Brevet FR2706253A1 — publié le 19941223

La présente invention a trait au domaine général de l'agro-alimentaire; elle concerne plus particulièrement un procédé de protection des acides aminés vis à vis de la dégradation ruminale ainsi que le complexe alimentaire pour ruminants obtenu par le procédé. Les ruminants ont des besoins azotés qu'il convient de satisfaire afin d'assurer une extériorisation optimale de leurs potentialités de production. Bien que l'énergie soit le facteur principal, le niveau des apports et la qualité des composés azotés de la ration ont une influence fondamentale dans l'utilisation métabolique des aliments et, par voie de conséquence, sur les performances zootechniques de l'animal. On considère que les protéines microbiennes constituent la part la plus importante pour la couverture des besoins azotés chez la vache laitière haute productrice (VLHP). De ce fait, pour être efficace, tout système d'alimentation doit être orienté vers une optimisation des fermentations ruminales et des synthèses protéiques bactériennes. Toutefois, s'il semble nécessaire d'accroître la production de protéines microbiennes, celles-ci ne peuvent entièrement couvrir les besoins azotés requis pour une forte production. Cet écart se creuse d'autant plus que la production de lait s'intensifie et que la capacité d'ingestion de l'animal est réduite (VLHP en début de lactation). Afin de satisfaire les besoins en azote fermentescible de la population microbienne et ceux en acides aminés de l'animal hôte, il apparaît indispensable d'augmenter l'efficacité des protéines de la ration. Jusqu'à présent, la stratégie d'alimentation de la VLHP était établie, pour une couverture globale des besoins azotés, par un apport de protéines digestibles dans l'intestin (protéines alimentaires et microbiennes). Mais ce système est en train d'évoluer et l'aspect qualitatif des protéines est de plus en plus pris en compte. De nombreuses études tentent d'évaluer le besoin en acides aminés des ruminants et mettent en évidence l'existence d'acides aminés limitants qui, amenés au niveau de l'abomasum, permettent un accroissement des performances de l'animal. Chez la vache laitière, la méthionine et la lysine sont identifiées comme premiers facteurs limitants pour les rations à base d'ensilage de mais (RULQUIN H. 1987, "Détermination de certains acides aminés limitants chez la vache laitière par la méthode des administrations post- ruminales", Reprod. Nutr. Develop., 27: 299-300). En règle générale, aucun effet n'est observé sur les performances des animaux lorsque l'apport d'acides aminés est directement réalisé dans la ration, et sans précaution particulière, alors qu'une perfusion de ces acides aminés dans la caillette ou le duodénum s'accompagne souvent d'une réponse zootechnique. L'absence de réponse, au niveau de la production laitière, à un apport d'acides aminés libres dans la ration est expliquée par une dégradation rapide (désamination) de ces molécules dans la panse (REMOND B. 1989, "Effet de l'apport de DL méthionine, protégée de sa dégradation dans le rumen, aux vaches laitières pendant le tout début de lactation". Ann. Zoot., 38: 129-137). Pour que l'animal puisse bénéficier de ces acides aminés, il s'avère donc indispensable de les soustraire à la dégradation microbienne. Récemment, de nombreuses études ont porté sur les possibilités de protection des acides aminés de synthèse et plus particulièrement sur celles de la méthionine et de la lysine. Différentes formes de protection (analogues et polymères d'acides aminés; enrobage par des matrices de nature variée) ont été proposées. Ainsi, certains procédés reposent sur l'utilisation de microsphères protectrices à dissolution contrôlée. Elles présentent l'inconvénient majeur, pour certaines, de ne pas être compatibles avec l'économie des productions animales ou, pour d'autres, de ne pas résister à la granulation lors de la fabrication des aliments. L'objet de la présente invention est de proposer un nouveau procédé de protection des acides aminés vis à vis de la dégradation ruminale. Ce procédé peut être mis en oeuvre par les techniques usuelles utilisées dans le domaine de la fabrication d'aliments; il utilise des constituants classiques et peu onéreux qui lui permettent d'être économiquement acceptable. Selon l'invention, ce procédé consiste à complexer le ou les acides aminés que l'on désire protéger avec un sucre réducteur, et ceci par un traitement hydrothermique qui entraîne la condensation d'une molécule d'acide aminé et d'une molécule de sucre réducteur. On crée ainsi une liaison chimique entre l'acide aminé et le sucre qui protège l'acide aminé des attaques bactériennes. Le complexe obtenu peut être utilisé à titre de constituant ou d'additif alimentaire pour polygastrique. Le traitement appliqué entraîne une importante diminution de la dégradation des matières azotées dans le rumen des bovins. Il apparaît un effet de protection qui n'altère pas ou qui n'altère que très légèrement la digestion enzymatique dans la caillette et l'intestin, des matières azotées résiduelles de la dégradation ruminale. Une telle réaction est déjà connue dans le domaine de l'agro- alimentaire et plus particulièrement dans le domaine de l'alimentation animale; elle est plus généralement connue sous le nom de réaction de MAILLARD mais, étant donné ses caractéristiques, on cherche toujours à l'éviter ou, tout au moins à la limiter dans ses effets. La réaction de MAILLARD a été décrite par BALTES W. en 1982 ("Chemical changes in food by Maillard Reaction".Food Chemistry, 9: 59-73). Elle correspond à un ensemble très complexe de réactions qui résultent d'une condensation entre la fonction carbonyle d'un sucre réducteur et un groupe aminé libre (acide aminé, peptide, protéine), consécutive à un traitement thermique; elle aboutit dans la phase ultime à la formation de pigments bruns ou noirs: les mélanoidines, et elle entraîne un blocage des acides aminés. Les substrats de cette réaction sont des composés carbonylés et en premier lieu des sucres réducteurs (composés polyhydroxy-carbonylés). D'autres composés à fonction carbonyle interviennent aussi; c'est le cas des vitamines (acide ascorbique, vitamine K, orthophénols, produits d'oxydation des lipides et arômes naturels comme l'aldéhyde cinnamique et la vanilline). Le brunissement non enzymatique se manifeste lors des traitements technologiques ou du stockage de divers aliments. Il est accéléré par la chaleur et apparaît tout particulièrement lors des opérations de cuisson (autoclavage ou cuisson-extrusion). Le sort de l'acide aminé dépend de: - la position de l'acide aminé dans la molécule protidique et la possibilité de présenter un groupement aminé libre, - la nature des glucides de l'aliment et de leur réactivité dans la réaction de MAILLARD, - l'existence possible de phénomènes associés ou secondaires de la réaction de MAILLARD, interférant avec la stabilité des acides aminés et pouvant, par exemple, entraîner leur destruction par oxydation, - de paramètres influant sur la réaction: température, humidité, pH. On enregistre avec des intensités variables des brunissements, des dégagements de gaz carbonique, des blocages et des destructions d'acides aminés, ainsi qu'une disparition rapide du sucre réducteur accompagnée de la formation de substances réductrices. Le schéma simplifié de la réaction de MAILLARD est le suivant (CHEFTEL J.C. et CHEFTEL H. (1990).III.3. Brunissement non enzymatique dans "Introduction à la biochimie et à la technologie des aliments". Vol. 1, Technique et documentation - Lavoisier, Paris, p. 381): "condensa -i on de Mai I lard" SUCRE REDUCTEUR + AMINE -_ GLYCOSYLAMINE (OU aOutre compose (p. ex. (ou, plus généralement, à Foncrlion C O acide aminié, carbonylamine) I Jbre) prot é i ne, etc.) "Réarrangement d ' Amlador 1" ou "de Heyns" CETOSAMi NE (ou ALDOSAM i NE "Dégrada)ion AMi NE de Strecker" *4t'pe. bloquée *énol isa io 1is &b bdSSe i success i ves nCOMF05ES E3 tRFS REAC1 IFS 3 , J condensa - i on aldol ique POLYMERES5 BRUNS + PROIUIT5 DE s5CISSION VOLATiLS ET ODORANrS Le schéma de la première étape (condensation de MAILLARD) est le suivant: % H;N OH ('\C=O + "N-R - C / N H NH-R aldose, acide aminé, glycosylamlne, ou cétose, proféine, plus généralement .......... carbonylamine 35... /N', H (*H (hi C '-- - C =N-R + H20 /.:F ' R base de Schiff, Instable Les caractéristiques générales de la réaction de MAILLARD en font un phénomène que l'homme du métier cherche toujours à éviter ou à limiter lorsqu'il se trouve en présence d'un sucre réducteur et d'un acide amine. Contrairement aux directions vers lesquelles on s'est toujours orienté jusqu'à maintenant, la présente invention utilise les caractéristiques de la réaction de MAILLARD pour limiter la solubilité d'un ou de plusieurs acides aminés dans le but de les protéger vis à vis de la dégradation microbienne dans le rumen. En fait, le procédé selon l'invention consiste à faire subir un traitement hydrothermique à un mélange d'acide aminé et de sucre réducteur, dans des conditions telles qu'il permette l'initiation d'une réaction de MAILLARD entre les deux constituants, tout en limitant cette réaction au(x) stade(s) précoce(s). Les stades précoces de la réaction de MAILLARD (base de Schiff notamment) permettent de conserver l'acide aminé intact. Etant donné la réversibilité des réactions en jeu, cet acide aminé pourra reprendre sa forme initiale dans la suite du transit intestinal et jouer pleinement son rôle au niveau sanguin. Les proportions des différents constituants en présence seront adaptées pour obtenir un rendement optimal. D'autre part, le procédé de traitement utilisé doit être economiquement acceptable; étant donné ses caractéristiques, un traitement par cuissonextrusion conviendra parfaitement, en association avec un support alimentaire tel que du lupin par exemple. A partir de ces généralités, on a mis au point un traitement hydrothermique susceptible de permettre la préparation d'un complexe alimentaire destiné à l'alimentation des ruminants, assurant la protection des acides aminés vis à vis de la dégradation microbienne et leur libération au cours du transit intestinal. Principe de préparation du complexe alimentaire La protection du ou des acides aminés est obtenue par la condensation d'une molécule d'acide aminé et d'une molécule d'un sucre portant une fonction réductrice (carbone anomérique) avec formation d'un complexe (base de Schiff notamment) qui constitue une des premières étapes de la réaction de MAILLARD. Le procédé consiste à préparer, dans des proportions optimales (une fonction aminée pour une fonction carbonyle), un mélange d'acides aminés et de sucre sur un support alimentaire, puis à traiter thermiquement le mélange selon le procédé de cuisson-extrusion, dans des conditions adaptées pour limiter la formation du complexe au(x) stade(s) précoce(s) de la réaction générale de MAILLARD. 1- Choix du support L'utilisation à des fins alimentaires du complexe selon l'invention qui renferme le ou les acides aminés implique de choisir un support qui présente de bonnes qualités nutritionnelles. En outre, cette matière première doit se prêter au procédé de traitement par cuisson- extrusion: elle ne doit pas être trop riche en matière cellulosique et ne doit pas contenir, de préférence, plus de 20 % d'amidon (au-delà de cette teneur en amidon, la cuisson-extrusion provoque une expansion de la matière qui accroît sa sensibilité aux attaques microbiennes). La graine de lupin broyée constitue un excellent support. Le lupin (espèce Lupinus albus L.) est une graine protéagineuse riche en protéines (370 à 420 g/kg de Matière Sèche MS) mais pauvre en lysine et déficiente en acides aminés soufrés et en tryptophane. Le lupin renferme aussi une teneur en matières grasses non négligeable (100 g/kg MS), ce qui lui confère une valeur énergétique élevée (5 Mcal/kg MS). Bien que dépourvu de sucres réducteurs, le lupin contient des glucides cytoplasmiques constitués en grande partie d'oligosaccharides (110 g/kg MS). Le tourteau de soja ou le gluten-meal sont aussi techniquement intéressants (Tables de l'alimentation des bovins, ovins et caprins, INRA Diffusion, Tec. et Doc. Lavoisier, Paris 1989). 2- Choix du sucre réducteur N'importe quel sucre, ose ou diholoside (aldose, cétose, acide uronique, disaccharide réducteur), peut être utilisé, à condition qu'il renferme un carbone anomérique lui conférant un caractère réducteur. On pourra ainsi utiliser du glucose, du xylose, du lactose... Pour des raisons économiques et pratiques cet apport de sucre réducteur se fera de préférence sous la forme de poudre de lactosérum déshydratée. Le lactosérum, ou "petit lait", est un sous-produit de l'industrie laitière et plus particulièrement des industries fromagères. Un litre de lactosérum issu du lait de vache contient 40 à 57 g de lactose, soit environ % de la matière sèche totale. Le lactose est un diholoside (bêta-D galactopyranosyl-(1-4) bêta D glycopyranose) qui renferme un carbone anomérique. Le lactosérum dont la composition est représentée dans le tableau I ci-après contient en outre des protéines et des matières grasses que le ruminant est capable de bien valoriser. TABLEAU I Composition de lapoudre de lactosérum Composition (%) - Lactosérum sec Protéines 12-14 Matières grasses 0,7- 1,3 Lactose 78 - 81 Cendres 7,7 8,7 3- Le ou les acides aminés Tous les acides aminés, naturels ou produits par l'industrie (acides aminés de synthèse) sont susceptibles d'être incorporés dans ce complexe alimentaire, en raison du groupement alpha aminé qu'ils renferment, et peuvent être protégés selon le procédé. Dans certains cas il sera intéressant d'utiliser un mélange d'acides aminés. Les acides aminés retenus peuvent par exemple être la lysine et la méthionine. La lysine est un acide aminé essentiel qui peut se présenter sous la forme de chlorydrate de lysine. Cet acide aminé basique comporte deux groupements NH2: un en position alpha et un en position epsilon. La méthionine, autre acide aminé essentiel, peut se présenter sous forme de DL méthionine; elle comporte un groupement NH2 en position alpha. 4- Le traitement hydrothermique Le procédé de cuisson-extrusion consiste à comprimer un produit et à élever sa température dans une chambre de compression, puis à le détendre brutalement à l'extrémité d'une filière. L'élévation de température provoque la cuisson de ses composants; la détente en sortie de filière peut provoquer l'expansion de l'amidon, si le produit en contient, du fait de la libération brutale de la vapeur d'eau qu'il renferme. Le procédé de cuisson-extrusion a été retenu pour réaliser le traitement hydrothermique du complexe alimentaire pour deux raisons: - il s'agit d'un procédé qui assure un traitement en continu, - sa souplesse permet facilement d'adapter les paramètres de traitement aux objectifs fixes. Les appareils utilisés sont des extrudeurs constitués d'un fourreau dans lequel le produit est entraîné par une ou plusieurs vis, puis détendu par un orifice de faible diamètre: la filière. La cuisson se produit au fur et à mesure que le produit progresse dans le fourreau de l'appareil et l'expansion s'effectue à l'orifice de la filière. Les temps de traitement, température, pression et humidité sont adaptés pour favoriser l'apparition d'une réaction de MAILLARD; ils sont également adaptés pour l'obtention des caractéristiques optimales désirées. Exemple la préparation du complexe alimentaire commence par le mélange intime des trois constituants: - farine de lupin (espèce Lupinus albus) (CANA, 44 ANCENIS, FRANCE). - acide aminé: chlorhydrate de Lysine (EUROLYSINE, 75 PARIS, FRANCE). - sucre réducteur: poudre de lactosérum (RENTAL, 31 COLOMIER, FRANCE). Ce mélange peut être fait en mélangeuse horizon- tale; il est de préférence réalisé dans des proportions 10/1/3 en poids. Le rapport 1/3 de lysine et lactosérum a été retenu pour optimiser le mélange; le rapport 10/1/3 de lupin, lysine et lactosérum a été retenu pour faciliter l'extrusion du produit. L'opération de cuisson-extrusion est réalisée en cuiseur ou extrudeur bivis (type BC 45, CLEXTRAL, 42 FIRMINY, FRANCE). Ce cuiseur extrudeur est équipé d'un fourreau d'une longueur de 750 mm; il est conçu pour traiter la matière à de hautes pressions et températures. La vitesse des vis et leur géométrie peuvent être modifiées aisément. Le fourreau est composé de trois modules de 250 mm; les modules sont assemblés entre eux par des colliers. Le premier module (250 mm) est équipé d'un orifice d'alimentation, d'un circuit interne de refroidissement avec 6 trous, d'un thermocouple en fer/constantan (constituant une zone de régulation), relié au panneau de contrôle pour la lecture et le contrôle de la température. Les autres modules de 250 mm sont équipés d'un circuit interne de refroidissement (4 trous), de résistances de 1,8 kw et d'un thermocouple en fer/constantan pour la régulation de la température. Un module intermédiaire est équipé de deux orifices pour permettre l'injection de vapeur. Les vis sont composées d'un ensemble d'éléments assemblés sur une paire d'arbres cannelés et pouvant être interchangés suivant la matière à travailler. Les paramètres du traitement appliqué sont les suivants: - pH: environ 6 pression: environ 80 bars - température d'extrusion: environ 150 C en sortie de filière - temps de traitement: entre 15 et 25 secondes, de préférence 20 secondes - taux d'humidité: entre 5 et 15 % (on ajoute de l'eau ou de la vapeur d'eau en fonction de l'humidité intrinsèque résiduelle du mélange). On travaille de préférence à un taux d'humidité voisin de 10 %; on veillera de toutes façons à ne pas dépasser % d'humidité. A la sortie de la filière, le complexe alimentaire présente la couleur jaune caractéristique de la farine de lupin extrudé. En différant le refroidissement de 4 à 5 minutes, une couleur brune commence à apparaître; à ce moment le produit doit être refroidi pour bloquer les réactions aux stades précoces de la réaction de MAILLARD. Le produit obtenu peut ensuite subir une opération de granulation en vue d'une administration dans la ration alimentaire des animaux. Résultats Les caractéristiques de solubilité des composés azotés rendent compte de leur aptitude à être dégradés dans le rumen (VERITE R., JOURNET M. & JARRIGE R. (1979) "A new system for the protein feeding of ruminants". The PDI system. Liv. Prod. Sci., 6:349-367. LINDBERG J.E., CLASON C., CISZUK P. & Den BRAVER E. (1982) "Buffersoluble and short-term in sacco degradable crude protein in relation to ruminal ammonia concentration in sheep". Swedish J. Agric. Res. 12:77-82. STERN M.D. & SATTER L.D. (1982) "In vivo estimation of protein degradability in the rumen. Protein requirements for cattle". Symposium. OWENS F.N., Ed. Oklahoma State Univer., Stillwater. STERN M.D. & SATTER L.D. (1984) "Evaluation of nitrogen solubility and the dacron bag technique as methods for estimating protein degradation" J. Anim. Sci., 58(3):714- 724). La solubilité du ou des acides aminés du complexe alimentaire est déterminée par la recherche de la quantité d'azote total (Nt) (méthode de VERDOUW H., Van ECHTELD C.J.A. et DEKKERS E.M.J. (1977) "Ammonia Determination based on indophenol formation within sodium salicylate". Water Res., 12:399-402) et par la proportion d'azote soluble (Ns) et insoluble (Nns) (méthode de VERITE R. et DEMARQUILLY C. (1978). "Qualité des matières azotées des aliments pour ruminants" dans: "La vache laitière", INRA Publ. PARIS, 143-158). * A l'état brut, sans traitement particulier, % de l'azote du chlorhydrate de lysine se présente sous forme soluble. * Après traitement par cuisson-extrusion dans les conditions indiquées ci-avant: a) mélange poudre de lupin/chlorhydrate de lysine: 100 % de l'azote du chlorhydrate de lysine se présente sous forme soluble. b) mélange poudre de lupin/chlorhydrate de lysine/poudre de lactosérum (proportions 10/1/3): seulement 20 % de l'azote du chlorhydrate de lysine se présentent sous une forme soluble. Ces résultats montrent que 80 % de la lysine traitée a été insolubilisée et que cette insolubilisation est liée au traitement utilisé, en association avec un sucre réducteur. D'autre part, la méthode des bilans sur vaches laitières fistulées à trois niveaux (rumen, duodénum, iléon) montre que le produit est bien digéré au niveau de l'intestin. Le procédé selon l'invention diminue la dégradabilité des acides aminés dans la panse; en conséquence, il augmente la quantité des produits azotés qui arrivent au niveau de l'intestin. D'autre part, ces produits sont aussi bien digérés que lorsqu'il n'y a pas de protection. Un tel procédé peut donc être utilisé pour la protection des acides aminés de synthèse notamment, en vue d'une amélioration du taux protéique dans le lait. A cet effet, le complexe alimentaire selon l'invention peut être incorporé dans la ration alimentaire des vaches laitières à titre d'ingrédient ou de constituant principal. A cet effet, un mélange de farine de lupin, de chlorydrate de lysine de DL méthionine et de poudre de lactosérum, traité selon le procédé exposé ci-avant, pourra très bien convenir. Les proportions des composés dans le mélange seront adaptées en fonction des critères d'optimisation définis précédemment et en fonction des besoins des animaux. - REVENDICATIONS - 1.- Procédé de protection d'un acide aminé vis à vis de la dégradation ruminale, caractérisé en ce qu'il consiste à complexer ledit acide aminé avec un sucre réducteur par un traitement hydrothermique entrainant une condensation d'une molécule d'acide aminé et d'une molécule de sucre. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à faire subir un traitement hydrothermique à un mélange d'acide(s) aminé(s) et de sucre réducteur, les conditions dudit traitement étant adaptées pour permettre l'initiation d'une réaction de MAILLARD entre les deux constituants et pour limiter cette réaction aux stades précoces de ladite réaction de MAILLARD. 3.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à préparer un mélange d'acide(s) aminé(s) et de sucre réducteur dans des proportions correspondant à une fonction aminée pour une fonction carbonyle. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un traitement hydrothermique par cuisson-extrusion, avec un support alimentaire. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à traiter le mélange d'acide aminé et de sucre réducteur dans un cuiseur extrudeur pendant un temps de l'ordre de 15 à 25 secondes, sous 80 bars de pression environ, avec une température de sortie filière de l'ordre de 150 C et avec un taux d'humidité du mélange voisin de 10 %. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il consiste à différer le refroidissement du mélange à la sortie de la filière d'extrusion jusqu'à apparition d'une légère couleur brune caractéristique de la présence d'une réaction de MAILLARD. 7.- Complexe alimentaire obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8.- Complexe alimentaire selon la revendication 7, obtenu par cuissonextrusion avec de la farine de lupin comme support alimentaire. 9.- Complexe alimentaire selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il est obtenu en utilisant de la poudre de lactosérum à titre d'apport de sucre réducteur. 10.- Complexe alimentaire selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il est obtenu par cuisson- extrusion d'un mélange de farine de lupin, de chlorhydrate de lysine, de DL-méthionine et de poudre de lactosérum,dans des proportions répondant aux besoins des animaux.