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Inuline

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1- Généralités

L’inuline est un polysaccharide linéaire qui contient des résidus de fructose liés par des liaisons O-glycosidiques en β (2→1), souvent  avec une molécule de glucose à l’extrémité de chacune de chaînes de fructose, attaché par une liaison α (1-2), comme montré dans la figure 1. Le degré de polymérisation de l’inuline varie entre 2 et 70 unités fructose en fonction des conditions climatiques (Waterhouse et Chatterton, 1993).

Figure 1 Structure chimique de l'inuline (Blecker et al., 2001).      
Figure 1 Structure chimique de l’inuline (Blecker et al., 2001).      

L’inuline est présent dans les racines, les tubercules, les grains et les parties de la tige de certaines plantes (Van Laere et Van den Ende, 2002; Ritsema et Smeekens, 2003). Dans les monocotylédones, l’inuline est largement présents dans les herbes (Gramineae) (Ritsema et Smeekens, 2003) et les Liliaceae, comme, l’ail, l’oignon, le poireau, etc. (Shiomi, 1989). Par ailleurs, l’inuline dans les dicotylédones est présent à une teneur élevée dans les (Asteraceae), incluant, la chicorée, le topinambour, l’artichaut, et autres (Shiomi, 1989 ; Wilson et al., 2004, Orthen et Wehrmeyer, 2004 ; Shiomi et al., 2006). L’ensemble de plantes contenant de l’inuline sont résumées dans le tableau 1

Tableau 1  Plantes riches en inulines (Singh, 2010)
Nom botanique
         Nom commun
Parties riches en inuline (% matière sèche)
Agave americana Agave américain lobes 7–10
Allium cepa Oignon bulbe 2–6
Allium sativum Ail bulbe 9–16
Arctium sp. Bardanes racines 3.5–4
Asparagus officinalis Safed Musli / shatavari racines tubercules 10–15
Asparagus racemosus Safed Musli / shatavari racines tubercules 12–22
Cichorium intybus Chicorée racines 3–10
Cynara cardunculus Artichaut feuilles 15–20
Dahlia sp. Dahlia racines tubercules 14–19
Helianthus tuberosus Artichaut de Jérusalem tubercules 0.5–1.5
Hordeum vulgare Orge      grains 8–13
Smallanthus sonchifolius Poire de terre feuilles 12–15
Taraxacum officinale Pissenlit racines 15–20
Scorzonera hispanica Spanish salsify racines 18–20
Saussurea lappa Saussurea racines 7–10

2- Enzymes de dégradation d’inuline

La dégradation des fructanes est réalisée par des enzymes de type fructane exohydrolases (FEHs, EC 3.2.1.80). Ces dernières sont des glycoprotéines solubles appartenant à la famille 32 des glycosides hydrolases (GH 32), enzymes qui catalysent l’hydrolyse des liaisons O- des glycosides, produisant un sucre hemiacetal avec son aglycone correspondant, comme mentionné dans la figure 2 (Ritsema et Smeekens, 2003).

Figure 2 Réaction générale des enzymes de type glycoside hydrolase (Arrizon, 2001).
Figure 2 Réaction générale des enzymes de type glycoside hydrolase (Arrizon, 2001).

En fonction du site d’hydrolyse, les glycosides hydrolases sont classés dans le groupe des exo-hydrolases ou des endo-hydrolases (figure 3).

Figure 3 Sites de coupure des exo-hydrolase et des endo-hydrolase (Arrizon, 2001).
Figure 3 Sites de coupure des exo-hydrolase et des endo-hydrolase (Arrizon, 2001).

Les exo-inulinase et les endo-inulinases (E.C. 3.2.1.80 et E.C. 3.2.1.7) appartiennent à la famille des glycosides hydrolases. Elles sont responsables de l’hydrolyse des fructanes et elles sont, également, nommées fructanases.

2.1- Endo-inulinase 

L’endo-inulinase est spécifique à l’inuline et hydrolyse les liens internes β-(2,1) fructofurannosidique (figure 4) pour donner des inulotriose, inulotetraose et inulopentaose comme produits principaux (Kim et al., 1999)

2.2- Exo-inulinase

L’exo-inulinase quant à elle, libère les unités de fructose terminales dans l’inuline (figure 4)  (Vandamme et Deryeke, 1983 ; Ritsema et Smeekens, 2003).

              Figure 4 Sites de coupures des endo et des exo-inulinase (Singh,  2010).
Figure 4 Sites de coupures des endo et des exo-inulinase (Singh,  2010).

3- Principales sources microbienne d’inulinase

L’inulinase est généralement thermostable et commercialement disponible pour des applications industrielles (Ettalibi et Baratti, 2001). Dans les dernières décennies, un grand nombre de champignons, de levures et de souches bactériennes ont été utilisés pour sa production (tableau 2).

Tableau 4 : Principales sources microbiennes d’inulinase
     Sources Types d’inulinase Références
 

 

 

 

Champignons

 

 

 

 

 

 

 

Aspergillus awamori Exoinulinase Arand et al., (2002)
Aspergillus ficuum Endoinulinase Uhm et al., (1998)
Aspergillus fumigatus Endoinulinase Ongen et al., (1996)
Aspergillus niger Endoinulinase Ohta et al., (1998)
Aspergillus oryzae Exoinulinase Gupta et al., (1998)
Aspergillus versicolor Exoinulinase Kochhar et al., (1997)
Chrysosporium pannorum Exoinulinase Xiao et al., (1989)
Fusarium oxysporum Exoinulinase Gupta et al., (1992)
Panaeolus  papillonaceus Exoinulinase Mukherjee et Sengupta, (1987)
Penicillium purpurogenum Endoinulinase Onodera et al., (1996)
Penicillium sp. TN-88 Exoinulinase Moriyama et al., (2002)
Scytalidium acidophilum Exoinulinase Kim et al., (1994)
 

Levures

 

 

 

Kluyveromyces cicerisporus Exoinulinase Zhang et al., (2012)
Kluyveromyces fragilis Exoinulinase Workman et Day, (1983)
Kluyveromyces marxianus var. bulgaricus Exoinulinase Bergkamp et al., (1993)
Kluyveromyces sp Y-85 Exoinulinase Parekh et Margaritis, (1985)
 

 

 

 

 

 

 

Bactéries

 

 

 

 

 

 

Arthrobacter sp. S37 Endoinulinase Kang et Kim, (1999)
Bacillus licheniformis Exoinulinase Rey et al., (2004)
Bacillus polyxyma MGL21 Exoinulinase Kwon et al., (2003)
Bacillus sp. Snu7 Exoinulinase Uzunova et al., (2002)
Bacillus stearothermophilus Exoinulinase Kato et al., (1999)
Bacillus subtilis Exoinulinase Vullo et al., (1991)
Bifidobacterium longum Exoinulinase Schell et al., (2002)
Clostridium acetobutylicum Exoinulinase Looten et al., (1987)
Cryptococcus aureus  Exoinulinase Sheng et al., (2008)
Geobacillus stearothermophilus Exoinulinase Tsujimoto et al., (2003)
Pseudomonas mucidolens Endoinulinase Yun et al., (1997)
Xanthomonas oryzae Exoinulinase Cho et Yun, (2002)

 

4- Voie de dégradation de l’inuline 

Le mécanisme moléculaire de la réaction d’hydrolyse des glycosides hydrolases est décrit dans la figure 5 avec l’exemple de l’exo-inulinase d’Aspergillus awamari (Nagem et al.,  2004). Au cours d’une première étape, le nucléophile attaque le carbone C2 du résidu fructosyl terminal. Un intermédiaire covalent de type fructosyl-enzyme est formé et une molécule d’aglycone est libérée dans le milieu. Lors de la seconde étape, le résidu acide/base déprotoné joue le rôle de base pour activer une molécule d’eau venant attaquer l’intermédiaire fructosyl enzyme. La liaison fructosyl-enzyme intermédiaire se rompt et libère la molécule de fructose.

Figure 5 Schéma du mécanisme catalytique de l’exo-inulinase d’Aspergillus awamori (Nagem et al., 2004).
Figure 5 Schéma du mécanisme catalytique de l’exo-inulinase d’Aspergillus awamori (Nagem et al., 2004).

L’exo-inulinase d’Aspergillus awamori a été cristallisée et la reconnaissance du substrat est caractérisée. Deux acides aminés, l’acide aspartique 41 et l’acide glutamique 214 du site actif de la protéine fonctionnent comme le nucléophile et le catalyseur acide/base respectivement (Nagem et al., 2004). Pour la majorité des glycoside-hydrolases, les acides aminés glutamiques et aspartiques sont communément trouvés au niveau du site actif.

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