Votre nourriture acide préférée/la plus détestée cache le secret de la façon dont la vie obtient de l'énergie

Les aliments qui ne sont pas conservés correctement peuvent facilement se gâter et provoquer une diarrhée s’ils sont consommés.

Si vous ne prenez pas de douche, vous aurez une mauvaise odeur et vous sentirez mauvais.

Qu’est-ce qui rend les aliments acides ? Comment les micro-organismes produisent-ils de l’acide ? Pourquoi les humains ont-ils un goût aigre ?

Écrit par Li Qingchao (Université normale du Shandong)

Si les aliments ne sont pas conservés correctement, ils se gâteront facilement et produiront un goût aigre désagréable. Cependant, devenir aigre n’est pas nécessairement une mauvaise chose. Les gens aiment aussi préparer des aliments acides, comme le yaourt, le kimchi, le vinaigre, etc. La fermentation artificielle remonte au yaourt en Afrique du Nord dès 10 000 av. J.-C.[1], et des preuves de vinification ont été trouvées en Chine dès 7 000 av. J.-C.[2].

Qu’est-ce qui fait que les aliments deviennent acides ? L’un des exemples les plus célèbres de l’histoire de la détérioration ou de la fermentation des aliments est celui du vin qui tourne au vinaigre. Le « Han Feizi » pré-Qin rapporte que Yang Qian, un érudit de la dynastie Song, a proposé la théorie selon laquelle « le chien est féroce et le vin est aigre ». Ils ont dit que le chien à l'extérieur du magasin de vin était trop féroce, donc les gens avaient peur d'acheter du vin là-bas, et le vin tournait parce qu'il ne pouvait pas être vendu.

Le vin peut-il tourner s’il est laissé trop longtemps à l’air libre ? Les gens croient généralement que plus le vin est conservé longtemps, plus il devient moelleux. Que se passe-t-il réellement ?

La fermentation microbienne produit des acides organiques

En 1856, le scientifique français Louis Pasteur, à la demande d'un parent d'élève, a également étudié le problème de l'aigreur du vin. Pasteur a proposé que le processus de fermentation était causé par des micro-organismes vivants (théorie de la fermentation). Pasteur a utilisé un microscope pour découvrir que des micro-organismes ronds (levures) existaient pendant la fermentation normale du vin, tandis que des micro-organismes plus petits en forme de bâtonnets (bactéries) existaient pendant la fermentation anormale. Par conséquent, la fermentation anormale du vin qui tourne au vinaigre est causée par une contamination par de « mauvais » micro-organismes. Sur la base de ces théories, Pasteur a inventé la pasteurisation (un bref chauffage) pour tuer ces micro-organismes, ce qui peut empêcher le vin de continuer à fermenter et de devenir acide, prolongeant ainsi sa durée de conservation.

Nous savons maintenant que les métabolites produits par les bactéries et les levures après la dégradation des sucres sont différents. La fermentation des levures produit de l'alcool, tandis que la fermentation bactérienne peut produire de l'alcool ainsi que des acides organiques tels que l'acide lactique et l'acide acétique. Ceci est lié aux voies métaboliques des micro-organismes. En d’autres termes, le stockage à long terme n’est pas la raison pour laquelle le vin devient aigre, et l’odeur aigre de votre corps n’est pas causée par le fait de ne pas prendre de douche. Le véritable coupable est la fermentation par des micro-organismes spécifiques.

Figure 1 Pasteur a étudié le problème de l’aigreur du vin. La fermentation normale est provoquée par la levure, tandis que la fermentation anormale est provoquée par les bactéries.

Nous savons maintenant que les micro-organismes peuvent provoquer la détérioration des aliments. Au cours du processus de détérioration des aliments, l’acidité est l’un des premiers phénomènes qui peuvent être détectés. Son mécanisme est que les acides organiques sont produits au cours du processus métabolique dans lequel les micro-organismes décomposent les sucres pour libérer de l'énergie. Nous pouvons inhiber la prolifération des micro-organismes grâce au stockage à basse température, aux conservateurs, au décapage, au séchage, etc., tandis que le chauffage peut tuer les micro-organismes pour atteindre l'objectif de stockage des aliments.

Fig. 2 Acides organiques produits par le métabolisme microbien. La production d'acide acétique ou d'acide lactique par les bactéries est la principale raison pour laquelle les aliments deviennent acides, tandis que la source de l'odeur de sueur aigre est principalement l'acide propionique produit par les bactéries. [3]

Mais si l’on veut aller au fond des choses, les organismes ne produisent-ils pas du dioxyde de carbone et de l’eau lorsqu’ils décomposent les sucres ? Pourquoi produisent-ils des acides organiques ?

Les acides organiques sont des produits intermédiaires de l'oxydation biologique

Le processus par lequel les organismes oxydent complètement le glucose pour produire de l’énergie est similaire à la réaction chimique de combustion du glucose, de sorte que la décomposition du sucre produira du dioxyde de carbone et de l’eau.

Cependant, la vie n’est pas « un feu ». La décomposition et le métabolisme des sucres ne se limitent pas à les brûler, mais produisent également de l’énergie et des métabolites intermédiaires. L'énergie circule sous forme d'ATP (adénosine triphosphate) et peut être utilisée pour diverses activités vitales ; tandis que les métabolites intermédiaires peuvent être utilisés pour synthétiser d'autres substances importantes, telles que les acides aminés, le ribose, les graisses, etc.

Figure 3 L’ATP est la « monnaie » énergétique universelle des êtres vivants.

Contrairement aux réactions redox violentes telles que la combustion et l’explosion, l’oxydation biologique qui se produit dans les organismes vivants est une réaction chimique progressive, contrôlable et relativement lente, catalysée par des enzymes.

Figure 4 Contrairement aux réactions chimiques telles que la combustion, l’oxydation biologique est progressive et contrôlable.

Dans une réaction redox, l'agent réducteur perd des électrons et l'agent oxydant en gagne. Le processus d’oxydation progressive de la matière organique peut être intuitivement compris comme un processus d’oxygénation et de déshydrogénation. Dans l'oxydation biologique, ces processus sont pleinement développés et dépouillés : le processus d'oxydation de la matière organique nécessite plusieurs étapes d'oxygénation, de déshydrogénation et de décarboxylation, qui doivent être transférées et éliminées.

Où est l'acide ? Le glucose produit du pyruvate par glycolyse. Le pyruvate est converti en acétyl-CoA puis entre dans le cycle de l'acide tricarboxylique (TCA ou cycle de l'acide citrique) pour produire de nombreux acides organiques. Les métabolites intermédiaires du cycle de l’acide tricarboxylique sont très importants pour les organismes. Parmi eux, l’acide citrique est connu comme le premier acidulant comestible et est largement utilisé dans l’industrie alimentaire. Il s'agit du plus grand acide organique produit au monde par des méthodes biochimiques (fermentation), avec une production annuelle de millions de tonnes, et il est l'un des produits piliers de l'industrie de la fermentation [4].

Figure 5 Cycle de Krebs.

Le transfert et la transmission d'électrons s'accompagnent du gain et de la perte d'électrons (dans la chaîne respiratoire ou chaîne de transport d'électrons). Le transfert d'électrons entraîne le transport des ions hydrogène contre le gradient de concentration, générant une énergie potentielle protonique (différence de concentration) des deux côtés de la membrane (y compris la membrane interne mitochondriale des eucaryotes ou la membrane cytoplasmique des procaryotes). Le reflux des ions hydrogène entraîné par l'énergie potentielle du proton entraîne la synthèse d'ATP par l'ATP synthase. Ce processus de transfert d’hydrogène et d’électrons à travers la chaîne respiratoire et de couplage de la synthèse d’ATP est appelé phosphorylation oxydative. La voie métabolique qui implique la phosphorylation oxydative est appelée respiration (respiration cellulaire, notez qu'il ne s'agit pas de « respiration » au sens d'inspiration et d'expiration).

Figure 6 Le processus de phosphorylation oxydative est un processus dans lequel [H] et les électrons produits par les réactions redox libèrent progressivement de l'énergie et génèrent de l'énergie potentielle protonique pendant le processus de transfert, poussant ainsi l'ATP synthase à synthétiser l'ATP.

Le cycle TCA est une voie métabolique répandue, alors pourquoi tous nos aliments ne sont-ils pas acides ? La raison est que les intermédiaires du cycle TCA ne s’accumulent généralement pas en grandes quantités.

Afin d'atteindre les objectifs de production, dans l'industrie de la fermentation, il est souvent nécessaire d'augmenter l'activité des synthases et de réduire l'activité des enzymes de décomposition afin d'accumuler des acides organiques spécifiques. Par exemple, lors de la production d'acide citrique, on utilise principalement Aspergillus niger, qui peut décupler l'activité de la citrate synthase, tandis que l'activité d'autres enzymes qui dégradent l'acide citrique (aconitase, isocitrate déshydrogénase) est réduite. Cependant, l’augmentation du citrate était plus probablement due à une biosynthèse améliorée plutôt qu’à une inhibition de la dégradation. De plus, la pyruvate carboxylase, qui convertit le pyruvate en oxaloacétate, est également une enzyme clé dans la production de citrate.

Alors, comment l’acide s’accumule-t-il dans des conditions de non-production ?

Les acides organiques sont les produits finaux de la fermentation

La vie ne produit ni ne détruit d’éléments, ils ne sont que des stations de transit pour le métabolisme matériel ; la vie ne produit pas d’énergie à partir de rien, elle n’est que des convertisseurs, des stockeurs et des consommateurs d’énergie. De même, le [H] produit lors de la décomposition des sucres ne disparaîtra pas de nulle part, il a besoin d’un endroit où aller. Au cours de la phosphorylation oxydative, [H] peut éventuellement être donné à l'oxygène pour produire de l'eau, un processus appelé respiration aérobie. En l'absence d'oxygène, [H] peut également être transféré à des substances inorganiques oxydantes telles que le nitrate et le sulfate, ou à l'acide fumarique exogène. Ce type de respiration est appelé respiration anaérobie.

Que devons-nous faire si [H] n’entre pas dans la chaîne respiratoire et ne peut pas être transféré aux oxydes via la chaîne respiratoire ?

Empêcher l’acétyl-CoA d’entrer dans le cycle de l’acide tricarboxylique produira davantage de [H]. Le [H] produit lors de la glycolyse (le glucose est décomposé en pyruvate) qui n'a nulle part où aller sera renvoyé vers les métabolites intermédiaires. La dernière voie métabolique qui renvoie [H] à la matière organique endogène est appelée fermentation (au sens strict). Ici, la fermentation signifie qu'il n'y a pas de processus de production d'énergie catabolique de phosphorylation oxydative, et que seule la phosphorylation au niveau du substrat existe (un autre nouveau concept, qui fait référence au transfert direct de groupes phosphate des substrats vers l'ADP ou le GDP pour produire de l'ATP ou du GTP sans avoir besoin d'ATP synthase).

Au cours du processus de décomposition du sucre pour produire du pyruvate, [H] et de l'ATP sont produits. Si [H] n’entre pas dans la chaîne respiratoire, il trouvera un moyen de le renvoyer sous forme de pyruvate ou de métabolites du pyruvate.

Le pyruvate accepte [H] et est réduit pour produire de l'acide lactique.

Figure 7 Réduction du pyruvate en lactate.

Dans certains processus de décomposition du glucose, au lieu de produire deux acides pyruviques, le glucose est divisé en sucre à quatre carbones (qui est ensuite converti en sucre à cinq carbones) et en phosphate d'acétyle (voie HK), ou il est décarboxylé pour produire du sucre à cinq carbones, puis divisé en 3-phosphoglycéraldéhyde (qui est ensuite converti en acide pyruvique) et en phosphate d'acétyle (voie PK). Le pyruvate peut produire de l'acide lactique, tandis que l'acétylphosphate peut accepter [H] pour produire de l'éthanol, ou être oxydé pour produire de l'acide acétique.

Figure 8 Fermentation hétérolactique, qui produit de l’acide lactique et d’autres produits.

Si le pyruvate est décarboxylé en acétaldéhyde puis réduit, il devient de l'éthanol.

Figure 9 Fermentation alcoolique : le pyruvate produit de l'acétaldéhyde puis accepte [H].

Dans des conditions riches en oxygène, l'éthanol peut continuer à subir un métabolisme oxydatif incomplet et être oxydé en acide acétique sous l'action des bactéries acétiques : l'éthanol est d'abord oxydé en acétaldéhyde par l'alcool déshydrogénase, puis l'acétaldéhyde est hydraté pour former de l'hydrate d'acétaldéhyde, et enfin ce dernier est traité par l'acétaldéhyde déshydrogénase pour former de l'acide acétique. De plus, le pyruvate peut être réduit en propionate sous le métabolisme de Propionibacterium.

Il semble que les acides organiques soient un type de substance qui est facilement produite lors de la fermentation microbienne. Pourquoi les humains ont-ils besoin de percevoir l’existence de cette substance ?

L'importance évolutive du goût acide

Le goût peut apporter des avantages de survie dans l’évolution. En recherchant des goûts agréables et en évitant les goûts désagréables, les espèces peuvent obtenir des avantages en matière de survie. Par exemple, le goût sucré tant apprécié représente le sucre et l’énergie, tandis que le goût amer désagréable indique souvent la toxicité. On parle relativement peu du goût acide. C’est parce que l’appréciation ou l’aversion pour le goût acide n’est pas absolue. Cela dépend du degré d'acidité et de la combinaison avec d'autres goûts.

Le goût aigre est causé par des acides organiques (notamment l’acide lactique, l’acide citrique, l’acide malique et l’acide acétique) et des acides inorganiques (tels que l’acide chlorhydrique, l’acide nitrique et l’acide sulfurique). Chez les vertébrés, le sens du goût acide est assez bien conservé au cours de l'évolution, et des études ont montré que presque tous les vertébrés, y compris les poissons primitifs comme les lamproies, ont un sens du goût acide. En revanche, certains oiseaux ont perdu leur sens du sucré et les cétacés ne peuvent pas goûter l’amer.

Pour les poissons, le goût acide peut leur rappeler de faire attention à l’acidité et à l’alcalinité de l’eau. Pour d’autres animaux, l’information représentée par le goût acide est relativement complexe. Les fruits acides représentent souvent l’immaturité, mais ils sont également riches en vitamine C. L’acidité est beaucoup moins efficace que l’astringence et l’amertume pour dissuader les animaux de manger des fruits non mûrs.

Une autre signification du mot aigre est la fermentation. La fermentation alimentaire a des effets dans deux directions, selon le type d’aliment et la souche de bactéries qui provoque la fermentation. Un produit de fermentation acide mélangé à une odeur nauséabonde et moisie signifie généralement des produits métaboliques toxiques. D’autre part, la civilisation humaine maîtrise également les techniques de fermentation artificielle et de production de délices acides. La raison pour laquelle les gens préfèrent les produits fermentés acides plus purs est que les fruits et légumes fermentés principalement avec de la levure et des bactéries lactiques rendent souvent les aliments meilleurs - la fermentation produit plus d'acides aminés libres et de vitamines, et décompose également les fibres et certaines toxines végétales. Dans le même temps, des acides organiques sont produits, la valeur du pH diminue et la croissance des bactéries nocives est inhibée. De plus, la présence d’alcool rend les fruits fermentés plus attrayants. Et les animaux de la jungle connaissent également ces secrets.

Figure 10 Animal de l'année 2018 en Nouvelle-Zélande : un pigeon ramier de Nouvelle-Zélande ivre, suspendu la tête en bas dans un arbre.

Il fait chaud, alors faites attention à votre alimentation.

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