Contribution des nanostructures dans les agrégats protéiques et d’émulsions stabilisées par des protéines en vue de la protection de vitamine

par Rizwan Shukat

Thèse de doctorat en Sciences et Procédés des Aliments et Bioproduits

Sous la direction de Perla Relkin.

Le président du jury était Gilles Trystram.

Le jury était composé de Perla Relkin, Claudie Bourgaux, Florian Meneau.

Les rapporteurs étaient Alain Buléon, Joël Scher.


  • Résumé

    Nous avons cherché à évaluer l'impact de conditions opératoires pour la préparation d'agrégats protéiques et d'émulsions stabilisées par des protéines en vue de la protection de l'α-tocopherol, servant de modèle de molécules d'intérêt, hydrophobes et sensibles. Les matrices protéiques ont été formées à partir d'un concentrat de protéines de lactosérum (6 wt% de WPC, pH 6.5 et 65 à 75°C), en présence ou absence de 4% α-tocopherol. Le mélange (65°C -15 min) des protéines en solution sans ou avec α-tocopherol a donné lieu à la formation de particules avec modification de charge (de -42 à -51 mV) et de taille (de 183 à 397 nm). Ces paramètres ont diminué davantage sous l'effet d'homogénéisation sous haute pression à 1200 bar que à 300 bar, alors qu'une meilleure protection de l'α-tocopherol a été observée après 8 semaines conservation. Les mécanismes impliqués dans la formation des matrices protéiques correspondantes ont été décrits sur la base de procédés de dénaturation-agrégation de protéines sériques, à partir de résultats obtenus par calorimétrie différentielle à balayage (DSC), spectrofluorescence, diffusion multiple de la lumière et électrophorèse SDS-PAGE. Les matrices lipidiques ont été préparées à partir de phases aqueuses contenant (6 wt% or 3 wt% de WPC) et lipidiques (20 %) en présence ou absence de lécithines (1.5%) avec ou sans α-tocopherol (4%), et par application d'une première étape de dispersion (65°C - 15 min) suivie d'une homogénéisation sous pression à 300 ou 1200 bar. Les nanoparticles lipidiques formées à plus haute pression étaient de taille et concentration protéique de surface plus faibles et de degré d'encapsulation de l'α-tocopherol plus faible (près de 15 %). L'analyse par DSC en modes balayage et isothermes des particules lipidiques a montré que plus leur taille est faible, plus le sur-refroidissement est important, l'apparition des cristaux de matière grasse plus retardée, et leur développement à 4°C moins important. Ces effets sont accentués dans les gouttelettes contenant l'α-tocopherol. La diffraction aux grands et petits angles de rayons X (synchrotron Soleil), couplée à la DSC, a montré la co-existence des polymorphes 2Lα, 2Lβ' et 2Lβ dans toutes les émulsions, mais à des proportions différentes. Les cristaux 2Lβ étaient plus développés dans les gouttelettes de plus petite taille et contenant du tocopherol en présence de lécithins, celles qui présentaient la plus forte dégradation chimique d'α-tocopherol pendant une conservation à long-terme.

  • Titre traduit

    Contribution of nanostructures in protein aggregates and protein-stabilized lipid nanoparticles for vitamin protection


  • Résumé

    We investigated effects of processing conditions for the preparation of protein aggregates and protein-stabilized lipid droplets, as matrix carriers of sensitive lipophilic bioactive compounds, with α-tocopherol as a model. Protein-based matrices were formed from whey protein concentrate (6 wt% WPC, pH 6.5 and 65 to 75°C), in presence or absence of 4% α-tocopherol. Mixing the protein solutions without or with α-tocopherol (65°C for 15 min) led to changes in particle surface charges (from -42 to -51 mV) and sizes (from 183 to 397 nm). These parameters decreased more under further high pressure homogenisation at 1200 bar than 300 bar, in parallel with increased vitamin protection over 8 week's storage. Molecular mechanisms involved in formation of corresponding α-tocopherol-loaded protein matrix were described on the basis of heat- and high-pressure-induced whey protein denaturation and aggregation, as evidenced by differential scanning calorimetry (DSC), spectrofluorescence, multi-light scattering and SDS-PAGE electrophoretic patterns. Lipid-based matrices were developed from aqueous phases (80 wt%) containing WPC (6 wt% or 3 wt%) and lipid phases (20 wt%) in presence or absence of lecithins and/or 4% α-tocopherol, and by using a first dispersion step (65°C for 15 min) followed with HPH at 300 or 1200 bar. Our results showed that increasing HPH was accompanied by formation of lipid nanoparticles with decreasing size and protein surface concentration with an increase in α-tocopherol degradation (up to 15 wt% for 1200 bar). DSC in scanning and isothermal modes showed that reduction in lipid droplet size was accompanied by retardation in crystalline fat development under storage at 4°C, with further reduction in crystalline fat development along with further increase in supercooling for lipid droplets containing α-tocopherol. Fat polymorphism observed using time-resolved synchrotron X-ray scattering at wide and small angles (WAXS and SAXS) coupled with DSC, showed co-existence of 2Lα, 2Lβ' and 2Lβ polymorphs in all the emulsions, but at different proportions. It was observed that 2Lβ polymorphs were more prominent in lipid droplets with lower size and containing α-tocopherol in presence of lecithins that were shown to present the lowest long-term stability of α-tocopherol against chemical degradation.


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