Rôle de la micelle de caséine sur la dénaturation thermique des solutions de protéines de lactosérum et les mécanismes d'encrassement

Role of casein micelle on the thermal denaturation of whey protein solutions and fouling mechanisms

• Auteur / Autrice : Weiji Liu
• Direction : Guillaume Delaplace, Xiao Dong Chen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies agroalimentaires, sciences de l'aliment, physiologie
• Date : Soutenance le 22/04/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMET - Unité Matériaux et Transformations
• Jury : Président / Présidente : Maude Jimenez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandro Machietto, Romain Jeantet, Christophe André
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karine Loubière, Luc Fillaudeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Cinétique chimique

Échangeurs de chaleur -- Encrassement

Teneur en calcium

Lactosérum

Caséine

Protéines -- Dénaturation (chimie)

Mots clés libres

Dénaturation thermique

Solutions de caséine/lactosérum

Encrassement en laboratoire/à l'échelle pilote

Bilan de populations des espèces protéiques

Béta-lactoglobuline

Thermal denaturation

Casein/whey solutions

Laboratory/pilot-Scale fouling

Kinetic model

CFD numerical simulation

Population balance of protein species

Résumé

Le présent travail est une contribution pour mieux comprendre l’influence des micelles de caseine sur l’encrassement de solutions de protéines sériques. En particulier, des approches expérimentales et numériques ont été réalisées, à des tailles laboratoires et pilotes, pour décrire les phénomènes de dénaturation et mieux cerner le rôle du calcium dans les mécanismes d’encrassement. Tout d'abord, l'effet du ratio massique caséine / lactosérum sur les performances d'encrassement des protéines de lactosérum a été étudié dans un échangeur à Plaques à l'échelle pilote. La masse totale du dépôt d'encrassement chute d’abord de manière significative avec l'augmentation de la concentration en caséine, atteignant un minimum quand le ratio vaut 0,2. Au-delà de cette valeur, la masse de dépôt réaugmente. La chute de la masse du dépôt, pour un ratio ≤ 0,2, ne semble pas être corrélée à la dénaturation thermique du BLG mais plus probablement due à la modification des interactions minérales introduites par la caséine. L'augmentation de la masse de dépôt, pour un ratio ≥ 0,2, semble être liée à une co-précipitation du complexe BLG-caséine qui augmente l'encrassement. Il est suggéré que la présence de caséine micellaire modifie profondément l'équilibre calcique en solution et que la teneur en nanocluster de Ca-P modifie fortement les interactions entre les espèces protéiques et les minéraux (calcium ionique, Ca-P) affectant ainsi la dénaturation des protéines et la précipitation des minéraux. Un nouveau modèle cinétique concernant le dépliement thermique et l'agrégation de BLG a été établi. Ce modèle est en mesure de justifier la rupture de pente dans le diagramme d'Arrhenius et de fournir des informations thermodynamiques détaillées pour les processus de dépliement et d'agrégation. Sur la base de ce modèle, il a été confirmé que le calcium ionique avait un rôle protecteur sur le dépliement thermique du BLG à basse température. En revanche, à des températures plus élevées, le calcium favorise l'agrégation et la formation d'espèces BLG dépliées. Un dispositif d'encrassement à l'échelle laboratoire a été construit et tester avec des protéines de lactosérum en régime laminaire. Un modèle CFD 3D réaliste a été implémenté simulant à la fois les réactions au cœur du fluide et en surface. Les résultats ont montré une relation linéaire entre le facteur pré-exponentiel et la concentration de calcium, ce qui suggère que l'encrassement nécessite qu’une seule molécule de calcium soit associée à une protéine de BLG. Il est confirmé que le calcium est essentiel à l'encrassement avec des effets significatifs à la fois sur les processus de dénaturation thermique et sur la croissance du dépôt. Enfin, l'effet du ratio caséine / lactosérum sur l'encrassement a été étudié avec un dispositif d'encrassement de laboratoire. Les résultats laboratoires montrent que la caséine réduit l’aptitude à l’encrassement comme déterminé précédemment avec l’installation pilote. Cependant, dans ce cas, l'encrassement reste à un niveau faible y compris pour des ratios élevés (jusqu'à 4). La présence de caséines individuelles dans la phase sérique a été considérée comme responsable de cette atténuation de l'encrassement, probablement par leurs activités de type chaperon. Cependant, quand le pH de la solution d'encrassement est fixé à 6,6, il est démontré que la caséine perd son effet d'atténuation de l'encrassement pour des ratios plus élevés. Ce comportement est lié à sa faible capacité de micelle de caséine à contrôler le calcium ionique dans la phase sérique à un pH plus bas, entraînant une concentration plus élevée en calcium facilitant la dénaturation de la BLG et l'accumulation de dépôts. Une quantité plus faible de caséines dissociées dans la phase sérique à pH 6,6 pourrait aussi expliquer l'augmentation de la masse d'encrassement car elles ne sont pas en concentration suffisantes pour remplir des fonctions de type chaperon.

The present work is a contribution to better understand the influence of casein micelles on the fouling of serum whey protein solutions. In particular, experimental and numerical approaches have been carried out, at laboratory and pilot scales, to describe denaturation phenomena and better understand the role of calcium in fouling mechanisms. First of all, the effect of casein/whey mass ratio on the whey protein fouling performance was investigated in a pilot-scale PHE. The total fouling deposit mass drop significantly with the addition of casein, resulting in a minimum value located at Casein/WPI of 0.2. Exceeding this critical ratio, fouling deposit increased with elevated casein concentrations. The deposit mass drop (Casein/WPI ≤ 0.2) is unlikely to be linked to the thermal denaturation of BLG and is more probably due to the change in mineral interactions introduced by casein. The increased fouling mass (Casein/WPI ≥ 0.2) was attributed to a co-precipitation of BLG-casein complex that enhances the fouling. It is proposed that micellar casein change deeply the calcium balance and the content of CaP nanocluster modifies sharply the interactions which occur between protein species (BLG, caseins) and mineral elements (ionic calcium, Ca-P) thereby affecting the protein denaturation and fouling behavior. A novel kinetic model concerning thermal unfolding and aggregation of BLG was established. This model interprets mathematically the break-slope behavior in the Arrhenius plot and provides detailed thermodynamic information for both unfolding and aggregation processes. Based on this model, it was confirmed that ionic calcium has a protective role on the thermal unfolding of BLG at low temperature. In contrast, at higher temperatures, calcium promotes aggregation and the formation of unfolded BLG species. A bench-scale fouling rig was built to perform whey protein fouling experiments in a laminar regime. A realistic 3D CFD model was achieved to simulate both the bulk and surface reactions. Results showed a linear relationship between the deposition pre-exponential factor and calcium concentration, suggesting the fouling is built in such a pattern that only one calcium ion per BLG molecule is involved. Calcium was confirmed to be essential to fouling growth with significant effects both on the thermal denaturation and deposition processes. Finally, the effect of casein/whey ratio on the whey protein fouling was investigated in the laboratory-scale fouling device. Results revealed a similar effect of casein on fouling mitigation as those found in the pilot plant. However, in this case, the fouling was suppressed and maintained at a low extent even at high Casein/WPI ratios (up to 4). The presence of individual caseins in the serum phase was considered to be responsible for this fouling mitigation probably through their chaperon-like activities. However, when the pH of the fouling solution is set at 6.6, casein is shown to lose its fouling-mitigating effect at higher ratios. This behavior is related to its weak ability of casein micelle to control ionic calcium in the serum phase at lower pH, resulting in higher calcium concentration facilitating BLG denaturation and deposition accumulation. A lower amount of dissociated caseins in the serum phase at pH 6.6 could also explain the increase in fouling mass because they are not in sufficient concentration to perform chaperone-like functions.