaline/précipitation isoélectrique dans laquelle la diminution du pH était obtenue par la fermentation lactique au lieu de l'ajout d'acide minéral. Pour étudier la faisabilité de la méthode, différentes souches commerciales (Streptococcus thermophilus (S), Streptococcus thermophilus et Lactobacillus acidophilus (SL), Streptococcus thermophilus, Lactobacillus acidophilus et Bifidobacterium lactis (SLB)) ont été ajoutées à des extraits de protéines obtenus à partir de farine de pois commerciale. L'acidification naturelle jusqu'à un pH de 4,8 a conduit à la précipitation des globulines qui ont été séparées de la fraction soluble (albumines). Les résultats ont montré une teneur plus élevée en protéines pour la fraction d'albumine obtenue par fermentation par rapport à la méthode conventionnelle. La fraction albumine est généralement éliminée par l'industrie en raison de la présence de composés antinutritionnels. La deuxième question était donc d'étudier l'effet de l'extraction assistée par fermentation sur le profil protéique et les propriétés nutritionnelles de la fraction d'albumine.Différentes bactéries lactiques (Streptococcus thermophilus (ST), Lactipluntibacillus plantarum (LP)) et leur co-culture ont été sélectionnées pour leur activité protéolytique et leur contribution aux propriétés organoleptiques des protéines de légumineuses. Les résultats soutiennent l'idée que la fermentation peut améliorer la qualité nutritionnelle de la fraction d'albumine (diminution des phytates, des inhibiteurs de trypsine, de la teneur en α-galactosides et l’amélioration de l'activité antoxydante) sans altérer le profil protéique de la fraction de globuline. Cependant, l'adaptation des propriétés de la fraction albumine dépend de la souche de bactéries lactiques. Par exemple, le niveau le plus élevé de protéolyse et de production de peptides a été observé pour les bactéries en co-culture par rapport à la mono-culture. La troisième partie de l'étude a porté sur l'effet de la fermentation lactique sur le profil aromatique des fractions de protéines de pois. L'analyse des composés volatiles et des composés odorants actifs a montré que les échantillons obtenus par fermentation (en fonction des souches) étaient associés à des arômes plus agréables tels que fruités, floraux et lactiques, par rapport aux échantillons obtenus par acidification conventionnelle. Les résultats montrent que la solubilisation alcaline/précipitation isoélectrique assistée par fermentation est une méthode prometteuse pour la production de protéines de légumineuses avec une valeur nutritionnelle accrue et un profil aromatique amélioré. À l'avenir, il serait intéressant de déterminer les propriétés techno-fonctionnelles des protéines de pois obtenues par cette méthode, ainsi que le profil sensoriel des aliments contenant ces protéines comme ingrédients. L'application industrielle de cette méthode nécessite une optimisation plus poussée en termes de sélection des bactéries, de rentabilité et de mise à l'échelle.

Despite its popularity, pea protein consumption is still limited in industry due to its imperfect functional properties, low solubility and low accepted sensorial profile. However, these properties can be modified through different food processing methods such as extraction. Face with this situation, it has been highlighted the urge to modify and/or hybridize conventional methods in order to develop innovative, cost-effective, green methods for production of protein with respect to the purity and quality of the protein. The purpose of this study was to explore an alternative to the conventional alkaline solubilization/isoelectric precipitation method in which the decrease of pH was achieved by lactic acid fermentation instead of mineral acid addition. To study the feasibility of the method, different commercial starters (i.e. S. thermophilus (S), S. thermophilus and Lactobacillus acidophilus (SL), S. thermophilus, Lactobacillus acidophilus and Bifidobacterium lactis (SLB)) were added to protein extracts obtained from commercial pea flour and the natural acidification up to pH 4.8 led to the precipitation of globulins separated from the soluble fraction (albumins). The results showed a higher content of protein for albumin fraction obtained by fermentation compared to the conventional method. Albumin fraction is usually discarded in industry due to the presence of anti-nutritional compounds. Hence, the second question was to study the effect of the extraction assisted by fermentation on protein profile and nutritional properties of albumin fraction.Different lactic acid bacteria (Streptococcus thermophilus (ST), Lactipluntibacillus plantarum (LP)) and their co-culture were selected for their proteolytic activity and their contribution to organoleptic properties of legume protein. The results supported the idea that fermentation can improve the nutritional quality of albumin fraction (decrease of phytate, trypsin inhibitor, α-galactosides content and improve antoxidant activity) without impairing the protein profile of the globulin fraction. However, tailoring the properties of albumin fraction depended on the strain of lactic acid bacteria. For instance, the highest level of proteolysis and production of peptides was observed for the bacteria in co-culture compared to the mono-cultures. The third part of the study investigated the effect of lactic acid fermentation on aromatic profile of the pea protein fractions. The analysis of volatile compounds and odor active compounds evidenced that the samples obtained by fermentation (depending on the strains) were associated with more pleasant aroma such as fruity, floral and lactic, compared to the samples obtained by conventional acidification. The result represented that alkaline solubilization/isoelectric precipitation method assisted by fermentation is promising for production of legume protein with increased nutritional value, and improved aromatic profile. In the future, it would be interesting to determine the techno-functional properties of pea proteins obtained by this method, and the sensory profile of food including these proteins as ingredients. The industrial application of this method requires further optimization in terms of bacteria selection, cost-effectiveness and scale-up.