Les micro-algues : Une révolution des ressources ?

ARRAR Farah, DEAN Léa, FARIA Julie, FRANCOIS Vincent, JAMET Camille, JUY Thibault

Qu’est-ce que les micro-algues et comment fonctionnent-elles ?

Les algues (macro et micro) désignent un ensemble d’organismes photosynthétiques présents le plus souvent en milieu aquatique. Les micro-algues, aussi appelées phytoplanctons, sont définies comme étant des organismes unicellulaires ou pluricellulaires indifférenciés. Elles ne possèdent ni racines, ni tiges, ni feuilles mais sont pourvues de chlorophylle et autres pigments leur permettant de réaliser la photosynthèse. Ainsi, on considère comme micro-algues tout organisme aquatique unicellulaire capable de réaliser la photosynthèse. Il s’agit d’organismes eucaryotes à l’exception des cyanobactéries, qui eux, sont des micro-algues procaryotes photosynthétiques ⁽¹⁾.

Les micro-algues sont capables de faire la photosynthèse, c’est-à-dire qu’elles ont la capacité de transformer l’énergie lumineuse en énergie chimique puis en nourriture. Cette machinerie est contrôlée par une protéine nommée PGR5 ⁽²⁾.

Pour capter l’énergie solaire, les micro-algues possèdent, comme tous les végétaux, une protéine appelée LHCs ⁽²⁾ permettant le transfert de cette énergie de l’extérieur vers l’intérieur de leur membrane cytoplasmique. L’énergie est dirigée dans les chloroplastes à l’aide de transporteurs puis sera transformée en sucre ou en oxygène selon les besoins de l’organisme.

Les scientifiques s’intéressent aux micro-algues pour leur biomasse luxuriante facile à trouver, cultiver, transporter et éventuellement à analyser. Une micro-algue a de nombreuses propriétés chimiques et biochimiques pouvant s’appliquer dans plusieurs domaines, autres que la biologie, comme les transports, la cosmétique et l’alimentation. Enfin, le domaine de la recherche sur les micro-algues est en pleine explosion compte tenu des résultats : bon rendement, bonne capacité d’adaptation, rapidité de production des molécules cibles comme les triglycérides pour la production d’huile végétale utilisée dans les algocarburants et la forte capacité de capture du dioxyde de carbone visant à dépolluer la Terre.

Ces petits êtres surprenants seraient-ils au cœur d’une future révolution à la fois industrielle, pour leurs atouts énergiques, et environnementale pour l’aspect écologique et durable de leur production ?

        

         Exemples d’utilisations

         L’utilisation des micro-algues dans le domaine des biocarburants

         Tout d’abord, un agro-carburant est un biocarburant liquide issu de la transformation des matières végétales produites par l’agriculture. Il représente une source d’énergie renouvelable donc une solution incontournable pour la préservation de l’environnement.

          

         Il existe différents types de biocarburants : les biocarburants dits de 1^ère génération, issus de matières végétales alimentaires (céréales, huile de tournesol...); ceux de 2^ème génération, issus de résidus agricoles et forêts (bois, paille) et ceux de 3^ème génération, encore appelés algocarburants, issus des micro-algues lipidiques. Pour que leur production en lipides soit convertie en biocarburant, les filières algales se basent sur un certain nombre d’étapes nécessaires ⁽³⁾.

         Premièrement, il est nécessaire de sélectionner les micro-algues en fonction de leur capacité à produire des triglycérides, la principale réserve d’huiles végétales. Les plus performantes peuvent contenir jusqu’à plus de 70% de lipides.

Ces micro-algues sont ensuite mises en culture dans de l’eau tout au long de l’année et ne demandent l’action d’aucun pesticide ou herbicide. Elles peuvent grandir en milieux aqueux, doux ou salés, à condition d'avoir accès à la lumière, au dioxyde de carbone et aux nutriments. Ces cultures peuvent être réalisées en grandes quantités dans des bassins ouverts. Ce type de milieu, facile à construire, livre les conditions nécessaires aux micro-algues.

Cependant, les conditions de vie proposées, comme le taux de luminosité, varient en fonction de l’heure. Et, ce milieu est facilement sujet aux contaminations.

         Sinon, les photobioréacteurs sont des réacteurs chimiques appliqués à la biologie soit des enceintes fermées et contrôlées pouvant mettre en culture ce type d’organismes photosynthétiques. Plus complexes et plus onéreux, ils assurent un développement et un contrôle de qualité des cultures ⁽⁴⁾.

Photographie d’un photobioréacteur (source : ENNESYS)

         Dans ces milieux, les organismes ne cessent de synthétiser les lipides nécessaires au produit final et sont récoltés selon le milieu de culture choisi. La récolte peut se faire physiquement ou de manière chimique avec introduction d’un solvant organique d’extraction permettant de récupérer les liquides du milieu. Les substances d’intérêts sont alors prélevées par une extraction liquide-liquide et une séparation de phase. Il existe d’autres méthodes de séparations qui jouent avec la différence des masses volumiques des cellules et du milieu (sédimentation, floculation-décantation, flottation et centrifugation) ou encore avec la différence de taille (tamisage et procédés à membranes pouvant utiliser la micro ou l’ultrafiltration). Une fois les substances extraites, les micro-algues sont toujours vivantes et donc remises en culture. Les lipides sont ensuite convertis en algocarburants par transestérification : réaction de l’huile avec du méthanol ou de l'éthanol pour obtenir un ester d'huile algale ou un biodiesel, enfin une étape d’hydrotraitement : réaction de l’huile avec de l’hydrogène suivie d’un hydrocraquage (procédé mis en œuvre sous une forte température et une forte pression d’hydrogène).

Après cette ultime étape, le biocarburant est entièrement produit, il peut être utilisé comme tel ou mélangé à d’autres biodiesels. La production de carburant par les micro-algues fonctionne actuellement mais ne suscite pas l’unanimité de tous ⁽⁴⁾.

Désavantages de cette utilisation

Dans le domaine des biocarburants, les micro-algues sont souvent considérées comme le futur or vert, terme utilisé dans un article du Journal du CNRS. Leur utilisation présente pourtant des désavantages.

De nombreux systèmes de culture sont actuellement utilisés. Malheureusement, aucun d’eux ne permet un rendement optimal. Par exemple, les bassins ouverts, pour éviter toutes contaminations, ne permettent la culture que d’espèces extrêmophiles, résistantes à des conditions extrêmes ⁽⁵⁾. Concernant les photobioréacteurs, c’est l’achat, l’entretien et le maintien artificiel des conditions de culture qui élèvent leurs coûts financiers. Par exemple, selon La Tribune (octobre, 2012) pour la grande ferme Sapphire installée dans le désert du Nouveau Mexique, ce sont les fortes illuminations, les hautes températures en été et les basses températures en hiver qui ont une mauvaise influence sur les cultures. Ces conditions entraînent des évaporations en journée obligeant les producteurs à augmenter leurs apports en eau. Selon cet article, cette grande ferme vise une production annuelle de 1,5 million de barils en 2014 contre 11 millions de barils pour les carburants fossiles originaires d’Arabie Saoudite selon Le Figaro (juin, 2015). La production annuelle de biocarburant est donc, pour le moment, inférieure à celle de carburants fossiles. Il existe aussi des désavantages sur les plans écologiques et économiques.

Tout d’abord, l’apport en engrais et en substances chimiques (oligo-éléments, vitamines, silice, azote ou encore phosphore) élèvent le coût de la production. Les producteurs sont contraints de les utiliser car ces éléments empêchent la prolifération de micro-organismes, pouvant devenir envahissante. D’ailleurs, ils sont autorisés à utiliser des organismes génétiquement modifiés : les modifications génétiques touchent, évidemment, les réserves d’huile des micro-algues.

Cette pratique présente des risques car ces micro-algues peuvent être libérées et causer des perturbations dans l’environnement. Le prix de ce biocarburant reste un point négatif de cette utilisation. Cependant, les estimations ne sont pas les mêmes en fonction des entreprises. Par exemple, l’entreprise Joule Unlimited estime le litre à 0,25€, un prix compétitif alors que Shamash et Seed Science Ltd l’estiment à 10€, un prix nettement moins compétitif comparé aux prix des carburants fossiles : 0,80 et 1,20€/litre.

           

            En général, le bilan énergétique des carburants tirés d’algues n’est pas très satisfaisant. La quantité d’énergie nécessaire à leur production est sept fois plus grande que l’énergie produite par les carburants qu’elles délivrent ⁽⁶⁾. C’est d’ailleurs pour cela qu’il n’y a toujours pas d’algocarburants commercialisés. Bien que les micro-algues aient des avantages, leurs productions en biocarburant rejoignent les biocarburants de première et de deuxième génération sur les effets concernant la dégradation de l’environnement.

Aujourd’hui, des recherches sont réalisées sur d’autres moyens de mettre à profit les vertus de ces micro-algues.

            Premier moyen : utiliser les micro-algues pour dépolluer l’air.

            Aujourd’hui, le rejet de dioxyde de carbone dans l’atmosphère est une préoccupation majeure en Europe. Scientifiques, ingénieurs, industriels et hommes politiques réfléchissent à des solutions permettant de diminuer le rejet de ce gaz polluant.  Tous les ans, 4,9 milliards de kilos de dioxyde de carbone sont rejetés dans l’atmosphère soit un 1 kilo de dioxyde de carbone pour 4 secondes pour 1 voiture européenne (d’après les estimations du site Cosmoglobe). Le biogaz issu des micro-algues devient une alternative prometteuse aux carburants fossiles.

Le principe du biogaz par l’utilisation des micro-algues s’articule autour de trois axes : une culture de micro-algues qui capte à la fois le dioxyde de carbone de l’air et l’énergie lumineuse du soleil. Elle convertit également ce dernier par l’intermédiaire d’un métabolisme complexe utilisant un gaz naturel synthétique. Ce gaz sera, par la suite, injecté dans le réseau de gaz naturel. Deux expériences sont menées actuellement en Europe et en Suisse à ce sujet.

Les scientifiques ont démontré que très peu de micro-algues produisent plus de biogaz qu’une centaine d’arbres réunis. Pour aboutir à ce gaz, les micro-algues subissent une gazéification hydrothermale, technique basée sur l'optimisation des caractères physico-chimiques des micro-algues.

En 2014, la première expérience est réalisée en Suisse par The Cloud Collective ⁽⁷⁾, une entreprise franco-néerlandaise qui cultive des micro-algues au-dessus d'un pont routier. L'objectif est de capter les émissions de dioxyde de carbone des véhicules à l’entrée du pont pour les filtrer, les traiter et en rejeter un biogaz propre et écologique. Cela se fait par l’intermédiaire d’un photobioréacteur sur un pont de Genève (Suisse) ⁽⁷⁾.

           Schéma représentant le système mis en place par The Cloud Collective (source : Wedemain)

           

         Un système de pompes et de filtres récupère le gaz pollueur, le met au contact des micro-algues séparées par des filtres. Ensuite, des pompes régulent la vitesse et le mouvement permanent dans les tubes pour éviter toute stagnation des organismes. Ce mécanisme amplifie le phénomène d’absorption des gaz et nutriments par les micro-algues et augmente le rendement de production.

Enfin, on trouve un système d’évacuation qui enlève le surplus de micro-algues pour les envoyer vers les eaux usées de la ville. La structure utilise l’énergie solaire pour chauffer les micro-algues afin d’optimiser leur production de biogaz et de réduire la consommation d’électricité utilisée pour chauffer les micro-algues. Cette expérience permet de filtrer entre 1 et 1.000 tonnes de gaz carbonique⁽⁷⁾.

La deuxième expérience est un prototype réalisé par SUEZ en partenariat avec des start-up françaises ⁽⁸⁾. Elle s’organise en plusieurs étapes qui aboutissent chacune à la création d’énergie verte.

La première étape consiste tout d’abord à capter le dioxyde de carbone présent dans l’air. Pour cela, les chercheurs ont fabriqué un puit en carbone éclairé par des diodes électroluminescentes ou par la lumière naturelle du soleil. Les algues sont ensuite chauffées comme l’expérience précédente pour obtenir des conditions propices à une forte production de biogaz. Une fois les paramètres validés, les micro-algues peuvent absorber le dioxyde de carbone En moyenne, pour 1 m³ de micro-algues, on peut atteindre une absorption de 1,5 tonne de dioxyde de carbone par an.

La deuxième étape consiste d’une part à évacuer les déchets produisent dans les eaux usées de la ville et d’autre part à libérer l’oxygène produit par photosynthèse.

Enfin, la troisième étape se déroule dans les stations d’épuration des eaux de la ville, étape traitée ultérieurement dans l’article. Cette expérience permet d’une part de produire du biogaz et de l’autre, de la biomasse réutilisable dans les stations d’épurations.

            Ces deux expériences ont plusieurs avantages en commun : une production verte pour l’environnement, une rentabilité durable et écologique ainsi qu'une réponse contre la déforestation. Cependant la prolifération des algues dans les eaux de la ville et dans les mers est un problème important, peu anticipé par les entreprises. (pas de liens entre les deux phrases)

Les micro-algues sont en faveur du développement durable notamment dans la dépollution les eaux usées, un problème important dans les grandes métropoles.

Deuxième moyen : utiliser des micro-algues pour recycler les eaux usées.

 Les micro-algues connaissent un essor sans précédent depuis déjà quelques décennies mais aujourd’hui il s’agirait de mettre à profit ces algues dans le domaine de l’écologie et notamment dans les systèmes d’épuration. En effet, la production algale dans les bassins d’eaux usées permet une filtration et par la suite la récupération de ces biomasses.

Afin d’utiliser les micro-algues dans les meilleures conditions possibles, des études ont été menées en amont pour comprendre leur métabolisme. Il s’agit avant tout d’assimiler les effets des différents paramètres environnementaux. C’est ainsi que Stengel en 1970, suivi par Fulks et Main en 1991 ⁽⁹⁾, ont étudié les facteurs influençant la production des algues. Les résultats ont permis de déterminer les conditions optimales de croissance, soit :

1.              un éclairement naturel ou artificiel de 16 heures minimum par jour ⁽⁹⁾

2.              une température optimale entre 15°C et 25°C selon l’espèce ⁽⁹⁾

3.              un pH compris entre 8,2 et 8,7 ⁽⁹⁾

4.              la présence de nutriments comme l’azote et le phosphore ⁽⁹⁾

5.              la présence de dioxyde de carbone ⁽⁹⁾

6.              l’absence de consommateurs herbivores notamment pour les algues de petites tailles, car ces organismes peuvent provoquer la destruction de la culture ⁽⁹⁾.

Déterminer les conditions optimales passe aussi par la localisation de l’emplacement des bassins d’épuration. Il a été montré que le bassin doit être une zone ensoleillée, ainsi les zones boisées sont à éviter. Il faut prendre en compte la nature du sol, c'est-à-dire un milieu fertile plus propice au développement des algues. De plus, il est utile de disposer d'une quantité en eau importante grâce à un fonctionnement en circuit fermé par exemple. Il faut tenir compte de la profondeur de la culture afin de limiter risques de désoxygénation sur le fond pour que les micro-algues puissent recevoir lumière nécessaire à leur croissance ⁽⁹⁾. A titre d’exemple, une station pilote en Italie possède des profondeurs d’environ 0.3 mètre en été et 0.5 mètre en hiver ⁽⁹⁾. La technique de production optimale serait une aération du milieu ainsi qu’un brassage régulier pour une meilleure oxygénation et donc une stimulation des bactéries aérobies. Cela accroit la concentration en dioxyde de carbone grâce à la diffusion dans la couche et évite la sédimentation des micro-algues mais aussi un échange de nutriments entre les algues et leur milieu. Cependant l’aération nécessite une énergie de 0.5 à 1.04 kW/kg ⁽⁹⁾. De plus, la performance de production varie avec le type de culture et le volume du bassin.

Il faut aussi prendre en compte les contraintes liées aux conditions environnementales.  En effet, l’élévation de la température influence favorablement le développement des micro-algues. On remarque une activité métabolique jusqu’à 2 fois plus élevée que quand la culture est exposée à des faibles températures. La turbidité, teneur d'un fluide en matières, diminue la production de cellules vivantes notamment provoquée par la remise en suspension des particules ou par l’abondance de cellules vivantes, bactéries et algues comprises.

Les conditions optimales de croissance étant déterminées, il faut maintenant comprendre en quoi les micro-algues servent à la dépollution des eaux.

Tout d’abord, on observe chez l’algue Scenedesmus ^(9-10) par exemple, la production de substances qui sembleraient avoir une action bactéricide. En effet, l’action antibactérienne des algues élimine les souches pathogènes de l’environnement dans lequel elles vivent. L’interaction algues-bactéries incite l’intervention des micro-algues dans les systèmes d’épuration. A titre d’exemple, des études ont démontré que l’augmentation du pH dû au métabolisme de la photosynthèse est défavorable à la prolifération de bactéries. Ces dernières peuvent aussi souffrir d’une compétition nutritive avec des macronutriments présents dans l’eau.  A l’heure actuelle, ces substances n’ont pas encore été déterminées avec précision mais il semblerait que certaines, par la production d’acide gras, auraient un pouvoir vis-à-vis des bactéries gram + et gram – quant à d’autres, elles auraient une action antimicrobienne ou antibactérienne sur les micro-organismes présents dans les bassins.

            Le cycle des micro-algues ne s’arrête pas à ce dernier point. Il est possible de les récolter afin de les utiliser comme source d’énergie par exemple. On observe que la récolte des biomasses est rendue complexe par la petite taille de certaines micro-algues. Mais, ici encore, des études sont en cours pour trouver des systèmes de récupération efficaces et peu onéreux. En attendant, les récoltes de ces algues peuvent servir à l’alimentation animale ⁽⁹⁾.

            La production de bioénergie, à partir du dioxyde de carbone atmosphérique, est une prouesse technologique. L’utilisation de micro-algues a cependant un coût de production élevé pour de faibles rendements et présente un risque pour l’écosystème. Jean Ziegler, rapporteur sur le droit à l’alimentation, déclare à l’Organisation des Nation Unies en octobre 2007 : « c’est un crime contre l’humanité qui est commis lorsque l’on convertit un sol productif pour l’alimentation en terre à produire du biocarburant ».

Webographie

1.              Sialve B.1, Steyer J-P. «Les micro-algues, promesses et défis». Laboratoire de Biotechnologie de l’Environnement de INRA [en ligne]. Consulté en mars 2016. Disponible sur http://webcache.googleusercontent.com

2.              Johnson Xenie, Alric Jean. «Les micro-algues maîtrisent leur photosynthèse». Evolution&Diversité biologique [en ligne]. Consulté en avril 2016. Disponible sur http://www.edb.ups-tlse.fr/Les-microalgues-maitrisent-leur

3.              Cadoret Corentin, Jan Batiste, Lhomer Charley, Zawadzki. Le biocarburant avec des micro-algues : une alternative aux biocarburants d’aujourd’hui ? Consulté le 17/04/2016. Disponible sur https://issuu.com

4.              Agence spatiale européenne. «La culture de Spirulina en photobioreacteurs». Agence spatiale européenne [en ligne] Consulté le 13/05/2016. Disponible sur http://ecls.esa.int

5.              Peltier Gilles. « Produire des biocarburants à partir de micro- algues : quels enjeux pour la recherche ?». Institut de Biologie Environnementale et Biotechnologie CEA, CNRS, Université́ Aix Marseille [en ligne]. Consulté en avril 2016. Disponible sur https://www.college-de-france.fr

6.              Wedemain rubique santé. « Des micro-algues au-dessus des routes, une nouvelle arme anti-pollution ». Wedemain.fr [en ligne]. Consulté le 17 avril 2016. Disponible sur http://www.wedemain.fr  

7.              Association Genève, villes en cultures. «CULTURE URBAINE GENÈVE». The Cloud Collective [en ligne]. Consulté le 10 mars 2016. Disponible sur http://thecloudcollective.org

8.              Lecomte Erwan. «Une colonne d'algues pour purifier l'air de nos villes ». Science et avenir [en ligne]. Consulté en avril 2016. Disponible sur http://www.sciencesetavenir.fr

9.              Darbbidie Lionel. «CULTURES INTENSIVES DE MICROALGUES SUR LISIER DE PORC : PERFORMANCES, CONTRAINTES, UTILISATION DES BIOMASSES». Ministère de l’agriculture, école nationale supérieure agronomique de Montpellier [en webcache et en ligne]. Consulté en mars 2016. Disponible sur http://webcache.googleusercontent.com

10.           J.de la Noue ; R. van Coillie ; L. Brunei ; Y. Pouliot. «Traitement des eaux usées par culture de micro-algues : influence de la composition du milieu sur la croissance de Scenedesmus spp» limnology-journal [en ligne]. Consulté le 30 mars 2016. Disponible sur http://www.limnology-journal.org

L'umami : 5e saveur de l'agro-alimentaire

FROMENT Fannie, SOARES Bertrand, VIDAL Maïlys, ZUMBRUNNEN Mathieu.

Lorsque nous goûtons un produit alimentaire, la sensation de plaisir que nous ressentons utilise nos cinq sens. Tout d’abord on peut parler de l’ouïe durant la cuisson, suivie par la vue selon l’aspect du produit, ensuite l'odorat qui a un rôle important, puis sa texture, par le touché, aussi bien dans la découpe du produit que grâce à la mastication, et enfin le goût qui est le facteur déterminant pour la dégustation d’un produit.

Le goût est lui-même caractérisé par quatre principales saveurs qui sont : le sucré, le salé, l’acide et l’amer que chacun sait distinguer sans aucune difficulté. Contrairement à cela il y a l’umami, une saveur mystérieuse qui se trouve de nos jours dans nos assiettes au quotidien. L’umami est d’ailleurs considéré aujourd’hui comme la cinquième saveur. Mais alors comment l’homme utilise et perçoit cette saveur ? Et jusqu’où vont nos connaissances à propos de cette saveur ?

Une saveur venue du pays du soleil levant.

Etymologiquement, le mot umami vient du japonais « Umai » qui signifie délicieux et « mi » qui signifie le goût, l’umami serait donc le goût du délicieux, du savoureux. Avant la découverte japonaise, cette saveur avait été mentionnée par le théoricien en cuisine française  Jean Anthelme Brillat-Savarin en 1805 dans un de ses ouvrages (La physiologie du goût) où il a nommé cette nouvelle saveur osmazone. Mais sans réelle recherche scientifique, sa découverte a très vite été oubliée. L’umami a finalement été identifiée et nommée par le chercheur japonais Kikunae Ikeda en 1908 lorsqu’il identifie une saveur ne correspondant à aucune autre des quatre saveurs déjà existantes, dans une soupe traditionnelle japonaise. Même si dans son pays d’origine, le terme d’umami est particulièrement reconnu et utilisé, elle reste quand même une énigme pour les occidentaux qui l’utilise dans leurs plats sans vraiment en avoir conscience. 

Contrairement aux idées reçues, la saveur umamique n’est pas seulement caractéristique de la cuisine japonaise et elle peut être perçue dans beaucoup d’aliments, que ce soit des fruits, légumes, du fromage, traditionnels de la cuisine occidentale. Certains aliments vont voir, en vieillissant, leur saveur augmenter et donc l’umami se développer. Cela s’explique par le fait que ces aliments en vieillissant et en se raffinant, transforment certaines de leurs protéines en acide glutamique donnant alors un goût particulièrement savoureux au niveau de la langue. Même s’il est difficile de donner une réelle définition de la sensation que peut procurer l’umami, on peut dire qu’il s’agit d’une saveur que tout le monde a déjà ressentie sans le savoir, et même pour certains chercheurs la première saveur ressentie par l’intermédiaire du lait maternel.

Bien que l’acide glutamique se trouve naturellement dans beaucoup d’aliment, son équivalent chimique appelé glutamate monosodique ou sous l’appellation E621, est  beaucoup utilisé dans l’industrie agro-alimentaire comme exhausteur de goût, et parallèlement à cela comme additif. Au Japon, ce glutamate synthétisé est même vendu aux particuliers dans le même format que serait vendu du sel. Mais une association à une autre saveur est indispensable car ce glutamate n’a pas vraiment de goût agréable consommé seul. Même s’il est beaucoup utilisé dans les aliments industriels, des recherches sont encore en cours pour reconnaître une toxicité de la molécule sur le corps humain. Le Glutamate monosodique agirait tout de même sur le cerveau humain comme additif, modifiant le fonctionnement des récepteurs responsables de l’inhibition de l’appétit, poussant alors le consommateur à manger sans faim. Il faut donc bien faire une différence entre l’acide glutamique naturel et le glutamate synthétisé qui ne provoque qu’une sensation de saveur.

Un goût ou une saveur ? Quelle est la limite et comment sont-ils perçus?

Tout d’abord il faut savoir que la langue  a trois types de papilles pour le goût et que chacune de ces papilles est constituée de papilles gustatives. Un Homme adulte possède en moyenne dix mille papilles gustatives. Elles sont composées de cellules possédant à leur surface des récepteurs qui reçoivent les substances non volatiles libérées lors de la mastication d’un aliment. La langue humaine effectue des mécanismes lui permettant de détecter les quatre saveurs de bases et aussi l’umami. Ainsi les informations des différentes saveurs vont être transmises au cerveau par le système nerveux. L’umami est considérée comme une saveur plutôt qu’un goût. En effet, le goût est la réunion entre les saveurs perçues par la langue et l’arôme perçu par le système olfactif. Ici l’existence de ces récepteurs spécifiques à cette saveur sur la langue, et transmettant un signal par les nerfs du goût, indique une nécessité physiologique de reconnaître cette saveur de base.

Figure 1 : Perception du goût et de la saveur chez l’Homme  [1]

Certains scientifiques se sont alors posés la question : « Qu’est-ce que cela produit sur la langue et les papilles et comment ? ». C’est ainsi qu’ils ont découvert que la saveur umamique était dûe aux différents constituants de l’umami à savoir le glutamate, l’inosine monophasphate(IMP) et la guanosine monophosphate (GMP.

Les bourgeons gustatifs sont un amas de cellules gustatives qui se situent dans les papilles de n’importe quel type, ce sont ces cellules qui permettent de détecter les différents goûts et qui pourra les interpréter en signaux nerveux. Il peut y avoir de 50 à 100 cellules dans un bourgeon, elles se décomposent en 4 types (2 servant de soutien, 1 a la détection du goût et une dernière ayant un rôle de remplacement). Parmi les nombreuses cellules servant à la détection du goût il y a deux sortes de cellules. Les cellules réceptrices (non innervées) répondent aux stimuli sucré, amer et umami et les cellules pré- synaptiques (innervées) qui  répondent directement aux stimuli acides et salés. Les signaux de cellules non  innervées vont se diriger vers les cellules présynaptiques pour que l’information arrive au cerveau. Toutes les  cellules comportent à leur sommet des petites villosités qui permettent de capter toutes les molécules gustatives ainsi que le glutamate et les autres substances qui donnent le goût umami.

Les récepteurs gustatifs qui détectent ce goût mystérieux sont en fait dans toutes les papilles gustatives de notre langue. Tout d’abord il y a trois récepteurs a l’origine de la reconnaissance du glutamate :

•        L’hétérodimère T1R1/T1R3, qui détecte le glutamate et l’aspartate. De plus T1R1/TR1R3 à une structure identique à 50% aux récepteurs au sucre. On les retrouve majoritairement sur notre palais et sur les bords de la langue.

(Un héterodimère est une protéine qui possède deux sous unités différentes)

•        Des variantes des récepteurs mGluR1 et mGluR4, qui détectent aussi le glutamate

(Les récepteurs mGLuR1 et mGluR4 sont des protéines qui inhibent la cascade de l’AMP cyclique, puisqu’ils sont simplement des dérivés dans le cas présent, ils servent à détecter l’umami)

Ces récepteurs sont couplés à des protéines de type G ce  qui va provoquer la libération du calcium dans les cellules et qui va entrainer la libération de l’ATP et de neurotransmetteurs comme la sérotonine. Les cellules réceptrices du goût n’ont pas de liaison entre elles (ou synapses) donc c’est l’ATP qui va transmettre l’information aux nerfs qui eux vont le transmettre au cerveau et analyser le goût.

De plus le récepteur T1R1/TR1R3 ne détecte pas uniquement le glutamate et l’aspartate, il s’est avéré qu’il répond également à des ribonucléotides, c’est-à-dire des composants de l’ARN, tels que l’IMP (inosine monophosphate) et GMP (guanosine monophosphate). C’est ainsi que Akira Kuninaka découvrit que le glutamate, élément essentiel de l’umami, pouvait en étant associé à un de ces deux composés, amplifié la saveur umamique. C’est ainsi que s’explique l’association d’aliments formant nos plats traditionnels et définissant nos différentes cultures gastronomiques. La synergie de ces composés avec l’umami a initié  un nouvel additif autre que l’E621 composé uniquement de glutamate monosodique (GMS), qui est l’E635 composé de l’IMP et le GMP visant à rehausser les aliments contenant du glutamate.

Selon La température, l’odeur, l’aspect, et les conditions dans lesquelles nous mangeons un aliment, celui-ci aura un goût différent, de plus, les quatre autres saveurs primordiales vont ou masquer, ou révéler encore plus la cinquième saveur, l’umami. Par exemple si le sel est présent en trop grande quantité dans l’aliment, la langue se focalisera sur cette saveur qui est assez imposante et c’est également le cas pour la saveur sucrée, donc l’umami ne sera pas très bien détectée, l’acidité ou l’amertume peut donner des arrière goûts dans la bouche ce qui peut masquer le goût persistant et durable de l’umami.

Il y a en fait trois substances présentes dans l’umami connues à ce jour : le glutamate, l’inosine monophosphate et le guanosine monophosphate. Le glutamate est un acide aminé commun que l’on trouve abondamment dans la nature. Les deux autres molécules participant à la saveur umamique sont présentes dans beaucoup de produits alimentaires. Ce sont les japonais qui sont à l’origine de la découverte de ces trois molécules.

Le glutamate est aujourd’hui le plus étudié parmi ces constituants majeurs. On peut le retrouver dans les protéines de nombreux aliments. Il existe également sous forme libre naturellement également dans des produits alimentaires tels que la viande, les fruits de mer et les végétaux. Comme exemple on peut citer la tomate qui est particulièrement riche en glutamate ce qui explique sa grande utilisation aux quatre coins du monde proposant ainsi une grande variété de plats à la saveur umamique.

Le glutamate est très important et intéressant pour nos scientifiques car il est très présent dans notre corps. En effet 2% de notre masse corporelle correspond au glutamate. On le retrouve dans des organes vitaux comme les muscles, les reins, le foie ainsi que d’autres organes, mais surtout dans le cerveau. Un Homme consomme en moyenne une quinzaine de grammes de glutamate lié dans une protéine et un gramme de glutamate libre dans son alimentation quotidienne et son corps synthétise une cinquantaine de grammes de glutamate libre. Chez un bébé le glutamate est très important, il constitue l’acide aminé le plus présent dans le lait maternel parmi les 20 acides aminés essentiels et favorise ainsi l’acceptation du lait maternel par le corps de l’enfant. Des tests ont montré que cela est vrai particulièrement pour l’Homme.

Figure 2 : Pourcentage massique du glutamate dans différents laits maternels  [2]

Lors de l’ascension de la nourriture asiatique dans les années 1960 d’autres expériences sur l’umami ont été effectuées. En effet la nouveauté de cette saveur était associée à ce que l’on appelait « le syndrome du restaurant chinois ». De nombreux scientifiques ont donc étudié cette saveur afin de démontrer qu’elle n’était pas néfaste pour la santé. Ainsi cette saveur a pu se développer jusqu’à aujourd’hui.

L’umami synthétisé par l’Homme : le Glutamate monosodique.

Pourtant aujourd’hui l’umami n’est pas définie et personne ne saurait l’expliquer. Certaines expériences ont été réalisées afin de mieux connaître les propriétés du glutamate monosodique qui correspond à la saveur synthétique de l’umami par ce dérivé du glutamate. Des étudiants ce sont portés volontaires et ont ainsi participé à une expérience consistant à goûter séparément trois « aliments » : l’eau, le glutamate monosodique, et à un des deux ribonucléotide souvent associés au glutamate pour accentuer son effet d’exhausteur de goût. A ce stade chaque composé était sans saveur voire déplaisant. Après cela les mêmes étudiants ont dû boire un cocktail composé des trois éléments associés c’est ainsi qu’une saveur végétale agréable est apparue. Cette expérience fût associée à l’observation de l’activité cérébrale de chaque individu par IRM, ce qui a conduit à l’observation de la plus forte et plus longue activation des neurones du cortex frontal associée au plaisir du goût.

Des tests cliniques ont été effectués pour mieux comprendre comment l’Homme ressent l’umami. Pour cela différentes concentrations d’umami ont été testées sur des patients atteints de déficience gustative et de témoins, sans déficience, de tous âges, et à différents emplacements dans leur bouche. Tout d’abord il était important de détecter un seuil de sensibilité ou de reconnaissance à l’umami afin d’effectuer les tests suivants. Ainsi les expériences ont montré que l’Homme sans désordre alimentaire pouvait détecter l’umami entre une concentration de 50 et 200 mM. Les tests ont permis de savoir que l’umami est mieux captée à l’avant de la langue qu’à l’arrière et que sur le palais. De plus cette saveur est perçue de la même manière à tous les âges. Pour finir un patient ayant une déficience gustative, à le même seuil de sensibilité à l’umami, après traitement, alors qu’avant, le seuil de sensibilité était plus haut (il nécessitait une plus forte concentration d’umami) à tous les sites de la bouche testés. [3]

D’autres expériences sont encore à effectuer car la question des scientifiques était de savoir à quoi servait cette saveur. En effet les autres saveurs sont toutes associées à certaines particularités essentielles chez l’homme : le sucre, est la présence de glucide essentiel pour l’organisme, le salé est un élément essentiel à notre organisme, l’acide prévient de la pourriture d’un aliment et l’amertume provoque une sensation de danger de notre corps face à un aliment toxique. Certes l’umami est associée au goût des protéines car il est provoqué par un acide aminé mais même si cet acide aminé, le glutamate, est essentiel pour nos neurones en particulier c’est un acide aminé déjà produit en quantité suffisante par l’homme. Cet hypothèse laisse penser que les lipides eux aussi aurait une saveur propre nommée oleogustus et qui  serait alors la sixième saveur.

En 1908, le professeur Kikunae Ikeda isole dans une algue l'acide glutamique. Le professeur, en voulant vérifier que l'acide glutamique était bien responsable du goût umami, effectua différents tests sur différents sels de glutamate, tels que le sodium, calcium ou encore magnésium. Tous ces sels étaient similaires à l'umami, d'un point de vue gustatif, avec un arrière-goût dû aux minéraux. Cependant, le sel de sodium était plus savoureux et plus simple à fabriquer et cristalliser. Ainsi Kikunae Ikeda a appelé ce produit : Glutamate monosodique (ou GMS). La production industrielle démarre en 1909 avec les frères Susiki, sous le nom « Essence du goût ».

Le Glutamate monosodique est produit de trois façons différentes : soit en hydrolysant des protéines végétales avec de l'acide chlorhydrique, soit en faisant une synthèse avec de l'acrylonitrile, et enfin la méthode actuelle, la fermentation bactérienne. Au départ, on utilisait le gluten de blé pour sa forte concentration en glutamate et glutamine. Mais avec la demande mondiale croissante, les scientifiques ont recherché d'autres méthodes de synthèse du GMS.

De nos jours, la production se fait majoritairement via la fermentation bactérienne : il s'agit d'un processus comparable à celui de la fermentation du vin. Les bactéries utilisées sont sélectionnées, comme le genre corynéformes par exemple, puis mise en culture en présence d'ammoniac, et des glucides issus, par exemple, de canne à sucre. Ces bactéries vont excréter alors le L-glutamate qui sera isolé. S'en suive des étapes de filtration, concentration, acidification et cristallisation, ce qui permet d'obtenir le glutamate sous une forme de poudre blanche pur. En solution, il se dissout en glutamate de sodium dans l'eau, mais pas dans des solvants organiques. Enfin lorsqu'on le cuisine, le GMS est particulièrement stable, mais des réactions de Maillard (réaction correspondant à l'action des sucres sur les protéines), peuvent se produire si le GMS est en présence de sucres à haute température.

Le GMS a pour principal intérêt de sublimer les autres composants actifs du goût en équilibrant le goût global des plats. Il est beaucoup utilisé avec la viande, la volaille, le poisson, mais aussi les légumes et autres soupes. Cependant, à l'image du sucre, le dosage est important. En effet, si la dose est trop forte, le plaisir de manger et la sapidité chute rapidement. Le GMS permet aussi de réduire l'apport en sel, en effet la teneur en sodium du GMS est trois fois inférieure à celle du sel, mais avec une sapidité équivalente.

L'un des inconvénients du glutamate est son absorption très rapide dans l'intestin grêle, entrainant un taux de glutamate dans le plasma sanguin important. Or l'acide glutamique (un produit de la dégradation du glutamate) est classé dans la catégorie des composés chimiques neurotoxiques, dont un dosage élevé présente des effets nocifs sur certaines parties du cerveau. Un débat existe au sein du monde scientifique : en effet certains scientifiques pensent qu'une forte concentration en GMS dans le sang est directement liée à des lésions au cerveau. Ces réflexions, menées par les recherches de John Olney, s'opposent à la pensée des scientifiques n'y voyant aucune corrélation. Le fait est que ces tests ont été effectués sur des souris. Concrètement, deux théories s'affrontent : L'une disant que les effets neurotoxiques observé chez les souris pourraient parfaitement s'appliquer à l’homme, l'autre disant que l'impact observé sur les souris n'aurait pas lieu chez l'homme, due à la différence de physiologie observé.

L’umami est une association entre plusieurs composés donnant une sensation de plaisir dès la naissance. Il est difficile à sentir car il joue un rôle d’exhausteur de goût et qu’il est présent dans des types d’aliments variés comme le fromage ou les tomates. L’Homme sans le définir l’utilise depuis longtemps à travers de nombreuses méthodes de transformation alimentaire et au travers de plats traditionnels par association des différents composés de l’umami, toujours à la recherche du savoureux.

WEBOGRAPHIE

•       [1]  Qu’est‐ce que le goût ?.

http://inra.dam.front.pad.brainsonic.com/ressources/afile/223718-0b489-resource-quest-ce-que-le- HYPERLINK "http://inra.dam.front.pad.brainsonic.com/ressources/afile/223718-0b489-resource-quest-ce-que-le-gout.html"goût HYPERLINK "http://inra.dam.front.pad.brainsonic.com/ressources/afile/223718-0b489-resource-quest-ce-que-le-gout.html".html. [page consultée le 22/03/16]

•       L’express.(2015). Umami: tout ce qu'il faut savoir sur cette cinquième saveur. http://www.lexpress.fr/styles/saveurs/umami-tout-ce-qu-il-faut-savoir-sur-cette-cinquieme-saveur_1659760.html. [page consultée le 22/03/16]

•       Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. (2008). Molecular mechanism for the umami taste synergism. www.pnas.org/content/105/52/20930.full. [page consultée le 16/04/16]

•       Popular Science. (2015). Science: Put the science of umami to work for you. www.popsci.com/hidden-secrets-umami. [page consultee le 16/04/16]

•       [2] Eat Well, Live Well, Ajinomoto. What is umami?. www.ajinomoto.com/features/aji-no-moto/en/umami/ [page consultée le 16/04/16]

•       [3] PLOS one. (2014). Development of an Umami Taste Sensitivity Test and Its Clinical Use. http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0095177. [page consultée le 18/04/16]

•       UMAMI in Foods: EAL Workgroup. Umami in Foods: What is Umami and how do I Explain It. https://www.andeal.org/vault/2440/web/Umami%20in%20Foods%20White%20Paper.pdf. [page consulté le 23/04/16]

•       INK-CHROMA. (2012). The MSG Files, Part III: Umami. https://inkchromatography.wordpress.com/2012/04/26/the-msg-files-part-iii-umami/. [page consultée le 23/04/16]

•       Additifs Alimentaires, la face cachée de l’alimentation transformée. E621 : Glutamate de sodium, glutamate monosodique, GMS. www.additifs-alimentaires.net/E621.php. [page consultée le 04/05/16]

•       UMAMI, Information Center. (2016). What is Umami ? : The composition of umami. www.umamiinfo.com/2011/02/the-composition-of-umami.php. [page consultée le 04/05/16]