Composition and structure of gum Arabic in solution and at oil-water interfaces

par Marina Atgié

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Olivier Masbernat et de Kevin Roger.

Le président du jury était Denis Renard.

Le jury était composé de Olivier Masbernat, Kevin Roger, Véronique Schmitt, Peter Fischer, Sebastiaan Eeltink, Odile Aubrun.

Les rapporteurs étaient Véronique Schmitt, Peter Fischer.

  • Titre traduit

    Composition et structure de la gomme arabique en solution et aux interfaces huile-eau.


  • Résumé

    La gomme arabique est un exsudat d’arbre qui est essentiellement utilisée pour ses propriétés stabilisantes et émulsifiantes. Ce produit naturel est un mélange complexe de protéines et de polysaccharides liés de façons covalentes, qui différent de part leur masse molaire et leur hydrophobicité. Malgré le grand nombre d’études existantes dans littérature sur la structure et les propriétés interfaciales de la gomme arabique, la compréhension de la relation entre la composition interfaciale, la structuration interfaciale et la métastabilité d’émulsions restent mal comprises à ce jour compliquée. La gomme arabique est classiquement décrite comme un mélange de trois fractions : une fraction riche en polysaccharide (arabinogalactan), une fraction composée de conjugués protéine-polysaccharides et enfin des glycoprotéines. Les propriétés émulsifiantes et stabilisantes de la gomme sont attribuées à la fraction de conjugués dont la partie protéinée s’adsorbe à la surface des gouttes d’huiles et les espèces carbonées apportent des répulsions stériques entre les gouttes. Dans cette thèse, nous avons étudié le comportement microscopique des espèces de la gomme en solution et aux interfaces huile/eau. La première étape a consisté à caractériser la structure des molécules de la gomme en solution. Une séparation bi-dimensionnelle de la gomme a été réalisée par exclusion stérique suivie d’une séparation par affinité hydrophobe, ce qui nous a permis de confirmer la nature très hétérogène de la gomme. Des expériences de diffusion des rayons-X et des neutrons aux petits angles sur la gomme arabique et ses fractions nous ont amené à proposer un modèle structural des espèces conjuguées. Nous avons ensuite étudié la composition de films de gomme arabique adsorbés en émulsion en la comparant avec celle de la gomme en solution. Une augmentation du taux de protéine dans le film interfacial a montré le rôle crucial des espèces polypeptidiques sur l’adsorption. Nous avons observé que la composition du film adsorbé diffère de la gomme en solution mais reste hétérogène en taille et en hydrophobicité. Un bilan massique a révélé une forte dépendance entre la formulation d’émulsion (concentration en gomme et paramètres physicochimiques) et la concentration surfacique alors que la composition de l’interface a très peu changé. Ces résultats suggèrent une modification de conformation des espèces adsorbées en fonction des conditions d’émulsification. Dans un troisième temps, nous nous sommes intéressés aux mécanismes de stabilisation provenant de l’adsorption des espèces amphiphiles de la gomme arabique. Pour cela, nous avons développé une méthode permettant de récupérer les espèces adsorbées dans une émulsion huile dans eau. Cette méthode nous a permis de mettre à jour une structuration du film adsorbé. Les espèces récupérées de l’interface ont montré la présence d’une agrégation, dont l’intensité dépend directement du taux de couverture et du taux de protéine de l’interface. La métastabilité d’émulsions stabilisées par de la gomme arabique est ainsi favorisée par l’augmentation de la structuration interfaciale, i.e. quand le taux d’agrégation des espèces adsorbées augmente. Un tel comportement n’a pas encore été reporté dans la littérature et nous pensons qu’il s’agit d’un mécanisme clef dans le cadre d’émulsions stabilisées par la gomme arabique. Enfin, des expériences de diffusion de neutrons aux petits angles (avec un contraste identique entre les phases continue et dispersée) ont révélé des différences de structuration entre deux régimes de concentration surfacique. Ces observations ont été discutées au regard des spectres de diffusion de la gomme en solution. Pour conclure, cette thèse porte sur la relation entre composition et structuration dans des émulsions stabilisées par la gomme arabique et démontre notamment un mécanisme original de stabilisation qui joue un rôle important dans ce système complexe.


  • Résumé

    Gum arabic, a tree exudate, is essentially used for its binding and emulsifying properties. This natural product is a complex mixture of covalently linked proteins and charged polysaccharides moieties, differing in their molecular mass and hydrophobicity. A large body of literature now exists on the structure and interfacial properties of gum Arabic but a comprehensive description of the relationship between interfacial composition, interfacial structuration and emulsion metastability remains elusive. In the literature, gum Arabic is described as a mixture of three fractions: an arabinogalactan rich polysaccharide fraction, a polysaccharide-protein conjugates fraction and a fraction of glycoproteins. The conjugate fraction is thought to be responsible for the emulsifying and stabilizing properties of the gum, with the protein part adsorbing at oil droplets surface and the carbohydrate moieties providing steric repulsion between droplets. In this work, we have investigated the microscopic behavior of the gum species in solution and at oil/water interfaces. The first step was to characterize the structure of gum Arabic species in solution. A twodimensional separation of the gum molecules was performed using size exclusion chromatography followed with by hydrophobic interaction separation, which confirmed the highly heterogeneous composition of the gum. Small angle X-ray and neutron scattering measurements on the gum and its fractions led us to propose a structural representation of the gum conjugated moieties. Then the composition of adsorbed gum Arabic films as compared to gum Arabic solutions has been investigated. An increase in the protein rate of the interfacial film showed the crucial role of the polypeptide moieties on the adsorption. The composition of the adsorbed film was shown to differ from the bulk but remained heterogeneous in size and hydrophobicity. A mass balance revealed a strong dependence between the emulsion formulation (gum concentration and physico-chemical parameters) and the surface concentration, while the composition of the interface was only slightly changed. These results suggest that gum Arabic adsorbing species must adopt conformational changes depending on emulsification conditions. In a third stage, we have addressed the stabilization mechanisms resulting from the adsorption of gum Arabic amphiphilic species. For that purpose, we have developed a method to recover the adsorbed species within an oil-in-water emulsion. This method allowed us to unveil a structuration of the adsorbed film. Species recovered from the interface displayed aggregation, the magnitude of which directly depended on the coverage density and protein rate of the adsorbed film. The metastability of emulsions, stabilized with gum Arabic, increased upon promoting interfacial structuration, i.e. when the aggregation rate of adsorbed species was enhanced. Such behavior has not been reported so far in the literature and we believe that it is a key mechanism of gum Arabic-based on emulsions. Finally, small angle neutron scattering experiments (contrast match between the continuous and dispersed phases) disclosed differences of structuration between two regimes of interface coverage. These observations were discussed in the light of the comparison with the scattering spectra of gum Arabic solutions. To conclude, this thesis revolves around the composition/structuration relationship in gum Arabic-stabilized emulsion stabilized and demonstrates that an original mechanism is at play in this complex system.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.