La chimie de la cuisine

Par un froid matin de janvier 1912, dans un laboratoire du Collège de France à Paris, un médecin-chimiste du nom de Louis-Camille Maillard était assis à sa paillasse, observant des tubes de verre scellés qui chauffaient sur un bain de sable. Chaque tube contenait une solution limpide de glucose et d'un acide aminé appelé glycine. À mesure que la chaleur montait, les solutions commencèrent à changer de couleur, passant de la transparence de l'eau au miel pâle, puis à l'ambre, et enfin à une teinte proche de celle d'un café serré. Maillard ne cuisinait rien au sens ordinaire du terme, et pourtant il venait de reproduire, en miniature, le processus de formation de saveur le plus important de toute l'alimentation humaine.

Quelques semaines plus tard, il apporta ses résultats à l'Académie des Sciences et présenta un mémoire au titre dense, Action des acides aminés sur les sucres : formation des mélanoïdines par voie méthodique. La réaction qu'il y décrivait, le modeste couplage d'un sucre et d'une protéine sous l'effet de la chaleur, se révéla être la chimie dominante de tous les plats rôtis, cuits au four, frits et saisis de la planète. Cet article pose une question simple à la réponse étonnamment profonde : que se passe-t-il réellement, chimiquement, lorsque nous cuisons, fermentons et conservons nos aliments ?

Comment le sucre et la protéine s'allient pour créer la saveur

La réaction que Maillard a découverte porte aujourd'hui son nom, et il vaut la peine d'être précis sur sa nature exacte. La réaction de Maillard débute lorsqu'un groupe amine libre, l'extrémité azotée d'un acide aminé, attaque le carbone carbonyle d'un sucre réducteur tel que le glucose ou le fructose. Cette première rencontre produit un composé instable appelé glycosylamine, qui se réarrange aussitôt en un intermédiaire plus stable connu sous le nom de composé d'Amadori. À partir de là, la chimie cesse d'être ordonnée. L'intermédiaire d'Amadori se fragmente et se déshydrate selon de nombreuses voies concurrentes à la fois, libérant une nuée de petites molécules volatiles et accumulant de grands polymères bruns azotés que Maillard a baptisés mélanoïdines.

C'est là le point crucial qui distingue le brunissement de Maillard d'une simple équation chimique : il ne s'agit pas d'une étape unique, mais d'une cascade. Il n'existe pas un seul produit de Maillard. Selon le sucre, l'acide aminé, la quantité d'eau présente et la température atteinte par la surface, la réaction engendre plusieurs centaines de composés aromatiques volatils différents. Ce sont ces composés volatils qui font que la croûte d'une viande saisie, une tranche de pain grillé, un café torréfié et des oignons revenus ont tous une odeur distincte tout en partageant une même profondeur savoureuse. Les mélanoïdines, quant à elles, sont la couleur brune elle-même, et elles continuent de se former tant que la réaction se poursuit.

La réaction de Maillard se déroule efficacement au-dessus d'environ 140 degrés Celsius, ce qui explique qu'elle ne se produise que sur la surface sèche et chaude des aliments, jamais dans l'intérieur aqueux, où la température ne peut dépasser le point d'ébullition de l'eau. C'est aussi pour cela que la cuisson à la vapeur et l'ébullition donnent des aliments pâles tandis que le rôtissage et la friture produisent une croûte brune. La réaction a besoin de chaleur, d'un sucre réducteur et d'un groupe amine libre réunis au même endroit, et seule une surface sèche fournit ces trois conditions à la fois.

Pourquoi caraméliser un oignon n'est pas la même chose que faire dorer un steak

Il est tentant de mettre tous les brunissements de la cuisine dans le même panier, mais deux chimies véritablement différentes opèrent le plus souvent côte à côte, et il vaut la peine de les distinguer. La réaction de Maillard, telle que décrite plus haut, exige à la fois un sucre réducteur et un groupe amine libre, et elle produit des mélanoïdines azotées ainsi que cette vaste bibliothèque de composés aromatiques. La caramélisation est tout autre chose. Il s'agit de la pyrolyse et de la déshydratation des sucres seuls, sans aucun acide aminé en jeu.

Les deux processus diffèrent jusque dans leurs températures. La caramélisation s'amorce autour de 160 degrés Celsius, quelque peu au-dessus du seuil de Maillard, et ses produits sont des caramels et une classe de composés appelés furanes plutôt que des mélanoïdines. Lorsque vous faites cuire lentement des oignons jusqu'à ce qu'ils deviennent d'un brun profond et sucrés, vous assistez aux deux réactions à la fois : les sucres de l'oignon qui caramélisent, et les acides aminés de l'oignon qui réagissent avec ces mêmes sucres par la voie de Maillard. Quand vous faites fondre un bonbon dur à partir de sucre de table pur, en revanche, vous obtenez de la caramélisation pratiquement sans aucune chimie de Maillard, parce qu'il n'y a aucune protéine dans la casserole pour fournir les groupes amine. Comprendre cette différence explique pourquoi un caramel a un goût sucré et unidimensionnel tandis qu'une croûte de Maillard a un goût savoureux et complexe.

Les microbes qui construisent la saveur avant la moindre cuisson

Toute la chimie alimentaire ne se déroule pas à haute température. Une grande part s'opère à la température du corps ou en dessous, sous l'action de microbes vivants, et le premier à l'avoir vraiment compris fut Louis Pasteur. Dans deux articles fondateurs, l'un sur la fermentation lactique en 1857 et l'autre sur la fermentation alcoolique en 1860, Pasteur établit que la fermentation n'est pas une décomposition spontanée mais l'enzymologie anaérobie de micro-organismes vivants. Levures et bactéries, travaillant sans oxygène, transforment les sucres en acides, en alcool et en dioxyde de carbone, et ce faisant elles changent le lait en yaourt et en fromage, le chou en choucroute, le jus de raisin en vin, et la pâte en pain.

Pasteur ne s'est pas arrêté à l'explication de la fermentation. En 1864, il fit breveter la pasteurisation, un chauffage bref et modéré qui tue les microbes responsables de la détérioration sans cuire l'aliment. La distinction compte : la pasteurisation est délibérément douce, assez chaude pour détruire les microbes qui aigrissent le vin ou gâtent le lait, mais pas au point de modifier le caractère de l'aliment. Fermentation et pasteurisation sont les deux faces d'une même intuition, celle que le sort des aliments est régi par des populations de microbes dont l'activité peut être soit exploitée, soit arrêtée. Cette intuition est devenue la chimie fondatrice de la microbiologie industrielle, et l'enzymologie même que Pasteur étudiait dans un tonneau de vin anime aujourd'hui la biotechnologie moderne, de la production microbienne d'insuline à la conception de viandes d'origine végétale.

L'échafaudage protéique qui fait lever le pain

Le pain mérite un examen plus attentif, car il repose sur une chimie des protéines aussi élégante que tout ce que la cuisine peut offrir. La farine de blé est constituée pour moitié environ de gliadine et pour moitié de gluténine, deux familles de protéines de réserve aux personnalités très différentes. La gliadine est un monomère petit et globalement globulaire, et elle apporte l'extensibilité, cette aptitude de la pâte à s'étirer. La gluténine est un grand polymère, réticulé par des ponts disulfure en agrégats étendus, et elle apporte l'élasticité, cette tendance de la pâte à revenir sur elle-même.

Seules, dans la farine sèche, ces protéines ne font rien de remarquable. Mais lorsque la farine est hydratée et pétrie, gliadine et gluténine s'assemblent en une matrice viscoélastique continue appelée le réseau de gluten. Ce réseau est l'échafaudage du pain. À mesure que la levure fait fermenter les sucres de la pâte, elle libère du dioxyde de carbone, et le réseau de gluten emprisonne ce gaz dans d'innombrables petites poches, s'étirant autour de chaque bulle sans se déchirer. C'est ce qui fait lever la pâte et ce qui donne à une miche achevée sa mie aérée et élastique. Pétrissez trop peu, et le réseau est trop faible pour retenir le gaz ; la miche reste compacte. Toute la structure aérienne du pain est, au fond, un équilibre entre l'élasticité d'étirement de la gliadine et le ressort de la gluténine, gonflé de l'intérieur par les microbes fermenteurs de Pasteur.

Quatre anciennes manières d'empêcher les aliments de se gâter

Bien avant les réfrigérateurs, les hommes conservaient les aliments comestibles grâce à la chimie, et les méthodes classiques se rangent nettement en quatre voies, chacune opérant par un mécanisme distinct. La première est le salaison, où le sel et le nitrite abaissent l'activité de l'eau dans l'aliment, privant les microbes de l'eau libre dont ils ont besoin, tandis que le nitrite inhibe spécifiquement Clostridium botulinum, la bactérie responsable du botulisme. La deuxième est le fumage, qui enrobe l'aliment de composés phénoliques et d'aldéhydes portés par la fumée de bois ; ces molécules sont de véritables antimicrobiens, et elles apportent en outre la saveur fumée caractéristique. La troisième est la réfrigération, la plus familière aujourd'hui, qui fonctionne selon la règle d'Arrhenius : les réactions chimiques et enzymatiques ralentissent à mesure que la température baisse, de sorte que refroidir un aliment ne fait que ralentir le métabolisme des microbes qui le gâteraient sinon.

La quatrième voie est l'appertisation, et elle a une origine précise. En 1809, un confiseur français du nom de Nicolas Appert découvrit qu'un aliment scellé dans des récipients hermétiques puis chauffé se conservait longtemps, une technique qui revient à une stérilisation thermique au sein d'un contenant clos. Appert y parvint des décennies avant que quiconque ne comprenne pourquoi cela fonctionnait, puisque la théorie des germes qui l'expliquerait appartenait encore à l'avenir de Pasteur, mais sa méthode était fondée, et elle est devenue la technologie fondatrice de la conservation industrielle des aliments. Ensemble, ces quatre voies, salaison, fumage, réfrigération et appertisation, couvrent tout le paysage chimique du maintien des aliments propres à la consommation.

Les molécules piquantes des épices, et un mythe tenace

Les épices sont une chimie alimentaire d'une autre saveur, au sens propre. Les plantes produisent de petites bibliothèques de métabolites secondaires piquants, et beaucoup d'entre eux jouent à la fois le rôle d'agent aromatique et de défense antimicrobienne. La capsaïcine, de formule C18H27NO3, est le composé brûlant des piments, et elle n'endommage aucunement les tissus ; elle se lie plutôt au récepteur TRPV1, le même récepteur nerveux qui détecte la chaleur véritable, et c'est pourquoi un piment fort donne une sensation de brûlure. Le poivre noir délivre son mordant par une molécule différente, la pipérine, et l'ail produit l'allicine, un composé qui n'apparaît que lorsque les gousses sont écrasées et qu'une enzyme rencontre son substrat. Le versant antimicrobien de ces composés n'a rien d'accessoire. Il aide à expliquer pourquoi les cuisines fortement épicées tendent à se concentrer dans les climats chauds, où les molécules mêmes qui rendent les aliments piquants contribuent aussi à les préserver de la putréfaction.

Cela nous amène à l'une des affirmations les plus tenaces de toutes les cuisines, l'idée que saisir la viande emprisonne les jus. C'est une jolie histoire, et elle est fausse. La croûte brune d'un steak saisi est un produit de la réaction de Maillard, une couche de mélanoïdines et de composés aromatiques savoureux, et elle n'est en aucune façon une barrière imperméable. Des études de pesée minutieuses ont montré, à maintes reprises, qu'un rôti saisi perd essentiellement la même fraction de son eau qu'un rôti non saisi. Saisir en vaut la peine, mais pour la saveur et la couleur, non pour l'humidité. La croûte relève de la chimie ; le jus emprisonné est un mythe.

Points clés à retenir

La cuisine est de la chimie appliquée, et l'essentiel de sa saveur remonte à une cascade unique que Louis-Camille Maillard a décrite à Paris en 1912, dans laquelle un groupe amine libre attaque le carbonyle d'un sucre réducteur au-dessus d'environ 140 degrés Celsius, se réarrange via un intermédiaire d'Amadori, puis se fragmente en des centaines de composés aromatiques volatils et de mélanoïdines brunes ; cela se distingue de la caramélisation, la pyrolyse des sucres seuls dépourvue d'acides aminés qui s'amorce près de 160 degrés Celsius. Louis Pasteur a établi la fermentation comme l'enzymologie anaérobie des microbes (1857 et 1860) et fit breveter la pasteurisation douce en 1864, tandis que le pain lève parce que les protéines gliadine et gluténine du blé forment un réseau de gluten viscoélastique qui emprisonne le dioxyde de carbone produit par la levure. Les quatre voies classiques de conservation, salaison, fumage, réfrigération et appertisation (cette dernière fondée par Nicolas Appert en 1809), opèrent chacune par un mécanisme distinct, des épices comme la capsaïcine agissent via des récepteurs tels que TRPV1 tout en faisant office d'antimicrobiens, et la croyance familière selon laquelle saisir la viande emprisonne les jus est, au vu de pesées répétées, tout simplement fausse.