Développement de stratégies originales d'extraction des protéines du tourteau de colza pour la production d'isolats par une démarche de modélisation / optimisation multicritères

Development of original strategies for the extraction of protein from rapeseed meal for the production of isolates by modelling and multicriteria optimization

• Auteur / Autrice : Claire Defaix
• Direction : Romain Kapel, Frantz Fournier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés biotechnologiques
• Date : Soutenance le 02/07/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Chevalot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Kapel, Frantz Fournier, Pierre-Yves Pontalier, Françoise Nau, Catherine Azzaro-Pantel, Valérie Lullien
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre-Yves Pontalier, Françoise Nau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extraction (chimie)

Chromatographie en phase liquide

Globulines

Albumines

Protéines végétales dans l'alimentation humaine

Tourteau de colza

Mots clés libres

Tourteau

Protéines

Colza

Albumines

Globulines

Chromatographie

Extraction

Modélisation

Optimisation multicritères

Proteins

Rapeseed

Meal

Albumin

Globulin

Chromatography

Extraction

Modelling

Multicriteria optimization

Résumé

Les protéines sont des nutriments majeurs de l’alimentation : elles sont consommées via l’ingestion de produits qui en sont naturellement riches, ou bien à travers de formulations alimentaires, où les protéines jouent un rôle d’ingrédient. Depuis les années 1980, des recherches sont menées afin de valoriser les protéines du tourteau de colza dans l’alimentation humaine, en tant qu’ingrédient, alors qu’actuellement cette ressource est utilisée pour l’alimentation animale. Dans le cadre d’une démographie mondiale toujours croissante, la valorisation des protéines du colza dans l’alimentation humaine est investiguée comme un moyen de satisfaire les besoins mondiaux en protéines. Le tourteau de colza contient deux types de protéines de stockage, les albumines et les globulines, dont le profil est équilibré en acides aminés soufrés et en lysine. De plus, afin de les utiliser en tant qu’ingrédient, il est important que ces protéines soient solubles et fonctionnelles (formation de mousses, émulsions, gels). Les propriétés physico-chimiques des albumines et des globulines sont différentes, d’où l’intérêt d’en faire deux ingrédients distincts. L’objectif de la thèse a donc consisté au développement de stratégies d’extraction de ces protéines afin de les valoriser en tant qu’ingrédient, avec un grade d’isolat. Pour ce faire, une démarche reposant sur la modélisation via les plans d’expériences, et sur l’optimisation multicritères, via des algorithmes génético-évolutionnaires, a été mise en place afin de mieux appréhender les phénomènes en jeu au cours de l’extraction. La première partie de la thèse a consisté au développement d’une méthode analytique permettant de quantifier individuellement les deux protéines. Cette méthode, par Chromatographie Liquide Haute Performance d’exclusion stérique, est originale et ne nécessite pas de calibration préalable. Il a été validé statistiquement qu’il s’agit d’un substitut viable aux références (Kjeldahl, densitométrie SDS-PAGE). Les procédés classiques sont réalisés en conditions alcalines pour atteindre de hauts rendements d’extraction. Les protéines sont ensuite séparées et purifiées, afin d’obtenir deux isolats aux propriétés fonctionnelles distinctes. Cependant, ces étapes entraînent des pertes non négligeables et des coûts. Ainsi, la deuxième partie de la thèse présente une stratégie reposant sur l’extraction sélective des protéines selon le pH. Les outils de modélisation et d’optimisation ont permis d’identifier des conditions opératoires (pH, ajout de sel) aboutissant à un procédé en deux étapes d’extraction. Deux scénarios ont été envisagés : la production d’un unique isolat, mélange des deux protéines ; ou bien la production de deux isolats, d’albumines et de globulines. Une originalité de ce travail a été de considéré la qualité du tourteau résiduel. A l’issue du procédé, il est très appauvri en protéines et peu valorisable en alimentation animale. C’est pourquoi, dans une troisième partie de la thèse, une nouvelle stratégie a été mise en œuvre pour optimiser l’extraction sélective des albumines à pH acide, afin de générer deux produits : un isolat d’albumines, pour l’alimentation humaine, et un tourteau riche en globulines, pour l’alimentation animale. L’utilisation d’outils de modélisation et d’optimisation multicritères ont permis d’étudier trois facteurs: le pH, la concentration en sel et la température du milieu d’extraction. Des rendements élevés ont été obtenus avec un procédé à 55 °C et l’extraction en conditions optimales a généré des albumines de colza aux propriétés structurales et fonctionnelles, comparables à celles issues d’un procédé à 20 °C. De plus, le tourteau résiduel conserve sa valeur avec un titre en protéines similaire à un tourteau initial, tout en contenant moins d’acide phytique, un antinutritionnel, co-extrait avec les albumines.

Proteins are major nutrients for nutrition: they are consumed by the ingestion of products naturally rich in proteins, or by food formulation, where proteins are ingredients. Since the 1980s, research projects are carried out to increase the value of rapeseed meal and to use its proteins in human nutrition, as an ingredient, instead of being used for animal nutrition only. In the context of the ever-increasing demography, the use of rapeseed protein has been investigated as a mean to fulfill the needs in proteins worldwide. Rapeseed meal is composed of two main storage proteins, albumin and globulin, with an amino acid profile balanced regarding sulfuric and lysine residues. Moreover, to be used as ingredient, it is crucial that these proteins are soluble and functional (to form foams, emulsions, gels). The physico-chemical properties of albumin and globulin are different. That is why, it is of interest to make two distinct ingredients. The main objective of the thesis was to develop strategies to extracts these proteins to use it as ingredients (isolate grade). To do so, an approach based on modelling by design of experiments, and on multicriteria optimization through genetico-evolutionary algorithms, was applied to better understand the phenomenon at play during extraction. The first part of the thesis consisted in the development of an analytical method that would allow the separate quantification of both protein contents. This method, developed by High Performance Liquid Chromatography, Size-Exclusion, is original and is calibrationless. Statistics were used to prove the possible substitution of the reference techniques (Kjeldahl, SDS-PAGE densitometry) by this method. Classical processes of extraction are carried out under alkaline conditions to reach high yields. Then, proteins are separated and purified to give two isolates with distinct functional properties. However, these steps imply non-negligible losses and costs. Hence, the second part of the thesis presents a strategy based on selective extraction of proteins with the pH. Modelling and optimization tools were used to identify operating conditions (pH, salt added) resulting in a two-step process. Two scenarios were considered: the production of a unique isolate, a mix of both proteins; or the production of two isolates, albumin and globulin-rich. An original feature of the work was the consideration of the quality of the residual meal. At the end of this process, the meal is very poor in proteins and thus, has low value for animal nutrition. That is why, the third part of the thesis consisted in developing a new strategy to optimize the selective extraction of albumin at acidic pH, to yield two products: a protein isolate, for human nutrition, and a meal rich in globulins for animal nutrition. Modelling and optimization tools were used to assess the impact of three factors: pH, salt content and temperature of the extraction medium. High yields were obtained at 55°C, and the optimal conditions resulted in rapeseed albumin with comparable properties (functional and structural) than at 20°C. Moreover, the residual meal was still valuable with a protein content similar to the initial meal and with less phytic acid, an antinutritional molecule, co-extracted with albumin.