Approches d'ingénierie pour la santé et le développement durable : structuration des mélanges amidon-protéines pour les applications alimentaires, matérielles et biomédicales

Engineering approaches for health and sustainability: structuring starch-protein mixtures for food, materials and biomedical applications

• Auteur / Autrice : Thomás Vianna
• Direction : Pedro Augusto, Brahim Mazian
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Ohio State University - Columbus
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGPM - Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec

Mots clés

Mots clés libres

Biomatériaux

Extrusion

Amidon

Chitosane

Biomaterials

Extrusion

Starch

Chitosan

Résumé

Cette thèse de doctorat vise à développer des approches d'ingénierie pour faire face à deux défis de la société humaine : l'environnement et la santé. Les biomatériaux à base d'amidon et/ou de protéines peuvent remplacer les plastiques dérivés du pétrole. En utilisant cette approche, les sources renouvelables et les technologies durables peuvent être utilisées avec des gains environnementaux. De plus, les biomatériaux peuvent être dégradés dans des conditions physiologiques. Cette approche peut être intéressante pour les endoprothèses temporaires (comme les stents), c'est-à-dire les dispositifs médicaux utilisés dans des procédures qui nécessitent leur retrait du corps une fois leur rôle rempli. En assemblant des endoprothèses à l'aide de biopolymères naturels, le matériau peut être absorbé par le corps humain, évitant ainsi la nécessité d'une nouvelle intervention chirurgicale - avec des bénéfices pour la santé. Bien que les biomatériaux fabriqués à partir d'amidon et/ou de protéines peuvent remplacer les matériaux traditionnels, leurs performances sont généralement limitées, ce qui nécessite des approches technologiques pour les améliorer. En outre, il existe une demande croissante de substitution des protéines animales dans les aliments par des sources végétales, en raison de préoccupations environnementales ou même sanitaires. Bien que les mélanges protéines-amidon peuvent être utilisés pour réaliser cette substitution, de nouveaux outils d'ingénierie des procédés sont nécessaires pour définir les propriétés nécessaires du produit final. Par exemple, les propriétés mécaniques (texture) des produits obtenus sont des points clés qui doivent être améliorés. Ce projet étudiera et développera des prétraitements physiques et écologiques pour modifier les amidons et les protéines, ainsi que pour structurer leurs mélanges en vue de la production durable d'aliments, de biomatériaux et d'applications biomédicales. Les matériaux seront traités par extrusion, un processus intensif durable et continu bien reconnu. Les produits seront évalués sur la base d'un large éventail de propriétés (physiques, interaction avec différents fluides, y compris la simulation du corps humain, texture), compte tenu des différentes applications. L'équilibre entre une approche scientifique rigoureuse et un potentiel innovant pour résoudre des problèmes sociétaux majeurs fournira des résultats et des solutions technologiques d'importance tant académique qu'industrielle.

This Ph.D. Thesis will develop Engineering approaches to face two challenges of human society: environmental and health. Biomaterials based on starch and/or proteins can substitute petroleum-based plastics. Using this approach, renewable sources and sustainable technologies can be used with environmental gains. Moreover, biomaterials can be degraded in physiological conditions. This can be an interesting approach for temporary endoprosthesis (such as stents), i.e., medical devices are used in procedures with a temporary life time, which require their removal from the body after their role is fulfilled. By assembling endoprosthesis using natural biopolymers, the material can be absorbed by the human body, avoiding the need of a new surgery – with health gains. Although biomaterials made from starch and/or proteins can substitute traditional materials, in general their performance are limited, being necessary technological approaches to enhance them. Moreover, there is a rising demand of substituting animal proteins in foods by vegetable sources, due to environmental or even health concerns. Similarly, although protein-starch mixtures can be used to achieve this substitution, novel process engineering tools are needed to obtain the necessary properties of the final product. For instance, the mechanical properties (texture) of the obtained products are key points that need to be improved. This project will study and develop physical and green pre-treatments to modify starches and proteins, as well as structuring their mixtures towards the sustainable production of foods, biomaterials and biomedical applications. The materials will be processed by extrusion, a well-recognized sustainable intensive process. The products will be evaluated considering a broad screening of properties (physical, interaction with different fluids, including the simulation of the human body, texture), considering the different applications. Balancing a rigorous scientific approach with an innovative potential to solve major societal issues will provide results and technological solutions of both academic and industrial importance.