Hydrogels de caséine : interaction avec les molécules bioactives et les protéines végétales

Casein hydrogels : Interaction with bioactive compounds and vegetable proteins

• Auteur / Autrice : Luis Gustavo Lima Nascimento
• Direction : Guillaume Delaplace, Antonio Fernandes de Carvalho
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies agroalimentaires, sciences de l'aliment, physiologie
• Date : Soutenance le 29/08/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....) en cotutelle avec Universidade Federal de Viçosa (Brésil)
• 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 : Alvaro Vianna Novaes de Carvalho Teixeira
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paulo Eduardo Peres de Sá Peixoto Júnior, Federico Casanova, Evandro Martins, Juliana Vallé Costa Silva
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Lechevalier, Guilherme Miranda Tavares

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ultrasons

Transglutaminase

Gélification

Biomolécules actives

Protéines végétales dans l'alimentation humaine

Caséine

Rhéologie

Propriétés physico-chimiques

Hydrocolloïdes

Mots clés libres

Protéine de pois

Casein

Physico-Chemistry

Hydrogels

Résumé

Les hydrogels sont des réseaux tridimensionnels capables de retenir une grande quantité d'eau. Ils peuvent être formés à partir d'une large gamme de polymères, seuls ou en combinaison, et ont différentes applications en fonction de leur composition et de leurs caractéristiques rhéologiques. Dans l'industrie alimentaire, les hydrogels sont principalement conçus pour fonctionner comme un système porteur de composés bioactifs, ou pour adapter la texture et la rétention d'eau des aliments. La facilité de modulation de la structure et des interactions des micelles de caséine (CM) par l'application de traitements physiques, chimiques ou enzymatiques en font une excellente matrice protéique pour la formulation d'hydrogels. En raison de la bonne digestibilité des caséines, l'utilisation de MC peut être particulièrement intéressante dans le transport de bioactifs par ingestion orale. De plus, l'utilisation d'hydrogels de caséine peut également être un moyen d'incorporer davantage de protéines végétales dans l'alimentation humaine. Les mélanges de protéines végétales avec de la caséine ont été considérés comme une alternative plus durable à un régime basé principalement sur des protéines animales. Car, avec le mélange, les inconvénients des produits à base de protéines végétales pures, tels que le goût de haricot et la faible solubilité, peuvent potentiellement être atténués par la présence de caséines. Cependant, les interactions des CM avec des micromolécules telles que des composés bioactifs ou des macromolécules telles que des protéines, peuvent modifier les caractéristiques du gel. Ainsi, cette étude a proposé l'utilisation de l'hydrogel à base de caséine dans deux applications distinctes: i. en association avec des composés bioactifs extraits du Jabuticaba, utilisant la transglutaminase pour moduler la microstructure des gels; ii. en association avec des protéines de petit pois, dans des proportions différentes, soumises à des conditions de procédé habituellement appliquées dans l'industrie alimentaire telles que le traitement thermique et l'acidification. Aussi, des ultrasons de haute intensité ont également été appliqués pour améliorer les propriétés gélifiantes des systèmes mixtes de CMs : petit pois. L'ajout de l'extrait bioactif dans les gels a diminué l'élasticité du gel et augmenté la taille des pores. Cependant, ces effets ont été contrebalancés en utilisant la transglutaminase comme agent de réticulation, qui pourrait moduler la libération des extraits bioactifs du gel. Dans les systèmes CMs : protéines de petit pois, le traitement thermique a augmenté l'élasticité des systèmes avec un impact plus important dans les systèmes avec plus de protéines de petit pois. Le renforcement du réseau est causé principalement par des interactions physiques entre les protéines de petit pois. Les liaisons disulfure n'apparaissant qu'entre les protéines de la même source. Au cours de l'acidification, le remplacement de 20 et 40 % des CMs par des protéines de petit pois a provoqué des perturbations dans les premiers stades de formation du réseau tridimensionnel des CMs. Cependant, les élasticités finales des gels étaient plus élevées que dans le gel pur de MC, en raison de la gélification des protéines de petit pois. En général, les protéines de différentes sources forment des réseaux protéiques indépendants, même à des concentrations élevées. Malgré l'interaction réduite entre les CMs et les protéines de petit pois, leur distribution dans le gel est responsable de la modulation de la rigidité finale. De plus, l'application d'ultrasons de haute intensité dans les suspensions mixtes a augmenté l'élasticité des gels acides jusqu'à 10 fois, selon le rapport protéique. Cette étude montre que l'association des CMs avec des molécules bioactives ou des protéines de petit pois dans des systèmes gélifiés a le potentiel pour le développement d'aliments fonctionnels ou d'aliments aux caractéristiques rhéologiques totalement nouvelles.

Hydrogels are three-dimensional networks able to entrap a high amount of water. They can be formed by a wide range of polymers alone or in combination and have different applications depending on their composition and rheological features such as in tissue engineering, drug delivery, or food application. In the food industry, hydrogels are mainly designed to work as a carrier system of bioactive compounds or to tailor the texture, mouthfeel, and water retention of foods. The facility to modulate Casein micelles (CMs) structure and interactions by application of physical, chemical, or enzymatic treatments, makes it an excellent protein matrix for the hydrogel's formulation. Because of the good digestibility of caseins, the use of CMs can be particularly valuable to deliver bioactive by oral ingestion. Moreover, the use of casein hydrogels can be also a way to incorporate more plant proteins into human food. The mixtures of plant proteins with caseins have been viewed as a more sustainable alternative to a diet based mainly on animal proteins. Since, in the mixture, the drawbacks of pure plant protein products, such as beany taste and low solubility, could be potentially diminished by the presence of caseins. Nevertheless, the CMs' interactions with micro molecules such as bioactive compounds or macromolecules such as proteins can alter the features of the gel. Thus, this study proposed the utilization of casein-based hydrogel in two distinct applications, i. in association with bioactive compounds extracted from Jabuticaba fruit with the use of transglutaminase for modulation of gels' microstructure and ii. in association with pea proteins (in different ratios) submitted to process conditions usually applied in the food industry such as thermal treatment and acidification, in addition, high-intensity ultrasounds also were applied to improve the gelling properties of the mixed systems of CMs: pea. The addition of the bioactive extract in the gels decreased the gel elasticity and increase the pore sizes. However, these effects were contra-balanced by using transglutaminase as the crosslinking agent, which could modulate the release of the bioactive extracts from the gel. In the CMs: pea proteins systems, the heat treatment increased the elasticity of the systems with a higher impact in the systems with more pea protein. The network reinforcement is caused mainly by physical interactions between pea proteins, with disulfide bonds occurring only between proteins of the same source. During acidification, the replacement of 20 and 40% of CMs for pea protein disturbed the initial steps of CMs network formation, however, the final gel elasticity was higher than pure CMs gel due to the formation of the pea's network. In general, the proteins of different sources form independent protein networks even in high concentrations. Despite the reduced interaction between CMs and pea proteins, their distribution in the gel is responsible for modulating the final stiffness. In addition, the application of high-intensity ultrasound in the mixed suspensions increased the elasticity of the acid gels up to 10 times, depending on the protein ratio. This study shows that the association of CMs with bioactive molecules or pea proteins in gelled systems has the potential for the development of functional foods or foods with totally new rheological features.