Les écailles de poissons téléostéens en tant que co-produits à fort potentiel : caractérisation approfondie et développement d'une technologie verte innovante pour l'extraction de fibres de collagène.

characterization and development of innovative green technology for colTeleost fish scales as high-value by-products: in-depthlagen fiber extraction.

• Auteur / Autrice : Arnaud Petitpas
• Direction : Susana De matos fernandes
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie polymères
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux
• Jury : Président / Présidente : Chirstophe Derail
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Susana De matos fernandes, Koro De la caba, Philippe Evon, Emilie Pouget, Laurent Rubatat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Koro De la caba, Philippe Evon

Mots clés

Mots clés libres

Collagène

Écailles

Extraction

Poisson

Eco-friendly

Biosourcé

Collagen

Scales

Extraction

Fish

Eco-friendly

Biosourced

Résumé

Le rapport de 2022 de l'Organisation des Nations unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO) estime que 70 % du total du poisson transformé est actuellement jeté en tant que biodéchets. Alors qu'une partie est utilisée comme nourriture pour animaux de compagnie ou à des fins agricoles par exemple, les écailles de poisson représentent une part importante des co-produits non valorisés. Afin de comprendre comment valoriser ce co-produit à son plein potentiel, des études approfondies sur sa structure et sa composition sont nécessaires. Dans cette étude, nous avons décidé de concentrer notre recherche sur trois espèces différentes de poissons téléostéens qui sont toutes présentes dans le top 10 des poissons les plus capturés au monde dans leurs catégories : la sardine (Sardina pilchardus), le saumon (Salmo salar) et le tilapia (Oreochromis niloticus). Une caractérisation approfondie de leurs propriétés physico-chimiques a été réalisée à l'aide de l'analyse thermogravimétrique, de la spectroscopie infrarouge, de la microscopie électronique couplée à la spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (SEM-EDX, STEM), de la tomographie à rayons X, et de la diffusion synchrotron des rayons X aux petits angles et aux grands angles (SAXS/WAXS). Les études morphologiques ont mis en lumière les similitudes et les différences des trois espèces étudiées. Principalement, il a été défini que les écailles étaient composées de particules minérales de phosphate de calcium sous forme d'hydroxyapatite et de fibres de collagène de type I avec un D-spacing de 64,32 nm, 64,37 nm et 63,84 nm pour les écailles de sardine, de saumon et de tilapia, respectivement. Les écailles de sardine et de tilapia étaient les plus minéralisées avec respectivement 51,7% et 33,9% de matière inorganique, et des traces de carbonate de calcium ont été détectées. La distribution des minéraux au sein des écailles s'est révélée être principalement au niveau de la couche externe. La structure interne en multicouche a été observée pour tous les échantillons et il a été défini que l'angle de rotation des lamelles n'était pas homogène au sein de la même écaille de poisson comme cela a été rapporté pour d'autres matériaux biologiques de type Bouligand. Dans l'ensemble, la structure stratifiée bicomposée assez simple des écailles de téléostéens (et en particulier des écailles de saumon) est la principale raison pour laquelle il a été possible de concevoir un nouveau dispositif d'extraction mécanique sans solvant pour la récupération des molécules d'intérêt des écailles. Par la seule action mécanique, des fibres de collagène natif ont été produites à une échelle jamais atteinte pour des écailles de poisson. Enfin, une caractérisation complète des produits finaux a été réalisée dans le but de mettre en évidence le potentiel et l'intérêt de ces fibres de collagène natives en tant que matériaux ou produits semi-finis qui pourraient être d'une grande valeur pour des industries telles que la cosmétique, la biomédecine ou la nutraceutique. Pour ce faire, des analyses de dichroïsme circulaire (CD), de composition en acides aminés, d'électrophorèse sur gel (SDS-PAGE) et de cytotoxicité ont été réalisées à la fois sur les fibres de collagène natives et sur les molécules de collagène solubles dans l’acide qui peuvent être obtenues à partir d'elles. La signature typique du collagène de type I a été obtenue pour toutes les produits extraites. Enfin, une nouvelle voie de valorisation entièrement physique a été étudiée, car cette technologie pourrait ouvrir de nouvelles voies pour la récupération de biomolécules à fortes demandes sans nécessiter l'utilisation de produits chimiques nocifs. Pour ce faire, des bains ultrasoniques et des traitements d'homogénéisation à haut cisaillement ont été effectués sur les fibres de collagène dispersées dans de l'eau distillée. Des nanofibrilles de collagène natif ont ainsi été obtenues avec succès sans aucune dénaturation.

The UN’s 2022 Food and Agriculture Organization report estimates that 70% of the total processed fish is currently discarded as biowaste. While a part of it is used as pet food or for agricultural purposes for example, fish scales represent a significant part of the non-valorized by-products. In order to understand how to valorize this by-product at its full potential, in-depth studies about its structure and composition are necessary. In the present work, we decided to focus our research on three species of teleost fish that are all present in the top 10 of the most caught fish in the world in their categories: sardine (Sardina pilchardus), salmon (Salmo salar) and tilapia (Oreochromis niloticus). A thorough characterization of their physicochemical properties has been done using thermogravimetric analysis, infrared spectroscopy, electron microscopy coupled with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX, STEM), X-ray tomography, synchrotron-based Small-Angle and Wide-Angle X-ray Scattering (SAXS/WAXS). Morphological assessments highlighted the similarities and differences of the three species studied. Mainly, it was defined that the scales were composed of calcium phosphate mineral particles in the form of hydroxyapatite and type I collagen fibers with a D-spacing of 64.32 nm, 64.37 nm et 63.84 nm for sardine, salmon and tilapia scales, respectively. The sardine and tilapia scales were the most mineralized with 51.7% and 33.9% of inorganic content, respectively, and traces of calcium carbonate were detected. Mineral distribution within the scales was revealed to mainly be at the external layer. The peculiar plywood-like multi-layered internal structure was observed for all samples and it was defined that the lamellae rotation angle was not homogenous throughout the same fish scale like it was reported for other Bouligand-type biological materials. Overall, the rather simple layered bi-component structure of teleost scales (and especially salmon scales) is the main reason why it was possible to design a novel solvent-free mechanical extraction device for the recovery of molecules of interest composing the scales. Through mechanical actions only, native collagen fibers have been produced at a scale never achieved before for fish scales. Finally, a complete characterization of the final products was realized with the objective of highlight the potential and interest of such native collagen fibers as materials or as semi-finished products that could be of great value for other industries such as cosmetic, biomedical, or nutraceutical. In such, circular dichroism (CD), amino acid composition, gel electrophoresis (SDS-PAGE) and cytotoxicity analyses have been carried out in both the native collagen fibers and the acid-soluble collagen molecules that can be obtained from the first. Typical type I collagen signature has been obtained for all the extracted products. In the end, a new all-physical valorization pathway was investigated because such technology could open new avenues for the recovery of high-demand biomolecules without requiring the use of harmful chemicals. To do so, ultrasonic bath and high-shear homogenization treatments were performed on the collagen fibers dispersed in distilled water. Native collagen nanofibrils were successfully obtained without any denaturation.