Les effets biologiques des rayonnements ionisants sur les aliments

Les rayonnements ionisants atteignent tous les types de cellules ou molécules exposées. Ainsi, même si le traitement d'un aliment par ionisation est très efficace pour détruire les micro-organismes indésirables, il provoque également l'ionisation des micro-organismes utiles, des cellules de l'aliment, des enzymes, des protéines, des vitamines présentes dans celui-ci. Ainsi, l'ionisation provoque une altération des qualités organoleptiques et nutritives de l'aliment. Cette altération est cependant négligeable, et est fonction de la dose, tout comme la dégradation des micro-organismes. Ainsi, un aliment ionisé à forte dose sera plus dégradé qu'un aliment ayant subit un faible traitement. Outre ces altérations, l'ionisation a pour conséquence la formation de substances nocives.

Trois problèmes se posent:

• Comment expliquer la mort des micro-organismes ?
• Comment expliquer que l'ionisation des aliments ait à la fois pour conséquence une forte mortalité des micro-organismes et une faible altération de l'aliment ?
• Comment expliquer la formation de toxines lors de l'ionisation des aliments ?

A- Lésions moléculaires et conséquences au niveau cellulaire

L'énergie des rayonnements, transférée directement ou indirectement à une molécule, peuvent induire des lésions de cette molécule. Toutes les molécules peuvent être touchées. Cependant, certaines lésions peuvent avoir plus de répercussions que d'autres dans le fonctionnement biologique. C'est le cas des molécules d'eau, en raison de leur proportion dans tous les organismes vivants, mais surtout de l'ADN, pour sa fonction centrale dans la cellule. L'ionisation l'une molécule d'ADN peut avoir pour conséquence un dérèglement plus ou moins important du fonctionnement de la cellule, et peut même provoquer sa mort. Lorsqu'il s'agit d'une molécule d'ADN d'une cellule encore vivante, le mécanisme de méiose est fortement perturbé, voir stoppé. Ainsi, la mort des micro-organismes ionisés est due à des ruptures de liaisons des molécules d'ADN.

Mais comment expliquer qu'un aliment ionisé ne perde que peu de ses qualités organoleptiques et nutritives ?

B- La radiosensibilité des cellules

Toutes les cellules ne sont pas aussi sensibles aux rayonnements ionisants. Ainsi, la dose à appliquer pour provoquer la mort cellulaire dépendra de la nature de la cellule.

         Les facteurs de la radiosensibilité d'une cellule vivante

La radiosensibilité d'une cellule varie:

• proportionnellement à sa capacité de division
• inversement proportionnellement à son degré de différenciation

Ainsi, plus un organisme est évolué, plus il est radiosensible:

(D^o est la dose qui laisse 37% de survivants)

Les cellules des aliments peuvent être très différenciées (spécialisées), mais elles ne se divisent plus (plus de méiose). Ainsi, elles sont peu radiosensibles par rapport aux cellules des micro-organismes qui ont une division cellulaire très rapide. Les vitamines et protéines sont des molécules, et non des cellules vivantes. Elles sont donc peu radiosensibles. Lors d'un traitement par ionisation d'un aliments, les micro-organismes et les insectes sont les plus touchés, alors que les cellules de l'aliment, les vitamines et protéines (dont les enzymes) le sont peu. Les autres facteurs de la radiosensibilité d'une cellule sont :

• la phase du cycle cellulaire: la radiosensibilité est maximale au cours de la phase M de mitose et minimale au cours de la phase S de duplication du matériel génétique.
• l'environnement cellulaire: l'oxygène est un radio-sensibilisant et ce, d'autant plus que le T.L.E. du rayonnement est faible. Ceci s'explique par l'augmentation de radicaux libres en présence d'oxygène.
• la nature du rayonnement : à dose égale, la survie cellulaire est plus importante pour des rayonnements de faible T.L.E.
• le débit de rayonnements ionisants : la diminution du débit de dose permettent, à dose équivalente, d'augmenter la survie cellulaire.

Pour un maximum d'efficacité, un aliment doit donc être soumis à un rayonnement de forte énergie et de fort débit.

C- Les réactions chimiques résultant des interactions physiques entre rayonnements ionisants et matière

Jusqu'ici, l'ionisation apparaît comme étant un traitement très efficace pour réduire la population de micro-organismes dans les aliments, qui dans le même temps ne provoque qu'une faible altération du produit en lui-même.

Mais un autre aspect de l'ionisation plus inquiétant, n'a pas été étudié :

L'ionisation des atomes a pour conséquence l'apparition de radicaux libres, c'est-à-dire d'atomes portant sur leur couche électronique un ou plusieurs électrons célibataires.

Cette configuration confère à l'entité radicalaire une très grande réactivité chimique: les radicaux libres tendent à capturer un ou plusieurs électrons pour compléter leurs couches électroniques.

Différentes réactions peuvent se produire. Elles dépendent de l'état de la molécule (ionisée ou excitée), du nombre de radicaux libres (plus le TLE est grand, plus il y a d'ionisation, et donc plus il y a de radicaux libres), et de la présence d'autres molécules (oxygène, molécules organiques).

     réactions issues de l'ionisation de molécules d'eau

Les aliments ont une forte teneur en eau. Nous étudierons donc préférentiellement le devenir de ces molécules après une ionisation ou une excitation.

1) La formation de radicaux libres

La formation de radicaux libres issus de l'ionisation ou de l'excitation de molécules d'eau peut être décrites par les équations de réactions suivantes :

    1er cas

L'eau est ionisée si E > 5,16 eV, qui est l'énergie de la liaison H?OH:

hν + H₂O ---> e^- + H₂O⁺

L'ion H₂0+ est instable et se dissocie sur place :

H₂O⁺ ---> H⁺ + OH°

L'électron projeté peut parcourir 10 à 15 nm et réagir avec l'eau: e^- + H₂0 ---> H° + OH

   2ème cas

La molécule d'eau est excitée :

hν + H₂O ---> H₂O*

La molécule excitée se désexcite : H₂O* ---> H⁺ + OH° + e^-

2) la formation de toxines à partir des radicaux libres

    Le rôle du TLE

A partir de ces radicaux libres, différentes réactions peuvent se produire, en fonction du TLE (plus le TLE est élevé, plus le nombre d'ionisation est grand et donc plus la probabilité de rencontre entre les radicaux libres est élevé, et inversement).

1er cas : Le TLE est élevé

H° + H° ---> H₂

H° + OH° ---> H₂O

OH° + OH° ---> H₂0₂

Lorsque le TLE est élevé, il y a production d'eau oxygénée, H₂0₂, extrêmement toxique pour la cellule.

2ème cas : Le TLE est faible et la réaction de recombinaison est la plus probable :

H° + OH° ---> H₂O

     L'influence de la présence d'oxygène

Les réactions qui succèdent à la formation de radicaux libres dépendent également de la présence de l'oxygène :

1er cas : En absence d'oxygène, la réaction s'arrête par dimérisation :

H° + H° ---> H₂

H° + OH° ---> H₂O

 2ème cas : En présence d'oxygène, la réaction suivante à lieu :

H° + O₂ ---> OOH°

Le radical hydroperoxyde, OOH°, est un oxydant avide d'électrons. Il est à l'origine de la formation d'eau  oxygénée :

2 OOH° ---> HOOH + O2

OOH° + H° ---> HOOH

L'ionisation des aliments se faisant dans la majorité des cas sous vide d'air, ces réactions sont à négliger.

    L'influence de la présence de molécules organiques

Les réactions qui succèdent à la formation de radicaux libres dépendent de la présence de molécules organiques : Un grand nombre de réactions ont lieu et aboutissent à la formation:

• d'eau oxygénée
• de radicaux péroxydes : RO°, ROO°
• de tétroxydes : ROOOOH

Les peroxydes et les tétroxydes sont des oxydants puissants qui altèrent les lipides des membranes des cellules.

Ces réactions sont :

OOH° + RH ---> HOOH + R°

R° + 0₂ ---> ROO°

ROO° + OOH° ---> ROOOOH

ROOOOH ---> RO° + OH° + O₂

2 ROO° ---> ROOOOR

ROOOOR + e^- ---> 2 RO° + O₂^-

ROO° + RH ---> ROOH + R°

ROOH + e^- ---> RO° + OH^-

Les radicaux libres et les péroxydes formés lors de l'ionisation peuvent oxyder les acides gras insaturés constitutifs des membranes cellulaire et les acides aminés des protéines. Dans les aliments, de telles oxydations peuvent être toxiques ou altérer les qualités organoleptiques du produit (goût désagréable).