From grain to granule : the biomechanics of wheat grain fractionation with a focus on the role of starch granules

par Karsta Heinze

Thèse de doctorat en Physique

Soutenue le 24-11-2017

à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Du grain au granule : biomécanique du fractionnement du grain de blé en mettant l'accent sur le rôle des granules d'amidon


  • Résumé

    La culture du blé est l’une des plus importantes au monde. Le grain de blé est un matériau composite naturel dont la majeure partie est constituée d’albumen amylacé formé d’un assemblage compact de granules d’amidons (glucides) enchâssés dans une matrice protéique (gluten). Pour obtenir des produits comme la farine, la structure de l'albumen doit être fragmentée en broyant les grains sous des fortes contraintes. La quantité et la qualité des produits obtenus dépendent du comportement de l’albumen à la fragmentation. En raison de sa nature composite, le comportement rhéologique du grain est tributaires des propriétés mécaniques des phases qui le composent (granules, gluten, pores), de leurs interactions, ainsi que de leur distribution spatiale. Les granules d’amidons sont de formes relativement sphériques et de tailles micrométriques, tandis que les protéines sont organisées en un réseau entourant les granules. L'interaction entre l'amidon et ce réseau protéique est influencée par certaines protéines, les puroindolines, dont la présence et le type d’allèle sont contrôlées génétiquement. Si les gènes codant pour les puroindolines sont présents sous forme sauvages, la dureté meunière, c’est à dire l’aptitude à la fragmentation du grain est faible. L’origine de ce comportement est liée à une adhérence limitée entre matrice protéique et amidon. L'absence totale de puroindolines chez le blé dur conduit au contraire à une dureté très élevée des grains et à une forte adhérence. L'objectif de cette thèse est d'étudier, à partir d’une approche multidisciplinaire, la biomécanique du fractionnement du grain de blé en mettant l'accent sur le rôle des granules d'amidon. Des échelles de taille différentes sont considérées : échelle micrométrique du granule et de la matrice protéique; agencement complexe de ces composants dans l'albumen et échelle millimétrique du grain. Ainsi, des expériences de broyage à l'échelle du grain ont été combinées avec des mesures nano-mécaniques par microscopie à force atomique (AFM) et des simulations numériques.Le comportement au broyage a été étudié en utilisant un micro-moulin instrumenté. Une comparaison a été effectuée entre des essais réalisés sur une variété de blé dur et sur la même variété dans laquelle ont été introduits les gènes codant pour les puroindolines. Un changement significatif du comportement mécanique des grains transformés, attribuable uniquement à la présence de puroindolines, a été observé - en termes d'énergie consommée, - de productivité en farine et - de taux d'amidon endommagé. Ces changements sont compatibles avec l'hypothèse d'une faible adhérence, entre granules d'amidon et matrice protéique, induite par la présence des puroindolines et montrent l'effet significatif de celles-ci sur le comportement à la fragmentation. Ces modifications de comportement mécanique peuvent être étudiées par des mesures AFM nano-mécaniques. Pour compléter des travaux antérieurs ayant permis la mesure des propriétés de l'amidon et du gluten, une méthode basée sur des mesures AFM en mode résonance de contact (CR-AFM) a été développée. Celle-ci permet de cartographier les propriétés directement à l'intérieur des granules d’amidon et prend en compte à travers un modèle théorique les variations importantes de topographie observées dans les sections de grains. Ces études CR-AFM de l'albumen ont ensuite porté sur les propriétés mécaniques des granules d'amidon d'origines botaniques différentes (céréales et légumineuses).Enfin, le rôle de la distribution bimodale en taille des granules d'amidon sur la fragmentation de l'albumen a été précisé à partir d’une étude numérique paramétrique détaillée. Les propriétés mécaniques élastiques et à la rupture ont été analysées en détail, ainsi que le rôle dominant de la ténacité des granules et de l'adhérence à l'interface sur l’endommagement de l’amidon.


  • Résumé

    The wheat grain is a natural composite material of worldwide importance. The major part of the grain is the starchy endosperm. To obtain food products, such as flour, the endosperm’s compact structure needs to be disintegrated, which is achieved by milling the grains under high forces. The quantity and quality of the milling products notably depend on the fragmentation behaviour of the endosperm.Due to the endosperm’s composite nature, this behaviour depends strongly on the mechanical properties of its components and their interaction. The main components of the endosperm are carbohydrates and proteins. The carbohydrates are deposited as starch in the form of granules of micro-meter size, whereas proteins form a network (gluten), which surrounds the starch granules. The interactions between starch and proteins is believed to be influenced by certain non-gluten proteins (puroindolines), whose presence and allelic state are genetically controlled. If puroindoline genes are present in the wild-type form, grain hardness is low, which have been related to low starch-protein adhesion. The complete absence of puroindolines in the durum wheat species leads to very high grain hardness and indicates a strong adhesion.The aim of this thesis was to investigate the biomechanics of wheat grain fractionation with a focus on the role of the starch granules therein, which was pursued with a multi-disciplinary approach. Different size scales were considered, from the micro meter-sized structures of starch and protein, the complexity of their arrangement in the endosperm, up to the millimeter-sized grains. In this work, grain-scale milling experiments were combined with nano-mechanical measurements by atomic force microscopy (AFM) and numerical simulations.The milling behaviour of a transgenic durum wheat line, which contained puroindoline genes, was determined by grain scale milling experiments and compared to the milling behavior of non-modified durum wheat. A significant change of milling behavior of the transformed durum wheat grains was observed in terms of milling energy, flour yield and starch damage, which was solely attributable to the presence of puroindolines. The observed changes were consistent with the hypothesis of a lower adhesion between starch granules and protein matrix due to the presence of puroindolines and confirmed the significant effect of puroindolines on the fragmentation behaviour, independent of the grain’s genetic background.The change of fragmentation behaviour is a result of modifications of the mechanical properties of the endosperm’s components and/ or their interaction. Such modifications can be investigated by AFM nano-mechanical measurements. Based on previous work illuminating the global nano-mechanical properties of starch and gluten, contact-resonance AFM (CR-AFM) was applied to obtain maps of the nano-mechanical properties inside the grains. Due to the high topography variations of grain section surfaces and the non-trivial correlation between surface slope and contact resonance-frequency, which hindered a straight-forward interpretation of CR-AFM measurements, a practical method based on existing analytical models of the cantilever vibration was developed to correct the measurements. CR-AFM studies of the endosperm were then focused specifically on the mechanical properties of starch granules and the link to starch structure, and applied to the study of starches from wheat in comparison to plants from different botanical origin (other cereals and legumes).Finally, the role of starch granules, their size distribution, and mechanical properties on endosperm fragmentation was analysed by parametric numerical studies. The influence of the bi-modal size distribution of granules on the mesoscale mechanical properties was shown, as well as the governing role of granule toughness and interface adhesion on the granule damage.


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