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Revue de génie industriel 2009, 3
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Revue de
Génie Industriel
ISSN 1313-8871
http://www.revue-genie-industriel.info
Editorial
Objectifs visant l’assurance de la qualité des produits
agroalimentaires
Rodica Sturza
Université Technique de Moldova
Tous les types de société humaine peuvent être caractérisés par leur alimentation,
souvent déterminée par les conditions climatiques, géographiques ou géologiques, par la
disponibilité ou non des ressources, par leur type et leur quantité. Au cours du siècle
dernier l’évolution de l’alimentation a connu de profondes mutations. L’alimentation est
incontestablement plus variée, plus diversifiée qu’autrefois. Cette diversité, accessible à
une part de plus en plus grande de la population, est beaucoup plus favorable à la santé
que la monotonie alimentaire.
La qualité d’un produit est considérée depuis longtemps comme un argument de vente
aussi important que le prix. De plus en plus, les entreprises mettent l’accent sur la
qualité supérieure des produits qu’elles commercialisent, que ce soit au plan du contrôle
de la qualité, de l’implantation des systèmes de qualité en ce qui concerne la fabrication
et la distribution, ou encore de la qualité des caractéristiques des produits et emballages
offerts aux consommateurs. Ce dernier point est évidemment d’une importance
primordiale, puisque c’est ce qui fera que le consommateur va apprécier ou non le
produit offert.
Le consommateur dispose aujourd’hui d’un large choix de denrées, mais les superbes
emballages sous lesquels ils se présentent ne sont malheureusement pas toujours un
signe de qualité. L’acheteur se retrouve souvent en possession de produits falsifiés.
C’est pour ça que les consommateurs marquent un vif intérêt non seulement pour la
sécurité alimentaire, mais aussi pour l'origine et les méthodes de production des
denrées.
Les systèmes de certification de la qualité des aliments devraient offrir aux
consommateurs des informations et une garantie quant à l'authenticité des ingrédients
et des modes de production locaux [1]. Il importe d'appliquer et d'exploiter ces systèmes
en les accompagnant de contrôles renforcés et de systèmes de traçabilité [2]. Il est
nécessaire d'assurer une plus grande homogénéité dans la typologie des organismes et
des procédures de contrôle et de certification des produits écologiques, afin d'instaurer
un climat de sécurité et de confiance pour les consommateurs, pour l'agriculture
écologique qui garantirait les mêmes critères de production, de contrôle et de
certification au niveau communautaire et contribuerait à résoudre les problèmes et à
promouvoir plus avant le marché des produits écologiques. L'apparition de produits non
biologiques portant des indications suggérant qu'il s'agit de produits de l'agriculture
biologique peut compromettre le développement du marché des produits biologiques.
Il s’avère nécessaire de mettre en place une nouvelle méthodologie de surveillance,
basée sur l’analyse des contaminants dans la matière première, qui présente le plus haut
niveau de contamination, car les traitements technologiques ultérieurs conduisent,
normalement, à la diminution du taux de contamination.
La contamination des aliments par des substances chimiques est un grave problème de
santé publique dans tout le monde [3]. L’utilisation de divers produits chimiques tels
qu’additifs alimentaires, pesticides, médicaments vétérinaires et autres produits utilisés
1
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en agrochimie peut comporter des risques si ces produits n’est pas bien réglementé ou
s’ils sont mal utilisés. Un certain nombre de substances chimiques peuvent être
présentes dans les aliments à la suite d’une contamination de l’environnement. Leurs
effets sur la santé peuvent être extrêmement graves et l’on s’en est beaucoup inquiété
ces dernières années. De graves conséquences ont été signalées á la suite de la
consommation d’aliments contaminés par des métaux toxiques comme le plomb et le
cadmium. Pour le plomb, l’être humaine est en fait exposé á la fois par l’air, l’eau, le sol
et les aliments.
Les associations du Pesticides Action Network Europe (PAN-Europe), viens de publier
les résultats d’une campagne d’analyses réalisée sur des vins d’Europe et du monde
entier et dénoncent la contamination généralisée de ces vins par des résidus de
pesticides [4]. On a constaté que 100% des vins conventionnels testes contamines. En
effet chaque échantillon teste contient en moyenne plus de 4 résidus de pesticides
différents : les plus contamines d’entre eux contenant jusque 10 pesticides. Le niveau de
contamination était 5800 fois plus élevé que pour l’eau potable.
Il est essentiel, dans l'intérêt de la protection de la santé publique, de diminuer les taux
des contaminants aux niveaux acceptables sur le plan toxicologique. Mais l’utilisation
des pesticides dans l’agriculture traditionnelle est incontournable, parce que au
contraire on ne pourrait pas protéger les plantes, ce que conduiraient à la diminution de
la récolte et à l’apparition des moisissures capables de générer en quantités importantes
des mycotoxines. En même temps, leur utilisation excessive ainsi que le rejet de
l’horaire d’application conduirait à l’accumulation des résidus des pesticides dans les
plantes et, respectivement, leur transfert dans l’aliment.
Conformément aux certains documents normatives pas tous les contaminants (comme
par exemple les éléments toxiques) sont réglementés, ce qui représente le risque le plus
connu pour les produits alimentaires. Ainsi, l’évolution des moyennes de protection de la
technologie de fabrication implique des nouveaux risques, qui actuellement ne sont pas
considérées dans la législation courante. Simultanément, ni les méthodes traditionnelles
d’analyse conformes aux documents normatives ne correspondent pas au niveau
technologique avancé dans le domaine de contrôle de la qualité.
La mise au point d’une méthodologie générale d’assurance de la qualité des aliments
doit inclure les suivantes :
l’adoption de produits et techniques de productions alimentaires, respectant les
meilleures pratiques, d’un bon rapport qualité-prix, scientifiquement irréprochables
et compatibles ;
l’harmonisation et l’équivalence de la réglementation et des systèmes de contrôle,
afin de traduire les valeurs communes ;
la nécessité de promouvoir les produits et les modes de culture biologiques, qui
fournissent des produits alimentaires de qualité supérieure et contribuent à la
protection de l'environnement ;
établir les limites maximales de détection des substances phytosanitaires interdites
sur les produits de l'agriculture biologique ;
les systèmes de certification de la qualité des aliments doivent garantir le respect
des prescriptions légales, à travers une surveillance étroite, ainsi que d'autres
éléments importants pour la sécurité des denrées alimentaires ; une garantie quant à
l'authenticité des ingrédients et des modes de production ;
établissement des points critiques concernant l’inoffensivité de la production
agricole lors de l’étape actuelle (résidus des pesticides, résidus des phtalates et
d’autres contaminants, mycotoxines, etc.) vis-à-vis des contaminants "classiques"
(métaux lourds, etc.) ;
mise au point des méthodes analytiques adéquates à la détermination du contenu de
ces contaminants.
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Cependant, ce fait est possible seulement par l’application des méthodes d’analyse
extrêmement dispendieux et spécifiques, comme GC/MS, HPLC, méthodes immunoenzymatiques et d’autres. C’est pour ça que l’implication des autorités, notamment sur
le plan financier, est très importante, en particulier afin de ne pas désavantager les
petits producteurs. Les scientifiques doivent contribuer, d’autre part, à promouvoir les
écotechnologies d’élevage des matières premières et de leur transformation, à diminuer
la tendance à l'uniformisation et à la réduction de la variété des produits
agroalimentaires et à assurer les modalités moins coûteuses de control de la qualité des
denrées alimentaires.
Références
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normes (2008/2220(INI)). Commission de l'agriculture et du développement rural du Parlement
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Etude Pan-Europe, Rapport final, 26 mars 2008.
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Revue de
Génie Industriel
ISSN 1313-8871
Proto-cooperation factors in yogurt starter cultures
Mihail Angelov 1,*, Georgi Kostov 2, Emilina Simova 3, Dora Beshkova 4, Petia KoprinkovaHristova 5
1
Departement of Biotechnology, University of Food Technology, 4002 Plovdiv, 26 Maritza blvd.,
Bulgaria
2
Department of Technology of wine and brewery, University of Food Technology, 4002 Plovdiv, 26
Maritza blvd., Bulgaria
3
Department of Technology of milk and dairy products, University of Food Technology, 4002
Plovdiv, 26 Maritza blvd., Bulgaria
4
Institute of Microbiology, Bulgarian Academy of Sciences, 1113 Sofia, 26 Acad. G. Bonchev str.,
Bulgaria
5
Institute of Control and System Research, Bulgarian Academy of Sciences, 1113 Sofia, 26 Acad.
G. Bonchev str., Bulgaria
* Auteur correspondant : e-mail : [email protected]
Revised and accepted : 20 April 2009/ Available online : 1 July 2009
Abstract
Yogurt is a simple ecosystem whose successful manufacture relies on interactions
between two thermophilic lactic acid bacteria, Streptococcus thermophilus and
Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus (Lb. bulgaricus). The interaction between
S. thermophilus and Lb. bulgaricus in a yogurt starter culture is described by the
ecological term proto-cooperation. Proto-cooperation is basis for creation of symbiotic
relation between the two species (S. thermophilus and Lb. bulgaricus) and combined
metabolism with positive effects on the fermented product. The symbiotic coexistence between selected strains S. thermophilus and Lb. bulgaricus determines
individuality and strongly typical nature of the Bulgarian yogurt. The aim of the
present works is to describe the main interaction factors between S. thermophilus and
Lb. bulgaricus, which lead to positive effects on the yogurt taste and aroma.
Resumé
Le yogourt est un écosystème simple dont la production repose sur la fabrication des
interactions entre deux bactéries lactiques thermophiles, Streptococcus thermophilus
et Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus (Lb. bulgaricus). L'interaction entre
S. thermophilus et Lb. bulgaricus dans un levain lactique est décrite par le terme
écologique de proto-coopération. La proto-coopération est la base pour la création de
la relation symbiotique entre les deux espèces (S. thermophilus et Lb. bulgaricus) et
un métabolisme combiné avec des effets positifs sur le produit fermenté. La coexistence de symbiose entre les souches sélectionnées de S. thermophilus et
Lb. bulgaricus détermine fortement l'individualité et le caractère typique de yogourt
bulgare. L'objectif du travail présenté est de décrire les facteurs principaux de
l'interaction entre S. thermophilus et Lb. bulgaricus, qui conduisent à des effets
positifs sur le goût et l'arôme de yogourt.
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Keywords : proto-cooperation, Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus,
symbiotic growth, proto-cooperation’ factors
Mot-cles : proto-coopération, Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus,
croissance symbiotique, facteurs de proto-coopération
Introduction
Fermented milks are very important group among functional foods. Although there is
not universal definition, a food could be considered as functional if it has positive effect
on the body functions, improves the health status of its consumers or decreases the risk
of diseases [1,2]. In the group of functional fermented milk yogurt are a major and the
most popular product of the unique microflora of safe health microorganisms with
specialized biological and biochemical properties [3].
Yogurt is defined as a fermented milk product, in which the fermentation is carried out
by the symbiosis only between S. thermophilus and Lb. bulgaricus, with lot of living
bacteria cells by the end of its storage [4]. Fermented milks called yogurt in different
countries contain also other lactic acid bacteria as Lb. casei, Lb. rhamnosus and other
species from genus Bififdobacterium [5].
The typical Bulgarian yogurt from some ecological mountain country regions is
fermented milk with remarkable feeding, organoleptic and health properties. It is
defined as fermented milk product obtained from the symbiotic Bulgarian starter
consisted with S. thermophilus and Lb. bulgaricus, obtained by original technology
-1
without additions, containing living bacteria cells no less than 108 g at the end of its
storage. Bulgarian yogurt has several important characteristics that distinguish it form
other fermented milks :
1) Its microflora comes from self-created natural associations between S. thermophilus
and Lb. bulgaricus–with stable symbiotic collaboration ;
2) The natural starters are source of milk bacteria with unique characteristics: they
produce bioactive substances with health benefits (bioactive peptides, bacteriocins,
exopolysaccharides, D(-) form of lactic acid.
Lactic acid bacteria (LAB) are fastidious micro-organisms and their growth is often
restricted in milk because of its paucity in essential nutriments. Thus the success of milk
fermentation relies most often upon the synergy between S. thermophilus and
Lb. bulgaricus. Because both bacteria are able to grow alone in milk, this indirect
positive interaction is called proto-cooperation. This positive relationship often has a
beneficial effect on bacterial growth and on the production of lactic acid and aroma
compounds. Some of the effectors of this association have been identified and result
from the metabolic activities of the two bacterial partners. Indeed, S. thermophilus
produces pyruvic acid, formic acid and CO2 which stimulate the growth of
Lb. bulgaricus. In turn, Lb. bulgaricus produces peptides and amino acids that stimulate
the growth of S. thermophilus, because S. thermophilus is only weakly proteolytic when
compared with Lactobacillus. On the other hand, although the effect of associating these
LAB species is often positive, it can also be neutral or detrimental depending on the
bacterial strains employed, the type of milk, the method used to heat the milk and the
temperature of milk fermentation.
A new direction in the worldwide scientific programs in the field of milk industry is
usage of the health protection abilities of the LAB. The fermented milks are the most
direct approach to influence of LAB on the human body. The yogurt and yogurt milks are
defined as “new health-care foods” of the 21st century. During the last years the
fermented milks science and technologies are developed rapidly. The restricted number
of probiotic bacteria strains, which are used in the milk industry must be increased with
LAB strains. These new strains have to produce new antimicrobial active substances and
to form new ecological bio-systems, which can produce fermented milks with
guaranteed safety, organoleptic features and health benefits [6].
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Creation of starter cultures for safe, qualitative and with high nutrition and
physiological value fermented milks is important factor for health status improving in
the chain food => health. Usage of active associations between biologically compatible
microorganisms selected and developed for efficient impact on the milk substances is
the major condition for technological processes development and high quality milk
products obtaining [3].
Starter LAB initiates metabolic and taste changes in the fermented milk products.
Microbial safety and stability in the milk industry could be improved using ecological
environment favouring growth and metabolism of the starter bacteria by control and
antagonism against pathogenic bacteria.
Investigation of the complex and insufficiently studied relationship between the starters
strains with biochemical characteristics that different from those used until now coccus
and lactobacillus is a scientific challenge, which is motivated by the increased speed of
fermented milks production and enhancing their quality. Starter cultures of LAB with
new biological and technological characteristics determined a new direction to the
effective milk to dairy products transformation processes, their improvement, control
and planned quality.
The structural and the organoleptic characteristics of the yogurt and the fermented
milks are very important factors for the selection of LAB strains and for the formation of
starter cultures. Using these factors can be created dairy products with different tastes
and nutritional profile. In this way can create a new group of fermented milk, which
have improved or new nutrition features [7].
On the basis of the information can be concluded that there are increased interest to the
fermented milks and their nutrition characteristics. An important trend in the
investigation of these products is the study of the characteristics of S. thermophilus and
Lb. Bulgaricus, as independent and associated cultures. The aim of this work is to
present the factors that affect the interaction between lactic acid bacteria in stater
culture yogurt. Considered are the main characteristics of both types of participation in
the formation of symbiotic culture of certain biological and nutritional characteristics.
Proto-cooperation
The complex and the specific properties of the Bulgarian yogurt are determined mainly
by the biological characteristics of the two species S. thermophilus and Lb. bulgaricus,
their ratio and the biochemical and microbial activities in their mutual development. The
difficulties in obtaining and maintaining of the starter culture arise from the differences
in generation time and optimal growth temperature for the two species [6,8-11]. The
interaction between S. thermophilus and Lb. bulgaricus in a yogurt starter culture is
described by the ecological term proto-cooperation [8,12,13]. The proto-cooperation is a
basis for a creation of (amino-acids and organic acids) lead to the specific product
aroma. It is symbiotic relationship between two species and mutual metabolism with
positive effects on the fermented product.
The symbiotic co-existence between selected strains S. thermophilus and Lb. bulgaricus
defines the individuality and the strongly typical nature of the Bulgarian yogurt. These
two microorganisms by their mutually growth change the milk compounds thus
obtaining a product with defined nutrition profile. They produced aroma substances that
in cooperation with other metabolites difficult to find strains such as S. thermophilus
and Lb. bulgaricus which to produce substances defining the original aroma and flavor
of the Bulgarian yogurt. Creation of long-term symbiotic association between
S. thermophilus and Lb. bulgaricus is difficult, time-consuming and often unrealizable
process [6,8-11].
Proto-cooperation between these two species LAB is the main important interaction that
determines the fermentation process and the product quality. The mutual fermentation
of the selected strains of S. thermophilus and Lb. bulgaricus with proven compatibility
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leads to a mutual benefit for the two thermophilic microorganisms. However, the
association between these two species is not obligatory and they can survive separately
too.
In the scientific literature the term “symbiotic relation” between S. thermophilus and
Lb. bulgaricus is used. The term in this case implies symbiosis not in biological meaning
but proto-cooperation. The positive effect of the proto-cooperation between the two
species is proven by the following characteristic of their mutual metabolism during their
cultivation in milk :
1) The two bacteria species coagulate separately the sterile milk at temperature
45°С for 6-10 h. The milk coagulate for 2.0-2.5 h when is used a mixed cultures of
the two species [14-25] ;
2) The milk coagulated with monocultures of S. thermophilus or Lb. bulgaricus is
with consistency, flavor and aroma different from those of the mixed culture
coagulated milk that is with thick consistency and well expressed lactic acid
flavor and aroma [22,23,26,27] ;
3) During the mutual fermentation of the two LAB species more volatile aroma
compounds (acetaldehyde, diacetyl and acetone) are produced [19,23,26,28,29] ;
4) In the case of mixed culture fermentation the both species show a higher acid
resistance [13,16,28-32] ;
5) In the case of separate cultivation Lb. bulgaricus and S. thermophilus loose faster
their typical morphological characteristics and degrade, while in associated
cultivation they keep longer these characteristics [7,19,22].
Factors of proto-cooperation
The relationship between the two species in the starter cultures is a symbiotic, which is
important for the lactic acid formation properties and also for the typical taste and
aroma of their product. Some authors considered that there is a symbiotic connection
between the species in the mixed culture. Other authors considered that this is just a
simple between the species. Regardless of conflicting data, we can say that there is a
certain symbiotic connection. This is determined by various factors which will be
described in this part of the article.
The common scheme of the mutual metabolism of Lb. bulgaricus and S. thermophilus in
the milk is shown at Figure 1 and commented in some papers [8,9,10]. In the present
paper we examine some of the fundamental interactions between the two species in the
starter culture.
The association between two microorganisms in the starter in which each one of them
produces substances favorable for the other is accepted as symbiotic [7]. Accounting for
the peculiarities of the mutually stimulated growth of both species some authors
consider that the term “symbiosis” must be replaced by the term “associative growth”
[7,33].
It is known that S. thermophilus goes faster trough lag-phase reducing the redox
potential and active acidity pH from 6.7 to 5.7. Thus S. thermophilus supports the
growth of Lb. bulgaricus mainly by producing lactic and formic acid [7,34,35].
S. thermophilus assimilates oxygen in the milk faster thus creating favorable conditions
for Lb. bulgaricus growth [7,35-39].
In [9,12,40,41] the contributions to this interaction of each culture are investigated and
are several basic elements of mutual growth stimulation between lactobacillus and
lactococcus are proven. According to some authors S. thermophilus produces big
quantity of carbon dioxide (СО2) that is not a product of lactose metabolism because
lactic acid bacteria form that kind are strictly homo-fermentative [10,41]. Production of
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СО2 is due to produced by S. thermophilus urease activity that breaks milk urea to СО2
and NH3 [42,43].
Figure 1. Scheme for proto-cooperation (according to Driessen).
In the literature is also included the theory that СО2 produced by S. thermophilus during
urea hydrolysis in the milk stimulates growth of Lb. bulgaricus in their cultivation
together [7-10,41,44,45].
S. thermophilus stimulates the growth of Lb. bulgaricus in several ways -a reduction of
the active acidity milk, change of the redox potential of the milk, the utilization of
dissolved oxygen in the milk and formation of CO2, as is shown in Figure 1,
S. thermophilus creates the necessary anaerobic conditions for Lb. bulgaricus growth.
The mutual growth of both types in the milk is determined by their metabolism. For
example, lactose is converted to glucose and galactose, which are used differently by the
two species the mixed culture. The streptococcus and the lactobacillus assimilated the
glucose and converted it to D(-) lactic acid. Unlike glucose, which is assimilated by the
both species, the galactose assimilation is significant different. It is taken up by S.
thermophilus, which by Leloir’ metabolic pathway, transform it to lactic acid and CO2.
Thereby ensure the anaerobic condition for lactobacillus growth.
It is known that some strains of S. thermophilus do not possess urease activity and can
not produce CO2, which is found and discussed in other publications of the authors [43,
46]. Therefore the Leloir’ metabolic pathway is a possible way to achieve the anaerobic
conditions, which is a good explanation of protocooperation in the absence of urease
activity.
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Lb. bulgaricus produces short peptides and amino-acids that stimulate the growth of
S. thermophilus [9,47]. The most important of these amino acids necessary for the
mutual growth of both strains are histidine, threonine, and valine [7]. The strains of
S.thermophilus often have low proteolytic activity because of lack of protease in the
bacterial wall. As a result their growth is restricted due to the lack of enough aminoacids and peptides needed by them in the milk. From the other hand Lb. bulgaricus has
protease in the cell walls, so it is able to produce amino-acids and small peptides from
the milk caseins. They can be used by S. thermophilus which has intracellular
peptidases [48]. This mutual growth of the two species leads to more efficient acid
formation [37], bigger final cells concentration [49] and increased specific growth speed
[9,10] in comparison to monocultures from both species.
The formation of the organoleptic profile of milk is due to the production of different
metabolites. The main ones which form the taste and aroma complex are acetate,
lactate, diacetyl and acetaldehyde. The streptococcus strains produce acetate, formate,
acetaldehyde and diacetyl from the pyruvate, while lactobacillus produced the diacetyl
and glycine by treonin. It was found that the best organoleptic profile of the milk
received at diacetyl/acetaldehyde in the ratio 1:1 to 1:5 [6].
Tamime makes a conclusion that production of stimulating factors from yogurt bacteria
in the starter takes place during milk coagulation phase. Lb. bulgaricus provides the
necessary nutrition substances (amino-acids) for S. thermophilus, and then the
thermophilic streptococcus produces formiate, which supports the growth of
lactobacillus [7].
Some investigations report observation of mutual stimulation in the milk, while in LAPTmedium (medium that contains yeast extract, peptone, triptone, Tween and different
carbon sources) it is observed stimulating impact of S. thermophilus on Lb. bulgaricus.
This result can be expected because the nitrogen sources in LAPT-medium are easy to
absorb and do not depend on proteolytic activity of Lb. bulgaricus. Thus the medium
favors only one side of “partnership” between the two microorganisms [49].
From the other hand in [44,50] it is reported for the lack of urease activity of some
strains S. thermophilus. The investigators suppose that there are other factors which
stimulate the mutual growth. The successful symbiotic growth needs compatible strains
in the couple. Otherwise the final proportion between streptococcus and lactobacillus
and the activity of each culture could be unfavorably influenced [51]. This leads to
diversion of the lactic acid fermentation to undesirable direction and to change in the
physical characteristics of the yogurt [52].
Some authors point out that the balance between lactobacillus and streptococcus is
determining for the yogurt’s taste [48]. In the case when streptococcus prevail the
yogurt taste is mild sour with fuller aroma of diacetyl and acetaldehyde while in the case
of lactobacillus domination it is sharp sour with good fermented milk aroma [48].
Conclusion
S. thermophilus stimulates the growth of Lb. bulgaricus, by creating the necessary
anaerobic conditions in the reactor. From other hand Lb. bulgaricus produce the
necessary for the S. thermophilus growth amino-acids and peptides. In spite of the lack
of urease activity of some S. thermophilus strains (it is not possible to produce CO2)
there is a symbiotic relationship in the starter cultures. The intensive acid and aroma
formation is observed in the starter cultures with a clear relationship between the
species, in comparison with the cultivation of the single cultures at optimal condition.
In conclusion the inclusion of S. thermophilus and Lb. bulgaricus in starter culture for
milk fermentation could be summarized as follows: milk acidification, texture and
viscosity development and production of taste and aroma substances. No matter of the
contradictive data from the two species mutual interaction investigations it can be
deducted presence of symbiotic relation (proto-cooperation) between them [7,19,31].
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The extent of this relation depends on biological characteristics of the given strains
during their cultivation together [53].
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge the financial support of the Bulgarian Science Fund
under the project TN 1509/05 “Control of Mixed Culture Fermentations in Biochemical
and Food Industries”.
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12
__________________________________________________________________________
Revue de
Génie Industriel
ISSN 1313-8871
Oxygen influence in the mutual metabolism of S. thermophilus and
Lb. bulgaricus in yogurt starter cultures
Mihail Angelov 1,*, Georgi Kostov 2, Emilina Simova 3, Dora Beshkova 4, Petia KoprinkovaHristova 5
1
Departement of Biotechnology, University of Food Technology, 4002 Plovdiv, 26 Maritza blvd.,
Bulgaria
2
Department of Technology of wine and brewery, University of Food Technology, 4002 Plovdiv, 26
Maritza blvd., Bulgaria
3
Department of Technology of milk and dairy products, University of Food Technology, 4002
Plovdiv, 26 Maritza blvd., Bulgaria
4
Institute of Microbiology, Bulgarian Academy of Sciences, 1113 Sofia, 26 Acad. G. Bonchev str.,
Bulgaria
5
Institute of Control and System Research, Bulgarian Academy of Sciences, 1113 Sofia, 26 Acad.
G. Bonchev str., Bulgaria
* Auteur correspondant : e-mail : [email protected]
Revised and accepted : 20 April 2009/ Available online : 1 July 2009
Abstract
Proto-cooperation is basis for creation of symbiotic relation between the two species
(S. thermophilus and Lb. bulgaricus) and combined metabolism with positive effects
on the fermented product. The purpose of this work is to be made brief overview of
the influence of CO2 on the symbiotic growth of the culture and to describe the impact
of dissolved oxygen on it. The experiments are carried out for the dissolved oxygen in
the range 5-90 % for the batch fermentation and 3-60 % for the continuous
fermentation process. A highly effective symbiotic starter culture for Bulgarian yogurt
consisting of S. thermophilus 13а and Lb. bulgaricus 2-11 with great extent of protocooperation between two species and good technological characteristics was used for
the investigation. It was proof that the oxygen tolerance of S. thermophilus 13а is the
main factor for symbiotic growth in the starter culture during the fermentation.
Resumé
La proto-coopération est la base pour la création de la relation symbiotique entre les
deux espèces (S. thermophilus et Lb. bulgaricus) et un métabolisme combiné avec des
effets positifs sur le produit fermenté. Le but de ce travail est d'être un bref aperçu de
l'influence du CO2 et de l’oxygène dissous sur la croissance de la culture symbiotique.
Les expériences sont réalisées pour l'oxygène dissous dans les limites de 5-90 % pour
la fermentation périodique et de 3-60 % pour les processus de la fermentation
continue. Un très efficace levain lactique symbiotique de yogourt bulgare composé de
S. thermophilus 13а et Lb. bulgaricus 2-11 avec une grande étendue de la protocoopération entre les deux espèces et de bonnes caractéristiques techniques, a été
utilisé pour l'enquête. Il est prouvé que la tolérance d’oxygène de S. thermophilus 13а
est le facteur principal de la croissance de la culture symbiotique au cours de la
fermentation.
13
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Keywords : proto-cooperation, Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus,
symbiotic growth, proto-cooperation’ factors, dissolved oxygen
Mot-clés : proto-coopération, Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus,
croissance symbiotique, facteurs de proto-coopération, oxygène dissous
Introduction
The improvement of the yogurt starter cultures is connected with the revealing of the
interactions between species S. thermophilus and Lb. bulgaricus described as mutual
growth support and benefits during their mixed cultivation [1]. The starter cultures for
fermented milks are obtained by cultivation of pH-controlled pure cultures of both
species and subsequent mixing or by mixed culture cultivation of the both species [2,3].
Milk starters are traditionally obtained in batch fermentation processes and the
accumulation of some final metabolite products could restrict the cell growth. The usage
of continuous systems could overcome this restriction [4,5]. This disadvantage could
also be overcome using stable symbiotic cultures with proven abilities for mutual growth
and metabolism support.
Continuous cultivation approach has undoubted advantages in comparison to batch one
in industrial starter production: it overcomes a number of difficulties related to growth
of mixed bacteria cultures, it assures higher productivity and possibility for process’
automatic control that is more economic, it creates conditions for standard starters
production with homogenous characteristics and biochemical activity [6,7].
It is interesting to mention that in Bulgaria is produced a kind of home-made fermented
sheep or goat milk called “brano” that keeps well and for a long period of time its
organoleptic characteristics [8-10]. A main part of “brano” milk technology is periodical
addition of fresh milk to the already obtained fermented milk product. This is a condition
for keeping a proper ration between streptococcus and lactobacillus forms as well as
their bigger activity [8]. This home technology could be considered as a first step
towards continuous yogurt production as a kind of fed-batch process in which although
in big time intervals is added and taken typical microflora. Moreover exactly this idea is
used to support and control the ratio between streptococcus and lactobacillus forms in
cow yogurt [8,11].
Continuous cultivation of yogurt bacteria as monocultures or mixed cultures was
performed for the first time by Whittier and Rogers [12]. They found out an important
dependence between active acidity (pH) of culture medium and the dilution rate the
nowadays is the basis of this method theory. The system for neutralization of the
obtained lactic acid with fresh milk is described first by Wilkowske and Fouts [6] and
was classified as рН-stat [13]. First and the most extensive research on the continuous
cultivation of Bulgarian yogurt starter cultures were carried out by Girginov in 1965.
Further similar investigations on the continuous pre-fermentation (fermentation for
starter culture production) of S. thermophilus and Lb. bulgaricus were carried out by
number of authors [11,14-19].
During 1964-1965 Girginov proposes a new technology for Bulgarian yogurt production
and its priority is acknowledged by number outstanding researchers [7,16,17,20].
Girginov’s technology has several important advantages: control of the continuous
process of milk fermentation, reduced production costs, higher coefficient of
regeneration (65-84 %), standardization of the product with high quality, possibility for
process automation and continuity of the technological operations [21]. During the
following years the interest to detail study of the continuous yogurt production
increases. Numerous investigation results considering different process aspects are
published [6,12,16,18,19,22-25].
Many authors expect high process effectiveness during cultivation together of
microorganisms with close growth rates [12,14-17,20]. But the stability of the initial
microbial population in continuous cultivation of yogurt starters depends not only on
14
__________________________________________________________________________
approximate equality of the two strains specific growth rates but also on their mutual
dependence in the process of growth [6,14].
An alternative of continuous cultivation is the technology with immobilized cells of milk
starters [26-28]. There are many examples in milk starters industry of advantages of
immobilized cell systems composed with lactic acid and probiotic bacteria. However
they still haven’t industrial applications due to different reasons [4,29].
The investigation of the of thermophilic species growth profiles in the yogurt starters, of
the metabolite interactions between them and of its influence on the direction and
activity of biochemical transformations is a main element in the starters improvement
and production intensification. It is need to know the influence of some factors in details
on the proto-cooperation for the intensification of batch and continuous prefermentation process. Driessen [6,14-19] made the conclusion, that the СО2 is an
irreplaceable element in the proto-cooperation between the species in the starter
culture. In spite of this Mohamed [11] observed that the starter not produced СО2.
The purpose of this work is to be made brief overview of the influence of CO2 on the
symbiotic growth of the culture and to describe the impact of dissolved oxygen on it. In
the work are presented original experimental results from a study of the influence of
dissolved oxygen on the batch and continuous pre-fermentation process. In literature
there have been no detailed studies of the effects of oxygen on the yogurt starter
culture, which makes the work relevant. A highly effective symbiotic starter culture for
Bulgarian yogurt consisting of S. thermophilus 13а and Lb. bulgaricus 2-11 with great
extent of proto-cooperation between two species and good technological characteristics
was used for the investigation [1,30-33].
Materials and methods
Microorganisms
Natural strains S. thermophilus 13а and Lb. bulgaricus 2-11 are isolated from homemade yogurts manufactured in Rodopite mountain region in Bulgaria. A new symbiotic
starter culture with high effectiveness, high degree of proto-cooperation between both
strains and high technological characteristics for production of original Bulgarian yogurt
is developed from S. thermophilus 13а and Lb. bulgaricus 2-11 [1,30-33]. Inoculants of
monocultures and of association are received in following way: cow whole-milk after
microbial and biochemical indexes control are sterilized at 121 °C for 15 minutes then
the milk is cooling till 43 °С and it is inoculated with 2 % of corresponding culture [1,3033].
Bioreactor and cultivation conditions
Batch fermentation
Batch cultivations of starter culture S. thermophilus 13а and Lb. bulgaricus 2-11 are
3
carried out in bioreactor MBR AG Ltd. (Switzerland) with geometric volume 2 dm and
control device IMCS–2000 [ 1,30-33]. In Figure 1, the laboratory bioreactor MBR AG Ltd
is shown. It is equipped with six-blade turbine stirrer and four repulse devises. There
are two orifices on the lid: one for feeding and the other for installing of heat
exchangers, sensors for temperature, pH and dissolved oxygen. The installation includes
sensors and mechanisms for monitoring and control of main physicochemical process
variables – pH, dissolved oxygen concentration and stirrer spеed. The feed (sterilized
and restored dry milk containing 12 % of dry material) and inoculates are inserted in the
apparatus using peristaltic pump that is marked with number 10 in Figure 1. Dissolved
oxygen concentration could be set using the oxygen control scheme that includes steamsterilized electrode type „Clark” Ingold. The control system is calibrated in distillate
water. The measurements are done in % of saturation. Parcel pressure of dissolved
carbon dioxide in the milk is measured by an extra outline of steam-sterilized
potenciometric СО2-electrode Ingold and СО2 amplifier 525, Ingold (Switzerland).
15
__________________________________________________________________________
Continuous fermentation
The experiments are carried out at constant dissolved oxygen concentration, which is
held up by the bioreactor control device. For the experiment purposes the 5 constant
dissolved oxygen concentration: 3 %, 15 %, 30 %, 45 %, and 60 % are taken. These
values are within the technological space for the starter cultures. Oxygen supply is
carried out by impulse aeration of the cultural medium and the aerator 19 (Figure 1).
The impulse aeration is carried out by three-way valve 18.
The system works in continuous pH-stat regime. The active acidity of cultural medium
рН=5.5 ± 0.1 is held up by neutralization with sterilized milk. The amount of
neutralization medium incoming in apparatus at different constant dissolved oxygen
concentrations defines the dilution rate in pH-stat regime. The dilution rate is
determined at the system outlet by measuring the output flow from the bioreactor. The
working volume of the apparatus was 1.5 l. The feed (sterilized and restored dry milk
containing 12 % of dry material) and inoculates are inserted in the apparatus using
peristaltic pump that is marked with number 10 in Figure 1.
Figure 1. Laboratory bioreactor MBR AG Ltd scheme.
1-apparatus with geometric volume 2 dm3 ; 2-four repulse devises; 3–thermo-strength Pt100 ; 4 heater ; 5-heat
exchanger for cold water ; 6–stirrer ; 7–pH electrode; 8–dissolved oxygen electrode ; 9–filter; 10–peristaltic pomp; 11–
flask with sterilized milk ; 12-motor ; 13-control links ; 14– control device ; 15-lid ; 16–membrane air-filters ; 17–
membrane air-pump ; 18– three-way valve ; 19–aerator.
The milk before fermentation is put in a thermostat at temperature 43 °С to be
coagulated. The coagulants are kept in refrigerator at 40 °С.
16
__________________________________________________________________________
During the fermentation, the following biochemical state variables are measured offline: concentration of lactic acid bacteria (CFU/ml), concentration of substrate lactose
-1
-1
-1
(g. l ) and the concentration of lactic acid (g. l ), dilution rate D, h .
Analytical methods
-3
o
Number of viable cells of milk-acid bacteria (CFU, (cm ) – IDF Standard 117B,
1977.
o
Milk-acid, lactose–enzymatic methods (UV test Boehringer Mannheim, GmbH
Biochemica).
Results and discussion
Influences of CO2 on the proto-cooperation between S.thermophilus 13a and Lb.bulgaricus 2-11
From the literature it is known that during urea hydrolysis in the milk by
S. thermophilus produced СО2, which is stimulated the development of Lb. bulgaricus
[6,11,14-19]. The claim that СО2 is the needed element of the proto-cooperation between
these two species is by now unexplained. There are no proofs that СО2 is included in the
metabolite mechanism of Lb. bulgaricus. So the following question arises: what is the
stimulating factor for Lb. bulgaricus if its partner in cultivation has not high urease
activity?
In order to establish the СО2 role in the interactions between S. thermophilus 13а and
Lb. bulgaricus 2-11 we performed a set of experiments on the lactic acid fermentation in
different systems. It was proven that during a batch or continuous process the produced
by S. thermophilus 13а СО2, concentration is incomparably low with respect to that in
the fresh milk [1,30-33].
During separate growth of the two strains of the starter we observed the following
peculiarities :
1) During the mono-cultivation cultivation of Lb. bulgaricus 2-11 the measured СО2
concentration in the medium was comparable with that in the row milk. This
proofs once again established fact that Lb. bulgaricus doesn’t produce СО2 from
urea in the milk and doesn’t include СО2 in its self-dependant metabolism [6,1418] ;
2) During the mono-cultivation of S. thermophilus 13а it was established
exponential growth of СО2 concentration to level sufficient according to some
authors for initial proto-cooperation and stimulation of Lb. bulgaricus 2-11 [1,3033] ;
3) In the starter culture the СО2 concentration follows the trend as in monoculture
of S. thermophilus 13а.
The fact that Lb. bulgaricus 2-11 doesn’t need СО2 for its metabolism shows that the
high positive interaction between these two species could not be explained with the
stimulating activity of СО2 that characterizes the urease activity of S. thermophilus 13а.
Thus results allow us to make the important conclusion that СО2 is not that
irreplaceable element of proto-cooperation between S. thermophilus 13а and
Lb. bulgaricus 2-11 as it is claimed in other investigations [6,14-18]. Lb. bulgaricus 2-11
doesn’t need carbon dioxide for its metabolism and СО2 doesn’t take part in the protocooperation between S. thermophilus 13а and Lb. bulgaricus 2-11.
Influences of dissolved oxygen on the proto-cooperation
The results show that CO2 is not an indispensable factor in the proto-cooperation
between the two species. Although the proposed pair produced some quantities of CO2,
it is not a determining factor for the proto-cooperation. Detail investigation of the
17
__________________________________________________________________________
specific role of dissolved oxygen in the milk in metabolism of the thermophilic
streptococcus and lactobacillus is accomplished [1,30-33]. Batch and continuous prefermentations of individual cultures of S. thermophilus 13а and Lb. bulgaricus 2-11 as
well as of starter culture S. thermophilus 13а and Lb. bulgaricus 2-11 are carried out
with different oxygen concentrations in the milk. The conclusion is that S. thermophilus
13а and Lb. bulgaricus 2-11 are micro-aerophilic but this fact doesn’t explain and
predict the couple behaviour at different oxygen concentrations in the milk.
a)
b)
Figure 2. Influence of the initial dissolved oxygen concentration in the milk on the ratio S. thermophilus
13a/L. bulgaricus 2-11 (а) at the moment of initial milk coagulation; (b) at the moment of full milk
coagulation.
The comparative characteristics showed that batch lactic acid fermentation do not
depend on the size of the disturbance and there are no negative effects on the
development of thermophilic streptococcus and lactobacillus in the case of initial oxygen
18
__________________________________________________________________________
concentration in the milk in the range of 5-30 % [1,30-33]. The mixed culture kinetics
has extreme between 1.5 and 2 h (Figure 2 and Figure 3).
a)
b)
Figure 3. Influence of the initial dissolved oxygen concentration in the milk on the milk fermentation duration
(а) and time of milk coagulation (b).
ini
The effect of рО2 = 40 % is more significant on Lb. bulgaricus 2-11 (and hence on the
starter) and its concentration decreases at the end of the mentioned interval 3 times. It
is observed considerable decrease of lactobacillus concentration without difference in
the trend of lactic acid fermentation. The desirable ration between S. thermophilus 13а
ini
and Lb. bulgaricus 2-11 (3:1) is achieved in рО2
< 40 % (Figure 2). In the same
interval is obtained maximum technologically acceptable ratio between two species
[1,30-33].
ini
= 60÷90 % on lactic acid
Considerably more significant is the influence of рО2
fermentation and on the two species condition: delayed start of Lb. bulgaricus 2-11
19
__________________________________________________________________________
growth. The reason for this is the needed of S. thermophilus 13а longer time for
absorption of higher oxygen concentration and creation of needed anaerobe conditions
for Lb. bulgaricus 2-11. This results in slowing down the Lb. bulgaricus 2-11 growth and
increasing of milk coagulation time. Increasing of oxygen initial concentration in the
milk from 5 % to 90 % leads to proportional to it decrease of the specific growth rates of
S. thermophilus 13а and Lb. bulgaricus 2-11, the specific lactose consumption and lactic
ini
acid production rates. According to the data from this investigation two zones of рО2
in the milk are defined – below and above 40 % of saturation. In each one of them the
associated starter couple lactic acid bacteria has different behaviour.
The continuous cultivation in рН-stat regime of the association S. thermophilus 13а and
Lb. bulgaricus 2-11 is investigated in different initial ratio between two species in the
inoculums (S:L = 3:1 and 1:1). The state variables kinetics in its batch phase depends
completely from this ratio. In the case of ratio 3:1, i.e. bigger relative share of
streptococcus, the process kinetics is similar to that in the monoculture of S.
thermophilus
13а.
Increasing
of
the
relative
share
of
S. thermophilus
13 a / Lb. bulgaricus 2-11 = 1:1 leads to parameters changes related to the weaker start
position of Lb. bulgaricus 2-11 [1,30-33]. When streptococcus dominate over
lactobacillus in the inoculums periodic phase of the lactic acid fermentation goes faster
-1
and reaches pre-fermentation continuous process parameters (рН=5.5, D=2.3 h )
(Figure 3) and anaerobic conditions proper for growth of Lb. bulgaricus earlier. The
streptococcus is leader in that phase of milk fermentation: their number increase
intensively and by the end of the phase they prevail over lactobacillus. With active
oxygen concentration decrease by S. thermophilus 13а the necessary anaerobe medium
for active growth of Lb. bulgaricus 2-11 is created. Production of СО2 by S. thermophilus
13а keeps on during the continuous fermentation in mono or mixed culture with
different species ration. The results of our investigation proof that produced by
S. thermophilus 13а СО2 is not a factor of proto-cooperation between two species in the
starter. We proof too that oxy-tolerance of S. thermophilus 13а is the factor that creates
conditions for higher anaerobe of the medium needed for more active growth of
Lb. bulgaricus 2-11, i.e. it is the factor of proto-cooperation [1,30-33].
Figure 4. Dilution rate as function of process pH value.
In the stationary phase of the continuous pH-stat process a new ratio is obtained in
which the streptococcus prevail the lactobacillus. The effect of positive interaction
between two cultures is especially expressed in pre-fermentation phase of the
continuous process by the dilution rate. The associated culture grows in a flow with very
20
__________________________________________________________________________
-1
high dilution rates (2.2-2.3 h ) (Figure 4), higher than the best reported results in the
literature [6,11-18].
Photolytic activity of Lb. bulgaricus is the factor that stimulates growth of the
thermophilic streptococcus. Lactobacillus can grow separately in the milk without
anaerobe conditions created by S. thermophilus 13а. But its single cultivation lasts
around 3 times longer with lower living cells concentration without needed aroma of the
fermented milk.
In order to clear the oxygen influences on the continuous pre-fermentation process of
the symbiotic starter culture S. thermophilus 13а + Lb. bulgaricus 2-11 conditions with
different О2: concentrations (3 %, 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, and 60 %) are investigated.
With oxygen concentration increase from 3 % to 60 % metabolite activity of the system
-1
that is in functional relation with the dilution rate D, h decreases proportional to it.
Stationary concentration of the more aerophilic thermophilic streptococcus is less
influenced by the value of the disturbing oxygen influence (Figure 5). Strong influence
of the oxygen on the stationary concentration of lactobacillus is expressed more clearly
when рО2 increases from 3 % to 60 % and it multiplicities negatively on the overall
microbial productivity of the system [1,30-33].
Figure 5. Dilution rate of the continuous pre-fermentation pH-stat process for yogurt starter formation
The ratio between coccus (S) and virgates (L), that characterizes the bacterial balance
of each investigated stationary regime, returns to its initial value (S:L = 3:1) after full
milk coagulation at 43 °С and pО2 = (3, 10, 20) %. In higher oxygen concentrations the
ratio S:L in coagulated milk keeps high undesirable technologically values.
Conclusion
In the present investigation proofs for the special influence of the oxygen on the mutual
metabolism of the two strains in yogurt starter are obtained for the first time. Oxytolerance of S. thermophilus 13а is main factor of growth relation creation between two
species in the starter and of the proto-cooperation between them. S. thermophilus 13а
consumes fully and fast oxygen from the milk and increases anaerobic conditions in the
system needed for the growth of Lb. bulgaricus 2-11. Lactobacillus develops actively in
its turn stimulates metabolism of the mixed culture. No matter that S. thermophilus 13а
and Lb. bulgaricus 2-11 are microaerophilics and develop optimally in anaerobe
21
__________________________________________________________________________
conditions our investigations give serious reasons to widen the knowledge about their
joint metabolism and to make some corrections about their important physiological
characteristics. The present investigations also contribute to the exhaustive usage of the
abilities of these lactic acid bacteria in yogurt industry as mixed cultures with other
groups’ microorganisms [1].
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge the financial support of the Bulgarian Science
Found under the project TN 1509/05 “Control of Mixed Culture Fermentations in
Biochemical and Food Industries”.
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23
__________________________________________________________________________
Revue de
Génie Industriel
ISSN 1313-8871
Valeur nutritionnelle de Tacca leontopetaloides (L.) Kuntze,
tubercule non conventionnel
Collinlaw Joseph Ndouyang
3
1*
1
1
2
, Aba Richard Ejoh , Aboubakar , Balaam Facho , Yanou
4
Nicolas Njintang , Bouba Adji Mohammadou , Carl Moses Mbofung
5
1
Ecole Nationale Supérieure des Sciences Agro-Industrielles (ENSAI), Université de Ngaoundéré,
BP 455 Ngaoundéré, Cameroun
2
Faculté des Sciences Exactes et Appliquées (FSEA), Université de N’Djaména, BP 1027
N’Djaména, Tchad
3
Département des Sciences Biologiques, Faculté des Sciences, Université de Ngaoundéré, BP 454
Ngaoundéré, Cameroun
4
Institut Universitaire de Technologie (IUT), Université de Ngaoundéré, BP 455 Ngaoundéré
5
* Auteur correspondant : e-mail: [email protected]
Révisé et accepté : le 29 avril 2009/ Disponible sur Internet : le 1 juillet 2009
Résumé
Les causes des carences alimentaires dans les pays en développement sont multiples
et fréquentes. Le présent travail a été mené dans le but d’évaluer quelques propriétés
chimiques et nutritionnelles du tubercule de T. leontopetaloides consommé en période
de disette. Des tubercules de T. leontopetaloides récoltés à Guémiré-Mindaoré dans la
région de Fianga au Tchad ont été étudiés. Les teneurs en eau, cendres, lipides,
protéines et glucides totaux du tubercule frais sont respectivement de 61.6 ± 0.3%;
0.8%; 0.9 ± 0.1%; 1.1% et 34.7 ± 0.8%. Les teneurs en minéraux dosés ont été
exprimées en mg/100 g de tubercules frais comme suit: Ca (32.1 ± 0.9), K (121.8 ±
1.3), Mg (21.8 ± 0.2), Na (4.4 ± 0.2) et P (31.1 ± 0.2). Cependant, la teneur en glucides
totaux a varié de 90.31% à 92.66% MS. Et, 81.27% à 86.10% de ces glucides ont été
digestibles. La teneur en minéraux de la fécule de la matière sèche a été le triple de
celle de la fécule de la matière fraîche. Par ailleurs, la teneur en facteurs
antinutritionnels a été faible dans les fécules.
Abstract
The causes of food shortages in developing countries are numerous and frequent. The
principal objective of the present study was to assess some chemical and nutritional
properties of Tacca leontopetaloides tuber that is used during food shortages. Tuber
of T. leontopetaloides harvested from Guémiré-Mindaoré in the Fianga region of Chad
was studied. The water, ash, lipid, protein and total sugar contents of fresh tubers
were respectively 61.6 ± 0.3%; 0.8%; 0.9 ± 0.1%; 1.1% and 34.7 ± 0.8%. The mineral
contents expressed in mg/100 g wet basis were: Ca (32.1 ± 0.9), K (121.8 ± 1.3), Mg
(21.8 ± 0.2), Na (4.4 ± 0.2) and P (31.1 ± 0.2). Meanwhile, the total sugar content has
varied from 90.3% to 92.7% DW. 86.10% of those sugars were composed of digestible
starch. The mineral contents of the dry tuber starch were three times higher than that
24
__________________________________________________________________________
of the fresh tuber starch. And the antinutritional factors have been low in the
extracted starch.
Mots-clé: carence alimentaire, plantes non conventionnelles, Tacca leontopetaloides,
facteurs antinutritionnels
Key words: food shortage, non conventional plants, Tacca leontopetaloides,
antinutritional factors
Introduction
Parmi les populations vivant au sud du Sahara, le spectre de la faim est endémique. Ce
phénomène rend les plantes non conventionnelles intéressantes à étudier comme source
alimentaire. Une de ces plantes est Tacca leontopetaloides dont le tubercule est utilisé
pendant les périodes de carences alimentaires [1,2,3]. Le tubercule est très apprécié
[1,3]. Malgré son rôle d’aliment de substitution pendant les dures périodes de pénurie
alimentaire, ce tubercule reste sous exploité et non valorisé.
C’est pourquoi l’objectif principal du présent travail a été de valoriser le tubercule de T.
leontopetaloides en évaluant ses propriétés nutritionnelles afin de préserver
l’exploitation alimentaire de sa fécule. Spécifiquement, il s’est agi, d’une part, des
objectifs scientifiques : détermination du taux des nutriments et des facteurs
antinutritionnels dans le tubercule de T. leontopetaloides, détermination de quelques
propriétés nutritionnelles de la farine et des fécules du tubercule. Et, d’autre part, de
l’objectif économique afin de contribuer à la prévention de la sécurité alimentaire.
Matériel et méthodes
Matériel végétal
La collecte des tubercules
Le matériel végétal a été constitué de tubercules de Tacca leontopetaloides en fin de
croissance. La cueillette des tubercules a été faite à la fin du mois d’octobre 2005 à
Guémiré-Mindaoré [09°N57’; 14°E59’], un village de la région de Fianga au Tchad, où
la plante est appelée est «Cii» par le groupe ethnique Tupuri. Les tubercules ont été
déterrés et mis dans un sac en polyéthylène, puis acheminés au Laboratoire de
Biophysique et Biochimie Alimentaires de l’ENSAI le 3ème jour qui a suivi la récolte.
Les tubercules ont été débarrassés des impuretés par un rinçage et un nettoyage
abondants avec de l’eau de robinet puis laissés au repos pour l’évaporation et
l’égouttage total de l’eau de nettoyage. Les tubercules ont été ensuite râpés à une
2
maille de 0.24 mm de section d’une râpeuse inoxydable et séchés à 50°C au
déshydrateur électrique (RIVIERA et BAR, France) pendant 18 heures, puis stockés
dans des sacs en polyéthylène jusqu’à utilisation.
Production des fécules
a) Production de la fécule de la matière fraîche et de la matière sèche de Cii selon la
méthode traditionnelle [3]
Pour extraire de la fécule à partir de la matière fraîche (FMF), les tubercules frais ont
2
été râpés à l’aide d’une râpeuse inoxydable aux mailles de 0.09 mm de section. Les
râpages ont été soumis à 3 trempages successifs d’une tranche horaire de 6 heures dans
de l’eau de robinet.pour une durée totale de 18 heures. Chaque trempage a été fait avec
15 litres d’eau pour 1 kg de râpage. Après chaque tranche horaire, l’eau de décantation
était jetée, une autre quantité d’eau était ajoutée pour un malaxage suivi d’un repos.
Puis de l’eau a été ajoutée pour un dernier (4ème) malaxage suivi immédiatement du
pressage et d’une décantation. La fécule a été recueillie après que l’eau surnageante,
devenue limpide au bout de 60 minutes, ait été versée. La fécule a été séchée au soleil
sur un imperméable en polyéthylène.
25
__________________________________________________________________________
b) Production de la fécule de la matière sèche
La fécule de la matière sèche (FMS) a été obtenue d’après un trempage d’une tranche
horaire de 3 heures répétée 3 fois. Les cycles de dilutions/décantations ont été effectués
avec 15 litres d’eau pour 700 g de farine de tubercule. Le procédé a été le même que
précédemment mais le temps de la dernière décantation a été de 90 minutes au lieu de
60 minutes.
Méthodes
Analyse de la valeur nutritionnelle
La teneur en eau et celle en cendres ont été effectuées par la méthode AFNOR [4]. Les
teneurs en minéraux (Ca, Mg, Na et K) ont été déterminées par un spectrophotomètre
d’absorption atomique AAS 1100 (Perkin Elmer) après solubilisation des cendres à
l’acide chlorhydrique concentré. L’AAS a été alimenté par une flamme air – acétylène.
La détermination du phosphore a été effectuée à partir de celle du phosphate dosé par
colorimétrie [5]. Le dosage des lipides totaux a été basé sur la solubilité différentielle
des lipides dans des solvants organiques à chaud [6]. Les protéines ont été déterminées
par la méthode utilisant la réaction de Hantzsch [7] donnant un composé jaune (le 2,6diméthyl-3,6-acétyl-1,4-dihydrolutidine) qui présente une absorption maximale à 412
nm. Les sucres totaux ont été extraits et dosés par la méthode spectrophotométrique
(λmax = 490 nm) de Dubois et al. [8]. Les sucres solubles ont été évalués par la méthode
de Fischer et Stein qui utilisent le DNS (acide 3,5-dinitrosalicylique) d’absorbance à
540 nm [9].
L’amidon total a été dosé par la méthode spectrophotométrique de Guggolz et al, [10]
qui utilise le réactif à l’anthrone-acide sulfurique pour déterminer la quantité
équivalente de glucose. La densité optique ou DO est lue à 630 nm. La valeur du
glucose a été multipliée par 0.9 pour obtenir la valeur de l’amidon.
L’amidon résistant a été déterminé par une méthode de digestion enzymatique utilisant
l’α-amylase et l’amyloglucosidase issue d’Aspergillus niger [11]. La méthode de Fischer
et Stein [9] a été utilisée pour le dosage du glucose (absorbance lue à 540 nm) et la
quantité de glucose ainsi dosée a été multipliée par 0.9 pour obtenir celle de l’amidon
résistant. L’amidon digestible (AD) a été la différence entre l’amidon total (AT) et
l’amidon résistant (AR) [11] :
AD = AT – AR
Par la suite, la teneur en fibres totales (FT) a été obtenue à partir des sucres totaux
(ST), des sucres solubles (SS) et de l’amidon digestible (AD) selon la relation suivante
[11] :
FT = ST – SS – AD
Détermination des taux de quelques facteurs antinutritionnels
La détermination de la teneur en composés phénoliques totaux a été basée sur la
réaction avec le réactif de Folin Ciocalteu [12]. La coloration bleue obtenue a une
absorption maximale à 725 nm. Les tannins ont été déterminés suivant la méthode
spectrophotométrique utilisant la vanilline acidifiée et l’acide tannique comme standard
[13] (λmax = 500 nm).
Oxalates totaux: Les acides oxaliques totaux ont été évalués par la méthode de titration
à la solution de permanganate de potassium (AOAC, 1970) [14]. La détermination de la
teneur en saponines a été faite en utilisant la méthode afrosimétrique basée sur la
formation des mousses stables par les saponines Koziol [15].
Analyses statistiques
Le logiciel Statgraphics plus version 5.0 a permis d’effectuer les analyses statistiques
que sont le test de l’analyse de variance (ANOVA) et le ‘multiple range test’ de Duncan.
26
__________________________________________________________________________
Résultats et discussion
Valeur nutritionnelle du tubercule de Tacca leontopetaloides ou Cii
Teneur en eau et en cendres
Comme l’indique le Tableau 1, la fécule de la matière sèche (FMS) a une teneur en eau
de 5.31 ± 0.10 g/100 g MS, la Fa 7.03 ± 0.25 g/100 g MS et la FMF 7.7 ± 0.33 g/100 g
MS. La faible teneur en eau de chacun de ces échantillons déshydraté est un facteur
limitant de prolifération des microorganismes, agents de détérioration des constituants
alimentaires [16]. Cela permet une conservation facile de la farine et des fécules de T.
leontopetaloides. Ces résultats peuvent s’expliquer par la structure même de l’amidon
constitué de granules de très petits diamètres 2.64-3.5 µm [17,18] présentant ainsi une
surface relativement importante permettant une libération massive d’eau. Aussi, le taux
de cristallinité de l’amidon de T. leontopetaloides est de 35% contre 38% chez l’amidon
de maïs [18].
Tableau 1. Valeur nutritionnelle des produits de tubercule de Cii.
Paramètres
Fa
FMF
FMS
Eau (%)
7.03 ± 0.25
b
7.7 ± 0.33
Cendres (%)
2.08 ± 0.01
c
0.31 ± 0.01
a
0.84 ± 0.04
b
0.80 ± 0.01
b
Lipides (%)
2.34 ± 0.52
b
0.15 ± 0.04
a
0.16 ± 0.03
a
0.90 ± 0.12
a
Protéines (%)
2.74 ± 0.01
Glucides (%)
90.31 ± 2.02
b
5.31 ± 0.1
b
MF
a
61.58 ± 0.29
-
92.66 ± 1.08
b
c
1.05 ± 0.01
90.72 ± 0.26
b
34.70 ± 0.78
a
Moyenne ± erreur standard, n = 3.
Les moyennes de la même ligne portant en exposant des lettres différentes sont significativement différentes à
p ≤ 0.05 ou au seuil de risque de 5 % selon le test de Duncan. Fa= farine ; FMF= fécule de la matière fraîche ;
FMS=fécule de la matière sèche ; MF= tubercule frais.
La teneur en cendres d’un aliment est indicatrice de sa teneur globale en sels minéraux.
Les teneurs en cendres du tubercule de Cii sont présentés au Tableau 1. D’après le test
de Duncan, le tubercule frais (MF) et la fécule issue de la matière sèche (FMS) sont
nettement plus riches en cendres (p > 0.05). Dans le présent travail, la Fa a atteint la
valeur de 2.08% MS, tandis que Kay [19] de son côté a trouvé 3.2% MS. Comparé au
taro ayant 4.4% [20], on peut dire que la faible teneur en cendres des fécules serait due
au lessivage par l’eau de trempage. L’analyse portée sur 5 minéraux (Tableau 2) a révélé
une différence significative (p < 0.05) entre les teneurs en ces minéraux: Ca, K, Mg, Na
et P. Cela a montré l’effet de lessivage par le trempage sur le contenu en minéraux des
fécules.
Tableau 2. Teneur en minéraux des tubercules de Cii.
Minéraux
Fa
FMF
c
FMS
MF
10.19 ± 0.68
a
33.93 ± 0.92
45.93 ± 0.17
a
128.64 ± 1.38
Ca (mg/100 g MS)
83.65 ± 2.26
K (mg/100 g MS)
317.12 ± 3.41
Mg (mg/100g MS)
56.80 ± 0.63
c
8.34 ± 0.04
Na (mg/100 g MS)
11.46 ± 0.42
c
1.543 ± 0.01
a
4.65 ± 0.17
P (mg /100 g MS)
80.97 ± 0.59
c
12.63 ± 0.09
a
32.17 ± 3.20
c
a
23.04 ± 0.26
b
b
b
32.14 ± 0.87
b
121.84 ± 1.31
21.82 ± 0.24
4.40 ± 0.16
b
b
b
b
b
31.11 ± 0.23
b
Teneur en lipides, protéines et glucides
Teneur en lipides : Les teneurs en lipides des différents échantillons de Cii ont
montré des valeurs extrêmement faibles (Tableau 1) avec une différence significative (p
27
__________________________________________________________________________
< 0.05) entre les moyennes des teneurs en lipides. La Fa a eu une teneur en lipides de
2.34 ± 0.52%. Ces résultats ont montré que T. leontopetaloides ne constitue pas une
bonne source de lipides, vus les besoins à satisfaire en lipides chiffrés à 4 g/kg/jour
chez l’enfant et 1 g/kg/jour chez l’adulte [21].
Teneur en protéines : Il existe une différence significative (p < 0.01) entre les teneurs
en protéines des échantillons (Tableau 1). En effet, la teneur en protéines brutes a été
de 2.74 ± 0.01% MS contre 1.05 ± 0.01% dans le tubercule frais (MF). La teneur de 2.7%
se rapproche de celle de Rouers [1] qui a obtenu une teneur de 3.3% pour le tubercule
frais.
Comparé à D. dumetorum qui possède une teneur en protéines de 9.6 g/100 g MS [22],
Cii a une faible teneur en protéines, mais la nature des acides aminés de Cii peut être
intéressante. D’après les résultats des recherches, les besoins en protéines sont fixés à
1 g/kg/jour chez l’adulte et à 2 g/kg/jour chez l’enfant [21]. Ainsi, une alimentation
basée sur le tubercule de Cii poserait un problème de santé, en particulier la
malnutrition par carence protéique appelée kwashiorkor chez l’enfant [23], une
diminution de l’équipement enzymatique et du pouvoir de détoxification de l’organisme
[23,24], une perturbation de la croissance chez l’enfant [23]. C’est pourquoi la
consommation de Cii devrait absolument être associée à d’autres sources alimentaires
d’origine animale ou végétale reconnues riches en protéines.
Teneur en sucres (Tableau 1) : La Fa (90.31 ± 2.02%), la FMS (90.72 ± 0.26%) et la
FMF (92.66 ± 1.08%) n’ont pas été significativement différentes (p > 0.05).
Selon Rouers [1], les sucres totaux (ST) représentent 39.2% du tubercule frais de Cii.
Dans le présent travail, la teneur en sucres totaux a été de 34.70 ± 0.78%, teneur
voisine de celle du manioc qui a été de 32-35%, ou de la patate douce 25-32% [25],
mais elle a été supérieure à celle du taro qui est égale à 19-21% [25].
Les sucres totaux des tubercules de Cii ont été essentiellement composés d’amidon
(Tableau 1 et 3). Cependant la teneur en amidon résistant de Fa est supérieure à celles
des deux fécules (FMF et FMS) qui ont eu la même valeur. Quant aux sucres solubles,
ils ont varié avec l’échantillon. En effet, l’amidon digestible et les sucres solubles
constituent les sucres disponibles.
Dans le présent travail, pour 100 g de Fa sèche, il y a eu 77.36 ± 2.24 g d’amidon total
reparti en 3.95 ± 0.11 g d’amidon résistant; 73.41 ± 2.20 g d’amidon digestibles et
auxquels s’ajoutent 0.33 ± 0,01 g de sucres solubles. Cela a donné une variation en
sucres disponibles de 81.65% à 86.10% des sucres totaux. En effet, les fécules de Cii
s’étaient révélées comme de bonnes sources d’amidon digestibles.
Tableau 3. Teneur en différentes fractions des sucres de Cii.
Amidon
Fa
FMF
FMS
AT (%)
77.36 ± 2.24
b
AD (%)
73.41 ± 2.20
b
SS (%)
0.33 ± 0.01
d
0.03 ± 0.01
AR (%)
3.95 ± 0.11
c
2.93 ± 0.2
FT (%)
16.57
c
82.69 ± 0.76
b
79.76 ± 0.91
c
12.87
b
b
a
MF
78.92 ± 2.58
b
29.72 ± 0.86
a
75.84 ± 2.27
bc
28.21 ± 0.85
a
0.137 ± 0.01
b
0.30 ± 0.01
c
1.52 ± 0.04
a
3.08 ± 0.33
14.76
bc
b
6.20
a
Les moyennes de la même ligne portant en exposant des lettres différentes sont significativement différentes à
p ≤ 0,05 ou au seuil de risque de 5 %, selon le test de Duncan.
Ainsi, les besoins en glucides, évalués à 10 g/kg/jour chez le nourrisson et à 6-7
g/kg/jour chez l’adulte [21] peuvent être satisfaits à partir des tubercules de Cii. La
28
__________________________________________________________________________
fraction résistante d’amidon augmente les fibres alimentaires dont la qualité se révélera
bonne si elles sont physiologiquement fonctionnelles.
Teneur en quelques facteurs antinutritionnels
Teneur en composés phénoliques bruts totaux et tannins totaux
Les polyphénols, y compris les tannins sont reconnus comme de puissants
antinutriments des aliments. A dose élevée, les polyphénols inhibent l’absorption du fer
non héminique, des protéines. Notamment, les tannins chélatent le fer par formation de
précipités insolubles de tannates de fer contenu dans les aliments végétaux [26].
Tableau 4. Quelques facteurs antinutritionnels (mg/100 g).
Paramètres
Fa
FMF
c
Polyphénols
342.14 ± 30.73
Tannins
31.77 ± 1.67
Oxalates
321.48 ± 17.31
b
145.90 ± 1.20
Saponines
643.03 ± 33.20
d
69.19 ± 5.99
b
2.06 ± 0.00
FMS
a
3.91 ± 0.49
-
MF
a
131.42 ± 11.80
b
a
12.21 ± 0.64
283.98 ± 17.31
23.07 ± 8.07
a
b
b
a
123.51 ± 17.31
b
247.05 ± 12.76
c
Moyenne ± erreur standard, n = 2-3.
Dans les présents résultats (Tableau 4), les composés phénoliques ont été réduits de la
teneur de 342.14 ± 30.73 mg/100g MS (Fa) à la celle de 2 à 4 mg pour 100 g de fécule.
De leur côté, les tannins totaux ont été passés de 31.77 ± 1.67 mg/100 g MS à des traces
dans les fécules. L’analyse statistique a révélé qu’il y a eu une différence significative (p
< 0.01) entre les moyennes des teneurs en composés phénoliques des fécules (FMF et
FMS) et celle de la farine (Fa). Par ailleurs, il a été montré que des concentrations en
phénols totaux de 2.7% ne produisent pas d’effets négatifs lorsqu’ils sont consommés
par les animaux [27]. Donc le trempage constitue l’une des voies de détoxification du
tubercule.
Teneur en oxalates totaux
La teneur en oxalates a été de 321.48 ±17.31mg/100g de MS pour Fa et une teneur de
123.51 ± 17.31 mg/100g dans le tubercule frais (Tableau 4). Quant aux fécules, la teneur
en oxalates pour FMF (145.90 ± 0.00 mg/100g MS) a été la moitié de celle de FMS
(283.98 ± 27.42 mg/100g de MS). L’analyse statistique a montré une différence
significative (p < 0.01) entre la teneur en oxalates dans la FMF et celles des 3 autres
échantillons dont les moyennes ne sont pas significativement différentes. En effet, la
teneur en oxalates de la farine Fa a été comparable à celle des feuilles de patate douce
(308 mg/100 g), teneur pouvant constituer un poison pour l’homme ou l’animal [28].
Cependant, à raison de 0.78%, les oxalates se lient au calcium et à d’autres minéraux
comme le fer dont ils réduisent la biodisponibilité [29]. Ainsi, une corrélation
significative a été montrée entre la teneur en oxalates et le taux d’inhibition de la
trypsine et de l’α-amylase par les travaux d’autres chercheurs.
Par rapport aux tubercules couramment consommés dont les teneurs en oxalates sont
connues, D. dumetorum (501.7-510.9 mg/100 g de MS), Colocasia esculenta (780
mg/100 g de MS), le risque nutritionnel potentiel de consommation de T.
leontopetaloides s’estompe, surtout que l’on sait que les raphides responsables de
l’irritation de la bouche, de la gorge et de l’âcreté sont en faible pourcentage (5-20%)
par rapport aux formes en rosettes. De plus, lorsqu’on effectue une cuisson correcte
avant toute consommation, la totalité de l’oxalate est détruite [1,30].
Teneur en saponines
En outre, les saponines sont des précurseurs naturels des corticostéroïdes, d’où les
propriétés anti-inflammatoires, anti-arthritiques et anticancéreuses [31]. Dans le présent
travail (Tableau 4), l’analyse statistique a montré qu’il existait une différence
significative (p < 0.01) entre les teneurs en saponines dans les échantillons; mais les
29
__________________________________________________________________________
fécules FMF et FMS n’ont pas été significativement différentes. Fa contenait 643.03 ±
33.20 mg saponines/100 g contre 247.05 ± 12.76 mg/100 g MF. Mais dans les fécules,
les teneurs en saponines ont été respectivement de 10.78% dans la FMF et 3.59% dans
la FMS par rapport à celle de la Fa. Les teneurs en saponines des fécules sont de 69.19
± 5.99 mg/100 g (0.069%) chez la FMF et 23.07 ± 8.07 mg/100 g (0.023%) chez la FMS,
ce qui a été inférieur aux teneurs rapportées chez les légumineuses (3 à 7%) réputées
toxiques [32].
En fait, les saponines sont inoffensives à 1% et irritantes à 5% [32] ; à 1,5%, leurs effets
sont réversibles [33]. Par ailleurs, ingérées quotidiennement est à la quantité de 15 mg,
les saponines ne sont pas assimilées mais sont dotées d'un pouvoir
hypocholestérolémiant [34] lorsqu’elles se fixent au cholestérol et aux sels biliaires, ce
qui a pour effet de réduire l'absorption intestinale du cholestérol. Car elles se lient aux
acides biliaires et au cholestérol. C’est pourquoi les saponines ont un intérêt attrayant
considérable, à la fois délétère et bénéfique.
Conclusion
Le tubercule de T. leontopetaloides (ou Cii) a une valeur nutritionnelle essentiellement
énergétique sous forme d’amidon hautement digestible. En fait, les antinutriments
rencontrés dans le tubercule frais sont éliminés sinon réduits par le trempage dans l’eau
douce. Mais ce traitement de trempage renforce la pauvreté en éléments nutritifs
hydrosolubles (protéines, sels minéraux).
Cependant, beaucoup de travaux restent à réaliser sur le tubercule de T.
leontopetaloides: l’étude de la conservation des fécules et farines, l’étude des propriétés
physico-chimiques des fécules en cours de conservation, la connaissance du profil
microbiologique des fécules pendant la conservation, l’essai des formulations
alimentaires de type fécule enrichie avec d’autres produits alimentaire locaux.
Remerciements
Nos reconnaissances sont exprimées à l’Université de N’Djaména, l’Université de
Ngaoundéré, l’Ecole Nationale Supérieure des Sciences Agro-Industrielles (ENSAI) de
l’Université de Ngaoundéré, l’Agence Universitaire de la Francophonie qui ont permis le
financement du présent travail.
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32
__________________________________________________________________________
Revue de
Génie Industriel
ISSN 1313-8871
Standardisation de la solubilisation des saponines de Tacca
leontopetaloides (L.) Kuntze, tubercule non conventionnel
3
1*
1
1
2
4
5
1
2
N’Djaména, Tchad
3
4
5
Résumé
Les causes des carences alimentaires dans les pays en développement sont multiples
et fréquentes, conduisent les populations rurales des milieux tropicaux à adopter des
stratégies de survies. Un des moyens est le recours aux plantes non conventionnelles
dont la nature regorge. C’est le cas de Tacca leontopetaloides, un tubercule
largement consommé en période de soudure ou famine. Le présent travail a été mené
dans le but d’évaluer la détoxification du tubercule par la connaissance du temps de
solubilisation maximale des saponines de ce tubercule provenant du Tchad. La
solubilisation des saponines a été possible à la température ambiante, mais à un pH
acide pour le tubercule frais et aux pH neutre et basique pour la farine, cela sans
renouvellement de l’eau de trempage. En somme, T. leontopetaloides a un temps de
détoxification relativement faible. Le facteur de solubilisation est le plus élevé
lorsqu’on opère avec de la matière fraîche finement broyée.
Abstract
The causes of food shortages in developing countries are numerous and frequent. This
has led the rural populations of the tropical region to develop attractive survival
strategies. One of these strategies is to resort to the use of non conventional plants
that are abundant in our environment. One of such plants is Tacca leontopetaloides,
which contains a tuber that is largely consumed during periods of shortage or famine.
The principal objective of the present study was aimed at assessing the detoxification
of this tuber by studying the time of maximal solubilization of saponins of this tuber
from Chad. Infact, the extraction of fresh tuber starch has been by soaking in water
the crushed fresh tuber. The solubilization of saponins have been possible at ambient
temperature, but with acid pH for the fresh tuber and, with neutral and basic pH for
the flour, without renewing the soaking water. Briefly, T. leontopetaloides has a
33
__________________________________________________________________________
relatively low time for detoxification. The solubilization factor of saponins is higher
when the fresh tuber is crushed.
Mots-clé : carence alimentaire, plantes non conventionnelles, Tacca leontopetaloides,
fécule, facteur de solubilisation
Key words : food shortage, non conventional plants, Tacca leontopetaloides, starch,
solubilization factors
Intoduction
Les pays soudano-sahéliens sont les plus exposés aux conséquences des aléas
climatiques dont la principale résultante est la sécheresse. Sur le plan alimentaire, les
populations humaines, surtout celles des milieux ruraux ont recours à plusieurs plantes
non conventionnelles pour assurer les périodes [1,2]. L’une de ces plantes employées
pendant les carences alimentaires et Tacca leontopetaloides dont le tubercule est
exploité [1,2,3,4]. En fait, T. leontopetaloides est une plante amer ou astringente [5] ou
encore toxique [1,6]. Cela fait que son tubercule soit employé comme aliment après
détoxification pendant les périodes de carences alimentaires, hormis ses utilisations
médicinales basées sur ses constituants et ses activités biologiques étudiés [7,8]. Des
substances amères telles que taccagénine et leontogénine [9,10] limitent sa
consommation directe sans détoxification [1]. Pourtant le tubercule de Tacca
leontopetaloides est très apprécié pour son amidon hautement nutritif [1,3,6].
Actuellement, la raréfaction d’informations sur le système de production de la fécule de
T. leontopetaloides est un frein à l’emploi de son tubercule comme source alimentaire.
C’est la raison pour laquelle l’objectif du présent travail a été de déterminer le temps de
trempage nécessaire à la solubilisation des saponines, des composés amers dont la
faible teneur dégustée par la ménagère renseigne sur la détoxification du tubercule. Et
spécifiquement, la connaissance des paramètres de trempage du tubercule écrasé
contribuera économique à la préservation de la sécurité alimentaire en milieux ruraux et
urbains. Ainsi, la standardisation de l’extraction de la fécule permettrait l’exploitation
aisée du tubercule.
Matériel végétal
Le matériel végétal a été constitué de jeunes tubercules de Tacca leontopetaloides. La
cueillette des tubercules a été faite à Guémiré-Mindaoré (09°N 57’; 14°E 59’), un village
de la sous-préfecture de Fianga, région du Mayo-Kebbi Est (Tchad) où la plante est
appelée est « Cii » par les Tupuri. Les tubercules ont été déterrés et mis dans un sac en
polyéthylène, puis acheminés au laboratoire le 3ème jour qui suit la récolte. Les
tubercules ont été débarrassés des saletés et des pellicules par un rinçage et un
nettoyage abondant dans de l’eau de robinet puis laissés au repos pour l’évaporation et
l’égouttage total de l’eau de nettoyage. Les tubercules ont été ensuite râpés à une maille
2
de 0.24 mm de section d’une râpeuse inoxydable et séchés à 50°C au déshydrateur
électrique (RIVIERA et BAR, France) pendant 18 heures. Les râpages ainsi séchés ont
été gardés au dessiccateur pour refroidir avant d’être pesés et stockés (Figure 1).
34
__________________________________________________________________________
Tubercules frais
Nettoyage abondant à l’eau de robinet
Egouttage comple t
Râpage à l ’aide d ’une râpeuse inoxydable
Séchage à 50 °C pendant 18 heures
Stockage
Figure 1. Diagramme d’échantillonnage des tubercules de T. leontopetaloides.
a) Production de la fécule de la matière fraîche de Cii selon la méthode traditionnelle [3]
Pour extraire de la fécule de la matière fraîche (FMF), les tubercules frais ont été râpés
2
à l’aide d’une râpeuse inoxydable aux mailles de 0.09 mm de section.
Trempage 2 + malaxage
(repos 6 heures)
Eau de décantation 1versée
(repos 6 heures)
Eau de décantation 2
versée
(repos 6 heures)
Eau de décantation 3 versée
Dilution + malaxage + pressage
Décantation du pressât
(60 minutes)
Tubercules lavés, égouttés,
et râpés
Surnageant jeté, fécule
recueillie et séchée
Figure 2. Schéma de production de la fécule de la matière fraîche de Cii.
Les râpages ont été soumis à des traitements de 3 trempages répétitifs de 6 heures dans
de l’eau de robinet pour une durée totale de 18 heures. Chaque trempage a été fait avec
15 litres d’eau pour 1 kg de râpage. Les cycles de dilutions/décantations sont présentés
par la Figure 2. Après chaque tranche d’heures, l’eau de décantation était jetée, une
autre quantité d’eau ajoutée pour un malaxage suivi d’un repos. Puis de l’eau de robinet
a été ajoutée pour un dernier malaxage suivi immédiatement du pressage et d’une
décantation. La fécule a été recueillie après que l’eau surnageante, devenue limpide au
bout de 60 minutes, ait été versée. La fécule a été séchée au soleil sur un imperméable
en polyéthylène.
35
__________________________________________________________________________
La fécule de la matière sèche (FMS) a été obtenue d’après un trempage de la farine (500
µm) du tubercule de T. leontopetaloides pendant 3 heures lequel trempage a été répété
3 fois de suite. Les cycles de dilutions/décantations ont été de 15 litres d’eau pour 700 g
de farine de tubercule. Les différences entre les deux trempages ont été situées au
niveau du temps de repos après malaxage (6 heures pour FMF et 3 heures pour FMS) et
du temps de décantation après pressage (1 heure pour FMF et 1.5 heure pour FMS).
Cinétique de la solubilisation des saponines du tubercule de Tacca leontopetaloides
Indice de détoxification du tubercule, la solubilisation des saponines a été basée sur le
caractère hydrosoluble des saponines [11]. L’étude de la solubilisation a été faite sur
deux échantillons (râpage frais et farine), incubés à 3 température différentes voisines
de celles ambiantes en milieux tropicaux humides (30°C, 40°C et 50°C ) et trois pH
(5.01; 7.09; 9.10). Initialement, les incubations vont par intervalle de 30 minutes en
deux (2) heures, puis par intervalle de 60 minutes en 8 heures, soit une durée totale de
10 heures. Pour la première réponse, la durée d’incubation été de 0 minutes. Les essais
ont été faits en duplicata. Le dispositif expérimental est donc 3x3x13x2, soit 3
températures, 3 pH, 13 temps d’incubation. Le facteur de solubilisation a été calculé
selon la formule fs = Qmax/Qo.
Et, SigmaPlot plus 8.0 a servi à faire des graphes.
Résultats et discussions
Cinétique de la solubilisation des saponines du tubercule de Cii
Les résultats de l’étude de la solubilisation des saponines sont présentés dans le tableau
1 et les allures de solubilisation des saponines de chacun des échantillons sont
représentées par les Figure
4, 5 et 6. Les saponines ont été solubilisées
indépendamment des températures considérées (30°C, 40°C et 50°C). En effet, à un
même pH, il n’y a pas eu de différence significative entre les moyennes des mesures
effectuées aux différentes températures. Le présent travail a montré que la
solubilisation des saponines était gouvernée par le pH et le temps d’incubation. C’est
pourquoi dans cette étude la solubilisation des saponines a été notifiée à partir de la
matière fraîche (tubercule frais et râpé) en milieu acide (pH 5.01), à partir de la farine
(Fa) en milieu neutre (pH 7.09) ou basique (9.10). Dans les trois de figures, les courbes
de solubilisation des saponines ont eu chacune trois allures : une allure constante, une
allure exponentielle et un plateau d’extraction. Pendant l’allure constante, la quantité de
saponines solubilisée est égale à la valeur initiale extraite Q0 qui est variable selon les
pH considérés. Pendant l’allure exponentielle, les saponines subissent une solubilisation
massive, puis l’extraction atteint un plateau où l’on observe une valeur d’extraction
maximale Qmax.
Comme le montre le Tableau 1, la solubilisation des saponines est importante en milieu
acide pour la matière fraîche (fs=1.629) qu’en milieu basique (fs=1.216) ou neutre
(fs=1.164) pour la matière sèche. Par suite, la vitesse d’extraction des saponines de la
matière fraîche en milieu acide est 3.78 fois supérieure à celle de la matière sèche en
milieu neutre ou 2.90 fois supérieure à celle de la matière sèche en milieu basique. La
différence de vitesse d’extraction pourrait s’expliquer par l’hystérésis de sorption [12].
En effet, aux pH éloignés du pHi, les répulsions électrostatiques, les interactions
glucides/eau tendent à maintenir séparés les constituants alimentaires. Mais il y a
compensation de la répulsion électrostatique au pH neutre ou pHi [13], ce qui aurait
engendré moins de répulsion conduisant à la formation d’un gel moins expansé, moins
hydraté, d’où faible vitesse d’extraction à pH 7.09.
36
__________________________________________________________________________
Tableau 1. Paramètres caractéristiques de la solubilisation des saponines du tubercule de Cii.
Echantillons
(MF)
(MS)
(MS)
pH
5.01
7.09
9.10
Valeur initiale extraite Q0 (mg/100 g)
28.48
201.9
262.4
Valeur maximale extraite Qmax (mg/100 g)
46.39
235
319.1
388
289.9
349.1
1.629
1.164
1.216
0.087
0.023
0.030
0.9534
0.9502
0.9445
Temps de demi-extraction T1/2 (min)
Facteur de solubilisation fs (Qmax/Qo)
-1
Constante de vitesse d’extraction τ (min )
Coefficient de détermination R²
MF=matière fraîche; MS= matière sèche (farine).
En fait, les préparations indonésiennes de Dioscorea hispida font intervenir plusieurs
trempages, entrecoupés de lavages. Les premières eaux de détoxication, réutilisées,
accélèrent les détoxications suivantes, ce qui laisse supposer une participation de
processus enzymatiques [14]. En effet, le trempage engendre une fermentation agissant
par dégradation enzymatique des substances par des micro-organismes ; elle est
spontanée sous certaines conditions (anaérobie, chaleur...) [1]. C’est ainsi que cet
aliment, reconnu intéressant pour les individus invalides, peut être détoxifié avant toute
consommation [15, 16].
In c u b a tio n
In c u b a tio n
In c u b a tio n
C o u rb e d e
( m in ) а 3 0 °C
( m in ) а 4 0 °C
( m in ) а 5 0 °C
te n d a n c e
Teneur saponines (mg/100 g MF)
100
y = 28,48 +
80
46,39
1+ e
R ² = 0,9534
 t −388 
−

 11, 54 
60
40
20
0
0
200
400
600
T e m p s d 'in c u b a t io n t ( m i n u t e s )
Figure 4. Solubilisation des saponines du tubercule frais à pH 5.01 et à 30, 40, 50 °C.
Valeur initiale = 28.48 mg/100 g ; Valeur maximale extraite = 46.39 mg/100 g ;
Temps de demie extraction = 388 min ; Inverse de la constante de vitesse d’extraction = 11.54 min.
37
__________________________________________________________________________
500
Teneur saponines (mg/100 g MS)
235
y = 201,9 +
450
1+ e
R ² = 0,9502
400
In c u b a tio n
In c u b a tio n
In c u b a tio n
C o u rb e d e
(m in ) а 3 0 °C
(m in ) а 4 0 °C
(m in ) а 5 0 °C
te n d a n c e
 t − 289 , 9 
−

 44 , 37 
350
300
250
200
150
100
0
200
400
600
T e m p s d 'in c u b a tio n t (m in u te s )
Figure 5. Solubilisation des saponines de la matière sèche à pH 7.09 et à 30, 40, 50 °C
Teneur saponines (mg/100 g MS)
Valeur initiale = 201.9 mg/100 g ; Valeur maximale extraite = 235 mg/100 g ; Temps de demie extraction = 289.9
min ; Inverse de la constante de vitesse d’extraction = 44.37 min.
Incubation
Incubation
Incubation
Courbe de
319,1
900
y = 262,4 +
800
1+ e
R ² = 0,9445
 t − 349,1 
−

 33, 42 
а 30°C
а 40°C
а 50°C
tendance
700
600
500
400
300
200
100
0
200
400
600
Temps d'incubation t (minutes)
Figure 6. Solubilisation des saponines de la matière sèche à pH 9.10 et à 30, 40, 50 °C.
Valeur initiale = 262.4 mg/100 g ; Valeur maximale extraite = 319.1 mg/100 g ; Temps de demie
extraction=349.1min ; Inverse de la constante de vitesse d’extraction=33.42 min.
Conclusion
La solubilisation des saponines serait rapide lorsque le tubercule frais de T.
leontopetaloides est finement écrasé. La durée de l’opération est de 6 à 7 heures en
trempage continu à la température ambiante et à pH acide pour le tubercule frais et aux
pH neutre et basique pour la matière sèche. Le travail de suite consiste en un lavage
38
__________________________________________________________________________
répétitif de 3 à 4 fois pour conduire à la disparition totale du goût amer ou à la
détoxification totale du tubercule. Cependant beaucoup de travaux restent à réaliser sur
les tubercules de T. leontopetaloides : détermination de la structure de la molécule
responsable de la toxicité du tubercule frais ou de sa farine. Recherche des conditions
de détoxification du tubercule sans provoquer le lessivage des éléments hydrosolubles
pour répondre aux besoins alimentaires quotidiens sans cesse croissants dans les pays
en développement.
Remerciements
2. Attama A. A. and Adikwu M. U. The physicochemical properties of starch derived from Tacca
3. Garine (I. de). Nourriture de brousse chez les Muzey et les Masa du Nord Cameroun. MégaTchad 2002, CNRS, Paris, 2002, 13
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Quinoa. Journal of the Science of Food and Agriculture 1990, 54 (2), 211-220.
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39
__________________________________________________________________________
Revue de
Génie Industriel
ISSN 1313-8871
Propriétés physico-chimiques et fonctionnelles de Tacca
leontopetaloides (L.) Kuntze, tubercule non conventionnel
3
1*
1
1
2
4
5
1
2
N’Djaména, Tchad
3
4
5
Résumé
Le présent travail a été mené dans le but d’évaluer quelques propriétés physicochimiques et fonctionnelles du tubercule Tacca leontopetaloides provenant du Tchad.
En fait, l’indice de solubilité dans l’eau a varié fortement de la farine (10.7 ± 0.8%) à
la fécule de la matière sèche (3.1 ± 0,4 %) ou à la fécule de la matière fraîche (0.8 ±
0.3 %). En présence de la chaleur, la fécule de la matière fraîche a été gélatinisée à
65 °C tandis que la farine l’a été à 76 °C. Ensuite, la plus petite concentration
gélifiante (PPCG) a été de 2 % pour la farine et la fécule de la matière sèche, et de 1%
pour la fécule de la matière fraîche. En fait, l’extraction de fécule de la matière
fraîche par trempage du tubercule frais a minimisé les réactions de brunissement
enzymatique et réduit les facteurs antinutritionnels. En somme, T. leontopetaloides
constitue une bonne source d’agent épaississant.
Abstract
The principal objective of the present study was aimed at assessing some
physicochemical and functional properties of the tuber Tacca leontopetaloides from
Chad. Infact, the solubility index in water exhibited a high variation from the flour
(10.7 ± 0.8 %) to the dry tuber starch (3.1 ± 0.4 %) as well as the fresh sample (0.8 ±
0.3 %). When heated, the fresh tuber starch was gelatinized at 65 °C whereas the
flour was gelatinized at 76 °C. Then, the least gelation concentration (LGC) was 2 %
for the flour and the dry tuber starch, and 1% for the fresh tuber starch. Briefly, T.
leontopetaloides is a good potential thickener.
Mots-clé : carence alimentaire, plantes non conventionnelles, Tacca leontopetaloides,
fécule, agent épaississant
Key words : food shortage, non conventional plants, Tacca leontopetaloides, starch,
antinutritional factors
40
__________________________________________________________________________
Introduction
Les carences alimentaires dans les pays en développement, en particulier ceux situés au
sud du Sahara, est un fléau majeur d’actualité. L’usage alimentaire des plantes non
conventionnel intervient dès lors dans la stratégie de survie. C’est le cas de Tacca
leontopetaloides qui est une plante dont le tubercule est utilisé surtout pendant les
moments de carence alimentaire [1, 2, 3, 4]. Ce tubercule a valeur énergétique élevée et
joue de ce fait un rôle d’aliment de substitution pendant les périodes de pénurie
alimentaire, mais il reste sous exploité. Du point de vue technologique, la diversification
de son emploi comme ingrédient alimentaire [5] est limitée par l’absence de la
vulgarisation de la connaissance des propriétés physiques et fonctionnelles de sa fécule.
Bien plus, l’absence d’un système standard d’extraction de la fécule constitue un frein à
l’emploi du tubercule comme source alimentaire.
En raison de la faible disponibilité d’informations physico-chimiques et fonctionnelles de
ce tubercule de T. leontopetaloides, l’étude de ces différents paramètres contribuera à
enrichir les connaissances existantes sur ce végétal.
Le principal but de cette étude a été alors de valoriser le tubercule de T.
leontopetaloides en évaluant ses propriétés physico-chimiques et fonctionnelles
permettant son emploi diversifié, en plus de son usage alimentaire occasionnel.
Spécifiquement, il s’est agi, de la détermination de quelques propriétés physiques et
fonctionnelles de la farine et des fécules du tubercule, mais aussi d’une contribution à la
préservation de la sécurité alimentaire en milieux ruraux et urbains.
Matériel végétal
Le matériel végétal a été constitué de jeunes tubercules de Tacca leontopetaloides dont
la cueillette a été faite à Guémiré-Mindaoré (09°N 57’; 14°E 59’), un village de la souspréfecture de Fianga, région du Mayo-Kebbi Est (Tchad) où la plante est appelée est
«Cii» par les Tupuri. Les tubercules ont été déterrés et mis dans un sac en polyéthylène,
puis acheminés au laboratoire le 3ème jour qui suit la récolte. Les tubercules ont été
débarrassés des saletés et des pellicules par un rinçage et un nettoyage abondant dans
de l’eau de robinet puis laissés au repos pour l’évaporation et l’égouttage total de l’eau
2
de nettoyage. Les tubercules ont été ensuite râpés à une maille de 0.24 mm de section
d’une râpeuse inoxydable et séchés à 50 °C au déshydrateur électrique (RIVIERA et
BAR, France) pendant 18 heures. Les râpages ainsi séchés ont été gardés au
dessiccateur pour refroidir avant d’être pesés et stockés. En fait, la Figure 1 présente
l’échantillonnage.
a) Production de la fécule de la matière fraîche de Cii selon la méthode traditionnelle
Pour extraire de la fécule de la matière fraîche (FMF), les tubercules frais ont été râpés
2
à l’aide d’une râpeuse inoxydable aux mailles de 0.09 mm de section [3]. Les râpages
ont été soumis à des traitements de 3 trempages répétitifs de 6 heures dans de l’eau de
robinet pour une durée totale de 18 heures. Chaque trempage a été fait avec 15 litres
d’eau pour 1 kg de râpage. Les cycles de dilutions/décantations sont présentés par la
Figure 2.
Après chaque tranche d’heures, l’eau de décantation était jetée, une autre quantité
d’eau ajoutée pour un malaxage suivi d’un repos. Puis de l’eau de robinet a été ajoutée
pour un dernier malaxage suivi immédiatement du pressage et d’une décantation. La
fécule a été recueillie après que la solution surnageante, devenue limpide au bout de 60
41
__________________________________________________________________________
minutes, ait été versée. La fécule a été séchée au soleil sur un imperméable en
polyéthylène.
Tubercules frais
Nettoyage abondant à l’eau de robinet
Egouttage comple t
Râpage à l ’aide d ’une râpeuse inoxydable
Séchage à 50 °C pendant 18 heures
Stockage
Figure 1. Diagramme d’échantillonnage des tubercules de T. leontopetaloides.
(repos 6 heures)
Eau de décantation 2
versée
Eau de décantation 1versée
(repos 6 heures)
(repos 6 heures)
Eau de décantation 3 versée
Dilution + malaxage + pressage
Décantation du pressât
(60 minutes)
Tubercules lavés, égouttés,
et râpés
Surnageant jeté, fécule
recueillie et séchée
Figure 2. Schéma de production de la fécule de la matière fraîche de Cii.
42
__________________________________________________________________________
La fécule de la matière sèche (FMS) a été obtenue d’après un trempage de la farine (500
µm) du tubercule de T. leontopetaloides pendant 3 heures lequel trempage a été répété
3 fois de suite. Les cycles de dilutions/décantations ont été de 15 litres d’eau pour 700 g
de farine de tubercule. Les différences entre les deux trempages ont été situées au
niveau du temps de repos après malaxage (6 heures pour FMF et 3 heures pour FMS) et
du temps de décantation après pressage (1 heure pour FMF et 1.5 heure pour FMS).
Analyses physiques et fonctionnelles
Densité, CAE et ISE : La densité massique dm a été déterminée comme étant la masse
de l’échantillon dans un volume qui la divise [6]. La capacité d’absorption d’eau a été
déterminée par la méthode de Philips et al. [7] et l’indice de solubilité dans l’eau (ISE) a
été déterminé selon la méthode d’Anderson et al. [8].
La plus petite concentration gélifiante (PPCG) a été obtenue par la méthode de Coffman
et Garcia [9]. La PPCG a été donnée par le premier tube qui n’a pas laissé couler la pâte
lorsqu’il a été retourné.
Détermination de la viscosité : Les mesures d'écoulement ont été effectuées en
utilisant un rhéomètre à contrainte imposée. Les systèmes de mesure utilisés dans ce
travail sont des systèmes Plan-Cône, un cône de 40 mm et de 4°(40/4) (REOLOGICA
INSTRUMENTS AB). La contrainte imposée a varié dans les essais d’écoulement de 20
Pa à 200 Pa. Ici, des suspensions de farine et fécule issues de la matière fraîche ont été
préparées à 1%, 2.5% et 5%. Après chauffage à ébullition sur plaque chauffante, les
suspensions ainsi gélatinisées ont été laissées se refroidir à température ambiante, puis
introduites dans un viscosimètre. L’épaisseur des suspensions (GAP) entre le plateau et
le cône de rotation a été de 0.5 mm, quelque soit la pression appliquée. La rotation du
cône provoque une pression ou shear stress (Pa) qui est fonction du taux de cisaillement
-1
ou shear rate (s ) dans les suspensions. Le modèle utilisé pour déterminer les
n
constantes K et n a été le modèle de puissance de la forme y = Kx , où K est la viscosité
n
(Pa.s ) et n la mesure de l’écoulement [10].
Cinétique de gélatinisation : la méthode utilisée a été celle de Cabrera et al., [11]
basée sur le modèle d’une relation de premier ordre : ln(1-α) = -k.t, où (1-α) a été la
fraction d’amidon non gélatinisé et k la constante de vitesse de gélatinisation, fonction
du temps t de cuisson.
Température de gélatinisation : elle a été mesurée par DSC (Differential Scanning
Calorimetry) en double à l’ENSAIA de Nancy (France) à l’aide de Perkin Elmer, Pyris1
sur des prises d’essais de 10 mg par échantillon de la Fa ou de FMF. La variation de la
température de gélatinisation a été calculée par la formule Rgel=Tc - To (°C) et l’indice de
la hauteur du pic de gélatinisation calculé par la formule PHI=∆H/ (Tp - Tc).
L’analyse de la couleur des échantillons a été lue en trois essais sur chacun des
échantillons de Fa, de FMF et FMS selon la méthode CIE [12].
Et, SigmaPlot plus 8.0 a servi à faire des graphes.
__________________________________________________________________________
Résultats et discussions
Analyses physiques et fonctionnelles
Capacité d’absorption d’eau et indice de solubilité dans l’eau, porosité des échantillons
Les résultats de la capacité d’absorption d’eau apparente et réelle (CAEa et CAEr), et
l’indice de solubilité dans l’eau (ISE) sont présentés dans le Tableau 1. Les moyennes
des CAEa ou la CAEr et de l’ISE sont significativement différentes (p < 0.01). La FMF a
eu une faible CAEr et un faible ISE par rapport à la FMS et à la Fa : FMF < FMS < Fa.
Les valeurs ont varié de 114.24 à 121.12% pour la CAEr et de 0.79 à 10.72% pour l’ISE.
Elles ont été significativement inférieures à celles de D. dumetorum qui la CAE égale à
182.3 ± 4.1% et l’ISE 15.0 ± 0.1% [13].
Tableau 1. Etude comparative de la CAE, de l’ISE et de la densité de la farine et des fécules.
Echantillons
Fa
FMF
CAEa (%)
97.38 ± 0.66
CAEr (%)
121.12 ± 1.40
ISE (%)
10.72 ± 0.81
dm (g/ml)
0.82 ± 0.01
b
b
c
c
FMS
92.96 ± 0.63
a
107.52 ± 0.68
c
94.50 ± 0.32
a
114.24 ± 0.95
b
0.79 ± 0.29
a
3.13 ± 0.43
b
0.85 ± 0.01
c
0.77 ± 0.01
a
Les moyennes de la même ligne portant en exposant des lettres différentes sont significativement différentes
à p ≤ 0,05, selon le test de Duncan. CAEa = Capacité d’absorption d’eau apparente ; CAEr = Capacité d’absorption
d’eau réelle ; ISE = indice de solubilité dans l’eau ; dm= densité vrac.
Dans des études précédentes, des CAE de 265 et 380% ont été respectivement rapporté
pour les farines des graines de Phaseolus lunatus et Canavalis ensiformis [14] et 275%
pour la farine de niébé [6]. Des protéines de structures et des hydrates de carbone
hydrophiles seraient responsables des variations des capacités d’absorption d’eau des
farines. La disponibilité des groupements fonctionnels des protéines dans les farines est
gouvernée par la capacité d’absorption d’eau qui, selon Wolf [15], est une importante
propriété des farines utilisées en pâtisserie. Elle permet d’ajouter beaucoup d’eau à la
pâte tout en améliorant sa manipulation. Cela revient à dire que les faibles valeurs de
CAE et l’ISE obtenues auraient été normales chez Cii, car la farine et les fécules ne sont
constituées que d’amidon insoluble dans l’eau.
La densité vrac expliquerait au mieux le caractère poreux de la FMS (0.77 ± 0.01 g/ml)
suivie de la Fa (0.82 ± 0.01 g/ml) et de la FMF plus dense (0.85 ± 0.01 g/ml). Ces deux
dernières valeurs ont été voisines de celle de la farine de D. dumetorum obtenue après
trempage (0.83 ± 0.02 g/ml) [13]. L’extraction de la fécule par trempage du tubercule
frais a eu l’avantage de fournir un produit consistant et moins poreux par rapport à la
FMS. Incubé au bain-marie à température élevée (> 95 °C), la FMS implose. Cela aurait
été dû à la dilatation et la libération massive des gaz incorporés.
La plus petite concentration gélifiante (PPCG) de la farine et des fécules de la matière fraîche
Indice de la capacité gélifiante d’un ingrédient alimentaire, plus la PPCG est faible,
meilleure est la capacité gélifiante de la composante alimentaire [16]. La variation des
valeurs de PPCG obtenues peut être liée aux rapports relatifs de différents constituants
alimentaires. Comme l’ont suggéré Sathe et al. [17], les interactions entre de tels
composants peuvent affecter les propriétés fonctionnelles. Dans le présent travail, les
trois échantillons à savoir la Fa, la FMF et la FMS ont formé des gels à de très faible
concentration dans l’eau bouillante : 2% pour la Fa et la FMS contre 1% chez la FMF.
Les valeurs de PPCG dans la présente étude ont été faibles par rapport à celles de D.
dumetorum dont la PPCG a été de 8% pour les farines issues des tubercules frais [13],
ou celles du taro (8-14%, poids/volume) obtenues par Njintang et Mbofung [18].
__________________________________________________________________________
La différence dans la capacité gélifiante des farines ou fécules peut découler de l’amidon
qui a la propriété de former un gel dans lequel une très mince couche d’amylose agit
comme une colle intergranulaire. La très faible valeur de PPCG obtenue dans le présent
travail conduit à dire que l’amidon de Tacca serait très riche en amylose. D’ailleurs,
Manek et al. [19] ont trouvé chez l’amidon de Tacca un rapport amylose : amylopectine
22.5 : 77.5 contre 11.5 : 88.5 chez le maïs.
La viscosité de la farine et de la fécule de la matière fraîche
Les résultats de l’analyse de la viscosité de la farine et de la fécule de la matière fraîche
sont présentés dans le Tableau 3. Le test de Duncan a montré que la viscosité des deux
échantillons à 1% dans l’eau n’est pas la même (p < 0.02). Mais lorsque la concentration
a été augmentée à 2.5% ou à 5%, les deux échantillons ont eu la même viscosité. Mais il
s’est agi ici d’une forte augmentation de la viscosité.
Enfin, cette aptitude de l’amidon de T. leontopetaloides à former un gel à très faible
concentration justifierait son emploi dans des préparations médicinales comme agent
épaississant [20,21]. Du point de vue technologique, on peut exploiter ces
fonctionnalités : préparations à des basses températures (< 85°C) ou moyenne (> 85°C)
pour la viscosité, ou préparations froides gélifiées pour la propriété gélifiante de la FMF
ou FMS. En effet, ces deux produits peuvent être employés indifféremment comme
épaississant.
Tableau 2. Viscosité de la farine et de la fécule de la matière fraîche de T. leontopetaloides.
Echantillons
Fa
K (Pa.s )
1
0.00042
2.5
13.41 ± 4.69
5
18.67 ± 0.9
1
FMF
n
Proportions (%)
0.00025
b
a
a
a
a
2.5
12.5 ± 0.6
5
18.70 ± 11.6a
2
n
R
1.73
0.9898
0.2265
0.9483
0.4051
0.9939
1.82
0.9910
0.1575
0.9899
0.3385
0.9904
Moyenne ± erreur standard. n = 2
Les moyennes de la même colonne portant en exposant des lettres différentes sont significativement différentes
à p ≤ 0.05 selon le test de Duncan.
Gélatinisation
Cinétique de gélatinisation : Prises en ordonnées logarithmique ln(1-α), les valeurs
moyennes des degrés de gélatinisation (Dg) des différents échantillons et à différentes
températures sont représentées par les courbes des Figures 3a-3c. D’une manière
générale, la gélatinisation est faible voire nulle jusqu’à la température 50 °C ; mais
généralement elle s’amorce à partir de 60 °C. D’après les travaux d’Elevina [22] sur la
pomme de terre, le nombre de groupement phosphate dans l’amidon de la pomme de
terre est de 1 phosphate pour 200-400 unités glucose [22].
Dans le présent travail la Fa contient 0.24 g phopshate/100 g MS, ce qui correspond à
1℗/212 unités glucose contre 1℗/1263 dans la FMF et 1℗485 dans la FMS. Grâce à
leur charge, les groupements ℗ contribuent à la gélatinisation de l’amidon à basse
température. En effet, à partir de 60°C, la gélatinisation des échantillons a été
prononcée. Ainsi, il a été observé que les 3 échantillons avaient le même coefficient de
gélatinisation : car les 3 échantillons ont eu presque la même teneur en amidon. En
effet, l’équation du modèle indique que la température de demi-gélatinisation a été
égale à 73.88 °C. La cinétique de gélatinisation de la farine et des fécules de Cii a été
résumée par l’équation suivant :
__________________________________________________________________________
106 , 4
y =
 θ − 73 , 88 
−

 8 ,167 
1+ e
R ² = 0 , 9972
où l’on retient : Température d’incubation = θ (°C); Maximum de gélatinisation ou
constante pré-exponentielle A=106.4 ; Constante de gélatinisation KG=1/8.167θ =
-1
0.1224 °C ; Température de demie gélatinisation Tg50=3.88 °C. Par suite, la valeur de
l’énergie d’activation a été exprimée dans la gamme de température de 70 - 90 °C. Elle a
-1
été Ea=19.23-20.42 kJ.mol . Dans la même plage de températures, l’énergie d’activation
au cours de la gélatinisation de certains tubercules couramment consommés ont été
-1
-1
évaluées : D. dumetorum 32.8-61.34 kJ.mol
[13], taro 74.1-100.1 kJ.mol
[23].
Comparée à ces valeurs, la température d’activation de la gélatinisation, relativement
faible chez Cii, est indicative d’une préparation possible à basse température (< 85 °C)
ou préparations froides gélifiées.
F a rin e
y = 4,04 − 0,0681θ
R ² = 0,9648; p < 0,05
0 ,0
ln(1-a)
-0 ,5
-1 ,0
-1 ,5
-2 ,0
-2 ,5
60
65
70
75
80
85
90
T e m p й ra tu re d 'in c u b a tio n (°C )
Figure 3a. Gélatinisation de la farine de Cii.
F й c u le f r a оc h e
y = 4,8602 − 0,081θ
0 ,0
R ² = 0,9151; p < 0,05
ln(1-a)
-0 ,5
-1 ,0
-1 ,5
-2 ,0
-2 ,5
-3 ,0
60
65
70
75
80
85
T e m p й r a t u r e d 'in c u b a t io n ( °C ) , F F
Figure 3b. Gélatinisation de la fécule de la matière fraîche de Cii.
90
__________________________________________________________________________
F й c u le s и c h e
y = 3,972 − 0.612
0 ,0
R ² = 0,9648; p < 0,05
ln(1-a)
-0 , 5
-1 , 0
-1 , 5
-2 , 0
-2 , 5
60
65
70
75
80
85
90
T e m p й r a tu r e d 'in c u b a tio n ( °C ) , F S
Figure 3c. Gélatinisation de la fécule de la matière sèche de Cii.
Température d’incubation = θ (°C).
Par ailleurs, il a été montré que la teneur en eau de l’aliment pendant la cuisson
influence la vitesse de gélatinisation. Avec une faible teneur en eau, les aliments ont
tendance à présenter une phase de non gélatinisation avant que la gélatinisation
commence. Les études de Cabrera et al. [11] sur le maïs ont montré qu’une teneur en
eau minimale de 35% était nécessaire pour que commence la gélatinisation; or dans la
présente étude, les échantillons de Cii utilisés sont issus des tubercules frais qui avaient
une teneur en eau d’environ 61.58%. Ces échantillons ont une capacité d’absorption
d’eau de 94.50 ± 0.32% pour FMF, 114.24 ± 0.95% pour FMS et 121.12 ± 1.40% pour Fa.
Ce qui explique l’absence de période de non gélatinisation. Un résultat semblable Figure
3 : Cinétique de la gélatinisation de l’amidon des tubercules de Cii a été obtenu par
Njintang et Mbofung [23] avec le taro. Dans la présente étude, tous les échantillons ont
amorcé le processus de gélatinisation de manière prononcée à 60°C (Figures 3a-3c). La
faible énergie d’activation de la gélatinisation de l’amidon de Cii permettrait une cuisson
à température froide (< 85°C) ou moyenne (> 85°C) des préparations culinaires ou
médicinales sans détruire les principes actifs thermolabiles. Les mets ainsi préparés
pourraient être consommés en salade et la supplémentation de la ration pourrait garder
tout son sens nutritionnel.
Température de gélatinisation par DSC : Les résultats de la mesure de la
température de gélatinisation par DSC (Differential Scanning Calorimetry) pour Fa et
FMF sont présentés dans le Tableau 3.
Pour Fa, la température de gélatinisation varie de 73.84 °C à 78.27 °C avec un pic de
température correspondant à 76.09 ± 0.28 °C qui est la température de demigélatinisation. Pour la FMF, le pic a été obtenu à 64.97 ± 0.41 °C avec des variations
allant de 61. 56 °C à 70.07 °C. Ici, la variation de l’enthalpie est de 8.33 ± 0.54 J/g pour
la Fa contre 6.34 ± 0.04 J/g au niveau de la FMF. Les résultats des études de DSC
indiquent que les forces de liaison qui stabilisent la structure des granules dans
l’amidon de Cii étaient très inférieures à celles des granules de l’amidon de maïs [19].
Pour des farines de D. dumetorum, des recherches ont montré que les températures de
gélatinisation se situent entre 70 °C et 75 °C [13] avec une teneur en amylose variant de
9.7 à 11.2% [24]. Par ailleurs, la faible température de gélatinisation de 52-65 °C de
l’amidon de T. involucrata (=Cii) pourrait aussi s’expliquer par sa teneur en amylose de
36% contre 64% d’amylopectine [2]. Cette teneur élevée d’amylose contribuerait à une
forte rétrogradation de l’amidon gélatinisé et au renforcement de la teneur en fibres
[25]. Alors, il y a lieu de dire que la farine de Cii se gélatinise moins vite que sa fécule
composée essentiellement d’amidon.
__________________________________________________________________________
Tableau 3. Les moyennes des températures de gélatinisation des produits de Cii mesurées par DSC (Differential
Scanning Calorimetry).
Echantillons
T0
(°C)
Tp
(°C)
Tc
(°C)
∆H
(J.g-1)
Rgel
(°C)
PHI
(J.g-1.K-1)
Maïs [26]
67.30±0.41
70.97±0.16
76.25±1.78
7.01±1.73
8.95±2.19
1.89±0.48
Tacca
amidon [19]
65.57±0.77
68.56±0.46
73.10±1.15
3.49±1.55
7.53±1.66
1.14±0.46
Tacca Fa
(présent
travail)
73.84±0.04
b
76.09±0.28
b
78.27±0.33
Tacca FMF
(présent
travail)
61.56±0.23
a
64.97±0.41
a
70.07±0.81
b
8.33±0.54
b
4.43±0.37
a
6.34±0.04
a
3.70±2.25
a
8.51±0.30
b
1.86±0.22
Les moyennes de la même ligne portant en exposant des lettres différentes sont significativement différentes à p ≤
0.05, selon le test de Duncan.
To= température initial de gélatinisation ; Tp= température du pic de gélatinisation ; Tc= température conclusive de
gélatinisation ; ∆H = enthalpie de gélatinisation ; Rgel = amplitude de la température de gélatinisation ; PHI=indice de
la hauteur du pic de gélatinisation.
L’analyse de la couleur des échantillons
La couleur de la farine et des fécules issues des tubercules de Cii est un paramètre de
qualité importante susceptible d’influencer leur acceptabilité. Les paramètres L*a*b*
des 3 échantillons sont donnés dans le Tableau 4.
Tableau 4. L’analyse de la couleur des produits de Cii (L.) Kuntze.
Paramètres
Référence
Fa
FMF
L*
93.82
95.27 ± 0.17
a*
0.2
-0.07 ± 0.13
b*
2.63
8.12 ± 0.27
C*
2.64
8.12 ± 0.27
H*
85.63
90.55 ± 0.90
b
a
FMS
95.49 ± 0.24
b
91.76 ± 0.08
0.62 ± 0.01
b
0.38 ± 0.01
b
c
3.99 ± 0.15
a
6.76 ± 0.03
b
c
4.04 ± 0.15
a
6.77 ± 0.04
b
c
81.12 ± 0.45
a
86.76 ± 0.12
a
b
Moyenne ± erreur standard. n = 3.
Les moyennes de la même ligne portant en exposant des lettres différentes sont significativement différentes
à p ≤ 0.05 selon le test de Duncan. Fa = farine, FMF = fécule de la matière fraîche, FMS = fécule de la matière sèche.
L’analyse statistique de la luminance (L*) des fécules et de la Fa a révélé qu’il existe une
différence significative (p < 0.01) entre FMS et FMF ou Fa, mais une absence de
différence significative entre FMF ou Fa. Il en a été de même pour la balance rouge-vert
(a*) où la moyenne pour Fa a été significativement faible (p < 0.01) par rapport à celle
des fécules pour lesquelles il n’y a pas eu de différence (p < 0.01). Pour la balance
jaune-bleue, il y a eu tour à tour une différence significative entre les trois moyennes. De
manière générale, le trempage a augmenté les paramètres a*, b* et L* (rouge, jaune et
luminance respectivement) de la farine et des fécules, exception faite pour le paramètre
a* de Fa (a* < 0) et le paramètre L* de FMS où les valeurs ont diminué. La luminance L*
de Fa et celle de FMF ont été significativement différentes de celle de FMS. La faible
luminance de la FMS serait due aux réactions d’oxydation des composés phénoliques
[26] lors du trempage de la Fa. Pour la FMF, la moindre portion râpée tombait
directement dans l’eau de trempage et le brunissement enzymatique aurait donc été
prévenu précocement [27,28].
b
a
__________________________________________________________________________
Conclusion
L’amidon de T. leontopetaloides présente des propriétés physico-chimiques et
fonctionnelles appréciables. Sa farine et ses fécules ont de densités massiques
comparables à celles des tubercules couramment consommés; elles possèdent une faible
capacité d’absorption d’eau et ont la plus petite concentration gélifiante très faible. Par
ailleurs, les fécules ont une température de gélatinisation faible que celle de la farine.
Ces propriétés confèrent au tubercule de T. leontopetaloides des aptitudes industrielles
ou pharmacologiques.
Cependant, beaucoup de travaux restent à réaliser sur le tubercule de T.
leontopetaloides : cinétique de séchage et de sorption, la capacité d’absorption d’huile,
le pouvoir gonflant, la capacité émulsifiante, la rhéologie de l’amidon du tubercule.
Aussi, il est nécessaire d’effectuer l’étude de la conservation d’au moins huit (8) mois
des fécules et farines, l’étude des propriétés physico-chimiques des fécules en cours de
conservation pour répondre aux problèmes alimentaires quotidiens sans cesse
croissants dans les pays en développement.
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__________________________________________________________________________
Revue de
Génie Industriel
ISSN 1313-8871
Electrochemical detection in environmental cyanide monitoring :
review
Andriana R. Surleva
Department of Analytical Chemistry, University of Chemical Technology and Metallurgy, 8 Kl.
Ohridski blvd., 1756 Sofia, Bulgaria, e-mail : [email protected]
Revised and accepted 05 June 2009 / Available online 01 July 2009
Abstract
The present review summarizes the cyanide determination in environmental
monitoring. The standard methods and their alternatives are discussed concerning
modern aspects of automatic portable systems design. The main requirements to
detection systems in flow injection analysis, which is well-known to be the most
suitable for automation, have been emphasized. Considering the need of automatic
detection systems of low cost and low dimensions, the potential of electrochemical
measurements (amperometric and potentiometric) is discussed in details.
Resumé
La revue présentée fait le sommaire sur la détermination du cyanure dans l’analyse
environnementale. Les méthodes standard et leurs alternatives sont discutées de
point de vue les aspects modernes du design des systèmes automatiques portables.
Les exigences principales envers les systèmes de détection pour les analyses par
injection en écoulement, qui sont le mieux adaptés pour l’automation, sont
présentées. En prenant en compte les besoins des systèmes de détection
automatiques à bas prix et à petites dimensions, l’applicabilité des mesures
électrochimiques (ampérométriques et potentiométriques) est discutée in détails.
Keywords : cyanide determination, electrochemical detection, flow injection analysis,
thin-layer membrane, metal chalcogenides, cyanide speciation
Mot-clés : détermination de cyanure, détection électrochimique, analyse par injection
en écoulement, membrane à couche mince, chalcogénides métalliques, spécification
de cyanure
Introduction
Cyanide is one of the most toxic inorganic substances. It is emitted into the environment
mainly with industrial waste water. The requirements of Water Authorities regarding
cyanide discharge are getting more and more stringent every year. At the same time the
industrial sources of cyanide contamination are continuously increasing in number. The
annual production of KCN is about 1.4 millions tons and 13% of it is used in refining
metallurgical processes [1]. Although the cyanide-containing water discharge is strictly
regulated and pre-treatment procedures are strongly recommended, some industrial
accidents have been reported [2]. A deferential approach to detoxification has to be
applied so that the ecological equilibrium will not to be disturbed at a large scale.
Quickly available and highly reliable information about cyanide contamination is
required.
__________________________________________________________________________
The specificity of cyanide as a pollutant is of special concern. From environmental point
of view, cyanide-containing substances have different toxicity and environmental fate.
Hence, species specific information is needed [3]. From analytical perspective, the
cyanide content quantification depends on the analytical method used [4].
Considering the great diversity of toxicity that cyanide species exhibit, cyanide
pollutants have been officially classified into three groups:
a) free cyanide-including HCN, alkaline and alkaline earth cyanides ;
b) weak acid dissociable cyanide (WAD)-a collective term for free cyanide and metal32222cyanide complexes (Ag(CN)2 , Cu(CN)4 , Cd(CN)4 , Zn(CN)4 , Hg(CN)4 , Ni(CN)4 ),
which easily release HCN under slightly acidic environmental conditions ;
c) total cyanide-each potential source of HCN regardless of its origin [5]. The term
“cyanide” refers to all CN groups that can be determined analytically as cyanide ion
(CN ) via spectrometric or electrochemical measurements, usually following appropriate
sample pre-treatment to release CN [6].
The Environmental Protection Agencies have imposed maximum contaminant levels
(MLC) for cyanide discharge into the environment. The MLC for WAD cyanide vary from
0.05 to 0.07 μg/l for drinking water and in the range between 200-500 μg/l for waste
water [5,7,8]. The MCL for total cyanide is much higher–1 mg/l. The group of WAD
cyanide has been a subject of special consideration as the assessment of environmental
risk and efficiency of detoxification procedures depend on its analytical quantification.
This review is aimed at presenting the available methods for cyanide determination and
assessing their flexibility regarding their application in automated portable analyzers.
The potential of electrochemical detection is specially emphasized in view of its
suitability for automation and miniaturization.
Standard methods for cyanide determination
The common standard method for total cyanide determination is based on the release of
HCN from an acidified with sulfuric acid sample, following an hour-long distillation
procedure [6]. Afterwards, the HCN gas formed is absorbed in an alkaline solution. The
cyanide concentration in the solution is then quantified using spectrophotometric or
potentiometric measurement. Since cyanide species exhibit different toxicity
characteristics, as well as physico-chemical properties, the total cyanide content is not
appropriate for environmental risk assessment. The much more apposite data is
obtained when the cyanide amenable to chlorination method (CATC) is used [6,9].
The procedure consists of two analytical measurements: total cyanide and cyanide after
chlorination. However, this method has a number of drawbacks: many interferents,
incomplete release of bound cyanide, strong concentration dependence. The standard
method for WAD cyanide determination at pH approximately 5 with a
spectrophotometric or potentiometric finish should be regarded as an improved version
of CATC [10]. Its advantages are the shorter procedure-only one measurement, and less
interference from matrix components.
Although still widely accepted, the above enumerated methods exhibit various
limitations [11-17] : (i) cyanide recovery higher than 100% in complex matrices ; (ii) low
precision and accuracy ; (iii) incomplete recovery for nickel and mercury cyanide species
; (iv) time-consuming procedures ; (v) large amount of lab waste and generation of
poisonous HCN ; (vi) batch methods are not amenable to automation.
The substitution of distillation with micro-diffusion, where almost 50% pre-concentration
can be achieved, comes to improve and simplify the separation procedure. The new
procedure, however, is still time-consuming and often suffers from incomplete transfer
of CN- into the acceptor solution [17,18].
__________________________________________________________________________
Modern trends in cyanide determination
Recently a trend to substitute the classical cyanide separation with the well-elaborated
in flow-injection analysis on-line separation as gas-diffusion [19-27] and pervaporation
[28] has been observed. In gas-diffusion method cyanide is released in a donor stream
with low pH and then it diffuses into an alkaline acceptor stream through hydrophobic
semi-permeable membrane. Inherent advantages of this mode of separation are the
2extremely high selectivity (only S interferes with CN determination) and the bound
cyanide release. In that way most of WAD cyanide complexes can be determined, but for
total WAD cyanide determination gas-diffusion has to be combined with appropriate
destructive procedure. UV [29-32] or microwave [33] irradiation, and ligand exchange
[14-16,22,23,31,33] sample pre-treatment have been reported.
Although the gas-diffusion separation is not effective enough – the efficiency reported is
under 20% [27,34], a better on-line alternative to this approach has not been proposed
so far. The incomplete transfer of released cyanide to the acceptor solution imposes
more sensitive cyanide detection system to be used, so as the ecologically admissible
levels to be determined.
A number of detectors that meet this requirement to a different extent have been
reported. The amperometric detection is well-recognized for their environmentally
-7
-4
suitable working range (3x10 ÷ 1x10 M CN ) [13,17,26,28,29,34,35-37]. However, the
amperometric electrodes lack enough selectivity and it is essential to use them after a
separation procedure. The potentiometric Au- and Ag- electrodes have been successfully
combined with gas-diffusion or pervaporation techniques and on this basis a portable
analyzing system has been developed [38-40]. The cyanide ion-selective electrodes,
although their numerous advantages, have not proved appropriate for on-line cyanide
environmental monitoring so far. This topic will be discussed in details later. Recently
luminescent and fluorescent sensors, whose limits of detection are below the MCL, have
been proposed [41,42]. The quartz crystal microbalance based detectors seems to be
promising cyanide sensors with low detection limit and simple transduction principle,
but the research in this area is still at an early stage [11,43,44].
Some on-line techniques have been also used for cyanide pre-concentration: stop-flow,
microexraction, ion-exchange adsorption columns, or chromatography [19,22,27,39,4548]. However, the equipment is too difficult to miniaturize, or is too expensive for
routine laboratory work.
A comprehensive research on the cyanide determination methods has been done by the
teams of Sebroski, Miloslavlevich and Ingersol [4,13,14,16]. As a result of their intensive
studies the on-line cyanide determination method has been approved by EPA as Method
OIA -1677 : available cyanide by flow-injection, ligand exchange, and amperometry [37].
Cyanide ion (CN ), hydrogen cyanide in water (HCNaq), and cyano-complexes of zinc,
copper, cadmium, mercury, nickel, and silver can be determined.
The analytical procedure is performed in two stages: sample pre-treatment and cyanide
detection. In the pre-treatment step, ligand exchange reagents are added at room
temperature to the cyanide containing sample. The ligand-exchange reagents form
thermodynamically stable complexes with the transition metal ions, resulting in release
of cyanide from the metal-cyanide complexes. An aliquot of the pretreated sample is
injected into the flow injection manifold. Cyanide ion converts to HCN in a donor stream
containing hydrochloric acid. The HCN formed passes selectively through a gas-diffusion
hydrophobic membrane into an alkaline acceptor solution, where it transforms to
cyanide ion again. The latter is monitored amperometrically with silver working
electrode, silver/silver chloride reference electrode, and platinum/ stainless steel
counter electrode, at an applied potential of zero volt. The current generated is
proportional to the cyanide concentration present in the original sample. The method
detection limit is 0.5 μg/l and the minimum quantification level is 2.0 μg/l. The dynamic
range is approximately 2.0 μg/l to 5.0 mg/l CN . A slightly modified method for aquatic
__________________________________________________________________________
free cyanide is available [49]. The free cyanide and metal-cyanide complexes dissociable
at pH 6-8 are determined without using ligand-exchange sample pre-treatment.
-
Although these methods have a number of advantages: high selectivity (S2 is the only
known interferent) ; better precision and accuracy ; lower cyanide content determined ;
reduced sample volumes and lab wastes ; healthier working environment ; full recovery
2of cyanide from the problematic Hg(CN)4 [16,50], the on-line gas-diffusion stage is still
their bottleneck [27]. Thus the need of sample separation restricts the method utilization
in portable automated analytical systems. This problem could be easily obviated suppose
a selective detector system could be developed.
Ion-selective electrodes as sensors for cyanide determination
The great advantage of ion-selective electrodes (ISE) to measure directly the free
cyanide concentration, as well as their high selectivity and wide concentration range are
well-known and they are often used in standard batch methods [51-53]. There are two
approaches to cyanide determination:
- Direct potentiometry with cyanide ion-selective electrodes, based on homogeneous or
heterogeneous AgI and/or Ag2S. The electrode response to cyanide is governed by
dissolution (corrosion) mechanism with 58 mV/dec theoretical slope [54-61]:
AgI + 2CN − ⇔ Ag (CN )2 + I −
−
The main drawbacks are poor signal stability, short life-time, slow response time and
high detection limit. With mixed type AgI/Ag2S membrane a better stability of the
response is achieved [62]. A different mechanism is considered to govern cyanide
response of homogeneous Ag2S membranes [57,61,63,64]. According to Morf’s theory its
theoretical slope is approximately 120 mV/dec [65], thus ensuring a better accuracy. The
signal and long-term stability are guaranteed by the low solubility of Ag2S and the
potential determining mechanism.
- Indirect potentiometry, also known as “indicator technique” [57,64,66]. The Ag2S
+
pressed-pellet membrane is used to measure the decrease of free Ag when CN are
added to Ag(CN)2 indicator solution. It was proposed in attempt to achieve lower
operating levels and extended electrode lifetimes. This technique has been successfully
applied to flow and flow injection mode, as recently reported [67-70]. The determination
-7
-7
limit is between 4x10 and 6.3x10 M CN and the sample throughput ranges from 6 to
-1
75 samples h [68,70].
Cyanide-selective electrodes as flow injection detectors
The simplicity of on-line signal measuring equipment together with their unique ability
to respond directly to the most toxic cyanide species, make the cyanide-selective
electrodes preferred for in-field monitoring [71,72]. Their analytical characteristics in
the equilibrium mode of measurement (batch and continuous flow mode) are entirely in
compliance with the ecological limits of detection. However, in the dynamic (nonequilibrium) flow injection mode the limit of detection increases and the linear working
-5
-3
range shortens (1x10 ÷ 1x10 M CN ) [73-80]. An additional limitation is the flow
injection signal dependency on concentration direction of injected samples [60].
Some authors explained the above disappointing results in the flow injection mode as an
inherent feature of the experimental mode itself [81,82]. They totally neglected the
contribution of the dynamic characteristics of ion-selective membrane to the observed
negative phenomenon. This theory has blocked the research on new membrane
materials for cyanide sensing electrodes for a long time. Several heterogeneous
modifications of the already existing membrane compositions and new geometric shapes
to fit the flow experiment have been reported, but they do not seem reliable enough for
flow injection application [59,83,84]. It was Van Staden who first pointed out that the
__________________________________________________________________________
flow injection signal of the solid-state chalcogenide ion-selective detectors depended not
only on hydrodynamic conditions, but on the electrode characteristics as well [85,86].
These new theoretical findings initiated research towards examining new materials for
cyanide responsive membranes which to meet better the on-line requirements.
Nowadays, the modern theory of flow analysis accepts the concept that the sensor’s
dynamic characteristics are essential prerequisites for increasing the lower detection
limit under flow injection mode [87].
Yet, the widespread application of flow injection potentiometry is strongly restricted by
unsatisfactory dynamic characteristics of commercially available cyanide ion-selective
electrodes [79] and their difficult attachment to flow injection detector cells [88].
New technological approaches to ion-selective membrane preparation
The widely used pressed-pellet technology for ISE membrane preparation, however,
strongly limits the choice of membrane materials due to the restricting requirement for
appropriate plasticity. Thus, the search for implementing new materials as active
membranes calls for new technological approaches to be invented, which have to
produce: (i) chemically and mechanically stable materials, so as long-term stability of
sensor to be guaranteed ; (ii) membranes in compact form with perfect adhesion, so that
membrane geometry can be easily changed ; (iii) membrane with variable geometry and
shape suitable for miniaturization and incorporation in automated in-field analyzers. At
the same time, the technology has to be ecologically friendly and cost effective.
Once it was clear that membrane thickness was not a factor for ion-selective response
[89,90], the research works focused on developing technological processes capable to
produce thin layers with chemical composition and characteristic suitable for automatic
sensor devices. This marked a new stage in the ion-selective theory and practice.
The methods for thin layer preparation can be classified into two groups:
3) Processes in gas phase: vacuum evaporation, chemical vapor deposition, molecule
beam sputtering, pulsed laser deposition, RF co-sputtering. These techniques have
been applied to membrane preparation, extending the range of ion-selective
materials by a large group of chalcogenide glasses. Unfortunately, no cyanideselective membranes obtained by the new approaches have been reported so far.
4) Processes in liquid phase: chemical coating, chemical bath deposition,
electrochemical deposition. The cyanide ion-selective flow injection detectors were
prepared using the chemical coating of silver substrate with Ag2S or AgI layers, but
the film parameters were not reproducibly controlled resulting in irreproducible
analytical behavior [76].
Two approaches to electrochemical deposition exist. The first is anodic deposition,
where the anode is made of the metal, whose chalcogenide is obtained. The metal is
222electro-oxidized in a solution containing the relevant chalcogene (S , Se , Te ). The
second approach is cathodic deposition. It is based on the concept of inductive codeposition, which comes from the experimental fact that in the presence of heavy metal
ions, the electro-reduction of chalcogene oxygen-containing anions (Se(IV), Te(IV),
As(III)) goes down to the corresponding metal chalcogenides [91-93].
Electrochemically deposited ion-selective flow injection potentiometric
detectors
The induced co-deposition of metal chalcogenides was adapted to developing of ionselective electrodes by M. Neshkova’s team [94-103]. The strategy is based on in-situ
cathodic potentiostatic deposition of thin films (1-2 μm) of the binary or ternary
chalcogenide compound of non-trivial composition and stoichiometry, onto a conducting
substrate, shaped appropriately as detectors. The resulting layers fall in the theoretical
__________________________________________________________________________
class of “all-solid-state” electrodes [104,105], schematically represented by the following
half-cell:
Pt |MnX (X=S,Se,Te) | test solution
According to the theory, the “all-solid-state” ion-selective electrodes are surface sensors
and their response is formed on the membrane/solution interface [104-107]. Their
analytical behavior is governed by the nature of electrical conductivity and
stoichiometry of corresponding chalcogenide [107]. This fact imposes new requirements
to phase composition and morphology of cyanide-selective membranes. The phase
composition has to ensure fast reversible processes on both sides of the membrane
layer, while the membrane morphology has to provide fast adsorption and desorption
processes of potential determining species.
Using induced co-depositon a number of silver chalcogenide thin films with various
stoichiometry, structure and morphology were synthesized and studied as cyanide ionselective sensors in flow injection mode: Ag2+δSe, Ag2+δSe1-xTex (0≤δ≥0.25 and x≈0.13),
Ag2Se, Ag2Se1-xTex, Ag2S, Ag2S/AgSCN [70,108,109]. The type of chalcogene anion, the
stoichiometry with respect to silver, the inclusion of Te-dopant and the phase
homogeneity were chosen as main variables to assess the effect of membrane
composition on their flow injection cyanide-selective response. A distinguishing feature
of silver selenide hyper-stoichiometric membranes is that they are electrochemically
stabilized at ambient temperature analogs to the respective high-temperature phases
with specific electro-physical features, which are the main factor for improving the
dynamic membrane behavior [110]. The results of flow injection tests are summarized in
Table 1.
Table 1. Analytical characteristics of thin layer electrodeposited membranes as flow injection ion-selective
detectors for cyanide.
Membrane
Linear range
μg/l CN
-
Regression
Slope,
Limit of detection,
coefficient
mV/pCN
μg/l CN
Ag2+δSe
135-27 000
0.9996
108
54
Ag2+δSe1-xTex
135-27 000
0.9990
101
108
Ag2Se
135-27 000
0.9993
100
81
Ag2Se1-xTex
135-2 700
0.9992
111
121
Ag2S
2 700-27 000
0.9983
264
1890
27 000-270 000
0.9993
143
540-27 000
0.9992
158
AgSCN/Ag2S
-
320
A direct analytical consequence of the improved dynamic characteristics of cyanideselective membranes based on electro-synthesized silver selenides: Ag2+δSe, Ag2Se,
Ag2+δSe1-xTex, Ag2Se1-xTex, is the lowered limit of Nernstian behavior (more than an
order of magnitude) which is in compliance with the ecologically admissible cyanide
levels (up to 200 ÷ 500 μg/l WAD cyanide). It is 100 times lower than that reported for
the AgI/Ag2S [74], 10 times better than that for Ag-metal electrode [39] and 2.5 times
lower than reported detection limit for the portable potentiometric analyzer based on
Au-electrodes [38].
Another consequence is the silver selenide membranes signal height independence of
hydrodynamic conditions within a wide range of flow rates. Hence, the sensitivity is
preserved, whereas the sample throughput can be increased by raising the flow rate.
-1
The achieved sample throughput is 65 samples h in the environmentally important
__________________________________________________________________________
-6
-5
-
range (5x10 to 5x10 M CN ). The stable base line and excellent signal reproducibility,
regardless the concentration direction of injected samples, come as an additional bonus.
The selectivity towards cyanide in the presence of interferents, the most typical for
cyanide effluents, is considerably improved. A distinguish feature of the silver selenide
membranes is that they do not get “poisoned” by sulfide ion and quickly restore their
signal when cyanide standards are injected.
The fact that such active membrane compositions can not be prepared by the classic
press-pellet technology and the new physical approaches is worth a special mention.
Therefore, the range of cyanide sensitive materials is extended by a group of electrosynthesized silver chalcogenides. Moreover, using cathodic deposition it was possible to
assess the effect of membrane composition variables on the flow injection performance
of the membranes under identical experimental conditions. The results revealed that the
type of chalcogene anion in the membrane composition has a dominant effect. Both
silver selenide membranes and Te-doped ones guarantee the best lower detection limit
for CN . The effect of silver stiochiometry and inclusion of Te-dopant is more pronounced
on the signal profile and less pronounced on the membrane selectivity and base line
stability.
From technological point of view, the induced cathodic codeposition has additional
advantages. The layer composition is easily optimized through simple trial-and-error
procedure by varying the electrolytic bath composition or changing the parameters of
the electrochemical deposition. The inherent feature of potentiostatic deposition
guarantees the process selectivity and reproducible film characteristics. The obtained
layers can be re-deposited when damaged. This “reducing cost’ effect is of great
importance, since the sensor is the most expensive module in the analytical equipment.
The membranes are deposited from aqueous solutions at room temperature and
pressure. The equipment used is cheap and easy to operate with. The only limitation is
related to the choice of substrate material-only conductive materials can be used.
Based on the newly developed cyanide selective electrodes, a flow injection method for
WAD cyanide determination without separation has been recently reported by our group
[109]. The flow injection detection system uses thin-layer electroplated silver selenide
membranes with non-trivial stoichiometry and surface morphology: Ag2+δSe and
Ag2+δSe1-xTex. Their inherent feature is the specific response to the sum of : CN +
22Cd(CN)4 + Zn(CN)4 .
For total WAD cyanide determination, ligand exchange or newly developed
electrochemical pretreatment procedure for release of the bound cyanide was used. Due
to the specific detector features it became possible individual or group speciation of the
toxic WAD cyanide to be performed for the first time.
Cyanide speciation was accomplished applying three consecutive measurements of: 1)
non-treated, 2) ligand-exchange pre-treated, and 3) electrochemically pre-treated
sample. Some of the results are summarized in Table 2 (for details refer to [109]).
The procedure ensures all WAD cyanide to be determined along with its quantitative
222differentiation in the following groups: 1) Hg(CN)4 ; 2) CN +Cd(CN)4 +Zn(CN)4 ; 3)
232Ni(CN)4 +Cu(CN)4 +Ag(CN) . Because of the high selectivity of the sensors in the
presence of common matrix components and ligand-exchange reagent, the gas-diffusion
separation step was skipped. The recovery of toxic WAD cyanide is complete in the
concentration ranges from 156 µg/l up to 13 mg/l. This procedure meets the recently
increasing demand for cyanide-species-specific methods.
__________________________________________________________________________
Table 2. Individual and group speciation following the newly developed protocol for WAD determination.
sample composition
procedure
obtained, %
spiked
(3)
100 %
WAD
-
(2)
(1)
calc.1 = (3)-(2)
calc.2 = (2)-(1)
92 % CN + Me(CN)4
54 %
-
n-4
(Me=Cd, Zn)
8%
Hg(CN)4
2-
38 %
Me(CN)4
n-4
with
interferents
99.5±3.2
95.0±1.8
88.6±2.3
84.7±1.5
51.8±2.9
54.2±0.8
9.9
9.3
36.2
30.5
n-4
(Me=Cd, Zn, Ni, Cu, Ag)
CN +Me(CN)4
without
interferents
(Me= Ni, Cu, Ag)
+
2-
The total WAD cyanide concentration is 5x10-5 M and the total concentration of interferents (CO3 , SCN-, NH4 ,
2SO4 , Cl ) is 7.5x10-3 M.
Conclusions
The review provides a good example how the ecological needs motivate the research
and development of new approaches and instrumentation. Lately, the potentiometric
detection has lost its advantages, when on-line systems have been introduced. In
portable devices the amperomeric detection has been given preference regardless its
low selectivity, which calls for cyanide separation. The breakthrough in this area is the
thin-layer electrochemically deposited ion-selective membranes. Their distinctive
dynamic features ensure considerably improved analytical characteristics as flow
injection cyanide detectors. They are fully competitive with amperometric detection as
far as the lower linear limit, sample throughput, and sensitivity are concerned.
Moreover, the potentiometric detectors offer additional advantages: (i) selective
response so as the separation step could be omitted and thus the equipment simplified ;
(ii) cyanide speciation. The thin-layer electro-synthesis is a simple, cost-effective and
renewable technological approach to ion-selective membranes preparation, which
provides potentiometric cyanide detection system for on-line in-field cyanide monitoring.
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