Caractérisation de la composition lipidique de feuilles de caoutchouc d'Hevea brasiliensis et relations avec sa structure et ses propriétés

par Siriluck Liengprayoon

Thèse de doctorat en Sciences des aliments

Sous la direction de Eric Dubreucq.

Soutenue en 2008

à Montpellier SupAgro .

mots clés

• Caoutchouc
• Latex
• Vulcanisation
• Mastication

Résumé

Le caoutchouc naturel produit à partir de latex d’Hevea brasiliensis a des propriétés mécaniques supérieures à celles de son homologue synthétique mais présente un désavantage : la variabilité de sa qualité. Cette dernière a été partiellement attribuée aux composés non-isoprène, en particulier les lipides qui constituent le non-isoprène majeur retenu dans le caoutchouc sec. L’objectif de cette étude était de caractériser la composition lipidique du latex d’Hevea brasiliensis et des feuilles de caoutchouc qui en sont dérivées, et d’étudier les relations avec la structure et les propriétés du caoutchouc naturel (CN). Cette étude a été conduite avec quatre clones d’hévéa : RRIM600, GT1, PB235 et BPM24. Au delà des échantillons de latex, la feuille non fumée (Unsmoked sheet, USS) préparée en suivant un procédé contrôlé et répétable, a été choisie comme échantillon de caoutchouc sec. Les méthodes d’extraction des lipides ont été optimisées pour le latex ainsi que pour les USS. Le contenu en lipides des deux types d’échantillons est clairement dépendant du clone. Les échantillons des clones PB235, BPM24 et RRIM600 (jeune) contiennent plus de lipides (3. 4-3. 7% m/m CN pour le latex vs. 2. 3-3. 3% pour les USS) que ceux des clones GT1 et RRIM600 (âgé) (2. 5-2. 8% et 2. 0-2. 2% pour le latex et les USS, respectivement). Les lipides polaires, i. E. Phospholipides et glycolipides, sont présents en quantité plus faible dans les USS que dans le latex qui a servi à les confectionner. Cette baisse de contenu en lipidepolaires peut être attribuée à une perte au cours des lavages à l’eau et/ou à des hydrolyses enzymatiques qui ont lieu au cours du procédé de fabrication des USS. La composition a ensuite été analysée par diverses techniques chromatographiques. Des quantités importantes d’acide gras contenant un furane (F-acide) ont été trouvées dans les lipides du clone PB235 alors que l’acide linoléique constitue l’acide gras majoritaire des autres clones. Des analyses en GC-MS ont permis de déterminer la composition en insaponifiables des échantillons: stérols (-sitostérol, 5 avenastérol, stigmastérol), tocotriénols ( et ) et alcools gras (C18 and C20). La composition en acides gras des glycolipides (digalactosyl diglycérides (DGDG), monogalactosyl diglycérides (MGDG), stéryl glucosides (SG) et stéryl glucosides estérifiés (ESG)) et des phospholipides (phosphatidylcholine (PC), lysophosphatidyl choline (LPC), acide phosphatidique (PA), phosphatidyléthanolamine (PE), phosphatidyl inositol (PI) et lysophosphatidylinositol (LPI)) a été déterminée par HPLC-ESI/MS. En parallèle, la structure et les propriétés des échantillons de caoutchouc sec (USS) ont été étudiées. Les paramètres retenus étaient les suivants: mésostructure (gel et distribution des masses molaires), macrostructure (spécification normalisée) et le comportement à la mastication et à la vulcanisation. Une étude statistique (ACP) de l’ensemble des données a montré que le clone PB235 se distinguait clairement des autres clones. L’analyse des corrélations entre la composition lipidique et les propriétés du caoutchouc a donc été menée en séparant les données de ce clone de celles des trois autres. Un effet plastifiant marqué des acides gras estérifiés et en particulier des F-acides, a été observé pour les clones RRIM600, GT1 et BPM24. Néanmoins le caoutchouc du clone PB235, très riche en acide F-acide, n’a pas confirmé cet effet, ayant lui même la plus haute valeur de plasticité Wallace et de viscosité Mooney. Une corrélation positive entre les insaponifiables, et en particulier l’-tocotriénol et le stigmastérol, et l’indice de rétention de la plasticité (PRI) a été observée, suggérant une activité anti-oxydante de ces composés. Les lipides influencent également le comportement du caoutchouc à la mastication et à la vulcanisation. En effet, le coût en énergie mécanique de la mastication diminue avec la présence de certains lipides. Les propriétés à la vulcanisation sont liées aux propriétés du caoutchouc cru non-vulcanisé. Les lipides, et en particulier les acides gras libres, jouent un rôle d’activateur réduisant le temps de grillage (ts2) du caoutchouc de RRIM600, GT1 et BPM24. Cette corrélation n’a pas été observée pour le clone PB235. Cette étude a permis la caractérisation de la composition lipidique, de la structure et des propriétés d’échantillons clairement identifiés provenant de différents clones d’Hevea brasiliensis. Ces résultats ont été collectés dans une base de données qui, par une analyse statistique, a permis d’obtenir une vision globale du rôle des lipides dans les propriétés du caoutchouc. Cette approche, ainsi que les connaissances acquises lors de cette étude constitue un socle solide pour des études futures mettant en jeu d’autres grades de caoutchouc couvrant une fourchette plus large en terme de valeurs de certaines propriétés.

Titre traduit

Characterization of lipid composition of sheet rubben from Hevea brasiliensis and relations with its structure and properties

Résumé

Natural rubber produced from Hevea brasiliensis latex possesses superior mechanical properties over its synthetic counterpart but lacks consistency in its quality due to its natural origin. This variation has been partly ascribed to non-isoprene components, especially lipids which are the main non-isoprene compounds retained in dry rubber. The aim of this work was to characterize the lipid composition of H. Brasiliensis latex and derived dry rubber and to study its relationships with natural rubber structure and properties. The study was conducted with four Hevea clones: RRIM600, GT1, PB235 and BPM24. Beside latex, unsmoked sheet rubber (USS) prepared using a controlled and repeatable process was chosen as dry rubber sample. Lipid extraction was performed with an optimized method developed for both fresh latex and dry rubber. Lipid content of both sample types was found to be clonal dependent. Samples from PB235, BPM24 and RRIM600 (young) clones contained more lipids (3. 4-3. 7% w/w dry rubber for latex vs. 2. 3-3. 3% for USS) than GT1 and RRIM600 (old) clones (2. 5-2. 8% and 2. 0-2. 2% for latex and USS, respectively). Polar lipids, namely glycolipids and phospholipids, were found in lower amounts in sheet rubber than in the latex used for its preparation. This reduction in polar lipid content could be due to a loss during the rubber washing step and/or to an enzyme-catalyzed hydrolysis during rubber processing. Lipid composition was further analyzed with various chromatographic techniques. High amounts of a furan fatty acid were found in lipids from PB235 clone while linoleic acid was the main fatty acid in samples from the other clones. Gas chromatography coupled with mass spectrometry permitted to identify the unsaponifiable composition of the samples : sterols (-sitosterol, 5-avenasterol, stigmasterol), tocotrienols ( and ) and fatty alcohols (C18 and C20). The fatty acid composition of glycolipids namely, digalactosyl diglyceride (DGDG), monogalactosyl diglyceride (MGDG), steryl glucoside (SG) and esterified steryl glucoside (ESG) as well as phospholipids (phosphatidylcholine (PC), lysophosphatidylcholine (LPC), phosphatidic acid (PA), phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidyl inositol (PI) and lysophosphatidylinositol (LPI)) were elucidated through HPLC-ESI/MS analysis. In parallel, USS rubber samples were studied for their structure and properties. The studied parameters were mesostructure (gel and molar mass distribution), macrostructure (measured with standardized specification methods), breakdown behavior and vulcanization behavior. Statistical analysis (PCA) of all data showed that samples from PB235 were clearly distinguished from those from the three other clones. Therefore, the correlations between lipid composition and natural rubber properties were studied separately for PB235 and the other clones (RRIM600, GT1 and BPM24). A predominant plasticizing effect of esterified fatty acids and especially of furan fatty acids was observed in RRIM600, GT1 and BPM24. Nevertheless, PB235 rubber, that contained high amounts of furan fatty acid, did not exhibit such a behavior as it showed the highest initial plasticity and Mooney viscosity value. Unsaponifiable components, especially tocotrienol and stigmasterol, seemed to exhibit an antioxidant activity that resulted in a higher plasticity retention index. Lipids were found to also influence rubber behavior during mastication and vulcanization. Indeed, lipids act as processing aids during mastication resulting in lower mechanical energy consumption. Vulcanization characteristics of rubber from each clone were found to relate to the properties of rubber in its unvulcanized state. Lipids, especially free fatty acids, act as activators as observed from the shorter scorch time (ts2) of rubber from RRIM600, GT1 and BPM24. These correlations were not observed with PB235 alone. The present study permitted a characterization of lipids composition, structure and properties of fully identified natural rubber samples from various Hevea clones, collected in a database. This allowed, through statistical analyses, to provide an overview of the relationships between lipid composition and rubber properties. This approach, and knowledge obtained from this work, could constitute a basis for further studies of the involvement of lipids in rubber properties with various rubber types whose properties cover a wider range of values.