Etude de l'ordre local dans les biopolymères par RMN du solide : applications aux traitements physico-chimiques de l'amidon

• Auteur / Autrice : Michaël Paris
• Direction : Jean-Yves Buzaré, Joël Emery
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Le Mans
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'état condensé (Le Mans)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Polysaccharides

Amidons

Résonance magnétique nucléaire

Résumé

L'acquisition de spectres RMN haute résolution du13C sur des substrats amylacés bien définis - semi-cristallins (natifs) et recristallisés - et leurs décompositions spectrales ont montré I'existence de trois phases dans les amidons natifs (amorphe, intermédiaire et cristalline) et de deux phases dans les amyloses recristallisées, indépendamment du type cristallin. Les rôles plastifian/structurant de l'eau ont été mis en évidence sur chacune des phases. La comparaison des taux de cristallinité déterminés par RMN et diffraction des rayons X montre que l'eau agit simultanément à deux échelles : une locale (nm) et une microscopique (mm). La multiplicité de phases non cristallines nous a alors amené à initier la première étude expérimentale de caractérisation locale des structures amorphes à base d'amidon. Sur des substrats amorphes préparés à partir d'amidon ou de ses constituants par différentes procédures, l'acquisition de spectres RMN haute résolution du13C et leurs décompositions spectrales ont montré la nature hétérogène mais reproductible de ces sructures amorphes. En effet, seuls 4 types de conformations bien identifiables et stables de liaisons a(1-4) composent ces substrats. De plus, deux de ces familles de conformations sont plus particulièrement sensibles à l'histoire de l'échantillon (méthode de préparation et structure intrinsèque primaire). En complément de la caractérisation par décomposition spectrale, une approche dynamique a été réalisée. Pour les substrats amorphes étudiés, la courbe d'aimantation en fonction du temps de contact en polarisation croisée de chacune des raies élémentaires mises en évidence a été construite. La simulation de ces courbes nécessite l'utilisation d'un modèle de polarisation croisée à deux réservoirs de protons. Couplées à des expériences de RMN 2D WISE, la détermination et I'interprétation des paramètres du modèle à deux réservoirs de protons perrnettent d'obtenir des informations sur la répartition des molécules d'eau à I'intérieur des échantillons. De plus, cette approche dynamique a permis de confirmer certains résultats obtenus par décomposition spectrale. Enfin, des calculs ab initio (Gaussian 98) ont été réalisés pour prédire l'anisotropie de déplacement chimique des carbones en fonction des angles de torsion (A,Y) de la liaison glycosidique a(1-4). Nous avons également déterminé expérimentalement cette anisotropie par des expériences de RMN 2D de recouplage de déplacement chimique. La comparaison de ces anisotropies a permis d'estimer les valeurs des angles glycosidiques associées à différents types de liaisons a(1-4). Les premiers résultats issus de cette méthode ont été discutés.

The 13C high resolution solid state NMR spectra of well defined starchy substrates - native and recrystallized starches - were recorded. For both A and B crystalline polymorphs, the decomposition of these spectra showed the existence of three phases in natives starches (amorphous, intermediate and crystalline) and only two in recrystallized starches (intermediate and crystalline). The plasticizing/structuring role of water was evidenced for each phase. Moreover, the comparison of the crystalline phase amount determined by NMR and X-ray diffraction showed the simultaneous water molecules effects at both local and microscopic scales. The non-crystalline phase rnultiplicity led us to the first experimental study of amorphous state characterization in starches. Decomposition of the13C high resolution solid state NMR spectra of amorphous samples prepared from various starchy substrates with different techniques showed the heterogeneous reproducible character of these amorphous samples. Indeed, only 4 main types of well identified and stable of (1-4) linkages exist in these substrates. Moreover, two of them are dependent on the sample history (technique of preparation and branching points). In addition to the spectral decomposition characterization, a dynamical approach was undertaken. For the amorphous starchy substrates, the magnetization curves versus crosspolarization contact time were plotted for each individual component evidenced by the spectral decomposition. In agreement with 2D NMR WISE experiments, the fitting of these curves need a two proton reservoirs model of cross-polarization. The determination and the interpretation of the characteristic parameters of this model yielded informations about water molecules distribution inside the samples. Moreover, this dynamical approach confirmed some of our previous results obtained by spectral decomposition. Finally, the 13C chemical shift anisotropy versus glycosidic angles (D,Y) was predicted from ab initio calculations (Gaussian 98). This anisotropy was also determined by 2D NMR chemical shift recoupling experiments. The comparison of both allowed to estimate the glycosidic angles values associated to the different types of the c(1-4) linkages. The first results of this method were discussed.