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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REMERCIEMENTS
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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
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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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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
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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.2.3. Conclusions.228
IV.3. Stabilit des mousses..229
IV.3.1. Stabilit court terme.229
IV.3.2. Stabilit long terme des mousses.231
IV.3.3. Conclusions.235
IV.4. Conclusions sur le foisonnement en continu.236
Conclusion Gnrale237
Perspectives243
Valorisation scientifique des travaux raliss246
Rfrences bibliographiques..............................248
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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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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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[] 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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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
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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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- 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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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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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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(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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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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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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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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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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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