Etude des relations entre structures et propriétés de films d'arabinoxylanes isolés de co-produits agricoles

par Ying Zhang

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Caroline Rémond.

Soutenue le 01-02-2012

à Reims , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne) .


  • Résumé

    Plus de 40% des matériaux plastiques sont utilisés pour l’emballage. Les principaux polymères sur le marché de l’emballage alimentaire sont les polymères synthétiques d’origine fossile. Du fait de la raréfaction des ressources fossiles, la valorisation des polymères issus de matières premières renouvelables d’origine végétale représente une alternative à l’utilisation des polymères pétro-sourcés. Les hémicelluloses, avec la cellulose et les lignines, sont un composant majeur des ressources lignocellulosiques. Les hémicelluloses constituent des réseaux macromoléculaires denses et peu mobiles qui leur confèrent intrinsèquement d’excellentes propriétés barrières aux gaz. L’objectif de cette thèse est d’isoler les arabinoxylanes (AX) à partir de divers co-produits de céréales (son de blé, paille de blé, rafles de maïs) afin d’étudier l’impact de leurs compositions et de leurs structures sur certaines de leurs propriétés physico-chimiques, après mise en oeuvre sous forme de films pour des applications potentielles dans le domaine de l’emballage alimentaire.Les arabinoxylanes ont été extraits par un procédé alcalin puis séparés en trois fractions en fonction de leur solubilité dans l’eau et dans l’éthanol 50% (v/v). Les trois fractions récupérées (i/ insoluble dans l’eau, ii/soluble dans l’eau et insoluble dans l’éthanol, iii/soluble dans l’eau et soluble dans l’éthanol) présentent un rapport Ara/Xyl croissant avec leur solubilité dans l’eau et dans l’éthanol. Dans le cas du son de blé, les trois fractions présentent des masses moléculaires similaires mais se distinguent par différents degrés de substitution et divers types de substitutions de la chaîne principale de xylanes. L’étude des propriétés physico-chimiques de films formés par ces trois fractions ont permis d’établir une corrélation entre le degré de substitution et leurs propriétés sous forme de films. La morphologie cristalline, la mobilité des chaînes etl’hydratation des films de xylanes sont corrélés avec les taux de substitution des AX. Lorsque le taux d’Ara/Xyl diminue, le film est plus cristallin, la mobilité locale augmente alors que la mobilité globale diminue, la teneur en eau diminue à haute humidité relative (de 67% à 60% à 90%HR), la perméabilité et la diffusivité à l’oxygène diminue. L’étude des trois fractions insolubles dans l’eau isolée à partir de son de blé,de paille de blé et de rafles de maïs a révélé que les propriétés des films sont également affectées par la longueur des chaînes de xylanes et par leur conformation moléculaire ainsi que par la teneur des substituants tels que les acides uroniques. Des nanocharges (nanocristaux de cellulose de linters de coton) sont utilisées(5 ou 10% p/p) pour renforcer les films formés par les fractions d’AX de son de blé. L’incorporation des nanocristaux au sein des films n’a pas provoqué de modification du degré de cristallinité. Par contre, la teneur en eau à haute humidité relative est diminuée. La mobilité locale des chaînes d’AX est réduite indiquant l’existence d’interactions entre les nanocristaux et les AX alors que la mobilité globale des chaînes n’est pas modifiée. L’effet du renforcement semble être plus intense pour la fraction AX la plus substituée par les groupements arabinosyl.


  • Résumé

    There are more than 40% of plastics used for packaging. The main polymers in the food packaging market are synthetic polymers from fossil resource. Due to limited fossil resources on our planet, the development of renewable raw materials derived from plant is required to have an alternative to synthesized polymers from petroleum sources. Hemicelluloses, with cellulose and lignin, are a majorc omponent of lignocellulosic resources which display dense and low-mobility macromolecular networks making them have excellent gas barrier properties. The aim of this thesis is to isolate arabinoxylans (AX)from the various cereals co-products such as wheat bran, wheat straw and corn cob, in order to study the impact of their compositions and structures on several physicochemical properties of AX based films for potential food packaging application. The alkaline solution is used to extract arabinoxylans, and a step of fractionation is used to separate the different populations AX according to their solubility in water and in ethanol 50% (v/v). Three fractions were finally obtained (i) water insoluble, ii) water soluble-ethanol insoluble and iii) water ethanol soluble) displaying the increasing ratios Ara/Xyl with increasing solubility in water and in ethanol. The three fractions of wheat bran have similar molar masses, different substitution degrees and patterns. The results about the films physicochemical properties based on theset hree fractions could be established a relationship between the substitution degree and their films properties. The film morphology, the chain mobility, the water sorption behavior at high relative humidity and the coefficient permeability and diffusivity of oxygen could be correlated with the degree of substitution. When the Ara/Xyl ratio decreases, the film is more crystalline, the local chain mobilityincreases whereas the global chain mobility decreases, water content at high relative humidity decreases and the oxygen permeability and diffusivity decreases. The AX has different substitution patterns and molar masses according to their botanical origins. The study of three water-insoluble fractions isolated from three cereal co-products reveals that the film properties could be also affected by chain length, theamounts of other substituents such as uronic acids and their molecular conformations. The nanofillers(cellulose nanocrystals of cotton linters) are used in order to enhance the films properties based on threeAX fractions of wheat bran (5 or 10% w/w). The incorporation of nanocrystals in the films does not change in the crystalinity degree; whereas the water content at high relative humidity is decreased; the local chain mobility of AX is reduced indicating the existence of interactions between the nanocrystals and AX while the global chain mobility is almost unchanged. The reinforcement effect seems to be more intense for the most substituted AX by arabinosyl groups.


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