Article en texte intégral, format PDF - e

Revue de génie industriel 2012, 8, 63-75
Revue de
Génie Industriel
ISSN 1313-8871
http://www.revue-genie-industriel.info
Optimisation des conditions de culturation et élaboration d’un
schéma technologique de production d’enzyme xylanolitique de
Bacillus subtilis pour application dans la panification
*
Valentina Dobreva , Rosen Chochkov, Georgi Dobrev, Boriana Zhekova, Mima
Hadjikinova
Université des technologies alimentaires, Plovdiv, Bulgarie
* Auteur correspondant : e-mail : [email protected]
Révisé et accepté : le 30 juin 2012 / Disponible sur Internet : le 15 août 2012
Résumé
Un plan optimal de composition (OCD) a été exécuté et les valeurs optimales du pH
initial du milieu de culture et les valeurs de la température de culturation profonde du
Bacillus subtilis sont déterminées en raison de réaliser une activité enzymatique
maximale. Les conditions optimales d’exécution d’ultrafiltration, de concentration
sous vide et du séchage lyophile sont également déterminées. Un schéma
technologique de production du produit enzymatique xylanolitique a été élaboré et
l’influence de l’enzyme sur le volume de pain de blé et de pain d’orge a été étudiée.
Une augmentation significative du volume du pain a été atteinte comme le résultat de
l’application de l’enzyme xylanolitique.
Abstract
The optimal values of pH of the nutrient medium and the temperature of the
submerged cultivation of Bacillus subtilis for production of maximal xylanase activity
were determined by using optimal composite design (OCD). The optimal conditions
for performance of ultrafiltration, vacuum concentration and freeze drying were also
established. A technological scheme for production of xylanase enzyme preparation
was developed. The enzyme produced was tested in bread production for its effect on
the volume of wheat and barley bread. A significant increase in bread volume was
achieved as a result of the use of xylanase enzyme.
Mots-clés : xylanase, Bacillus subtilis, pain
Keywords : xylanase, Bacillus subtilis, bread
Introduction
Les enzymes sont des protéines qui, en raison de leurs propriétés spécifiques,
participent à la synthèse de molécules. Elles peuvent accélérer certaines réactions
chimiques par des facteurs de cent millions. Dans des conditions particulières, elles
rendent possible de nombreux processus. Elles sont utilisées comme produits finaux,
mais aussi comme agents de fabrication industrielle. Les enzymes sont utilisées dans
toutes les industries de la fermentation, que ce soit pour les produits agroalimentaires
(distillerie, jus de fruit, sucre, condiments, additifs, viandes, céréales, laits, fromages,
plats cuisinés, pain, biscuiterie), dans l’industrie pharmaceutique (antibiotiques, acides
divers, vitamines), l’industrie biomédicale (protéines recombinantes, réactifs), les
63
Revue de génie industriel 2012, 8, 63-75
industries biochimiques du nettoyage et
détergents,traitement de l’eau et des surfaces).
de
la
décontamination
(lessives,
L’utilisation des enzymes donne la possibilité de résoudre de graves problèmes
technologiques et d’obtenir un produit dont les indices qualitatifs sont meilleurs.
Les données provenant d’études de marché global des enzymes industrielles montrent
leur large mise en pratique dans différents domaines de l’industrie agroalimentaire.
Les pronostics pour l’année 2012 sur les ventes d’enzymes (en million $) sont les
suivants : en industrie légère- 1355,0, en industrie alimentaire- 1010,0 et en élevage375,0 [1].
Les enzymes xylanolytiques (les xylanases) sont le seul groupe d’enzymes parmi les
hemicellulases qui trouvent application dans l’industrie alimentaire et l’industrie de
production du papier. Les xylanases catalysent l’hydrolyse de la xylane jusqu’aux
xylanosacharides de poids moléculaire plus faible. La xylane représente 30 % de la
masse sèche des plantes. L’enzyme principale dans la composition du complexe
xylanolytique est endo- β – 1, 4- xylanase (EC 3.2.1.8). Les autres enzymes qui font
partie de ce complexe sont : β- xylosidase (EC 3.2.1.37), ά- L- arabinofuranosidase (EC
3.2.1.55), acetylxylane estérase (EC 3.1.1.72), les estérases d’acide ferulorique (EC
3.1.1.73) et d’acide ρ- cumarique (EC 3.1.1) [2,3].
Les domaines principaux d’application des enzymes xylanolytiques sont la panification
et l’industrie du papier (bio blanchissage de la pulpe plante pour obtenir papier du haut
qualité).
L’hydrolyse enzymatique de xylane emmène au changement de ses propriétés physicochimiques, technologiques et fonctionnelles. Au cour de ce procédés les arabinoxylanes
insolubles dans l’eau se transforment en arabinoxylanes enzymes solubles. Utilisées
dans la panification les arabinoxylanes enzyme solubles assurent la répartition uniforme
de l’eau dans la pâte et l’augmentation de sa viscosité. Alors la fermentation devient
plus intensive et la volume du pain agrandit [4,5]. Les arabinoxylanes eau solubles et les
arabinoxylanes enzyme solubles sont des substances tensioactives et font la structure du
pain plus fine. Ils réagissent avec l’amidon et de cette manière ils gênent le déroulement
du procès rétrogradation et le pain produit ne change pas ses indices qualificatifs
[4,6,7].
L’utilisation de la xylanase dans la panification assure une production du pain dont les
propriétés diététiques et salubres sont améliorées.
Il est prouvé qu’il existe une influence positive des fibres alimentaires sur la santé
d’homme. Certains auteurs constatent qu’il est nécessaire la ration quotidienne
d’homme d’inclure 25-30 g de fibres.
La structure des fibres alimentaires est composée de polysaccharides hemicellulases
parmi lesquels les principaux sont les arabinoxylanes. La source générale de fibres dans
la farine est les sons de blé [8]. Il est prouvé que la composition des arabinoxylanes dans
la farine de blé est 2-3 % et d’après Dobrev et al. la quantité des arabinoxylanes dans
les sons de blé est 17,3 % [9]. L’insertion des sons de blé dans la farine assure les
quantités de fibres alimentaires nécessaires mais elle endommage certaines des
caractéristiques qualificatives du pain. Elle emmène a la diminution de la volume du
pain et d’élasticité de la miette. Certains auteurs supposent que cet effet négatif sur la
structure de la pâte est dû à la destruction de réseau de gluten ce qui permet aux bulles
gazeuses d’agrandir et agglomérer.
Sauf la méthode d’enrichissement de la farine par des sons de blé on utilise aussi la
possibilité d’incorporer différents types de farines par exemple la farine d’orge. D’après
les données de Helm et Francisco, 2004, le continu de fibres alimentaires dans la farine
d’orge est 7,5-16,8 % [10].
Une des possibilités d’augmenter la qualité du pain produit de farine avec haut continu
de fibres est l’utilisation des enzymes xylanolytiques [11].
64
Revue de génie industriel 2012, 8, 63-75
L’intérêt accru pour la production industrielle des enzymes exige le développement des
méthodes de leur biosynthèse. Les producteurs microbiens d’enzymes se référent aux
groupes des moisissures et des bactéries. Fréquemment les producteurs d’enzymes
xylanolytiques sont des souches bactériennes et des souches moules [11,12]. La
détermination des conditions optimales d’inoculation de producteur microbien et la
composition du milieu nutritif est préalable pour atteindre une haute activité
enzymatique [13,14].
Les méthodes de modélisation mathématique trouvent une large application dans
l’industrie biotechnologique. Ces méthodes donnent la possibilité d’optimiser les
conditions d’incubation.
La biosynthèse des produits enzymatiques comprend des procès après fermentatifs qui
visent la concentration et la purification partielle de l’enzyme. Dans ce but les procès
largement utilisés sont l’ultrafiltration et la précipitation d’enzymes par dessalement ou
bien par traitement avec des solutions organiques comme l’éthanol ou acétone. La
lyophilisation est une méthode aussi convenable pour le séchage d’enzymes.
Toutes ces méthodes sont caractérisées par l’obtention d’un haut rendement d’enzymes
dont la structure native est bien conservée.
Le but de ce travail est de déterminer les conditions optimales de l’obtention du produit
enzymatique xylanolytique par l’ensemencement profonde de Bacillus subtilis et
l’analyse de l’influence de l’enzyme obtenu sur certaines caractéristiques qualificatives
du produit final (le pain) et son application dans la panification.
Matériaux et Méthodologie
Souche microbienne
La souche microbienne utilisée dans nos analyses était Bacillus subtilis. Le maintient da
3
la souche est fait sur un milieu nutritif dont la composition (g/dm ) est la suivante :
bouillon de pepsine – 13.0 ; agar – 20.0. Le pH du milieu nutritif est corrigé jusqu'à 7.27.5. Le milieu nutritif est stérilisé à 121 °C en 30 min. La souche développée en
éprouvettes sur agar incliné est conservée au cour de 3 mois a 4 °C.
Préparation d’un produit végétatif d’ensemencement
3
Il est préparé un milieu nutritif dont la composition (g/dm ) est la suivante : sons de blé
– 20,0 ; épis de mais – 10,0 ; gruau de soya – 10.,0 ; (NH4)2HPO4 - 5.0, K2HPO4 - 2.0.
3
La préparation de culture est fait en cornues de volume de 500 cm , dans lesquelles est
3
placé le milieu nutritif de volume 50 cm . Apres stérilisation à 121 °C en 30 min, les
3
8
échantillons sont ensemencées de 2,5 cm de suspension sporogène contenant 10
spores/сm³. L’incubation de la souche est réalisée à l’aide d’un agitateur thermostat à
180 min‫־‬¹ en 24 h, où la température du milieu réactionnel est constante- 30 °C.
Biosynthèse de xylanase
3
La préparation de culture est fait en cornues de volume de 500 cm , dans lesquelles est
3
placé le milieu nutritif de volume 50 cm . Le pH du milieu nutritif est corrigé jusqu'à
7.0-7.2. La correction du pH est suivie par une stérilisation à 121 °C en 30 min. Les
échantillons sont ensemencés de culture en concentration de 10 %. L’incubation des
‫־‬¹
échantillons est réalisée à l’aide d’un agitateur thermostat à 180 min en 48 h dans les
conditions appropriées (Tableau 1). Il est préparé un milieu nutritif dont la composition
3
(g/dm ) est la suivante : des sons de blé- 60,0 ; (NH4)2HPO4-11,5, peptone- 10,0, MgSO4
1,0.
Optimisation des conditions d’incubation par les méthodes de la régression logistique
Pour étudier l’influence des conditions d’incubation de milieu nutritif sur l’activité de
2
xylanase est réalisé un plan optimal de composition d’ordre 2 . Ils sont étudiés deux
paramètres : influence du pH initial du milieu nutritif et la température d’incubation.
65
Revue de génie industriel 2012, 8, 63-75
Les intervalles de variation des facteurs étudiés sont montrés au Tableau 1.
Tableau 1. Niveau des variables indépendantes analysés par un plan optimal de composition
Intervalle de variation
Variables indépendantes
-1
X1 – pH initial
X2 – t °C d’incubation
0
1
4,8
6.8
8.8
25
30
35
La codification des variables indépendantes est effectuée à la base de la formule (1) :
xi = (Xi - Xio) / ∆ Xi
(1)
avec :
Xi – valeur réelle de i -facteur ,
Xio – point centrale de l’intervalle de variation de i- facteur ;
∆ Xi – pas de variation de i- facteur.
En résultat d’expériences mathématiques réalisées sont composées des équations
régressives de type général :
Ŷ = bo + ∑ bi . xi + ∑ bij . xi . xj + ∑ bij . xi
2
(2)
Echelle des étapes du schéma technologique de la biosynthèse de la xylanase
Ultrafiltration
3
Les traitements d’ultrafiltration de milieu de culture dont le volume est 50 cm sont
effectués à l’aide de cellules munies d’agitateur magnétique, modèle Amicon. Les
membranes de polypropylène mises en œuvre sont de type PP10, PP25, PP100. Le
volume de milieu de culture a été concentré cinq fois. Le procès a été réalisé aux
conditions suivantes : température ambiante et pression 0,5 MPa.
Evaporation sous vide
3
Un concentrât de volume 300 cm a été soumis a évaporation sous vide dans un appareil
rotatif. Le milieu de culture a été concentré trois fois. Le procès a été réalisé aux
conditions suivantes : température 50 °C et pression (-0,9 Bar).
Séchage lyophile
3
Un concentrât de volume 100 cm a été soumis a séchage lyophile dans un dessiccateur
a température 20ºC et pression (-1 Bar) en 48 h.
Méthodes analytiques
Détermination de l’activité xylanolytique
La mesure de l’activité xylanolytique a été réalisée par la méthode de Baylei et al. [15].
Le substrat utilisé était une solution de xylane d’avoine préparé en 0.1 M solution
3
tampon d’acétate à pH 5.0. La solution réactive est composée de : 0,5 cm solution du
3
3
substrat, 1,0 cm solution tampon d’acétate à pH 5 et 0,5 cm de solution enzymatique
convenablement diluée. Une unité d’activité xylanolytique est définit par la quantité de
l’enzyme sous l’action de laquelle est produit 1 μmol de xylose pour 1 min à température
50 °C et pH 5.0.
Détermination de la concentration des protéines
La concentration des protéines dans les échantillons pendant leur synthèse et
purification est déterminée par la méthode de Lowry [16].
66
Revue de génie industriel 2012, 8, 63-75
Application de l’enzyme en panification
Matériaux
−
Farine de blé type 500, conforme aux exigences du SBE 2684-86;
−
Farine d'orge, conforme aux exigences du SBE 2684-86;
−
Eau potable, conforme aux exigences sanitaires :conditions d'hygiène pour l'eau
potable SBE 2823-83;
−
-Gluten desséché conforme aux exigences du SBE - ISO 6645 avec la matière sèche
de 94 % et l'absorption d'eau – 120 %;
−
-Levures pressées conforme aux exigences du SBE 483-80;
−
Sel alimentaire conforme aux exigences du SBE 629-64;
−
Enzyme: endoxylanase de Bacillus subtilis avec l'activité 330 U/g.
Essai laboratoire en panification
La méthode adoptée par le département “Technologie
produits de la viennoiserie”, UTA-Plovdiv caractérisé
monophasé avec la température de 30 °C, la maturation
plat, la fermentation finale à une température de 35 °C et
des céréales, du pain et des
par: la préparation de pâte
- 20 min, la formation de pain
la cuisson à 220-230 °C.
Volume (cm3)
Le volume est déterminé après 3 h de refroidissement à l’aide d’un cylindre par rapport
au déplacement de la quantité de grain de pavot. La détermination s’effectue par la
répétition double. On prend la valeur moyenne [8].
Volume spécifique (cm3/g)
Déterminer par la relation volume/ masse de pain [8].
Indice H/D
La relation de l’hauteur de pain vers le diamètre. On mesure le diamètre et l’hauteur de
l’échantillon. On a constaté que si H/D (haut sur longueur) est supérieur de 0,5 le pain a
une bonne qualité (la méthode adoptée par le département “Technologie des céréales,
du pain et des produits de la viennoiserie”, UTA-Plovdiv).
Résultats et discutions
Optimisation des conditions d’inoculation
Les conditions d’incubation profonde (pH initial du milieu nutritif et température) de la
souche Bacillus subtilis influent gravement la biosynthèse de xylanase. Les valeurs
optimales des facteurs étudiés ont été déterminées par application des méthodes de la
modélisation mathématique.
2
Les résultats obtenus de l’application de plan optimal de composition 2 sont présentés
dans le Tableau 2. Les coefficients de régression et l’analyse sur leur importance sont
présentés sur le Tableau 3.
67
Revue de génie industriel 2012, 8, 63-75
Tableau 2. Plan optimal de composition 22
Numéro de
l’expérience
Niveaux codés
Activité xylanolytique, U\cm³
*
X1
*
X2
Y
1
-1
-1
3,22
2,94
2
-1
1
2,64
2,94
3
1
-1
0,51
0,33
4
1
1
0,61
0,33
5
1
0
0,64
1,09
6
-1
0
3,73
3,70
7
0
1
3,82
3,69
8
0
-1
3,12
3,69
Ŷ
9
0
0
4,75
4,45
10
0
0
4,58
4,45
*X1 – pH ; X2 – T ºC.
Tableau 3. Résultats de l’analyse de régression logistique
Coefficients de l’équation de
régression logistique
Valeurs de
coefficients
t- Stat
p-Value
b0
4,449
16,622
7,67,10
b1
-1,306
-7,142
0,002
b2
0,036
0,196
0,854
b12
0,171
0,764
0,488
B21
-2,051
-6,994
0,002
b22
-0,763
-2,601
0,060
-5
Une analyse sur l’adéquation des coefficients obtenus par régression logistique a été
faite et un modèle mathématique a été construit (3)
Ŷ =4,449-1,306.x1-2,051.x12-0,763.x2
2
(3)
Le programme ANOVA a été utilisé pour l’analyse d’adéquation du modèle obtenu. Les
résultats sont présentés sur le tableau 4.
Tableau 4. Analyse sur l’adéquation du modèle obtenu.
DF
SS
MS
F
significance F*
Regression
3
22,968
7,656
49,553
0,000126
Reste
6
0,927
0,155
Somme
9
23,895
2
R =0,96 ; DF degré de liberté ; SS la somme des moindres carrées ; MS masse moyenne des moindres carrées ;
*
Significance level = 99 %
L’analyse d’équation (3) montre qu’une activité xylanolytique maximale Ŷ=4,66 U/cm³ se
produit quand les valeurs des variables d’entrée sont Х1 =-0,318 и Х2 0.
Sur la figure 1 est présentée l’influence des facteurs étudiés.
68
Revue de génie industriel 2012, 8, 63-75
Figure 1. Influence de pH (X1) et de la température (X2) sur la biosynthèse de xylanase (U/cm3)
Au cours décodage des valeurs des facteurs étudiés, les conditions optimales de
biosynthèse de la xylanase de la souche Bacillus subtilis sont déterminées.
Respectivement la valeur du pH initial de milieu nutritif est 6,17 et celle de la
température d’inoculation est 30 °C.
Traitement de la culture liquide après la fermentation pour obtenir un produit enzymatique de
xylanase
Le traitement de la culture liquide après la fermentation comprend les opérations
suivantes: filtration, ultrafiltration, évaporation sous vide, lyophilisation (séchage à
froid). Ces étapes d’obtention du produit enzymatique doivent être effectuées dans des
conditions, assurant un rendement maximal.
Après la fin de la fermentation, le milieu de culture est filtré pour séparer les particules
solides du milieu nutritif d’un part et d’autre part pour séparer une partie de la
biomasse de la souche. A l’aide d’une ultrafiltration, la culture liquide est partiellement
concentrée et purifiée. Le processus d’ultrafiltration se caractérise par un minimum des
dépenses énergétiques et se déroule dans des conditions convenables. Cela détermine le
rendement élevé d’activité enzymatique. Les caractéristiques du processus déterminent
la vaste utilisation de l’ultrafiltration dans les schémas technologiques de biosynthèse
des enzymes.
On a étudié l’influence du type des membranes d’ultrafiltration sur l’ultrafiltration du
culture liquide. Trois différentes membranes de polypropylène sont utilisées pour la
réalisation de cet étude – PP10, PP25 et PP100. Les résultats obtenus sont montrés au
tableau 5.
Un rendement élevé de l’activité est réalisé en utilisant les membranes du type RR10 et
RP 25, respectivement 85,30 % et 82,50 %. Le degré de purification de ces deux
membranes d’ultrafiltration, respectivement est 2,17 et 2,12 fois.
Les résultats obtenus de la réalisation du processus d’ultrafiltration en utilisant les
membranes du type RR 100 montrent qu’il n’est pas convenable à la concentration et
purification partielle du préparât xylanolytique produit de Bacillus subtilis. Ce
69
Revue de génie industriel 2012, 8, 63-75
phénomène peut être expliqué par l’activité importante de xylanase dans le filtrat ainsi
que dans le concentrât.
Les autres expériences ont été réalisées en utilisant la membrane du type RR25 car le
processus d’ultrafiltration fonctionne avec plus grande vitesse.
Tableau 5. Ultrafiltration du liquide culturel.
Volume,
3
cm
Activité
totale,
Protéines
totaux,
Activité
spécifique,
Degré de
purification,
U
mg
U/mg
fois
Rendement,
%
Membrane PP 10
Solution
initiale
50
40,00
230,50
0,17
1,00
100,00
Concentrât
10
34,12
91,25
0,37
2,17
85,30
Filtrat
40
2,86
126,83
0,02
0,11
7,15
Membrane PP 25
Solution
initiale
50
40,00
230,50
0,17
1,00
100,00
Concentrât
10
33,00
90,50
0,36
2,12
82,50
Filtrat
40
2,80
125,20
0,02
0,11
7,00
Membrane PP 100
Solution
initiale
50
40,00
230,50
0,17
1,00
100,00
Concentrât
10
22,35
100,25
0,22
1,29
55,88
Filtrat
40
17,21
117,59
0,15
0,84
43,03
La prochaine étape dans le schéma technologique de production d’enzymes
xylanolytiques est la concentration sous vide de la solution enzymatique après
ultrafiltration. La concentration sous vide est une étape traditionnelle des schémas
technologiques d’obtention des enzymes dans des conditions industrielles. En raison de
sa réalisation, le volume de la solution d'enzyme est considérablement réduit, la
dernière est soumise à un séchage par atomisation conduisant à un abaissement
significatif d'énergie. Par ailleurs la concentration sous vide s’effectue à des conditions
qui produisent un rendement élevé d'activité.
Les conditions dans lesquelles est réalisées la concentration sous vide sont les
suivantes: t = 50 °C, sous-pression – 0,9 bar. Dans le cas d’un rendement d’activité de
l’ordre de 76,53 %, on a obtenu trois fois concentration du culture liquide.
Les produits enzymatique commerciaux sont deux types- sèches et sous forme de
liquide. Les produits enzymatiques sèches trouvent plus vaste application que les autres
et c’est pourquoi, on a réalisé des expériences d’obtenir ces produits par lyophilisation.
Pour la réalisation de ce but, on a utilisé un lyophilisat Liovac GT2 et les conditions du
procédé ont été température 20 °C et sous pression (-1.0 bar). En résultat de la
lyophilisation effectuée, on a obtenu un produit enzymatique de xylanase avec une
activité 330 U/g. A cette étape du traitement du milieu de culture une perte significative
de l'activité de xylanase n'a pas été enregistrée.
Les étapes principales du schéma technologique d’obtention d’un produit enzymatique
de xylanase dérivée de Bacillus subtilis sont déterminées à la base des expériences
effectuées. Le schéma technologique élaboré est montré sur la Fig. 2.
70
Revue de génie industriel 2012, 8, 63-75
Soutient de la souche
bactérien Bacillus subtilis
Ensemencement et isolation des
colonies à haute activité
Obtention d’un produit
d’inoculation végétatif
30 °C, 24 h
Incubation de la souche
producteur, 30 °C, 48 h
Filtration
Séparation des
particules solides et
d’une partie de la
biomasse
Ultrafiltration PP 25, cinq fois
concentration, rendement 82.50 %
Concentration sous vide, 52 °C,
р= (-0.9 Bar),
Concentration trois fois,
Lyophilisation, 23 °C,
р= (-1.0 Bar), rendement 75,00 %
Produit enzymatique xylanolytique
Figure 2. Schéma technologique d’obtention d’un produit enzymatique xylanolytique partiellement purifié
Le rendement final d’activité de xylanase obtenu par le schéma technologique proposé
est environ 75,00 %.
Les domaines d'application des xylanases sont dans la panification. L’étude présentée a
pour objectif de montrer l’influence de l’enzyme sur des indicateurs qualitatifs du
produit final. La xylanase a un effet sur les farines faibles et pour cette raison l’étude
vise à déterminer les fonctions de l'enzyme et les propriétés de la farine/pâte d’orge.
Les recherches sont disponibles sur la détermination de l’influence de l’enzyme xylanase
sur les indices qualitatifs de pain. La xylanase a un effet sur les farines faibles et pour
cette raison les recherches sera de déterminer les fonctions de l'enzyme sur la qualité
du pain de farine d'orge. En raison de l'absence totale de gluten dans la farine d'orge
des études sont faites avec l'adition de gluten sec à une quantité - 15 %.
71
Revue de génie industriel 2012, 8, 63-75
Basé sur la littérature et des études précédentes on utilise l’enzyme en quantités
indiqué dans le tableau 6.
Tableau 6. Quantité de l’enzyme.
Enzyme
Quantité, ppm
Symbol
A
B
C
Xylanase
2
6
10
A partir des résultats obtenus on constate que plus la quantité de l’enzyme augmente
plus le volume de pain augmente (Fig. 3). En plus la différence entre le contrôle (pain de
blé) et avec l’enzyme (10 ppm) exprimée en pourcentage est de 7,82 %.
Volume specifique, сm 3/g
2,65
2,6
2,55
2,5
2,45
2,4
2,35
2,3
Farine de ble
A
B
C
Figure 3. Volume spécifique de pain de blé.
Avec l’augmentation de volume on a constaté une qualité du pain moins bonne. D’autre
part des quantités élevées (B et C) conduisent à des bulles brûlés sur la croûte de pain,
et pour cette raison on doit réduire le temps de fermentation finale.
Volume specifique, сm 3/g
1,55
1,5
1,45
1,4
1,35
1,3
1,25
Farine d'orge
A
B
C
Figure 4. Volume spécifique de pain d’orge.
Les données obtenues sur l’étude de la farine d'orge sont différents (Fig.4). La quantité
2 ppm de l’enzyme a provoqué une petite diminution du volume de pain. Les résultats
indiquent que les plus grandes quantités (6 et 10 ppm) augmente le volume du pain avec
72
Revue de génie industriel 2012, 8, 63-75
de la farine d’orge significatif. La différence en termes de pourcentage est 10,29 et
11,76 respectivement.
L'augmentation de volume spécifique de pain peut être attribuée à la formation des
bulles de gaz stables dans la structure de la pâte, et donc d'amélioration de la formation
de gaz et de la capacité de rétention se gaz de la pâte.
0,6
0,5
H/ D
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Farine de ble
A
B
C
Figure 5. Indice H/D de pain de blé.
A partir des résultats obtenus on a constaté que plus on augmente la quantité de
l’enzyme plus l’indice H/D de pain de blé diminue en comparaison avec du contrôle (Fig.
5). La réduction la plus significative est obtenue avec une quantité max de l'enzyme
ajoutée. La différence exprimée en pourcentage est de 24,07 %.
0,62
0,61
H/ D
0,6
0,59
0,58
0,57
0,56
Farine d'orge
A
B
C
Figure 6. Indice H/D de pain d’orge.
Les résultats sur l’indice H/D de pain d'orge sont légèrement différents (Fig. 6). La
régularité par rapport à l’indice H/D est la même que celle du pain de blé. En
augmentant la quantité de xylanase, l’indice H/D diminue. La différence entre
l'échantillon de contrôle avec le max de xylanase exprimée en pourcentage est de 6,45%.
73
Revue de génie industriel 2012, 8, 63-75
La différence entre les deux échantillons est petite, mais statistiquement significative.
Cet effet peut être dû à l’influence de la xylanase utilisé sur le relâchement du gluten.
On a constaté que l’indice H/D est supérieur de 0,5 et le pain d’orge a une bonne
qualité.
Conclusion
Des méthodes de modélisation mathématique ont été utilisées en raison de déterminer
les conditions optimales d’incubation profonde de la souche. Respectivement les valeurs
optimales du pH du milieu nutritif et de la température d’ensemencement sont 6,16 et
о
30 С. La détermination des valeurs de ces indices permet de produire une activité
enzymatique maximale. Un schéma technologique d’obtention du produit enzymatique
xylanolytique a été élaboré. Le traitement de la culture liquide après la fermentation
comprend les opérations de filtration, d’ultrafiltration (membrane d’ultrafiltration PP25),
o
o
d’évaporation sous vide (-0,9 bar, 52 C) et de lyophilisation (- 1,0 bar, 23 C).
Le produit enzymatique xylanolytique a été appliqué dans un schéma technologique de
production du pain.
A la suite des études réalisées on a trouvé que plus on augmente la
plus le volume de pain de blé augmente. De même, avec l’addition
xylanase, le volume de pain d'orge a augmenté de 10,29 et 11,76 %
différence de l’indice H/D de pain de blé et de pain d'orge en termes
de 24,07 et 6,45 respectivement.
quantité d'enzyme,
de 6 et 10 ppm de
respectivement. La
de pourcentage est
Références bibliographiques
1. Business Communications Company Researche,
http://www.bccresearch.com/report/BIO030E.html
2. Beg Q.K., Kapoor K., Mahajan L., Hoondal G. Microbial xylanases and their industrial
applications: a review. Applied Microbiology and Biotechnology 2001, 56, 326–338
3. Collins T., Gerday C., Feller G. Xylanases, xylanase families and extremophilic
xylanases. FEMS Microbiology Reviews 2005, 29, 3-23
4. Courtin C.M., Delcour J.A. Arabinoxylans and endoxylanases in wheat flour breadmaking. Journal of Cereal Science 2002, 35, 225–243
5. Zhengqiang J., Xiuting L., Shaoqing Y., Lite L. et al. Improvement of the
breadmaking quality of wheat flour by the hyperthermophilic xylanase B from
Thermotoga maritima, Food Research International 2005, 38, 37–43
6. Shah A., Shah R., Madamwar D. Improvement of the quality of whole wheat bread by
supplementation of xylanase from Aspergillus foetidus. Bioresource Technology 2006,
97, 2047-2053
7. Wang, M-W., Hamer R., van Vliet T., Oudgenoueg G. Interaction of water extractable
pentosans with gluten protein: Effect on dough properties and gluten quality, Journal of
Cereal Science 2002, 36, 25-37
8. Katina K., Salmenkallio-Marttila M., Partanen R., Forssell P. et al. Effects of
sourdough and enzymes on staling of high-fibre wheat bread. Journal of Science direct
2006, 39, 479-491
9. Dobrev G.T., Pishtiyski I., Stanchev V., Mircheva R. Optimization of nutrient medium
containing agricultural wastes for xylanase production by Aspergillus niger B03 using
optimal composite design. Bioresource Technology 2007, 98, 2671-2678
74
Revue de génie industriel 2012, 8, 63-75
10. Helm C.V., Francisco A. Chemical characterization of Brazilian hulless barley, flour
fractionation, and protein concentration. Scientia Agricola 2004, 61, 593-597
11. Subramaniyan S., Prema P. Biotechnology of microbial xylanases: enzymology,
molecular biology, and application. Critical Reviews in Biotechnology 2002, 22, 1, 33
12. Vries R.P., Visser J. Aspergillus Enzymes involved in degradation of plant cell wall
polysaccharides. Microbiology and Molecular Biology Reviews 2001, 497-522
13. Adamsen A.K., Lindhagen J., Ahring B. Optimization of extracellular xylanace
production by Dictyoglomus sp. B1 in continuous culture. Applied Microbiology and
Biotechnology 1995, 44, 327-332
14. Bocchini D.A., Alves-Prado H.F., Baida L.C., Roberto I.C. et al. Optimization of
xylanase production by Bacillus circurans D1 in submerged fermentation using response
surface methodology. Process biochemistry 2002, 38, 727 – 731
15. Bailey M.J., Biely P., Pountanen K. Interlaboratory testing of method for assay of
xylanase activity. Journal of Biotechnology 1992, 23, 257- 270
16. Lowry O.N., Rosebrough N., Farr A., Randall R. Protein measurement with the Folin
phenol reagent. Journal of Biology Chemistry 1951, 193, 265-275
75