Caractérisation de la dégradation du son de blé par un cocktail enzymatique industriel en combinant une approche physique in-situ et biochimique ex-situ

Investigation of industrial enzymatic cocktail for deconstruction of wheat bran by combining in-situ physical and ex-situ biochemical analyses

• Auteur / Autrice : Marine Deshors
• Direction : Luc Fillaudeau, Jean-Marie François
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingenieries microbienne et enzymatique
• Date : Soutenance le 11/06/2018
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Delaplace
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Fillaudeau, Jean-Marie François, Estelle Bonnin, Rainer Krull, Laurence Lesage-Meessen, Virginie Neugnot-Roux, Christine Frances, Dominique Anne-Archard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Delaplace, Estelle Bonnin, Rainer Krull

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hémicellulose

Biomasse

Biochimie

Mots clés libres

Dégradation de la biomasse

Cocktails enzymatiques

Hémicellulose

Viscosité in-situ

Morpho-granulométrie

Biochimie

Biomass deconstruction

Enzyme cocktail

Hemicellulose

In-situ viscosity

Morpho-granulometry

Biochemistry

Résumé

Les cocktails enzymatiques tels que Rovabio® sont utilisés en nutrition animale comme complément alimentaire pour aider les animaux à mieux assimiler les fibres présentes dans leur ration alimentaire composée principalement de blé en Europe. Le mécanisme de déconstruction enzymatique du son de blé, partie du grain majoritairement composée de fibres, considérées comme difficilement hydrolysables et donc assimilables reste encore incompris, c’est pourquoi ces travaux de thèse s’appuient sur l’utilisation d’un bioréacteur instrumenté combinant des analyses physiques in-situ et biochimiques ex-situ afin d’avoir un point de vue global de ce phénomène. Cette approche multi-échelle est originale car rarement considérée en nutrition animale où les études in-vivo sont privilégiées. Cos travaux ont ainsi permis de mettre en évidence que l’action de Rovabio® se caractérise par une première phase de fragmentation notamment des grosses particules concomitante avec une forte solubilisation. La déconstruction du son de blé se poursuit ensuite par une fragmentation mais cette fois sans aucune solubilisation de polysaccharides. L’ajout d’une xylanase seule, en tant qu’enzyme la plus active du cocktail, solubilise la même quantité d’arabinoxylane mais ne permet pas une fragmentation importante des particules, contrairement au Rovabio®. Ces résultats confirment donc l’importance de la richesse et de la diversité d’un cocktail enzymatique pour déconstruire efficacement des structures aussi complexe que le son de blé. Cependant, en dépit de cela, seulement 37%w/w de matière sèche est solubilisée, même en excès de Rovabio®. Cette incapacité du cocktail enzymatique à dégrader complètement ces fibres semblerait provenir d’une inaccessibilité des enzymes à leur substrat. Nous avons ainsi montré que le rendement d’hydrolyse enzymatique est amélioré en augmentant la surface spécifique des particules (traitement mécanique) et/ ou en désorganisant l’architecture de la structure des fibres par l’ajout d’un complexe enzymatique particulièrement riche en pectinases. Néanmoins, si ces deux voies améliorent les performances du cocktail, elles ne permettent toujours pas une hydrolyse totale du son de blé. Finalement ce travail souligne l’intérêt d’enzymes ou de protéines actives capables d’attaquer les structures minoritaires du réseau lignocellulosique assurant sa résistance et sa cohésion, ce qui permet ainsi aux enzymes d’avoir un meilleur accès à leurs substrats.

Enzyme cocktails, such as Rovabio®, which is rich of hydrolytic enzymes are used as feed additives to favor degradation of non-starch polysaccharides present in wheat, a major feed in poultry industry. The deconstruction mechanism of wheat bran, part of the seed mainly composed of fiber, is still fairly unclear. This PhD aims to highlight these mechanisms using a multi-instrumented bioreactor that allowed to combine in-situ physical and ex-situ biochemical analyses. This multiscale approach stands as an alternative and original approach which is rarely considered in animal nutrition. This work highlights that Rovabio® action occurred in two concurrent process, namely fragmentation and solubilization phenomena which take place within the first 2 h after addition of the enzyme cocktail. It is then followed by a particle fragmentation which was not accompanied by any sugars solubilization. Thus, in spite of the abundant and very active hydrolytic enzyme activities in Rovabio®, the deconstruction of destarched wheat bran was however limited to 37% of w/w. At variance to Rovabio®, xylanase added alone was capable of solubilization activity (same final release of xylose and arabinose) but the fragmentation was much weaker by only disorganizing the fibrous network and hence led to particle disaggregation. Altogether, these results confirmed the importance of the enzyme mixtures which act in a synergistic manner to readily solubilize wheat bran. Our results also indicated that the limitation of Rovabio® action upon wheat bran degradation may come from physical inaccessibility of the substrate as it could be partially overcome by enhancing the substrate specific surface by a mechanical treatment and/or due to some missing or limiting enzyme activity as shown by a slight increase in solubilization following addition of some pectinases cocktails that are poorly represented in Rovabio®. Nevertheless, these complementary actions were still insufficient for complete hydrolysis of wheat bran. To conclude, this work draws attention to plant cell wall-deconstructing enzymes or active proteins which are able to attack the biomass minor structures and disorganize its network in order to increase substrate accessibility to enzymes that cleave backbone structures.