Manuscrit These Rectoverso Definitif

5/24/2018 Manuscrit These Rectoverso Definitif

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UNIVERSIT DE NANTES

UFR SCIENCES ET TECHNIQUES

_____

COLE DOCTORALE SCIENCES POUR LINGNIEUR, GOSCIENCES, ARCHITECTURE

Anne 2009

tude du couplage procd/produit lors de laproduction des mousses par des agrgats protiques

___________

THSE DE DOCTORAT

Discipline : Sciences pour lIngnieurSpcialit : Gnie des Procds

Prsenteet soutenue publiquement par

Irina NICORESCU

Le 06 novembre 2009, devant le jury ci-dessous

Rapporteurs :

Examinateurs :

G. CUVELIER Professeur AgroParisTech, MassyC. SANCHEZ Professeur Universit Montpellier 2, MontpellierG. DJELVEH Professeur Clermont Universit, Clermont-FerrandJ. LEGRAND Professeur GEPEA - Universit de Nantes, StNazaireC. LOISEL MCF ENITIAA, NantesA. RIAUBLANC Charg de Recherche INRA, NantesCh. VIAL MCF HDR Clermont Universit, Clermont-FerrandJ.F. BOUDIER Directeur Scientifique IDI Ingredients (invit), Arras

Directeur de thse:M. Jack LEGRAND

GEPEA - UMR CNRS 6144

ED : 498-67

N attribu par la bibliothque


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UNIVERSIT DE NANTES

UFR SCIENCES ET TECHNIQUES

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COLE DOCTORALE SCIENCES POUR LINGNIEUR, GOSCIENCES, ARCHITECTURE

Anne 2009

tude du couplage procd/produit lors de laproduction des mousses par des agrgats protiques

___________

THSE DE DOCTORAT

Discipline : Sciences pour lIngnieurSpcialit : Gnie des Procds

Prsente

et soutenue publiquement par

Irina NICORESCU

Le 06 novembre 2009, devant le jury ci-dessous

Rapporteurs :

Examinateurs :

G. CUVELIER Professeur AgroParisTech, MassyC. SANCHEZ Professeur Universit Montpellier 2, MontpellierG. DJELVEH Professeur Clermont Universit, Clermont-FerrandJ. LEGRAND Professeur GEPEA - Universit de Nantes, StNazaireC. LOISEL MCF ENITIAA, NantesA. RIAUBLANC Charg de Recherche INRA, NantesCh. VIAL MCF HDR Clermont Universit, Clermont-FerrandJ.F. BOUDIER Directeur Scientifique IDI Ingredients (invit), Arras

Directeur de thse:M. Jack LEGRAND

GEPEA - UMR CNRS 6144

ED : 498-67

N attribu par la bibliothque


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Michel BERENGIER HDR DR LCPC LCPC Division Exploitation EntretienAcoustique RoutireGrard HEGRON PR Ecole Architecture Nantes CERMA Nantes UMR 1563Jean-Pierre PENEAU PR mrite CERMA Nantes UMR 1563

Bertrand ALESSANDRINI HDR IR Ecole Centrale de Nantes L. M. F. UMR 6598Jacques ASTOLFI HDR MC Ecole Navale de Brest IRENAV Brest EA 3634Jean-Yves BILLARD PR Ecole Navale de Brest IRENAV Brest EA 3634Alain CLEMENT HDR IR Ecole Centrale de Nantes L. M. F. UMR 6598Grard DELHOMMEAU DE IR Ecole Centrale de Nantes L. M. F. UMR 6598Henda DJERIDI HDR MC Ecole Navale de Brest IRENAV Brest EA 3634Pierre FERRANT HDR MC Ecole Centrale de Nantes L. M. F. UMR 6598Jean-Franois HETET PR Ecole Centrale de Nantes L. M. F. UMR 6598Dominique MARICHAL PR Ecole Centrale de NantesPatrice MESTAYER DR CNRS Ecole Centrale de Nantes L. M. F. UMR 6598Jean PIQUET PR Ecole Centrale de Nantes L. M. F. UMR 6598Jean-Michel ROSANT DE CR CNRS Ecole Centrale de Nantes L. M. F. UMR 6598

Jean-Franois SINI PR Ecole Centrale de Nantes L. M. F. UMR 6598Michel VISONNEAU DR CNRS Ecole Centrale de Nantes L. M. F. UMR 6598

Alain ALEXIS PR IUT Saint-Nazaire - Univ. Nantes GeM UMR 6183Guy BASTIAN PR mrite IUT Saint-Nazaire - Univ. Nantes GeM UMR 6183Pierre CHAMBON HDR MC Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes GeM UMR 6183

Francis DE LARRARD HDR Pr. Ag. LCPC Division Technologies du GC etde lEnvironnementJacques GARNIER HDR DR LCPC LCPC Division Reconnaissance etMcanique des SolsPierre-Yves HICHER PR Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183

Agns JULLIEN HDR DR LCPC LCPC Division Technologies du GC etde lEnvironnementAbdelhafid KHELIDJ PR IUT Saint-Nazaire - Univ. Nantes GeM UMR 6183

Van Anh LE PR Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes GeM UMR 6183Ahmed LOUKILI HDR MC Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183Gilles PIJAUDIER-CABOT PR Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183

Abdul-Hamid SOUBRA PR Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes GeM UMR 6183

Philippe TAMAGNY HDR DR LCPC LCPC Division Mcanique et Structuredes ChaussesPierre THOMAS PR IUT Saint-Nazaire - Univ. Nantes GeM UMR 6183Christian WIELGOSZ PR Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes GeM UMR 6183

ED 0367

DYNAMIQUE DES FLUIDES ET DES TRANSFERTS

GENIE CIVIL

ECOLE DOCTORALE

SCIENCES POUR LINGENIEUR, GEOSCIENCES, ARCHITECTURE

LISTE DES DIRECTEURS DE RECHERCHE

AMBIANCES ARCHITECTURALES ET URBAINES


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Odile ABRAHAM HDR IDTPE LCPC Division Reconnaissance etMcanique des Sols

Vronique CARRERE HDR MC Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes Lab. Plant. et Godyn. UMR 6112Philippe CTE DE DR LCPC LCPC Division Reconnaissance et

Mcanique des Sols

Herv DIOT PR Univ. La Rochelle Lab. Plant. et Godyn. UMR 6112Patrick GENOT PR Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes Lab. Plant. et Godyn. UMR 6112Jacques GIRARDEAU PR Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes Lab. Plant. et Godyn. UMR 6112Olivier GRASSET PR Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes Lab. Plant. et Godyn. UMR 6112Eric HUMLER PR Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes Lab. Plant. et Godyn. UMR 6112Richard LAGABRIELLE DE DR LCPC Directeur Technique - LCPCBernard LASNIER PR mrite Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes Lab. Plant. et Godyn. UMR 6112Patrick LAUNEAU PR Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes Lab. Plant. et Godyn. UMR 6112Daniel MEGE HDR MC Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes Lab. Plant. et Godyn. UMR 6112Eric MERCIER PR Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes Lab. Plant. et Godyn. UMR 6112

Antoine MOCQUET PR Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes Lab. Plant. et Godyn. UMR 6112Martin SANCHEZ HDR MC Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes Lab. Plant. et Godyn. UMR 6112Christophe SOTIN PR Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes Lab. Plant. et Godyn. UMR 6112

Fouad BENNIS PR Ecole Centrale de Nantes IRCCyN UMR 6597Alain BERNARD PR Ecole Centrale de Nantes IRCCyN UMR 6597Christian BURTIN HDR MC Ecole Centrale de NantesPatrice CARTRAUD PR Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183Pascal CASARI HDR MC Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes GeM UMR 6183Patrick CHEDMAIL PR Ecole Centrale de Nantes IRCCyN UMR 6597Chi Yuen CHIEM PR Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183Philippe DEPINCE HDR MC Ecole Centrale de Nantes IRCCyN UMR 6597Benot FURET PR IUT Nantes - Univ. Nantes

Laurent GORNET HDR MC Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183Ronald GUILLEN PR IUT Saint-Nazaire - Univ. Nantes GeM UMR 6183Jean-Yves HASCOT PR Ecole Centrale de Nantes IRCCyN UMR 6597Frdric JACQUEMIN HDR IUT Saint-Nazaire - Univ. Nantes GeM UMR 6183Bernard LAMY PR Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183Donatien LE HOUDEC PR mrite Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183Surandar MARYA PR Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183Nicolas MOES PR Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183Pascal MOGNOL HDR MC ENS CACHAN IRCCyN UMR 6597Bernard PESEUX PR Emrite Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183Jean-Franois PETIOT PR Ecole Centrale de Nantes IRCCyN UMR 6597

Arnaud POITOU PR Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183Guillaume RACINEUX PR Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183Erwan VERRON HDR MC Ecole Centrale de Nantes GeM UMR 6183Philippe WENGER DR CNRS Ecole Centrale de Nantes IRCCyN UMR 6597

Yves ANDRES HDR MA Ecole des Mines de Nantes GEPEA UMR 6144Herv ANDRIEU HDR IDTPE LCPC Division EauMarie DELAMBALLERIE HDR PR ENITIAA Nantes GEPEA UMR 6144Marc ANTON DR INRA Nantes Unit BIA

Abdellah ARHALIASS PR IUT Saint-Nazaire - Univ. Nantes GEPEA UMR 6144Jean-Pierre BARDON PR Emrite Ecole Polytechnique - Univ. Nantes Lab. Thermocintique UMR 6607

Jrme BELLETRE HDR MA Ecole des Mines de Nantes Dp. Syst. Energ &Environnement UMR 6144

Lionel BOILLEREAUX PR ENITIAA Nantes GEPEA UMR 6144Brahim BOUROUGA PR Ecole Polytechnique - Univ. Nantes Lab. Thermocintique UMR 6607

Jacques COMITI PR IUT Saint-Nazaire - Univ. Nantes GEPEA UMR 6144Didier DELAUNAY DR CNRS Ecole Polytechnique - Univ. Nantes Lab. Thermocintique UMR 6607

Arnaud DELEBARRE PR Ecole des Mines de Nantes GEPEA UMR 6144

THERMIQUE, NERGTIQUE ET GNIE DES PROCDS

GEOSCIENCES

GENIE MECANIQUE


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Guy DELLA VALLE HDR IR INRA Nantes Unit BIAAnne DESRUMAUX HDR MC ENITIAA Nantes GEPEA UMR 6144Rmi DETERRE PR IUT Nantes - Univ. Nantes OPERP EE 0101Jean-Louis DOUBLIER DR INRA Nantes Unit BIALouis DOUBLIEZ PR Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes GEPEA UMR 6144Francine FAYOLLE HDR MC ENITIAA Nantes GEPEA UMR 6144

Alain FOUCAULT HDR IR CNRS CRTT Saint-Nazaire GEPEA UMR 6144Bertrand GARNIER HDR CR Ecole Polytechnique - Univ. Nantes Lab. Thermocintique UMR 6607Jean-Luc ILARI HDR PR ENITIAA Nantes GEPEA UMR 6144Pascal JAOUEN PR Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes GEPEA UMR 6144Yvon JARNY PR Ecole Polytechnique - Univ. Nantes Lab. Thermocintique UMR 6607

LAHMAR PR IUT La Roche/Yon - Univ. Nantes Lab. Thermocintique UMR 6607Alain LE BAIL HDR PR ENITIAA Nantes GEPEA UMR 6144

Laurence LE COQ HDR MA Ecole des Mines de Nantes Dp. Syst. Energ &Environnement UMR 6144

Olivier LE CORRE HDR MA Ecole des Mines de Nantes Dept Syst.Energet. et

EnvironnementYves LECOINTE PR Ecole Polytechnique - Univ. Nantes Lab. Thermocintique UMR 6607Patrick LEGENTILHOMME PR IUT Saint-Nazaire - Univ. Nantes GEPEA UMR 6144Jack LEGRAND PR IUT Saint-Nazaire - Univ. Nantes GEPEA UMR 6144Michel LEGRET HDR DR LCPC LCPC Division EauDenis LOURDIN CR INRA Nantes BIA

Agns MONTILLET HDR MC IUT Saint-Nazaire - Univ. Nantes GEPEA UMR 6144Ahmed OULD EL MOCTAR HDR MC Ecole Polytechnique - Univ. Nantes Lab. Thermocintique UMR 6607Hassan PEERHOSSAINI PR Ecole Polytechnique - Univ. Nantes Lab. Thermocintique UMR 6607Denis PONCELET PR ENITIAA Nantes GEPEA UMR 6144Jrmy PRUVOST HDR MC Fac. Sc. et Techn - Univ. Nantes GEPEA UMR 6144Francis QUEMENEUR PR Emrite IUT Saint-Nazaire - Univ. Nantes GEPEA UMR 6144Vronique RUBAN HDR DR LCPC LCPC Division EauJean-Pierre SCHLUMPF HDR MC IUT Saint-Nazaire - Univ. Nantes GEPEA UMR 6144

Camille SOLLIEC HDR MA Ecole des Mines de Nantes GEPEA UMR 6144Mohan TAZEROUT HDR MA Ecole des Mines de Nantes Dp. Syst. Energ &Environnement


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i

REMERCIEMENTS


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ii


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iii

TABLEDESMATIERES

Nomenclature.1

Introduction4

Chapitre 1. Bibliographie8

I. Les protines globulaires..8

I.1. Gnralits sur les protines globulaires..8

I.1.1. Gnralits sur les protines sriques9

I.1.1.1. La -lactoglobuline.9I.1.1.2. L-lactalbumine..12

I.1.1.3. Lalbumine srique bovine...12

I.1.1.4. Les immunoglobulines..13

I.1.2. Dnaturation et agrgation des protines sriques...13

I.1.2.1. Dnaturation et agrgation de la-lactoglobuline par la chaleur.14

I.1.2.2. Effet du chlorure de sodium sur la dnaturation et lagrgation de la-Lg.15

I.1.2.3. Traitements thermiques pH neutre.17I.1.2.4. Mcanismes dagrgation de la-Lg18

I.1.2.5. Formation et morphologie des agrgats solubles..19

I.1.2.6. Effet du traitement mcanique sur lagrgation des protines..23

I.1.3. Impact de la dnaturation et de lagrgation des solutions protiques sur leurs proprits

interfaciales...24

II. Mousses de protines sriques..28

II.1. Gnralits sur les mousses alimentaires..28

II.1.1. Quest ce quune mousse ?.............................................................................................28

II.1.2. Fabrication et stabilisation dune mousse protique..30

II.1.3. Proprits structurales et physico-chimique des mousses liquides31

II.2. Grandeurs caractristiques des mousses produites industriellement...34

II.2.1. Taux de foisonnement35

II.2.2. Distribution spatiale du gaz36

II.2.3. Proprits rhologiques des mousses.39II.2.4. Stabilit des mousses dans le temps...42


12/303

iv

II.2.4.1. Le drainage..43

II.2.4.1.1. Description mathmatique des courbes de drainage45

II.2.4.1.2. Facteurs influenant le phnomne de drainage...47

II.2.4.2. Le mrissement dOstwald..49

II.2.4.3. La coalescence.50

II.3. Rle des ingrdients dans les produits foisonns.51

II.3.1. Rle des protines en gnral et des protines laitires en particulier...51

II.3.1.1. Aptitude des protines au foisonnement.51

II.3.1.2. Aptitude au foisonnement des protines sriques...53

II.3.2. Rle des agents stabilisants53

II.3.2.1. Xanthane.54

II.3.3. Rle des sucres courts55

II.3.4. Rle stabilisant de la matire grasse dans les mulsions foisonnes.56

II.3.5. Intrt de la dnaturation et de lagrgation des protines dans le foisonnement..58

II.4. Aspects technologiques du procd de foisonnement..61

II.4.1. Introduction61

II.4.2. Matriels et aspects technologiques du procd daration discontinu..62

II.4.2.1. Mthode par battage (ou fouettage).62

II.4.2.2. Mthode par bullage63

II.4.3. Matriels et aspects technologiques du procd continu de foisonnement64

II.4.3.1. Le systme rotor-stator64

II.4.3.2. Une alternative: l'changeur surface racle (ESR)...66

II.4.3.3. Une technologie encore sous-exploite : les mlangeurs statiques.68

II.4.3.4. Une technologie pionnire : les techniques membranaires.70

II.5. Conclusions de la synthse bibliographique.71

Chapitre 2. Matriels et Techniques exprimentales73

I. Matriel73

I.1. Protines sriques73

I.2. Hydratation de la poudre disolat protique..73

I.3. Dnaturation et agrgation des protines par traitement thermique74

II. Techniques exprimentales...77

II.1. Caractrisation des protines et des agrgats en solution.77


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v

II.1.1. Calorimtrie thermique diffrentielle (DSC).77

II.1.1.1. Principe de lappareil..77

II.1.2. Distribution granulomtrique.78

II.1.2.1. Diffraction de la lumire.79

II.1.2.2. Diffusion dynamique de la lumire (DLS)..80

II.1.3. Chromatographie de filtration sur gel81

II.1.3.1. Principe de lappareil..82

II.1.3.2. Mode opratoire..82

II.1.4. Electrophorse des protines (SDS-PAGE)...82

II.1.5. Caractrisation des fractions insolubles par microscopie optique..84

II.1.6. Caractrisation des fractions solubles par analyse dimages..85

II.1.6.1. Principe de lappareil...85

II.1.7. Caractrisation des fractions solubles par AFM.86

II.1.7.1. Principe et diffrents modes86

II.1.7.2. Prlvements et observations..88

II.1.8. Rhologie des solutions disolat de protines sriques en mode dcoulement.89

II.1.9. Tension de surface..90

II.2. Dispositifs exprimentaux de foisonnement...92

II.2. 1. Procds discontinus de foisonnement..92

II.2.1.1. Obtention de la mousse par battage.92

II.2.1.2. Evaluation de laptitude au foisonnement et de la stabilit des mousses par

bullage...93

II.2.2. Procds de foisonnement en continu94

II.2.2.1. Lunit de type rotor-stator..94

II.2.2.2. Installation de type colonne faible entrefer..96

II.2.2.3. Paramtres opratoires du foisonnement.97II.3. Caractrisation des mousses disolat protique...99

II.3.1. Taux de foisonnement99

II.3.2. Stabilit contre le drainage.99

II.3.3. Rhologie des mousses en mode dynamique...101

II.3.3.1. Dtermination de la zone de linarit101

II.3.3.2. Mesures dynamiques.103

II.3.4. Analyse de la microstructure des mousses...103II.3.5. Plan dexpriences104


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vi

Chapitre 3. Rsultats et Discussion108

I. Caractrisation des solutions de protines sriques (WPI)...108

I.1. Effet coupl force ioniquetemprature de dnaturation.108

I.2. Effet de la temprature de dnaturation seule..117II. Caractrisation des mousses protiques obtenues en batch.144

II.1. Dtermination du temps optimal de battage dune solution de WPI...144

II.2. Effets des ingrdients et de leurs interactions sur les caractristiques des mousses disolat

de protines sriques...149

II.3. Effet coupl force ioniquetemprature de dnaturation ..152

II.4. Effet de la temprature de dnaturation seule. Dtermination de la temprature de

dnaturation la plus adapte au foisonnement168

II.5. tude dtaille des rles respectifs des agrgats protiques soluble et insoluble sur la

formation et la stabilisation des mousses de WPI...180

II.6. Impact dun traitement thermique svre de type post-traitement sur les proprits

des mousses de WPI191

III. Caractrisation des mousses protiques produites en continurotor/stator.195

III.1. Microstructure des mousses..196

III.1.1. Impact du traitement thermique..196

III.1.2. Influence des conditions opratoires...199

III.1.3. Conclusions.205

III.2. Texture des mousses206

III.2.1. Impact du traitement thermique..206

III.2.2. Influence des conditions opratoires...207

III.2.3. Conclusions.210

III.3. Stabilit des mousses..210

III.3.1. Stabilit court terme.210

III.3.2. Stabilit long terme des mousses.211

III.3.3. Conclusions215

III.4. Conclusions sur le foisonnement en continu.216

IV. Caractrisation des mousses protiques produites en continucolonne faible

entrefer...217

IV.1. Microstructure des mousses..218

IV.1.1. Impact du traitement thermique..218


15/303

vii

IV.1.2. Influence des conditions opratoires...219

IV.1.3. Conclusions.224

IV.2. Texture des mousses225

IV.2.1. Effet du traitement thermique.225

IV.2.2. Influence des conditions opratoires...226


IV.3. Stabilit des mousses..229

IV.3.1. Stabilit court terme.229

IV.3.2. Stabilit long terme des mousses.231


IV.4. Conclusions sur le foisonnement en continu.236

Conclusion Gnrale237

Perspectives243

Valorisation scientifique des travaux raliss246

Rfrences bibliographiques..............................248


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1

NOMENCLATURE

Caractres latins

a [-] constante

d [m] diamtre de la bulle/des particules

d32 [m] diamtre de Sauter ou diamtre moyen en surface

d43 [m] diamtre moyen en volume

d90, d50, d10 [m] diamtres de particules pour lesquels respectivement 90%, 50% et

10% du volume de la phase grasse est disperse sous forme de gouttelettes de tailles infrieures

ces dimensionsF [%] fraction de liquide draine

Finfini [%] fraction draine pour un temps infini de drainage

F1 [N] force

G [m3s-1] dbit volumique de la phase de gaz

G [Pa] module de conservation (lastique)

G" [Pa] module de perte (visqueux)

G* [Pa] module complexe

G [Jmol-1] diffrence dnergie libre

h [mm] hauteur

H [Jg-1] enthalpie de dnaturation

k [min-1] constante cintique

k1 [-] constante de raideur de la pointe de lAFM

L [m3s-1] dbit volumique de la phase liquide

L1 [m] primtre mouill

mD [g] masse de liquide drain

mM [g] masse initiale de la mousse

M [Nm] couple de rotation

Mw [gmol-1] masse molculaire

N [toursmin-1] vitesse dagitation

P [Pa] contre-pression

P [Pa] pression de Laplace

Pd-pPpb [Pa] diffrence de pression


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2

Ppb [Pa] pression du liquide au niveau du bord de Plateau

Q [m3s-1] dbit volumique

rp [mm] rayon de courbure

Rh [mm] rayon hydrodynamique

R1 [mm] rayon du cylindre de rvolution n.1

R2 [mm] rayon du cylindre de rvolution n. 2

St [%] stabilit de la mousse court terme

S [Jmol-1] variation d'entropie

t 1regoutte [s] temps de dbut de drainage (stabilit court terme)

t1/2 [s] temps de demi-vie

T [C] temprature

Td [C] temprature moyenne de dnaturation

TF [%] taux de foisonnement

V [mL] volume de liquide drain pendant un temps t

V0 [mL] volume initial de solution prsent dans la mousse

Vdr [mL] volume de solution draine

Vu [mL] volume utile du foisonneur accessible au fluide

z [-] dflexion du microlevier de lAFM

Symboles grecs

tan [-] angle de perte

[%] fraction volumique de gaz

C [%] fraction volumique de gaz caractristique

[%] taux de gaz

max [%] taux de gaz maximum

[Pas] viscosit

[kgm-3] masse volumique

base [kgm-3] masse volumique de la base foisonner

mousse [kgm-3] masse volumique de la mousse

[Nm 1] tension de surface

0 [rads 1] vitesse angulaire

[Pa] contrainte de cisaillement

a [s] temps de sjour apparent


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3

[] angle de contact

[s 1] vitesse de cisaillement

Abrviations

AFM microscopie force atomique

ANOVA analyse de la variance

-La -lactalbumine

BSA albumine srique bovine

-Lg -lactoglobuline

-ME -mercaptothanolCLSM microscopie confocale balayage laser

CMC concentration micellaire critique

Cryo-TEM microscopie lectronique transmission par cryognie

DSC micro calorimtrie diffrentielle balayage

DLS diffusion dynamique de la lumire

HTST high temperature short time

Ig immunoglobulinespI point isolectrique

S surnageant

SEC chromatographie dexclusion strique

SDS sodium dodcyl sulfate

TEM microscopie lectronique transmission

TF taux de foisonnement

UHT ultra-high temperature

WPC concentrat de protines sriques

WPI isolat de protines sriques (whey protein isolate)


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21/303

4

INTRODUCTION

Les protines de lactosrum, ou protines sriques, sont trs utilises en qualit

dingrdient dans le domaine de lalimentaire, notamment en raison de lintrt de leurs

proprits fonctionnelles (de Wit, 1984; Bottomley et coll., 1990), parmi lesquelles leurs

pouvoirs mulsifiant et moussant levs, en plus de leurs qualits nutritionnelles. Ces

proprits peuvent galement tre amliores lorsqu'un traitement thermique est appliqu aux

protines. Toutefois, pour que le traitement thermique soit favorable, celui-ci doit tre conduit

dans des conditions strictement contrles, notamment dans un environnement minral et un

pH tous deux propices la dnaturation et lagrgation matrises des espces protiques. En

effet, les protines sriques peuvent tre partiellement ou totalement dnatures selon la dure

et lintensit du traitement par la chaleur, ce qui peut conduire une grande varit despces

protiques prsentant des tailles et des proprits trs diffrentes, telles que les protines

dnatures non-agrges, mais aussi des agrgats protiques solubles et des agrgats

insolubles.

Dans ce travail, notre objectif est centr sur lapplication des assemblages protiques

obtenus partir de protines de lactosrum pour la production des mousses laitires en

labsence de matire grasse, dans le but de former des produits ars, cest--dire foisonns,

de type allgs . Ces produits constituent un dbouch prometteur pour les industries

agroalimentaires et connaissent un dveloppement croissant dans le cadre de nombreuses

applications, telles que les produits laitiers frais, les desserts lacts, les crmes glaces, ou

encore les mousses base de fruits et de lgumes. En effet, les assemblages protiques, en

particulier les agrgats solubles, semblent tre capables dagir favorablement sur les

caractristiques du produit, par exemple sur la texture, mais aussi sur la stabilit l'entreposage des produits foisonns grce la modification de leur microstructure. Dun

point de vue industriel, la substitution dune fraction des protines dun aliment par des

protines de lactosrum agrges plus efficaces pourrait aussi rduire les cots de production,

tout en ajustant la qualit des produits aux besoins et aux demandes des consommateurs. Par

exemple, la sparation de phase, indice dune stabilit insuffisante, constitue encore la

principale source des rclamations reues par les industriels sur ce type de produits et pourrait

tre sensiblement diminue. Lobjectif est aussi dutiliser ces assemblages protiques afin derduire la teneur en matire grasse des aliments tout en leur assurant de bonnes


22/303

5

caractristiques organoleptiques ; les industriels pourraient ainsi satisfaire des consommateurs

qui sont de plus en plus sensibiliss l'importance d'une alimentation saine.

Toutefois, afin de matriser les proprits dusage et notamment la microstructure des

produits foisonns, il est important de comprendre les interactions procd/produit, et de

mettre en vidence les paramtres dinfluence. La premire tape consiste disposer de

mthodes capables de gnrer des agrgats protiques adapts la production de produits

ars ; dans ce but, les mcanismes de dnaturation et dagrgation des protines doivent tre

contrls en jouant non seulement sur les conditions thermiques du traitement appliqu

(temprature, dure), mais aussi sur les conditions mcaniques (hydrodynamique) de ce

mme traitement qui sont fonction de la technologie utilise, ainsi que sur la formulation des

solutions protiques traiter (concentration, force ionique, pH). La deuxime tape

concerne lutilisation proprement dite des protines modifies dans les aliments foisonns ;

globalement, les verrous technologiques sont de deux types :

La formulation de ces alimentsfait intervenir un pourcentage lev de matires grasses,

ainsi quun nombre croissant dadditifs. La demande du march europen tant plutt

oriente vers les produits allgs en matires grasses, il faut ncessairement compenser la

baisse de la teneur en matires grasses par laddition dagents de texture pour permettre

la fois lincorporation du gaz et sa stabilisation dans la mousse. Lutilisation des

assemblages protiques dans la fabrication des desserts laitiers foisonns et autres produits

laitiers tels que les yaourts, si elle reste prometteuse, reste mal matrise en terme de

formulation et, en particulier, les questions suivantes restent pour linstant sans rponse :

- quel est le rle exact des fractions protiques solubles et insolubles dans ces systmes

complexes ?

- existe-t-il un couple agrgats protiques/conditions opratoires qui permette de stabiliser

les produits foisonns en labsence de matire grasse ?

- quels sont les mcanismes permettant une meilleure stabilisation de la mousse enprsence dassemblages protiques et ceux qui conduisent la formation d assemblages

plus efficaces ?

Du point de vue du procd, la production des mousses est directement corrle aux

proprits de la matire premire foisonner, ainsi quaux technologies et aux conditions

opratoires appliques (temprature, pression) pendant ltape de foisonnement. De

plus, les proprits de la matire premire foisonner dpendent aussi de son histoire

thermomcanique . Par consquent, il est important de cerner les points suivants :


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6

- peut-on prdire a priori la consquence dun traitement par la chaleur sur laptitude au

foisonnement des protines et des assemblages protiques, ainsi que sur les proprits

dusage du produit foisonn, telles que la texture et la stabilit ?

- peut-on utiliser le traitement par la chaleur pour texturer et stabiliser des mousses

laitires et saffranchir de lutilisation de nombreux additifs et dune bonne partie de la

matire grasse sans modifier sensiblement les proprits organoleptiques ?

- comment quantifier leffet dun traitement thermique dynamique en changeur de

chaleur sur lagrgation des protines sriques ?

- comment faire pour choisir lquipement le plus adapt pour arer une formulation

contenant des assemblages protiques ?

- quels sont les problmes nouveaux qui peuvent rsulter de lutilisation des assemblages

protiques dans ces mousses ?

Ce travail a pour but de rpondre, au moins partiellement, certaines de ces questions.

Sa premire partie sera ddie ltude de ltape de production des assemblages protiques,

en particulier lanalyse des conditions de dnaturation et dagrgation disolats de protines

sriques (WPI) et la caractrisation des fractions protiques solubles et insolubles formes

(cf. Figure i). Nous avons choisi dappliquer un traitement thermique dynamique par

rfrence aux traitements employs dans lindustrie. Les effets de la force ionique et de la

temprature de dnaturation, seuls ou combins, seront tudis partir de diffrentes

proprits physico-chimiques des protines traites thermiquement, tels que leur degr de

dnaturation, la proportion dagrgats forms ainsi que leurs tailles, leurs poids molculaires

et leurs morphologies, mais aussi partir de laptitude au foisonnement et la tension de

surface de solutions de protines traites. La stratgie dtude suivie est rsume par la Figure

i, de mme que les techniques exprimentales mises en uvre (calorimtrie, diffusion de la

lumire, lectrophorse, microscopie, tensiomtrie). La seconde partie de l'tude seraconsacre lanalyse de limpact des assemblages protiques sur les proprits physico-

chimiques des mousses produites en leur prsence (cf. Figureii). Cette partie sera elle-mme

subdivise en deux sous-parties : la premire aura pour but de rsumer les rsultats obtenus

sur le foisonnement discontinu, tudi laide dun batteur mnager, alors que la seconde

prsentera les rsultats sur le foisonnement continu conduit au moyen dinstallations ddies,

telles quune unit rotor-stator et une colonne faible entrefer, qui sont plus proches des

conditions industrielles. Dans les deux cas, les rsultats seront analyss en se fondant sur les


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7

modifications de la microstructure des mousses produites et sur celles de leurs proprits,

telles que texture et stabilit dans le temps.

Fig. i. chelles spatiales des structures considres dans ce travail : la partie suprieure

prsente une vue densemble de la classification des structures selon leur taille, alors que la

partie infrieure rsume les techniques de mesure mises en uvre pour caractriser ces

structures aux diffrentes chelles.

Fig. ii. Schma simplifi de la formation de la microstructure des mousses en prsence desagrgats protiques.

Toutefois, avant de prsenter les rsultats de ce travail, nous dbuterons ce manuscrit,

comme il est de coutume, par un tat de lart fond sur lanalyse de la littrature, suivi par une

description prcise des matriels et mthodes mis en jeu dans nos travaux.

STRUCTURES

MICROSCOPIQUES

STRUCTURES

MACROSCOPIQUES

STRUCTURES

MESOSCOPIQUES

systmes complexes

0.1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 m 10 m 100 m 1000 m

Diffusion statique de la lumire (Granulomtrie)

atomes

molcules

protines

polymres

Agr ats insolubles

Agrgats Solubles

gouttelettes dmulsion

diamtre

Diffusion dynamique de la lumire (DLS)

AFM Microscopie optique

Sysmex FPIA-3000

Techniques de quantification des masses molculaires (Electrophorse SDS PAGE)


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I.LESPROTEINES GLOBULAIRES

I.1. GENERALITES SUR LES PROTEINES GLOBULAIRES

Les protines sont des chanes polypeptidiques ayant quatre niveaux de structure

diffrents. La structure primaire correspond l'enchanement des acides amins, relis entre

eux par des liaisons peptidiques. Les protines globulaires comportent des rgions ordonnes

priodiquement dans lesquelles la chane polypeptidique linaire prsente une structure

tridimensionnelle rgulire de type hlices ou feuillets . Ces diffrentes rgions, dont

l'organisation est maintenue par des liaisons hydrogne entre acides amins, constituent la

structure secondaire de la protine. Notons que certaines rgions protiques ne sont pas

structures dans ce type de conformation, leurs formes irrgulires constituant des boucles. La

structure tertiaire correspond une organisation tridimensionnelle des lments de la structure

secondaire : elle rsulte d'interactions essentiellement non-covalentes (forces de van der

Waals, ponts hydrogne), mais aussi parfois de ponts disulfures. La structure quaternaire se

dfinit par ltat d'oligomrisation de la protine, c'est--dire par ltat dassociation des

diffrentes sous-units de la structure tridimensionnelle. Par exemple, la protine peut ainsi seprsenter sous forme de monomre avec une seule entit, ou bien sous formes de dimre avec

lassociation de deux protines, doligomres, voire de polymres.

La structure dite native d'une protine correspond une conformation cur/surface

thermodynamiquement stable dans un environnement donn (pH et force ionique modrs,

temprature ambiante). Elle rsulte dun repliement qui met en jeu de nombreuses interactions

inter- et intramolculaires. Dun point de vue thermodynamique, lnergie libre de ltat natif

est plus basse que celle de ltat dpli. La diffrence dnergie libre (G) entre les deux tatscorrespond la mesure de la stabilit conformationnelle des protines et elle est gale :

G =H -TS Equation I.1.

La variation d'entropie (S) peut tre relie aux changements de configuration des

groupements polaires et apolaires de la protine et des molcules d'eau. La variation

d'enthalpie (H) est fonction de l'nergie ncessaire ces changements de conformation. Tout

facteur affectant les interactions du systme modifie la stabilit de la protine. Daprs

lEquation I.1., on voit que la temprature (T) affecte directement lquilibrethermodynamique, bien quelle intervienne aussi dans les valeurs de H et S. Parmi les


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autres paramtres qui rgissent cette quation, le pH joue sur les interactions lectrostatiques

et de van der Waals et laddition de sels solubles modifie les interactions lectrostatiques et

hydrophobes de la protine. Les sels peuvent ainsi altrer la solubilit de la protine. On

distingue deux effets du sel sur la conformation:

effet de salting-in : faibles concentrations en sels, les rpulsions lectrostatiques

entre les protines diminuent du fait de l'crantage des charges, ce qui entrane une

augmentation de solubilit de la protine. L'efficacit des diffrents sels sur la stabilit

des macromolcules suit la srie d'Hoffmeister (Damodaran, 1989) : F-< SO42-< Br-< I-

< ClO4-< SCN-.

effet de salting-out : au-del d'une certaine concentration en ions, un crantage total

des rpulsions lectrostatiques a lieu conduisant une prcipitation de la protine

(Relkin, 1996).

Le changement de conformation des protines entrane des modifications la fois de leurs

proprits physico-chimiques et technofonctionelles, telles que leurs proprits mulsifiantes

ou moussantes, et galement glifiantes.

I.1.1. Gnralits sur les protines sriques

Les protines sriques constituent la fraction soluble des protines du lait. Elles sont

gnralement extraites du lactosrum, produit driv de la fabrication fromagre et/ou de la

prcipitation des casines (Patel et coll., 1990). Elles sont constitues essentiellement de la-

lactoglobuline (-Lg), de l-lactalbumine (-La), de lalbumine srique bovine (BSA) et des

immunoglobulines (de Wit, 1981). Leur faible concentration dans le lactosrum a conduit au

dveloppement des techniques membranaires permettant la production des concentrs de

protines sriques (WPC) et des isolats de protines sriques (WPI) dont les teneurs sont

respectivement de 50 85% pour les WPC et dau moins 90% pour les WPI. Lutilisation

lchelle industrielle de la chromatographie dchange dions a galement permis la

production de protines purifies.

I.1.1.1. La -lactoglobuline

Origine et utilisation:

La -Lactoglobuline (-Lg) est prsente dans le lait des mammifres, lexception desprimates et des rongeurs. Dans le lait de vache, sa concentration varie entre 2 et 4 g.L-1 : cest


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la protine srique majoritaire (50%). Dun point de vue industriel, cette protine a t

largement utilise en nutrition animale, et actuellement, elle suscite un intrt dans le domaine

alimentaire, en particulier dans les produits allgs en matire grasse ou encore dans les

crmes glaces (Cayot & Lorient, 1998).

Structure:

La squence primaire de la -Lg bovine comporte 162 acides amins pour une masse molaire

calcule de 18600 g.mol-1. Elle possde deux ponts disulfures et un groupement sulfhydryle

libre (Cayot & Lorient, 1998).

La -Lg contient 10% d'hlices , 50% de feuillets , 8% de coudes et 35% de

rgions dsordonnes (Qi et coll., 1997). La structure tertiaire de la -Lg, native et complexe,

a t rsolue en RMN et diffraction des rayons X jusqu 1,8 par Brownlow et coll. (1997).

La protine prsente une structure en calice lui confrant son appartenance la famille des

lipocalines. Le monomre, est form par neuf feuillets antiparallles enrouls (Figure I.1.)

dont huit forment le cur de la molcule.

Figure I.1. Structure tridimensionnelle de la-lactoglobuline selonBrownlow et coll. (1997).

La -Lg prsente une large gamme de structures quaternaires traduites par diffrents stades

d'oligomrisation en fonction du pH du milieu. La concentration en protines, la force ionique

et la temprature peuvent modifier les proportions de monomres, de dimres et doctamres.

Un certain nombre de changements conformationnels rversibles de faible ampleur


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accompagne l'oligomrisation de la protine lorsque l'on augmente ou que l'on diminue le pH

(Ananthanarayananan et coll., 1977) et il a t possible d'tablir par RMN les diffrents

degrs d'association des monomres de la-Lg (Figure I.2.).

De pH 3 pH 7,5, temprature ambiante, la -Lg existerait vraisemblablement sous laforme dun ensemble dimrique laspect pseudo-cyclique avec un diamtre de 3,6 nm

et une hauteur de 6,93 nm (Timasheff & Townend, 1964). L'implication de liaisons

hydrogne entre groupements carboxyles serait l'origine de cette structure (Creamer et

coll., 1983). Cependant, basse temprature (0-4C) entre pH 3,7 et 5,1, et pour une

concentration suprieure 1,5%, le dimre se ttramrise pour former un octamre

(Townend et coll., 1960).

Si le pH augmente au del de 7,5 ou diminue en de de 2, les dimres de la -Lg se

dissocient en monomres. Cette monomrisation serait due l'augmentation de la charge

nette de la protine et laccroissement des forces lectrostatiques rpulsives qui en

rsulte. Il seffectue sans changement majeur de conformation (Swaisgood, 1982).

Pour des pH extrmes (pH > 9), la protine est dnature.

Figure I.2. tats polymriques de la -Lg en fonction du pH selonHambling et coll. (1992).

Selon le pH, les monomres () sassocient par deux (2) ou par huit (8) et pour des pH

extrmes, la protine est dnature (dnat.).

En outre, la dissociation dimre/monomre saccompagne de changements conformationnels

rversibles de faible ampleur (Figure I.3.). Un premier changement survient entre pH 4 et 6,

appel transition QN. Il se traduit par une augmentation du coefficient de sdimentation et est

li la contraction de la protine (Timasheff et coll., 1966). Entre pH 6,5 et 7,8, un deuximechangement a lieu ; il est dsign sous le nom de transition NR. Il se traduit par une


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diminution du coefficient de sdimentation, lie vraisemblablement une expansion du

volume ou une variation de forme de la protine (Timasheff et coll., 1966). A partir de pH 8,

un troisime changement conformationnel a lieu (il est not RS), mais il est de plus faible

ampleur, se traduisant par la dissociation du dimre, la valeur du coefficient de sdimentation

tant en accord avec une structure monomrique. Ce changement serait suivi dune

dnaturation lente et irrversible du monomre conduisant une agrgation.

Figure I.3. Transitions conformationnelles de la -Lg en fonction du pH d'aprsHambling et

coll. (1992).

Charge:

Le point isolectrique de la -Lg est de 5,2. A pH 7, la charge nette de la protine a t

value 7,8 (Renard & Lefebvre, 1992).

I.1.1.2. L-lactalbumine

L'-lactalbumine (-La), mtallo-protine contenant un atome de calcium (Hiraoka et coll.,

1980), participe l'activit de la lactosesynthtase : elle a des structures primaire et

secondaire connues et prsente une faible tendance la polymrisation. L-La est la

deuxime protine du lactosrum (22%) et elle est constitue de 123 acides amins pour une

masse molculaire de 14200 g.mol-1. La dnaturation irrversible est obtenue plus haute

temprature que pour la -lactoglobuline car l'-lactalbumine possde 4 ponts disulfures et

aucun groupement sulfhydryle libre. Si un groupeSH libre d'une autre molcule (-Lg, parexemple) ragit avec un pont SS, il y a association entre les protines (complexe mixte -

Lg/-La). La stabilit thermique de l'-lactalbumine peut aussi tre attribue la forme

cyclique de la molcule (Cheftel & Lorient, 1982).

I.1.1.3. Lalbumine srique bovine

Lalbumine srique bovine (BSA) reprsente 5% des protines sriques. Elle estidentique lalbumine isole dans le plasma sanguin. Elle comprend 582 acides amins pour


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une masse molculaire denviron 66000 g.mol-1 (Peters, 1985). Elle est stabilise par 17 ponts

disulfures intramolculaires et contient un groupe sulfhydryle libre. Bien que sa structure

secondaire soit principalement constitue dhlices (~ 67%), la BSA a une structure trs

flexible et change rapidement de conformation. Elle se prsente sous la forme dun ellipsode

prolate de demi-axes de 20 et 70 de long pour un rayon de giration de 33.8 (Lefebvre et

coll., 1998).

I.1.1.4. Les immunoglobulines

Bien que possdant des ponts disulfures, la dnaturation des immunoglobulines(Ig) n'est pas

affecte par les ractifs possdant un ou des groupes SH. Dans le lait froid, elles s'associent

aux globules gras et les agrgats obtenus remontent en surface : cette proprit disparat au

cours de la dnaturation (Cheftel & Lorient, 1982).

I.1.2. Dnaturation et agrgation des protines sriques

Sous leffet de traitements thermiques ou thermomcaniques, les protines sriques se

dnaturent, puis sagrgent (Clark, 1998 ; Clark et coll., 2001 ; Gosal et coll., 2000).

Lagrgation thermique des protines sriques a fait lobjet dun grand nombre dtudes (par

exemple, de la Fuente et coll., 2002) et en particulier lagrgation de la-Lg qui a souvent t

utilise comme protine modle reprsentative (Aymard et coll., 1996 ; Verheul et coll.,

1998).

La chaleur est l'un des principaux agents physiques induisant la dnaturation des

protines. La dnaturation d'une protine native se dfinit comme un changement dans sa

structure tridimensionnelle, quil concerne le niveau secondaire, tertiaire ou quaternaire. La

structure des protines peut tre affecte de faon rversible ou irrversible. Une dnaturation

irrversible se droule en deux tapes. La premire est rversible et consiste en une rupture

des liaisons intramolculaires de l'tat natif de la protine. Cela correspond la disparition

d'une partie de la structure tridimensionnelle de la protine. La seconde tape est le

dplissement de la protine qui mne un ou plusieurs tats dnaturs (Galani & Owusu

Apenten, 1996).

Un traitement thermique doux (par exemple prs de 60C) permet le dplissement

des protines sriques et une exposition des groupements SH, alors quun traitementthermique suprieur 65C mne la dnaturation et l'agrgation des protines du


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lactosrum. L'ordre de dnaturation des diffrentes protines sriques est le suivant:

immunoglobuline > srum albumine bovine > -lactoglobuline > -lactalbumine (Morr &

Ha, 1993). La vitesse de dnaturation est galement influence par le pH, l'environnement

minral et la concentration en solides.

Les protines sriques sont particulirement sensibles la dnaturation thermique et

aux interactions entre les ions Ca2+et les protines. Elles sont susceptibles de s'agrger et de

prcipiter cause des interactions lectrostatiques des pH voisins de 4,5 et 4,6. A ces pH,

donc prs du point isolectrique (pI) des protines sriques, la -Lg et l'-La dnatures

thermiquement forment des agrgats insolubles par des liaisons lectrostatiques, des

interactions hydrophobes et des forces de Van der Waals. son pI, une protine a une charge

nette gale zro : elle comporte des groupements chargs ngativement et positivement qui

peuvent se lier aux groupements des autres protines et ainsi s'agrger et prcipiter (Galani &

Owusu Apenten, 1996). Lorsque le pH s'loigne du pI, il y a une augmentation des charges

rpulsives suivie d'un dplissement de la protine. Il n'y a donc pas d'agrgation car le

dplissement de la protine est favoris grce aux rpulsions lectrostatiques (Galani &

Owusu Apenten, 1996).

Le dernier facteur influenant la vitesse de dnaturation est la concentration en

matires sches.Nielsen et coll. (1973)ont tudi ce facteur et rapport que la concentration

en solides totaux, qui sont principalement constitues de lactose, affecte fortement la vitesse

relative de dnaturation de chacune des protines sriques prises individuellement dans un

lactosrum doux concentr sous vide. Le pourcentage de protines dnatures en chauffant le

lactosrum pendant 20 minutes 80C baisse de 80 40% lorsque les solides totaux passent

de 9 44%. Ces auteurs suggrent que les protines de lactosrum sont plus sensibles la

chaleur lorsque la concentration en lactose est faible.

Globalement, les conditions dagrgation des protines sriques sont proches de celles

de la -Lg seule ; nous ne dtaillerons donc par la suite que les mcanismes relatifs

lagrgation de cette protine.

I.1.2.1. Dnaturation et agrgation de la-lactoglobuline par la chaleur

Lors du chauffage, le mcanisme de dnaturation de la -lactoglobuline dbute par la

dissociation de la structure dimrique de la molcule (dans les conditions de pH et de

concentration du lait). La rupture de la structure quaternaire et les modifications des structurestertiaire et secondaire de la -lactoglobuline conduisent deux grands vnements :


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lexposition du groupement sulfhydryle de la protine qui entrane des changes de

ponts disulfures au sein mme de la molcule ou avec une protine voisine : partir

dune valeur de pH de 6, le groupement sulfhydryle dont le pK est voisin de 9,38 (Kella

& Kinsella, 1988) se trouve sous la forme thiolate (RS, forme nuclophile) en quantit

suffisante pour pouvoir tre responsable dattaques nuclophiles sur les ponts disulfures

prsents dans la structure de la -lactoglobuline. Il stablit donc des liaisons

interprotiques par change de ponts disulfures selon un mcanisme pH-dpendant

(Kella & Kinsella, 1988 ; Cayot & Lorient, 1998 ; Havea et coll., 1998). Ce mcanisme

peut mme avoir lieu sans traitement thermique, en prsence dure, comme le

rapportentKatsuka et coll. (1997). Ceux-ci ont alors observ la formation de polymres

protiques issus dchanges de ponts disulfures, sans traitement thermique, par

exposition de groupements sulfhydryles.

le dplissement de la protine qui conduit une augmentation de lexposition de ses

zones hydrophobes internes et, conscutivement, lassociation de plusieurs zones

hydrophobes entre elles (soit dune mme protine, soit de deux units diffrentes). Le

dplissement thermo-induit de la -lactoglobuline et lexposition de zones hydrophobes

permettent de former des agrgats protiques par lintermdiaire dinteractions physico-

chimiques (Hines & Foegeding, 1993). Ceci a t dmontr par lutilisation de N-

thylmalimide dont le rle est de bloquer les groupements sulfhydryles. On a constat

que malgr linactivation des groupements sulfhydryles, lagrgation a lieu sans change

de ponts disulfures (Hoffmann & Vanmil, 1997). Il est important de signaler, ce sujet,

que ltendue et la vitesse de dplissement de la protine sont directement lies au

couple temps/temprature de traitement.

Ces deux vnements vont finalement aboutir la formation dagrgats. En conclusion, la

thermo-dnaturation et lagrgation de la protine sont directement influences par diffrents

paramtres tels que la force ionique, le pH, la temprature de traitement et la concentrationprotique. Nous allons maintenant dtailler le rle de la force ionique et du traitement

thermique sur la formation des agrgats.

I.1.2.2. Effet du chlorure de sodium sur la dnaturation et lagrgation de la-Lg

La force ionique joue un rle important sur la stabilit thermique de la -Lg. En

gnral tous les sels, au dessus dune certaine concentration, favorisent lagrgation enaccroissant linfluence des interactions hydrophobes par une diminution des rpulsions


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lectrostatiques (Cayot & Lorient, 1998). des pH acides, une augmentation de la force

ionique (0,5 1,0 M, selon le type de sel) prvient la dnaturation par un effet stabilisant

(salting-in) qui stabilise la conformation dimrique (Renard et coll., 1998), mais des

concentrations trop leves (e.g. > 2 M) lagrgation est favorise (salting-out) (Verheul et

coll., 1998 ; Cayot & Lorient, 1998). Finalement, il a t dmontr qu des pH suprieurs au

pI, les anions peuvent interagir et aussi se fixer aux groupements carboxyliques de la protine

et affecter la ractivit du groupement thiol (Jeyarajah & Allen, 1994).

Dans le cadre de notre tude, nous avons accord une attention particulire leffet du

chlorure de sodium sur la dnaturation et lagrgation des WPI ; celui-ci est prsent plus en

dtail dans le paragraphe suivant.

Le chlorure de sodium (NaCl) est un ingrdient largement utilis dans lindustrie

alimentaire. Deux effets opposs sur la dnaturation et lagrgation de la -lactoglobuline lui

ont t attribus :

un effet protecteur du NaCl vis--vis de la dnaturation thermo-induite de la protine a

t rapport parXiong et coll. (1993), Renard et coll. (1998) et Verheul et coll. (1998).

Renard et coll. (1998)expliquent la capacit du NaCl stabiliser la -lactoglobuline par

laptitude de ces ions favoriser la formation de dimres de la protine : la premire

tape de la dnaturation tant la dissociation des dimres protiques en monomres, le

NaCl ralentit cette tape, do cet effet stabilisateur.

toutefois, il semblerait que le NaCl entrane galement laugmentation de la taille des

agrgats forms : il sagirait dune augmentation de la taille des agrgats constante dans

le temps et dans les conditions de la manipulation. Il est aussi possible que le NaCl

augmente la solubilit des protines dans la solution, ce qui provoquerait une

augmentation de leur dplissement do une agrgation facilite. Dans le mme ordre

dide, Aymard et coll. (1996a) constatent qu pH 2, une augmentation de la force

ionique par addition de NaCl de 0 30 mM permet daugmenter le taux de branchementet la flexibilit des agrgats linaires forms ce pH.

En conclusion, pour expliquer leffet du NaCl sur le mcanisme gnral dagrgation de la

protine, la majorit des auteurs semblent en accord pour affirmer quil existe une

concentration optimale de NaCl permettant dobtenir les meilleures conditions dagrgation

possibles et que cette concentration dpend fortement des autres proprits du milieu et des

conditions opratoires (pH, concentration en -lactoglobuline, temprature et dure de

traitement) (Gaucheron, 2004).


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I.1.2.3. Traitements thermiques pH neutre

Les tapes initiales de la dnaturation induite par la chaleur pH neutre impliquent la

dissociation des dimres de -Lg native en monomres natifs ou bien dnaturs une

temprature critique denviron 60C, accompagne par lexposition des groupements

sulphydryles et des changes de ponts disulfures (Croguennec et coll., 2003; Iametti et coll.,

1996). A ce moment, la formation irrversible des polymres peut dbuter. Cairoli, Iametti, &

Bonomi (1994) ont dmontr que les liaisons hydrophobes sont galement impliques dans le

mcanisme dagrgation, selon la temprature du traitement thermique, et quelles conduisent

la formation de plus gros agrgats.

Chauffe 80C pH 6,8-7,5, la-Lg subit une dnaturation trs partielle, galement

sans agrgation et sans perte de solubilit. Il semble que le groupement sulfhydryle, dmasqu

et activ au-dessus de pH 6,8 provoque un rarrangement de ponts disulfures

intramolculaires avec stabilisation thermique de la molcule. Lanalyse enthalpique

diffrentielle (DSC) montre en effet que le pic endothermique 80C est trs rduit et le

second pic endothermique 140C (qui correspond la dnaturation des structures

rsiduelles) est trs important (de Wit & Klarenbeek, 1981) (Figure I.4.).

Figure I.4. Dnaturation thermique de la-lactoglobuline (de Wit & Klarenbeek, 1981).

- forme insoluble- tous les pH =

coagulation par agrgationet formation de SS

intermolculaires

10-15 min.95C

- forme soluble pH 2,5 ;- 40% insoluble pH 4,5 =

dnaturation irrversible sansagrgation

- 60% soluble pH 4,5 = formenative

15-30 min.70-85C

Forme dnature

pH2 3 4 5 6 7 8

10 min.80C

- forme dnaturesoluble pH 6,8-8 = dnaturationpartielle avec stabilisation par

rarrangement SS intra-

molculaire ;pas dagrgation

140C

Forme totalement dnature

80C


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Paralllement, lorsqu'un lactosrum clarifi et concentr 3% de protines par vaporation

est chauff 80-85C pendant 10 15 min pH 6,8 ou 7,5, plus de 70% de l'azote reste

soluble, et certaines proprits fonctionnelles, en particulier le pouvoir moussant, semblent

amliores (de Wit & Hontelez-Backx, 1981 ; Nizo, 1979). Les effets de tels traitements

thermiques pH neutre mritent d'tre approfondis et interprts la lumire des tudes

physico-chimiques sur la dnaturation protique lchelle molculaire. Le dplissement des

structures globulaires compactes peut en effet dmasquer des zones hydrophobes et confrer

un caractre plus amphipolaire la molcule, ce qui devrait amliorer ses proprits d'agent

surfactant (Cheftel & Lorient, 1982).

I.1.2.4. Mcanismes dagrgation de la-Lg

Le comportement des protines sriques lagrgation est donn par la principale protine

dans le lactosrum savoir la -Lg. Plusieurs modles dagrgation de la -Lg ont t

proposs dont le premier tait celui de Roefs et de Kruif (Roefs & de Kruif, 1994).

Lexistence de deux tapes dans le processus dagrgation de la -Lg pH 7 et

limportance de lchange SH/SS ont t confirmes (Durand et coll., 2002 ; Aymard et

coll., 1996 ; le Bon et coll., 1999 ; Gimel et coll., 1994 ; Baussay et coll., 2004) et un

mcanisme dagrgation en deux tapes sur une plus large gamme de force ionique et de

temprature a t propos (Figure I.5.) :

tape 1 : Sous leffet de la temprature, lquilibre dimre/monomre est dplac vers le

monomre qui se dnature. Les monomres dnaturs sassocient irrversiblement en

units stables appeles pr-agrgats ou agrgats primaires, constitus denviron 100

monomres. Les agrgats primaires ont un rayon hydrodynamique Rhcompris entre 15

et 20 nm et une masse molaire en poids Mw de lordre de 1,6.106 g/mol,

indpendamment de la temprature, de la force ionique et de la concentration.

tape 2 : Si la concentration en protines et la force ionique sont suffisamment leves,

les agrgats primaires sassocient pour former des agrgats fractals dont la taille

augmente avec le temps de chauffage.


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19

Figure I.5.Modle dagrgation thermique en deux tapes de la-Lg pH 7 (Aymard et

coll., 1996).

I.1.2.5. Formation et morphologie des agrgats solubles

Les agrgats solubles qualifis de polymres sont obtenus aprs avoir appliqu un

traitement thermique une dispersion protique dans un environnement faiblement minralis

pH neutre ou alcalin. En effet, lorsque le chauffage est effectu des pH s'loignant du pI de

la -lactoglobuline et force ionique faible, la prcipitation et la glification ne sont pas

observes. Ce phnomne est d aux rpulsions de charge qui limitent la raction d'agrgation

(malgr un dplissement complet des protines) et stabilisent les polymres. Des dispersions

protiques des concentrations de 8-10% chauffes des pH suprieurs 6,5 avec une force

ionique infrieure 20 mM ne s'agrgent pas (Britten, 1998). L'ajout de calcium favorise

l'association entre les protines et la longueur de chane des polymres solubles. Les

polymres solubles obtenus aprs un chauffage de 15 minutes 95C font apparatre plusieurs

caractristiques spcifiques. Tout d'abord, la dispersion de polymres solubles est non-

sdimentable (20000g pour 15 minutes) et ce, malgr une dnaturation complte des

protines. En effet, 95% des protines demeurent dans le surnageant aprs une centrifugation.

Les polymres solubles possdent une longueur et une largeur moyennes respectivement de

90 et 12 nm (soit un facteur de forme denviron 7,5). La viscosit intrinsque moyenne d'une

dispersion de polymres solubles est de 13,5 mL/g, ce qui correspond une hydratation de 0,4

mL/g de protine. Les ponts disulfures jouent un rle cl dans la polymrisation des protines

et pourraient tre impliqus dans la formation des gels, lorsque la dispersion de polymres

solubles est acidifie (Britten, 1998).

En effet, Weijers (2005) a clairement expliqu (Figure I.6.) le processus de formation

des agrgats protiques solubles. Bushell et coll., (2002) et Lin et coll., (1990)ont rapport

quen fait, une caractristique de lagrgation est laugmentation exponentielle de la taille


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moyenne des amas dans le temps. La cintique de croissance ainsi que la distribution de

masse des agrgats auront, leur tour, une influence sur la structure des agrgats forms.

Ainsi, des vitesses dagrgation leves, les amas forms seront diffus, alors que lorsque les

agrgats se forment lentement ils seront plus denses, du fait que les particules peuvent

sarranger et sinterpntrer davantage cause de leur faible vitesse de raction. Ainsi, les

deux rgimes aboutissent des structures internes diffrentes.

Figure I.6. Modle de dnaturation thermique et de formation des agrgats. Les zones

fonces () indiquent les rgions hydrophobes exposes suite au traitement thermique, les

signes moins ) et les tirets () indiquent respectivement la charge nette calcule pH 7 et

les ponts disulfures (Weijers et coll., 2004).

Rcemment, plusieurs travaux (Ikeda & Morris, 2002 ; Mahmoudi et coll., 2006 ;

Mahmoudi, 2007 ; Grcia-Juli et coll., 2008 ; Schmitt et coll., 2007) se sont intresss


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leffet du pH, de la force ionique, des hautes pressions et de la temprature sur la morphologie

des agrgats solubles de protines sriques. Par exemple, Mahmoudi (2007)ont analys par

cryo-TEM la structure des agrgats de protines sriques obtenus en modifiant la force

ionique par un ajout de 0,003 M 0,1 M NaCl ainsi que par un traitement thermique des

tempratures de 80C, 100C et 120C (Figure I.7.). Concernant la solution de protines

sriques 0,1 M NaCl, un phnomne dauto-assemblage des agrgats a t observ quand la

solution a t traite thermiquement des tempratures suprieures ou gales 100C. En

revanche, des conditions de temprature plus faibles (moins que 80C), aucun type de

rarrangement na t induit. Les agrgats de forme sphrique gnrs par chauffage 100C

et 120C sont associs sous forme de grappes o chaque agrgat de forme sphrique est li

dautres par des liaisons de type ionique favorises par laddition de NaCl.

Figure I.7.Images de cryo-TEM des agrgats de protines sriques obtenus partir dunesolution 0,1 M NaCl pour diffrentes conditions de chauffage: (a) 80C; (b) 100C; (c)

120C (Mahmoudi, 2007).

Schmitt et coll. (2007)ont montr que la combinaison pH/addition de NaCl dans le cas

des solutions de protines sriques chauffes 85C pendant 15 minutes permet de gnrer

des agrgats solubles qui prsentent des proprits physico-chimiques spcifiques et des

morphologies qui ne peuvent pas tre obtenues dans le cas dun simple ajustement du seul pH.Ces mmes auteurs ont observ que les agrgats gnrs un pH suprieur 6,6 en prsence

membrane decarbone poreuse

chantillon pigdans de leau solide

grappesdagrgats


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de sel prsentent une structure fibrillaire, tandis que les agrgats obtenus en labsence du sel

sont moins denses (Figure I.8.). En revanche, un pH infrieur 6,6, des agrgats solubles

compacts de forme sphrique sont forms, mais les solutions protiques nont montr ni des

capacits moussantes, ni des proprits stabilisantes amliores, peut-tre en raison de la

grande taille et de la structure compacte des agrgats. Une estimation de la taille des agrgats

solubles gnrs suite un chauffage a t reporte par Schmitt et coll. (2007)qui ont montr

quen prsence de 5 mM NaCl et pH 6, le diamtre apparent des plus gros agrgats

sphriques est denviron 140 nm. En augmentant le pH de solutions protiques 6,6 et la

force ionique 70 mM NaCl, les mmes auteurs ont observ la formation dagrgats

vermiformes avec une longueur denviron 50-60 nm. En revanche, pH 7 sans sel ou en

prsence de 120 mM NaCl, des objets fibrillaires avec une longueur de 50 nm ont t

observs.

Figure I.8.Images de TEM de protines sriques issues dune dispersion 1% (w/w)

chauffe 85C pendant 15 min un pH compris entre 6 et 7 en prsence de NaCl : pH 6

5 mM (a), pH 6,6 70 mM (b), pH 7 120 mM (c). Lchelle est de 200 nm (Schmitt et

coll., 2007).

Mahmoudi (2007) et Grcia-Juli et coll. (2008)ont tudi lhomognit des films

protiques laide de la microscopie force atomique (AFM) (Figure I.9.). Grcia-Juli et

a b

c

200 nm

200 nm200 nm


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coll. (2008) ont montr que dans le cas des protines natives traites par homognisation

hautes pressions 200 MPa, les particules sont rgulirement arranges sous forme de petits

agrgats de 1040 nm et sont distribues de faon homogne sur le support de mica

hydrophile. Aprs un traitement une pression suprieure 250 MPa, les particules sont en

revanche concentres dans des amas de taille comprise entre 60 et 170 nm.

Figure I.9.Images par AFM des protines sriques issues de solutions contenant 10% (w/w)

de protines pH 6,5 : natives (a) ; traites 200 MPa (b) ; traites 250 MPa (c) (Grcia-

Juli et coll., 2008).

Il faut aussi noter que dans les travaux de la littrature (Mahmoudi, 2007), il a t dmontr

que la dtermination de la taille et de la morphologie des agrgats prsente une importance

toute particulire : elle permet en effet de mieux comprendre limpact de la structure et de lacohsion des agrgats sur les proprits interfaciales des protines sriques. Ainsi, la forme

des agrgats (sphriques ou fractals) semble jouer un rle cl sur leurs proprits dtalement,

ainsi que sur llasticit du film interfacial.

I.1.2.6. Effet du traitement mcanique sur lagrgation des protines

Un traitement mcanique appliqu une solution protique en absence de tout autretraitement (chauffage ou une modification des conditions de milieu) nentrane gnralement

pas de dnaturation, ni dagrgation des protines. Cependant, Sanchez & Paquin (1997),

Considine et coll., (2007) etBouaouina et coll., (2006) ont rapport une dnaturation et une

agrgation partielle des protines lorsque la vitesse de cisaillement applique excde une

valeur critique.

Lorsquun traitement mcanique est appliqu simultanment ou postrieurement un

traitement thermique qui diminue la solubilit des protines, il va favoriser leur agrgation. En

effet, lors dun traitement thermique sans agitation, la frquence des collisions entre les objets

a). b). c).


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nest lie quau mouvement brownien et au nombre dobjets. Au contraire, le cisaillement

induit une augmentation de la frquence des collisions, conduisant ainsi une agrgation plus

rapide (McClements, 1999). Pour les protines de lactosrum, ce mcanisme a dj t

observ parRenard et coll. (2002) pH 7 et parHill et coll. (2006) pH 2. Dans les deux cas,

un traitement thermique suivi dun traitement mcanique cisaillement constant appliqu

froid dans un rhomtre conduit la formation dagrgats de grande taille (> 1 m) pH

neutre et la formation de fibrilles pH acide.

La plupart des travaux portant sur linfluence du cisaillement sur lagrgation des

protines ont t raliss dans le cadre du dveloppement de microparticules protiques dans

le but de remplacer la matire grasse mulsionne dans les aliments. La fabrication de ces

microparticules met en uvre des traitements thermiques haute temprature sur des

solutions concentres de protines (lactosrum, blanc duf, protines de poissons, soja).

Dans ces conditions, la dnaturation trs rapide des protines, lie aux fortes tempratures,

conduirait la formation dun gel mais lapplication dun fort cisaillement (5000-40000 s-1)

empche la formation de celui-ci et limite la taille des agrgats par rosion lors des collisions

entre eux (Sanchez & Paquin, 1997). Le traitement mcanique peut tre appliqu

simultanment au traitement thermique dans un changeur surface racle ou une extrudeuse,

ou bien aprs refroidissement par passage dans un homognisateur hautes pressions (Sanchez

et coll., 1997). Dans ces procds, leffet recherch du cisaillement nest pas une acclration

de lagrgation, mais plutt une limitation de la taille des agrgats. Il existerait donc deux

rgimes de formation des agrgats: les cisaillements faibles moyens favorisent la formation

dagrgats, alors que les cisaillements plus importants limiteraient leur taille.

I.1.3. Impact de la dnaturation et de lagrgation des solutions protiques sur leurs proprits

interfaciales

Le mcanisme dadsorption des protines globulaires linterface air-liquide a t

largement tudi car il dtermine leurs proprits interfaciales. Selon la littrature

(MacRitchie, 1990; Miller et coll., 2000), la cintique dadsorption des protines lorigine

de la formation des mousses protiques peut tre dcompose en trois voire quatre phases

successives (Figure I.10.) :

(i) une premire tape dinduction ou lag period :La prsence dune telle priode

peut tre relie au temps requis pour ladsorption dune quantit suffisante de monomresprotiques afin que les interactions entre molcules soient discernables (Miller et coll., 2000).


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25

(ii) la diffusion des protines de la solution vers linterface : Cette tape est

caractrise par la diffusion des protines vers linterface et linitiation des changements

conformationnels des protines adsorbes. Elle dpend du mode de transport des protines et

donc du traitement mcanique appliqu.

(iii) ladsorption comprenant les changements de conformation et le compactage des

protines adsorbes :Linterface continue se recouvrir de protines, causant la diminution

de la tension interfaciale. Ce sont les phnomnes de changements conformationnels et de

dnaturation des protines adsorbes qui deviennent alors prpondrants vis--vis de la

diffusion et de ladsorption initiales et qui permettent la diminution de la tension interfaciale

(Beverung et coll., 1999). Lorsque linterface est dj recouverte, une barrire nergtique se

dveloppe, sopposant lapproche et ladsorption de nouvelles molcules (De Feijter et

coll., 1987).

(iv) le rarrangement irrversible du film protique avec la formation de multicouches

et la glification interfaciale : On atteint un tat du film o plus aucune introduction de

nouvelles protines nest possible. Les molcules ancres linterface subissent alors des

rarrangements conformationnels afin de minimiser lnergie libre de surface ; les

phnomnes de recouvrement latral et denchevtrement sont initis. La barrire nergtique

dveloppe par les protines adsorbes et sopposant aux rarrangements conformationnels

des autres molcules est alors relie lincompressibilit plus ou moins forte du film

interfacial. Des multicouches sont construites au sein mme de la phase aqueuse, les protines

sagrgeant entre elles et formant des branches. Ces branches se connectent alors en de

nombreux points, initiant lagrgation des protines plus loignes du film, alors que les

monomres protiques adsorbes, ont juste chang de conformation. Il en ressort llaboration

dune structure amorphe en rseau de type gel linterface (Beverung et coll., 1999).

(ii) (iii) (iv)

Figure I.10.Reprsentation schmatique du mcanisme dadsorption des protines globulaires

selonBeverung et coll. (1999). Les protines natives sont reprsentes par des cercles et les

ellipses indiquent des changements conformationnels.


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26

Selon la littrature (Damodaran, 2005), la dnaturation et lagrgation modifient la

structure des protines sriques en solution et par consquent leurs proprits interfaciales.

Dans le cas des protines duf, Kato et coll. (1983) ont rapport quune dnaturation

partielle des protines globulaires avant utilisation amliore leur capacit mulsifiante et

moussante grce laugmentation de la flexibilit molculaire et de lhydrophobicit de

surface des protines.Zhu & Damodaran (1994) ont montr que lamlioration des proprits

moussantes des solutions de WPI est due des changements conformationnels notamment

des changements dans la structure secondaire, mais aussi et surtout au rapport des

concentrations de monomres et dagrgats protiques. Par ailleurs, ces auteurs ont dmontr

que les monomres contribuent plutt au moussage, alors que les agrgats jouent un rle clef

en favorisant la stabilit des mousses. Il semblerait que les agrgats protiques contribuent

principalement la stabilit de la mousse parce que les films forms par les monomres ne

semblent pas fournir les proprits viscolastiques ncessaires la stabilisation des mousses.

Toutefois, le mcanisme par lequel les agrgats contribuent la stabilisation de la mousse

n'est pas totalement lucid. Diffrentes hypothses ont t proposes:

si les agrgats protiques peuvent s'adsorber l'interface, ils augmenteront la

viscolasticit de l'interface et amlioreront ainsi la stabilit de la mousse (Davis &

Foegeding, 2004) ;

si les agrgats ne peuvent pas s'adsorber l'interface, ils resteront dans la phase aqueuse.

Dans ce cas, les agrgats peuvent tre confins dans les films interfaciaux de la mousse

et conduire la formation d'un gel, ce qui rduit en consquence le drainage (Saint-

Jalmes et coll., 2005).

Leffet des traitements thermiques sur les proprits dtalement et dadsorption des protines

sriques et sur les proprits rhologiques des films dpend des conditions de chauffage.Mitchell et coll. (1970) ont montr grce un traceur radioactif, que les protines sriques

pralablement chauffes 85C/20 min une concentration de 0,03% stalent dune manire

trs similaire aux protines natives. En revanche, Mahmoudi (2007)a montr que les agrgats

fractals stalent moins lorsque leur taille augmente en raison de leur rigidit et leur

ramification. En prsence de fortes rpulsions lectrostatiques, les branches des agrgats se

repoussent, ce qui augmente la rigidit et diminue ltalement. Ceci sexplique par le fait que

les proprits dtalement des agrgats dpendent de leur cohsion et de leur flexibilit.


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27

Rullier, Axelos & Novales (2008)ont tudi laptitude des protines non-agrges et

galement des agrgats sadsorber aux interfaces air/eau. Ils ont observ que la vitesse

dadsorption des agrgats diminue avec leur taille. Trois classes dagrgats prsentant deux

comportements dadsorption ont t distingues : (i) pour les plus gros agrgats, aucune

baisse de la valeur de la tension de surface na t observe; (ii) pour les agrgats de taille

intermdiaire avec Rhentre 71 et 117 nm; et (iii) les petits agrgats (Rh35 nm), pendant les

premires 10 s, une diminution de la tension de surface semblable la celle des protines non-

agrges a t enregistre. Bouaouina (2005) a rapport une chute importante (de plus de

50%) du temps caractristique de diffusion de la solution protique native suite un

traitement dhomognisation 300 MPa. Cette diminution pourrait correspondre la

rduction de la taille des agrgats protiques prsents dans la solution native par traitement

hautes pressions. Cette action sur les gros agrgats favorise dune part la mobilit de ces

petites entits dans la phase continue et dautre part l'accessibilit aux zones plus

hydrophobes. Ce mme auteur a galement observ que lorsquon limine les gros

agrgats dans la solution native par filtration 0,45 m, la cintique dadsorption devient

plus rapide. Par consquent, cet auteur a conclu que puisque la concentration en petits

agrgats tait la mme aprs filtration 0,45 m, lamlioration de la cintique dadsorption

serait donc due au fait que les gros agrgats empchent les plus petits sadsorber

linterface air-eau.


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II.MOUSSES DEPROTEINESSERIQUES

Dans ce sous-chapitre, nous nous intresserons uniquement la formation des moussesalimentaires. Dans ce but, nous introduirons dans un premier temps les aspects fondamentaux

lis la fabrication et aux aspects physico-chimiques des mousses ; nous discuterons ensuite

les paramtres caractristiques des mousses ainsi que le rle spcifique de chaque ingrdient ;

enfin, nous dcrirons dans un troisime temps les aspects technologiques de lopration

unitaire de foisonnement.

II.1. GENERALITES SUR LES MOUSSES ALIMENTAIRES

Lune des tendances actuelles du march des produits alimentaires consiste proposer

aux consommateurs des aliments dits sant . Les produits foisonns sinscrivent tout fait

dans cette tendance. Perus comme des produits jeunes, ils jouissent dune image forme et

sant , synonyme de fort potentiel de dveloppement. Par ailleurs, ils sont dautant plus

intressants quils sont gnrateurs de valeur ajoute, par lconomie de matire laquelle ils

donnent accs, volume de produit constant, ainsi que par le faible cot opratoire des

technologies qui permettent de les laborer.

II.1.1. Quest-ce quune mousse ?

Une mousse est communment dfinie comme une dispersion de bulles dun gaz dans

une phase continue liquide, semi-solide ou solide, celui-ci pouvant tre le plus souvent de

lair, du dioxyde de carbone (CO2), de lazote (N2) ou bien du protoxyde dazote (N2O).

Lincorporation de gaz peut tre conduite de diffrentes faons : par un batteur plantaire, un

mixeur ou un foisonneur en continu, ou encore par la cration de bulles in-situ Ces

diffrentes mthodes et technologies font que la structure de la mousse peut tre trs variable.

Par exemple, elle peut aller dune structure ouverte une structure ferme, avec une

rpartition plus ou moins fine et uniforme des bulles de gaz. Sur le plan technologique, on

distingue en gnral deux types de mousses : les mousses liquides et les mousses solides. Les

mousses solides sont engendres par des mousses liquides solidifies, par exemple par

chauffage, et elles possdent gnralement des structures qui dcoulent des cellules de la


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mousse liquide avant solidification. Cette solidification peut galement tre ralise par

conglation de la phase dispersante (crme glace) ou par des actions physico-chimiques (par

exemple, des agents glifiants).

Lunivers des mousses est trs vaste ; la structure are dune mousse se retrouve ainsi

sous diverses formes, dans de nombreux produits alimentaires, tels que la crme fouette, les

souffls, les mousses laitires, les meringues, les gteaux (gnoises, cakes), mais aussi les

ptes leves comme la brioche ou le pain, sans oublier les mousses phmres telles que la

bire ou le champagne (Figure I.11.). Couramment appels mousses, de nombreux produits de

la charcuterie, nappartiennent pas cette catgorie de produit au sens physico-chimique.

Lappellation mousse ne repose pas dans ce cas sur la prsence de bulles de gaz, mais sur la

finesse de la texture. Bien au contraire, les industriels travaillent sous vide, afin dliminer au

maximum lair occlus dans certains produits, et donc les problmes doxydation (Roustel,

2000).

Figure I.11.Panorama des diffrentes mousses alimentaires (Roustel, 2000).

Produits faire mousser

Mousses

Mousses solidesMousses ares Mousses phmres

Poudres instantanessolide

Produits en bombesous pression

(liquide)

Mousses laitires

Mousses aux fruits

Mousses de lgumes

Boissons moussantesMousses congeles

(glaces)Mousses extrudes

(snacks)Produits panifis(mie de pain)

MarshmallowsSouffls


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II.1.2. Fabrication et stabilisation dune mousse protique

Le mcanisme de formation et stabilisation de la mousse base de protines a t

largement tudi ; selon la littrature, il existe trois tapes principales. Dans une premire

phase, les protines sriques vont venir se localiser la surface des bulles en migrant vers

celles-ci depuis la phase aqueuse. Cette tape est principalement influence par ltat de

solubilit des protines sriques (Turgeon, 1991). Dans une deuxime phase, les protines

vont sadsorber linterface et sy dplisser. Contrairement ce qui se produit dans le cas de

certaines mulsions, ces phnomnes de migration et dadsorption sont quasi-spontans en

raison de la trs grande tension de surface au niveau des films interfaciaux. Ladsorption des

protines est gnralement partielle et les fragments non adsorbs dune protine vont

interagir avec dautres fragments de protines sriques adjacentes galement adsorbes

(change de ponts disulfures selon le pH, liaisons hydrophobes, etc.). La formation du film

cohsif qui en rsulte permet lencapsulation des bulles dair. Ce film protique doit toutefois

conserver un certain degr dlasticit pour obtenir la texture recherche (de Wit et coll.,

1988 ; Phillips et coll., 1994 ; Dickinson, 1997 ; Cayot, 1998). Cette tape est fortement

influence par les caractres dhydrophobicit et de flexibilit des protines sriques (Phillips

et coll., 1994 ; Cayot & Lorient 1998). Il a t dmontr quune des principales conditions de

stabilit dune mousse est que la phase aqueuse soit visqueuse. Ainsi, le film protique form

permet dans un troisime temps la mousse dtre stable en diminuant le drainage

gravitationnel de la phase aqueuse et en rduisant les changes gazeux entre les bulles.

Une reprsentation schmatique des mcanismes mis en jeu dans la fabrication et la

stabilisation dune mousse est prsente sur la Figure I.12. Les phases 1 et 2 traduisent la

capacit des protines sriques former une mousse et la phase 3 illustre leur aptitude

stabiliser la mousse forme.


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31

Figure I.12. Reprsentation schmatique des mcanismes intervenant lors de la formation et

de la stabilisation dune mousse par des protines sriques (Gaucheron, 2004).

II.1.3. Proprits structurales et physico-chimie des mousses liquides

La structure des mousses est organise sur plusieurs chelles spatiales (Figure I.13.).

A lchelle macroscopique, une mousse parat uniforme et homogne. En lobservant une

chelle plus fine, on remarque quelle est constitue de bulles de gaz spares par des films de

liquide dont lpaisseur peut tre comprise entre quelques nanomtres et quelques

micromtres. A l'chelle molculaire, ces films sont stabiliss par des agents tensioactifs

adsorbs leurs surfaces.

Figure I.13.Schma dune mousse aqueuse diffrentes chelles dobservation (Bouaouina,

2005).


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32

Les mousses peuvent tre classes en plusieurs varits, en fonction de plusieurs critres :

La dimensionnalit : lempilement des bulles peut seffectuer dans un plan, ce qui donne

les mousses deux dimensions (2D), ou bien dans un espace trois dimensions

(mousses 3D).

La symtrie : si lempilement des bulles est dcrit par un motif rptitif, on parle de

mousses ordonnes, sinon de mousses dsordonnes.

La distribution de tailles de bulles : dun point de vue thorique, les bulles peuvent tre

toutes de taille identique (mousses dites monodisperses), mais elles prsentent souvent

une grande varit de dimensions (mousses dites polydisperses). Les mousses

monodisperses sont rares, mme si lon sait les produire exprimentalement, et elles

constituent essentiellement un outil pour les travaux thoriques (Rosa, 2002). A

contrario, la polydispersit est le critre caractrisant la largeur et la non-uniformit de

la distribution de tailles de bulles dans une mousse.

La fraction volumique de gaz contenue dans la mousse, note : elle doit tre

suprieure une valeur caractristique C proche de 64%, pour que la structure de

mousse liquide rsiste aux contraintes statiques. Une mousse est appele humide

lorsque se rapproche de C et elle est dite sche lorsque est proche de 100%

(Figure I.14.). Dans le cas o


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33

Figure I.14.Photographie dune mousse aqueuse drainant dans le champ de pesanteur

(Durianweb). On notera le gradient vertical de fraction volumique qui en rsulte.

Dans le domaine des mousses liquides, on distingue au niveau structurel les mousses bulles sphriques (dans lesquelles la quantit de gaz incorpor est suffisamment faible pour

que les bulles conservent une taille peu prs sphrique) qui sont trs instables, et les

mousses bulles polydriques (mousse de bire par exemple) dans lesquelles le rapport des

volumes gaz sur liquide est si lev que les bulles sont comprimes les unes contre les

autres selon une structure en nid dabeille.

Sur le plan physico-chimique, une mousse liquide constitue un tat collodal de la

matire dans la mesure o les films fins qui sparent des cellules adjacentes dans une mousse

sont typiquement de dimension collodale. On admet quune mousse compte environ 103

bulles par mL de mousse, alors quune mulsion compte en moyenne 1011 gouttelettes

disperses par mL dmulsion. Le volume dune bulle de gaz est environ mille fois suprieur

celui dune gouttelette de lipides dans une mulsion, essentiellement parce que les gaz sont

solubles dans leau. La tension de surface au niveau des bulles de gaz est aussi plus forte que

celle qui rgne la surface des globules gras. Limportant cart entre les masses volumiques

des bulles et de la phase dispersante constitue aussi une des diffrences les plus notables entre


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mousses et mulsions. Elle explique pourquoi le phnomne de crmage (remonte vers le

haut des bulles de gaz) est plus rapide dans une mousse. Par consquent, les mousses sont

gnralement moins stables que les mulsions.

Pour augmenter la stabilit dune mousse liquide, plusieurs approches sont donc

possibles :

a) laugmentation de la rigidit du film interfacial par :

la dnaturation accompagne dune glification des protines aux interfaces ou

bien par une concentration interfaciale des protines plus leve ;

laddition de polysaccharides dans le but de former des complexes protines-

polysaccharides stabilisants ;

la diminution de la teneur en protines flexibles (par exemple la casine ) qui

forment desbulles assez grosses et des mousses instables ;

laugmentation de la teneur en protines globulaires (par exemple le lysozyme)

qui forment de petites bulles et des mousses plus stables.

b) laugmentation de la viscosit de la phase liquide dispersante par :

laddition de polysaccharides ou plus gnralement dhydrocollodes ;

laccroissement de la concen

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