Lignocelluloses de graminées : apports de la spectroscopie dans le moyen infrarouge et de l'empreinte enzymatique à leur étude structurale

Study of maize stem lignocellulose structure by multispectral approach

• Auteur / Autrice : Richard Chazal
• Direction : Fabienne Guillon, Catherine Lapierre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie – Agroalimentaire
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Végétal-Environnement-Nutrition-Agro-Alimentaire-Mer (Angers)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Président / Présidente : Philippe Delavault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Guillon, Catherine Lapierre, Philippe Delavault, Lise Jouanin, Gilles Pilate, Cécile Barron
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lise Jouanin, Gilles Pilate

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fourier, Spectroscopie infrarouge à transformée de

Xylanes

Maïs

Lignine

Lignocellulose

Graminées

Mots clés libres

Empreinte enzymatique

Résumé

La conversion des lignocelluloses de graminées en bioéthanol est affectée par les lignines et leur réticulation aux hémicelluloses. Sélectionner des ressources adaptées à cette conversion requiert d'approfondir les connaissances sur les lignines et les hémicelluloses et de développer des méthodes d'analyse à haut débit pour cribler les matières premières. Dans un premier volet, les potentialités de la spectroscopie dans le moyen infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) pour la prédiction de paramètres modulant cette conversion ont été évaluées sur des matériels pariétaux (MP) issus de tiges matures de graminées (maïs, blé, sorgho, bambou, Brachypodium), MP analysés pour leurs taux et structure des lignines, taux et composition des polysaccharides et quantités d'acides p-coumarique et férulique estérifiés. L'isolement de fractions de lignines LDC à partir de ces MP par acidolyse a permis d'identifier les signaux FTIR les plus spécifiques des lignines. L'analyse en composantes principales des spectres FTIR de 16 fractions LDC et de 31 MP a confirmé la variabilité de leurs lignines, révélée par les analyses chimiques. Les analyses multivariées par régression PLS effectuée sur les spectres FTIR (sous forme de dérivée seconde) et les analyses chimiques ont fourni des modèles performants pour la prédiction du taux de lignines, du taux de p-coumarate et de paramètres associés à la structure des lignines. En revanche, aucun modèle performant n'a pu être obtenu pour les polysaccharides ou les esters féruliques. Les modèles de prédiction obtenus devront être consolidés par une plus large gamme d'échantillons de graminées. Dans une seconde partie, la structure des arabinoxylanes natifs de MP de maïs (entrenoeuds, feuille, rafle) a été analysée par empreinte enzymatique à l'aide d'une endoxylanase suivie de l'analyse par chromatographie HPAEC et spectrométrie de masse ESI-ORBITRAP des oligosaccharides obtenus. Parallèlement, des fractions hémicellulosiques (hémicelluloses A et B) ont été extraites à partir des mêmes MP et soumis à la même analyse. Les empreintes des fractions isolées se différencient par les proportions relatives en oligomères substitués dont la structure a été établie au cours de ce travail. Si l'empreinte enzymatique des MP de maïs les distingue en fonction de leur origine, elle semble sous-estimer les structures substituées des arabinoxylanes natifs. Cependant, les résultats obtenus ici soulignent les potentialités de l'empreinte enzymatique de MP de graminées, tout en évitant l'extraction préalable à leur étude structurale conventionnelle.

The enzymatic cellulose-to-ethanol conversion applied to grass lignocellulosics is detrimentally affected by lignins and their cross-linking to hemicelluloses. Selecting grass cell walls less recalcitrant to enzymatic hydrolysis and monitoring their compositional changes during the process call for developing high throughput and informative methods. In the first chapter, the potential of Fourier transform mid infrared spectroscopy for the prediction of cell wall traits that could be targeted for improved saccharification was evaluated on a series of extract-free cell walls (EFCW) prepared from mature grass stems (maize, sorghum, wheat, bamboo, brachypodium). These samples were analyzed for lignins, carbohydrates, and p-coumaric and ferulic esters. In addition, a set of purified grass lignin standards was obtained from these samples by mild acidolysis and subjected to the same chemical analyses. Partial least square (PLS) analyses were applied to mid infrared and chemical data of 16 grass lignin standards and of 31 grass EFCW. The resulting models showed a good predictive ability with regard to the EFCW lignin content and to lignin structural traits revealed by thioacidolysis, as well as to the level of p-coumarate esters. By contrast, no satisfying model could be obtained to predict polysaccharide traits or ferulic esters. In the next future, the FTIR-based models built to predict important grass cell wall traits will be consolidated and improved by the addition of a wider range of grass samples. In the second chapter, the structural investigation of native arabinoxylans from maize EFCW samples (internodes, leaves, cobs) was carried out by enzymatic fingerprint, using an endoxylanase hydrolysis followed by HPAEC chromatography and ESI-ORBITRAP mass spectrometry of the resulting oligosaccharides. The same fingerprint was comparatively applied to hemicellulosic fractions (hemicelluloses A and B) isolated by the conventional extraction methods. The oligosaccharides obtained from EFCW and from isolated hemicelluloses displayed different substitution degree. While the enzymatic fingerprints of EFCW maize samples were diagnostic for their anatomical origin, they underestimated the more substituted arabinoxylan structures. However, the present results underline the great potential of enzymatic fingerprint performed on lignocellulosic step samples, without the time-consuming extraction conventionally employed for their structural investigation.