Structuration de protéines végétales: Une approche de physique de la matière molle pour la conception d'aliments durables

Structuration of plant proteins: a soft matter approach for the design of sustainable food products

• Auteur / Autrice : Jean-Gabriel Pichon
• Direction : Laurence Ramos
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 12/12/2025
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2C - Laboratoire Charles Coulomb
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe de Recherche Matière Molle et Verres
• Jury : Président / Présidente : Catherine Barentin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Ramos, Arnaud Saint-jalmes, Denis Gunez, Amélie Banc, Martin In, Adeline Boire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Saint-jalmes, Denis Gunez

Mots clés

Mots clés libres

Matière molle

Rhéologie

Protéines végétales

Gel

Diffusion de rayonnement

Biopolymère

Plant proteins

Soft matter

Rheology

Gels

Biopolymer

Scattering techniques

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions la gélification de dispersions de deux types de protéines végétales alimentaires: les protéines du gluten de blé et les protéines de pomme de terre. Les dispersions de protéines de gluten présentent une gélification spontanée dans le temps tout en demeurant proche de l’état critique, qui caractérise la transition entre l’état liquide et l’état solide. La réponse mécanique de ces échantillons à une succession de grandes déformations entrecoupées de phases de relaxation a été étudiée au cours de l’avancement de la gélification. A l’approche du point de gel, une réponse singulière a été identifiée lors de la première sollicitation des échantillons. Lors d’une marche de cisaillement, le gluten se met en écoulement à la suite d’un durcissement induit par de très grandes déformations. Ce rhéo-durcissement disparaît lors des sollicitations suivantes, mais réapparaît après de longues périodes de repos de l’échantillon, montrant la capacité de cicatrisation du gluten. Une densification du réseau induite par une succession de cycle de cisaillement de grande amplitude est également observée, montrant le caractère dynamique du gel. Les protéines de pomme de terre quant à elles, peuvent gélifier sous l’effet d’une acidification ou d’un traitement thermique de solutions colloïdales. La diminution de pH, réduisant les répulsions électrostatiques, conduit à de l’agrégation, voire de la gélification accompagnée parfois de synérèse pour des concentrations suffisamment élevées. Diverses cinétiques sont observées selon le pH, mais aucun état stationnaire n’est atteint dans ces conditions. En revanche, divers états de gel stables peuvent être obtenus de manière contrôlée par gélification thermo-induite. Nous avons ainsi pu étudier l’impact de la proximité du point de gel sur les propriétés mécaniques des gels dans les régimes linéaires et non linéaires. Une extensibilité accrue, accompagnée de rhéo-durcissement, a ainsi pu être identifiée à proximité du point de gel, quel que soit le mode de gélification. Malgré des différences structurales remarquables entre les 2 types de protéines, protéines intrinsèquement désordonnées pour le gluten, et globulaires pour les protéines de pomme de terre, il apparaît que la proximité au point de gel soit un critère important à prendre en considération pour piloter la réponse mécanique des gels à des déformations de faible ou de grande amplitude, qui sont pertinentes pour des applications telles que le pétrissage, la stabilisation des bulles de gaz dans les pâtes ou la mastication d’un gel alimentaire.

In this thesis, we investigate the gelation of dispersions of two types of plant-based food proteins: wheat gluten proteins and potato proteins. Gluten protein dispersions undergo spontaneous gelation over time while remaining close to the critical state that characterizes the transition between the liquid and solid states. The mechanical response of these samples to a series of large deformations interspersed with relaxation phases was studied throughout the gelation process. As the gel point is approached, a singular response was identified during the first deformation of the samples. During a start-up shear, gluten starts to flow following a hardening induced by very large deformations. This strain hardening behavior disappears during subsequent deformations but reappears after long rest periods, revealing the self-healing ability of gluten. A densification of the network induced by successive large-amplitude shear cycles was also observed, highlighting the dynamic nature of the gel. Potato proteins, on the other hand, can gel through acidification or thermal treatment of colloidal solutions. Lowering the pH reduces electrostatic repulsions, leading to aggregation or even gelation, sometimes accompanied by syneresis at sufficiently high concentrations. Various kinetics are observed depending on the pH, but no steady state is reached under these conditions. In contrast, different stable gel states can be obtained in a controlled manner through thermo-induced gelation. We were thus able to study the impact of the proximity to the gel point on the mechanical properties of the gels in both linear and nonlinear regimes. Increased extensibility, accompanied by strain hardening, was identified near the gel point, regardless of the gelation pathway. Despite remarkable structural differences between the two types of proteins — intrinsically disordered proteins for gluten and globular proteins for potato — it appears that proximity to the gel point is an important criterion to consider for controlling the mechanical response of gels under small or large deformations. This is relevant for applications such as kneading, stabilizing gas bubbles in dough, or chewing a food gel.