Réaction de Maillard

Lesréactions deMaillard, mieux nommées réactions amino-carbonyles, sont des réactions deglycation, entre dessucres réducteurset des composés qui portent un groupe amine, tels les acides aminés, les peptides et les protéines.
Dans lesaliments, ces réactions engendrent des composés qui contribuent à la couleur, à la saveur, à l'odeur. Elles commencent par unecondensationentre legroupeamined'un acide aminé, d'un peptide ou d'une protéine, et le groupecarbonyledesucres 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 leurbrunissement non enzymatique(ce qui ne l'apparente pas à lacaramélisationqui fait intervenir uniquement lesaccharose). Dans les situations culinaires courantes, les réactions de glycation ont souvent lieu en même temps que despyrolyses(de protéines notamment), desoxydations(par exemple des lipides), et de nombreuses autres réactions. Se créent finalement des « produits avancés de glycations » (molécules odorantes etmélanoïdines, 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 dujambon cru. Elle peut aussi donner naissance à des composéscancérogènes(acrylamides,hydrocarbures polycycliques,amines hétérocycliques,HMF) et également réduire lavaleur nutritionnelledes aliments en dégradant desacides 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 dediabète, ou le fonctionnement de certainsautobronzants.
Plusieurs documentshagiographiques, notamment ceux de l'International Maillard Reaction Societyqui organise des Congrès Maillard, attribuent la paternité de la découverte de cette réaction au chimiste et médecin lorrainLouis-Camille Maillard, en 1911. Une recherche bibliographique montre une opposition franco-anglaise, lesanglo-saxonsnotant qu'Arthur R. Ling avait écrit, dès 1908, que, lors dutouraillagedu malt, au cours de lafabrication de la bière, desacides aminésdoivent réagir avec des sucres, cette réaction étant à l'origine, selon Ling, de l'odeur et du brunissement dumoût.
Louis-Camille Maillard a contribué aux réactions de glycation par un long mémoire publié en 1913, après un premier travail du27novembre1911dans une communication,L'action des sucres sur les acides aminés. Maillard, dont l’ambition était de comprendre la structure desprotéines, avait remplacé leglycérolqui 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 fonctionhydroxyle(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.
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 le12 mai 1936sans avoir pu voir sa découverte déclinée dans des domaines aussi divers que la cuisine, la lutte contre lediabète, levieillissement, lespétroles.
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 (lacinétique) et les différences de résultats peuvent être impressionnantes. Une variation peut rendre la réaction agréable ou utile, ou indésirable. On passe dujambonaux arômes délicats, au goût de brûlé dans une sauce. En médecine, les réactions de glycation sont importantes :  chez les diabétiques laglycationnon 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.
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 :
La première étape fait intervenir l'atome decarbone(C)électrophiledu groupe carbonyle du sucre, et l'atome d'azote(N)nucléophilede 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.
En détail, undoublet non liantse forme entreCet l'atomeoxygène(O) du carbonyle à la place d'une des deuxliaisonsentre eux , carOest plus électronégatif (tendance à attirer lesélectrons) queC;Odevient alors chargé négativement, car il est en excès d’électron, tandis que le carbone se trouve avec seulement 3 électrons en couche externe, et donc en déficit car il lui en faudrait idéalement 4 :
Le déficit du carbone est comblé par la formation d'une liaison avec leN, 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 Het va s'associer à l'atome d'oxygène négativement chargé par le processus mentionné plus haut, formant ainsi une nouvelle liaison OH (fonctionalcool). Ce processus réversible est appeléprototropie:
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 fonctionalcoolsituée en début de chaîne va se détacher, leOtransformant sa liaison avec le reste de la molécule en doublet non liant. Cela va libérer une possibilité de liaisons pour leC, 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 deuxH. L’ionOHet l’ion hydrogène vont alors se lier, créant une molécule d’eau.
La molécule obtenue est unebase 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.
Leréarrangement d'Amadori(isomérisationde laglycosylamined'unaldose) et leréarrangementde Heyns(de)(isomérisation de la glycosylamine d'uncétose), conduisent à la formation d'aldosamines et de cétosamines, composés pas ou peu colorés.
En milieu acide, l’azoteva se lier aux ionsH, caractéristiques du milieu acide, grâce à sondoublet non liant, se chargeant ainsi positivement. LeCen2position va alors rompre sa liaison avec l’hydrogèneet libérer ainsi une possibilité de liaison avec l’autreC, provoquant un dégagement d’ionsH. Lecarbone 1, 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’aciditédu milieu n’est pas modifiée, car les ionsHsont restitués au milieu.
Au niveau de la deuxième fonction alcool, l’oxygène va provoquer un dégagement d’ionsHen transformant en doublet sa liaison avec leH. Le carbone en2position va casser une de ses deux liaisons avec le1carbone pour rétablir l’équilibre : le1Cva capter l’ionH, et le2va se lier à l’O, comblant son défaut d’électron. On appelle cette transformation unéquilibre céto-énoliquecar elle transforme une fonction alcool (énol) en une fonction cétone (céto) et ceci dans les deux sens bien que le passage-OHvers=Osoit majoritaire.
Dans la voie de ladéshydratationmodérée, l'oxygène va transformer une de ses deux liaisons avec lecarbone 2endoublet non liant. Simultanément, le carbone en3position sur le squelette carboné va transformer sa liaison avec leHen liaison supplémentaire avec lecarbone 2. Il va alors y avoir dégagement d'un ionHen défaut d'électron qui va se lier avec le doublet non liant de l’oxygène.
Ce processus est appeléénolisation, car il crée une fonction alcool à partir d'une fonction cétone et d'un atome hydrogène. Ici, on parle de l'énolisation 2(place du carbone auquel est liée la fonction cétone), 3 (place du carbone auquel est lié l'atome d'hydrogène).
Les ionsOH, caractéristiques dumilieu basique, vont alors intervenir dans la réaction en tant quecatalyseur. LeHva transformer sa liaison avec leOen doublet non liant, car leO, bien qu’électronégatif, est déjà en excès d’électrons. L’ionHlibéré 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 leC.
Au niveau de la chaîne carbonée principale, ladouble liaisonentre lescarbones 2 et 3va être transformée en liaison avec un des deux oxygènes des fonctions alcool, provoquant au passage un dégagement d’ionH(pour les mêmes raisons que précédemment) qui va alors se lier à l’ionO, recréant ainsi l’ionOH(l’acidité du milieu est ainsi préservée).
Au niveau de la fonction alcool localisée sur lecarbone 3, leOva transformer sa liaison avec leHen liaison supplémentaire avec leC, le stabilisant ainsi. Un ionHva alors être dégagé, qui va se lier à l’ionC.
Une deuxième énolisation (3,4) va alors avoir lieu : l'oxygène va transformer une de ses deux liaisons avec lecarbone 3en doublet non liant. Simultanément, le carbone en4position sur le squelette carboné va transformer sa liaison avec leHen liaison avec lecarbone 3. Il va alors y avoir dégagement d'un ionHen défaut d'électron. L'oxygène lié aucarbone 3va alors transformer son doublet en excès en liaison avec l'ionHqui pallie donc son défaut d'électron.
Lamoléculeainsi obtenue est appeléeréductone(elle a perdu son acide aminé et possède maintenant une fonction cétone).
LeCen5position va transformer sa liaison avec leHen doublet non liant, libérant un ionH. Le carbone en3position va transformer une des deux liaisons avec lecarbone 4en liaison avec l'ionHet lecarbone 5va enfin transformer son doublet non liant en une liaison avec lecarbone 4pour stabiliser l'ensemble.
La vitesse des réactions de glycation est fortement influencée par de nombreux facteurs. Ceux-ci agissent comme activateurs ou inhibiteurs de la réaction, ou encore font privilégier l’une des trois voies de synthèse desarômes. Ce sont en grande partie ces facteurs qui décident de la nature des composés formés.
La vitesse de la réaction dépend d’abord de la nature des réactifs. De manière générale plus le sucre réducteur possède de carbone moins la réaction de glycation est facilitée. Lespentosescomme leribosesont donc plus réactifs que leshexosescomme lesglucoses, lesgalactosesou lesfructoses. Les disaccharides comme lemaltoseou lelactosesont formés de deux résidus de monosaccharides et sont donc moins réactifs que les monosaccharides ; eta fortioril’amidon, composé de nombreuses molécules de glucose, l'est encore moins. Enfin rappelons que lesaccharosen’est pas un sucre réducteur et ne donne donc pas lieu à des réactions de glycation, sauf après hydrolyse éventuelle.
Pour les composés portant un groupe amine, plusieurs facteurs entrent en ligne de compte. Lalysine, qui possède deux fonctions amine, est plus réactive que les autres acides aminés. Pour les autres, plus la fonction amine est éloignée de la fonction acide carboxylique et plus l’acide aminé est réactif.
Si on considère des acides aminés, on remarque que les plus réactifs sont la lysine, la glycine et la méthionine, les moins réactifs sont la cystéine, l'acide glutamique et l'asparagine. On peut mettre en évidence que la fonction acide carboxylique, si elle est libre, est inhibitrice des réactions de brunissement
Toutes les réactions intervenant dans les réactions de glycation sont dépendantes dupH. En particulier le réarrangement d’Amadori nécessite un milieu acide (pH < 7) et la synthèse des réductones un milieu basique (pH >7). LepHoptimal se situe donc entre 6 et 10. La nature des composés formés est également dépendante du pH. Les milieux basiques privilégieront plutôt des réactions de rétroaldolisation alors que les milieux acides privilégieront lesdéshydratations.
L'eauest indispensable à certaines étapes de la réaction, mais elle en est aussi l’un des produits. Donc, si l’eau est en trop grande quantité dans le milieu (supérieur à 60 %), les réactions de déshydratation sont inhibées. À l'inverse, en dessous de 30 % la réaction est inhibée par l'absence d'eau solvante. Le mieux est une proportion de 30 à 60 % d’eau dans le milieu (Ameset al.1993).
Les réactions de glycation vérifient l'équation d'Arrhénius, ce qui signifie que plus la température augmente, plus la vitesse de la réaction est importante. À faible température (4°Cpar exemple), la réaction a lieu, mais très lentement. Lors de la cuisson dans du beurre, la température est largement plus élevée ce qui permet aux réactions de glycation d'avoir lieu rapidement et donc de faire brunir la viande. Les réactions de glycation se produisent efficacement à des températures de l'ordre de100°Cminimum.
D’autres facteurs peuvent également intervenir dans le déroulement et la vitesse de la réaction : ions métalliques, composéssoufrés… Comme chacun d’eux n’inhibe pas toutes les réactions, donc toutes les voies par lesquelles se développe la réaction, ce sont eux qui déterminent la voie privilégiée dans chaque cas.
Tous les jours, nous assistons sans nous en douter à de très nombreuses réactions glycation.
Depuis le grillé durôtijusqu'au bon goût dupain, celles-ci sont en effet présentes dans de nombreuses préparations culinaires, notamment dans les viandes cuites. C’est l’exemple le plus courant de réaction de glycation en cuisine, que l’on pourrait qualifier de réaction « à chaud ». C’est aussi la plus facilement observable grâce au brunissement rapide de laviandeproduit notamment par lesmélanoïdines, pigments bruns à haut poids moléculaire résultant de la condensation et de la polymérisation des sucres aldéhydiques et d'acides aminés. Mais il existe aussi des exemples de réaction « à froid » qui ont lieu sans nécessiter de chauffage, donc en dehors de toute cuisson.
C’est le cas par exemple pour lesjambonscrus d’Espagne. Leur saveur se forme au cours de la fabrication grâce à des réactions spontanées produisant des arômes.
Selon le procédé traditionnel, lesporcsdestinés à la fabrication de jambons doivent être élevés en liberté et être nourris de glands et d’herbe. Après l’abattage, la viande est conservée à0°Cpendant deux jours, puis frottée avec duselet dusalpêtre. Elle est ensuite placée pendant une semaine sur un lit de sel à3°Cenviron. Lors de cette phase, lesprotéinesse décomposent et libèrent desacides aminés. Les jambons sont ensuite conservés sans sel pendant deux ou trois mois, toujours à basse température. Progressivement, on augmente alors la température jusqu’à18°C, et après un mois et demi à température ambiante, vient la maturation finale. Celle-ci s’effectue dans une cave pendant14à22mois. La fabrication complète dure près de deux ans après quoi les jambons sont prêts à être mangés. Ils ont pris une couleur foncée qui trahit la présence de composés colorés, dont les mélanoïdines.
À partir de 1990, desscientifiquesespagnolsont commencé à s’intéresser à la fabrication de ces jambons. Ils ont montré que des acides aminés libérés lors du salage étaientdégradéspendant la longue période de maturation qui suivait, entre autres par la réaction de Maillard. Celle-ci produit de nombreux composés, qui s’accumulent dans la viande. La quantité de ces produits croît avec la durée de la maturation, ce qui explique la longueur de celle-ci, qui permet d’obtenir plus de composés, donc plus degoût. En outre, les réactions de glycation forment des mélanoïdines, qui seraient responsables de la couleur des jambons. Mais d’autres réactions interviennent également dans la formation de composés odorants. L’alimentation des porcs avec des glands produit par exemple desalcanesramifiés.
Les réactions de glycation ont été signalées enbrasseriedès 1906 par R. Ling, lors dutouraillagedumalt, lors du brunissement non enzymatique des grains d’orge.
Cependant, si les réactions de glycation contribuent au goût des aliments, elles peuvent être gênantes, en particulier lors du séchage despâtes alimentaires. À la fin de leur fabrication, celles-ci sont en effet chauffées pour éliminer l’eau qu’elles contiennent. À la fin du processus, des réactions de glycation peuvent se développer, donnant aux pâtes une couleur rougeâtre peu appétissante. Les mêmes réactions pourraient d’ailleurs avoir des conséquences plus graves. Elles formeraient en effet des composés comme lescarbolines, des amines hétérocycles dérivées dutryptophane. Ces composés semblent à hautes doses avoir des effets destructeurs sur le fonctionnement des récepteurs cellulaires (adrénalines…) et les sites actifs des enzymes. Cependant, la toxicité de ces composés n’est pas prouvée car on les trouve aussi dans des aliments inoffensifs comme lesreines-claudesou lesbananes.
Le physico-chimisteHervé Thisrelativise l'ampleur des réactions de glycation en cuisine. Selon lui, elles ne sont qu'une réaction de brunissement non enzymatique parmi d'autres, telles lespyrolyses, notamment lacaramélisation, des oxydations.
Les réactions deglycationet de glycosylation non enzymatique des protéines, ont d’abord été étudiée dans le cadre du diabète grâce à l’hémoglobine glyquée, une variante de l’hémoglobine due à des modifications engendrées par Maillard, qui sert maintenant de marqueur à long terme de l’état diabétique des patients. La glycation a des conséquences dans tout l’organisme, qui sont plus marquées seulement dans le cas de personnes diabétiques.
La glycation produit des composés nommésAdvanced glycation end-products(AGEs) qui s'accumulent dans l'organisme. Ils conduisent à des lésions cellulaires et tissulaires, au vieillissement vasculaireet à l’insuffisance rénale. Ils favoriseraient également lamaladie d'Alzheimer.
Il faut aussi noter que la glycation est indépendante du diabète mais la forte proportion de sucres dans le cas de cette maladie favorise grandement la réaction de Maillard et donc la glycation car dans l’organisme, elle est ponctuelle et non enzymatique.
Les crèmes cosmétiquesautobronzantesutilisent également la réaction de Maillard : ladihydroxyacétonequ’elles contiennent est un sucre qui réagit avec les protéines des cellules mortes de la couche cornée de la peau, créant un pigment brun.