Développement d'une nouvelle stratégie d'encapsulation de molécules bioactives hydrophobes basée sur la dynamique des micelles de caséines

Novel encapsulation strategy for hydrophobic bioactives based on casein micelle dynamics

• Auteur / Autrice : Asma Bahri-Hammami
• Direction : Dominique Chevalier-Lucia, Sylvie Marchesseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et physicochimie alimentaires
• Date : Soutenance le 19/06/2017
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Agro-Polymères et Technologies Emergentes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Christian Jay-Allemand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Chevalier-Lucia, Sylvie Marchesseau, Christian Jay-Allemand, Claire Gaiani, Philippe Cayot, Fanny Guyomarc'h
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claire Gaiani, Philippe Cayot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Caséines

Microscopie à force atomique

Encapsulation (chimie)

Dynamique moléculaire

Micelles

Mots clés libres

Micelles de caséines

Matrices alimentaires

Dynamique moléculaire

Molécules biofonctionnelles

Encapsulation

Microscopie à force atomique

Casein micelle

Food matrix

Molecular dynamics

Biofunctional molecules

Encapsulation

Atomic force microscopy

Résumé

De nombreux composés bioactifs hydrophobes sont actuellement mis en avant en raison de leurs propriétés nutritionnelles et fonctionnelles. Une attention particulière est, en conséquence, portée à leur incorporation en tant qu'ingrédients dans des aliments fonctionnels. Cependant, la majorité de ces composés bioactifs sont caractérisés par une faible solubilité en milieu aqueux, une dégradation au cours des procédés de transformation ainsi qu'une absorption limitée au niveau du tractus gastro-intestinal. La micelle de caséines, grâce à ses propriétés fonctionnelles uniques, peut être considérée comme un support d’encapsulation naturel pour ces molécules bioactives hydrophobes. En effet, une des originalités de cette suprastructure est sa dynamique dans le lait se caractérisant par des échanges réversibles de protéines et de minéraux entre le sérum et la structure micellaire interne en fonction des conditions physicochimiques, et notamment avec la température. En particulier, un stockage du lait à 4°C permet la dissociation sélective de la caséine β de la phase micellaire vers la phase soluble et un retour à température ambiante permet sa réintégration. L’objectif de cette thèse est de développer une nouvelle stratégie d’encapsulation de molécules bioactives hydrophobes dans les micelles de caséines via cette dynamique de la caséine β. Dans un premier temps, l’optimisation de la dissociation de la caséine β de la micelle de caséines a été réalisée en modifiant la température et le pH, tout en portant une attention particulière au maintien de l’intégrité des micelles déplétées en caséines β. Un procédé de séparation physique de la caséine β solubilisée a été optimisé par microfiltration à l’échelle pilote. Une étude de la concentration micellaire critique de la caséine β a permis de vérifier son état monomérique à l’issue de cette séparation. Une étude de la cinétique d’interaction entre la caséine β monomérique et deux composés bioactifs hydrophobes, la curcumine et la vitamine D3, a ensuite été réalisée par résonance plasmonique de surface et par spectroscopie de fluorescence. La curcumine a été choisie pour la suite de l’étude au vu de sa bonne affinité pour la caséine β. Le complexe caséine β monomérique-curcumine a ensuite été encapsulé dans des micelles de caséines préalablement déplétées en caséines β. Les résultats de ces travaux montrent l’efficacité de cette stratégie d’encapsulation qui peut présenter un intérêt particulier pour la vectorisation de molécules bioactives hydrophobes afin d’assurer leur protection dans des produits laitiers pauvres en matière grasse.De plus, au cours de ce projet, une méthode de caractérisation des propriétés morphologiques et nano-mécaniques des micelles de caséines par microscopie à force atomique en milieu liquide a été développée. Cette méthode représente un outil intéressant de compréhension de la structure micellaire dans son environnement natif et offre la possibilité d’évaluer l’impact de certaines modifications sur les propriétés de la micelle de caséines, comme sa déplétion en caséine β ou sa réticulation.

In the last years, the number of studies highlighting the nutritional and functional properties of several hydrophobic bioactives has markedly increased. Special attention is consequently paid to their addition as ingredients to food. However, most of these hydrophobic compounds display a low aqueous solubility, poor stability during processing and low absorption in the gastrointestinal tract. Casein micelles exhibiting unique set of properties can be considered as a natural nanocarrier for these molecules. Actually, changes in environmental factors namely pH and temperature induce the dissociation of caseins and minerals from the colloidal phase to the soluble phase. Particularly, a selective dissociation of β-casein occurs at low temperatures. This effect is reversed with an increase in temperature, with a transfer of β-casein from the serum to the micelles when equilibrated at room temperature. The aim of this study is to develop a novel encapsulation strategy to incorporate hydrophobic bioactive compounds into casein micelles using the β-casein reversible dissociation. First, the β-casein dissociation from casein micelles was optimized by temperature and pH modifications while preserving the integrity of the β-casein depleted casein micelles. The separation of dissociated β-caseins from casein micelles was carried out by microfiltration at a pilot scale. The β-casein critical micelle concentration was concurrently evaluated to ensure the monomeric state of -casein after separation. Secondly, the binding kinetic between monomeric β-casein and two hydrophobic compounds, curcumin and vitamin D3, was investigated by surface plasmon resonance and fluorescence spectroscopy. Curcumin was then selected thanks to its high affinity to -casein β. The complex monomeric β-casein – curcumin was encapsulated in β-casein depleted casein micelles. The results of this study show the efficiency of this encapsulation strategy of hydrophobic bioactive compounds, which could be used to protect such molecules in low fat dairy products.Besides, during this project, a novel strategy was developed in order to evaluate the casein micelle topography and nanomechanical properties by atomic force microscopy in liquid environment. This method opens a new line of investigation to better understand the casein micelle structure in its native environment but also investigate the impact induced by the modification of physico-chemical conditions on its topography and elastic properties.