Composition des aliments: les minéraux   
 

Les aliments sont composés principalement de macromolécules organiques (les glucides, les lipides et les protéines) et de l'eau. 

Les aliments contiennent  d’autres substances chimiques mineures :  les minéraux, les vitamines et les pigments.  Ces substances ont leur importance sur le plan technologique aussi bien que nutritionnel.

Les minéraux

Les minéraux sont nécessaires aux activités physiologiques et biologiques de l’organisme. Ils sont naturellement présents dans les aliments. Leur teneur varie selon la nature du sol (source de l’aliment), le type d’aliment et les techniques culturales. 

Certains minéraux comme le sodium et le potassium sont rajoutés sous forme de sel pour répondre à des besoins organoleptiques, le goût, la coloration, le parfum et la texture des aliments. C’est le principal intérêt des minéraux en alimentation, la flaveur. Par contre en nutrition, les minéraux sont nécessaires à la constitution des tissus et au fonctionnement de l’organisme. On classe les minéraux de notre alimentation en deux groupes selon le besoin de l’organisme, lequel est lié à l’âge et à l’individu. 

 

Le magnésium 

Le magnésium (Mg), le 12 ème élément du tableau périodique, est un métal d’aspect blanc. Le magnésium a 9 isotopes connus. Présent dans la croûte terrestre et l’eau de mer, le magnésium n’est jamais à l’état pur. Il est associé à l’oxygène, au chlore et au carbonate. Le magnésium est obtenu par traitement thermique de minerais ou par des procédés électrolytiques

En alimentation 

Le magnésium en alimentation est avant tout celui de la chlorophylle qui capte l’énergie lumineuse dans la synthèse du glucose précurseur plus ou moins direct des molécules biologiques alimentaires.

L’eau de mer étant fournie en magnésium, il va s’en dire que les produits de source marine de notre alimentation en sont les mieux pourvus.

Le magnésium entre dans la composition de nombreux produits de transformation en alimentation et en médecine  (boissons effervescentes et médicaments);

Rôle biologique 

Les principales implications du magnésium dans le fonctionnement de l’organisme sont structurales et métaboliques et physiologiques : le maintien de la cohésion des deux subunités constituantes du ribosome nécessite la présence d’ions magnésium (Mg++); Le magnésium est un activateur d’enzymes dont les phosphatases et les phosphokinases qui agissent qu’en sa présence;  le magnésium contribue à réguler l’excitabilité nerveuse et la contraction musculaire.
 
Tableau XIII - Tableau de la classification périodique des éléments

Le groupe des macroéléments (besoin de l’ordre du g/jour) comprend : le sodium, le potassium, le calcium, le phosphore, le magnésium et le fer.

Le groupe des oligoéléments (besoin de l’ordre du mg/jour ou moins) comprend quatorze éléments dont le cuivre, le manganèse, le zinc, le cobalt et l’iode.

Le groupe des macro-éléments

Le sodium

Le sodium (Na) est le 11 ème élément du tableau de la classification périodique des éléments ou tableau périodique ou encore tableau de Mendeleïev (Tableau XIII). C’est un métal d’aspect blanc. Il possède 7 isotopes connus. Le sodium est sous sa forme combinée au chlore (le chlorure de sodium - Nacl) ou au carbonate (carbonate de sodium  - Na2CO3).

Le chlorure de sodium est répandu dans la nature : l’halite, la forme minérale, est aussi appelé sel gemme.

L’halite est formée par l'évaporation d'étendues d'eau salée fermées, comme les mines du Sahara ou salines, témoins de l'existence lointaine d'une mer dans ce désert. 

L’eau de mer contient 30 g de sel/l, son évaporation, dans les salins ou marais salants, cristallise le sel qui est constitué principalement de chlorure de sodium (Figure 71 ci-dessous).


Figure 71 : Sel de mer 

En alimentation

Le chlorure de sodium connait de nombreuses utilisations. 

En cuisine, le chlorure de sodium est le sel le plus largement utilisé pour la flaveur (goût et odeur) des aliments. Le carbonate  de sodium constituant de la levure chimique fait « lever » la pâte boulangère.

Le sel intervient en alimentation animale. Le sel gemme en provenance du Sahara alimente depuis toujours les besoins en sel des  pays du  sud dans le domaine de l’élevage.

Le sel est utilisé pour le salage du poisson, notamment celui de la morue.  

Dans  la fabrication du fromage, le sel est utilisé pour la conservation et le séchage. Il donne au fromage une flaveur spécifique lié au savoir faire. 

La saumure peut être  utilisée dans le traitement de conservation de toute denrée alimentaire.

La production du sel de mer est un travail agricole. Il est saisonnier et dépend de la  météo. Les techniques employées varient selon les régions ou selon les sources :  la mer ou l’océan. Dans tous les cas, trois moments la caractérisent: l’alimentation des bassins salants en eau de mer par pompage ou par la marée, la conduite de l’eau des bassins où la saumure est de  l’ordre de 280 g de sel /l dans les cristallisoirs (le sel s'y déposera durant l’été)  et  la récolte du sel  qui s’effectue à la fin de l’été.

Quant à la production minière, elle est aussi vieille que l’histoire de l’homme et de son alimentation. En Autriche les gisements de sel gemme sont exploités depuis le néolithique et le commerce trans-saharien qui date du lointain moyen âge a pour objet le sel des mines d’halite du Sahara. De nos jours, la production de sel de mer a supplanté celle des mines qui n’existe pratiquement plus dans les pays du nord. Toutefois, les salins sont exploités autrement par l’industrie.

La production industrielle consiste à prélever la saumure effectuée par injection d’eau dans un puits salins et la dissolution du sel. La saumure est purifiée et le sel obtenu après des opérations contrôlées d’évaporation et de séchage.

Le chlorure de sodium est utilisé pour dégivrer les routes par temps de froid.  Contribuant ainsi à la distribution de l'aliment, son rôle alimentaire en est élargi.

Le chlorure de sodium, le sel, est l’une des denrées alimentaires la plus impliquée dans l’histoire par son commerce et l’impopularité des impôts  perçus sur ce commerce. La gabelle du XIVe siècle à la Révolution française en est un exemple.

Rôle biologique

Les principales implications du sodium dans le fonctionnement de l'organisme concerne le transport trans membranaire et l'équilibre ionique des milieux aqueux.   Le sodium avec le potassium déterminent le fonctionnement d’enzymes dans leur transport actif au niveau de la membrane plasmique.  

L’ATPase membranaire, en hydrolysant l’ATP, fournit  l’énergie nécessaire à ce transport. Cette enzyme ne fonctionne qu’en présence de ces ions Na+ et K+ . Ainsi, ils assurent leur propre transport. La cellule expulse 3 ions Na+ et laisse entrer 2 ions K+.

Les ions Na+ et K+ sont déterminants dans l’action et la sécrétion d’hormones. Dans les reins, le mouvement de l’eau (le contrôle du volume sanguin, la volémie) est sous la dépendance d’une hormone l’aldostérone et lié au mouvement des  ions sodium (Na+) et potassium (K+). De tous les minéraux nécessaires à l’organisme, le sodium a la plus forte concentration dans le plasma (14 mmol/l)

Le fer 

Le fer (Fe) est le 26 ème élément du tableau périodique, métal de transition, le fer a l’aspect gris-blanc, il possède 14 isotopes connus. Divalent dans les composés ferreux (Fe++), l’élément Fe est trivalent(Fe+++) dans les composés ferriques,. Le fer est très répandu dans la nature, sa présence est caractéristique des terrains latéritiques. 

En alimentation 

Matériau de l’outil aratoire, le fer a révolutionné l’agriculture, des semailles aux récoltes. Le fer est apporté par l’alimentation dont les viandes. 

La couleur de la viande qui n’a subi aucun traitement est liée aux diverses transformations que subit la  myoglobine : la myoglobine (Mb - Fe++) est rouge pourpre, la couleur de l'intérieur de la viande ; l'oxymyoglobine (MbO2 - Fe++) est rouge vif, la couleur de la surface de la viande fraîche; la metmyoglobine (Fe+++), brune, résulte de l'oxydation de la myoglobine (Mb - Fe++) et de l'oxymyoglobine (MbO2 - Fe++) laquelle est reversible; la sulfomyoglobine et la cholémyoglobine sont vertes et sont le reflet de la dégradation de fraîcheur de la viande. 

En cuisson, en plus des brunissements non enzymatiques, les transformations de (Mb - Fe++) ou  de (MbO2 - Fe++ ) donnent des produits (Ferrihémochrome et ferrohémochrome)  responsables de la couleur brune de la viande et de la couleur rose de thon en boite.

En charcuterie, les couleurs rouge et rouge-rose des produit, sont dues aux transformations de (Mb - Fe++) ou  de (MbO2 - Fe++) en nitrosomyoglobine ou en nitroso-ferrohémochrome en présence de nitrites et nitrates.

Rôle biologique

L’hémoglobine, la principale constituante des globules rouges est responsable de la couleur du sang. Le fer occupe le centre de l’hème, le groupement prosthétique de l’hémoglobine. Le fer est impliqué dans le transport de l’oxygène qu’il fixe.  Chaque molécule d’hémoglobine possédant 4 hèmes, transporte 4 atomes d’oxygène.  

La myoglobine  est le pigment des muscles. La myoglobine reçoit l’oxygène transporté par l’hémoglobine, le stocke et le dispense au muscle selon ses besoins. La myoglobine est le réservoir de l’oxygène.  Elle possède un seul groupement prosthétique, analogue à celui de l’hémoglobine, l’hème. C'est le fer du groupement prosthétique de la myoglobine qui fixe l’oxygène apporté par le sang dans les muscles. 

 Le fer, outre son rôle dans le transport et la mise en réserve de l’oxygène,  le fer contribue au fonctionnement de l’organisme à divers niveaux .

Le fer est activateur d’enzyme comme la succinodéshydrogenase dans la déshydrogénation de l’acide succinique en acide fumarique du cycle de Krebs, laquelle conduit à l'acide oxaloacétique précurseur de la synthèse du glucose dans la glycogénonéogenèse. 

Le fer, composant du noyau tétrapyrolique des cytochromes est impliqué dans le transfert des électrons de la  chaîne respiratoire où il a deux états d’oxydation différents Fe++ et Fe+++         

Le fer indispensable à la synthèse de l’hémoglobine est transporté dans le plasma par la transferrine une globuline.

Le phosphore 

Le phosphore (P) est le 15 ème élément du tableau périodique, c’est un corps simple non métal. Il a 8 isotopes connus. Il est répandu dans la nature sous forme de phosphate, sel, ester de l’acide phosphorique (H3PO4) et de bases principalement les hydroxydes de sodium (NaOH), de potassium (KOH) et de calcium (Ca(OH)2). 

En alimentation

Tout comme le potassium Les phosphates sont utilisés en agriculture comme engrais. Les gisements de phosphate à ciel ouvert sont exploités un peu partout dans le monde. Il est le principal constituant de la cendre de bois après le potassium 

Rôle biologique

Les principales implications du phosphore dans le fonctionnement de l’organisme concernent la constitution de tissus et le métabolisme cellulaire. 

Le phosphore avec le calcium, sous forme de phosphate de calcium, est le constituant des os. 

Les composés phosphorylés sont les constituants des membranes cellulaires (membrane plasmique et membranes des organites du cytoplasme) et du tissu du système nerveux (sphingomyéline). 

Le phosphore est sans aucun doute l’élément le plus impliqué dans le métabolisme des macromolécules (Tableau XIV) il est présent dans de nombreuses biomolécules.

 Le phosphore est un constituant des nucléotides dont les molécules aux liaisons riches en énergies, l’ATP et l’ADP

 L’ADN et l’ARN, supports de l’information génétique, sont des polymères constitués de nucléotides esters de nucléosides et d’acide phosphorique.

Les principaux composés phosphorylés des lipides sont l’acide glycérophosphorique et ces esters d’acide gras (acides phosphatidiques ou phosphoglycérides) et la sphingomyéline composante du tissu du système nerveux. 

Les acides aminés, constituants des protéines, comme la sérine et ces dérivés (la choline et l’éthanolamine) forment avec les acides phosphatidiques des phosphatides complexes. Les lipides phosphorylés portent le nom de phospholipides.

Les intermédiaires de la glycolyse, du glucose à l’acide pyruvique, et ceux de la dégradation du galactose (chez le nourrisson)  sont des composés phosphorylés.

Le phosphore est un constituant de site actif d’enzymes. Le phosphate pyridoxal dérivé de la vitamine B6 est coenzyme de transaminases.

Les mouvements métaboliques du groupe phosphate (PO4) d’un composé phosphorylé a un autre composé organique sont sous l’action d’enzymes diverses  (tableau 2).

La teneur du plasma en phosphore est d’1mmol/l

Intérêt analytique 

Le phosphore (P) , le 15 ème élément du tableau périodique,  ayant  8 isotopes connus, est d'intérêt analytique quand la RMN qualitative de 31P distingue des composants de l'aliment (les amidons) selon leurs origines botaniques. Le 31P ou un  de ses isotopes,  pourrait distinguer également les huiles et les graisses (les phospholipides) ou tout autre composant phosphorylé de la cellule et principalement l'ADN et l'ARN riches en phosphore. Aussi le phosphore peut s'avérer être une excellente sonde analytique.  


 

Le calcium 

Le calcium (Ca) est le 20 ème élément du tableau périodique, c’est un métal, d’aspect blanc et mou. Il possède 17 isotopes connus. Le calcium est très répandu dans la nature. Le lait et les produits laitiers en sont les principales sources  alimentaires.

Dans le fonctionnement de l’organisme, le calcium est impliqué dans la constitution des os. Le calcium  forme avec le phosphore la partie minérale des os. 

Le calcium intervient dans la contraction des muscles, qu’il s’agisse du myocarde ou des muscles striés ou encore des muscles lisses. 

Le calcium stocké dans les os peut être réabsorbé par le sang et redistribué aux tissus qui en ont besoin. Le calcium est un modérateur de l'excitabilité neuromusculaire.

Dans la  glycogénolyse, le glycogène est dégradé par phosphorolyse sous l’action  de la phosphorylase kinase dont l’activation est déterminée par l’ion Ca++ en relation avec la contraction musculaire. 

La présence des ions calcium est nécessaire  à l’activation de la  prothrombine en thrombine enzyme catalysant la transformation du fibrinogène en fibrine responsable de la formation du caillot. Ainsi, le  calcium intervient dans la coagulation du sang au niveau d’une blessure pour arrêter l'hémorragie.

La concentration  du calcium dans le plasma est de 2,5 mmol/l, soit 5 à 6 fois moins importante que celle du sodium.   

Le potassium 

Le potassium (K) est le 19 ème élément du tableau périodique. C’est un métal d’aspect blanc et mou. Le potassium a 11 isotopes connus. Il est sous sa forme combinée au chlore ( le chlorure de potassium - Kcl) ou au carbonate (le carbonate de potassium - K2CO3). Il est présent dans de nombreux minerais, tels que la carnallite KMgCl3, 6H2O ou dans la cendre des végétaux.  

En alimentation 

Le potassium est utilisé en agriculture comme engrais. il est l'un des composants du NPK  (sources d'azote, de phosphore et de potassium dont la plante a besoin pour sa croissance ). Le potassium favorise la photosynthèse. 

 Le potassium est le principal constituant des minéraux de la cendre des végétaux. En Afrique au sud du Sahara, Le sel de potassium (Figure 72) est une denrée alimentaire au même titre que le  chlorure de sodium.  De la cendre de tiges de mil et de sorgho, une saumure est obtenue par un procédé d’extraction filtration. La saumure est séchée par cuisson-évaporation. Il en résulte les cristaux du sel . 

 Figure 72 : Sel de la cendre de végétaux

La saumure ou le sel  ont plusieurs utilisation en cuisine: lorsqu'il s'agit d'atténuer l'acidité ou de ramollir les fibres de certains légumes ou pour désactiver les substances antinutritives  des légumineuses ou encore pour des raisons purement diététiques (si le sodium favorise la rétention d'eau dans les tissus, le potassium pourrait bien faire l'effet contraire). 

De plus, cette saumure est le reflet de la composition minérale des sols. Les sels peuvent être sélectifs pour tel ou tel autre élément essentiel en plus du potassium qui  est l'élément principal.  Aussi, sur les marchés, les sels peuvent être appréciés en fonction de leur provenance. Ainsi, les habitudes alimentaires des populations, au-delà du savoir-faire ne manquent pas d’intérêt en alimentation et développement. 

Rôle biologique

La fonction biologique du potassium chez l’homme est principalement celle qu'il partage avec le sodium. Les ions sodium et potassium  sont  les principaux éléments de l’équilibre ionique  des milieux intérieur et intracellulaire séparés par la membrane plasmique. Leur transport à travers la membrane plasmique est actif et régulé par leur concentration de part et d'autre de la membrane plasmique.

La concentration  du potassium dans le plasma est de 4 mmol/l, soit trois fois moins importante que celle du sodium.  

Le groupe des oligoéléments 

Le cuivre

Le cuivre (Cu) est le 29 ème élément du tableau périodique. Métal de transition, le cuivre a l’aspect rouge, il possède 13 isotopes connus. Moins abondant que les macroéléments dans la croûte terrestre, c'est surtout dans  les laves basaltiques qu'on le trouve.

Les mines du cuivre de l’hémisphère sud sont exploitées quelque fois à ciel ouvert. Le cuivre est monovalent (Cu+) dans les composés cuivreux comme l’oxyde cuivreux (Cu2O),  et divalent (Cu++) dans les composés cuivriques comme l’ oxyde cuivrique (CuO) et le sulfate de cuivre CuSO4. 

Le cuivre est utilisé en agriculture : le sulfate de cuivre (bouillie bordelaise constituée de sulfate de cuivre et de la chaux) dont l'histoire est celle  de la survie de la vigne à la fin du XIX ème siècle.

Rôle biologique

Dans le fonctionnement de l’organisme, le cuivre est coenzyme ou activateur de la tyrosinase qui intervient dans le catabolisme de la tyrosine. 

On ne connaît  pas assez tous les rôles biologiques du cuivre, mais à l’instar du fer, essentiel dans la synthèse de l’hémoglobine et transporté dans le plasma par une transferrine,  le cuivre y est transporté par une protéine, une globuline, la céruloplasmine. 

Par ailleurs, il n’est pas rare de voir en Afrique de l’Ouest des enfants sujets à des crises drépanocytaires porter « à vie » un bracelet particulièrement en cuivre ou deux bracelets (en fer et en cuivre) forgés en un. Ce qui peut susciter des questions simples, mais qui présentent un intérêt en alimentation et voire davantage en R&D : le cuivre soulagerait-il la crise drépanocytaire ? Dans ce cas, concernant la prévention des crises,  quel serait l’avantage d’un apport alimentaire supplémenté en cuivre  ?  Quel lien peut-il avoir entre le Cu ou la céruloplasmine et l'hémoglobine ou la forme du globule rouge ? 

Le cobalt 

Le cobalt (Co) est le 27 ème élément du tableau périodique. Métal de transition, le cobalt a l’aspect blanc argenté. Il possède 11 isotopes connus. 

 Le cobalt est présent dans la croûte terrestre sous forme composé comme l’arséniure de cobalt (CoAs2) et l'arséniate de cobalt hydraté (Co(AsO4)2, 8H2O). Le Canada, le Congo et la Zambie en sont les grands producteurs.

L’un des 11 isotopes du cobalt est utilisé  en médecine (le cobalt-60). 

Rôle biologique

Le cobalt joue un rôle dans le fonctionnement de l’organisme en tant que constituant de vitamine ou de coenzyme ou encore comme activateur d’enzymes. 

La vitamine B12, indispensable à la production normale de globules rouges et d’hémoglobine est constituée d’un noyau tétra pyrrolique.  Le centre du noyau est occupé par un atome de cobalt (Co) relié à chacun des pyrroles. 

Les isomérases ont pour coenzyme un dérivé de la vitamine B12, appelé coenzyme B12 .

Les transméthylases catalysent le transfert de groupement méthyl ( CH3). Elles ont pour coenzyme un autre dérivé de la vitamine B12, le méthyl B12.

La dipeptidase catalyse les réactions de rupture  entre deux acides aminés. Le Co y est en coenzyme ou en activateur.

L’arginase, une enzyme hépatique, agit au niveau des reins. Elle coupe la molécule d’arginine  en deux molécules l’ornithine et l’urée. L’arginase agit en présence de cobalt

L’iode 

l’iode (I) est le 53éme élément du tableau périodique, il a 22 isotopes connus. L’iode est  l’un des éléments dits non-métaux. Il est présent dans l’eau de mer, le sel gemme et des minerais de nitrates utilisés comme engrais. 

L’iode pur est toxique. Ses composés principaux sont les sels de sodium(NaI), de potassium (KI)  et de magnésium (MgI2). 

Rôle biologique

L’iode est nécessaire à la synthèse des hormones de la glande thyroïde.

Le manganèse

Le manganèse (Mn) est le 25ème élément du tableau périodique, il a 9 isotopes connus, c’est un métal gris. Le manganèse  est un élément de transition, sa valence peut aller jusqu’à VII dans certains de ses composés. Il est assez répandu dans la croûte terrestre, les grands producteurs sont le Brésil, la Chine et la Russie. Par sa résistance, le Manganèse entre dans de nombreux alliages des outils de la production alimentaire (V).

Rôle biologique

Dans le fonctionnement de l’organisme le manganèse est coenzyme ou activateur d’aminopeptidase dont l’arginase, enzyme qui catalyse  les réactions de rupture  au sein d’un acide aminé  

Le zinc 

Le zinc (Zn) est le 30ème élément du tableau périodique, il a 18 isotopes connus, élément de transition, le zinc  est un métal de teinte bleuâtre . Assez abondant dans la croûte terrestre sous forme de ses composés dont l’oxyde  de zinc (ZnO). 


En alimentation
Le zinc est principalement utilisé comme revêtement protecteur anti-corrosion des aciers et à ce titre intéresse les outils de production de l’aliment.

Rôle biologique

Le zinc est coenzyme ou activateur  de déshydrogénases dans le fonctionnement de l’organisme.

Minéraux et sources des aliments

Tous les éléments minéraux cités sont présents dans nos aliments. Éléments du sol ou de l’eau,  ils sont de toutes les  sources des aliments (végétales, animales, micro-organismes ou minérales).  Leur teneur varie d’un aliment à l’autre ou d’une source de production à l’autre, et, dans tous les cas selon la nature des sols, des eaux (qu’elles soient de mers, d’océans, de lacs ou de ruissellement) et des pratiques culturales.  Les engrais sont source de minéraux, aussi source de nutriments (ils la sont pour les végétaux, la première source de notre alimentation.) 

Les végétaux ont besoin de minéraux  pour leur croissance. Tous n’ont pas besoin des mêmes minéraux ou des mêmes teneurs pour un élément donné. Les teneurs peuvent varier en fonction de différents facteurs (espèce, âge, organe, composition du sol et facteurs externes). Ces compositions et teneurs de croissance ne reflètent pas celles de la composition finale du végétal ou de l’organe consommé qui, aujourd'hui, dépendent du sol.  Toutefois, les données de la nutrition végétale indiquent la qualité minérale minimale de l'aliment (données issues des essais de croissance végétale en laboratoire). Aussi, la nutrition végétale peut avoir plusieurs intérêts dans l’alimentation et particulièrement dans le choix de critères de caractérisation des aliments... Suite  


Tableau XIV. Enzymes agissant sur les composés organiques contenant du phosphore