Modélisation des indices de rétention d’une série de composantes alimentaires et polluantes de l’environnement

Définition de l’environnement

L’environnement est l’ensemble des éléments constituant le voisinage d’un être vivant ou d’un groupe d’origine humaine, animale ou végétale, et susceptibles d’interagir avec lui directement ou indirectement. C’est ce qui entoure, ce qui est aux environs. Depuis les années 1970 le terme environnement est utilisé pour désigner le contexte écologique global, c’est-à-dire l’ensemble des conditions physiques, chimiques, biologiques climatiques, géographiques et culturelles au sein desquelles se développent les organismes vivants, et les êtres humains en particulier. L’environnement inclut donc l’air, la terre, l’eau, les ressources naturelles, la flore, la faune, les hommes et leurs interactions sociales.

Formation des hétérocycles volatils dans nos aliments 

Les précurseurs des composés hétérocycliques sont les constituants fondamentaux de nos aliments : acides aminés, peptides, glucides, lipides et vitamines. Deux voies principales sont à l’origine de leur formation : – les réactions enzymatiques ou la fermentation, – les réactions de brunissement non enzymatiques, plus connues sous le nom de réactions de Maillard qui surviennent lors des différents traitements subis par nos aliments : cuisson, torréfaction, conservation, grillage. A ces réactions, on peut également associer les reactions de dégradation thermique des sucres, des acides aminés et des vitamines. Les réactions enzymatiques ont lieu principalement dans les fruits , les légumes, les produits laitiers et les boissons fermentées. Figure 1:- Quelques hétérocycles a compose de Pyrazine I-2-1/ Les diazines Les diazines sont des hétérocycles aromatiques à six chaînons comportant deux atomes d’azote. Ces cycles, en raison de la présence d’atomes d’azote plus électronégatifs que le carbone, sont déficitaires, ce qui rend leur fonctionnalisation plus difficile, ainsi les substitutions électrophiles ne sont pas possibles sur de tels cycles. Selon la position respective des deux atomes d’azote, on distingue: la pyridazine, la pyrimidine, et la pyrazine (figure 2) : N N O Sec-butyl-2 méthoxy-3 pyrazine (Carotte crue) N N O Iso-butyl-2 méthoxy-3 pyrazine(poivon) N N O Iso- propyl -2 methoxy -3 pyrazine(petit pois) N N Diméthl pyrazine(Odeur de cuivre frais) N N Méthl pyrazine(Odeur de brulé) PARTIE I GENERALITES 6 N N pyrazine N N pyridazine N N pyrimidine Figure 2 : Structure type de pyrazine De nos jours, de nombreuses diazines polysubstituées sont connues pour leurs propriétés dans des domaines variés comme l’alimentaire (arôme et parfum), l’agrochimie et la pharmacologie.

La pyrazine

La pyrazine (ou 1,4-diazine), de formule brute C4H4N2, est un composé hétérocyclique simple et fondamental qui se rapproche de la structure du benzène où deux des groupements CH sont remplacés par des atomes d’azote. Elle est l’isomère de position de la pyrimidine (1,3-diazine) et de la pyridazine (1,2-diazine). Figure 3 : Structure de la pyrazine PARTIE I GENERALITES 7 I-2-1-2/propriétés de la pyrazine : Table I : valeurs des propriétés chimiques et physiques de la pyrazine. Propriétés chimiques Formule brute C4H4N2 [Isomères] Masse molaire 80,088194 g∙mol-1 C 59,99%, H 5,03%, N 34,98%, pKa 0,51 à 20°C[1] Propriétés physiques T° fusion 55°C[1] T° vaporisation 115°C[1] Solubilité Soluble dans l’eau. Masse volumique 1,031 Point d’éclair 55°C I-2-1-3/Hybridation de La pyrazine : La pyrazine (l, 4-diazine) est de symétrie plus élevée   D2h que la pyridine. Ses quatre atomes de carbone, tout comme ses quatre atomes d’hydrogène, sont équivalents. Il y a trois formes limites pour cette molécule). Les charges partielles sur les atomes ont été calculées (méthode ab initio) et sont représentées sur la figure suivante. N N N N – + N N – – H H N H H N -0.454 0.077 0.150 Figure 4: Les différentes formes limites et les charges partielles sur les tomes de pz. PARTIE I GENERALITES 8 I-2-1-4/Mécanismes de formation de la pyrazine [7,9] : il existe beaucoup de mécanismes pour la formation de la pyrazine .Ils ont été étudiés au cours des 40 dernières années Suivant :. Sucre + Acides amines N N N N R1 R2 R1 R2 R1 R1 R2 R2 R1 CHNH2 C=O R2 R1 C=O R2 CHNH2 Dégradation de strecker Condensation Oxydation Figure 5 : Formation suggérée de l’alkyl pyrazine par réaction de Maillard

Formation de la pyrazines dans les aliments

Les pyrazines peuvent être synthétisées principalement de deux façons. D’une part, en chauffant les aliments. Il est donc possible de générer la formation de pyrazines grâce à la réaction de Maillard 3 . Cette réaction permet, grâce à divers réactions complexes, de former des pyrazines à partir d’acides aminés et de sucres : les acides aminés servent alors de source d’azotes et les sucres (glucides) fournissent les carbones qui viendront former la molécule de pyrazine (Figure 1). Cependant, afin d’éviter la dégradation de ces composés, il est essentiels Dégradation de Strecker  de ne pas dépasser une température supérieure à 150°C ,il est préférable de la réaliser à 115°C. I-2-1-6/Les arômes dégagés [5,10] : Les arômes produits par cette famille sont aussi variées que les composés sont nombreux. Par exemple les 2, 5-diméthylpyrazine et 2, 6-diméthylpyrazine sont responsables des arômes du chocolat, des noix grillées et de la pomme de terre frite. Le goût des cacahuète grillée est également caractéristique de divers dérivés de pyrazines tels que la 2-méthylpyrazine, la 2- éthylpyrazine, la 2-éthyl-6-méthylpyrazine et la 2,3-diéthyl-5-méthylpyrazine. En général, l’arôme d’un aliment est définit par un mélange de composés odorants. C’est le cas par exemple dans le sirop d’érable, où parmi les 27 pyrazines détectées, 15 possèdent des odeurs caractéristiques. Tableau 2 : Pyrazines dans les produits alimentaires Substituants Qualité aromatique 2-méthyl-3-éthyle Brûlé Acétyle- maïs rôti 2-éthyl-3,5-dimethyle pommes de terre 2-éthyl-3,6-diméthyle pommes de terre 2,3-diéthyl-5-méthyle pommes de terre 2-sec-butyl-3-méthoxy- Terreux 2-isobutyl-3-méthoxy- fort, paprika Tableau 3 : Aromatisation avec les pyrazines Substance Produit alimentaire Arôme 2-éthyl-3-vinylpyrazine (6) café instantané Terreux 2-éthyl-3,5-diméthyl-pyrazine sirop de glucose amandes grillées 2-éthyl-3,6-diméthyl-pyrazine sirop de glucose Noisette Formylpyrazine café instantané note de « grillé » 2-éthoxy-3-méthyl-pyrazine Glaces noix grillées 2-éthyl-3-méthoxy-pyrazine produits à base de pommes de terre pommes de terre 

Chromatographie 

La chromatographie est la méthode de séparation la plus générale, la plus puissante, et la plus simple qui soit actuellement disponible. Elle représente un des procédés physico-chimiques de séparation, au même titre que la distillation, la cristallisation ou l’extraction fractionnée, des constituants d’un mélange homogène liquide ou gazeux. Les applications de cette méthode sont donc potentiellement très nombreuses, d’autant plus que beaucoup de mélanges hétérogènes ou sous forme solide peuvent être mis en solution par emploi d’un solvant. Ce procédé hydrodynamique a donné naissance à une méthode analytique instrumentale, présentant un très grand domaine d’applicabilité et par suite se trouve très répandue.

Définition de la chromatographie en phase gazeuse(CPG)

Cette technique découverte en 1952 par James et Martin, a fait des progrès vertigineux, particulièrement grâce à la découverte des détecteurs ultrasensibles. C’est également le seul type de chromatographie qui utilise un gaz comme phase mobile [13]. Ce type de chromatographie peut être subdivisé selon le phénomène mis en œuvre:  Chromatographie gaz/liquide(CGL) : La phase mobile est un gaz, et la phase stationnaire est un liquide fixé par imbibition d’un support inerte.  Chromatographie gaz/solide(CGS) : La phase stationnaire est un solide poreux (carbone graphite ou gel de silice ou alumine) et la phase mobile est un gaz [14]. Les phases stationnaires garnissent des tubes métalliques ou en verre de faible diamètres (colonne à garnissage) ou sont déposées sur les parois internes d’un tube de très faible diamètre (colonnes capillaires). II-2- Phases stationnaires : Les phases actuelles correspondent à deux principaux types de composés: les polysiloxanes et les polyéthylèneglycols, chaque catégorie pouvant faire l’objet de modifications structurales mineures. 

La phase stationnaire liquide (Phase polaire) de type « Carbowax »

Les colonnes capillaires de type « Carbowax » sont pourvues d’une phase stationnaire à base de polyéthylène glycol très polaire. Cette phase permet une bien meilleure séparation des composés polaires que les phases apolaires ou légèrement polaires. Il existe diverses colonnes de type « Carbowax » caractérisées par des températures d’utilisation max./min., une inertie et une sélectivité différentes du fait des modifications apportées à la phase pour permettre l’analyse de familles spécifiques de composés. Ces colonnes polaires sont couramment utilisées pour les séparations de glycols, solvants, impuretés organiques volatiles dans les médicaments, acides gras, parfums, arômes, … Les colonnes Stabilwax ®-DA et Stabilwax ®-DB sont respectivement destinées à l’analyse des composés acides ou basiques. Le degré de polarité lié au nombre d’hydroxyles est indiqué par un chiffre qui représente la masse moléculaire. Les masses de Carbowax qui peuvent aller de 300 à 20.000 sont dénommées par ces valeurs extrêmes Carbowax 300 et Carbowax 20M.

Le Carbowax 20M 

la colonne de masse moléculaire la plus élevée((20.000), est donc le moins polaire de la série. Ces phases stationnaires possédant de nombreux oxygènes sont classées parmi les phases stationnaires les plus polaires, et elles sont utilisées pour séparer les molécules de fortes polarités comme celles possédant des fonctions alcool, aldéhyde, ou cétone, Alkylamines, diamines, composés hétérocycliques azotés II-2-2-La phase stationnaire liquide (Phase apolaire) OV-101 : La phase stationnaire liquide OV-101 appartient à la famille des silicones qui répondent à la formule générale : H3C H3C H3C O (R ) O Si CH3 CH3 CH3 Si (R ‘) n n PARTIE I GENERALITES 12 R et R` sont des groupements silylés pouvant posséder des groupements polaires ou polarisables, et par la même déterminer les propriétés de ces phases. Dans la phase liquide OV-101: R = R` = La température maximale d’utilisation de la colonne OV-101 est comprise entre 300 et 350 °C. Les colonnes SE 30, OV1, OV101, diméthylsiloxanes sont très peu polaires, elles se différencient par leur nombre de groupements diméthylsilyle. La colonne OV-101 en possédant moins, a une viscosité plus faible et une température maximum d’utilisation plus basse. Elles sont utilisées pour séparer les dérivés méthyles ou silylés. II-3-Indice de rétention (Ir) : La chromatographie en phase gazeuse peut permettre l’identification d’un produit dans un mélange complexe. A cette fin on utilise le temps de rétention (t’R) ou plus communément l’indice de rétention (Ir) qui dépend de la structure du composé [14]. L’introduction de ces paramètres a au moins trois objectifs:  Caractériser tout composé par une grandeur plus générale que son temps de rétention dans des conditions définies. Il en résulte le système des indices de rétention qui est un moyen efficace et peu coûteux pour éviter certaines erreurs d’identification.  Suivre l’évolution dans le temps des colonnes et par suite leurs performances.  Classer entre elles les phases stationnaires connues pour faciliter le choix d’une colonne bien adaptée pour tout problème nouveau de séparation, sachant que la polarité ou la nature chimique d’une phase stationnaire ne permettent pas, seules, de prévoir sa réelle aptitude séparatrice [14].