vignette|Mécanisme de formation des produits d'Amadori à partir de glucose. vignette|Formation d'acrylamide cancérigène à la suite de l'implication de l'asparagine dans la réaction de Maillard. vignette|Louis-Camille Maillard.
Les réactions de Maillard, mieux nommées réactions amino-carbonyles, sont des réactions de glycation, entre des sucres réducteurs et des composés qui portent un groupe amine, tels les acides aminés, les peptides et les protéines.
Dans les aliments, ces réactions engendrent des composés qui contribuent à la couleur, à la saveur, à l'odeur. Elles commencent par une condensation entre le groupe amine d'un acide aminé, d'un peptide ou d'une protéine, et le groupe carbonyle de sucres réducteurs (glucoses, fructoses, lactose, ribose). Cette première étape est suivie de réactions diverses selon les réactifs et les conditions.
On observe notamment l'effet des réactions de glycation dans des aliments chauffés, cuits ou stockés, conduisant à leur brunissement non enzymatique (ce qui ne l'apparente pas à la caramélisation qui fait intervenir uniquement le saccharose). Dans les situations culinaires courantes, les réactions de glycation ont souvent lieu en même temps que des pyrolyses (de protéines notamment), des oxydations (par exemple des lipides), et de nombreuses autres réactions. Se créent finalement des « produits avancés de glycations » (molécules odorantes et mélanoïdines, pigments bruns de structure variable) responsables principaux des odeurs, des arômes et des pigments caractéristiques des aliments chauffés (sirop d'érable, beurre noisette), cuits (viandes rôties, pain grillé, café fraîchement torréfié) ou du jambon cru. Elle peut aussi donner naissance à des composés cancérogènes (acrylamides, hydrocarbures polycycliques, amines hétérocycliques, HMF) et également réduire la valeur nutritionnelle des aliments en dégradant des acides aminés essentiels..
Les réactions de glycation sont également importantes dans un contexte non alimentaire. Elles expliquent par exemple la toxicité de l'excès de sucre en cas de diabète, ou le fonctionnement de certains autobronzants.
Historique Plusieurs documents hagiographiques, notamment ceux de l' de l'IMARS qui organise des Congrès Maillard, attribuent la paternité de la découverte de cette réaction au chimiste et médecin lorrain Louis-Camille Maillard, en 1911. Une recherche bibliographique montre une opposition franco-anglaise, les anglo-saxons notant qu'Arthur R. Ling avait écrit, dès 1908 , que, lors du touraillage du malt, au cours de la fabrication de la bière, des acides aminés doivent réagir avec des sucres, cette réaction étant à l'origine, selon Ling, de l'odeur et du brunissement du moût.
Louis-Camille Maillard a contribué aux réactions de glycation par un long mémoire publié en 1913, après un premier travail du dans une communication, L'action des sucres sur les acides aminés. Maillard, dont l’ambition était de comprendre la structure des protéines, avait remplacé le glycérol qui lui permettait de condenser ces dernières par des sucres.
Il observa que la fonction réductrice des sucres (carbonyle : C=O) est beaucoup plus réactive que la fonction hydroxyle (OH). Cette découverte, d’abord communiquée à l’Académie des sciences, est ensuite reprise et développée de manière minutieuse par Maillard dans un ouvrage publié en 1913, Genèse des matières humiques et des matières protéiques« Genèse des matières humiques et des matières protéiques » . .
Déçu de ne pas avoir conclu sur les protéines, il a pourtant conscience des nombreuses applications possibles de sa réaction. Malheureusement, elle tombe dans l’oubli et Maillard meurt le sans avoir pu voir sa découverte déclinée dans des domaines aussi divers que la cuisine, la lutte contre le diabète, le vieillissement, les pétroles.
Apports de cette découverte
Avec la compréhension des réactions de glycation, on explique une multitude de réactions qui interviennent lors de la préparation et le stockage des aliments, et dont la maîtrise a permis des progrès importants. Contrôler les réactions de glycation, c’est contrôler en fait la conservation des produits, leur goût, leur aspect, autant de critères qui déterminent le choix d’un produit.
Ainsi, en faisant varier de manière infime les paramètres environnementaux, on modifie le processus réactionnel (la cinétique) et les différences de résultats peuvent être impressionnantes. Une variation peut rendre la réaction agréable ou utile, ou indésirable. On passe du jambon aux arômes délicats, au goût de brûlé dans une sauce. En médecine, les réactions de glycation sont importantes : chez les diabétiques la glycation non enzymatique des protéines sous l'effet d'un taux trop important de sucre dans le sang (diabète), altère les vaisseaux. L’hémoglobine glyquée, une variante de l’hémoglobine due à des modifications engendrées par les réactions de glycation, est maintenant utilisée comme marqueur à long terme de l’état diabétique des patients.
Mécanismes des réactions de glycation
Les réactions de glycation font encore l'objet d'études. On se propose donc d'expliquer les mécanismes principaux et bien connus de la réaction : le groupe carbonyle du sucre réagit avec le groupe amine de l'acide aminé, produisant des glycosylamines N-substituées et de l'eau ; les glycosylamines subissent une réaction nommée réarrangement d'Amadori pour former des imines ; il existe trois voies pour les cétosamines de poursuivre la réaction. On se limitera à la voie spécifique de la réaction de Maillard, les deux autres voies pouvant être observées dans d'autres réactions biochimiques.
Condensation Schiff La première étape fait intervenir l'atome de carbone (C) électrophile du groupe carbonyle du sucre, et l'atome d'azote (N) nucléophile de l'acide aminé. Deux liaisons chimiques sont coupées, et deux nouvelles sont créées. La première coupure concerne une des deux liaisons de C=O, la seconde une des liaisons N-H. Il se crée à la place une liaison C-N, et une liaison O-H, au sein d'une nouvelle molécule unique formée des deux précédentes. …-C=O + …-NH → …-COH-NH-…
En détail, un doublet non liant se forme entre C et l'atome oxygène (O) du carbonyle à la place d'une des deux liaisons entre eux , car O est plus électronégatif (tendance à attirer les électrons) que C ; O devient alors chargé négativement, car il est en excès d’électron, tandis que le carbone se trouve avec seulement en couche externe, et donc en déficit car il lui en faudrait idéalement 4 : …-C=O → …-C-O Le déficit du carbone est comblé par la formation d'une liaison avec le N, mais celui-ci se retrouve à son tour en situation déficitaire, ce qui induit, pour compenser, la formation d'un nouveau doublet non liant entre lui et un des atomes d'hydrogène auquel il était lié ; la liaison est rompue, cet atome d'hydrogène est libéré sous la forme H et va s'associer à l'atome d'oxygène négativement chargé par le processus mentionné plus haut, formant ainsi une nouvelle liaison OH (fonction alcool). Ce processus réversible est appelé prototropie : OH-G-C-O + A-NH → OH-G-OHC-NH-A En somme, un des deux atomes d'hydrogène liés à l'azote s'est détaché de lui pour s'associer à l'oxygène, et a été remplacé dans sa liaison par l'atome de carbone. La molécule ainsi produite n'est pas encore stable, et un nouveau tour semblable se produit avec le second atome d'hydrogène auquel l'azote était lié : lui aussi va à son tour se lier avec l'oxygène d'une fonction alcool et se faire remplacer par le carbone, tandis que la fonction alcool devient une molécule d'eau qui se détache. Ce n'est pas la fonction alcool qui vient d'être formée qui est préférentiellement attaquée, mais plutôt une des autres fonctions alcool de l'ose : la première dans la chaîne?
En détail, la fonction alcool située en début de chaîne va se détacher, le O transformant sa liaison avec le reste de la molécule en doublet non liant. Cela va libérer une possibilité de liaisons pour le C, et il va utiliser l’électron libéré pour former une deuxième liaison avec l’azote de l’acide aminé qui lui, pour pouvoir apporter un électron va casser une liaison avec un de ses deux H. L’ion OH et l’ion hydrogène vont alors se lier, créant une molécule d’eau. OH-G-OHC-NH-A → G-OHC=N-A + HO
La molécule obtenue est une base de Schiff, elle est encore instable et subira des transformations supplémentaires, dont la nature dépendra des conditions (notamment de pH) : réarrangements d'Amadori et de Heyns, ou bien synthèse d'une réductone.
Réarrangements d'Amadori et de Heyns
Le réarrangement d'Amadori (isomérisation de la glycosylamine d'un aldose) et le réarrangement (isomérisation de la glycosylamine d'un cétose), conduisent à la formation d'aldosamines et de cétosamines, composés pas ou peu colorés.. En milieu acide, l’azote va se lier aux ions H, caractéristiques du milieu acide, grâce à son doublet non liant, se chargeant ainsi positivement. Le C en va alors rompre sa liaison avec l’hydrogène et libérer ainsi une possibilité de liaison avec l’autre C, provoquant un dégagement d’ions H. Le , ne pouvant faire cinq liaisons va donner un électron à l’azote, comblant ainsi son défaut d’électron (l’azote le transformera en doublet non liant). On note d’ailleurs que l’acidité du milieu n’est pas modifiée, car les ions H sont restitués au milieu.
Au niveau de la deuxième fonction alcool, l’oxygène va provoquer un dégagement d’ions H en transformant en doublet sa liaison avec le H. Le carbone en va casser une de ses deux liaisons avec le pour rétablir l’équilibre : le C va capter l’ion H, et le va se lier à l’O, comblant son défaut d’électron. On appelle cette transformation un équilibre céto-énolique car elle transforme une fonction alcool (énol) en une fonction cétone (céto) et ceci dans les deux sens bien que le passage -OH vers =O soit majoritaire.
Synthèse d'une réductone
Dans la voie de la déshydratation modérée, l'oxygène va transformer une de ses deux liaisons avec le en doublet non liant. Simultanément, le carbone en sur le squelette carboné va transformer sa liaison avec le H en liaison supplémentaire avec le . Il va alors y avoir dégagement d'un ion H en défaut d'électron qui va se lier avec le doublet non liant de l’oxygène.
Ce processus est appelé énolisation, car il crée une fonction alcool à partir d'une fonction cétone et d'un atome hydrogène. Ici, on parle de l' (place du carbone auquel est liée la fonction cétone), 3 (place du carbone auquel est lié l'atome d'hydrogène).
Les ions OH, caractéristiques du milieu basique, vont alors intervenir dans la réaction en tant que catalyseur. Le H va transformer sa liaison avec le O en doublet non liant, car le O, bien qu’électronégatif, est déjà en excès d’électrons. L’ion H libéré va alors créer une liaison avec l’azote qui, pour l’accueillir, va se séparer de la chaîne principale, abandonnant l’électron de sa liaison avec le C.
Au niveau de la chaîne carbonée principale, la double liaison entre les va être transformée en liaison avec un des deux oxygènes des fonctions alcool, provoquant au passage un dégagement d’ion H(pour les mêmes raisons que précédemment) qui va alors se lier à l’ion O, recréant ainsi l’ion OH (l’acidité du milieu est ainsi préservée).
Au niveau de la fonction alcool localisée sur le , le O va transformer sa liaison avec le H en liaison supplémentaire avec le C, le stabilisant ainsi. Un ion H va alors être dégagé, qui va se lier à l’ion C.
Une deuxième énolisation (3,4) va alors avoir lieu : l'oxygène va transformer une de ses deux liaisons avec le en doublet non liant. Simultanément, le carbone en sur le squelette carboné va transformer sa liaison avec le H en liaison avec le . Il va alors y avoir dégagement d'un ion H en défaut d'électron. L'oxygène lié au va alors transformer son doublet en excès en liaison avec l'ion H qui pallie donc son défaut d'électron.