L'alginate de sodium

a- Définition


La gastronomie moléculaire fait intervenir de nombreux additifs 100% naturels afin d'améliorer la structure des mets présentés par les chefs. Parmi eux, on peut citer l'alginate de sodium.


Qu'est ce que l'alginate de sodium ?

L'
alginate de sodium (E401) plus connu dans la communauté scientifique sous le nom de « polymannuronate sodique », de formule NaC6H7O6 est un additif alimentaire utilisé dans beaucoup de domaines, dont la cuisine moléculaire. C'est un agent de texture qui a la propriété de gélifier en présence de calcium.

453px-alginat-svg.png                                                      Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Alginate 

Les additifs alimentaires sont des excipients ajoutés aux denrées alimentaires commerciales.

Sa masse molaire est de 198,1 g.mol -1 et sa température de fusion est supérieure à 300°C.

L'alginate de sodium est constitué d'alginate ainsi que de sodium et est composé d'unités d'hydrates de carbone reliées ensemble pour former une chaîne.L

La molécule d'alginate est formée par deux monomères différents, molécules utilisées pour la synthèse des polymères : il s'agit du monomère d'acide guluronique et du monomère d'acide mannuronique qui permettent à la gélification de se produire. Ces dernières forment ce que l'on appelle un copolymère.

Visualisons les formules des deux acides pour mieux comprendre la formation de l'alginate :

sphe38.jpegStructure de l'acide guluronique

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Structure de l'acide mannuronique  

L'organisation des groupements carboxyles est différentes au sein de ces deux monomères, l’acide mannuronique et l’acide guluronique.  Ces deux monomères n’ont donc pas les mêmes propriétés. Deux molécules ornées des mêmes atomes et comportant des liaisons identiques, mais dans lesquelles la position relative des atomes est changée sont dites stereoisomères, c'est le cas de ces deux acides.  

Ces acides sont liés entre eux par des liaisons glycosidiques du type -(14). La proportion en acide mannuronique (ManA) et en acide guluronique (GulA) varie d'une espèce à l'autre. 

L'acide alginique comporte une fraction riche en ManA appelée bloc M, une fraction riche en GulA appelée bloc G, et une fraction où les deux unités d'acides uroniques sont liées alternativement entre elles, appelée bloc MG ou GM. Selon la provenance de l’alginate, les molécules peuvent être composées de trois types de blocs : polymannuronate (MM), polyguluronate (GG) ou les deux monomères (MG).

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Schéma des blocs composant l'alginate


La polymérisation entre ces deux acides n'est possible que par la perte d'une molécule d'eau (H2O).
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La perte de la molécule d'eau entraine la formation d'une liaison avec un atome d'oxygène.

b- Les réactions

 
Nous allons essayer de comprendre les réactions qui se produisent lors des sphérifications.

1- Au niveau chimique

L'alginate de sodium est une longue chaîne composée de groupements carboxyles (COO-) et de l'ion Na+ ce qui la rend électriquement neutre.
Les brins d’alginate de sodium ont pour propriété de s’associer avec le calcium.

En présence de calcium, les ions sodium associés aux groupes carboxyles CO2- sont remplacés par un ion calcium.
Ayant deux charges positives, les ions calcium se lient avec deux carboxyles CO2-, de deux brins différents. Cette réaction s’appelle une réaction de réticulation.
Ainsi les brins d’alginate sont désormais reliés entre eux par les ions calcium.
La polymérisation des brins a pour conséquence la formation d’un gel, et un liquide mélangé à de l’alginate peut être lui aussi gélifié selon le même processus.Dans un premier temps, la gélification concerne uniquement la surface de la perle. Si le contact avec la solution de calcium se prolonge, ce dernier progresse au cœur de la goutte et permet sa gélification totale
.

sphe22-1.jpg                                                          Source : http://lla-lacuisinemoleculaire.e-monsite.com

2- Au niveau physique

Lorsque nous réalisons des expériences pour illustrer le phénomène de la sphérification nous en venons à nous demander pourquoi obtient-ton des sphères ?

Le liquide contenant l'alginate devient épais, il durcit et c'est ainsi que se forme une peau souple a la surface de notre sphère. Cette transformation prend la forme de sphère car on utilise une pipette compte goutte pour faire plonger le mélange solution-alginate de sodium au bain de chlorure de calcium.

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A travers l'expérience d'une goutte qui tombe du robinet, on met en évidence les trois forces qui s'exercent au moment de la chute de la goutte :

  • Le poids qui l'attire vers le bas

  • Les frottements de l'air qui s'applique sur la surface de la goutte.

  • La tension superficielle qui font que la goutte reste unie et ne se disloque pas


 
 


 Quelques explications..

Tout d'abord, afin de prendre une forme, il faut de l'énergie.                                          
Il est plus simple pour le liquide de prendre la forme ayant la plus petite surface pour ainsi utiliser le moins d'énergie possible.
La sphère est la forme qui a la plus petite surface.

La goutte adopte par conséquent la forme d'une sphère grâce aux forces de tensions superficielles. Ces forces que les molécules exercent entre elles agissent à la surface.Ainsi, l'aire minimale pour un volume est une sphère. Voilà pourquoi les gouttes d'eau sont de cette forme. Etant donné que l'alginate de sodium est principalement composé d'eau, la réaction est la même.
Une sphère de volume V a un rayon qui vérifie la formule suivante :
sphe85.jpget une surface S dont la formule est :
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Les molécules se trouvant à la limite entre le liquide et le gaz (en l’occurrence l'air) sont attirées vers l’intérieur du liquide et tendent ainsi sa surface.
Comme les forces de tension superficielles ne sont pas compensées elle permettent au liquide de forme une sphère.

La goutte arrive sous la forme sphérique dans une solution contenant du calcium et la gélification quasi instantanée fige la goutte dans cette forme. On obtient ainsi une sphère gélifiée.

La sphérification met donc à profit aussi bien des phénomènes physiques et que chimiques qui s'appliquent en cuisine

c- Origine : Algues brunes


L'alginate est une longue molécule extraite d'algues brunes, constituée d'unités de glucides reliées ensemble pour former une chaîne
.
Le chimiste anglais E.C.C. Standford étudia pour la première fois en 1881, les propriétés de l’alginate de sodium. Ce dernier avait alors extrait, un liquide visqueux d’une algue brune de l’espèce laminaria, grâce à une solution alcaline.
Il appela ce produit «algin». Ce terme est encore fréquemment utilisé pour désigner l’alginate de sodium.
L’alginate de sodium est donc un sel extrait à partir de ce liquide visqueux issu de la paroi cellulaire d’algues brunes.
Sa fonction naturelle consiste à augmenter la flexibilité de l’algue. C'est pourquoi, les algues se développant en eaux troubles comportent généralement un contenu en alginate plus important que celles croissant en eaux calmes.

Bien que l’ensemble des algues brunes puisse être source d’alginate, des variations dans leur structure chimique influencent les propriétés du produit final. Différentes espèces sont donc récoltées en fonction des usages auxquels elles sont destinées. Les algues les plus appréciées sont la macrocystis pyrifera de Californie et l’ascophyllum nodosum, cultivé dans l’Atlantique-Nord.

 
Les alginates participent à la phase squelettique de la paroi. C'est même le constituant principal de la paroi. Les propriétés physiques dans la paroi résultent du comportement gel ou solide en fonction de l'environnement ionique.


Les laminaires


1-Caractéristiques biologiques

Les Laminaires ont besoin de lumière intense pour vivre. On ne les trouve donc pas dans les eaux les plus turbides, sauf dans les ridens du Nord de la France à savoir le Pas de Calais, sur des zones épisodiquement moins turbides. Au moins en Europe, elles semblent en régression sur l'ensemble de leur aire naturelle de répartition.

Les Algues laminaires sont récoltées naturellement dans l’océan ; ce sont des algues brunes fixées aux rochers, abondantes sur les côtes de l’Atlantique et de la Manche. Elles peuvent atteindre 4 mètres de long. Les Algues, pour certains chercheurs marins sont “ la première manifestation de la vie sur notre globe ”. 

 
En effet, les laminaires vivent fixées sur un substrat à la base par l'intermédiaire de crampons semblables à des racines. Par analogie avec la tige et la feuille, nous trouvons un stipe, plus ou moins long en fonction des espèces, avec de longue lame ou fronde, à la forme très variée qui s'étire vers la lumière. Cet ensemble ramifié (crampon, stipe et lame ou fronde) s'appelle dans le jargon scientifique le thalle !

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Les laminaires forment de véritables écosystèmes sous marins qui recèlent une abondante et riche biodiversité sous marine. Selon la taille des laminaires, nous parlons d'herbiers, de champs ou de véritables forêts de laminaires ! Véritables nurseries, les forêts sous-marines de laminaires sont également le lieu de refuge pour de nombreuses espèces de poissons ou de « garde-manger » pour de nombreux brouteurs d'algues comme les oursins et les étoiles de mer. 

 
2- Répartition à la surface du globe

Comme les laminaires sont fixées sur le fond et nécessitent de la lumière pour se développer elles se rencontrent dans les eaux côtières de faibles profondeurs. Les laminaires sont présentent de la surface à plusieurs dizaines de mètres de profondeur.

 Les grandes forêts sous-marines de kelp sont présentes le long des côtes de la Norvège ou de la Californie.

 Plusieurs espèces de laminaires sont présentes le long des côtes françaises et surtout les côtes bretonnes ! Les principales espèces de laminaires rencontrées en Bretagne sont la laminaire digitée (Laminaria digitata) et la laminaire rugueuse (Laminaria hyperborea). Plus occasionnellement, il est possible de rencontrer Saccorhiza polyschides ou Laminaria ochroleuca.

 Les fucus

Les fucus est un genre d'algues brunes
L'acide alginique et les alginates sont présents dans les fucus mais en moindre quantité que dans les laminaires, les ascophyllum en sont une source plus intéressante.
Elles s'accrochent aux rochers par un disque adhésif très résistant par lequel elles peuvent partiellement se régénérer.
Ce sont des espèces dioïques dont les modalités de gamétogenèse ressemblent à celles des animaux, d'où les classiques explications sur la reproduction du fucus vésiculeux dans les classes du secondaire.
Les fucus se présentent en touffes de lanières rubanées, dichotomes et l'on note la présence de flotteurs (aérocystes) le long de la nervure.
fucus-1.jpg                      Schéma d'une algue fucus
                      Source : http://education.environnement.ecoles.over-blog.com 

3- Caractéristiques de la paroi cellulaire

En général, la paroi est constituée de deux éléments : un constituant amorphe qui forme la matrice de la paroi cellulaire dans lequel est incrusté un constituant fibrillaire. Ce dernier forme la structure rigide de la paroi cellulaire et est généralement composé de cellulose. Le constituant amorphe est principalement composé de polysaccharides qui, chez certaines algues rouges et algues brunes, se trouvent en quantité suffisante pour être exploités commercialement (par exemple acide alginique)

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Source : Dossier sur les algues brunes

Comparaison avec les Sargasses

1- Description

La Sargasse (Sargassum) est une algue brune de la famille des Sargassacae.120126sargasse.jpg

Ses frondes peuvent atteindre plusieurs mètres de long (jusqu'à 12 mètres pour certaines espèces tropicales. Elle peut être fixée au fond par un appareil végétatif dépourvu de feuille tige et racine (thalle) ou vivre en flottaison (dans l'océan Atlantique par exemple). La sargasse fait partie des Fucales, algues brunes en forte régression en Europe. Ces sargasses ont pour la plupart une texture rugueuse et un mucus qui les rassemblent en amas flottant. Ces amas constituent un refuge pour des vertébrés  
                                                                                                      Algues brunes
                                                                                                                                                 Source : google images

 et invertébrés marins. Les algues sargasses venues en Martinique sont des fluitans.

Le nom de sargasse, vient du mot espagnol sargazo qui signifie varech. Il existe plusieurs dizaines d'espèces de Sargasses.

Ce qui permet à ces algues de rester en surface sont les sphères remplies du gaz qu'elles produisent appelées aérocystes. Celles-ci améliorent également leur photosynthèse et leur productivité. Leur reproduction s'effectue par fragmentation des touffes. Il n'y a pas de reproduction sexuée mais ces algues possèdent des cellules reproductrices dans des organes spécialisés.

2- Structure de l’algue sargasse


Les feuilles (thalles) sont de couleur jaune clair avec des bords dentelés. Les flotteurs sphériques (pneumatocytes) sont jaune plus clairs. La tige (stipe) est plus foncée dans les tons marron clair ou foncée. Sa couleur varie quand elle sèche sur la plage.
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LLP- Copyright - google



Les autres algues


                       
Schéma des algues brunes utilisés dans la production d'alginate

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Observation : Algues sargasses

Problème : Nous avons essayé d'observer les cellules des algues brunes chez des algues différentes des laminaires. Il s'agit des sargasses.


Matériel :
- 1 Microscope optique 

- Des algues sargasses
-De l'eau salée

Expérience :
Prélevez un fragment d'algue

 Découpez le fragment jusqu'à obtenir un morceau plus fin
Placez le fragment sur une lame avec de l'eau salée
 Analyser la lame 

lauriane-159.jpgLame avec un morceau d'algue et de l'eau salée
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Cellules d'algues brunes observées au microscope optique (G6x100)
LLP-Copyright

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Extraction alginate de sodium

Protocole :

Extraction de l'alginate des algues brunes


Problème :
  L’alginate de sodium, de formule NaC6H7O6, est un additif alimentaire codé E401 dans le code européen. Dans le commerce on le trouve sous forme de poudre blanchâtre, inodore et sans saveur. Il permet d’améliorer la texture d’une boisson en éliminant les protéines indésirables.

Il peut également être utilisé comme un gélifiant, un émulsifiant ou encore un coupe-faim. L’alginate de sodium est utilisé pour certains cocktails dits de «mixologie moléculaire»: il donne ainsi une texture semblable au caviar (c’est-à-dire de petites billes solides qui éclatent en bouche).

Nous chercherons donc à travers ce procédé à extraire l'alginate contenu dans les algues, notre objectif étant de pouvoir utiliser l'alginate extrait des sargasses afin de pouvoir l'utiliser au cours de nos sphérifications.


Matériel
:
- Un bécher de 500 mL
- Un bécher de 100 mL
-Une balance
- Une paire de ciseaux
- Acide chlorhydrique : concentration 1 mol.L-1
- Acide chlorhydrique concentré à 95%
- Carbonate de sodium
- Des gants
- Des lunettes
-Un entonnoir

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Etapes :










1- Dans un bécher de 500 mL, on découpe environ 100 g d'algues en petits lambeaux


















2- Recouvrir totalement les morceaux d'algues d'acide chlorhydrique à 1mol.L-1

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3- Rincer abondamment les algues à l'eau pour ramener à un pH "neutre"







4- Recouvrir d'eau puis ajouter du carbonate de sodium pour ramener le pH à 10,5 environ. On obtient un mélange visqueux dans lequel baignent les algues. 
sans-titre-14.jpglauriane-190.jpg



5- Filtrer la mixture à travers un torchon pour séparer le filtrat contenant les algues des restes des algues.

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Suite

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6- Ajouter avec précaution au filtrat de l'acide chlorhydrique concentré à 95 %.


( La réaction est vive et exothermique ).


















7- L'intense efferversence dû au dégagement de dioxyde de carbone fait remonter les alginates à la surface (acide alginique). Il se présente sous forme de filaments verts-jaune.sans-titre-21.jpg













8- Filtrer la solution pour récupérer les filaments verts.

















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Observations :
En ajoutant l'acide chlorhydrique, les algues changent de couleur et la solution devient acide au bout de 3min ( son pH équivaut à 1).

Conclusion : 
Il est possible d'obtenir de l'acide alginique grâce à cette expérience mais elle est loin d'aboutir à l'alginate de sodium tel que nous le connaissons dans les grandes surfaces c'est pourquoi nous n'avons pas pu l'utiliser pour nos autres expériences. 

Pour cela, vous pouvez consulter le lien suivant qui vous indiquera comment il est possible de parvenir à l'alginate dans une usine : 
http://biosol.free.fr/liens/algi/Mode%20d%27extraction.htm

d- Le rapport M/G

La qualité de l'alginate est appréciée par le rapport M/G. Ce rapport est fonction de l'espèce, de la variation saisonnière, de la partie et de la portion de l'algue brune en étude. Les algues brunes du genre Sargassum ont donné un taux élevé du bloc G et un faible pourcentage
du bloc M ; tandis que les Laminaires ont une quantité énorme en bloc M, et faible en bloc G.
Le rapport M/G des monomères se situe entre 0,25 et 2,25 selon l'espèce, l'organe, ou le tissu considéré. La structure primaire des alginates dépend donc du rapport M/G et des proportions relatives des 3 types de blocs dans la chaîne.

La composition en alginate dépend avant tout de l'espèce d'algue brune, de la nature des tissus (pied : quantité élevée de blocs G ou lame : quantité élevée de bloc M), de l'âge des tissus, de la zone de croissance. La composition en alginate dépend aussi des lieux de récolte et de la saison.

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                                             Source : dossier sur les algues brunes


e- Où se procurer l'alginate ?


Il est possible de se procurer de l'alginate dans les magasins ou directement sur certains sites internet sous forme de sachets de capacités différentes.

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    Alginate
    Source : Google image
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                                                                                                                                     Alginate sous forme de sachets
                                                                                                                                         Source : Google image

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