Compréhension et modélisation des transitions de phase de l'amidon et des protéines lors de l'opération de trempage−cuisson des légumineuses pour piloter la digestibilité des protéines

Understanding and modeling of the phase transitions of starch and proteins during the soaking−cooking of pulses to predict the protein digestibility.

• Auteur / Autrice : Charlotte Lefevre
• Direction : Philippe Bohuon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et physicochimie alimentaires
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Qualisud (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Trystram
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Bohuon, Gilles Trystram, Guy Della Valle, Paul Menut, Tiphaine Lucas, Christian Mestres
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guy Della Valle, Paul Menut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diagrammes de phases

Digestion

Protéines

Fabacées

Mots clés libres

Légumineuse

Gélatinisation

Protéines

Diagramme de phases

Transfert d'eau

Digestibilité

Legumes

Gelatinization

Protein

Phase diagram

Water transfer

Digestbility

Résumé

Les légumineuses possèdent d’importantes qualités nutritionnelles, de par leurs fortes teneurs en protéines et en amidon. Elles participent à une alimentation bas carbone, saine et abordable. Lors de la transformation des légumineuses par les opérations de trempage et de cuisson, le comportement et la qualité finale des légumineuses dépendent essentiellement des transferts d’eau. Ces transferts d’eau sont gouvernés par de multiples évènements thermiques liés à l’amidon (gélatinisation, fusion) et aux protéines (dénaturations), qui modifient l’affinité de l’eau à ces macromolécules. Ces travaux de recherche ont pour objectifs i) de mieux comprendre les processus physicochimiques et les transferts d’eau engagés lors de la cuisson des légumineuses ii) d’identifier les voies d’amélioration de la digestibilité de protéines, réputée nettement plus faible que celle des protéines animales. Trois légumineuses (lentille verte, pois chiche, haricot blanc) aux caractéristiques distinctes ont été sélectionnées. Ces légumineuses ont été broyées pour obtenir des farines et aussi turbo-séparées pour récupérer des farines enrichies en amidon (pureté > 92 % bs) et protéines−fibres (pureté > 60 % bs). Ces farines équilibrées sur une gamme large de teneur en eau (0.2 à 4.0 kg/kg bs) ont été analysées par calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Un traitement numérique d’ajustement Gaussien du signal DSC a été développé. Cette désommation a permis de caractériser les transitions de phase de la gélatinisation et fusion de l’amidon et la dénaturation de la viciline et de la légumine. Une modélisation des diagrammes de phases binaires eau/amidon et eau/protéines−fibres a été développée. Cette modélisation a révélé une fusion de l’amidon même en excès d’eau. Les diagrammes de phases binaires eau/amidon issus des trois légumineuses sont similaires, contrairement aux diagrammes de phases eau/protéines−fibres. L’agrégation des diagrammes de phases (eau/amidon et eau/protéines−fibres) a permis par ajustement de représenter le comportement du système ternaire eau/amidon/protéines−fibres et de proposer une répartition de l’eau entre l’amidon et les protéines−fibres. Par exemple pour le pois chiche et le haricot, la quantité d’eau attribuée à l’amidon passe de moins de 10 % de l’eau totale à 35−45 % en fin de cuisson. Les mesures de biodisponibilité in vitro des protéines dans des conditions contrastées ont montré le faible degré de libertés du procédé (trempage, cuisson) pour accroitre la digestibilité des protéines de seulement 4 %. Les résultats de ces travaux sont parvenus à modéliser les états d’équilibre eau/amidon/protéines−fibres et faciliteront la représentation de modèle dynamique de transfert d’eau dans les légumineuses lors des opérations de trempage et de cuisson.

Pulses have important nutritional qualities, due to their high protein and starch contents. They contribute to a low carbon, healthy and affordable diet. During the processing of legumes by soaking and cooking operations, the behavior and final quality of legumes mainly depend on water transfers. These water transfers are governed by multiple thermal events related to starch (gelatinization, melting) and proteins (denaturations), which modify the affinity of water for these macromolecules. The objectives of this research are i) to better understand the physicochemical processes and the water transfers involved in the cooking of legumes ii) to identify some ways of improving the protein digestibility, which is considered to be much lower than that from animal proteins. Three legumes (green lentil, chickpea, navy bean) with distinct characteristics were selected. These legumes were milled to obtain flours and also turbo-separated to recover starch enriched flour (purity > 92 % db) and protein−fiber enriched flour (purity > 60 % db). These flours were equilibrated over a wide range of moisture content (0.2 to 4.0 kg/kg bs) and analyzed by differential scanning calorimetry (DSC). A Gaussian fitting of the DSC signal was developed. This desummation allowed to characterize the phase transitions of gelatinization and melting of starch and the denaturation of both vicilin and legumin. A modeling of the binary phase diagrams water/starch and water/protein−fiber was developed. This modeling revealed the starch melting even in excess of water. The binary water/starch phase diagrams from the three pulses are similar, unlike the water/protein−fiber phase diagrams. The aggregation of the phase diagrams (water/starch and water/protein−fiber) allowed to represent the behavior of the ternary system water/starch/protein−fiber and to propose a repartition of water between starch and protein−fiber. For example, for chickpea and bean, the amount of water attributed to starch increases from less than 10 % of total water to 35−45 % at the end of cooking. Measurements of in vitro protein digestibility under contrasting conditions revealed the low degree of freedom of the process (soaking, cooking) to increase protein digestibility by only 4 %. The results of this work were able to model the water/starch/protein−fiber equilibrium states and will facilitate the representation of dynamic model of water transfers in legumes during soaking and cooking.