Les biopolymères sont des polymères qui peuvent être produits ou biodégradés par un être vivant. Les exopolysaccharides, comme leur nom l’indique, sont des biopolymères polysaccharides (glucides) sécrétés hors de la cellule. Seuls certains êtres vivants ont la capacité de produire des exopolysaccharides.
Les exopolysaccharides (EPS) peuvent être imaginés comme une pelote de laine collante produite à l’intérieur de la cellule du micro-organisme et sécrétée à l’extérieur.
Cette structure sécrétée confère au micro-organisme différentes capacités telles que la protection contre le dessèchement, la résistance aux hautes pressions, la protection contre les attaques d’autres micro-organismes, la protection contre les antibiotiques ou les toxines et la reconnaissance d’autres micro-organismes.
Généralement, ces biopolymères ne sont pas utilisés comme source d’énergie par le micro-organisme producteur, mais ils assurent une protection efficace de l’intégrité des cellules microbiennes dans un écosystème aux conditions environnementales difficiles.
À cet égard, la capacité à sécréter des EPS confère au micro-organisme des avantages considérables.
(Cette photographie montre la croissance en milieu liquide d’une souche de Lactobacillus rhamnosus que j’ai isolée et identifiée à partir de beurres de fabrication traditionnelle dans le cadre de ma thèse de doctorat. En général, une souche qui ne produit pas d’EPS apparaît sous forme de dépôt au fond, accompagné d’une turbidité. Les souches productrices d’EPS peuvent présenter un léger aspect cotonneux au fond. Cependant, cette souche produisait une telle quantité d’EPS qu’elle a formé une importante masse nuageuse dans le bouillon de culture.)
Deux raisons rendent les exopolysaccharides très attractifs pour les humains. La première est la prise de conscience que l’EPS sécrété par certains micro-organismes peut être très bénéfique pour la santé humaine.
La seconde est que les EPS améliorent les propriétés structurelles des aliments dans lesquels ils se trouvent.
Aujourd’hui, les exopolysaccharides sont utilisés dans les industries alimentaire, pharmaceutique et cosmétique et leur utilisation devient de plus en plus courante.
À ce jour, il a été découvert que les exopolysaccharides ont des fonctions antioxydantes, antibactériennes, hypocholestérolémiantes, immunorégulatrices, anticancérogènes, antitumorales, anticoagulantes et antivirales en termes de santé humaine.
Les exopolysaccharides jouent également un rôle dans la formation de biofilms et dans la capacité des bactéries à s’attacher à une surface. De cette façon, il est plus facile pour les bactéries de coloniser un environnement. Cet effet de l’EPS peut contribuer aux propriétés probiotiques de la bactérie.
Autrement dit, les bactéries probiotiques, capables de produire des EPS, peuvent traverser plus facilement les intestins, adhérer plus facilement et se développer plus facilement. Il est rapporté que l’EPS peut également avoir un effet prébiotique.
En technologie alimentaire, les EPS peuvent améliorer des propriétés telles que la gélification, l’épaississement, l’émulsification et la rétention d’eau.
Ainsi, les propriétés structurelles des aliments fermentés contenant un micro-organisme producteur d’EPS peuvent être améliorées sans ajout d’additifs grâce à l’EPS. Cela est très évident dans le yaourt.
Si le yaourt contient un micro-organisme producteur d’EPS, il présente une consistance crémeuse et libère moins de lactosérum. À cet égard, la présence d’EPS dans le yaourt peut être identifiée par observation.
En présence d’EPS, le yaourt a une consistance crémeuse et forme des filaments lorsqu’on le soulève avec une cuillère. Les EPS améliorent ainsi l’aspect du yaourt et augmentent ses bienfaits pour la santé.
Bien entendu, les espèces de micro-organismes producteurs d’EPS qui peuvent être utilisées dans la production d’aliments fermentés doivent pouvoir être utilisées sans danger dans les aliments. Les bactéries lactiques et les bifidobactéries se distinguent parmi les micro-organismes pouvant être utilisés dans les aliments.
La plupart des LAB, en particulier Fructilactobacillus, Lacticaseibacillus, Lactiplantibacillus, Lactobacillus, Lactococcus, Latilactobacillus, Lentilactobacillus, Leuconostoc, Limosilactobacillus, Pediococcus, Streptococcus et Weissella sont capables de synthétiser des EPS.
Toutefois, cela ne signifie pas que toutes les espèces d’un genre peuvent produire des EPS. Même au sein d’une espèce, la capacité à produire des EPS peut varier. Par exemple, une souche de Streptococcus thermophilus peut produire de l’EPS, tandis qu’une autre souche de Streptococcus thermophilus ne peut pas produire d’EPS.
En revanche, aucune souche de Weissella n’a encore été reconnue comme “généralement reconnue comme sûre” (GRAS) par la Food and Drug Administration des États-Unis. De même, les bactéries du genre Weissella n’ont pas reçu le statut de Qualified Presumption of Safety (QPS) par l’Autorité européenne de sécurité des aliments, même si elles sont courantes en Europe.
Dans ce contexte, un groupe de scientifiques dont je fais partie recherche, dans des aliments fermentés locaux, des bactéries lactiques capables de produire des EPS. En étudiant ces bactéries et les propriétés des EPS qu’elles produisent, nous explorons leurs possibilités d’utilisation dans les aliments.
De cette manière, l’objectif est de découvrir des souches aux propriétés supérieures et de les utiliser comme cultures starter, d’améliorer les propriétés des aliments fermentés sans ajouter d’additifs et d’augmenter leurs bienfaits pour la santé.
Structure et Classification des Exopolysaccharides
Il a été précisé précédemment que les exopolysaccharides, comme leur nom l’indique, se présentent sous forme de glucides. Cependant, une structure standard uniforme ne devrait pas venir à l’esprit lorsque l’on mentionne un exopolysaccharide.
La structure de l’EPS varie selon la souche bactérienne par laquelle il est produit. La structure de l’EPS qui doit être sécrétée par une bactérie est codée dans son ADN. Par ailleurs, la structure de l’EPS peut également changer en fonction du milieu nutritif dans lequel se trouve le micro-organisme.
Une bactérie peut produire des EPS de différentes structures dans différents milieux nutritifs. De même, la quantité d’EPS sécrétée peut varier considérablement selon les espèces et les conditions environnementales.
Par conséquent, les EPS de différentes structures présentent des avantages différents, tant pour la structure de l’aliment que pour la santé.
Les exopolysaccharides peuvent contenir des proportions variables de sucres et de dérivés de sucre tels que le galactose, le glucose, le mannose, le rhamnose, le ribose, le xylose, le fructose, le fucose, l’arabinose, l’acide galacturonique, l’acide glucuronique, la glucosamine et la galactosamine.
Les exopolysaccharides avec un seul type de monosaccharide dans leur structure sont appelés homopolysaccharides (HoPS) et ceux constitués de différents monosaccharides sont appelés hétéropolysaccharides (HePS).
Cependant, HoPS et HePS diffèrent non seulement selon les monomères qui composent leurs structures, mais également selon la longueur des chaînes, le degré de ramification et les liaisons glycosidiques.
Les HoPS sont généralement composés d’unités de glucose ou de fructose qui forment des glucanes ou des fructanes. Les plus courants sont les α-glucanes. Les deux sous-groupes généraux de fructanes sont les polysaccharides de type lévane et de type inuline.
La plupart des EPS produits par LAB sont des HePS. Les unités répétitives sont généralement le D-glucose, le D-galactose et le L-rhamnose et, dans certains cas, la N-acétylglucosamine, la N-acétylgalactosamine ou l’acide glucuronique.
En général, les exopolysaccharides sont classés comme suit;
1.) Homopolysaccharides
1.1.) Glucanes
1.1.1.)α Glucanes
1.1.1.1.) Dextrane
1.1.1.2.) Mutan
1.1.1.3.)Reuteran
1.1.1.4.) Alternan
1.1.2.) β Glucanes
1.2.) Fructanes
1.2.1.) Lévans
1.2.2.) Polysaccharides de type inuline
2.) Hétéropolysaccharides
2.1.) Selon le type de monosaccharide qu’il contient
2.2.) Selon les unités répétitives
2.3) Selon la structure de la chaîne ; chaîne ramifiée ou droite
2.4.) Selon la modification
Propriétés Biochimiques et Biosynthèse des Exopolysaccharides
Les enzymes impliquées dans la production d’EPS par les bactéries lactiques peuvent être divisées en deux groupes principaux. Le premier groupe comprend les protéines nécessaires à la synthèse des nucléotides de sucre essentiels utilisés par d’autres voies cellulaires. Ces protéines ne sont pas spécifiques à l’EPS.
L’autre groupe comprend des protéines spécifiques aux EPS impliquées dans le transfert des monomères, la polymérisation, la sécrétion et la régulation de l’ensemble du processus, notamment les glycosyltransférases et les acétyltransférases. Toutefois, la fonction biologique de certaines protéines spécifiques aux EPS reste inconnue.
Les enzymes spécifiques à l’EPS sont régulées par certains gènes. Les gènes codant pour la biosynthèse de l’EPS chez les bactéries lactiques sont généralement organisés en groupes de gènes et sont généralement chromosomiques (génophores) dans les souches thermophiles, mais peuvent également être localisés sur des plasmides chez les bactéries lactiques mésophiles.
Dans ce dernier cas, la capacité à produire des EPS peut présenter une grande instabilité et les bactéries peuvent perdre leur potentiel de production d’EPS sans pression de sélection.
D’un point de vue biochimique, la synthèse de HoPS est un processus relativement simple et comme il n’y a pas d’étapes de transport actif dans la voie de synthèse, il n’y a pas de dépense énergétique autre que la biosynthèse d’enzymes extracellulaires essentielles.
Le mécanisme de synthèse du HePS est un processus plus complexe et plus gourmand en énergie.
La production d’EPS de différentes souches de bactéries lactiques varie entre 10 mg/L et 400 mg/L dans différentes conditions et bien plus peut être produite si des conditions environnementales idéales sont fournies pour la croissance et la production.
Références
Akgül, H. İ. (2020). Tereyağlarından ekzopolisakkarit (EPS) üreten laktik asit bakterilerinin izolasyonu ve tereyağı üretiminde starter kültür olarak kullanılabilirliğinin araştırılması. Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
Erkmen, O. (Ed.). (2021). Gıda Mikrobiyolojisi (6. baskı). Efil Yayınevi.
Welman, A. D., & Maddox, I. S. (2003). Exopolysaccharides from lactic acid bacteria: perspectives and challenges. Trends in Biotechnology, 21(6), 269–274.
Ruas-Madiedo, P., & de los Reyes-Gavilán, C. G. (2005). Invited review: methods for the screening, isolation, and characterization of exopolysaccharides produced by lactic acid bacteria. Journal of Dairy Science, 88(3), 843–856.
Zhou, Y., Cui, Y., & Qu, X. (2019). Exopolysaccharides of lactic acid bacteria: Structure, bioactivity and associations: A review. Carbohydrate Polymers, 207, 317–332.
Korcz, E., & Varga, L. (2021). Exopolysaccharides from lactic acid bacteria: Techno-functional application in the food industry. Trends in Food Science & Technology, 110, 375–384.
Yadav, M. K., Song, J. H., Vasquez, R., Lee, J. S., Kim, I. H., & Kang, D.-K. (2024). Methods for Detection, Extraction, Purification, and Characterization of Exopolysaccharides of Lactic Acid Bacteria—A Systematic Review. Foods, 13(22), 3687.
Halil İbrahim Akgül
Halil Ibrahim Akgul, Ph.D., is an Assistant Professor of Food Engineering at Bayburt University, where he works in the Division of Food Sciences within the Faculty of Engineering. He received his B.Sc. in Food Engineering from Akdeniz University in 2010, followed by an M.Sc. and a Ph.D. in Food Engineering from Atatürk University in 2015 and 2020, respectively. His formally recognised academic fields are Food Sciences and Engineering, Food Technologies, Dairy and Dairy Products Technology, and Food Microbiology.
Dr. Akgul has more than fifteen years of professional, research, and academic experience in food science. Between 2011 and 2013, he worked as the food engineer responsible for operations at the Pilot Dairy and Bread Factory of Atatürk University’s Directorate of Agricultural Enterprises. This industrial experience, combined with his subsequent academic research, gave him extensive practical and scientific knowledge of milk processing, dairy production, food quality, hygiene, and product development.
His research is primarily focused on milk and dairy products, dairy microbiology, starter cultures, lactic acid bacteria, exopolysaccharides, butter technology, and the physicochemical, microbiological, sensory, and nutritional properties of foods. His studies have examined the quality and fatty-acid composition of traditional butter, aroma formation in butter produced with different starter cultures, raw-milk quality, the characterisation and antioxidant activity of bacterial exopolysaccharides, traditional dairy products such as çökelek and karın kaymağı, colostrum powder, and the use of fruit-derived ingredients in ice cream production.
His academic record includes peer-reviewed research articles published in national and international journals, including Mljekarstvo, Acta Scientiarum Technology, the Journal of Food Safety and Food Quality, the International Journal of Food Engineering, the Atatürk University Journal of Agricultural Faculty, and ATA Food Journal. Four of the research articles currently listed in his university profile were published in SCI-Expanded-indexed journals. He has also contributed to twelve national and international conference papers and presentations covering dairy products, food microbiology, butter quality, fatty-acid composition, starter cultures, exopolysaccharide-producing bacteria, colostrum, traditional foods, and functional ice-cream formulations.
Dr. Akgul has participated as a researcher or adviser in eleven completed scientific and applied research projects. These projects have addressed the modernisation of pilot dairy-processing facilities; the production and quality characteristics of colostrum powder; the physicochemical and microbiological quality of butter and raw milk; the identification of exopolysaccharide-producing lactic acid bacteria; the development and production optimisation of starter cultures for mould-ripened cheese; the standardisation of traditional dairy products; and the use of sloe berry and persimmon fibre in ice-cream production.
His teaching experience spans undergraduate, associate-degree, and graduate education. The courses he has taught include Food Chemistry, Analytical Chemistry, General Chemistry, Organic Chemistry, Fermented Dairy Products Technology, Butter Production and Processing Technology, Healthy Living and Nutrition, Organic Agriculture and Food, Popular Science, Digital Literacy, and Information Technologies. Through these courses, he combines fundamental food chemistry and engineering principles with dairy technology, nutrition, scientific literacy, and the practical communication of scientific knowledge.
He is the founder and Editor-in-Chief of Gıda ve Sağlık, a multilingual digital publication devoted to food, nutrition, health, food chemistry, food microbiology, and culinary science. Through this platform, he draws upon his academic background, teaching experience, research activity, and practical knowledge of food production to present scientifically grounded information in a detailed and accessible form for an international readership.