Structure et dynamiques de dispersions de gliadines de blé : effet de la concentration en protéines et de la température du solvant

Structure and dynamics of a wheat gliadins dispersions : effect of the protein concentration and solvent temperature.

• Auteur / Autrice : Adeline Boire
• Direction : Christian Sanchez, Paul Menut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie, chimie et technologie des aliments
• Date : Soutenance le 14/02/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Agro-Polymères et Technologies Emergentes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Ramos, Thomas Gibaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Renard, Patrice Bacchin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diagrammes de phases

Transitions de phases

Gliadine

Mots clés libres

Physico-Chimie

Protéines de blé

Interactions

Dynamique de séparation de phase

Physique de la matière molle

Physique des polymères et des colloïdes

Physical chemistry

Wheat proteins

Interactions

Dynamics of phase separation

Colloidal and polymer physics

Soft condensed matter physics

Résumé

De nombreuses études théoriques et expérimentales ont été menées au cours des 30 dernières années afin d'établir le lien entre les propriétés d'interaction des protéines, leurs transitions de phase et leur auto-assemblage. Des avancées significatives ont ainsi été permises grâce à l'application de concepts et méthodes de la physique des polymères et des colloïdes. Ces études ont, pour la majeure partie d'entre elles, été limitées à des protéines d'intérêt médical et à des protéines animales. Ce travail de thèse vise à appliquer ce type d'approche aux protéines végétales afin de mieux comprendre leurs propriétés d'interaction à l'origine de leurs propriétés fonctionnelles au sein des grains et dans les matrices alimentaires. Ce travail a été mené sur un isolat de protéines de réserve du blé composé principalement de la fraction monomérique: les gliadines. Nous avons étudié les transitions de phase des gliadines afin de mieux comprendre leurs propriétés d'interaction d'une part et les structures associées d'autre part. Dans un premier temps, une procédure d'extraction a été développée afin de travailler sur un isolat de composition contrôlée dont les masses moléculaires sont comprises entre 20 kDa et 300 kDa. Le comportement de phase de cet isolat a ensuite été étudié en diminuant la qualité du solvant. Nous avons ainsi déterminé le diagramme de phases (T-Φ), où T est la température et Φv la fraction volumique des gliadines. Cette étude a mis en évidence une séparation de phase de type liquide-liquide dans le système par diminution de la température. Une analyse détaillée de la répartition des protéines au sein des deux phases en fonction de leur masse moléculaire a permis d'identifier une masse moléculaire critique séparant des protéines de comportement de type colloïdal et des protéines de comportement de type polymérique. A partir du diagramme de phase, deux études structurales ont été effectuées. La première a étudié les cinétiques de séparation de phase lors de la diminution de la température pour caractériser la dynamique locale de séparation de phase et identifier les mécanismes qui génèrent les systèmes concentrés. Deux grands types de mécanismes de séparation de phase ont été identifiés : nucléation-croissance et décomposition spinodale. La seconde étude structurale a consisté à établir l'équation d'état pression osmotique vs concentration dans des conditions de bon solvant et à caractériser la structure des dispersions de protéines associée. La relation pression osmotique vs fraction volumique a permis de mettre en évidence l'existence de plusieurs régimes de structuration, associés à des changements de structure secondaire et de propriété rhéologique. La discussion générale permet de mettre en relation les propriétés thermodynamiques déduites de cette approche expérimentale et les changements structuraux observés à différentes échelles.

A substantial body of theoretical and experimental studies has been conducted over the last 30 years to establish the link between protein interaction properties, phase transitions and self-assembly. Both colloidal and polymer physics provide a new framework for understanding the driving force for proteins phase behaviour. Such studies have been limited to health-related proteins and to a few food proteins, mainly animal proteins such as casein, whey proteins. This thesis aims to apply this approach to plant proteins to better understand their interactions properties, at the basis of their functional properties within grains and food matrices. This work was carried out on a wheat storage protein isolate mainly composed of the monomeric fraction: gliadins.The objective of this PhD thesis is to investigate the phase transitions of wheat proteins to develop our knowledge on their interaction properties and the associated structures. We organized our experimental approach in five steps. First, we developed an extraction procedure to work on a protein isolate of controlled composition with molecular weight ranging from 20 to 300 kg mol-1. Then, we investigated the phase behaviour of the protein isolate by decreasing the solvent quality, here the temperature. We determined the T-Φ phase diagram, where T is the temperature and Φv the protein volume fraction, that maps the phase and structural transitions of the proteins. This study showed the existence of a liquid-liquid phase separation in the system upon a temperature decrease. We evidenced two different behaviours among proteins as a function of their MWs and highlighted a critical protein size above which the molecular weight is the key determinant of the protein properties. From the phase diagram, two structural studies were conducted. The first one studied the kinetics of phase separation upon temperature decrease to characterize the local dynamics of phase separation and to identify the mechanisms that generate concentrated systems. Two main mechanisms of phase separation have been identified: nucleation-growth and spinodal decomposition. The second one studied the effect of protein concentration on the multi-scale structure of wheat gliadins in good solvent. The integration of all these results allowed us to build the phase diagram of wheat gliadins, integrating thermodynamic and structural data.